某牵引车电池损坏机理试验分析与解决

王子稳 黄贵东 高巧明 黄东辉

摘  要：某牵引车（6×2）在河南新乡等地的使用过程中出现了电瓶内部极板断裂故障，但另一款同类型的车型（6×4）没有出现该故障.针对此故障进行了试验测试研究，通过采集不同路面激励作用下两款牵引车电瓶的振动数据，进行了两款牵引车的对比分析，以及在空载与装载15 t两种工况下，牵引车（6×2）改装前后的对比分析，最终发现6×2牵引车空载工况的恶劣振动导致电瓶损坏.通过添加胶垫，解决了电瓶损坏故障，延长了电池使用寿命.

关键词：铅酸蓄电池;振动测试;频谱分析

中图分类号：TM912         DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.01.0010

0    引言

汽车上的各种电器和发动机启动都离不开汽车蓄电池，电池在车上的安装方案尤为重要.电池的寿命一般与温度、充放电和机械性损坏等有关[1-3].因为牵引车的工作路况复杂，所以路面激励给予电池的影响很大.一般路基受到的荷载以交通动载为主[4].对于低路堤，交通荷载经过低路堤扩散作用，传到土基的应力比高路堤更大，从而引发路面不均匀沉降的增大[5]，因此，路面会凹凸不平，当牵引车工作在类似的路况下时，振动将会给电瓶造成很大影响.蓄电池有耐振性能指标，通过天津蓝天电源公司关于密封铅酸蓄电池耐振性能的研究可知，振动会使铅合金产生塑性应变导致低周疲劳，造成断裂[6].另外还有抗振试验， 振动后电气性能试验， 振动溢流试验， 都要求不能漏酸， 甚至蓄电池周围不能出现气泡[7].本文结合某牵引车车型（6×4）作为对比，探究振动对电瓶的影响，找出牵引车（6×2）的电池损坏原因，以及如何改进电池安装方案，提升电池寿命.

1    振动试验

试验设备有数据采集仪、笔记本电脑、传感器连接线、电瓶、加速度传感器.数据采集仪的主要功能有：振动数据采集、冲击分析、声学分析、模态测试、动平衡测试等，型号为MI7016.加速度传感器包括单向传感器和三向传感器.传感器的安装位置如图1所示.

试验测量的循环路况包括大卵石路、凹凸路、大搓衣板路、扭曲路、石板路、沙滩路、大石块路、柏油路、小卵石路、鱼鳞坑路、波形路、小石块路、小搓衣板路.在一个循环路况中，进行了空载和装载15 t两种情况下，电瓶分别加胶垫与不加胶垫的测试.

2    数据处理

2.1   数据采集与处理方法

为了探究路面激振的影响，采集该车型电瓶上的振动加速度数据（本文所涉及的振动数据均来自于电瓶上盖的测试点），把生成的.dar格式文件导入离线分析软件，生成相应的时域信号图.再依据中低频段的加速度占比和加速度频数占比的统计规律，找出造成结构损坏的敏感频点.

高于100 Hz的信号可能来自发动机或者其他高频振动，本试验只针对低于100 Hz的中低频信号，将100 Hz以上的信号滤波处理.针对生成的时域信号图，分别提取各个通道、各个路况的截断数据进行频谱分析.处理每个通道、每个路况振动数据时，取1.3 s每帧的时域数据进行频谱分析后，对每个路况的所有波峰进行统计分析.由于数据采集仪的离线数据处理软件本身没有统计功能，需手工导出每帧频谱数据，生成.xlsx格式数据，通过matlab编程处理数据，找出每帧的前10个频率波峰值，输入到电子表格并且画出每个单循环路况的散点图.

在得到表格数据后，利用表格进行数据处理，计算出每个频点的频数占比和加速度占比.在作图软件OriginPro 8.5作出各个频点的频数-加速度占比曲线.

2.2   车架模态计算

由于车架刚度很大，所以在车架模态有限元计算时，车架的自由模态和约束模态几乎相同.在试验路况时，由地面激励引起的车架振动主要是一阶扭转和一阶弯曲.车架在自由模态下，模态计算结果见表1，各阶振型如图2—图5所示.

