某型裝備動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法與監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)

喬新勇，張超，顧程，段譽(yù)

（裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系，北京 100072）

某型裝備動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法與監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)

喬新勇，張超，顧程，段譽(yù)

（裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系，北京 100072）

針對(duì)某型裝備技術(shù)狀況監(jiān)測(cè)水平較低、缺乏車載自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備的問題，以動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)技術(shù)狀況監(jiān)測(cè)方案，建立基于多參數(shù)的技術(shù)狀況監(jiān)測(cè)評(píng)估模型，并開發(fā)技術(shù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)估診斷軟件平臺(tái)及狀態(tài)信息管理數(shù)據(jù)庫；研發(fā)嵌入式的在線機(jī)內(nèi)監(jiān)測(cè)裝置，由駕駛員顯示終端、主控機(jī)、工況參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)模塊、變速箱監(jiān)測(cè)模塊和傳動(dòng)箱監(jiān)測(cè)模塊構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)信息的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、診斷與評(píng)估，為裝備的使用和維修保障提供技術(shù)手段。試驗(yàn)分析表明：該監(jiān)測(cè)裝置可靠實(shí)用，監(jiān)測(cè)方法準(zhǔn)確有效。

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)；發(fā)動(dòng)機(jī)；變速箱；技術(shù)狀況；監(jiān)測(cè)診斷

0 引言

現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)于武器裝備的自動(dòng)化、信息化水平要求越來越高。以坦克、裝甲車輛等裝甲裝備為例，目前美、英、俄、法等軍事發(fā)達(dá)國(guó)家在裝備上已經(jīng)配備或正在研發(fā)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、診斷各分系統(tǒng)、部件的狀態(tài)和故障，與裝備維修保障等形成一體化的指揮管理系統(tǒng)。如美英陸軍，在裝甲車輛上安裝了健康與使用監(jiān)控系統(tǒng)（HUMS），將軍用加固機(jī)箱及儀器安裝于重型、中型、輕型裝備上。HUMS主要由信息管理系統(tǒng)、故障與壽命預(yù)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、車載通信系統(tǒng)和車管局域網(wǎng)通信系統(tǒng)等組成，可識(shí)別操作及使用異常等，并將裝備使用狀況、用于趨勢(shì)預(yù)測(cè)的重要信息提供給管理人員、指揮員、測(cè)試人員及維修人員，為裝備的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)維修提供詳細(xì)信息。

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷已有很多研究成果[1-7]，但是這些方法大多以離線狀態(tài)監(jiān)測(cè)為主。在軍用裝備上以飛機(jī)、艦艇為主，配備了一定的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)于保證裝備的安全運(yùn)行發(fā)揮了重要作用。但是在陸軍裝備上還沒有完善的狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備，因此開展陸軍裝備自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究具有重要的經(jīng)濟(jì)和軍事意義。本文以某型裝備動(dòng)力傳動(dòng)裝置為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種在線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)裝置的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、評(píng)估和故障診斷。通過研制在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，預(yù)測(cè)和診斷潛在故障并及時(shí)排除，對(duì)于保持裝備的良好技術(shù)性能具有重要的意義。

1 總體方案設(shè)計(jì)

該動(dòng)力傳動(dòng)裝置在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種嵌入式機(jī)內(nèi)自動(dòng)化設(shè)備。該系統(tǒng)由駕駛員顯示終端、主控機(jī)及工況參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)模塊、變速箱和傳動(dòng)箱監(jiān)測(cè)模塊等部分構(gòu)成，如圖1所示。

各模塊通過CAN總線與主控機(jī)實(shí)現(xiàn)信息通信。主控機(jī)和各監(jiān)測(cè)模塊內(nèi)集成了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集、分析處理、參數(shù)監(jiān)測(cè)、狀態(tài)評(píng)估、故障診斷等軟件。通過各監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)行信號(hào)采集并分析計(jì)算特征參數(shù)，然后將相應(yīng)的參數(shù)經(jīng)總線實(shí)時(shí)送入主控機(jī)，由主控機(jī)完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。各模塊功能如表1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體構(gòu)成示意圖

圖2 駕駛艙內(nèi)的監(jiān)測(cè)終端

1）駕駛員液晶顯示終端顯示各監(jiān)測(cè)參數(shù)數(shù)值及評(píng)估、診斷結(jié)果，如圖2所示。顯示終端可安裝在駕駛艙內(nèi)，駕駛員通過終端觸摸鍵來完成各項(xiàng)操作和監(jiān)測(cè)任務(wù)。

