某火箭炮高低机动力性能试验台设计

王正要， 李志刚

(南京理工大学 机械工程学院，南京　210094)



某火箭炮高低机动力性能试验台设计

王正要， 李志刚

(南京理工大学 机械工程学院，南京210094)

摘要：针对某火箭炮高低机传动的可靠性问题，设计了专用的动力性能测试试验台，完成了试验台的结构组成及测控系统的设计。该试验台以工控机为核心，传统机械传动试验台为基础，并通过控制电涡流制动器模拟调炮工况；测控系统以虚拟仪器Labview为开发平台，以多通道数据采集系统采集各参数，实现了对高低机的动力性能测试。

关键词：火箭炮高低机；虚拟仪器；动力性能

本文引用格式：王正要， 李志刚.某火箭炮高低机动力性能试验台设计[J].兵器装备工程学报，2016(6):83-86.

Citationformat:WANGZheng-yao,LIZhi-gang.DynamicPerformanceTestRigDesignofRocketElevatingMechanism[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(6):83-86.

火箭武器攻击目标时候，其高低角要随目标运动而不断改变，即要进行跟踪瞄准，针对目标距离的远近自动或手动完成。高低机的作用是按照射击诸元要求，赋予定向器轴线一定的高低角[1]，故其性能的优劣直接影响到射击准确度与可靠性，出厂使用前应对其传动效率、振动等动力性能参数进行试验测试。近些年，有关各种减速器、齿轮传动系统的测试试验技术得到了很大的发展，如参考文献[2]中对行星齿轮减速器进行了测试平台的搭建与相关试验，而火箭炮高低机的测试技术却进展缓慢，如本课题合作方现仅有啮合仪等简单设备，只能对高低机进行一些简单的测量。虚拟仪器的发展使得计算机测控技术更加灵活多变，它在以PC机为核心的硬件平台支持下，通过软件编程实现仪器的测量功能，具有性价比高、灵活性强、研发周期短和扩展性强、能充分利用计算机强大的处理功能等优点[3-4]。因此，结合虚拟仪器与传统机械传动试验台[5]开发出火箭炮高低机的动力性能测试平台具有重要意义。本文介绍了基于Labview(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)的某火箭炮高低机的动力性能试验台的设计，该试验台可完成高低机的跑合试验、传动效率测试试验以及传动过程中的振动、噪声等参数的测试试验。

1　试验台结构与原理

1.1高低机原理

高低机自动传动时，传动机构主要由动力电机、安全离合器、行星减速器以及高低齿轮组成。其中，安全离合器决定自动传动的顺利进行，电机经行星减速器减速后，带动高低齿轮传动，以调节高低角的变化[6]。如图1所示。

图1　高低机自动传动结构

1.2机械结构组成

试验过程中高低机仅电机部分可以拆卸，故被测件为高低机去除电机的剩余部分。试验台的结构原理图与三维模型图分别如图2、图3。变频电机提供试验所需的动力，且由工控机控制变频器调节试验的输入转速；两个转速转矩传感器分别装在高低机的输入输出端，以测试输入输出转速和扭矩；自行设计的转接齿轮箱用以与高低齿轮配合实现1∶1的传动比；增速器用来减小测试传动件的输出转矩，从而达到提高电涡流制动器的制动作用；电涡流制动器为试验提供负载，负载转矩的变化由工控机控制调节；振动传感器与噪声传感器布局在高低机壳体的周侧以分别测量传动过程中的振动与噪声参数。

注：图中“三角”与“圆”分别代指振动传感器与噪声传感器

转接齿轮箱的设计原则是实现输出转速转矩传感器测得的转速转矩与高低机的实际输出理论上相等，即高低齿轮与转接齿轮箱配合实现1∶1传动。综合考虑高低机外壳与转接齿轮箱干涉问题与多级齿轮传动效率问题，此处选择转接齿轮箱为一级传动，故转接齿轮箱输出齿轮与高低齿轮齿数相同。

1.变频电机；2，6.转速转矩传感器；3.双自由度移动平台；4.高低机；5.转接齿轮箱；7.增速器；8.电涡流制动器；9.试验平台

图3试验台三维模型

1.3转速、负载转矩调节原理

由异步电机变压变频调速原理，在极对数p一定时，电机的实际转速为n=60f(1-s)/p，其中f为工作频率、s为转差率、p为极对数。基频以上为恒功率调速，频率越高，转速越快；基频以下为恒转矩调节，转速随频率的减小而减小[7]。本试验中，转速调节可以通过控制柜上的调节面板手动调节，也可通过工控机自动调节。电涡流制动器是目前国内先进的模拟加载设备，主要用来模拟各种动力装置的输出性能，由感应盘、电枢和励磁部分等组成[8]。它的输出特性由转速和励磁电流决定：当电流恒定时，制动器输出为一条依附于转速的稳定转矩曲线；当转速恒定时，输出转矩随励磁电流增加的变化趋势为先增加后恒定再减小。

2　测控系统设计

测控系统用来采集各类参数及发送控制指令，本测控系统的主要功能是：控制变频器调节变频电机的转速变化，完成恒负载不同转速传动的动力性能测试；控制电涡流制动器的控制器调节负载转矩的变化，完成恒转速不同负载传动的动力性能测试；模拟调炮工况运行，完成调炮工况下的动力性能测试试验。

2.1测控系统硬件设计

本测控系统硬件设备主要有工业控制计算机、多通道数据采集系统、各类传感器及调理装置、通信装置。各硬件配合进行数据采集的流程是：各类传感器采集到的信号经过滤波、放大等调制处理后，经由多通道数据采集系统送入工控机进行显示与存储，并在测控软件信号处理模块中进行信号分析、故障诊断。如图4所示。

