工程機(jī)械電氣系統(tǒng)振動故障的測試分析

【摘 要】工程機(jī)械中電氣元器件的性能好壞以及電氣系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)關(guān)系著整機(jī)的操縱性、穩(wěn)定性和安全性。機(jī)械振動帶來的電氣系統(tǒng)故障也占有較高的比例，通過振動對電氣系統(tǒng)的可靠性測試試驗(yàn)可以有效改善優(yōu)化電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，淘汰壽命較短的電氣元件，提高工程機(jī)械的可靠性。

【關(guān)鍵詞】電子設(shè)備；振動故障；可靠性測試

現(xiàn)代工程機(jī)械智能化水平越來越高，電氣元器件在工程機(jī)械的應(yīng)用也越來越廣泛。工程機(jī)械的電氣系統(tǒng)包括電氣設(shè)備和電子系統(tǒng)兩部分，其在動態(tài)環(huán)境中的可靠性受到振動、沖擊、離心、跌落等因素影響。工程機(jī)械往往工作的環(huán)境較為復(fù)雜，承受著更多的振動與沖擊作用，所以對其電氣系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求。

1、動態(tài)環(huán)境對電子設(shè)備性能的影響

工程機(jī)械電氣系統(tǒng)中電子設(shè)備和元器件的設(shè)計(jì)選型是工程機(jī)械設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，而實(shí)踐中電氣系統(tǒng)頻繁故障的發(fā)生，才會發(fā)現(xiàn)所選用電氣元器件的不可靠。振動測試平臺能夠?qū)﹄姎庀到y(tǒng)的實(shí)際工況進(jìn)行仿真模擬，在實(shí)驗(yàn)室中測定電子設(shè)備的可靠度，為電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)保障。工程機(jī)械的電氣系統(tǒng)故障很多是由振動引起的，以全壓振動壓路機(jī)故障統(tǒng)計(jì)為例，以與振動有直接關(guān)系的電子系統(tǒng)故障概率高達(dá)10%。所以，在工程機(jī)械的電氣系統(tǒng)元器件選型及電氣系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)時，要充分考慮相關(guān)工況條件，在重要的電子設(shè)備和元器件的選用上必須進(jìn)行振動可靠性試驗(yàn)，來優(yōu)化工程機(jī)械電氣系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)，選用壽命較高的電子設(shè)備和元器件。

工程機(jī)械的電子設(shè)備中各種元器件較多，元器件承受機(jī)械振動的能力不強(qiáng)，在受到機(jī)械的振動和沖擊作用力下容易造成損壞繼而引發(fā)故障。機(jī)械振動與沖擊給電子設(shè)備帶來的危害主要有兩種，其一是電子設(shè)備在某一激振頻率下引起共振現(xiàn)象，當(dāng)共振幅度過大時，振動加速度超出電子設(shè)備的承受能力時造成設(shè)備損壞，或受到的機(jī)械沖擊力超過設(shè)備本身的強(qiáng)度極限引起機(jī)械損傷；其二，振動加速度引起的應(yīng)力雖遠(yuǎn)低于材料在靜載荷下的強(qiáng)度，不至于破壞但由于長時間振動和多次沖擊使材料疲勞，從而導(dǎo)致設(shè)備破壞。工程機(jī)械的電氣系統(tǒng)中除了設(shè)計(jì)、制造和裝配過程中的質(zhì)量問題，在振動中出現(xiàn)的故障主要是設(shè)計(jì)選型環(huán)節(jié)沒有對設(shè)備工作環(huán)境條件的嚴(yán)酷度進(jìn)行充分考慮，對所選用設(shè)備承受環(huán)境條件界限的能力預(yù)估不足或考慮欠周，或者在進(jìn)行振動和沖擊隔離系統(tǒng)設(shè)計(jì)時措施不當(dāng)。電子設(shè)備長期工作在復(fù)雜的工況環(huán)境下，隨時承受著不規(guī)律的振動和沖擊，即使振動和沖擊并不會引起電子設(shè)備的通信斷開和閉合，不引起誤動作，也會出現(xiàn)并不可靠的性能。包括電子設(shè)備的接觸點(diǎn)動、靜接觸面之間不可避免地會產(chǎn)生些許相對運(yùn)動，接觸點(diǎn)不斷地受到摩擦作用，造成破損，或在摩擦中引起設(shè)備接觸點(diǎn)的高溫氧化，進(jìn)而會產(chǎn)生一層不導(dǎo)電的絕緣層。

2、電子設(shè)備的測試流程及方法設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行電子設(shè)備及元器件振動測試試驗(yàn)，不僅可以實(shí)現(xiàn)對電氣系統(tǒng)以及其它部件的故障再現(xiàn)；還可以借助加速試驗(yàn)的方式，讓一些可能出現(xiàn)的故障隱患在短時間內(nèi)暴露出來，從而幫助工程機(jī)械的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提高對電子設(shè)備及元器件的性能認(rèn)識，提高電氣系統(tǒng)的可靠性。

