滅火彈發(fā)射車調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計(jì)

歐定國 馮永具

摘 要： 滅火彈射擊時(shí)，為保證車載發(fā)射系統(tǒng)連續(xù)射擊的精度，其底盤必須處于水平狀態(tài)。以PLC為控制器、伺服電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為執(zhí)行元件、雙軸傾角傳感器、壓力傳感器作為反饋元件，采用“追逐式”最高點(diǎn)不動(dòng)調(diào)平方法，設(shè)計(jì)了一種適用于滅火彈發(fā)射車自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng).并介紹了該系統(tǒng)組成及原理以及調(diào)平方式.該系統(tǒng)具有調(diào)平速度快，調(diào)平精度高，自鎖性好的特點(diǎn)，有效提高滅火彈發(fā)射車的機(jī)動(dòng)性。

關(guān)鍵詞： 滅火彈發(fā)射車；調(diào)平策略；自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)

1引言

由于森林火災(zāi)具有擴(kuò)散速度快得特點(diǎn)，迫切需要發(fā)射車到達(dá)現(xiàn)場后，并能快速自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)較高精度水平基準(zhǔn)的調(diào)整，提高滅火彈射擊精度，對于水平基準(zhǔn)的調(diào)整，過去往往采用人工手動(dòng)調(diào)平方式，依靠人眼觀察基準(zhǔn)水泡，由多人反復(fù)操作調(diào)節(jié)各螺桿支腿才能達(dá)到水平要求，調(diào)平時(shí)間較長、操作難度大，且需要多人配合操作，而且調(diào)平精度受到人為因素干擾較大。近年來，隨著自動(dòng)調(diào)平技術(shù)的發(fā)展，主要形成了機(jī)電調(diào)平系統(tǒng)和電液調(diào)平系統(tǒng)兩大類，電液調(diào)平系統(tǒng)可承載較大的負(fù)載，但液壓系統(tǒng)復(fù)雜，難控制，且液壓油易泄漏，維護(hù)較難。機(jī)電調(diào)平系統(tǒng)的負(fù)載適中，易控制，成本相對較低，維護(hù)容易。兩類自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)都可大大縮短了調(diào)平的時(shí)間，提高了調(diào)平的精度，操作時(shí)只需要啟動(dòng)電源按下調(diào)平按鈕即可完成調(diào)平，無需人工干涉。鑒于滅火彈發(fā)射車的負(fù)載不大，本文主要涉及到機(jī)電調(diào)平系統(tǒng)在發(fā)射車中的設(shè)計(jì)。

2 車載調(diào)平系統(tǒng)的構(gòu)成

機(jī)電式自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)主要由供電系統(tǒng)、機(jī)械支撐傳動(dòng)系統(tǒng)和平臺(tái)測量控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。供電系統(tǒng)主要由汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、夾心式取力器和軸帶發(fā)電機(jī)組成；平臺(tái)機(jī)械支撐傳動(dòng)系統(tǒng)主要由支腿、伺服電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，其中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用渦輪蝸桿減速裝置，支腿由絲桿、螺母和套筒組成，工作時(shí)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪渦桿，絲桿與渦輪通過平鍵連接，隨渦輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母帶動(dòng)套筒做直線運(yùn)動(dòng)，從而完成支腿的支撐和收起的動(dòng)作。由于渦輪蝸桿減速裝置本身具有自鎖性，因此該傳動(dòng)具有鎖緊功能；平臺(tái)測量控制系統(tǒng)主要由車載電源、壓力傳感器、雙軸傾角傳感器、A/D模塊、PLC控制器以及操控面板等組成，其中雙軸傾角傳感器主要用來判斷是否調(diào)平，安裝在車箱主要平面上，有一定安裝精度要求。壓力傳感器主要用來判斷是否有虛腿。

2.1 調(diào)平方式選擇

根據(jù)不同車輛的質(zhì)量和車輛底盤的剛性，支撐調(diào)平方式有3點(diǎn)支撐調(diào)平、4點(diǎn)支撐調(diào)平、6點(diǎn)支撐調(diào)平、8點(diǎn)支撐調(diào)平等，支撐點(diǎn)越多，調(diào)平技術(shù)越復(fù)雜。一般而言針對1t～4t的車輛，采用4點(diǎn)支撐機(jī)電式調(diào)平技術(shù)較好。滅火彈發(fā)射車總重不超過3t，因此采用4點(diǎn)支撐的機(jī)電式調(diào)平方法，4個(gè)支撐腿構(gòu)成對稱矩形分布形式，具有穩(wěn)定性好、抗傾覆能力強(qiáng)，調(diào)平控制相對容易，支腿與車輛底盤的安裝示意如圖2所示。

2.2 調(diào)平策略設(shè)計(jì)

平臺(tái)系統(tǒng)的調(diào)平方法，從控制的量上來說，主要有位置高度控制調(diào)平法和角度控制調(diào)平法。兩種調(diào)平方法相比較而言，角度控制調(diào)平方法具有調(diào)平時(shí)間長，調(diào)平精度低等缺點(diǎn)，主要應(yīng)用在系統(tǒng)要求不高的場合，目前調(diào)平系統(tǒng)中最常用的是位置高度控制調(diào)平法中的“追逐式”最高點(diǎn)不動(dòng)調(diào)平方法。該調(diào)平方法可以避免由于車載平臺(tái)自重和負(fù)載過大，在下降過程中產(chǎn)生較大的慣性力，而使平臺(tái)出現(xiàn)劇烈抖動(dòng)，以致無法調(diào)平的現(xiàn)象。

