王正要， 李志剛

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京　210094)

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某火箭炮高低機(jī)動(dòng)力性能試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)

王正要， 李志剛

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京210094)

摘要：針對某火箭炮高低機(jī)傳動(dòng)的可靠性問題，設(shè)計(jì)了專用的動(dòng)力性能測試試驗(yàn)臺，完成了試驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)組成及測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該試驗(yàn)臺以工控機(jī)為核心，傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)試驗(yàn)臺為基礎(chǔ)，并通過控制電渦流制動(dòng)器模擬調(diào)炮工況；測控系統(tǒng)以虛擬儀器Labview為開發(fā)平臺，以多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集各參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對高低機(jī)的動(dòng)力性能測試。

關(guān)鍵詞：火箭炮高低機(jī)；虛擬儀器；動(dòng)力性能

本文引用格式：王正要， 李志剛.某火箭炮高低機(jī)動(dòng)力性能試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(6):83-86.

Citationformat:WANGZheng-yao,LIZhi-gang.DynamicPerformanceTestRigDesignofRocketElevatingMechanism[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(6):83-86.

火箭武器攻擊目標(biāo)時(shí)候，其高低角要隨目標(biāo)運(yùn)動(dòng)而不斷改變，即要進(jìn)行跟蹤瞄準(zhǔn)，針對目標(biāo)距離的遠(yuǎn)近自動(dòng)或手動(dòng)完成。高低機(jī)的作用是按照射擊諸元要求，賦予定向器軸線一定的高低角[1]，故其性能的優(yōu)劣直接影響到射擊準(zhǔn)確度與可靠性，出廠使用前應(yīng)對其傳動(dòng)效率、振動(dòng)等動(dòng)力性能參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)測試。近些年，有關(guān)各種減速器、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的測試試驗(yàn)技術(shù)得到了很大的發(fā)展，如參考文獻(xiàn)[2]中對行星齒輪減速器進(jìn)行了測試平臺的搭建與相關(guān)試驗(yàn)，而火箭炮高低機(jī)的測試技術(shù)卻進(jìn)展緩慢，如本課題合作方現(xiàn)僅有嚙合儀等簡單設(shè)備，只能對高低機(jī)進(jìn)行一些簡單的測量。虛擬儀器的發(fā)展使得計(jì)算機(jī)測控技術(shù)更加靈活多變，它在以PC機(jī)為核心的硬件平臺支持下，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)儀器的測量功能，具有性價(jià)比高、靈活性強(qiáng)、研發(fā)周期短和擴(kuò)展性強(qiáng)、能充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的處理功能等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。因此，結(jié)合虛擬儀器與傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)試驗(yàn)臺[5]開發(fā)出火箭炮高低機(jī)的動(dòng)力性能測試平臺具有重要意義。本文介紹了基于Labview(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)的某火箭炮高低機(jī)的動(dòng)力性能試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)，該試驗(yàn)臺可完成高低機(jī)的跑合試驗(yàn)、傳動(dòng)效率測試試驗(yàn)以及傳動(dòng)過程中的振動(dòng)、噪聲等參數(shù)的測試試驗(yàn)。

1　試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)與原理

1.1高低機(jī)原理

高低機(jī)自動(dòng)傳動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由動(dòng)力電機(jī)、安全離合器、行星減速器以及高低齒輪組成。其中，安全離合器決定自動(dòng)傳動(dòng)的順利進(jìn)行，電機(jī)經(jīng)行星減速器減速后，帶動(dòng)高低齒輪傳動(dòng)，以調(diào)節(jié)高低角的變化[6]。如圖1所示。

圖1　高低機(jī)自動(dòng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

1.2機(jī)械結(jié)構(gòu)組成

試驗(yàn)過程中高低機(jī)僅電機(jī)部分可以拆卸，故被測件為高低機(jī)去除電機(jī)的剩余部分。試驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)原理圖與三維模型圖分別如圖2、圖3。變頻電機(jī)提供試驗(yàn)所需的動(dòng)力，且由工控機(jī)控制變頻器調(diào)節(jié)試驗(yàn)的輸入轉(zhuǎn)速；兩個(gè)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器分別裝在高低機(jī)的輸入輸出端，以測試輸入輸出轉(zhuǎn)速和扭矩；自行設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)接齒輪箱用以與高低齒輪配合實(shí)現(xiàn)1∶1的傳動(dòng)比；增速器用來減小測試傳動(dòng)件的輸出轉(zhuǎn)矩，從而達(dá)到提高電渦流制動(dòng)器的制動(dòng)作用；電渦流制動(dòng)器為試驗(yàn)提供負(fù)載，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化由工控機(jī)控制調(diào)節(jié)；振動(dòng)傳感器與噪聲傳感器布局在高低機(jī)殼體的周側(cè)以分別測量傳動(dòng)過程中的振動(dòng)與噪聲參數(shù)。

