分析现场环境,查找故障原因

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摘要

产品故障维修或更换,费用通常很高。如果不了解失效的原因,过度的工程设计也会增加成本,并带有一定的盲目性。工程师在尝试改进设计之前,需要了解更深层的原因。

本案例是对客车座椅在现场偶发性故障的研究,但目前的行业标准及相关的实验室测试,无法预测这些故障。需要收集全面的现场振动数据,然后分析这些数据,以了解故障的原因。

座椅实际的工况下,在多个座椅及其周边布置多个加速度计。分析多个运动轴向之间的传递函数,以获得更高可靠性座椅配置要求。

介绍

这项研究的对象,采用美国座椅公司生产的公共汽车座椅。美国座椅公司成立于1886年,一直为公共交通行业提供可靠、高价值的解决方案。VR公司,声音和振动技术的创新者,与美国座椅公司合作实施这项研究。

这项研究的核心问题是客车座椅上有时会出现的金属疲劳裂纹。目前的行业标准振动试验,从未产生过这种类型的故障,但它在现实中又的确发生了,并具有一定的统计特征。每个失效座椅的维修或更换,都会产生昂贵的花费。通过使用更大、更重的座椅安装件,可以避免可能的失效,但也会带来过度设计、成本增加等一系列问题。如果不了解故障产生的根本原因,即使成功也带有偶然性。

标准试验方法为正弦驻留。这项测试最初是由第三方测试机构在20年前开发的,低频1Gpk驻留1000万个应力循环。驻留频率在车轮转速频率和发动机转速频率之间。众所周知,正弦振动是一种理想状态下的振动。较低频率和较高频率,均会对产品的寿命产生明显的影响。

为了更好地了解公交车座椅的真实行为,工程师们首先需要从现场收集大量详细的振动数据,不同的道路条件、不同的城市、不同线路的多辆公交车。然后,通过对这些大量的现场数据进行分析,以确定故障原因。

现场数据采集

使用了两种不同的数据采集系统:

(1)VR的 ObserVR1000(2)NI数采系统及LabVIEW。

使用了两个制造商的巴士,(1)新飞人(2)诺瓦巴士。

数据记录是沿着纽约和明尼阿波利斯的公交线路进行。

每段记录时间通常1小时。

记录数据和真实公交路线之间的主要区别,是座位上没有乘客,公共汽车也没有停下来。

用三个三轴加速度计记录振动数据。其中两个放置在安装板上,第三个放置在座椅的顶部边缘。

数据分析

      A. 数据采集, 降采样, 滤波

用于数据采集的NI设备的采样率限制为8192Hz;ObserVR1000的记录频率为32768Hz。而将来的测试会以此现场数据为依据,并在液压振动台上运行,而液压台的最大测试频率在300Hz和500Hz之间。两台数据采集设备的采样率均超过测试要求,因此采用了降采样和滤波处理。所有记录的时域文件都被降采样到4096Hz。然后将记录文件进行1Hz到1500Hz的滤波,再进行后续分析。

      B. 数据特征化

数据显示了影响座椅的不同振动范围。我们需要对影响座椅不同的频带范围做下梳理。首先,根据车轮直径和车速范围,得出1Hz至6Hz范围内的主要振动由车轮引起的。

然后是发动机。 试验车辆均采用柴油发动机,最高转速为1100RPM,怠速转速为500RPM左右。这些涵盖的振动频率为10Hz至35Hz。

座椅的配置和结构,也会产生一些低频振动。当公交车穿过不平整的路面时,会产生冲击,会激起各种自然共振和谐波,大体在6Hz至180+Hz范围。

较高的频率成分,一般是由冲击振动产生的。

数据对比

      A .输入和响应

首先,比较两个安装点的数据,看两个点的振动数据是否差异较大。试验结果显示,两个点之间差异很小,几乎可以忽略。

然后继续进行对比,以确定哪个输入振动是激发座椅共振响应的原因。座椅的X轴(前后运动)是最大的,最有可能产生类似的故障。低频响应是最引起关注的,因为它代表了较大的位移量,而它也是车辆的振动以及发动机振动所激发。

了解每个轴的影响,将有助于更好地理解未来单轴振动台上的测试结果。未来的振动测试中,也会有一个有趣的对比。当在单轴振动台上振动时,其它轴向的共振激发程度如何?如果单轴振动时,其它轴向的振动等于或大于实际数据,那么其它轴向的测试就可以不用做。

理解每个轴向的影响,将有助于更好地理解未来单轴振动台上的测试结果。这也将在振动试验期间提供一个有趣的比较;当在振动筛上仅驱动一个轴时,离轴共振激发了多少?如果在运行全水平测试时,离轴运动等于或大于来自真实世界数据的量,则可能不需要将来的离轴测试。

下面的传递率图将顶部加速计的Z轴和底部加速计的所有三个轴之间的幅值传递响应联系起来。

      B.悬臂式座椅 VS. 带支柱支撑座椅

另一个有趣的比较是,标准悬臂式座椅与带支柱支撑的座椅对振动的响应。支柱提供了显著的额外支撑,并限制了Z轴的运动。这一点在座椅本身的响应振动中表现得很明显。

两种座椅的振动数据显示了差异。图表中数据来自同步采集的记录文件,响应加速计安装在大致相同的位置。带支柱支撑座椅的加速度峰值和加速度功率谱密度(能量)始终较低。

结论

我们通过收集的实地数据和数据分析总结出以下三个重要的观点:

首先,该研究确定了振动能量的三个主要贡献者及其频率范围。显然,对座椅设计的任何修改都需要确保共振不在这些范围内,或者适当地加阻尼和控制。

其次,分析表明,在没有支柱支撑的座椅上,前后运动很明显,加上乘客对扶手的拉和推,很可能是故障的来源。

最后,目前的 “行业标准 “振动测试并不能有效地复现现实世界的振动环境。座椅所承受的大部分振动能量并不发生在标准测试的主频上,而是在其它广泛的频率范围内,并有可能发生大量的疲劳。开发一个真实的、全面的随机振动测试对改进产品设计至关重要。

 

日期

Wed, 07 Apr 2021 08:51:51 +0000

作者

VR China

类别

通用