某型装备动力传动系统监测方法与监测设备设计

乔新勇，张超，顾程，段誉

（装甲兵工程学院机械工程系，北京 100072）

某型装备动力传动系统监测方法与监测设备设计

乔新勇，张超，顾程，段誉

（装甲兵工程学院机械工程系，北京 100072）

针对某型装备技术状况监测水平较低、缺乏车载自动化监测设备的问题，以动力传动系统为研究对象，设计技术状况监测方案，建立基于多参数的技术状况监测评估模型，并开发技术状态监测和评估诊断软件平台及状态信息管理数据库；研发嵌入式的在线机内监测装置，由驾驶员显示终端、主控机、工况参数监测模块、发动机监测模块、变速箱监测模块和传动箱监测模块构成，能够实现动力传动系统状态信息的自动化监测、诊断与评估，为装备的使用和维修保障提供技术手段。试验分析表明：该监测装置可靠实用，监测方法准确有效。

动力传动系统；发动机；变速箱；技术状况；监测诊断

0 引言

现代化战争对于武器装备的自动化、信息化水平要求越来越高。以坦克、装甲车辆等装甲装备为例，目前美、英、俄、法等军事发达国家在装备上已经配备或正在研发自动化监测系统，能够实时监测、诊断各分系统、部件的状态和故障，与装备维修保障等形成一体化的指挥管理系统。如美英陆军，在装甲车辆上安装了健康与使用监控系统（HUMS），将军用加固机箱及仪器安装于重型、中型、轻型装备上。HUMS主要由信息管理系统、故障与寿命预测系统数据库、车载通信系统和车管局域网通信系统等组成，可识别操作及使用异常等，并将装备使用状况、用于趋势预测的重要信息提供给管理人员、指挥员、测试人员及维修人员，为装备的现场级维修提供详细信息。

目前国内针对车辆动力传动系统的状态监测与故障诊断已有很多研究成果[1-7]，但是这些方法大多以离线状态监测为主。在军用装备上以飞机、舰艇为主，配备了一定的实时在线监测设备，对于保证装备的安全运行发挥了重要作用。但是在陆军装备上还没有完善的状态监测设备，因此开展陆军装备自动化监测技术的研究具有重要的经济和军事意义。本文以某型装备动力传动装置为研究对象，设计开发了一种在线自动化监测系统，以实现对动力传动装置的状态监测、评估和故障诊断。通过研制在线实时监测系统，预测和诊断潜在故障并及时排除，对于保持装备的良好技术性能具有重要的意义。

1 总体方案设计

该动力传动装置在线监测系统是一种嵌入式机内自动化设备。该系统由驾驶员显示终端、主控机及工况参数监测模块、发动机监测模块、变速箱和传动箱监测模块等部分构成，如图1所示。

各模块通过CAN总线与主控机实现信息通信。主控机和各监测模块内集成了相应的数据采集、分析处理、参数监测、状态评估、故障诊断等软件。通过各监测模块进行信号采集并分析计算特征参数，然后将相应的参数经总线实时送入主控机，由主控机完成监测任务。各模块功能如表1所示。

图1 监测系统总体构成示意图

图2 驾驶舱内的监测终端

1）驾驶员液晶显示终端显示各监测参数数值及评估、诊断结果，如图2所示。显示终端可安装在驾驶舱内，驾驶员通过终端触摸键来完成各项操作和监测任务。

2）主控机可安装在驾驶舱内，实现对CAN总线的控制和各监测节点的管理，各节点采集的参数数据以及原始数据都存储到主控机的CF卡中。主控机内集成了相应的监测诊断软件，由此完成对动力传动装置的监测任务。

3）工况参数监测模块负责采集车载仪表参数，由主控机实时监测和定时存储。

4）发动机监测模块安装在动力舱内，负责采集发动机转速、机体振动、排气温度等信号，可监测发动机异常状态和技术状态等。

5）变速箱、传动箱监测模块分别采集变速箱、传动箱的振动信号，计算振动烈度，采用阈值法监测变速箱、传动箱异常振动。

表1 各监测模块功能及监测信号

2 监测数据的数据库管理

监测系统监测参数较多，数据量较大，而且具有连续长期监测的能力。为了便于数据存储和管理，本文设计开发了ACCESS数据库，参数测量结果、标定信息、设置信息全部存储在数据库中。用户可以以查询的方式浏览历史监测数据及技术状态，也可以调用数据库数据进行技术状态变化趋势分析。

系统包含3个数据库，系统设置数据库、装备动用情况数据库和检测结果数据库。其中系统设置数据库用来存储系统设置、参数标定值等与系统内部有关的数据；装备动用情况数据库中只有一个装备动用情况表，每次运行时打开，添加相应的装备动用时间、检测结果数据库名称等相关索引信息；检测结果数据库由工作参数表和状态参数表构成，每次动用车辆便形成一个数据库，数据库名称为装备起动日期。

