某牽引車電池損壞機理試驗分析與解決

王子穩(wěn) 黃貴東 高巧明 黃東輝

摘? 要：某牽引車（6×2）在河南新鄉(xiāng)等地的使用過程中出現(xiàn)了電瓶內(nèi)部極板斷裂故障，但另一款同類型的車型（6×4）沒有出現(xiàn)該故障.針對此故障進行了試驗測試研究，通過采集不同路面激勵作用下兩款牽引車電瓶的振動數(shù)據(jù)，進行了兩款牽引車的對比分析，以及在空載與裝載15 t兩種工況下，牽引車（6×2）改裝前后的對比分析，最終發(fā)現(xiàn)6×2牽引車空載工況的惡劣振動導(dǎo)致電瓶損壞.通過添加膠墊，解決了電瓶損壞故障，延長了電池使用壽命.

關(guān)鍵詞：鉛酸蓄電池;振動測試;頻譜分析

中圖分類號：TM912? ? ? ? ?DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.01.0010

0? ? 引言

汽車上的各種電器和發(fā)動機啟動都離不開汽車蓄電池，電池在車上的安裝方案尤為重要.電池的壽命一般與溫度、充放電和機械性損壞等有關(guān)[1-3].因為牽引車的工作路況復(fù)雜，所以路面激勵給予電池的影響很大.一般路基受到的荷載以交通動載為主[4].對于低路堤，交通荷載經(jīng)過低路堤擴散作用，傳到土基的應(yīng)力比高路堤更大，從而引發(fā)路面不均勻沉降的增大[5]，因此，路面會凹凸不平，當(dāng)牽引車工作在類似的路況下時，振動將會給電瓶造成很大影響.蓄電池有耐振性能指標(biāo)，通過天津藍天電源公司關(guān)于密封鉛酸蓄電池耐振性能的研究可知，振動會使鉛合金產(chǎn)生塑性應(yīng)變導(dǎo)致低周疲勞，造成斷裂[6].另外還有抗振試驗， 振動后電氣性能試驗， 振動溢流試驗， 都要求不能漏酸， 甚至蓄電池周圍不能出現(xiàn)氣泡[7].本文結(jié)合某牽引車車型（6×4）作為對比，探究振動對電瓶的影響，找出牽引車（6×2）的電池損壞原因，以及如何改進電池安裝方案，提升電池壽命.

1? ? 振動試驗

試驗設(shè)備有數(shù)據(jù)采集儀、筆記本電腦、傳感器連接線、電瓶、加速度傳感器.數(shù)據(jù)采集儀的主要功能有：振動數(shù)據(jù)采集、沖擊分析、聲學(xué)分析、模態(tài)測試、動平衡測試等，型號為MI7016.加速度傳感器包括單向傳感器和三向傳感器.傳感器的安裝位置如圖1所示.

試驗測量的循環(huán)路況包括大卵石路、凹凸路、大搓衣板路、扭曲路、石板路、沙灘路、大石塊路、柏油路、小卵石路、魚鱗坑路、波形路、小石塊路、小搓衣板路.在一個循環(huán)路況中，進行了空載和裝載15 t兩種情況下，電瓶分別加膠墊與不加膠墊的測試.

2? ? 數(shù)據(jù)處理

2.1? ?數(shù)據(jù)采集與處理方法

為了探究路面激振的影響，采集該車型電瓶上的振動加速度數(shù)據(jù)（本文所涉及的振動數(shù)據(jù)均來自于電瓶上蓋的測試點），把生成的.dar格式文件導(dǎo)入離線分析軟件，生成相應(yīng)的時域信號圖.再依據(jù)中低頻段的加速度占比和加速度頻數(shù)占比的統(tǒng)計規(guī)律，找出造成結(jié)構(gòu)損壞的敏感頻點.

高于100 Hz的信號可能來自發(fā)動機或者其他高頻振動，本試驗只針對低于100 Hz的中低頻信號，將100 Hz以上的信號濾波處理.針對生成的時域信號圖，分別提取各個通道、各個路況的截斷數(shù)據(jù)進行頻譜分析.處理每個通道、每個路況振動數(shù)據(jù)時，取1.3 s每幀的時域數(shù)據(jù)進行頻譜分析后，對每個路況的所有波峰進行統(tǒng)計分析.由于數(shù)據(jù)采集儀的離線數(shù)據(jù)處理軟件本身沒有統(tǒng)計功能，需手工導(dǎo)出每幀頻譜數(shù)據(jù)，生成.xlsx格式數(shù)據(jù)，通過matlab編程處理數(shù)據(jù)，找出每幀的前10個頻率波峰值，輸入到電子表格并且畫出每個單循環(huán)路況的散點圖.

在得到表格數(shù)據(jù)后，利用表格進行數(shù)據(jù)處理，計算出每個頻點的頻數(shù)占比和加速度占比.在作圖軟件OriginPro 8.5作出各個頻點的頻數(shù)-加速度占比曲線.

