车载电源模块的振动试验分析

李红梅

（中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，太原 030006）

0 引言

振动试验是从航天领域发展起来，现已被推广到交通运输、建筑、动力机械等各行各业中。振动试验是环境试验中一个非常重要的环境参数，运行中的电力机车在加速和减速等环境因素下也肯定会受到振动的影响，安装在机车上的设备同样不可避免地受到振动或冲击等动力学环境的作用，振动会导致电子设备中元器件或结构件等产生动态位移，如接插件、紧固件松动、继电器触点接触不良、焊点断开等故障，这些故障大大降低了车载电子设备的可靠性，据有关数据显示，车载电子产品因振动冲击导致的失效率占到1/3[1]。因此对机车用车载电源进行振动试验十分必要。一方面可有效地检测到生产工艺中出现的劣质元器件并加以剔除，排除固定件松动、焊点有瑕疵、电子插件接触不良等早期故障；另一方面可模拟试验检测产品对振动环境的适应力，预估生命周期内产品遭受振动环境后，其性能指标能不能满足要求。

1 振动试验台

1.1 分类

在实际的工程应用中，振动试验台从激振方式上主要分为机械式振动台、电液式振动台和电动式振动台。

机械式振动台是机械能转化成动能，靠电机带动的振动来实现的。其主要优缺点是：载荷和推力大，工作可靠，价格低廉，维护方便，频率范围窄（5～80 Hz），加速度波形失真大，应用在仪器仪表和家用电器及零部件的正弦振动试验。

电液式振动台是把液压能转换成动能，主要工作原理是使用电液伺服阀作为电控信号，通过油压使传动装置产生振动。特点是：低频（1～200 Hz），推力可达数百千牛、负载能力强达数吨，设备复杂，价格昂贵，适用于汽车、船舶及运载工具等行业的产品试验。

电动式振动台是把电能转换成动能。特点是：频率范围宽（2～10 000 Hz），激振力大，可达200 kN，加速度波形好，控制方便且可以多台并激，价格较贵。目前电动振动试验台应用范围最为广泛，适用于各类电子元器件的振动试验和中小型整机试验。

1.2 电动试验系统原理

电动试验系统的工作原理是根据电磁感应原理设计而成的[2]，即通电导体在强大磁场中受到电磁力的作用而运动。电动试验系统主要由振动台体、信号发生器、功率放大器、直流励磁电源、冷却系统等部分组成。本试验用到的电动试验台的系统方框图如图1所示。

图1 试验台系统方框图

2 振动试验方法

2.1 正弦振动试验

正弦振动试验是经常采用的试验方法，常见的旋转、脉动及振荡产生的振动都是正弦振动。模拟此类振动环境可采用正弦振动，正弦振动主要控制的是频率和幅值两个参数。根据频率变化与否分为定频和扫频振动试验。

定频试验是指频率始终保持不变的振动试验，一般模拟转速固定的旋转机械振动试验或结构固有频率点的振动。主要用于考核试件的疲劳强度试验。

扫频试验是指频率按一定规律变化，以一定的扫描速率按规定的量值进行扫频，达到规定的扫描次数为止。按频率变化的规律可分为对数扫描和线性扫描。线性扫描是指单位时间扫过多少赫兹，一般用于查找试件的共振频率。对数扫描是指相同时间扫过的倍频程数相同，低频阶段扫得慢高频段扫得较快[7]。

2.2 随机振动试验

许多真实环境的振动都是随机的，例如，车辆在不平路面上行驶；高层建筑在风或地震作用下发生的振动；飞机在飞行时的振动；船舶在波浪中的振动。随机振动描述的就是一种振动波形杂乱、对未来任何一个给定时刻，其瞬时值不能预先确定，其波形随时间的变化显示不出一定规律的振动，无法用确定性函数解释其规律。随机振动的单次试验结果有不确定性、不可预估性和不重复性，但从统计角度出发随机振动过去的历程就能推测各个加速度值出现的相对概率，所以经常用平均值、均方根、幅值概率密度等表示。其中均方根加速度表示振动强度，用加速度谱密度ASD曲线表示其频率特性。

用随机振动更能准确进行模拟，更真实地反映车载部件的实际运行情况，因此，对于电力机车来说，常用随机试验来进行车载电源模块的功能试验和寿命试验检测。

3 产品夹具设计

对于零部件或整机产品进行振动试验时，需借助夹具才能使产品和振动台面相连接，理想的夹具能模拟设备实际的安装状态，一方面方便地把试件固定到试验台上，另一方面把激励从振动台不失真地传递给试件。因此夹具设计的好坏直接关系到振动试验的可信度，如果夹具的固有频率在工作频率范围内，还会引起共振，导致无法进行试验。因此，设计一个理想的夹具是振动试验顺利完成的关键。在实际的产品夹具设计中需要考虑刚度、质量和重心位置等几个重要因素[3]。

3.1 选材和质量

夹具材料一般选取质量轻、刚度大、阻尼性好的材料，最常用的是铝、镁及其合金，表1列出了铝镁钢3种材料的物理特性[4]，实际设计时候需要综合考虑需要和成本，合理选择。考虑到电源模块试件不大，采用钢成本更低。

