孙志江，杨 起，李 嵩，郑碧颖，刘伟达

（潍柴动力空气净化科技有限公司，山东 潍坊 261000）

0 引言

柴油机车国六产品对排放的要求进一步提高。而低排放的实现，目前的路线为在国五发动机的基础上，通过DOC、DPF以及SCR降低排放。在后处理复杂性提高的同时，结构可靠性的要求也愈发的提高。整车对于后处理结构的考核是通过如定远试验场、海南热带试验场等整车的路试试验场的耐久试验，当按照一定的测试流程完成相应里程的测试，可以认为产品的结构通过考核。但是试验周期长，试验费用高。而且后处理厂商很难有相应整车长时间的耐久测试。为了解决这些问题，通过研究耐久试验场中整车耐久试验中的后处理振动与试验台振动试验的产品损伤情况，将试验台的随机振动与试验场的耐久路试相关联，使得在振动台上进行的产品核效果与试验场考核验证效果等同，在保证产品机械耐久考核效果的前提下，节省开发资源，缩短开发周期，并且通过仿真分析、耐久试验场的试验、振动台的振动试验相对比，确认了方法的可行性。整个流程如图1所示。

图1 耐久开发流程

1 数据来源

后处理产品常见的失效模式是在长期的使用过程中，外部封装壳体发生脱焊、边角开裂等情况。此种失效是在整车正常使用情况下，激励引起的应力远低于屈服强度，发生的应变也往往处于弹性应变范围内，是一种长期经受动态载体而引起的结构性失效。

对于安装在车身或是车架位置的后处理系统来说，激励来源主要为从车轮传来的路面激励，发动机变速器等机械部件工作产生的激励。整车在整车行驶过程中，对于后处理系统来说，可以认为是宽频随机振动与定频振动的叠加。此种激励使用随机振动疲劳试验进行模拟是目前有效的方案。通过实际采集的振动时域信号，进行处理之后形成后处理实际全寿命损伤与振动台随机振动损伤的对应关系，进而形成了解耦后的单轴振动耐久试验的方法。

车辆在实际行驶过程中，可以认为是宽带随机振动背景附加上定频振动。目前采集振动来源主要有两种方式。一种方式为实际道路采集，但是对于采集道路的定义以及不同道路的比例十分重要。另外一种方式为试验场采集，试验场路试为稳态随机激励，试验场中定义了不同坏路，通过车辆在试验场行驶一段固定里程的耐久路试，通过不同强化路段对于车辆不同的激励达到最产品耐久考核的目的。

两种方式区别：第一种是从实际中得来的，但是考虑到全国不同地区的相同路况差异，不同地方采集的同一种名称的道路，路面激励数据均也有一定的差异，对于产品考核不易形成统一的标准，但是此种方法可以考核固定路线车辆，且与实际吻合度较好。

试验场路试，按照统一的行驶规则，在相同的道路中，激励信号一致性较好，且路试损伤比例一致。目前为了耐久性验证采集的数据，多在路试试验场进行采集。

2 数据采集

以海南试验场为例子，使用某品牌车辆作为试验车辆，搭载公司开发完成的箱式后处理产品。

试验前对后处理总成以及总成的激励来源点进行加速度传感器的张贴，如图2所示。

图2 加速度传感器张贴位置

完成后，连接采集设备LMS或是eDaQ，进行信号测试，在确认信号后，进行正式的路谱采集。同时可以增加额外的通道连接脉冲发生器，用于在实际采集中对关系的路段数据进行标记。

海南试验场强化道路分别为比利时路、扭曲路、搓板路、卵石路、波形路、鱼鳞坑路、石块路、凸块路等。车辆按照既定的试验路线进行路试，同时通过脉冲发生器对应固定的路况进行标记，以方面后续处理中对于不同道路信号的处理与分离。

路谱采集试验中，采集加速度传感器为三向加速度传感器，采集信号直接解耦得到X/Y/Z三个方向的加速度数据。

每次采集需进行至少2次，在时域下检查信号采集质量，在频率下对比数据信号的一致性，如图3所示。在确认信号一致性通过的情况下，完成试验采集。

图3 数据信号一致性对比

3 数据处理

对有效的数据进行去毛刺，去奇异点以及去漂移等。

奇异点与毛刺[1-3]均是不符合道路整车正常数据的变化的规律的点，作为异常信号点，在数据处理时候需要去掉或是通过平均值替换法，对奇异点或是毛刺信号进行替换，在不影响试验数据处理的情况下，也可以通过直接将毛刺与奇异点剔除的方式进行处理。

