某火箭炮高低機(jī)動(dòng)力性能試驗(yàn)臺(tái)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)

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某火箭炮高低機(jī)動(dòng)力性能試驗(yàn)臺(tái)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(duì)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(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，完成了試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成及測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該試驗(yàn)臺(tái)以工控機(jī)為核心，傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)為基礎(chǔ)，并通過控制電渦流制動(dòng)器模擬調(diào)炮工況；測(cè)控系統(tǒng)以虛擬儀器Labview為開發(fā)平臺(tái)，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(duì)高低機(jī)的動(dòng)力性能測(cè)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(tái)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(duì)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(duì)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(cè)試。近些年，有關(guān)各種減速器、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的測(cè)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(duì)行星齒輪減速器進(jìn)行了測(cè)試平臺(tái)的搭建與相關(guān)試驗(yàn)，而火箭炮高低機(jī)的測(cè)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(jiǎn)單設(shè)備，只能對(duì)高低機(jī)進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的測(cè)量。虛擬儀器的發(fā)展使得計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)更加靈活多變，它在以PC機(jī)為核心的硬件平臺(tái)支持下，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)儀器的測(cè)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(tái)[5]開發(fā)出火箭炮高低機(jī)的動(dòng)力性能測(cè)試平臺(tái)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(tái)的設(shè)計(jì)，該試驗(yàn)臺(tái)可完成高低機(jī)的跑合試驗(yàn)、傳動(dòng)效率測(cè)試試驗(yàn)以及傳動(dòng)過程中的振動(dòng)、噪聲等參數(shù)的測(cè)試試驗(yàn)。

1　試驗(yàn)臺(tái)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(cè)件為高低機(jī)去除電機(jī)的剩余部分。試驗(yàn)臺(tái)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(jí)齒輪傳動(dòng)效率問題，此處選擇轉(zhuǎn)接齒輪箱為一級(jí)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(tái)；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(tái)

圖3試驗(yàn)臺(tái)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(duì)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(duì)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(shì)為先增加后恒定再減小。

2　測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)用來采集各類參數(shù)及發(fā)送控制指令，本測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試試驗(yàn)。

2.1測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本測(cè)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(hào)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(cè)控軟件信號(hào)處理模塊中進(jìn)行信號(hào)分析、故障診斷。如圖4所示。

圖4　數(shù)據(jù)采集流程

2.2測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件是測(cè)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(duì)于試驗(yàn)者，測(cè)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(tái)測(cè)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(cè)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(duì)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理操作，即對(duì)信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)分析處理功能。由機(jī)械原理知識(shí)，在測(cè)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(duì)高低機(jī)傳動(dòng)性能進(jìn)行評(píng)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(tái)設(shè)計(jì)的可行性，現(xiàn)對(duì)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(jí)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(duì)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(cè)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(tái)的可行性。

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

4　結(jié)束語

本試驗(yàn)臺(tái)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(tái)，設(shè)計(jì)了以傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)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(cè)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(jiǎn)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(hào)：TJ713

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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