丁 杰 張 平

1.湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湘潭，4111052.株洲南車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司技術(shù)中心，株洲,412001

礦用自卸車(chē)牽引變流器的振動(dòng)測(cè)試及仿真

丁 杰1,2張 平1

1.湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湘潭，4111052.株洲南車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司技術(shù)中心，株洲,412001

針對(duì)礦用自卸車(chē)無(wú)振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)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(píng)估的問(wèn)題，對(duì)某型號(hào)礦用自卸車(chē)牽引變流器安裝部位進(jìn)行了振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)檢驗(yàn)、功率譜密度計(jì)算和數(shù)據(jù)歸納，得到了空載和滿載兩種工況不同振動(dòng)方向的實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度譜密度曲線。為進(jìn)一步解決振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)在驗(yàn)證時(shí)無(wú)法按照產(chǎn)品使用壽命長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的問(wèn)題，對(duì)實(shí)測(cè)譜進(jìn)行了加速計(jì)算，將振動(dòng)量級(jí)提高而試驗(yàn)時(shí)間大幅度縮短。對(duì)牽引變流器進(jìn)行了有限元建模、模態(tài)分析和基于加速實(shí)測(cè)譜的隨機(jī)振動(dòng)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(dòng)測(cè)試及仿真分析方法可為同類(lèi)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供參考。

礦用自卸車(chē)；牽引變流器；隨機(jī)振動(dòng)；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(kāi)采方式，因此對(duì)礦用自卸車(chē)的需求極大。由于礦區(qū)道路多為臨時(shí)性路面，上下坡和急轉(zhuǎn)彎多，其不平順性遠(yuǎn)高于普通公路，且礦用自卸車(chē)的體積、重量過(guò)于龐大，減振特性偏硬，使得車(chē)體振動(dòng)條件比普通車(chē)輛更為惡劣[1-3]。在進(jìn)行礦用自卸車(chē)整車(chē)及關(guān)鍵部件的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要以符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為參照，對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和疲勞壽命進(jìn)行仿真分析。樣機(jī)完成后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)考核檢驗(yàn)產(chǎn)品的合格性，從而保障車(chē)輛的可靠性。然而，美德日俄等國(guó)的企業(yè)出于技術(shù)保密的考慮，沒(méi)有將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整理出的載荷譜發(fā)布為礦用自卸車(chē)的振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)或作為技術(shù)文獻(xiàn)加以公開(kāi)，導(dǎo)致我國(guó)開(kāi)展礦用自卸車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)無(wú)相應(yīng)的試驗(yàn)載荷譜標(biāo)準(zhǔn)來(lái)參照，嚴(yán)重制約了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

為保證礦用自卸車(chē)核心部件牽引變流器的結(jié)構(gòu)可靠性，本文針對(duì)某型號(hào)電動(dòng)輪礦用自卸車(chē)，測(cè)試了牽引變流器安裝部位的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)并整理為加速度譜密度曲線，對(duì)實(shí)測(cè)振動(dòng)譜加速后進(jìn)行了牽引變流器的隨機(jī)振動(dòng)仿真分析及振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 振動(dòng)加速度測(cè)試

為了解礦用自卸車(chē)實(shí)際工作過(guò)程中的振動(dòng)環(huán)境，需要對(duì)其測(cè)試不同運(yùn)行工況下的加速度-時(shí)間歷程數(shù)據(jù)，才能為后續(xù)數(shù)據(jù)分析和制定實(shí)測(cè)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)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(wèn)題：①車(chē)輛的類(lèi)型不同，其振動(dòng)的譜型和量級(jí)會(huì)有差異；②車(chē)輛空載、半載和滿載時(shí)，振動(dòng)量級(jí)會(huì)發(fā)生一定的變化；③車(chē)輛速度高時(shí)，振動(dòng)量值會(huì)偏大且高頻成分更豐富；④車(chē)輛行駛于不同路面時(shí)，路面對(duì)輪胎的激勵(lì)有所不同；⑤不同司機(jī)的駕駛習(xí)慣有差異，車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)有所改變；⑥車(chē)輛承載底板不同部位的振動(dòng)有差異，測(cè)點(diǎn)的布置和數(shù)量會(huì)影響測(cè)試結(jié)果；⑦采集數(shù)據(jù)的頻率范圍和持續(xù)時(shí)間關(guān)系到數(shù)據(jù)所要求的置信度等。

