干式變壓器連線桿運(yùn)輸振動(dòng)疲勞失效試驗(yàn)等效方法

干式變壓器連線桿運(yùn)輸振動(dòng)疲勞失效試驗(yàn)等效方法

干式變壓器連線桿是用于連接變壓器各相線圈（繞組）間的導(dǎo)體（如圖1），一般為純銅桿，由于其只是兩端固定，中間無(wú)任何支撐，因此在公路運(yùn)輸是會(huì)受到汽車(chē)振動(dòng)激勵(lì)而產(chǎn)生自振或共振，若運(yùn)輸距離較長(zhǎng)或路況較差時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)疲勞斷裂（如圖2）。

目前對(duì)連線桿運(yùn)輸振動(dòng)疲勞失效的分析方法有兩種，一種是建立連線桿三維模型，并通過(guò)有限元仿真分析計(jì)算其運(yùn)輸振動(dòng)疲勞壽命。另一種是通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)M連線桿的疲勞壽命。由于三維模型與實(shí)際成品存在加工偏差，以及在熱加工中連線桿晶格發(fā)生變化。所以三維模型仿真分析的準(zhǔn)確性不如模擬振動(dòng)試驗(yàn)。

而在進(jìn)行模擬公路運(yùn)輸振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，振動(dòng)多少小時(shí)等于多少公里呢？

要充分解決以上問(wèn)題，我們首先需要定義振動(dòng)試驗(yàn)類(lèi)型和運(yùn)輸類(lèi)型和情況。

振動(dòng)試驗(yàn)類(lèi)型，在包裝運(yùn)輸領(lǐng)域有三種通用振動(dòng)試驗(yàn)類(lèi)型。第一種叫定位移測(cè)試，與ASTM D999標(biāo)準(zhǔn)的方法A1或A2一致。第二種叫正弦振動(dòng)測(cè)試，與ASTM D999標(biāo)準(zhǔn)的方法B和C一致。但是前面兩種振動(dòng)類(lèi)型都屬于有規(guī)律振動(dòng)，而實(shí)際運(yùn)輸振動(dòng)是無(wú)規(guī)律的，因此這兩種試驗(yàn)類(lèi)型與實(shí)際運(yùn)輸是不相符的。

第三種叫隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試，與ASTM D4728一致。這種試驗(yàn)振動(dòng)臺(tái)是以持續(xù)改變頻率和振幅進(jìn)行振動(dòng)，與實(shí)際車(chē)輛公路運(yùn)輸相似。因此這種類(lèi)型試驗(yàn)?zāi)茏罱咏M實(shí)際運(yùn)輸情況。隨機(jī)振動(dòng)可用功率密度譜PSD（一種在一定頻率域內(nèi)的平均加速度強(qiáng)度的圖形）所表示。不同的運(yùn)輸工具和運(yùn)輸情況有不同的PSD和振幅。

運(yùn)輸類(lèi)型和運(yùn)輸情況，有4基本運(yùn)輸類(lèi)型：公路，鐵路，空運(yùn)和海運(yùn)。每一種運(yùn)輸類(lèi)型都有若干變量－車(chē)輛類(lèi)型及其子類(lèi)型，裝在的數(shù)量和配置，交通條件（高速、軌道、湍流、海洋狀態(tài)）等。結(jié)果是一個(gè)幾乎無(wú)限數(shù)量可能的組合，想要用單一或簡(jiǎn)單的測(cè)試可以模擬所有這些不同組合是不現(xiàn)實(shí)的。比如一輛平板拖車(chē)在粗糙的路面行駛可能產(chǎn)生非常高的振動(dòng)水平，但這僅是在整個(gè)運(yùn)輸周期中的幾公里。所以要實(shí)現(xiàn)振動(dòng)測(cè)試與運(yùn)輸距離的等效，就必須確定先這些變量組合。