2）主控機(jī)可安裝在駕駛艙內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN總線的控制和各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的管理，各節(jié)點(diǎn)采集的參數(shù)數(shù)據(jù)以及原始數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)到主控機(jī)的CF卡中。主控機(jī)內(nèi)集成了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)診斷軟件，由此完成對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)裝置的監(jiān)測(cè)任務(wù)。

3）工況參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊負(fù)責(zé)采集車載儀表參數(shù)，由主控機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和定時(shí)存儲(chǔ)。

4）發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)模塊安裝在動(dòng)力艙內(nèi)，負(fù)責(zé)采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)體振動(dòng)、排氣溫度等信號(hào)，可監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)異常狀態(tài)和技術(shù)狀態(tài)等。

5）變速箱、傳動(dòng)箱監(jiān)測(cè)模塊分別采集變速箱、傳動(dòng)箱的振動(dòng)信號(hào)，計(jì)算振動(dòng)烈度，采用閾值法監(jiān)測(cè)變速箱、傳動(dòng)箱異常振動(dòng)。

表1 各監(jiān)測(cè)模塊功能及監(jiān)測(cè)信號(hào)

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫管理

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)較多，數(shù)據(jù)量較大，而且具有連續(xù)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的能力。為了便于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了ACCESS數(shù)據(jù)庫，參數(shù)測(cè)量結(jié)果、標(biāo)定信息、設(shè)置信息全部存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。用戶可以以查詢的方式瀏覽歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及技術(shù)狀態(tài)，也可以調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)狀態(tài)變化趨勢(shì)分析。

系統(tǒng)包含3個(gè)數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)設(shè)置數(shù)據(jù)庫、裝備動(dòng)用情況數(shù)據(jù)庫和檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)庫。其中系統(tǒng)設(shè)置數(shù)據(jù)庫用來存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)置、參數(shù)標(biāo)定值等與系統(tǒng)內(nèi)部有關(guān)的數(shù)據(jù)；裝備動(dòng)用情況數(shù)據(jù)庫中只有一個(gè)裝備動(dòng)用情況表，每次運(yùn)行時(shí)打開，添加相應(yīng)的裝備動(dòng)用時(shí)間、檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)庫名稱等相關(guān)索引信息；檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)庫由工作參數(shù)表和狀態(tài)參數(shù)表構(gòu)成，每次動(dòng)用車輛便形成一個(gè)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫名稱為裝備起動(dòng)日期。

3 基于CAN總線的信息通信技術(shù)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各監(jiān)測(cè)模塊與主控機(jī)之間由CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

3.1 CAN總線收發(fā)電路的設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用具有局域網(wǎng)（CAN）控制器的C8051F040單片機(jī)，用CAN協(xié)議進(jìn)行串行通信。CAN控制器包含一個(gè)CAN核、消息RAM（獨(dú)立于CIP-51的RAM）、消息處理狀態(tài)機(jī)和控制寄存器。但是Silicon Labs CAN是一個(gè)協(xié)議控制器，不提供物理層驅(qū)動(dòng)器（即收發(fā)器），需接CAN總線收發(fā)器才能和外部進(jìn)行通信。

系統(tǒng)采用了PCA82C250CAN總線收發(fā)器。CAN總線收發(fā)器PCA82C250是CAN協(xié)議控制器和物理總線的接口，此器件對(duì)總線提供差動(dòng)發(fā)送能力，對(duì)CAN控制器提供差動(dòng)接收能力。

3.2 CAN總線協(xié)議

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過CAN總線實(shí)現(xiàn)了信息的互通互聯(lián)，位于主控機(jī)內(nèi)的CAN卡和各模塊內(nèi)的CAN控制器保證了信息的可靠傳輸，但是為保證各種參數(shù)信息被系統(tǒng)正確識(shí)別、分類、存儲(chǔ)，則必須建立完善的應(yīng)用層協(xié)議。通信協(xié)議采用“ID+數(shù)據(jù)”的格式組合成一個(gè)一個(gè)消息的形式，其中數(shù)據(jù)為3個(gè)字節(jié)，每個(gè)消息幀為40位（共占5個(gè)字節(jié)）。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的主控機(jī)和監(jiān)測(cè)模塊的編號(hào)（4位）如表2所示。消息組合（7位）編號(hào)從1開始，標(biāo)示信息的類型，如表3所示。

表2 系統(tǒng)分級(jí)的編號(hào)

表3 信息編號(hào)