選取的測(cè)試對(duì)象為內(nèi)蒙古某礦山某型號(hào)電動(dòng)輪礦用自卸車(chē)(圖1)，每日正常作業(yè)白班一班，運(yùn)行里程約80 km，滿載15趟左右。一臺(tái)礦用自卸車(chē)配置一臺(tái)牽引變流器，柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)發(fā)出交流電后，能量經(jīng)牽引變流器進(jìn)行交直交轉(zhuǎn)換成合適的電壓驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)。牽引變流器作為電傳動(dòng)系統(tǒng)中的核心部件，是測(cè)試中的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。

圖1 礦用自卸車(chē)Fig.1 Mining dump truck

測(cè)試采用的設(shè)備主要有1臺(tái)INV3020C數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、4個(gè)4506B型三軸加速度計(jì)、1臺(tái)用于信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)控及分析的便攜式計(jì)算機(jī)、1臺(tái)山特C1K型不間斷電源和1套DASP-V10測(cè)試分析軟件。圖2所示的牽引變流器與礦用自卸車(chē)安裝平臺(tái)共有5個(gè)固定點(diǎn)，取4個(gè)角的固定點(diǎn)為測(cè)試點(diǎn)，安裝好三軸加速度計(jì)，以便同時(shí)測(cè)得某一測(cè)點(diǎn)的縱向(X)、橫向(Y)和垂向(Z)3個(gè)方向的加速度-時(shí)間歷程數(shù)據(jù)。加速度計(jì)電纜線通過(guò)合理布線后由司機(jī)室窗戶引入至司機(jī)室，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、不間斷電源和便攜式計(jì)算機(jī)均放在司機(jī)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(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并進(jìn)行初步調(diào)試，設(shè)備可正常工作。

圖2 牽引變流器及測(cè)試點(diǎn)Fig.2 Traction converter and measurement points

考慮到測(cè)試數(shù)據(jù)樣本的代表性，測(cè)試線路選定實(shí)際運(yùn)行路況，即礦用自卸車(chē)裝載土和卸載土之間的路段。安排了4名駕駛員進(jìn)行駕駛，以綜合考慮不同司機(jī)駕駛習(xí)慣對(duì)礦用自卸車(chē)運(yùn)行振動(dòng)環(huán)境的影響。因用于振動(dòng)試驗(yàn)的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的最高試驗(yàn)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(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行目視檢查，可以發(fā)現(xiàn)沒(méi)有信號(hào)削波、儀器噪聲過(guò)大、電源干擾、虛假趨勢(shì)、零漂、信號(hào)丟失等異?，F(xiàn)象，確保了測(cè)試數(shù)據(jù)與真實(shí)情況相符。

圖3是牽引變流器左前方角的加速度計(jì)測(cè)出的垂向振動(dòng)加速度aZ，礦用自卸車(chē)經(jīng)歷了怠速、空載、裝載、滿載和翻斗等工況，空載和滿載時(shí)的垂向加速度值明顯大于其他工況，因此，振動(dòng)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(dòng)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(shí)測(cè)的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)是隨機(jī)振動(dòng)的時(shí)域數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理才能得到規(guī)律性的曲線，以使實(shí)測(cè)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(yàn)、功率譜密度計(jì)算和數(shù)據(jù)歸納等[4-6]。

2.1 數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

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

周期性檢驗(yàn)時(shí)，必須對(duì)每一個(gè)峰單獨(dú)進(jìn)行檢驗(yàn)?？蛇x用的方法有如下幾種：①物理檢驗(yàn)，分析與譜峰對(duì)應(yīng)頻率是否和已知周期振源一致；②目視檢驗(yàn)，憑經(jīng)驗(yàn)直接觀察數(shù)據(jù)的時(shí)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(jìn)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(yàn)。

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

各態(tài)歷經(jīng)檢驗(yàn)時(shí)，根據(jù)振源及物理特性進(jìn)行判斷。正態(tài)檢驗(yàn)時(shí)，可用概率密度函數(shù)分析、2擬合優(yōu)度檢驗(yàn)和偏態(tài)峰態(tài)檢驗(yàn)等方法。通過(guò)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)可知測(cè)試數(shù)據(jù)滿足平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)的分析與處理要求。

