礦用自卸車牽引變流器的振動測試及仿真

丁 杰 張 平

1.湘潭大學土木工程與力學學院，湘潭，4111052.株洲南車時代電氣股份有限公司技術(shù)中心，株洲,412001

礦用自卸車牽引變流器的振動測試及仿真

丁 杰1,2張 平1

1.湘潭大學土木工程與力學學院，湘潭，4111052.株洲南車時代電氣股份有限公司技術(shù)中心，株洲,412001

針對礦用自卸車無振動試驗標準參照的現(xiàn)狀而導(dǎo)致核心部件牽引變流器結(jié)構(gòu)可靠性難以評估的問題，對某型號礦用自卸車牽引變流器安裝部位進行了振動加速度數(shù)據(jù)采集，并進行了數(shù)據(jù)檢驗、功率譜密度計算和數(shù)據(jù)歸納，得到了空載和滿載兩種工況不同振動方向的實測振動加速度譜密度曲線。為進一步解決振動試驗臺在驗證時無法按照產(chǎn)品使用壽命長時間運行的問題，對實測譜進行了加速計算，將振動量級提高而試驗時間大幅度縮短。對牽引變流器進行了有限元建模、模態(tài)分析和基于加速實測譜的隨機振動分析，得到了表征結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平的1σ應(yīng)力分布，最終確定了牽引變流器的結(jié)構(gòu)疲勞壽命滿足使用要求。振動測試及仿真分析方法可為同類產(chǎn)品開發(fā)提供參考。

礦用自卸車；牽引變流器；隨機振動；加速度譜密度；數(shù)據(jù)處理

0 引言

全世界約40%的煤礦和80%的鐵礦采用露天開采方式，因此對礦用自卸車的需求極大。由于礦區(qū)道路多為臨時性路面，上下坡和急轉(zhuǎn)彎多，其不平順性遠高于普通公路，且礦用自卸車的體積、重量過于龐大，減振特性偏硬，使得車體振動條件比普通車輛更為惡劣[1-3]。在進行礦用自卸車整車及關(guān)鍵部件的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要以符合現(xiàn)場實際情況的振動試驗標準為參照，對結(jié)構(gòu)的強度、剛度和疲勞壽命進行仿真分析。樣機完成后通過試驗驗證來考核檢驗產(chǎn)品的合格性，從而保障車輛的可靠性。然而，美德日俄等國的企業(yè)出于技術(shù)保密的考慮，沒有將實測數(shù)據(jù)整理出的載荷譜發(fā)布為礦用自卸車的振動試驗標準或作為技術(shù)文獻加以公開，導(dǎo)致我國開展礦用自卸車產(chǎn)品開發(fā)時無相應(yīng)的試驗載荷譜標準來參照，嚴重制約了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

為保證礦用自卸車核心部件牽引變流器的結(jié)構(gòu)可靠性，本文針對某型號電動輪礦用自卸車，測試了牽引變流器安裝部位的振動加速度數(shù)據(jù)并整理為加速度譜密度曲線，對實測振動譜加速后進行了牽引變流器的隨機振動仿真分析及振動試驗驗證。

1 振動加速度測試

為了解礦用自卸車實際工作過程中的振動環(huán)境，需要對其測試不同運行工況下的加速度-時間歷程數(shù)據(jù)，才能為后續(xù)數(shù)據(jù)分析和制定實測隨機振動試驗載荷譜提供數(shù)據(jù)支持。然而在數(shù)據(jù)采集之前，需要考慮以下問題：①車輛的類型不同，其振動的譜型和量級會有差異；②車輛空載、半載和滿載時，振動量級會發(fā)生一定的變化；③車輛速度高時，振動量值會偏大且高頻成分更豐富；④車輛行駛于不同路面時，路面對輪胎的激勵有所不同；⑤不同司機的駕駛習慣有差異，車輛的動力學響應(yīng)有所改變；⑥車輛承載底板不同部位的振動有差異，測點的布置和數(shù)量會影響測試結(jié)果；⑦采集數(shù)據(jù)的頻率范圍和持續(xù)時間關(guān)系到數(shù)據(jù)所要求的置信度等。