图4　数据采集流程

2.2测控系统软件设计

软件是测控系统的灵魂，虚拟仪器的发展更是使软件的作用日益突出[9]。对于试验者，测控软件应该能够支持系统设置功能、设备调试功能，单个实验项目的独立操作界面，以及围绕试验进行的系统与数据管理、在线帮助等辅助功能。本试验台测控软件采用Labview编写，其图形化的界面可以动态、实时地显示各被测量，且可以通过直接控制前面板上的输入值控制转速与负载转矩的变化。软件结构框图如图5所示。

图5　软件结构框图

数据采集显示的波形图一般是由多个频率、幅值各不相同的波形混叠而成，可以直接得到的信息非常有限，故需要对信号进行信号处理操作，即对信号进行时域、频域分析[10-11]。时域分析包括幅值分析与相关分析等，可以分别判断信号是否具有突变性、周期性；频域分析包括幅频分析、相干分析、倒频谱等，可以直观地观察信号的频率构成以及按频率的分布情况。

本文以传动效率的计算过程为例描述Labview的信号分析处理功能。由机械原理知识，在测出输入输出转速转矩后，可做如下计算[12]：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中：n1、n2、T1、T2、分别为输入输出转速转矩；η1、η2分别为转接齿轮箱与联轴器的传动效率；p1、p2为输入输出功率；η为所求高低机的传递效率。试验过程中，可以通过调节不同的转速与转矩对高低机传动性能进行评价，效率的计算过程在Labview中的处理如图6所示。

图6　传动效率在Labview中的处理

3　试验验证

为验证试验台设计的可行性，现对高低机进行机械效率试验。高低机正常使用时，动力电机额定功率为1.6kW,额定转速为4798r/min。故调节变频器，使高低机的输入转速在0～4 798r/min之间分为6级逐渐增大，调节电涡流制动器励磁电流，使负载转矩稳定为800N·m，对高低机进行恒负载转矩不同输入转速情况的测试。在运行稳定后进行数据记录与分析，所得数据如表1所示。理论上在相同负载下，随着转速的增加，功率损耗增大，效率有所降低；试验结果显示，当负载转矩恒定时，传动效率随着电机转速的增加略有下降，表明试验结果与计算值是符合的，也证明了试验台的可行性。

表1　恒负载转矩不同输入转速时测量值

4　结束语

本试验台将虚拟仪器、传统机械传动试验原理应用于高低机的动力性能试验台，设计了以传统机械传动试验台为基础的高性能实验装置和以工控机为核心的多通道数据采集系统。可以实现高低机的跑合试验、传动效率及传动中的振动噪声参数的测试等功能，具有较好的社会经济效益。

参考文献：

[1]于存贵，马大为，王惠方,等.舰载火箭炮随动系统调炮动力学仿真[J].南京理工大学学报,2007,31(2)：143-146.

[2]徐湛楠.行星齿轮减速器试验台的设计与研究[D].合肥:合肥工业大学，2013.

[3] 李文军，田瑞利，易利鹏.基于Labview的数据采集与信号处理系统[J].现代电子技术,2005(20)：10-12.

[4]杜娟，邱晓晖，赵阳,等.基于labview的数据采集与信号处理系统的设计[J].南京师范大学学报(自然科学版),2010,10(3)：7-10.

[5]邱文龙.基于VisualC++的机械传动综合实验台优化设计研究[J].实验室研究与探索,2005，24(6)：59-61.

[6]于存贵，李志刚.火箭发射系统分析[M].北京：国防工业出版社，2010.

[7]谭罡风，过学迅.基于变频技术的闭环汽车传动系统试验台的研究[J].汽车科技，2007(6)：47-49.

[8]曹志中，毛杰，李予寅,等.机械传动性能综合试验台应用研究[J].中国科技信息，2010(10)：125-126.

[9] 李震，汤宝平，秦晓峰.基于工控机的机械传动试验台测控系统的设计[J].现代制造工程，2008(1)：9-11.

[10]黄小龙，姚文席，李忠刚.基于机械传动试验台运动误差测试系统的设计[J].机械设计与制造，2008(1)：41-42.

[11]申倩.航空谐波减速器性能测试装置研制[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2014.

[12]魏宏波.基于虚拟仪器的机械传动综合实验系统的研究[J].实验技术与管理,2009,26(7)：84-87.

(责任编辑周江川)

doi:10.11809/scbgxb2016.06.020

收稿日期：2015-12-23；修回日期：2016-01-15

作者简介：王正要(1993—)，男，硕士研究生，主要从事武器系统与应用工程研究。

中图分类号：TJ713

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)06-0083-04

DynamicPerformanceTestRigDesignofRocketElevatingMechanism

WANGZheng-yao,LIZhi-gang

(SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofScience&Technology,Nanjing210094,China)

Abstract:This article designed the specialized dynamic performance test rig, in view of the reliability issues of rocket elevating mechanism. Then we described the structural composition of the test rig and measurement and control system. The test platform was based on the industrial control computer and the traditional mechanical transmission test bench. The operating condition of the rocket through control, the electric vortex brake was simulated. The measurement and control system took the virtual instrument Labview as the developing platform and collected the parameters by the multi-channel data acquisition system. It can accomplish the dynamic performance test of rocket elevating mechanism.

Key words:elevating mechanism; virtual instrument; dynamic performance