2.2? ?車架模態(tài)計算

由于車架剛度很大，所以在車架模態(tài)有限元計算時，車架的自由模態(tài)和約束模態(tài)幾乎相同.在試驗路況時，由地面激勵引起的車架振動主要是一階扭轉(zhuǎn)和一階彎曲.車架在自由模態(tài)下，模態(tài)計算結(jié)果見表1，各階振型如圖2—圖5所示.

3? ? 對比分析

蓄電池安裝在車架中部，路面激勵通過懸架傳給車架再影響電瓶.選取同類型的兩款車（6×2和6×4）作對比，找出電瓶振動頻率異常點.兩款牽引車的車架有一定的不同.以對比兩款牽引車低頻區(qū)間和高頻區(qū)間下的振動數(shù)據(jù)為例進行分析，數(shù)據(jù)對比如圖6—圖9和表2—表4所示.其中，表2對應(yīng)圖6;表3對應(yīng)圖7;表4對應(yīng)圖8.

通過數(shù)據(jù)對比可以看出，在高頻區(qū)間內(nèi)，該問題牽引車（6×2）各個頻點的頻數(shù)占比和加速度占比明顯高于另一款牽引車（6×4），并且出現(xiàn)敏感頻點30.76 Hz，該頻點接近于車架的一階彎曲模態(tài)（25 Hz），因此，電瓶的損壞與車輛在惡劣路況行駛時，車架發(fā)生一階彎曲模態(tài)振動，電瓶隨車架一起高頻振動有關(guān).

4? ? 6×2車型改進方案對比分析

試驗將通過牽引車在空載和15 t裝載兩種工況下，電瓶上點的振動對比進行原因分析.

4.1? ?空載下的電瓶加膠墊和不加膠墊對比

數(shù)據(jù)來源：選擇壞路循環(huán)中9個相對惡劣路況（凹凸路、大搓衣板路、大卵石路、石板路、大石塊路、魚鱗坑路、小搓衣板路、小卵石路、小石塊路）下是否加膠墊的振動數(shù)據(jù)進行整合.數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖10所示.

4.2? ?15 t裝載電瓶加膠墊和不加膠墊對比

數(shù)據(jù)來源：選擇壞路循環(huán)中9個相對惡劣路況（凹凸路、大搓衣板路、大卵石路、石板路、大石塊路、魚鱗坑路、小搓衣板路、小卵石路、小石塊路）下是否加膠墊的振動數(shù)據(jù)進行整合.數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖11所示.

通過圖11可以看出，在15 t裝載時的低頻和高頻兩個區(qū)間內(nèi)，電瓶在加膠墊和不加膠墊的兩種不同條件下，頻數(shù)占比和加速度占比沒有明顯差異.

4.3? ?小結(jié)

通過空載與15 t裝載的數(shù)據(jù)對比可以看出，15 t裝載振動測試數(shù)據(jù)無明顯差異;空載振動測試，電瓶加膠墊對高頻的振動有明顯的過濾與衰減作用，這可能是在空載高頻的工作狀況下導(dǎo)致了電瓶極板的斷裂.

5? ? 總結(jié)

1）車架發(fā)生一階彎曲模態(tài)振動對應(yīng)的電瓶高頻振動.

2）空載高頻的工作狀況下，此時電瓶加膠墊對電瓶的高頻振動有明顯過濾和衰減作用，最終解決了電瓶因為振動而造成的損壞的問題.

汽車蓄電池是汽車動力的基礎(chǔ)，是用電設(shè)備的能源.在做好電瓶的維護保養(yǎng)情況下，也要避免電瓶的機械性損傷，因為這種傷害會極大地減少電池使用壽命.本文通過對車架模態(tài)的有限元計算，與同類車的振動加速度比較，并對該牽引車空載和15 t裝載工況的對比分析，找出了電瓶損壞的原因;通過加裝膠墊的方法，以較小程度的改動，解決了電瓶損壞的問題.通過本次振動試驗，為解決同類問題提供了參考方法.

參考文獻

[1]? ? ?趙娟娟，魏存海.蓄電池使用保養(yǎng)與維護綜述[J].移動電源與車輛，2014（2）：41-46.

[2]? ? ?李世梅.延長拖拉機蓄電池使用壽命的有效措施[J].農(nóng)機使用與維修，2017（5）：43.

[3]? ? ?暢振超，王家全，周圓兀，等.交通動載下礫性土動三軸試驗分析[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報，2019，30（2）：13-19.

[4]? ? ?錢偉文，張信貴，張騰.水泥混凝土路面低路堤變結(jié)構(gòu)剛度有限元模擬[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報，2017，28（4）：42-48.

[5]? ? ?王旭.蓄電池使用壽命影響因素分析[J].農(nóng)機使用與維修，2018（3）：31.

[6]? ? ?王毅，曲曉虹，吳畏，等.密封鉛酸蓄電池耐振性能的研究[J].電源技術(shù)，2000（4）：209-213.

[7]? ? ?吳敏.鉛酸蓄電池業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].電器工業(yè)，2007（3）：30-35.