大位移雙向拉繩式速度傳感器

王寶元,周發(fā)明,衡 剛

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

為了提高火炮的威力，現(xiàn)代火炮尤其是高炮的射速越來(lái)越高，使得火炮運(yùn)動(dòng)部件的速度提高，運(yùn)動(dòng)頻率增加，它對(duì)火炮的射擊精度、可靠性及火炮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度將會(huì)帶來(lái)不利的影響[1-4]。如何用實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法,正確、完整地獲取大行程(一般為1 m左右)、高速度和高頻率運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)速度一直是火炮界多年來(lái)十分關(guān)心的研究課題，研制上述速度傳感器也是火炮工程技術(shù)人員夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。它對(duì)火炮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)修改，火炮故障分析，提高火炮射擊精度與運(yùn)動(dòng)部件可靠性，縮短火炮研制周期，節(jié)約研制經(jīng)費(fèi)將會(huì)產(chǎn)生積極的促進(jìn)作用。

目前,用于火炮運(yùn)動(dòng)部件大行程、高速度、高頻率速度測(cè)試主要是帶有儲(chǔ)能彈簧的測(cè)速傳感器[5-7](或者稱(chēng)為單向拉繩式速度傳感器)。它是依靠發(fā)電機(jī)原理進(jìn)行速度測(cè)量，這種傳統(tǒng)的速度傳感器，其工作過(guò)程為在一轉(zhuǎn)軸上纏繞有多圈鋼絲繩，鋼絲繩的一端和轉(zhuǎn)軸固定，而另一端和火炮運(yùn)動(dòng)部件相連。同時(shí)，轉(zhuǎn)軸上固定有一金屬圓盤(pán)和一蝸卷彈簧(類(lèi)似于鐘表發(fā)條)，金屬圓盤(pán)周?chē)O(shè)有兩塊磁鐵。運(yùn)動(dòng)部件拉動(dòng)鋼絲繩向外拉出時(shí)，迫使轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)軸上的蝸卷彈簧收緊而儲(chǔ)存彈性能量。同時(shí)，轉(zhuǎn)軸上的金屬圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)而切割磁力線，從而在圓盤(pán)徑向兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其大小與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速成正比。當(dāng)運(yùn)動(dòng)部件退回時(shí)，鋼絲繩的收回完全依靠轉(zhuǎn)軸上的蝸卷彈簧儲(chǔ)存的能量工作。當(dāng)運(yùn)動(dòng)部件速度大于蝸卷彈簧收回速度時(shí)，鋼絲繩的收回速度將小于運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)速度，這時(shí)，該測(cè)速儀得到的速度大小及其規(guī)律將可能失真。如果彈簧剛度不合適時(shí)，這種速度失真程度會(huì)更加嚴(yán)重。

為了改變目前一直采用單向拉繩式速度傳感器頻響低的缺陷，提出一種大位移雙向拉繩式速度傳感器解決方案，給出傳感器工作原理和工作過(guò)程，最后給出火炮靶場(chǎng)射擊試驗(yàn)速度測(cè)量工程驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果。

1 速度傳感器工作原理

速度測(cè)量方法和結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)：在1個(gè)薄壁圓筒結(jié)構(gòu)內(nèi)，在其中心線上安裝1個(gè)轉(zhuǎn)子和1個(gè)微型發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)軸與上述轉(zhuǎn)子同軸。在轉(zhuǎn)子上纏繞有兩根鋼絲繩，每根鋼絲繩的一端和轉(zhuǎn)子的一端固定，而鋼絲繩的另一端和運(yùn)動(dòng)物體相連，兩根鋼絲繩固定在轉(zhuǎn)子的兩端，并向中間纏繞，兩根鋼絲繩在轉(zhuǎn)子上的旋向一致。速度測(cè)量時(shí)，運(yùn)動(dòng)物體帶動(dòng)鋼絲繩運(yùn)動(dòng)，鋼絲繩迫使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子帶動(dòng)微型發(fā)電機(jī)工作，微型發(fā)電機(jī)輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比。由于鋼絲繩在轉(zhuǎn)子上單層纏繞，故鋼絲繩在轉(zhuǎn)子上的纏繞半徑為常數(shù)，通過(guò)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以得到鋼絲繩的線速度，從而通過(guò)測(cè)量微型發(fā)電機(jī)輸出電壓，就可獲取運(yùn)動(dòng)物體的線速度。