注：圖中“三角”與“圓”分別代指振動(dòng)傳感器與噪聲傳感器

轉(zhuǎn)接齒輪箱的設(shè)計(jì)原則是實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器測得的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩與高低機(jī)的實(shí)際輸出理論上相等，即高低齒輪與轉(zhuǎn)接齒輪箱配合實(shí)現(xiàn)1∶1傳動(dòng)。綜合考慮高低機(jī)外殼與轉(zhuǎn)接齒輪箱干涉問題與多級齒輪傳動(dòng)效率問題，此處選擇轉(zhuǎn)接齒輪箱為一級傳動(dòng)，故轉(zhuǎn)接齒輪箱輸出齒輪與高低齒輪齒數(shù)相同。

1.變頻電機(jī)；2，6.轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器；3.雙自由度移動(dòng)平臺；4.高低機(jī)；5.轉(zhuǎn)接齒輪箱；7.增速器；8.電渦流制動(dòng)器；9.試驗(yàn)平臺

圖3試驗(yàn)臺三維模型

1.3轉(zhuǎn)速、負(fù)載轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)原理

由異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速原理，在極對數(shù)p一定時(shí)，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為n=60f(1-s)/p，其中f為工作頻率、s為轉(zhuǎn)差率、p為極對數(shù)。基頻以上為恒功率調(diào)速，頻率越高，轉(zhuǎn)速越快；基頻以下為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速隨頻率的減小而減小[7]。本試驗(yàn)中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)可以通過控制柜上的調(diào)節(jié)面板手動(dòng)調(diào)節(jié)，也可通過工控機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)。電渦流制動(dòng)器是目前國內(nèi)先進(jìn)的模擬加載設(shè)備，主要用來模擬各種動(dòng)力裝置的輸出性能，由感應(yīng)盤、電樞和勵(lì)磁部分等組成[8]。它的輸出特性由轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁電流決定：當(dāng)電流恒定時(shí)，制動(dòng)器輸出為一條依附于轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩曲線；當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩隨勵(lì)磁電流增加的變化趨勢為先增加后恒定再減小。

2　測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測控系統(tǒng)用來采集各類參數(shù)及發(fā)送控制指令，本測控系統(tǒng)的主要功能是：控制變頻器調(diào)節(jié)變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，完成恒負(fù)載不同轉(zhuǎn)速傳動(dòng)的動(dòng)力性能測試；控制電渦流制動(dòng)器的控制器調(diào)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化，完成恒轉(zhuǎn)速不同負(fù)載傳動(dòng)的動(dòng)力性能測試；模擬調(diào)炮工況運(yùn)行，完成調(diào)炮工況下的動(dòng)力性能測試試驗(yàn)。

2.1測控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本測控系統(tǒng)硬件設(shè)備主要有工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、各類傳感器及調(diào)理裝置、通信裝置。各硬件配合進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的流程是：各類傳感器采集到的信號經(jīng)過濾波、放大等調(diào)制處理后，經(jīng)由多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)送入工控機(jī)進(jìn)行顯示與存儲(chǔ)，并在測控軟件信號處理模塊中進(jìn)行信號分析、故障診斷。如圖4所示。

