某塔架擺桿系統(tǒng)喘行問題的試驗(yàn)研究

孫中興，唐力偉，周 杰

（軍械工程學(xué)院火炮工程系，河北 石家莊 050003）

某塔架擺桿系統(tǒng)喘行問題的試驗(yàn)研究

孫中興，唐力偉，周 杰

（軍械工程學(xué)院火炮工程系，河北 石家莊 050003）

依據(jù)航天發(fā)射塔架電纜擺桿系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行機(jī)理，從最能代表擺桿系統(tǒng)性能的特征參量入手研究擺桿系統(tǒng)檢測(cè)的方法技術(shù)。建立擺桿系統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)擺桿系統(tǒng)重要運(yùn)動(dòng)參量的同步采樣與實(shí)時(shí)測(cè)試。通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，有效地診斷出系統(tǒng)喘行問題的故障原因，并提出解決方案。

檢測(cè)技術(shù)；喘行問題；數(shù)據(jù)分析；故障診斷

0 引 言

為了保證各項(xiàng)發(fā)射任務(wù)的順利完成，發(fā)射塔必須要有牢固的塔架結(jié)構(gòu)和工作性能[1]。作為發(fā)射塔架的重要組成部分，電纜擺桿系統(tǒng)為產(chǎn)品測(cè)試電纜、氣管、風(fēng)管提供支撐，在發(fā)射前幾秒鐘擺開至兵器漂移區(qū)外，確保兵器起飛安全。本文所研究的擺桿系統(tǒng)自投入使用以來一直存在運(yùn)行速度不均（喘行）的現(xiàn)象，視覺表現(xiàn)為啟動(dòng)后移動(dòng)一定角度開始出現(xiàn)兩次停頓現(xiàn)象，增加了兵器發(fā)射的隱患。

為探究喘行現(xiàn)象的故障原因，本文建立了擺桿系統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)擺桿系統(tǒng)各重要參量的同步測(cè)試、實(shí)時(shí)分析。通過對(duì)采樣信號(hào)的分析處理，診斷出喘行現(xiàn)象的故障原因，并提出相應(yīng)的解決方案。

1 擺桿系統(tǒng)的工作原理與特點(diǎn)

本文的研究對(duì)象為雙轉(zhuǎn)軸式擺桿系統(tǒng)[1]，擺桿系統(tǒng)傳動(dòng)原理如圖1所示。液壓驅(qū)動(dòng)力通過活塞桿、齒條、齒輪等傳動(dòng)裝置帶動(dòng)豎軸與水平桿完成張開與合攏操作。張開過程中液壓泵泵出的油由液壓缸的無桿腔流入，有桿腔流出，通過活塞桿的推出實(shí)現(xiàn)擺桿的張開；收攏過程中液壓泵流出的油由有桿腔流入，無桿腔流出，通過活塞桿的收回實(shí)現(xiàn)擺桿的收攏。

擺桿系統(tǒng)的工作特點(diǎn)總結(jié)如下：

1）傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，活塞桿、齒條、齒輪之間配合緊密。

2）豎軸與水平桿尺寸與跨度大，運(yùn)行需要較高的液壓驅(qū)動(dòng)。

圖1 擺桿系統(tǒng)傳遞原理圖

3）各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)時(shí)序性和連續(xù)性有嚴(yán)格的要求。

4）擺桿系統(tǒng)運(yùn)行過程中各構(gòu)件之間存在碰撞與摩擦，給研究擺桿系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律造成了很大的不便。

2 測(cè)試系統(tǒng)的建立

2.1 選擇被測(cè)參量

結(jié)合擺桿系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，基于最能反映系統(tǒng)性能的角度將測(cè)試參量選擇如下：

1）油泵電動(dòng)機(jī)的工作電壓與電流：油泵電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵旋轉(zhuǎn)，為擺桿系統(tǒng)的擺動(dòng)提供動(dòng)力，其工作的穩(wěn)定性與工作電壓和工作電流有直接關(guān)系。

2）液壓缸進(jìn)、出油口壓力、流量與振動(dòng)加速度：作為擺桿系統(tǒng)動(dòng)力的直接提供元件，液壓缸的各項(xiàng)參數(shù)決定了系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

3）活塞桿、齒條位移與振動(dòng)加速度：活塞桿與齒條的位移直接反映了這兩個(gè)重要構(gòu)件所處的狀態(tài)。

4）上轉(zhuǎn)軸角位移：作為重要的傳動(dòng)元件，齒輪旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量也至關(guān)重要。齒輪與上轉(zhuǎn)軸采用固定連接方式，在離齒輪不太遠(yuǎn)的地方，由于上轉(zhuǎn)軸剛度較大，上轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度相同，因此，通過測(cè)量上轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度來代替齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度是可以滿足要求的。

5）下轉(zhuǎn)軸角位移：上下轉(zhuǎn)軸在系統(tǒng)中起到了齒條與擺桿間的力傳遞作用，在力的作用下，上轉(zhuǎn)軸和下轉(zhuǎn)軸會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)角度的相對(duì)變化，尤其是在喘行嚴(yán)重段會(huì)更明顯。