圖1

圖2

一旦我們能夠充分指定要進(jìn)行測(cè)試和模擬運(yùn)輸振動(dòng)的類(lèi)型，然后我們就可以開(kāi)始解決這一問(wèn)題的等價(jià)性。隨機(jī)振動(dòng)是為了模擬環(huán)境，這是唯一在運(yùn)輸包裝領(lǐng)域內(nèi)模擬實(shí)際運(yùn)輸通用的振動(dòng)測(cè)試類(lèi)型。假設(shè)PSD曲線輪廓和強(qiáng)度是合理且準(zhǔn)確地反映實(shí)際運(yùn)輸振動(dòng)情況，那么一小時(shí)測(cè)試將等效于一小時(shí)的運(yùn)輸情況。但這不是時(shí)間與里程的關(guān)系，是時(shí)間與時(shí)間的關(guān)系。但由于運(yùn)輸時(shí)間是實(shí)際的運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間，則可以建立時(shí)間與距離的關(guān)系。例如，一輛車(chē)持續(xù)以60英里/小時(shí)行駛所測(cè)得的PSD曲線和強(qiáng)度，將該P(yáng)SD用于進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，那么試驗(yàn)1小時(shí)相當(dāng)于60英里。但是這種測(cè)試方法并不理想，因?yàn)橥ǔＦ谑Ф际窃趲浊踔辽先f(wàn)英里后發(fā)生的，而這樣就需要耗費(fèi)幾天甚至幾周的時(shí)間進(jìn)行模擬，從

而增加了試驗(yàn)成本和能耗。為此我們可以采取保持PSD曲線輪廓提高其強(qiáng)度的方法來(lái)加速振動(dòng)試驗(yàn)。

在1971年的《沖擊和振動(dòng)》中， 休斯飛機(jī)公司的Curtis， Tinling， and Abstein提出了振動(dòng)試驗(yàn)的時(shí)間壓縮的方法的假設(shè)。而1993年，丹尼斯楊（后任ISTA技術(shù)總監(jiān)），在他的論文中引用“集中模擬”，他提出了一個(gè)公式計(jì)算的加速度增加而相應(yīng)的減少測(cè)試時(shí)間。該公式如下：

式中： IT = 加速后均方根加速度

綜上所述，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室進(jìn)行連線桿的模擬運(yùn)輸振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，首先要確定運(yùn)輸情況下的PSD曲線，接著根據(jù)以上工時(shí)壓縮試驗(yàn)時(shí)間，即可在短時(shí)間內(nèi)等效模擬長(zhǎng)距離運(yùn)輸振動(dòng)情況。下面我們就根據(jù)以上方法對(duì)我司一款需要在美國(guó)公路運(yùn)輸8000km的產(chǎn)品進(jìn)行模擬試驗(yàn)分析。

根據(jù)ASTM4728－1995選擇最接近的運(yùn)輸工況加速度PSD曲線，F(xiàn)IG.X1.2 中的B曲線（見(jiàn)圖三）。該P(yáng)SD曲線為鋼板彈簧卡車(chē)以55mph（88.5km/h）的速度在美國(guó)高速公路行駛。則8000km需要行駛90.4小時(shí)。

PSD曲線功率譜密度如表1所示，均方根加速度為0.14grms。

圖3

圖4

表1

將均方根加速度提高到1.8grms，則提高后的PSD曲線功率譜密度如表2。

表2

根據(jù)以上公式計(jì)算試驗(yàn)時(shí)間：

TT=T0*I02/IT2=90.4*0.142/1.82=0.54小時(shí)=33分鐘。

則每分鐘相當(dāng)于以88.5km/h行駛242km。

將加速后的PSD功率譜密度輸入振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)見(jiàn)圖四。

最終試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3

從以上振動(dòng)臺(tái)模擬振動(dòng)測(cè)試結(jié)果看，連線桿失效發(fā)生于六千多公里處，而此次公路總運(yùn)輸里程為8000km，不能滿足運(yùn)輸要求，因此在發(fā)貨時(shí)需要將連線桿從變壓器上拆除下來(lái)單獨(dú)包裝發(fā)貨。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.20.021