2.2 功率譜密度計(jì)算

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

圖4 功率譜計(jì)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(hào)，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(guò)補(bǔ)零取2的整數(shù)冪[8]。為減小因分段造成的對(duì)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(jì)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(diǎn)編號(hào)；ω為相對(duì)離散信號(hào)的圓頻率；L為分段的長(zhǎng)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(jì)輸入和考核規(guī)范，其選擇原則是保證對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)滿足平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)假設(shè)，且所選狀態(tài)的總體能較為真實(shí)全面地反映出實(shí)際振動(dòng)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(yùn)載工具不同安裝點(diǎn)時(shí)的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)；②同一車(chē)輛在同一路面以不同車(chē)速行使時(shí)的同一測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)；③不同車(chē)輛在同一路面上相同測(cè)點(diǎn)位置上的數(shù)據(jù)。由于當(dāng)前的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和實(shí)驗(yàn)室的模擬都是按照垂直、水平方向進(jìn)行，同一測(cè)點(diǎn)不同方向上的數(shù)據(jù)不屬于同一總體。考慮到礦用自卸車(chē)空載和滿載的運(yùn)輸條件發(fā)生了較大變化，認(rèn)為同一測(cè)點(diǎn)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(guò)程如下：首先對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)通道的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)假設(shè)檢驗(yàn)，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(diǎn)對(duì)各特征樣本進(jìn)行容差上限估計(jì)得到實(shí)測(cè)譜。

(2)

l=1，2，…，L1

對(duì)均值和方差分別計(jì)算統(tǒng)計(jì)量Fn(l,o)和tn(l,o)：

(3)

l=1，2，…，L1o=1，2，…，L1l≠o

(4)

第p個(gè)特征樣本的容差上限估計(jì)：

(5)

p=1，2，…，P1k=1，2，…，N1

2.4 實(shí)測(cè)譜整理

圖5是4個(gè)測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)的頻譜因不同司機(jī)駕駛而有差異，同一測(cè)點(diǎn)在不同頻率值下的響應(yīng)有區(qū)別。

圖6是4個(gè)測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)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(diǎn)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(gè)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(shí)測(cè)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(chē)安裝平臺(tái)上4個(gè)測(cè)試點(diǎn)的加速度譜密度曲線，振動(dòng)量級(jí)為礦用自卸車(chē)空載與滿載工況下的功能性數(shù)據(jù)。在利用實(shí)測(cè)譜驗(yàn)證牽引變流器產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)疲勞壽命時(shí)，可以使用仿真分析和振動(dòng)試驗(yàn)兩種方法?；诟咚谷齾^(qū)間法的隨機(jī)振動(dòng)疲勞仿真可以計(jì)算危險(xiǎn)部位的1σ應(yīng)力，再通過(guò)材料S-N曲線計(jì)算出疲勞損傷和壽命[9-11]。然而用振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，按照產(chǎn)品的使用壽命長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行是不現(xiàn)實(shí)的，因此，需要通過(guò)加速方式縮短試驗(yàn)時(shí)間[12-13]。

加速振動(dòng)模擬試驗(yàn)的方法主要有幅值增強(qiáng)法、時(shí)基壓縮法和幅值截取法。幅值增強(qiáng)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(yàn)的振動(dòng)量級(jí)。根據(jù)Palmgren-Miner原理，選取圖8所示的加速曲線時(shí)，加速比為

γ=at/as=(ts/tt)1/b

(6)

其中，as為運(yùn)行加速度；at為試驗(yàn)加速度;ts為實(shí)際運(yùn)行時(shí)間;tt為試驗(yàn)時(shí)間;b為根據(jù)材料的疲勞試驗(yàn)總結(jié)出的指數(shù),IEC61373:1999、MIL-STD-810F、GJB 150.16A等標(biāo)準(zhǔn)給出b=4。

由于礦用自卸車(chē)的運(yùn)行環(huán)境惡劣，國(guó)際上高水平的柴油機(jī)第一次大修時(shí)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(jì)算加速比時(shí)假設(shè)的曲線Fig.8 Assumed curve of acceleration ratio calculation

整車(chē)經(jīng)濟(jì)壽命一般在10年左右。在確定礦用自卸車(chē)牽引變流器的使用壽命時(shí)，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(yùn)行4 h，則空載和滿載的運(yùn)行時(shí)間均為21 900 h。取空載和滿載工況單個(gè)方向的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間為5 h，則可根據(jù)式(6)計(jì)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(jì)算結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命簡(jiǎn)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(duì)應(yīng)的疲勞載荷循環(huán)次數(shù)，在平均頻率f0、時(shí)間t內(nèi)，結(jié)構(gòu)上承受c個(gè)不同應(yīng)力水平的加載時(shí)，依據(jù)Miner線性累計(jì)損傷理論可知結(jié)構(gòu)總損傷為[11]