表1 常用夹具材料的物理特性

夹具重量应尽量轻，因为根据公式：

只有刚度提高，质量减小，夹具的固有频率才能高。

实际夹具的最大质量可以从公式（3）推算出：

式中：F为额定推力；a为振动加速度；m1、m2、m3、m4分别为振动台、扩展台面、产品和夹具的质量。

根据试验台的额定最大推力和加速度可推导出夹具的最大质量，在有效的范围内尽可能轻。

3.2 结构和工艺

夹具的结构设计需要综合考虑多方面的因素，包括与台面多个状态的连接、安装和吊装方便等，最重要的一点是要考虑设计后夹具和试件的重心，该重心应该和振动台激振力的方向保持一致，才能避免振动台受力不均或共振等问题。因此尽量设计成对称、低重心的夹具，优先采用对称的封闭结构，如立方体、长方体、半球形或锥形。

夹具的加工工艺主要有整体加工、焊接、铸造、螺栓连接、粘接等。以车载电源为试件，其夹具采用长方体框架结构，可将电源完整地装进框架结构中，作为整体进行振动分析，和台面的连接采用螺栓紧固方式。考虑到电源质量相对轻，采用成本较低的钢材焊接而成。

4 车载电源模块振动试验

车载电源模块一方面可以向机车蓄电池充电，另一方面也给机车控制回路供电，因此其能否正常工作对机车的正常运行起关键作用。振动试验是对电源模块可靠性进行考核的重要试验项目之一。本文对4个抽屉式电源模块进行试验分析，其中2个后面机箱采用半封闭式，另外2个采用全封闭式机箱。通过振动试验分析，一方面考核在给定的振动曲线的工况下电源模块能否正常供电，另一方面查看机箱结构和监测点的不同对振动响应特性的影响。

4.1 试验严酷等级和频率范围

根据GB/T21563-2008《轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验标准》，车载设备的振动试验主要包括功能性试验和模拟寿命试验[5]。其中功能性试验是指在车载零部件处于工作状态下施加最小试验量级，用来验证其在振动环境下正常工作的能力。试验时间规定每个方向都不小于10 min。模拟长寿命试验是以增强的试验量级来证实车载零部件机械结构的完好性。按给定的ASD频谱曲线进行随机振动试验，规定试验时间每个方向都是5 h。

图2 加速度谱密度曲线标准图谱

图2所示为车载零部件振动试验的加速度谱密度曲线图，这是标准图谱，根据试件质量的变化，起止频率取值也会随之变化。

根据标准GB/T21563-2008，当试件材质量小于500 kg时，f1=5，f2=150，因此实际试验中，f1与标准图谱中第二段起止频率相同，宽带频谱也为第二段，表2所示为3个不同振动方向的ASD值。

(m·s-2)2·Hz-1

表2 振动试验的ASD量级

4.2 试验与结论

将车载电源安装到设计好的夹具中，按照实际工作的方向和安装方式通过夹具固定到振动工作台面上，注意电源模块和夹具的重心和台面重心重合。将控制传感器安装在靠近螺栓紧固的位置[6]，将响应传感器布置到需要测量的快插接头位置以便检测该点的振动响应特性，这里采用单点控制，4点监控的布置方式。

按照给定的试验严酷对试验的控制通道数、控制方式、通道灵敏度、起止频率、宽带谱数、振动时间及中断上下限等参数一一进行设置。通过预处理试验后开始正式试验。

输入通道参数的设置如表3所示：输入通道3作为控制点，其他通道为监测点，其中输入1和2为半封闭机箱的不同监测点，输入4和5为全封闭机箱的监测点，不同的加速度传感器的灵敏度不一样，这里逐一进行设置。

表3 输入通道参数的设置

以垂向的寿命试验为例对目标谱进行设置，目标谱参数的设置如表4所示，这里为了防止样品的振动响应过于激烈对振动台造成影响，设置了试验中断曲线，当振动响应超出设置后，试验台自动中断。

表4 目标谱参数设置

功能试验过程中需要通过外接电源通电，观察电源指示灯一直亮，说明处于正常工作状态。寿命试验不需通电进行试验，试验完成后接通电源测量主要电气性能参数是否符合要求。

以垂向寿命试验为例得到的振动控制曲线和监控曲线的自功率谱密度图如图3所示。

图3 垂向寿命振动试验图

由图可见，振动的控制效果较好，振动控制信号始终在目标谱附近小幅度振动。4个响应监测点在某振动频率上出现较大波峰，其他频段也会随监测位置的不同有较大变化。同时发现输入1和2的波峰比输入4和5的波峰小，在该方向上，半封闭的机箱比全封闭机箱的振动特性要好。试验完成后，通过检测电源模块的主要技术参数（控制电压、输出电压、输入电压、单机输出额定电流值、工作效率等），均符合标准要求规定，可见该车载电源模块能够满足产品的可靠性设计。

5 结束语

本文通过对机箱在不同试验量级条件下的随机振动试验进行分析，试验后测量控制电压、输出电压、输入电压、单机输出额定电流值、工作效率等重要技术参数值，验证了产品的可靠性，该产品能较好地满足功能性试验和长寿命试验的要求，排除了生产过程中各种可能存在的缺陷问题，产品能满足模拟的实际振动工况环境。另一方面通过对两种不同结构形式的电源模块的试验分析，经比较两种结构的振动特性可以得出半封闭机箱的效果更好，这对改进产品的结构设计具有重要的参考意义。可见，振动试验分析对验证产品可靠性和优化产品结构设计提供了重要的试验方法和手段。