4 狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型

4.1 系統(tǒng)總體模型

在建立系統(tǒng)模型時(shí)，傳動(dòng)箱、變速箱以監(jiān)測(cè)異常振動(dòng)為主，發(fā)動(dòng)機(jī)則由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和相對(duì)重要性，除監(jiān)測(cè)異常狀態(tài)外，還包括對(duì)其技術(shù)狀態(tài)的評(píng)估。總體模型如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)軟件模型及流程簡(jiǎn)圖

4.2 技術(shù)狀態(tài)評(píng)估模型

依據(jù)裝備技戰(zhàn)術(shù)性能指標(biāo)，在裝備現(xiàn)有可測(cè)試條件下，確定以機(jī)動(dòng)性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等為基礎(chǔ)的評(píng)價(jià)指標(biāo)集，從多數(shù)據(jù)融合的角度對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。其中，加速性能指標(biāo)（0～32 km/h的加速時(shí)間）評(píng)價(jià)裝備的機(jī)動(dòng)性能[8]；百公里燃油消耗率和機(jī)油消耗率評(píng)價(jià)裝備的經(jīng)濟(jì)性能，也是對(duì)裝備磨損的評(píng)價(jià)指標(biāo)；振動(dòng)烈度是一種可靠性指標(biāo)，用來評(píng)價(jià)裝備的振動(dòng)強(qiáng)度，是對(duì)機(jī)械裝置運(yùn)行功能、緊固性和磨損程度的度量。

4.2.1 變權(quán)綜合法的基本原理

變權(quán)綜合法的基本定義及公式[9]如下：

設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)集U=（A1，A2，…，Am），該評(píng)估對(duì)象各指標(biāo)的評(píng)估值經(jīng)歸一量化后，可表示為X=（x1，x2，…，xm）∈（0，1），m為評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)。

2）映射S：[0，1]m→[0，1]m，則稱向量Sx=（s1（x），s2（x），…，sm（x））為狀態(tài)變權(quán)向量，且滿足：

①Si（σij（x1，x2，…，xm））=Sj（x1，x2，…，xm），σij（x1，x2，…，xm）為對(duì)換（x1，x2，…，xm）中第i和第j個(gè)分量的位置后的向量；

②xi≥xj?si（x）≤sj（x）；

③sj（x）對(duì)每個(gè)變?cè)B續(xù)，j=1，2，…，m。

依據(jù)變權(quán)原理，指標(biāo)i的變權(quán)表達(dá)為

綜合評(píng)價(jià)估值V（x）為

式中：xi——指標(biāo)i的模糊值；

wi（x）——指標(biāo)i的變權(quán)值。

4.2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊化處理方法

在多指標(biāo)評(píng)價(jià)中，當(dāng)評(píng)價(jià)對(duì)象的影響因素較多且各種因素的影響程度不同時(shí)，采用模糊評(píng)價(jià)方法可以有效解決這些問題[10-12]。運(yùn)用模糊理論對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行模糊化處理，可以有效消除不同指標(biāo)的量綱差異，同時(shí)能夠反映技術(shù)狀況變化的漸變性。

確定各因素對(duì)評(píng)價(jià)集中各元素的隸屬函數(shù)，是建立模糊綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一項(xiàng)工作。確定隸屬函數(shù)主要有F統(tǒng)計(jì)法、三分法和F分布法[13-14]。常用的隸屬函數(shù)有“S”形隸屬函數(shù)和半梯形隸屬函數(shù)等。鑒于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)狀況變化的非線性趨勢(shì)，本文采用了非線性的“S”形隸屬函數(shù)進(jìn)行模糊化處理[15]，如式（3）所示，u（x）表示對(duì)應(yīng)于評(píng)價(jià)指標(biāo)集的隸屬函數(shù)，a1、a2表示閾值。

4.2.3 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)狀況綜合評(píng)價(jià)

本文選取兩臺(tái)具有相同摩托小時(shí)（150h）的某型裝備進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)采集，經(jīng)模糊化處理后的各指標(biāo)隸屬度分別如表4、表5所示。

表4 經(jīng)模糊化處理后的1#車輛各指標(biāo)隸屬度

表5 經(jīng)模糊化處理后的2#車輛各指標(biāo)隸屬度

1）1#動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)狀況評(píng)價(jià)

采用變權(quán)綜合法逐層進(jìn)行評(píng)價(jià)，形成最終的綜合評(píng)價(jià)結(jié)論，如表6、表7所示。

表6 車輛1#的指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果

表7 車輛1#的技術(shù)狀況綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

2）2#動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)狀況評(píng)價(jià)

