某塔架擺桿系統喘行問題的試驗研究

孫中興，唐力偉，周 杰

（軍械工程學院火炮工程系，河北 石家莊 050003）

某塔架擺桿系統喘行問題的試驗研究

孫中興，唐力偉，周 杰

（軍械工程學院火炮工程系，河北 石家莊 050003）

依據航天發射塔架電纜擺桿系統的結構特點和運行機理，從最能代表擺桿系統性能的特征參量入手研究擺桿系統檢測的方法技術。建立擺桿系統的測試系統，實現對擺桿系統重要運動參量的同步采樣與實時測試。通過對實測數據的分析，有效地診斷出系統喘行問題的故障原因，并提出解決方案。

檢測技術；喘行問題；數據分析；故障診斷

0 引 言

為了保證各項發射任務的順利完成，發射塔必須要有牢固的塔架結構和工作性能[1]。作為發射塔架的重要組成部分，電纜擺桿系統為產品測試電纜、氣管、風管提供支撐，在發射前幾秒鐘擺開至兵器漂移區外，確保兵器起飛安全。本文所研究的擺桿系統自投入使用以來一直存在運行速度不均（喘行）的現象，視覺表現為啟動后移動一定角度開始出現兩次停頓現象，增加了兵器發射的隱患。

為探究喘行現象的故障原因，本文建立了擺桿系統的測試系統，實現對擺桿系統各重要參量的同步測試、實時分析。通過對采樣信號的分析處理，診斷出喘行現象的故障原因，并提出相應的解決方案。

1 擺桿系統的工作原理與特點

本文的研究對象為雙轉軸式擺桿系統[1]，擺桿系統傳動原理如圖1所示。液壓驅動力通過活塞桿、齒條、齒輪等傳動裝置帶動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現擺桿的張開；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現擺桿的收攏。

擺桿系統的工作特點總結如下：

1）傳動裝置結構緊湊，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，運行需要較高的液壓驅動。

圖1 擺桿系統傳遞原理圖

3）各構件的運動過程中對時序性和連續性有嚴格的要求。

4）擺桿系統運行過程中各構件之間存在碰撞與摩擦，給研究擺桿系統的運行規律造成了很大的不便。

2 測試系統的建立

2.1 選擇被測參量

結合擺桿系統的運行特點，基于最能反映系統性能的角度將測試參量選擇如下：

1）油泵電動機的工作電壓與電流：油泵電動機帶動油泵旋轉，為擺桿系統的擺動提供動力，其工作的穩定性與工作電壓和工作電流有直接關系。

2）液壓缸進、出油口壓力、流量與振動加速度：作為擺桿系統動力的直接提供元件，液壓缸的各項參數決定了系統的工作狀態。

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

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

5）下轉軸角位移：上下轉軸在系統中起到了齒條與擺桿間的力傳遞作用，在力的作用下，上轉軸和下轉軸會產生旋轉角度的相對變化，尤其是在喘行嚴重段會更明顯。

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

2.2 測點布置

選用SYNERGY信號采集分析儀，建立測試系統的框圖見圖2，可以清楚看到測點的布置情況。

3 測試數據的分析與處理

由于測試環境與運行過程中的強烈沖擊，實際測得的信號中疊加有高頻的隨機干擾信號，表現在運行曲線上即為一些“毛刺”。因此須采用數據平滑技術對所測得的試驗曲線進行降噪處理[2-4]。降噪算法為

式中：2n+1——相鄰數據的個數；

{yk}——數據序列。

圖2 測試系統框圖

3.1 測試信號的分析

在擺桿系統的運行過程中采集17路信號，降噪處理后部分構件信號如圖3所示。

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

3.2 測試信號的歸一化處理

通過本文建立的測試系統測出的信號運動學部分主要包括活塞桿、連接件、齒條的線性運動參量（線位移、液壓缸油進出油口流量）與轉軸和水平桿的回轉運動參量（轉軸轉角、水平桿振動速度）兩部分。考慮到系統運行時各部件之間存在的約束關系，可從相互之間的運行規律出發通過計算將各參量轉換成（歸一化）對應于同一參考系的參量[5-7]。

3.2.1 進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該是守恒的，得：

式中：x1——液壓缸中油液的推進距離；

n——總的采樣點數；

qi——進油口流量傳感器測得的第i個采樣點

圖3 部分構件的信號曲線

數值；

Δt——采樣的時間間隔；

A——液壓缸無桿端的截面積。

在研究液壓缸中油液剛度對擺桿系統運行的影響時可根據式（2）對進油口流量進行歸一化處理。

出油口流量的歸一化方式與進油口相同，且最后得到的歸一化數值理論上相互吻合。

3.2.2 齒條線位移與齒輪轉角的歸一化

擺桿系統通過齒條-齒輪傳動裝置實現了線性運動向回轉運動的轉化。不考慮齒條齒輪嚙合時彈性變形和嚙合間隙的影響，可認為齒條的線位移與齒輪分度圓上任意點的角位移之間存在如下關系：