本傳感器與傳統(tǒng)速度傳感器的最大區(qū)別在于本文所涉及的速度傳感器不用任何彈簧，通過(guò)兩根鋼絲繩的交替運(yùn)動(dòng)，完整、正確地記錄運(yùn)動(dòng)物體的速度大小及其規(guī)律。兩根鋼絲繩分別固定在運(yùn)動(dòng)物體的兩端，當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，它帶動(dòng)一根鋼絲繩(簡(jiǎn)稱(chēng)A繩)運(yùn)動(dòng)，這根鋼絲繩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子迫使另一根鋼絲繩(簡(jiǎn)稱(chēng)B繩)在其上纏繞。當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體向另一方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，它又帶動(dòng)B繩運(yùn)動(dòng)，B繩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子迫使A繩在其上纏繞。這樣，當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，它交替帶動(dòng)兩根鋼絲繩運(yùn)動(dòng)，而兩根鋼絲繩又交替強(qiáng)迫轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，最終完整、正確地記錄了運(yùn)動(dòng)物體的速度大小及其規(guī)律。

由于火炮自動(dòng)機(jī)閂體運(yùn)動(dòng)具有大行程、高速度及高頻率等特點(diǎn)，故其應(yīng)用于火炮自動(dòng)機(jī)閂體運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量具有明顯優(yōu)勢(shì)，它也是火炮后坐部分后坐速度及任何單自由度平動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件速度測(cè)量的理想傳感器。 圖1為本速度傳感器結(jié)構(gòu)圖，圖2為本速度測(cè)量方法示意圖。

速度傳感器主要由輸出信號(hào)線1，微型發(fā)電機(jī)固定架2，微型發(fā)電機(jī)3，微型發(fā)電機(jī)軸4，聯(lián)軸器5，轉(zhuǎn)子軸6，轉(zhuǎn)子外殼7，轉(zhuǎn)子8，蓋板9，轉(zhuǎn)子軸10和鋼絲繩11組成。

火炮運(yùn)動(dòng)部件速度測(cè)量時(shí)，按圖2所示的方法布置傳感器，速度傳感器12安裝架和導(dǎo)向滑輪組15安裝架之間不能有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)火炮運(yùn)動(dòng)部件14向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，它帶動(dòng)鋼絲繩11(A繩或圖2中的序號(hào)13)向外拉出，A繩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子8轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子8又迫使鋼絲繩11(B繩)在轉(zhuǎn)子上纏繞，當(dāng)火炮運(yùn)動(dòng)部件14向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，它又帶動(dòng)B繩向外拉出，B繩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子8轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子8迫使A繩在轉(zhuǎn)子上纏繞。這樣，轉(zhuǎn)子表面也就是鋼絲繩始終和火炮運(yùn)動(dòng)部件保持相同速度。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)聯(lián)軸器5帶動(dòng)微型發(fā)電機(jī)3同速轉(zhuǎn)動(dòng)，微型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與其輸出電壓成正比。這樣，通過(guò)記錄微型發(fā)電機(jī)輸出電壓就可得到火炮運(yùn)動(dòng)部件速度的大小及其變化規(guī)律。

使用本文速度傳感器時(shí)，應(yīng)按照?qǐng)D2所示的方法安裝傳感器，滑輪安裝架和傳感器之間不能有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，二者之間的距離應(yīng)大于運(yùn)動(dòng)物體的最大行程。