6）水平桿中部（直桿的頂端）與端部（彎桿的頂端）的振動(dòng)速度：水平桿的跨度大，具有非常大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，它的自身特性是引起喘行問題的重要原因。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

選用SYNERGY信號(hào)采集分析儀，建立測(cè)試系統(tǒng)的框圖見圖2，可以清楚看到測(cè)點(diǎn)的布置情況。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)的分析與處理

由于測(cè)試環(huán)境與運(yùn)行過程中的強(qiáng)烈沖擊，實(shí)際測(cè)得的信號(hào)中疊加有高頻的隨機(jī)干擾信號(hào)，表現(xiàn)在運(yùn)行曲線上即為一些“毛刺”。因此須采用數(shù)據(jù)平滑技術(shù)對(duì)所測(cè)得的試驗(yàn)曲線進(jìn)行降噪處理[2-4]。降噪算法為

式中：2n+1——相鄰數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；

{yk}——數(shù)據(jù)序列。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)框圖

3.1 測(cè)試信號(hào)的分析

在擺桿系統(tǒng)的運(yùn)行過程中采集17路信號(hào)，降噪處理后部分構(gòu)件信號(hào)如圖3所示。

從圖3可以看出進(jìn)出油口流量、油缸壓力、齒條線位移、轉(zhuǎn)軸角位移基本呈同步變化趨勢(shì)，具有一致性；在系統(tǒng)啟動(dòng)、系統(tǒng)制動(dòng)等速度變化大的地方水平桿的振動(dòng)速度明顯增大。

3.2 測(cè)試信號(hào)的歸一化處理

通過本文建立的測(cè)試系統(tǒng)測(cè)出的信號(hào)運(yùn)動(dòng)學(xué)部分主要包括活塞桿、連接件、齒條的線性運(yùn)動(dòng)參量（線位移、液壓缸油進(jìn)出油口流量）與轉(zhuǎn)軸和水平桿的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參量（轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角、水平桿振動(dòng)速度）兩部分。考慮到系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)各部件之間存在的約束關(guān)系，可從相互之間的運(yùn)行規(guī)律出發(fā)通過計(jì)算將各參量轉(zhuǎn)換成（歸一化）對(duì)應(yīng)于同一參考系的參量[5-7]。

3.2.1 進(jìn)油口流量與活塞桿位移的歸一化

不考慮可壓縮性的情況下油液的體積應(yīng)該是守恒的，得：

式中：x1——液壓缸中油液的推進(jìn)距離；

n——總的采樣點(diǎn)數(shù)；

qi——進(jìn)油口流量傳感器測(cè)得的第i個(gè)采樣點(diǎn)

圖3 部分構(gòu)件的信號(hào)曲線

數(shù)值；

Δt——采樣的時(shí)間間隔；

A——液壓缸無桿端的截面積。

在研究液壓缸中油液剛度對(duì)擺桿系統(tǒng)運(yùn)行的影響時(shí)可根據(jù)式（2）對(duì)進(jìn)油口流量進(jìn)行歸一化處理。

出油口流量的歸一化方式與進(jìn)油口相同，且最后得到的歸一化數(shù)值理論上相互吻合。

3.2.2 齒條線位移與齒輪轉(zhuǎn)角的歸一化

擺桿系統(tǒng)通過齒條-齒輪傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)了線性運(yùn)動(dòng)向回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化。不考慮齒條齒輪嚙合時(shí)彈性變形和嚙合間隙的影響，可認(rèn)為齒條的線位移與齒輪分度圓上任意點(diǎn)的角位移之間存在如下關(guān)系：

式中：θ——齒輪分度圓上任意點(diǎn)的角位移；

x——齒條的線位移；

R——齒輪分度圓的半徑。

在研究齒條-齒輪傳動(dòng)關(guān)系時(shí)可根據(jù)式（2）對(duì)齒條線位移進(jìn)行歸一化處理。

3.2.3 轉(zhuǎn)軸角位移與水平桿中端振動(dòng)速度的歸一化

在研究轉(zhuǎn)軸與水平桿之間的傳動(dòng)關(guān)系時(shí)需對(duì)兩者的變量進(jìn)行歸一化處理?？紤]到轉(zhuǎn)軸和水平桿繞轉(zhuǎn)軸軸線同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的特性，可將兩者的測(cè)量信號(hào)通過計(jì)算轉(zhuǎn)化為以軸線為坐標(biāo)的角參量（角位移、角速度或角加速度）。由于測(cè)量條件的限制只測(cè)出了水平桿的振動(dòng)速度，故可通過差分處理將轉(zhuǎn)軸的角位移信號(hào)轉(zhuǎn)化為角振動(dòng)速度信號(hào)，具體公式為

θk——第k個(gè)采樣點(diǎn)的角位移；

ω——角速度的穩(wěn)態(tài)值；

Δt——采樣的時(shí)間間隔；

n——采樣的總點(diǎn)數(shù)。

水平桿中端振動(dòng)速度的歸一化公式：

ν——水平桿中端振動(dòng)速度；

r——水平桿中端到轉(zhuǎn)軸軸線的距離。

信號(hào)分析結(jié)果表明，本文所建立的測(cè)試系統(tǒng)能夠有效地提取擺桿系統(tǒng)各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為進(jìn)一步開展喘行問題的故障診斷奠定了基礎(chǔ)。