式中：θ——齒輪分度圓上任意點的角位移；

x——齒條的線位移；

R——齒輪分度圓的半徑。

在研究齒條-齒輪傳動關系時可根據式（2）對齒條線位移進行歸一化處理。

3.2.3 轉軸角位移與水平桿中端振動速度的歸一化

在研究轉軸與水平桿之間的傳動關系時需對兩者的變量進行歸一化處理。考慮到轉軸和水平桿繞轉軸軸線同軸轉動的特性，可將兩者的測量信號通過計算轉化為以軸線為坐標的角參量（角位移、角速度或角加速度）。由于測量條件的限制只測出了水平桿的振動速度，故可通過差分處理將轉軸的角位移信號轉化為角振動速度信號，具體公式為

θk——第k個采樣點的角位移；

ω——角速度的穩態值；

Δt——采樣的時間間隔；

n——采樣的總點數。

水平桿中端振動速度的歸一化公式：

ν——水平桿中端振動速度；

r——水平桿中端到轉軸軸線的距離。

信號分析結果表明，本文所建立的測試系統能夠有效地提取擺桿系統各構件的運動狀態，為進一步開展喘行問題的故障診斷奠定了基礎。

3.3 喘行問題的故障診斷

結合擺桿系統的結構特點，假定喘行問題由傳動構件的故障所引起。為反映各構件的傳動特性，取相鄰兩構件做研究對象，定義公轉和自轉兩變量：將相鄰兩構件視作統一的子系統，信號經歸一化處理后，取主動件的信號值作為子系統公轉參量，從動件與主動件信號的差值作為子系統自轉參量。

需要指出的是本文提到的自轉與公轉是一個廣義的概念，并不單純指回轉運動的角參量。為表述方便下文中以從動件的名稱來指代其所在的子系統。各子系統的自轉參量如圖4所示。由于傳感器數量有限，分兩次進行測試，兩次試驗中張開與閉合之間的時間間隔不同，但不影響對各子系統的研究[8]。

圖4 各子系統的自轉參量曲線

圖4（e）中1～4處脈沖信號的產生是由于對上轉軸角位移信號進行歸一化處理時忽略了角速度的漸變過程，認為其變化形式是“階躍”的。由圖4可以看出活塞桿、齒輪、轉軸、水平桿的自轉參量基本穩定，僅由于構件的彈性變形而存在些許“擾動”；而齒條的自轉線位移則明顯存在不規則的矩形波，故本文所研究擺桿系統的喘行問題的直接原因是由于活塞桿與齒條之間傳動的故障所致。針對本次試驗，進一步分析發現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，當銷結構與孔徑處于分離狀態時液壓缸的阻尼力無法傳遞給轉軸，造成空回現象，導致液壓缸阻尼效應失效。

4 故障排除方案

解決喘行問題的關鍵是提高擺桿系統的有效阻尼，具體的實施方案有以下兩種：

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

2）增加系統轉動阻尼（外加阻尼器）。該方法的優點是無需更改塔架原有結構；缺點是無法消除齒條與活塞桿之間的間隙造成的系統非線性，同時由于間隙的存在，活塞桿與齒條之間的碰撞產生的沖擊會導致兩構件的使用壽命和可靠性的下降。要增加一套輔助機構，操作較為復雜，成本偏高。

5 結束語

本文根據擺桿系統的結構特點和工作原理，著重分析最能反映系統性能的參量，合理選擇測試儀器與設備，建立了擺桿系統的測試系統。

基于歸一化思想對測試信號進行分析處理，定義了子系統的自轉與公轉兩個參量，在此基礎上診斷出喘行問題的故障原因，并提出相應解決方案。分析結果表明，本文提出的擺桿系統檢測技術能夠從多角度獲得擺桿系統的狀態信息，有效地檢測系統故障，對研究擺桿系統的運動規律及質量評估有重要意義。

[1]魏繼友.航天發射塔設計[M].北京：國防工業出版社，2007.

[2]丁江霞，趙冬娥，章曉梅.數據平滑技術在自動機運動規律測試中的應用[J].光電技術應用，2010，25（6）：14-17.

[3]曹進華.發射塔回轉平臺故障診斷與使用狀態質量評估方法研究[D].石家莊：軍械工程學院，2008.

[4]沈黎明，張華良，顧祖莉.運輸包裝件振動試驗系統研究[J].中國測試技術，2005，31（6）：87-88.

[5]張小龍，李亮，李紅志，等.汽車穩定性控制系統側偏角道路試驗測試系統[J].農業機械學報，2010，41（10）：1-5.

[6]李學軍，侯彥濤，何賽芳，等.集成式多功能振動信號測試系統的研制[J].振動、測試與診斷，2008，28（2）：143-146.

[7]趙婭.機械工程中計算機測試系統的數據分析研究[J].制造業自動化，2012，34（10）：93-95.

[8]趙興盛，唐澤華，鄧衛強.武器測試系統的改進方案設計[J].中國測試技術，2008，34（5）：133-135.

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，專業方向為系統性能測試與故障診斷。