2.1振動測試流程

實(shí)驗(yàn)室中的振動測試需要在振動平臺上進(jìn)行，根據(jù)工程機(jī)械的振動響應(yīng)特性，通常選用電動式振動臺作為電氣系統(tǒng)的測試平臺。平臺主要由控制裝置、功率放大裝置、振動臺體、冷卻系統(tǒng)、信號反饋系統(tǒng)等組成。實(shí)驗(yàn)中，首先采集各工況環(huán)境下的電氣系統(tǒng)待測部件的路譜數(shù)據(jù)，路譜數(shù)據(jù)的采集通常選產(chǎn)品振動最為劇烈的兩個點(diǎn)或多個點(diǎn)。因?yàn)樵囼?yàn)在對參考譜進(jìn)行處理時，經(jīng)過加權(quán)和疊加以后，無論振動中有幾個點(diǎn)在作用，起主要作用的只是當(dāng)中振動幅度或頻率最大的點(diǎn)，如此也是將工況最惡劣的情況包括起來。再次，經(jīng)過傅里葉變換轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的能量譜數(shù)據(jù)（頻域信號），通過等效加速試驗(yàn)的處理方法，將處理過的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為控制儀可以識別的試驗(yàn)參考譜，直接導(dǎo)入到控制儀里?？刂苾x根據(jù)參考譜生成相應(yīng)的控制電流信號，經(jīng)過功率放大器放大后直接作用于振動臺，振動臺產(chǎn)生動作。反饋系統(tǒng)采集振動臺的運(yùn)動信號后反饋給控制儀，控制儀對控制電流進(jìn)行修正，使振動臺的運(yùn)動參數(shù)與參考譜保持相對一致后，就可以使待測部件始終按照參考譜的要求進(jìn)行振動測試。

2.2試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室的測試試驗(yàn)中無法完全模擬實(shí)際工況的工作時間，可以將實(shí)際測得的數(shù)據(jù)通過保守因子法，再結(jié)合其它工況因素的影響得到一組控制振動臺進(jìn)行運(yùn)動的數(shù)據(jù)，作為參考譜。參考譜是振動測試中等效加速試驗(yàn)的一個過程數(shù)據(jù)，可以在縮短試驗(yàn)時間的情況下來完成電子設(shè)備的振動測試實(shí)驗(yàn)。

2.2.1振動方式

目前實(shí)驗(yàn)室采用的振動測試平臺振動方式分X、Y、Z這3個方向來完成的。試驗(yàn)中必須按垂直臺尺寸配置相應(yīng)水平滑臺，由水平滑臺和振動臺體連接，完成水平面內(nèi)兩個方向的振動測試。進(jìn)行測試前，先將待測試的電子設(shè)備或元器件按照其在工程機(jī)械中的實(shí)際安裝方式，安裝在振動臺的輔助夾具上，再將夾具和待測電子設(shè)備安裝在振動臺上，分別按 X，Y，Z這3個方向進(jìn)行振動試驗(yàn)，Z方向上的振動測試在振動臺的臺體上完成，X，Y 兩個方向上的振動測試是分別在振動臺的水平滑臺上完成（臺體向水平滑臺一側(cè)旋轉(zhuǎn)90°，與水平滑臺連接，驅(qū)動水平滑臺動作），三個方向分別進(jìn)行12小時的連續(xù)振動測試。

2.2.2振動頻率與振動幅度測試

為了充分驗(yàn)證振動對工程機(jī)械電氣設(shè)備的影響，需要進(jìn)行兩步試驗(yàn)過程。首先，試驗(yàn)在對振動頻率的研究過程中保持振動的幅度不變，分別設(shè)置不同的激振頻率，分析電氣設(shè)備在不同頻率時的通信狀態(tài)及電阻變化；第二步，保證振動頻率相同（可設(shè)置兩組或多組），設(shè)計(jì)不同的振幅，觀察電氣設(shè)備的共振狀態(tài)及通信狀況。由此，就可以得出電氣設(shè)備在不同固有頻率下的狀態(tài)是否滿足工作要求，還可以知道電氣系統(tǒng)在振動幅度加大的時候工作狀態(tài)的變化。為保證電氣設(shè)備的可靠性，通過試驗(yàn)分析，在工程機(jī)械的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采取適當(dāng)?shù)母粽翊胧﹣磉m應(yīng)不同的工況環(huán)境。

3、結(jié)束語

工程機(jī)械的作業(yè)環(huán)境惡劣，工況復(fù)雜多變，對電氣系統(tǒng)的可靠性有較高的要求。運(yùn)用振動試驗(yàn)的方式來暴露產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)是工程設(shè)計(jì)中常采用的方式。隨著工程機(jī)械設(shè)計(jì)研究的深入，在電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選型中采用振動測試的頻率越來越高。對工程機(jī)械電氣系統(tǒng)的振動測試試驗(yàn)不僅是了解電資設(shè)備及元器件的性能和壽命的重要手段，也是優(yōu)化電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)的一種重要方法。