選取的測試對象為內(nèi)蒙古某礦山某型號電動輪礦用自卸車(圖1)，每日正常作業(yè)白班一班，運行里程約80 km，滿載15趟左右。一臺礦用自卸車配置一臺牽引變流器，柴油機驅(qū)動同步發(fā)電機發(fā)出交流電后，能量經(jīng)牽引變流器進行交直交轉(zhuǎn)換成合適的電壓驅(qū)動牽引電機。牽引變流器作為電傳動系統(tǒng)中的核心部件，是測試中的重點關(guān)注對象。

圖1 礦用自卸車Fig.1 Mining dump truck

測試采用的設(shè)備主要有1臺INV3020C數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、4個4506B型三軸加速度計、1臺用于信號實時監(jiān)控及分析的便攜式計算機、1臺山特C1K型不間斷電源和1套DASP-V10測試分析軟件。圖2所示的牽引變流器與礦用自卸車安裝平臺共有5個固定點，取4個角的固定點為測試點，安裝好三軸加速度計，以便同時測得某一測點的縱向(X)、橫向(Y)和垂向(Z)3個方向的加速度-時間歷程數(shù)據(jù)。加速度計電纜線通過合理布線后由司機室窗戶引入至司機室，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、不間斷電源和便攜式計算機均放在司機室內(nèi)，底部墊上減振泡沫，以改善數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)本身的使用環(huán)境條件。連接好整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并進行初步調(diào)試，設(shè)備可正常工作。

圖2 牽引變流器及測試點Fig.2 Traction converter and measurement points

考慮到測試數(shù)據(jù)樣本的代表性，測試線路選定實際運行路況，即礦用自卸車裝載土和卸載土之間的路段。安排了4名駕駛員進行駕駛，以綜合考慮不同司機駕駛習慣對礦用自卸車運行振動環(huán)境的影響。因用于振動試驗的電動振動臺的最高試驗頻率一般為2000 Hz，根據(jù)采樣定理可知采樣頻率取5120 Hz是合適的。對測試數(shù)據(jù)進行目視檢查，可以發(fā)現(xiàn)沒有信號削波、儀器噪聲過大、電源干擾、虛假趨勢、零漂、信號丟失等異?，F(xiàn)象，確保了測試數(shù)據(jù)與真實情況相符。

圖3是牽引變流器左前方角的加速度計測出的垂向振動加速度aZ，礦用自卸車經(jīng)歷了怠速、空載、裝載、滿載和翻斗等工況，空載和滿載時的垂向加速度值明顯大于其他工況，因此，振動加速度的數(shù)據(jù)處理及分析主要關(guān)注空載和滿載這兩種工況。

(a)怠速及空載

(b)裝載、滿載及翻斗圖3 垂向振動加速度波形Fig.3 Wave of vibration acceleration in vertical direction

2 數(shù)據(jù)處理及分析

實測的振動加速度數(shù)據(jù)是隨機振動的時域數(shù)據(jù)，需要進行數(shù)據(jù)處理才能得到規(guī)律性的曲線，以使實測數(shù)據(jù)具有復(fù)現(xiàn)性。數(shù)據(jù)處理的步驟主要有數(shù)據(jù)檢驗、功率譜密度計算和數(shù)據(jù)歸納等[4-6]。

