某塔架擺桿系統(tǒng)喘行問題的試驗研究

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)特點和運行機理，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)檢測的方法技術(shù)。建立擺桿系統(tǒng)的測試系統(tǒng)，實現(xiàn)對擺桿系統(tǒng)重要運動參量的同步采樣與實時測試。通過對實測數(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行速度不均（喘行）的現(xiàn)象，視覺表現(xiàn)為啟動后移動一定角度開始出現(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)的測試系統(tǒng)，實現(xiàn)對擺桿系統(tǒng)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(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

本文的研究對象為雙轉(zhuǎn)軸式擺桿系統(tǒng)[1]，擺桿系統(tǒng)傳動原理如圖1所示。液壓驅(qū)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(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現(xiàn)擺桿的收攏。

擺桿系統(tǒng)的工作特點總結(jié)如下：

1）傳動裝置結(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，運行需要較高的液壓驅(qū)動。

圖1 擺桿系統(tǒng)傳遞原理圖

3）各構(gòu)件的運動過程中對時序性和連續(xù)性有嚴格的要求。

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

2 測試系統(tǒng)的建立

2.1 選擇被測參量

結(jié)合擺桿系統(tǒng)的運行特點，基于最能反映系統(tǒng)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(zhuǎn)，為擺桿系統(tǒng)的擺動提供動力，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、出油口壓力、流量與振動加速度：作為擺桿系統(tǒng)動力的直接提供元件，液壓缸的各項參數(shù)決定了系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

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

4）上轉(zhuǎn)軸角位移：作為重要的傳動元件，齒輪旋轉(zhuǎn)角度測量也至關(guān)重要。齒輪與上轉(zhuǎn)軸采用固定連接方式，在離齒輪不太遠的地方，由于上轉(zhuǎn)軸剛度較大，上轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動角度與齒輪的轉(zhuǎn)動角度相同，因此，通過測量上轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動角度來代替齒輪的轉(zhuǎn)動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)軸會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(tǒng)的框圖見圖2，可以清楚看到測點的布置情況。

3 測試數(shù)據(jù)的分析與處理

由于測試環(huán)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(xiàn)在運行曲線上即為一些“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(shù)據(jù)的個數(shù)；

{yk}——數(shù)據(jù)序列。

圖2 測試系統(tǒng)框圖

3.1 測試信號的分析

在擺桿系統(tǒng)的運行過程中采集17路信號，降噪處理后部分構(gòu)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(zhuǎn)軸角位移基本呈同步變化趨勢，具有一致性；在系統(tǒng)啟動、系統(tǒng)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(tǒng)測出的信號運動學(xué)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(zhuǎn)軸和水平桿的回轉(zhuǎn)運動參量（轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角、水平桿振動速度）兩部分。考慮到系統(tǒng)運行時各部件之間存在的約束關(guān)系，可從相互之間的運行規(guī)律出發(fā)通過計算將各參量轉(zhuǎn)換成（歸一化）對應(yīng)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(yīng)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(shù)；

qi——進油口流量傳感器測得的第i個采樣點

圖3 部分構(gòu)件的信號曲線

數(shù)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(tǒng)運行的影響時可根據(jù)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(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-齒輪傳動裝置實現(xiàn)了線性運動向回轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)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(guān)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(guān)系時可根據(jù)式（2）對齒條線位移進行歸一化處理。

3.2.3 轉(zhuǎn)軸角位移與水平桿中端振動速度的歸一化

在研究轉(zhuǎn)軸與水平桿之間的傳動關(guān)系時需對兩者的變量進行歸一化處理。考慮到轉(zhuǎn)軸和水平桿繞轉(zhuǎn)軸軸線同軸轉(zhuǎn)動的特性，可將兩者的測量信號通過計算轉(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(zhuǎn)軸的角位移信號轉(zhuǎn)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(wěn)態(tài)值；

Δt——采樣的時間間隔；

n——采樣的總點數(shù)。

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(zhuǎn)軸軸線的距離。

信號分析結(jié)果表明，本文所建立的測試系統(tǒng)能夠有效地提取擺桿系統(tǒng)各構(gòu)件的運動狀態(tài)，為進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，假定喘行問題由傳動構(gòu)件的故障所引起。為反映各構(gòu)件的傳動特性，取相鄰兩構(gòu)件做研究對象，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)，信號經(jīng)歸一化處理后，取主動件的信號值作為子系統(tǒng)公轉(zhuǎn)參量，從動件與主動件信號的差值作為子系統(tǒng)自轉(zhuǎn)參量。

需要指出的是本文提到的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)是一個廣義的概念，并不單純指回轉(zhuǎn)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(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(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處脈沖信號的產(chǎn)生是由于對上轉(zhuǎn)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(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”；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的故障所致。針對本次試驗，進一步分析發(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(xiàn)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(tǒng)運行受到干擾。

2）增加系統(tǒng)轉(zhuǎn)動阻尼（外加阻尼器）。該方法的優(yōu)點是無需更改塔架原有結(jié)構(gòu)；缺點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，合理選擇測試儀器與設(shè)備，建立了擺桿系統(tǒng)的測試系統(tǒng)。

基于歸一化思想對測試信號進行分析處理，定義了子系統(tǒng)的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)兩個參量，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，有效地檢測系統(tǒng)故障，對研究擺桿系統(tǒng)的運動規(guī)律及質(zhì)量評估有重要意義。

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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)方向為系統(tǒng)性能測試與故障診斷。