CN110929332B - 一种轨道交通电子产品振动可靠性的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道交通电子产品振动可靠性的设计方法，其包括获取轨道交通电子产品实际运行环境下的振动激励频率信息；基于轨道交通电子产品的初始设计方案获取产品的固有频率信息；对固有频率信息和振动激励频率信息进行匹配分析，当满足固有频率避开振动激励频率的匹配条件时，确定初始设计方案为振动可靠性设计方案；否则，调整初始设计方案中产品的质量和/或刚度进行方案优化，直到确定振动可靠性设计方案。本发明提供的设计方法，能够提出满足振动可靠性的设计方案，可最大限度降低产品在运行过程中发生共振的风险，提高轨道交通电子产品运行的可靠性。

Description

一种轨道交通电子产品振动可靠性的设计方法

技术领域

本发明属于轨道交通电子产品设计技术领域，特别涉及一种轨道交通电子产品振动可靠性的设计方法。

背景技术

振动是影响轨道交通行业电子产品正常运行的重要因素之一，在产品的存储、运输及使用过程中，振动对产品运行可靠性的影响无处不在。统计数据表明，由于环境因素引发轨道交通电子设备的失效约占故障总数的51％，其中振动可靠性因素占失效率的14％。从已有轨道交通产品现场质量问题来看，有一部分跟振动强相关。而随着我国高速铁路交通的快速发展，轨道交通行业对电子产品的可靠性也提出了越来越高的要求，在保证电子设备的电性能的前提下，动态环境下的可靠性和抵抗恶劣环境的能力成为科研人员必须面对的主要课题。

现有技术中，虽然轨道交通行业对产品的振动可靠性开展了一些研究，发现和解决了一些振动相关问题，但仍然停留在产品可靠性问题暴露后的补救，并未从产品开发设计源头来避免振动可靠性问题。

基于此，本发明提出一种轨道交通电子产品振动可靠性设计的方法，从产品开发设计源头来避免振动可靠性问题，最大限度降低电子产品在运行过程中的发生共振风险，提高产品可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是提供一种轨道交通电子产品振动可靠性的设计方法，从开发设计源头避免轨道交通电子产品的共振问题。

为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种轨道交通电子产品振动可靠性的设计方法，包括

步骤1、获取轨道交通电子产品实际运行环境下的振动激励频率信息；

步骤2、基于所述轨道交通电子产品的初始设计方案获取产品的固有频率信息；

步骤3、对所述固有频率信息和所述振动激励频率信息进行匹配分析，当满足固有频率避开振动激励频率的匹配条件时，确定所述初始设计方案为振动可靠性设计方案；

否则，调整所述初始设计方案中产品的质量和/或刚度，重复进行步骤2、步骤3直到确定所述振动可靠性设计方案。

优选地，所述步骤1具体包括：

对轨道交通电子产品进行现场测试，以获取不同工况下的时域振动数据；

基于所述时域振动数据进行傅里叶变换处理，提取不同激励来源的频率区间构成所述振动激励频率信息。

优选地，所述时域振动数据包括振动加速度数据。

优选地，所述激励来源包括车体固有频率激励、风机转频激励、齿轮箱激励、车轮失圆激励以及电磁激励。

优选地，所述步骤2具体为，根据所述初始设计方案进行模态仿真，以获取产品安装状态下的所述固有频率信息。

优选地，所述步骤2具体为，根据所述初始设计方案进行试验，以获取产品安装状态下的所述固有频率信息。

优选地，所述固有频率信息包括模态仿真结果或试验结果中的至少前6阶固有频率。

优选地，所述步骤3具体包括：

将第一阶固有频率与所述振动激励频率信息中区间下限最低的频率区间进行比较，将各阶固有频率与所述振动激励频率信息中任一频率区间进行比较，

当所述各阶固有频率不在所述任一频率区间内，同时所述各阶固有频率与所述任一频率区间的上/限的差值的绝对值都都大于第一阈值，且所述第一阶固有频率大于所述区间下限最低的频率区间的上限时，确定所述初始设计方案为振动可靠性设计方案。

优选地，所述第一阈值为3Hz。

优选地，调整所述初始设计方案中产品的质量和/或刚度的具体方式包括加筋、增加板厚和加强约束中一种或多种。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

通过本发明提供的方法，能够从产品开发设计源头来避免振动可靠性问题，提出满足振动可靠性的设计方案，可最大限度降低产品在运行过程中发生共振的风险，提高轨道交通电子产品运行的可靠性。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1是根据本发明一实施例的轨道交通电子产品振动可靠性的设计方法的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