2.1 數(shù)據(jù)檢驗

數(shù)據(jù)檢驗主要包括周期性檢驗、平穩(wěn)性檢驗、各態(tài)歷經(jīng)檢驗和正態(tài)性檢驗等。

周期性檢驗時，必須對每一個峰單獨進行檢驗。可選用的方法有如下幾種：①物理檢驗，分析與譜峰對應(yīng)頻率是否和已知周期振源一致；②目視檢驗，憑經(jīng)驗直接觀察數(shù)據(jù)的時間歷程是否具有周期性；③概率密度分析或自相關(guān)分析，數(shù)據(jù)進行概率密度分析或自相關(guān)分析的曲線形狀特征是否具有典型性；④自譜密度分析；⑤方差檢驗。

平穩(wěn)性檢查時，可選用的方法有如下幾種：①物理檢驗，決定振動量值大小的物理因素隨著時間變化是否基本不變；②目視定性檢驗，振動平均值波動是否很小且振動峰谷變化是否較為均勻；③均方根值檢驗，數(shù)據(jù)的均方根值波動是否很??；④實時分析檢測；⑤輪次檢驗；⑥方差檢驗。

各態(tài)歷經(jīng)檢驗時，根據(jù)振源及物理特性進行判斷。正態(tài)檢驗時，可用概率密度函數(shù)分析、2擬合優(yōu)度檢驗和偏態(tài)峰態(tài)檢驗等方法。通過數(shù)據(jù)檢驗可知測試數(shù)據(jù)滿足平穩(wěn)隨機振動數(shù)據(jù)的分析與處理要求。

2.2 功率譜密度計算

為改善方差性能和分辨率精度，功率譜密度計算采用Welch法(改進周期圖法)?；玖鞒倘鐖D4所示，首先對數(shù)據(jù)分段，然后對每段數(shù)據(jù)在時域上乘以Hanning窗函數(shù)，再進行快速傅里葉變換，求得功率譜，最后求漸近無偏估計的段平均[7]。

圖4 功率譜計算的Welch法Fig.4 Welch method of power spectrum calculation

設(shè)置最大研究頻率fh，采用數(shù)字濾波去掉大于fh的高頻信號，可避免混頻現(xiàn)象。為便于利用快速傅里葉變換，加窗后的數(shù)據(jù)w(n)可通過補零取2的整數(shù)冪[8]。為減小因分段造成的對分辨率的影響，各段數(shù)據(jù)有一半重疊。求各段功率譜平均得到的功率譜估計P(ω)為

(1)

式中，K為有重疊的分段數(shù)；U為附加歸一化算子；n為分段的數(shù)據(jù)點編號；ω為相對離散信號的圓頻率；L為分段的長度；w(n)為窗函數(shù)序列。

2.3 數(shù)據(jù)歸納

數(shù)據(jù)歸納的目的在于獲取產(chǎn)品的設(shè)計輸入和考核規(guī)范，其選擇原則是保證對應(yīng)數(shù)據(jù)滿足平穩(wěn)隨機振動假設(shè)，且所選狀態(tài)的總體能較為真實全面地反映出實際振動環(huán)境的主要特征。屬于同一總體的情況有如下幾種：①同一設(shè)備安裝在同一運載工具不同安裝點時的測點數(shù)據(jù)；②同一車輛在同一路面以不同車速行使時的同一測點數(shù)據(jù)；③不同車輛在同一路面上相同測點位置上的數(shù)據(jù)。由于當前的現(xiàn)場測量和實驗室的模擬都是按照垂直、水平方向進行，同一測點不同方向上的數(shù)據(jù)不屬于同一總體?？紤]到礦用自卸車空載和滿載的運輸條件發(fā)生了較大變化，認為同一測點不同載荷工況的數(shù)據(jù)不屬于同一總體。數(shù)據(jù)歸納的基本過程如下：首先對多個數(shù)據(jù)通道的測量數(shù)據(jù)進行參數(shù)假設(shè)檢驗，然后歸并屬于同一總體的數(shù)據(jù)形成特征樣本，最后按預(yù)定的置信度和分位點對各特征樣本進行容差上限估計得到實測譜。