3.3 喘行問題的故障診斷

結(jié)合擺桿系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，假定喘行問題由傳動(dòng)構(gòu)件的故障所引起。為反映各構(gòu)件的傳動(dòng)特性，取相鄰兩構(gòu)件做研究對(duì)象，定義公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)兩變量：將相鄰兩構(gòu)件視作統(tǒng)一的子系統(tǒng)，信號(hào)經(jīng)歸一化處理后，取主動(dòng)件的信號(hào)值作為子系統(tǒng)公轉(zhuǎn)參量，從動(dòng)件與主動(dòng)件信號(hào)的差值作為子系統(tǒng)自轉(zhuǎn)參量。

需要指出的是本文提到的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)是一個(gè)廣義的概念，并不單純指回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角參量。為表述方便下文中以從動(dòng)件的名稱來指代其所在的子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)的自轉(zhuǎn)參量如圖4所示。由于傳感器數(shù)量有限，分兩次進(jìn)行測(cè)試，兩次試驗(yàn)中張開與閉合之間的時(shí)間間隔不同，但不影響對(duì)各子系統(tǒng)的研究[8]。

圖4 各子系統(tǒng)的自轉(zhuǎn)參量曲線

圖4（e）中1～4處脈沖信號(hào)的產(chǎn)生是由于對(duì)上轉(zhuǎn)軸角位移信號(hào)進(jìn)行歸一化處理時(shí)忽略了角速度的漸變過程，認(rèn)為其變化形式是“階躍”的。由圖4可以看出活塞桿、齒輪、轉(zhuǎn)軸、水平桿的自轉(zhuǎn)參量基本穩(wěn)定，僅由于構(gòu)件的彈性變形而存在些許“擾動(dòng)”；而齒條的自轉(zhuǎn)線位移則明顯存在不規(guī)則的矩形波，故本文所研究擺桿系統(tǒng)的喘行問題的直接原因是由于活塞桿與齒條之間傳動(dòng)的故障所致。針對(duì)本次試驗(yàn)，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)故障的具體原因是由于活塞桿與齒條之間的銷連接存在間隙，當(dāng)銷結(jié)構(gòu)與孔徑處于分離狀態(tài)時(shí)液壓缸的阻尼力無法傳遞給轉(zhuǎn)軸，造成空回現(xiàn)象，導(dǎo)致液壓缸阻尼效應(yīng)失效。

4 故障排除方案

解決喘行問題的關(guān)鍵是提高擺桿系統(tǒng)的有效阻尼，具體的實(shí)施方案有以下兩種：

1）消除銷軸空回（利用液壓油缸作阻尼器）。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可從根本上消除喘行問題，無需增加元件，同時(shí)消除間隙造成的非線性問題和沖擊現(xiàn)象，保證了齒條和活塞桿的使用壽命和可靠性；缺點(diǎn)是消除間隙可能使擺桿系統(tǒng)運(yùn)行受到干擾。

2）增加系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼（外加阻尼器）。該方法的優(yōu)點(diǎn)是無需更改塔架原有結(jié)構(gòu)；缺點(diǎn)是無法消除齒條與活塞桿之間的間隙造成的系統(tǒng)非線性，同時(shí)由于間隙的存在，活塞桿與齒條之間的碰撞產(chǎn)生的沖擊會(huì)導(dǎo)致兩構(gòu)件的使用壽命和可靠性的下降。要增加一套輔助機(jī)構(gòu)，操作較為復(fù)雜，成本偏高。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)擺桿系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，著重分析最能反映系統(tǒng)性能的參量，合理選擇測(cè)試儀器與設(shè)備，建立了擺桿系統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)。

基于歸一化思想對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行分析處理，定義了子系統(tǒng)的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)兩個(gè)參量，在此基礎(chǔ)上診斷出喘行問題的故障原因，并提出相應(yīng)解決方案。分析結(jié)果表明，本文提出的擺桿系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)能夠從多角度獲得擺桿系統(tǒng)的狀態(tài)信息，有效地檢測(cè)系統(tǒng)故障，對(duì)研究擺桿系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及質(zhì)量評(píng)估有重要意義。

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Experiment research on dyspneaing vibration of lauching tower’s pendulum system

SUN Zhong-xing，TANG Li-wei，ZHOU Jie
（Department of Artillery Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

According to the characteristic parameters of launching tower’s pendulum system，a detection technology was proposed based on the structural features and characteristic of motion.By designed measurement system，the move statuses of key components on the pendulum system were obtained synchronously.Finally，the test data were analyzed，the cause of the dyspneaing vibration was found and the effectiveness of the detection technology was testified.

detection technology；dyspneaing vibration；data analysis；fault diagnosis

V414.2；TP277；TP274；TM930.12

：A

：1674-5124（2014)06-0149-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.038

2013-12-12；

：2014-02-10

孫中興（1988-），男，山東泰安市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)橄到y(tǒng)性能測(cè)試與故障診斷。