催化转化器热振动试验

催化转化器热振动试验方法研究杨国鹏1，李军2，陈虎2，冯曦2，任美林21太原理工大学,2天津索克汽车试验有限公司[摘要] 车用催化转化器在国内的应用已经有十年的历史，随着国内汽车整车企业、排气系统供应商对催化器封装技术的理解不断深入和质量要求的不断提高，开发新的、更合理的催化器封装质量测试方法不仅是相关企业的迫切需要，也是提高试验研究与评价机构市场竞争力的核心手段。

本文从试验持续时间、垫层压力、热循环、被试工件安装角度等方面综合分析了国外试验方法的异同，分析了国内现有测试方法的不足，提出了改进建议。

[关键词]耐久性,垫层,热振动,失效Research on Catalytic Converter Hot Vibration Test MethodsYang Guopeng1, Li Jun2, Chen Hu2, Feng Xi 2, Ren Meilin21Taiyuan University of Technology,2Tianjin SwARC Automotive Research Laboratory Co,.Ltd[Abstract] Catalytic converters have already 10 years of history in the country. As to in-depth understanding of packaged technology and continuous improvement of quality requirement, the domestic automobile enterprises and catalyst converter supplier develop new ,more reasonable catalyst testing method in packaged technology ,not only related to the urgent needs of enterprises ,but also core means of market competitiveness to improve the testing research and evaluation. This paper analyses the similarities and differences of test methods abroad from the test duration, cushion pressure, heat cycle, mounting angle and so on, and analyses the shortage of the domestic existing testing methods, putting forward suggestions for improvement.Key words: durability, mat, hot vibration, failure引言汽车企业利用装车道路试验来检验催化器的可靠性，同时也开发出了一些台架试验方法，以期找出成本低、时间短、相对准确的模拟方法，用以指导产品的设计、验证和生产质量控制。

早期的催化器被安装在车辆底盘下面，实车上催化器的振动远远小于75g。

典型的台架试验参数为：入口气体温度500度到950度，正弦振动加速度28g到75g，持续时间200小时左右。

随着排放法规的加严，紧藕合和歧管式催化器的应用逐渐增多，上述试验方法已经不能准确模拟实车失效。

在实车运行过程中频繁发生的催化器失效现象，不能在台架试验中得到体现。

因此，需要开发新的、更合理的测试方法来验证催化器的耐久性。

1 国外典型热振动试验目前热振动试验主要有两类测试程序：一类主要用于封装材料的开发验证，另一类主要针对封装后的催化器成品的耐久性测试。

材料开发验证试验条件相对较为宽松，其目的是对封装材料进行测试，要求周期短、操作方便、重复性好。

主要考核封装材料从催化器中脱落、载体位移、外壳破裂。

针对封装后的催化器成品的耐久性测试，也称快速可靠性测试(Accelerated Robustness Test, 简称ART)，它主要是通过采用更加严格的试验参数，在较短时间内，依据台架测试检验封装质量，包括以下失效：垫层材料是否会从催化器中脱落、高背压（通常因衬垫碎片堵塞载体的前端面）、载体位移量、外壳碎裂。

表1 国外过去和现在的试验程序过去的振动试验 催化器封装耐久性 用于材料的发展 振动时间 h 100- 250 0-21 0-57 催化器安装方式 垂直 45度 垂直 垫层压力 剪切力 剪切力和压应力 剪切力和压应力 热循环时间 h 10-75 3 3振动开始时温度 目标 周围环境 周围环境振动频率 100-185HZ，正弦 随机：最大=40 ×MIN ；正弦 100HZ随机：最大=16 ×MIN ；正弦100HZ加速度 G 60 >150 61 振动中热循环温度 目标温度 室温到目标温度，再到室温60度到目标温度，再到60度产生的失效模式 破裂、腐蚀 疲劳、破裂、腐蚀 疲劳、破裂、腐蚀2 失效机理和振动试验分析在封装CANNING过程中，由外壳SHELL，垫层MAT和载体SUBSTRATE共同构成一个完整的尺寸链，其中任何一个环节的加工误差或使用中的变化都可能导致尺寸链变化而发生失效。