圖4　數(shù)據(jù)采集流程

2.2測控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件是測控系統(tǒng)的靈魂，虛擬儀器的發(fā)展更是使軟件的作用日益突出[9]。對于試驗(yàn)者，測控軟件應(yīng)該能夠支持系統(tǒng)設(shè)置功能、設(shè)備調(diào)試功能，單個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的獨(dú)立操作界面，以及圍繞試驗(yàn)進(jìn)行的系統(tǒng)與數(shù)據(jù)管理、在線幫助等輔助功能。本試驗(yàn)臺測控軟件采用Labview編寫，其圖形化的界面可以動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)地顯示各被測量，且可以通過直接控制前面板上的輸入值控制轉(zhuǎn)速與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化。軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5　軟件結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)采集顯示的波形圖一般是由多個(gè)頻率、幅值各不相同的波形混疊而成，可以直接得到的信息非常有限，故需要對信號進(jìn)行信號處理操作，即對信號進(jìn)行時(shí)域、頻域分析[10-11]。時(shí)域分析包括幅值分析與相關(guān)分析等，可以分別判斷信號是否具有突變性、周期性；頻域分析包括幅頻分析、相干分析、倒頻譜等，可以直觀地觀察信號的頻率構(gòu)成以及按頻率的分布情況。

本文以傳動(dòng)效率的計(jì)算過程為例描述Labview的信號分析處理功能。由機(jī)械原理知識，在測出輸入輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩后，可做如下計(jì)算[12]：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中：n1、n2、T1、T2、分別為輸入輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩；η1、η2分別為轉(zhuǎn)接齒輪箱與聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率；p1、p2為輸入輸出功率；η為所求高低機(jī)的傳遞效率。試驗(yàn)過程中，可以通過調(diào)節(jié)不同的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩對高低機(jī)傳動(dòng)性能進(jìn)行評價(jià)，效率的計(jì)算過程在Labview中的處理如圖6所示。

圖6　傳動(dòng)效率在Labview中的處理

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)的可行性，現(xiàn)對高低機(jī)進(jìn)行機(jī)械效率試驗(yàn)。高低機(jī)正常使用時(shí)，動(dòng)力電機(jī)額定功率為1.6kW,額定轉(zhuǎn)速為4798r/min。故調(diào)節(jié)變頻器，使高低機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速在0～4 798r/min之間分為6級逐漸增大，調(diào)節(jié)電渦流制動(dòng)器勵(lì)磁電流，使負(fù)載轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定為800N·m，對高低機(jī)進(jìn)行恒負(fù)載轉(zhuǎn)矩不同輸入轉(zhuǎn)速情況的測試。在運(yùn)行穩(wěn)定后進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄與分析，所得數(shù)據(jù)如表1所示。理論上在相同負(fù)載下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，功率損耗增大，效率有所降低；試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)，傳動(dòng)效率隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加略有下降，表明試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算值是符合的，也證明了試驗(yàn)臺的可行性。

表1　恒負(fù)載轉(zhuǎn)矩不同輸入轉(zhuǎn)速時(shí)測量值

4　結(jié)束語

本試驗(yàn)臺將虛擬儀器、傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)試驗(yàn)原理應(yīng)用于高低機(jī)的動(dòng)力性能試驗(yàn)臺，設(shè)計(jì)了以傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)試驗(yàn)臺為基礎(chǔ)的高性能實(shí)驗(yàn)裝置和以工控機(jī)為核心的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?？梢詫?shí)現(xiàn)高低機(jī)的跑合試驗(yàn)、傳動(dòng)效率及傳動(dòng)中的振動(dòng)噪聲參數(shù)的測試等功能，具有較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

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(責(zé)任編輯周江川)

doi:10.11809/scbgxb2016.06.020

收稿日期：2015-12-23；修回日期：2016-01-15

作者簡介：王正要(1993—)，男，碩士研究生，主要從事武器系統(tǒng)與應(yīng)用工程研究。

中圖分類號：TJ713

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)06-0083-04

DynamicPerformanceTestRigDesignofRocketElevatingMechanism

WANGZheng-yao,LIZhi-gang

(SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofScience&Technology,Nanjing210094,China)

Abstract:This article designed the specialized dynamic performance test rig, in view of the reliability issues of rocket elevating mechanism. Then we described the structural composition of the test rig and measurement and control system. The test platform was based on the industrial control computer and the traditional mechanical transmission test bench. The operating condition of the rocket through control, the electric vortex brake was simulated. The measurement and control system took the virtual instrument Labview as the developing platform and collected the parameters by the multi-channel data acquisition system. It can accomplish the dynamic performance test of rocket elevating mechanism.

Key words:elevating mechanism; virtual instrument; dynamic performance