轨道交通电子产品在实际运行过程中，当运行环境中的振动激励频率与电子产品固有频率接近时，容易发生共振，引发电子产品故障，降低运行可靠性。

为便于理解本申请，下面先对共振现象的发生机理进行简要说明。

将实际运行的轨道交通电子产品抽象为一单自由度振子系统，该系统质量为m，刚度为k，阻尼系数为c。系统在简谐(正弦)激励力F＝F₀sinωt作用下，其运动方程为下述表达式,：

表达式(1)中，F_f表示系统响应力，X、

和

分别表示运动位移、运动速度和运动加速度。

求解上述运动方程得到力的绝对传递率μ_F的表达式：

表达式(2)中，ω为激励力F的频率，ω_n为系统的固有频率，ζ为相对阻尼比。

且固有频率可表示为：

对于一般系统，相对阻尼比ζ较小，接近于0，因此基于表达式(2)可知，当激励力F的频率ω与固有频率ω_n接近或相等时，力的绝对传递率μ_F明显增大，造成系统振动放大，发生共振现象。而当发生共振时，系统自身振动响应幅值明显大于激励幅值，过大的系统振动幅值将严重危害产品运行可靠性。

为避免共振现象发生，在产品设计时应尽量使其固有频率避开环境的激励频率，改善运行振动环境。基于表达式(3)，可知产品的固有频率由质量和刚度决定，因此产品的固有频率的优化设计可从这两个方面去着手。

基于上述共振现象的发生机理，本申请提出一种改善轨道交通电子产品振动可靠性的设计方法，以最大限度降低电子产品在运行过程中发生共振的风险，提高轨道交通电子产品运行的可靠性。下面对该设计方法进行详细说明：

如图1所示，执行步骤1，获取轨道交通电子产品实际运行环境下的振动激励频率信息。

具体的，对轨道交通电子产品进行现场测试，以获取不同工况下的时域振动数据；之后基于获取到的时域振动数据进行傅里叶变换处理，提取不同激励来源的频率区间构成振动激励频率信息。

需要说明的是，这里对轨道交通电子产品进行现场测试，是指寻找与要设计的轨道交通电子产品同类或类似的现有产品，对这些现有的轨道交通电子产品进行现场测试，举例而言，如针对的轨道交通电子产品是控制箱A，为获得控制箱A在实际运行环境下的振动激励频率信息。就需寻找与控制箱A运行环境相近的现有产品(同类产品或类似产品)进行现场测试，如同类产品控制箱B进行现场测试，通过现场测试来获得实际运行环境下的振动激励频率信息。

以控制箱A的同类产品控制箱B为例，为获得振动激励频率，在控制箱B的箱体上安置振动加速度传感器，采集线路实际运行时的振动加速度数据(时域数据)，之后对振动加速度数据进行傅里叶变换处理，将振动加速度时域信号转换成频域信号，从而提取特征振动激励频率以得到振动激励频率信息。需要说明的是这里的傅里叶变换处理的具体算法以及特征频率提取算法可见于现有技术，这里就不再详述了。

并且由于产品实际运行的工况多种多样，以及不同激励来源中同类激励来源存在差异等原因，振动激励频率信息由不同激励来源的频率区间构成。

举例而言，不同的激励来源包括车体固有频率激励、风机转频激励、齿轮箱激励、车轮失圆激励以及电磁激励等，而获得的振动激励频率信息中各频率区间如表1所示：

表1环境振动激励频率表

继续回到图1，如图中步骤2所示，基于轨道交通电子产品的初始设计方案获取产品的固有频率信息。

具体的，可根据初始设计方案进行模态仿真、或试制样品进行试验，以获取产品安装状态下的固有频率信息。

具体的，模态仿真和样品试验中要保证边界条件的控制以模拟实际的安装状态。例如某控制箱实际装车时，其底部通过4个M6螺栓固定在两根梁上，因此在做模态仿真或试验时，应尽量模拟控制箱的这种实际安装方式。

一般来说，产品振动的固有频率会有很多个，例如一个产品的振动固有频率包括10Hz、13Hz、19Hz、26Hz等等。将多个固有频率按从小到大进行排序，则排序后的固有频率依次称之为第一阶固有频率、第二阶固有频率、第三阶固有频率等等。而固有频率的阶数越低，对产品影响越大。为保证设计方案的可靠性，本发明中通过模态仿真或试验来得到固有频率信息，具体的，将模态仿真结果或试验结果中得到至少前6阶固有频率作为产品的固有频率信息。