車載平臺(tái)經(jīng)過預(yù)支撐后，一般是不水平的，這樣在有傾角的情況下，車載平臺(tái)肯定會(huì)有一個(gè)最高點(diǎn)，在調(diào)平時(shí)保持最高點(diǎn)不動(dòng)，其他支撐點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)與之對齊，當(dāng)各點(diǎn)達(dá)到最高點(diǎn)位置時(shí)平臺(tái)即處于水平狀態(tài)。車載平臺(tái)傾斜示意圖見圖3。

平面X0Y0是水平面，XY平面是車載平臺(tái)平面，A、 B、C、D是車載平臺(tái)的4個(gè)支腿的支撐點(diǎn).α表示車載平臺(tái)與水平面在X0軸方向的夾角；β表示車載平臺(tái)與水平面在Y0軸方向的夾角。

1） 最高點(diǎn)確定

由圖4及α、β的值，可得出不同情況下平臺(tái)最高支腿、最低支腿：

α>0， β>0時(shí)，A為最低，C為最高；

α>0，β<0時(shí)，D為最低，B為最高；

α<0，β>0時(shí)，B為最低，D為最高；

α<0，β<0時(shí)， C為最低，A為最高。

2）位置高度差的計(jì)算

最高支腿與最低支腿的高度差h也即車載平臺(tái)最高支腿與最低支腿水平面坐標(biāo)系上的z軸坐標(biāo)值之差，各支腿在水平面坐標(biāo)系的值需利用坐標(biāo)系間的旋轉(zhuǎn)變換矩陣.由于坐標(biāo)系XYZ是由坐標(biāo)系X0Y0Z0經(jīng)過繞X軸旋轉(zhuǎn)β角度，繞Y軸旋轉(zhuǎn)α角度得到.因此旋轉(zhuǎn)變換矩陣如下

3 調(diào)平系統(tǒng)工作過程

車輛駐車后，啟動(dòng)夾心式取力器，控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使軸帶發(fā)電機(jī)發(fā)出電壓穩(wěn)定，啟動(dòng)調(diào)平控制程序，根據(jù)車輛底盤的傾斜度，即停車位置地面不是水平狀態(tài)，當(dāng)車輛傾斜度大于一定角度時(shí)（如傾斜度>10°），系統(tǒng)粗調(diào)，各支撐腿的動(dòng)作速度較快；當(dāng)傾斜度小于某個(gè)閾值時(shí)（如傾斜度<0.5°），系統(tǒng)精調(diào)，各支撐腿的動(dòng)作速度較慢。具體調(diào)平過程如下：

假設(shè)當(dāng)α>0， β>0時(shí)，則A為最低，C為最高， （其他支撐腿為最高點(diǎn)的情況相似），根據(jù)雙軸傾斜傳感器的信號(hào)，可分別進(jìn)行X、Y軸方向的調(diào)節(jié)。如先進(jìn)行X軸調(diào)節(jié)，其過程為支撐腿C、D不動(dòng)，支撐腿A、B同時(shí)上升一定位移，即工作系統(tǒng)繞支撐腿C、D為軸線旋轉(zhuǎn)，支撐腿A、B同時(shí)上升，上升的數(shù)值由控制系統(tǒng)根據(jù)水平傳感器的z軸反饋值決定，直至X軸呈水平狀態(tài)。Y軸調(diào)節(jié)與X軸類似。若車輛底盤的X、Y軸調(diào)節(jié)成水平狀態(tài)，則可認(rèn)為車輛底盤已處于水平狀態(tài)，調(diào)平結(jié)束，由于傳動(dòng)系統(tǒng)采用了渦輪渦桿減速裝置，因此具有自鎖性，可使車輛長時(shí)間處于水平狀態(tài)。

4 結(jié)束語

滅火彈發(fā)射車由于負(fù)載不大，采用的4點(diǎn)支撐的機(jī)電式調(diào)平系統(tǒng)，具有體積小，質(zhì)量輕，可靠性高，維修性好等特點(diǎn)，由于傳動(dòng)系統(tǒng)采用了渦輪渦桿減速裝置，可保持長時(shí)間鎖定，調(diào)平策略采用了采用“只升不降”、“追逐式”最高點(diǎn)不動(dòng)調(diào)平方法，調(diào)平速度快，調(diào)平精度高，采用了通過取力器向軸帶發(fā)電機(jī)輸出動(dòng)力，解決了伺服電機(jī)電源驅(qū)動(dòng)問題，減少了設(shè)備用量。通過采取上述方案有效提高滅火彈發(fā)射車的機(jī)動(dòng)性，為降低森林火災(zāi)的危害贏得了時(shí)間。

參考文獻(xiàn)

[1]某車載高炮液壓自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)[J].吳鋒，楊俊義，雷龍等.2007.火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào).

[2]汽車起重機(jī)支腿自動(dòng)調(diào)平控制分析與策略研究[J].黎鑫溢，郭紀(jì)梅，李英智等.2007建筑機(jī)械.

[3]大型光電設(shè)備基準(zhǔn)平面自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)[J].姜偉偉，高云國等.2009.光學(xué)精密工程.

[4]基于PLC的液壓調(diào)平升降控制系統(tǒng)[J].衛(wèi)國愛，許平勇等.2004.液壓與氣動(dòng).

[5]升高低點(diǎn)調(diào)平技術(shù)研究[J].任作新，張艷兵，姚舜才.2004.華北工學(xué)院學(xué)報(bào).

[6]高精度平臺(tái)調(diào)平控制系統(tǒng)研究[D].張芳.2008.中北大學(xué).