2 靈敏度系數(shù)計(jì)算

速度傳感器敏感元件為測(cè)速發(fā)電機(jī)，速度敏感元件可以精確地輸出測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與其輸出電壓的線性關(guān)系。由于纏繞鋼絲繩的轉(zhuǎn)子和測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，因此，纏繞鋼絲繩的轉(zhuǎn)子的外表面切線方向的線速度就是火炮運(yùn)動(dòng)部件的線速度。只要精確地給出測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與其輸出電壓的線性關(guān)系(即測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出斜率)，并精確地測(cè)量出纏繞鋼絲繩的轉(zhuǎn)子的半徑，就可以得到速度傳感器的靈敏度系數(shù)，也就是，火炮運(yùn)動(dòng)部件的速度與速度傳感器輸出電壓的線性關(guān)系。

設(shè)測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出斜率為f，V/(1 000 r·min-1),它表示輸出電壓與其轉(zhuǎn)速之比。當(dāng)測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)1 000 r/min時(shí)，測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速靈敏度系數(shù)定義為:

(1)

式中：k的單位是1 000 r·min-1/V。取測(cè)速發(fā)電機(jī)纏繞鋼絲繩的轉(zhuǎn)子半徑為r，當(dāng)測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓為U時(shí)，纏繞鋼絲繩的轉(zhuǎn)子半徑外表面切線方向速度為:

v=2πrkU

(2)

設(shè):

s=2πrk

(3)

則:

v=sU

(4)

式中：s就是速度傳感器的靈敏度系數(shù)，在上述轉(zhuǎn)子半徑r計(jì)算中，已考慮了鋼絲繩半徑的因素。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 高炮自動(dòng)機(jī)炮閂速度實(shí)驗(yàn)測(cè)試

高炮自動(dòng)機(jī)炮閂是典型的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件，運(yùn)動(dòng)頻率很高，后坐速度可以達(dá)到十幾每秒米[8]。圖3和圖4給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線和理論計(jì)算速度曲線，兩者曲線形狀相似，而且數(shù)值也較接近。

用單向拉繩式速度傳感器測(cè)量同一高炮自動(dòng)機(jī)閂體運(yùn)動(dòng)速度，其測(cè)試結(jié)果如圖5所示，測(cè)試曲線嚴(yán)重失真。

3.2 火炮后坐部分后坐速度實(shí)驗(yàn)測(cè)試

火炮后坐部分后坐復(fù)進(jìn)屬于大行程高速度運(yùn)動(dòng)，其速度測(cè)試有一定難度，利用作者研制的速度傳感器，進(jìn)行了后坐部分后坐速度測(cè)試。所選擇的火炮后坐部分最大后坐速度實(shí)驗(yàn)測(cè)試值為10.4 m/s,出現(xiàn)在后效期內(nèi)，它和理論值9.9 m/s基本一致，速度實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線如圖6所示。分析測(cè)試曲線，后坐速度從0到最大值所經(jīng)過(guò)的時(shí)間大于彈丸膛內(nèi)時(shí)間，約3 ms。也就是說(shuō)，在后效期結(jié)束點(diǎn)附近，后坐速度達(dá)到最大值，后坐速度測(cè)試值與理論分析規(guī)律一致。

4 結(jié) 論

1)為了克服傳統(tǒng)速度傳感器的缺陷，研制了一種大位移雙向拉繩式速度傳感器。傳感器位移行程可以達(dá)到1.6 m,速度測(cè)量值可以達(dá)到18 m/s。

2)該速度傳感器通過(guò)火炮靶場(chǎng)射擊實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到了高炮自動(dòng)機(jī)閂體運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間變化測(cè)試曲線、火炮后坐部分后坐與復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間變化測(cè)試曲線，速度傳感器實(shí)驗(yàn)測(cè)試值與理論計(jì)算值符合性較好。

3)傳統(tǒng)速度傳感器依靠蝸卷彈簧儲(chǔ)存能量，測(cè)量往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)頻率響應(yīng)跟不上的現(xiàn)象，使速度測(cè)試曲線失真。而這里設(shè)計(jì)的速度傳感器放棄了彈簧儲(chǔ)能過(guò)程，依靠?jī)筛K交替驅(qū)動(dòng)速度傳感器轉(zhuǎn)子來(lái)實(shí)現(xiàn)速度測(cè)量，保證了速度傳感器轉(zhuǎn)子和運(yùn)動(dòng)部件同步運(yùn)動(dòng)，也保證了頻率的同步。

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