(2)

l=1，2，…，L1

對均值和方差分別計算統(tǒng)計量Fn(l,o)和tn(l,o)：

(3)

l=1，2，…，L1o=1，2，…，L1l≠o

(4)

第p個特征樣本的容差上限估計：

(5)

p=1，2，…，P1k=1，2，…，N1

2.4 實測譜整理

圖5是4個測點4組空載工況的垂向、橫向和縱向加速度頻譜圖，可以看出同一測點的頻譜因不同司機駕駛而有差異，同一測點在不同頻率值下的響應(yīng)有區(qū)別。

圖6是4個測點3組滿載工況的垂向、橫向和縱向加速度頻譜圖。與圖5相比，盡管測點位置相同，但滿載與空載的加速度頻譜特性有一定差異。

取最大研究頻率為200 Hz，置信度1-α為90%，分位點β為80%，可分別按照空載、滿載兩種工況和垂向、橫向、縱向3個方向可歸納整理出如圖7所示的功率譜密度曲線?？蛰d工況下，垂向、橫向和縱向的加速度均方根值分別為6.17 m/s2、3.20 m/s2和2.89 m/s2。滿載工況下，垂向、橫向和縱向的加速度均方根值分別為6.45 m/s2、3.24 m/s2和2.96 m/s2。同一工況下，垂向加速度均方根值最大，縱向加速度均方根值最小。同一方向上，滿載工況的加速度均方根值略大于空載工況。

(a)垂向

(b)橫向

(c)縱向圖5 空載工況的加速度頻譜Fig.5 Acceleration spectrum in empty load condition

3 基于實測譜的疲勞仿真分析

3.1 確定加速比

前面整理出礦用自卸車安裝平臺上4個測試點的加速度譜密度曲線，振動量級為礦用自卸車空載與滿載工況下的功能性數(shù)據(jù)。在利用實測譜驗證牽引變流器產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)疲勞壽命時，可以使用仿真分析和振動試驗兩種方法?；诟咚谷齾^(qū)間法的隨機振動疲勞仿真可以計算危險部位的1σ應(yīng)力，再通過材料S-N曲線計算出疲勞損傷和壽命[9-11]。然而用振動試驗臺進行驗證時，按照產(chǎn)品的使用壽命長時間運行是不現(xiàn)實的，因此，需要通過加速方式縮短試驗時間[12-13]。

加速振動模擬試驗的方法主要有幅值增強法、時基壓縮法和幅值截取法。幅值增強法是保持頻率特性的相似性，即保持加速度譜密度曲線譜型不變，人為提高加速試驗的振動量級。根據(jù)Palmgren-Miner原理，選取圖8所示的加速曲線時，加速比為

γ=at/as=(ts/tt)1/b

(6)

其中，as為運行加速度；at為試驗加速度;ts為實際運行時間;tt為試驗時間;b為根據(jù)材料的疲勞試驗總結(jié)出的指數(shù),IEC61373:1999、MIL-STD-810F、GJB 150.16A等標準給出b=4。

由于礦用自卸車的運行環(huán)境惡劣，國際上高水平的柴油機第一次大修時間為15 000～20 000 h，

(a)垂向

(b)橫向

(c)縱向圖6 滿載工況的加速度頻譜Fig.6 Acceleration spectrum in full load condition

(a)空載

(b)滿載圖7 歸納處理后的加速度譜密度Fig.7 Acceleration spectrum density after induction

圖8 計算加速比時假設(shè)的曲線Fig.8 Assumed curve of acceleration ratio calculation

整車經(jīng)濟壽命一般在10年左右。在確定礦用自卸車牽引變流器的使用壽命時，需要一定的裕量。假定牽引變流器的使用壽命為15年，1年365天，每天空載和滿載各運行4 h，則空載和滿載的運行時間均為21 900 h。取空載和滿載工況單個方向的隨機振動試驗時間為5 h，則可根據(jù)式(6)計算出加速比為8.135。