采用變權(quán)綜合法逐層進(jìn)行評(píng)價(jià)，形成最終的綜合評(píng)價(jià)結(jié)論，如表8、表9所示。

由此，通過參數(shù)評(píng)價(jià)方法可以實(shí)現(xiàn)車輛技術(shù)狀況的定量評(píng)價(jià)，而且從評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出車輛2#的技術(shù)狀況優(yōu)于車輛1#。實(shí)際上，經(jīng)駕駛員反映，在駕駛實(shí)踐中車輛2#的技術(shù)狀況確實(shí)優(yōu)于車輛1#。

表8 車輛2#的指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果

表9 車輛2#的技術(shù)狀況綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

3）分級(jí)評(píng)價(jià)方法

為了給整車技術(shù)狀況評(píng)價(jià)提供參考，將動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)狀況劃分為“1類”、“2類”、“3類”3個(gè)等級(jí)。這3個(gè)等級(jí)是定性的評(píng)價(jià)結(jié)果，如何按照前述的定量評(píng)價(jià)方法將裝備劃分為3個(gè)等次，需要考慮以下因素：

①定性評(píng)價(jià)結(jié)果的量化值應(yīng)該考慮銳減的因素。

②當(dāng)部件故障時(shí)，意味著其技術(shù)狀況產(chǎn)生了質(zhì)的變化，使得整個(gè)系統(tǒng)或者分裝置技術(shù)狀況的急速下降。

考慮上述各方面的因素，將評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)定義如下：

式中：Li——評(píng)價(jià)分值；

i——評(píng)價(jià)等級(jí)；

D——銳減系數(shù)，表示評(píng)價(jià)等級(jí)之間的銳減程度，取D=0.2。

評(píng)價(jià)等級(jí)分值確定如表10所示。

表10 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)狀況評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

按照評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可以得出，車輛1#動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)為2類等級(jí)，而車輛2#為1類等級(jí)。從摩托小時(shí)考慮，兩者同為150h，但單憑摩托小時(shí)并不能區(qū)分二者的真實(shí)技術(shù)狀況，而采用綜合評(píng)價(jià)方法能夠較好地區(qū)分出來，從另一方面說明目前依據(jù)摩托小時(shí)來判別裝備技術(shù)狀況還存在缺陷，不夠科學(xué)合理。通過實(shí)施基于性能指標(biāo)的科學(xué)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，對(duì)于裝備科學(xué)管理具有非常重要的意義。

5 結(jié)束語

本文以某型裝備動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，綜合運(yùn)用模糊理論和變權(quán)評(píng)價(jià)法對(duì)其技術(shù)狀況進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)，為整車技術(shù)狀況評(píng)估提供評(píng)價(jià)模塊，進(jìn)而為裝備技術(shù)管理奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

研究設(shè)計(jì)的嵌入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地報(bào)告動(dòng)力傳動(dòng)裝置的技術(shù)狀況，在出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)能夠產(chǎn)生報(bào)警，有利于駕乘人員隨時(shí)掌握裝備的技術(shù)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常并及時(shí)處理，避免引發(fā)更大的裝備損傷。監(jiān)測(cè)結(jié)果也有利于指揮人員合理地進(jìn)行車輛調(diào)度與使用，對(duì)裝備指揮與管理、維修與保障都有重要的作用。

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（編輯：商丹丹）

Design of monitoring method and equipment for power drive system of vehicle

QIAO Xinyong，ZHANG Chao，GU Cheng，DUAN Yu
（Department of Mechanical Engineering，Academy of Armored Forces Engineering，Beijing 100072，China）

In consideration of the low level of technical condition monitoring and lacking of vehicle-mounted automated monitoring device，this paper，focusing on the power drive system as research object，designed a technical condition monitoring program，established technical condition monitoring and evaluation model based on multi-parameters，developed power drive system technical conditions monitoring and evaluation diagnostic software platform and status information management database，as well as developed embedded online device monitoring device consisted of driver display terminal，main host，condition parameters monitoring module，engine monitoring module，gearbox monitoring module and drive case monitoring module，being capable of automatically monitoring，diagnosing and evaluating the power drive system status information and contributing to technical means for equipment use and maintenance.The results show that such monitoring system is reliable and practical with accurate and valid monitoring methods.

power drive system；diesel engine；gearbox；technical state；monitoring and diagnosing

A

1674-5124（2017）05-0071-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.05.015

2016-05-29；

2016-07-18

喬新勇（1970-），男，山東海陽市人，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程專業(yè)測(cè)試技術(shù)及信號(hào)處理。