火炮自动装弹机故障识别的电流分析法

许海伦，潘宏侠，任海锋

(中北大学 机械工程及自动化学院，山西 太原 030051)

火炮射速是反应坦克杀伤力的主要指标之一，而火炮射速与弹药的装填速度有着密切的关系，但是火炮自动装弹系统是集机械、液压、电气控制和测试于一体，且在强冲击振动的环境下变负载高速工作的机电液一体化系统[1]。因此出现的故障是比较频繁的，为了能够快速准确地诊断故障，获得火炮自动装输弹系统每个动作运行的信息是关键[2]。目前存在许多故障诊断的方法，本文通过获得油源供电电瓶电流信号，对自动输弹系统可能出现的故障进行分析就是其中方法之一。

1 应用电流信号进行诊断的优点

在目前故障诊断中，大部分采用振动信号进行故障诊断，采用电流信号进行故障诊断比较少[3]。但是根据实践表明，应用电流信号进行故障诊断，有相当多的优点，首先，采集电流信号只需要1个方向；采集振动信号需要区分x、y、z轴3个方向，比较复杂。其次，采集电流信号只需将要测的那根电线穿过霍尔电流传感器的挂钩即可；振动信号的采集还要考虑振动传感器安装在测件的什么位置能比较准确地采集信号，有时候位置理想，但是没有合适的空间，所以没有霍尔电流传感器安装方便、灵活。最后，电流信号图形比振动信号图形更能直观的反应出故障的位置。

火炮自动装输弹的机械结构比较复杂，如果用振动信号来诊断故障会产生很大的噪声[4]，但是用电流信号来诊断故障，由于霍尔电流传感器安装方便、灵活，可以将其安装在噪声比较小的地方进行数据的采集。其次自动装输弹完成一个周期的过程比较短，要对自动装输弹的某个部位部件进行故障诊断，不但对传感器的要求比较高，而且也会增加试验的成本[5]。相比而言，采用电流信号来诊断，传感器不但安装方便而且比较便宜。

2 故障诊断实例

试验采用电流识别法，应用CS500E系列霍尔电流传感器,把其安装在油源供电电瓶的一根出线上，该电流传感器能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电流。其原边额定输进电流500A,原边电流测量范围-800～+800 A。试验中采样频率为100 kHz。

火炮自动装弹机装填1发弹即运行1个周期的动作为:补压→从弹仓选弹→推弹到托弹盘→托弹盘托弹到输弹机→输弹机翻转对准炮管→弹射。火炮自动装输弹正常运转1个周期的时域图如图1所示。

火炮自动装输弹发生故障运转1个周期的时域图如图2所示。

比较图1和图2，电机启动时电流会迅速上升，并达到一个极值，但马上会迅速下降，然后趋于平稳，所以火炮自动装输弹都有一个预备电流区域。

图1为火炮自动装弹机正常运转1个周期的时域图,经过计算[6]:

1)在5.1～8.7 s为补压阶段，电流是764.8～58.2 A。

2)在10.9～13.3 s间电流下降，是弹仓选弹阶段，电流是58.2～144.3 A。

3)在13.3～13.9 s间电流迅速上升，是托弹到托弹盘阶段,电流是144.3～298.1 A。

4)在13.9～15.3 s间电流继续上升，是托弹盘托弹到输弹机阶段，电流是298.1～367.3 A。

5)在15.3～17.1 s间电流迅速下降，是输弹机翻转对准炮管阶段,电流是367.3～103.6 A。

6)在17.1～17.4 s间电流下降，是弹射阶段,电流是103.6～51.1 A。

火炮自动装弹机装填1发弹的6动作的电流-时间信息(正常)如表1所示。

表1 火炮自动装弹机装填1发弹的6动作的电流-时间信息(正常)

图2为火炮自动装弹机发生故障运转1个周期的时域图，经过计算[6]：

1)在5.1～7.6 s间电流逐渐下降，是补压阶段，电流是766.3～57.3 A。

2)在10.3～13.3 s间电流下降，是弹仓选弹阶段，电流是54.9～73.4 A。

3)在13.3～13.9 s间电流变化不是很大，是弹到托弹盘阶段,电流是73.4～66.8 A。

由于13.9 s以后图形基本是1条直线，所以以下3个阶段，依据图2对应的时间区间分析得：

4)13.9～15.3 s间电流变化不是很明显，是托弹盘托弹到输弹机阶段，电流是66.8～89.4 A。

5)15.3～17.1 s间电流基本没有变化，是输弹机翻转对准炮管阶段,电流是89.4～63.9 A。

6)在17.1～17.4 s间电流基本没有变化，是弹射阶段,电流是63.9～65.3 A。

火炮自动装弹机装填1发弹的6动作的电流-时间信息(故障)如表2所示。

从表1、2中的分析对比可知，补压阶段电流在正常电流范围之内，补压阶段没有故障。但是到了下面几个阶段，可以明显看出电流不在正常范围之内，明显变小了。对比图1和图2，在13.3～13.9 s间，1、2两图的电流变化明显不同。图1中电流略有下降，图2中电流略有上升。对比托弹到托弹盘阶段的动作，图1这个阶段电流明显不满足要求,可能为供弹过程故障。

表2 火炮自动装弹机装填1发弹的6动作的电流-时间信息(故障)

3 小波对自动装弹机动作的暂态分析

为了保证自动装弹机的安全可靠运行，必须对其进行状态监测，判断其运行的状态。利用db3小波对电流信号进行12层分解，对自动装弹机的6个动作进行暂态分析，捕获故障信息。

用db3小波对信号进行12层分解，并对分解的信号从12层到1层进行高频系数重构，得到小波分解的细节信号，文章只对分解的细节信号d12进行了分析。

如图3所示为弹仓选弹阶段，从图3中可以看出，(a)图在n=1 186 000时曲线发生明显的突变现象，说明电流增大，负载加大。正常情况下，被选择的弹丸会从弹仓的出弹口出来并快速的运动，弹丸锥形部分穿过安装在协调臂上的弹丸托架，此过程需要的电流较大，说明(a)图是正常的。(b)图在n=1 130 000～1 140 000时电流发生突变，和(a)图相比幅值有差距，可能存在卡滞的故障。

图4为推弹到托弹盘阶段，这个阶段不仅作用时间短，而且需要的电流也较大，负载会瞬时加大。对比两条曲线可以明显发现，在n=1 335 000～1 340 000时正常曲线发生突变，说明电流在此阶段有突变，负载增大;故障曲线变化平缓，说明电流在此阶段没有发生突变，负载没有增大，但是此阶段需要较大的电流来驱动负载，可以说明这个阶段的负载相对正常曲线来说较小。充分说明有卡滞的故障存在，卡滞导致电流达不到要求使下一个阶段的动作不能正常的运转。

综上所述，由于弹仓选弹阶段的故障，导致了下面动作无法正常运行，进一步根据下面几个动作无法正常运行，推断出故障为供弹过程故障，即弹仓往协调臂交弹过程中，弹卡在协调臂上，没有实现供弹过程，动作停止。肯定了上一部分得出的结论。

4 结束语

通过对采集正常或有故障的供电电瓶电流据，得出自动输弹机动作的电流时域图，再通过小波的12层分解，得出自动装弹机每个动作的发展动态，判断出故障的原因，并结合输弹过程进行分析，从而确定故障位置。这是一种新的火炮自动装输弹识别法——电流识别法。最后，这样的方法通过试验验证结论是准确的，方法是可行的。

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[5] 徐明远，刘增力.MATLAB仿真在信号处理中的应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.

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