3.2 仿真模型及結(jié)果分析

Steinberg提出的應(yīng)力服從高斯分布的三區(qū)間法是工程上計算結(jié)構(gòu)隨機振動疲勞壽命簡單易行的方法之一。N(1σ)、N(2σ)和N(3σ)分別表示應(yīng)力水平1σ、2σ、3σ在材料疲勞性能曲線中對應(yīng)的疲勞載荷循環(huán)次數(shù)，在平均頻率f0、時間t內(nèi)，結(jié)構(gòu)上承受c個不同應(yīng)力水平的加載時，依據(jù)Miner線性累計損傷理論可知結(jié)構(gòu)總損傷為[11]

(7)

當臨界部位的D為1時，認為結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞破壞。由此可知，計算1σ應(yīng)力是分析結(jié)構(gòu)隨機振動疲勞壽命的主要任務(wù)之一，可通過ANSYS軟件的隨機振動分析得到該結(jié)果。

在進行牽引變流器的隨機振動分析時，首先需要根據(jù)結(jié)構(gòu)特點建立有限元模型。牽引變流器柜體由不銹鋼材料的鈑金結(jié)構(gòu)組焊而成，內(nèi)部安裝有整流模塊、逆變模塊、制動模塊、傳動控制單元、固定放電電阻、電壓電流傳感器、勵磁控制器等電氣部件。柜體結(jié)構(gòu)不完全對稱，故取整體結(jié)構(gòu)建立有限元力學模型。網(wǎng)格基本尺寸取5 mm，采用HyperMesh軟件對厚度小于5 mm的鈑金件抽取中面及幾何清理后劃分成四邊形為主，極少數(shù)為三角形的板殼單元，對厚度大于5 mm的鈑金件及電氣部件劃分成六面體為主，少量為棱柱體的實體單元，焊接與螺栓連接通過剛性單元來實現(xiàn)，對底部安裝螺栓孔進行全約束，生成有限元模型后導(dǎo)出至ANSYS軟件依次進行模態(tài)分析和隨機振動分析。圖9所示為牽引變流器的有限元模型，其中X、Y和Z分別表示縱向、橫向和垂向。

圖9 有限元模型Fig.9 Finite element model

模態(tài)分析可用于計算牽引變流器的結(jié)構(gòu)固有頻率和振型，從而判斷結(jié)構(gòu)的剛度，該分析是隨機振動分析的輸入。圖10所示為第1階振動頻率59.5 Hz對應(yīng)的振型，最大位移位置出現(xiàn)在逆變模塊的驅(qū)動盒蓋板上。

圖10 第1階頻率對應(yīng)的振型Fig.10 Vibration mode corresponding to thefirst order frequency

在模態(tài)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，將空載及滿載兩種工況的垂向、橫向和縱向3個方向共6種情況經(jīng)過加速后的加速度譜密度曲線逐次輸入至ANSYS軟件，可以分別計算出不同輸入條件下的1σ應(yīng)力分布。圖11所示為滿載工況下垂向隨機振動分析的1σ應(yīng)力分布結(jié)果。因電氣部件遮擋了部分柜體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為便于結(jié)果的顯示，圖11a對柜體進行了單獨顯示，可看出底部安裝座的1σ應(yīng)力值最大，為60.219 MPa，圖11b單獨顯示了多個變流器模塊中1σ應(yīng)力值最大的逆變模塊，最大1σ應(yīng)力值出現(xiàn)在安裝板上，為16.546 MPa。

對該牽引變流器6種情況的1σ應(yīng)力進行計算后，可以參考文獻[11]的計算方法得到最終的結(jié)構(gòu)損傷小于1。

(a)柜體

(b)逆變模塊圖11 滿載工況垂向隨機振動的1σ應(yīng)力分布Fig.11 1σ stress distribution of vertical directionrandom vibration in full load condition