获得产品的固有频率信息和振动激励频率信息之后，如图1中步骤3所示，对固有频率信息和振动激励频率信息进行匹配分析，当满足固有频率避开振动激励频率的匹配条件时，确定初始设计方案为振动可靠性设计方案。

具体的，匹配分析过程为，将第一阶固有频率与振动激励频率信息中区间下限最低的频率区间(也即最小的频率区间)进行比较，将各阶固有频率与振动激励频率信息中任一频率区间进行比较，

当各阶固有频率不在任一频率区间内，同时各阶固有频率与任一频率区间的上/下限的差值的绝对值都大于第一阈值，且第一阶固有频率大于区间下限最低的频率区间的上限(也即最小的频率区间的上限)时，确定初始设计方案为振动可靠性设计方案。

举例而言，振动激励频率信息中各频率区间如前文中表1所示，固有频率信息为前6阶固有频率，依次为f1、f2……f6。若下述条件a和b同时成立，则判断满足固有频率避开振动激励频率的匹配条件，确定初始设计方案为振动可靠性设计方案。

a、f1大于表1中最小的频率区间，即f1大于12Hz；

b、固有频率f1-f6都不在表1所示的各频率区间内，且f1-f6每个频率与任一频率区间的上/下限的差值的绝对值都大于3Hz。

需要说明的是，条件b中的3Hz是针对轨道电子产品的一种优选，兼顾了设计方案的可靠性和可操作性。

继续图1中步骤3所示，若不满足固有频率避开振动激励频率的匹配条件，则调整初始设计方案中产品的质量和/或刚度，重复进行步骤2、步骤3直到确定振动可靠性设计方案。

调整初始设计方案中产品的质量和/或刚度的具体方式包括加筋、增加板厚和加强约束中一种或多种。

举例而言，如发现第1、2阶固有频率f1、f2与得到的振动激励频率信息中某频率区间耦合，易发生共振，则通过改变初始设计方案中约束条件(如将4个M6螺栓固定改为8个M6螺栓固定)来提高固有频率，避开环境激励频率。

与现有技术相比，本发明提供的设计方法，能够从产品开发设计源头来避免振动可靠性问题，提出满足振动可靠性的设计方案，可最大限度降低产品在运行过程中发生共振的风险，提高轨道交通电子产品运行的可靠性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种轨道交通电子产品振动可靠性的设计方法，包括：

步骤1、获取轨道交通电子产品实际运行环境下的振动激励频率信息；其中，所述步骤1具体包括：对轨道交通电子产品进行现场测试，以获取不同工况下的时域振动数据；基于所述时域振动数据进行傅里叶变换处理，提取不同激励来源的频率区间构成所述振动激励频率信息；

步骤2、基于所述轨道交通电子产品的初始设计方案获取产品的固有频率信息；其中，所述轨道交通电子产品的固有频率信息由质量和刚度决定；

步骤3、对所述固有频率信息和所述振动激励频率信息进行匹配分析，当满足固有频率避开振动激励频率的匹配条件时，确定所述初始设计方案为振动可靠性设计方案；

否则，调整所述初始设计方案中产品的质量和/或刚度，重复进行步骤2、步骤3直到确定所述振动可靠性设计方案；

其中，所述步骤3具体包括：

将第一阶固有频率与所述振动激励频率信息中区间下限最低的频率区间进行比较，将各阶固有频率与所述振动激励频率信息中任一频率区间进行比较，

当所述各阶固有频率不在所述任一频率区间内，同时所述各阶固有频率与所述任一频率区间的上/下限的差值的绝对值都大于第一阈值，且所述第一阶固有频率大于所述区间下限最低的频率区间的上限时，确定所述初始设计方案为振动可靠性设计方案。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述时域振动数据包括振动加速度数据。

3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述激励来源包括车体固有频率激励、风机转频激励、齿轮箱激励、车轮失圆激励以及电磁激励。

4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤2具体为，根据所述初始设计方案进行模态仿真，以获取产品安装状态下的所述固有频率信息。

5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤2具体为，根据所述初始设计方案进行试验，以获取产品安装状态下的所述固有频率信息。

6.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述固有频率信息包括模态仿真结果中的至少前6阶固有频率。

7.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述固有频率信息包括试验结果中的至少前6阶固有频率。

8.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述第一阈值为3Hz。

9.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，调整所述初始设计方案中产品的质量和/或刚度的具体方式包括加筋、增加板厚和加强约束中一种或多种。

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