完成后进行去漂移处理，对于试验场采集路谱，数据的理论平均值应为0，但是实际采集中由于理论平均值并不为0，这就产生了数据的漂移，如图4所示。通过对数据相对于平均值进行修正，使得完整数据的平均值为0，修正后的信号如图5所示。另外通过滤波的方式也可以完成对于数据的漂移修正[4-5]。

图4 漂移信号

图5 去除漂移后的数据

对前处理完成的数据，接下来进行损伤谱的计算。损伤计算工程多基于Miner损伤准则，根据该准则，在一段时间内的总损伤计算公式为公式（1）。

对于后处理总成的分析频率一般取5～1000 Hz，考虑到目前使用的高频振动台多为励磁式振动台，最低分析频率提升至10 Hz。

基于Lalanne[6]的工作，宽频下损伤谱的计算基于公式（2），计算出每个频率下的损伤。

式中，Q为动态放大参数，fn为频率，K为刚度系数，b/C为材料疲劳参数；Γ为与加速度相关的伽玛函数。

根据公式（2），通过nCode软件计算出全寿命的损伤，损伤谱如图6所示。

图6 全寿命损伤谱

损伤谱计算之后，通过公式（2）推导得到公式（3）用于计算PSD谱[7-8]。

通过公式（3）与nCode软件计算得到的PSD谱如图7所示。但是处理得到的PSD谱与加速时间、设计产品设计数目息息相关，加速系数愈大，PSD愈大，即试验时间愈短。但是在损伤谱确定的情况下，由PSD谱与试验时间共同决定的总激励能量是一定的，即损伤值是固定值。

图7 PSD谱

但是加速系数愈大，PSD愈大，同时会造成冲击响应谱（SRS）的增大，当冲击响应谱（SRS）或是极限响应谱（ERS）远大于原始时域信号中提取到的冲击响应，则试验中产品的损伤与实际损伤可能出现不相符的状态。因此对于试验的加速，应充分考虑加速因子的影响。

4 考核谱制定

通过处理得到的PSD谱是不能直接用于振动试验考核。考虑到对于后处理同一款产品需要适配多宽车型，需要对考核谱进行频率简化、谱值强化与频次拓展。

对于该品牌的车辆和另外一款车辆后处理振动数据均采集自海南试验场。通过对实际采集数据处理得到的PSD谱进行对比，分析不同峰值间差值与频域差值，对峰值点进行频次的拓展，以适应产品对不同车型适配的考核，降低产品的考核成本，同时提高考核谱的强度，增强了考核的置信度，最终的考核谱图8所示。三者的GRMS值分别为1.31、1.71和1.87。同时注意考核谱的增强强度，当增强过多时，虽然考核强度提高，但是如果考核过于严苛，产品的设计成本会有所提升。

图8 最终振动台考核使用的考核谱

5 仿真与试验考核

考核谱制定之后，首先使用nastran或是Abaqus等软件对总成进行风险分析，将制定好的考核谱作为激励进行风险分析，分析得到的应力云图（图9）。

图9 风险分析应力云图

在风险分析结果中，风险等级若评判为中风险或是低风险，则可以进行实际振动试验考核，振动试验如图10所示。由于材料在高温下的力学性能会有所降低，为了模拟实际使用中的状态，在进行振动试验的同时，向后处理产品通入高温气体，气体温度根据匹配的发动机平台不同而不同。对于该款后处理产品，振动时通入550℃的高温气体。振动时长根据处理数据的加速因子进行确定，分别进行3个方向的振动试验。

图10 振动台架实际振动状态

试验完成后，等待产品冷却之后，对产品进行气密性的检测。气密性检测为模拟实际使用中的最大背压，进行保压一段时间，检查气体的泄露量。该款产品使用的气密性压力为30 kPa，保持一段时间后测得的平均每分钟的泄漏量为9.9 L/min，低于设计标准。

在气密性结果通过后，进一步检查产品外部和内部结构，产品外部和内部结构不发生失效的情况下，可以认为产品通过验证。

对于失效产品，试验后与仿真结果进行对比，分析失效部位与仿真分析得到的高应力点是否吻合，不断端试验进行方法修正。

该款产品在振动试验中的通过了试验，同时搭载在商用车上进行试验场路试试验的该款后处理，也通过了验证。振动耐久试验对于产品的考核有效。

6 结语

通过上面的理论和处理过程，可以将在整车上验证的后处理零部件道路试验，转化为振动试验台的试验。同时通过试验，验证了该方法的有效性。转化后的振动试验试验在试验室中进行，简化了试验过程，节省了试验成本。