3.3 振動試驗驗證

牽引變流器完成樣機試制后，需要進行型式試驗才能裝車。型式試驗中的主要內(nèi)容有絕緣電阻試驗、介電強度試驗、冷卻系統(tǒng)性能試驗、輕載試驗、噪聲測試、換流試驗、供電過電壓及瞬態(tài)能量試驗、溫升試驗、電磁兼容試驗、低溫試驗、高溫試驗、高溫存儲試驗、交變濕熱試驗、防護等級試驗和振動試驗等。因振動試驗屬于破壞性試驗，往往在最后進行。

牽引變流器樣機在進行最后的振動試驗時，將其通過夾具固定在振動試驗臺上(圖12)，依次施加經(jīng)過加速后的空載及滿載兩種工況的垂向、橫向和縱向3個方向的加速度譜密度激勵。30 h的加速隨機振動試驗結(jié)束后，未發(fā)現(xiàn)牽引變流器柜體結(jié)構(gòu)開裂或螺栓松脫，各器件無明顯變形或損壞。繼續(xù)按照型式試驗大綱進行絕緣電阻試驗和輕載試驗，耐壓等級滿足要求，輸出電流波形正常。因此，通過振動試驗可以定性說明牽引變流器滿足該型號礦用自卸車在所屬礦區(qū)的使用要求，也可以說明振動測試及仿真分析方法的可行性。

圖12 振動試驗Fig.12 Vibration test

4 結(jié)論

(1)空載工況垂向、橫向和縱向的加速度均方根值分別為6.17m/s2、3.20m/s2和2.89m/s2，滿載工況垂向、橫向和縱向的加速度均方根值分別為6.45m/s2、3.24m/s2和2.96m/s2。

(2)假定牽引變流器的使用壽命為15年，單個方向隨機振動試驗為5h時，加速度譜密度曲線譜型保持不變，振動量級提高8.135倍，通過加速比的計算有利于振動試驗驗證。

(3)利用ANSYS軟件的隨機振動分析功能可以得到牽引變流器的1σ應(yīng)力分布，從而驗證結(jié)構(gòu)的疲勞壽命是否滿足使用要求。

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(編輯 王旻玥)

Vibration Test and Simulation of Traction Converters for Mining Dumper Trucks

DING Jie1,2ZHANG Ping1

1.College of Civil Engineering and Mechanics,Xiangtan University,Xiangtan，Hunan，411105 2.Technology Center, Zhuzhou CSR Electric Times Co.,Ltd.,Zhuzhou,Hunan，412001

Due to the status for mining dump truck without vibration test standard reference that led to problems difficult to assess the reliability of the structure for the core components of traction converters, the acceleration data for mining dump truck traction converter’s installed parts were collected and validated. The power spectral density were calculated and then the data were summarized to give vibration acceleration spectral density curves of empty and full load two kinds working conditions in different directions. In order to solve the problems that the vibration test could not be long run in accordance with the product life times, the accelerated measured spectrum was calculated that the vibration level would be increased with the testing time was significantly shortened. According to the finite element modeling, modal analysis and random vibration analysis based on the accelerated measured spectrum for the traction converters, the characterization of structural stress level 1σstress distribution was came out. Ultimately, the results determine that the structure fatigue lifes of traction converters may satisfy the application requirements. The method of vibration test and simulation may provide a reference for the development of similar products.

mining dump truck; traction converter; random vibration; acceleration spectral density; data processing

2016-04-29

湖南省自然科學省市聯(lián)合基金資助重點項目(12JJ8020)

U270.1；U461.5+6

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.04.020

丁 杰，男，1979年生。湘潭大學土木工程與力學學院博士研究生，株洲南車時代電氣股份有限公司技術(shù)中心高級工程師。主要研究方向為一般力學與力學基礎(chǔ)、變流器結(jié)構(gòu)仿真與熱仿真。E-mail：dj8083@126.com。張 平，男，1955年生。湘潭大學土木工程與力學學院教授、博士研究生導(dǎo)師。