3    对比分析

蓄电池安装在车架中部，路面激励通过悬架传给车架再影响电瓶.选取同类型的两款车（6×2和6×4）作对比，找出电瓶振动频率异常点.两款牵引车的车架有一定的不同.以对比两款牵引车低频区间和高频区间下的振动数据为例进行分析，数据对比如图6—图9和表2—表4所示.其中，表2对应图6;表3对应图7;表4对应图8.

通过数据对比可以看出，在高频区间内，该问题牵引车（6×2）各个频点的频数占比和加速度占比明显高于另一款牵引车（6×4），并且出现敏感频点30.76 Hz，该频点接近于车架的一阶弯曲模态（25 Hz），因此，电瓶的损坏与车辆在恶劣路况行驶时，车架发生一阶弯曲模态振动，电瓶随车架一起高频振动有关.

4    6×2车型改进方案对比分析

试验将通过牵引车在空载和15 t装载两种工况下，电瓶上点的振动对比进行原因分析.

4.1   空载下的电瓶加胶垫和不加胶垫对比

数据来源：选择坏路循环中9个相对恶劣路况（凹凸路、大搓衣板路、大卵石路、石板路、大石块路、鱼鳞坑路、小搓衣板路、小卵石路、小石块路）下是否加胶垫的振动数据进行整合.数据处理结果如图10所示.

4.2   15 t装载电瓶加胶垫和不加胶垫对比

数据来源：选擇坏路循环中9个相对恶劣路况（凹凸路、大搓衣板路、大卵石路、石板路、大石块路、鱼鳞坑路、小搓衣板路、小卵石路、小石块路）下是否加胶垫的振动数据进行整合.数据处理结果如图11所示.

通过图11可以看出，在15 t装载时的低频和高频两个区间内，电瓶在加胶垫和不加胶垫的两种不同条件下，频数占比和加速度占比没有明显差异.

4.3   小结

通过空载与15 t装载的数据对比可以看出，15 t装载振动测试数据无明显差异;空载振动测试，电瓶加胶垫对高频的振动有明显的过滤与衰减作用，这可能是在空载高频的工作状况下导致了电瓶极板的断裂.

5    总结

1）车架发生一阶弯曲模态振动对应的电瓶高频振动.

2）空载高频的工作状况下，此时电瓶加胶垫对电瓶的高频振动有明显过滤和衰减作用，最终解决了电瓶因为振动而造成的损坏的问题.

汽车蓄电池是汽车动力的基础，是用电设备的能源.在做好电瓶的维护保养情况下，也要避免電瓶的机械性损伤，因为这种伤害会极大地减少电池使用寿命.本文通过对车架模态的有限元计算，与同类车的振动加速度比较，并对该牵引车空载和15 t装载工况的对比分析，找出了电瓶损坏的原因;通过加装胶垫的方法，以较小程度的改动，解决了电瓶损坏的问题.通过本次振动试验，为解决同类问题提供了参考方法.

参考文献

[1]     赵娟娟，魏存海.蓄电池使用保养与维护综述[J].移动电源与车辆，2014（2）：41-46.

[2]     李世梅.延长拖拉机蓄电池使用寿命的有效措施[J].农机使用与维修，2017（5）：43.

[3]     畅振超，王家全，周圆兀，等.交通动载下砾性土动三轴试验分析[J].广西科技大学学报，2019，30（2）：13-19.

[4]     钱伟文，张信贵，张腾.水泥混凝土路面低路堤变结构刚度有限元模拟[J].广西科技大学学报，2017，28（4）：42-48.

[5]     王旭.蓄电池使用寿命影响因素分析[J].农机使用与维修，2018（3）：31.

[6]     王毅，曲晓虹，吴畏，等.密封铅酸蓄电池耐振性能的研究[J].电源技术，2000（4）：209-213.

[7]     吴敏.铅酸蓄电池业现状与发展趋势[J].电器工业，2007（3）：30-35.