(7)

當(dāng)臨界部位的D為1時(shí)，認(rèn)為結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞破壞。由此可知，計(jì)算1σ應(yīng)力是分析結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命的主要任務(wù)之一，可通過(guò)ANSYS軟件的隨機(jī)振動(dòng)分析得到該結(jié)果。

在進(jìn)行牽引變流器的隨機(jī)振動(dòng)分析時(shí)，首先需要根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(dòng)模塊、傳動(dòng)控制單元、固定放電電阻、電壓電流傳感器、勵(lì)磁控制器等電氣部件。柜體結(jié)構(gòu)不完全對(duì)稱(chēng)，故取整體結(jié)構(gòu)建立有限元力學(xué)模型。網(wǎng)格基本尺寸取5 mm，采用HyperMesh軟件對(duì)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(duì)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(shí)體單元，焊接與螺栓連接通過(guò)剛性單元來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)底部安裝螺栓孔進(jìn)行全約束，生成有限元模型后導(dǎo)出至ANSYS軟件依次進(jìn)行模態(tài)分析和隨機(jī)振動(dòng)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(jì)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(jī)振動(dòng)分析的輸入。圖10所示為第1階振動(dòng)頻率59.5 Hz對(duì)應(yīng)的振型，最大位移位置出現(xiàn)在逆變模塊的驅(qū)動(dòng)盒蓋板上。

圖10 第1階頻率對(duì)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(gè)方向共6種情況經(jīng)過(guò)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(jì)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(jī)振動(dòng)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(duì)柜體進(jìn)行了單獨(dú)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(dú)顯示了多個(gè)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(duì)該牽引變流器6種情況的1σ應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算后，可以參考文獻(xiàn)[11]的計(jì)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(jī)振動(dòng)的1σ應(yīng)力分布Fig.11 1σ stress distribution of vertical directionrandom vibration in full load condition

3.3 振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證

牽引變流器完成樣機(jī)試制后，需要進(jìn)行型式試驗(yàn)才能裝車(chē)。型式試驗(yàn)中的主要內(nèi)容有絕緣電阻試驗(yàn)、介電強(qiáng)度試驗(yàn)、冷卻系統(tǒng)性能試驗(yàn)、輕載試驗(yàn)、噪聲測(cè)試、換流試驗(yàn)、供電過(guò)電壓及瞬態(tài)能量試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)、低溫試驗(yàn)、高溫試驗(yàn)、高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)、交變濕熱試驗(yàn)、防護(hù)等級(jí)試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)等。因振動(dòng)試驗(yàn)屬于破壞性試驗(yàn)，往往在最后進(jìn)行。

牽引變流器樣機(jī)在進(jìn)行最后的振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，將其通過(guò)夾具固定在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上(圖12)，依次施加經(jīng)過(guò)加速后的空載及滿載兩種工況的垂向、橫向和縱向3個(gè)方向的加速度譜密度激勵(lì)。30 h的加速隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束后，未發(fā)現(xiàn)牽引變流器柜體結(jié)構(gòu)開(kāi)裂或螺栓松脫，各器件無(wú)明顯變形或損壞。繼續(xù)按照型式試驗(yàn)大綱進(jìn)行絕緣電阻試驗(yàn)和輕載試驗(yàn)，耐壓等級(jí)滿足要求，輸出電流波形正常。因此，通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)可以定性說(shuō)明牽引變流器滿足該型號(hào)礦用自卸車(chē)在所屬礦區(qū)的使用要求，也可以說(shuō)明振動(dòng)測(cè)試及仿真分析方法的可行性。

圖12 振動(dòng)試驗(yàn)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(gè)方向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)為5h時(shí)，加速度譜密度曲線譜型保持不變，振動(dòng)量級(jí)提高8.135倍，通過(guò)加速比的計(jì)算有利于振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

(3)利用ANSYS軟件的隨機(jī)振動(dòng)分析功能可以得到牽引變流器的1σ應(yīng)力分布，從而驗(yàn)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(xué)省市聯(lián)合基金資助重點(diǎn)項(xiàng)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(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院博士研究生，株洲南車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司技術(shù)中心高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)橐话懔W(xué)與力學(xué)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(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。