其中，垫层承担了“联系”外壳和载体尺寸的任务，它在高温高速下气流的冲刷，热应力和装车随机振动下的疲劳是导致催化器失效的主要因素。

因此，热振动试验中催化器失效的根本原因是由于疲劳所致的衬垫损坏。

表2 过去与现在振动方法区别原因分析振动方法的区别 原因分析安装角度 过去在垂直方向上低频、正弦振动，主要使衬垫产生剪切力。

尽管它揭示了一些失效模式，但是不能再现实车的破坏模式。

实车上，封装材料会经常因为多方面的应力而出现损坏。

因此，目前通常45度安装方式，使封装材料同时产生压应力和剪切力。

振动方式 实车上催化器的振动是受发动机、排气系统等条件的组合。

正弦测试，已经表明不是一个有效的评估催化器强度的方法，也不能代表大部分的应用条件。

随机振动是催化器主要的振动方式，随机振动能够同时激发一系列的频率，而正弦只能一次一个频率（或一些频率）。

随机振动可以在较低的振动台应力下，产生快速响应，所有的共振连续发生，所以随机振动更容易发生破坏，更真实的模拟实车的振动水平。

振动开始温度 通常，OEM的测试规范并不要求到达目标温度之前就进行振动。

对实车上损坏的催化器分析表明，失效模式通常是在环境温度或者较低的排气温度下发生的。

一些迹象表明，在高温振动下没有发现催化器疲劳。

每个振动试验开始的前几分钟，热源对导致催化器疲劳损坏最有效。

振动中热循环 所有的实车在运行过程中都要经历很多循环，最后都会回到环境温度，催化转化器在整个寿命期受很多热循环，彼此之间会有很大不同。

因此有必要将这一特性包括进来。

振动前热循环 在随机振动前的催化器常规试验时，经常会在停车之后，再开车时发现失效。

如果失效没在重新起动的数小时内发生，则它在恒温下的寿命就不确定。

所以，在振动试验前至少有一个热循环到目标温度，再回到低温。

3 国家和企业相关试验方法现状表3 国家与某企业的相关试验方法GB/T18377振动试验方法HJ/T331振动试验方法 某企业的振动试验方法振动时间 h 10 5 50催化器安装方式 垂直和水平 垂直 45度垫层压力 剪切力和压应力 剪切力 剪切力和压应力振动开始时温度 目标 目标 目标振动频率 100HZ，正弦 150HZ，正弦 150HZ，正弦加速度 G 28 35 35振动中热循环温度 目标温度 目标温度 目标温度产生的失效模式 破裂、腐蚀 破裂、腐蚀 破裂、腐蚀目前催化器封装耐久性的失效模式，根本原因是由于疲劳引起的垫层损坏，最终导致载体移位，甚至破裂。

而传统的正弦测试方法，主要验证载体的抓紧力，即载体在催化器中的位移，而不管是否对衬垫产生损坏。

从表1和表3的比较来看，我国目前的振动试验方法，在考核目标和强度上与国外有一定的差距。

随着对催化器封装耐久性的要求不断严格，上述试验方法已经不能准确模拟实车失效。

因此，需要开发新的、更合理的测试方法来验证催化器的封装耐久性。

4 关于工装存在的问题及改进目前用于催化器封装耐久性为目的的试验中，催化器安装角度为45度，主要目的是验证垫层的耐久性。

安装方式如图1所示。

图1 国外热振动试验安装实图及示意图而我国有的企业振动试验的安装方式如图2 所示：图2 某企业振动试验安装示意图此安装方式在试验中经常会发生催化器锥体焊接部位断裂。

如图3所示，图3 催化器锥体末端断裂实图现在我们以此样件为实例，对此进行实例分析，并从两方面说明此安装方式的不合理性。

4.1 从考核的目标上分析目前的热振动试验主要验证由疲劳所致的垫层损坏。

从图1和图2 的安装方式上看，图1从验证目的上更合理。

4.2 从受力上分析图4 某企业安装方式受力示意图催化器重量为2Kg（不包括法兰部分），安装在振动台上受35g的加速度，催化器主体部分长L为24cm,催化器锥端口截面的外直径为4.6cm,内径为4.4cm。

由于重力P引起截面弯曲，催化器前锥体成斜弯曲情形。

当机械振动时，危险截面（图中红圈部分）及危险点处于最不利的情形，图A为危险点，P引起的最大弯矩值M max为 P=M* G= 2 * (10+350)=720NM max = P1* L/2=P * cos45°* L/2= 720 * 0.085= 61.2 N·mW=π* d3 /32 = 3.14 *(0.0233 – 0.0223 )/32 m3在A点引起的最大拉应力σmax = M max/ W =734.4/ (3.14 *(0.0233 – 0.0223 )/32)= 415.8 MPa目前催化器外壳大部分采用SUH409型不锈钢材料，这种材料的性能特点是耐高温氯腐蚀性、高温强度、加工性。

表4 SUH409系列在不同温度下的高温抗拉强度（单位：MPa）： 钢种30℃ 200℃ 400℃ 600℃ 800℃ 1000℃SUH409系400 340 290 180 50 10一般振动试验中，催化器入口温度在600℃～800℃之间，所对应的抗拉强度在50 MPa ～180 MPa，而在危险点的抗拉强度为415.8 MPa，这样安装方式在振动中已远远大于材料本身的抗拉强度，所以，我们可以得出结论，这样的安装方式不科学。

下面我们来看看这种安装方式，两边支撑，催化器及两端的排气管视为一个整体在振动，两端受力平衡，在危险截面处不会引起弯矩，受力分析如图4所示。