3 基于CAN总线的信息通信技术

监测系统中各监测模块与主控机之间由CAN总线实现数据通信。

3.1 CAN总线收发电路的设计

监测系统采用具有局域网（CAN）控制器的C8051F040单片机，用CAN协议进行串行通信。CAN控制器包含一个CAN核、消息RAM（独立于CIP-51的RAM）、消息处理状态机和控制寄存器。但是Silicon Labs CAN是一个协议控制器，不提供物理层驱动器（即收发器），需接CAN总线收发器才能和外部进行通信。

系统采用了PCA82C250CAN总线收发器。CAN总线收发器PCA82C250是CAN协议控制器和物理总线的接口，此器件对总线提供差动发送能力，对CAN控制器提供差动接收能力。

3.2 CAN总线协议

监测系统通过CAN总线实现了信息的互通互联，位于主控机内的CAN卡和各模块内的CAN控制器保证了信息的可靠传输，但是为保证各种参数信息被系统正确识别、分类、存储，则必须建立完善的应用层协议。通信协议采用“ID+数据”的格式组合成一个一个消息的形式，其中数据为3个字节，每个消息帧为40位（共占5个字节）。

监测系统中的主控机和监测模块的编号（4位）如表2所示。消息组合（7位）编号从1开始，标示信息的类型，如表3所示。

表2 系统分级的编号

表3 信息编号

4 状态监测模型

4.1 系统总体模型

在建立系统模型时，传动箱、变速箱以监测异常振动为主，发动机则由于其结构复杂性和相对重要性，除监测异常状态外，还包括对其技术状态的评估。总体模型如图3所示。

图3 监测软件模型及流程简图

4.2 技术状态评估模型

依据装备技战术性能指标，在装备现有可测试条件下，确定以机动性、经济性、可靠性等为基础的评价指标集，从多数据融合的角度对动力传动系统技术状况进行综合评价。其中，加速性能指标（0～32 km/h的加速时间）评价装备的机动性能[8]；百公里燃油消耗率和机油消耗率评价装备的经济性能，也是对装备磨损的评价指标；振动烈度是一种可靠性指标，用来评价装备的振动强度，是对机械装置运行功能、紧固性和磨损程度的度量。

4.2.1 变权综合法的基本原理

变权综合法的基本定义及公式[9]如下：

设评价指标集U=（A1，A2，…，Am），该评估对象各指标的评估值经归一量化后，可表示为X=（x1，x2，…，xm）∈（0，1），m为评价指标数。

2）映射S：[0，1]m→[0，1]m，则称向量Sx=（s1（x），s2（x），…，sm（x））为状态变权向量，且满足：

①Si（σij（x1，x2，…，xm））=Sj（x1，x2，…，xm），σij（x1，x2，…，xm）为对换（x1，x2，…，xm）中第i和第j个分量的位置后的向量；

②xi≥xj⇒si（x）≤sj（x）；

③sj（x）对每个变元连续，j=1，2，…，m。

依据变权原理，指标i的变权表达为

综合评价估值V（x）为

式中：xi——指标i的模糊值；

wi（x）——指标i的变权值。

4.2.2 评价指标的模糊化处理方法

在多指标评价中，当评价对象的影响因素较多且各种因素的影响程度不同时，采用模糊评价方法可以有效解决这些问题[10-12]。运用模糊理论对评价指标进行模糊化处理，可以有效消除不同指标的量纲差异，同时能够反映技术状况变化的渐变性。

确定各因素对评价集中各元素的隶属函数，是建立模糊综合评价系统中最关键的一项工作。确定隶属函数主要有F统计法、三分法和F分布法[13-14]。常用的隶属函数有“S”形隶属函数和半梯形隶属函数等。鉴于动力传动系统技术状况变化的非线性趋势，本文采用了非线性的“S”形隶属函数进行模糊化处理[15]，如式（3）所示，u（x）表示对应于评价指标集的隶属函数，a1、a2表示阈值。

4.2.3 动力传动系统技术状况综合评价

本文选取两台具有相同摩托小时（150h）的某型装备进行对比分析。对各项指标参数进行试验采集，经模糊化处理后的各指标隶属度分别如表4、表5所示。

表4 经模糊化处理后的1#车辆各指标隶属度

表5 经模糊化处理后的2#车辆各指标隶属度

1）1#动力传动系统技术状况评价

采用变权综合法逐层进行评价，形成最终的综合评价结论，如表6、表7所示。

表6 车辆1#的指标评价结果

表7 车辆1#的技术状况综合评价结果

2）2#动力传动系统技术状况评价

采用变权综合法逐层进行评价，形成最终的综合评价结论，如表8、表9所示。

由此，通过参数评价方法可以实现车辆技术状况的定量评价，而且从评价结果可以看出车辆2#的技术状况优于车辆1#。实际上，经驾驶员反映，在驾驶实践中车辆2#的技术状况确实优于车辆1#。

表8 车辆2#的指标评价结果

表9 车辆2#的技术状况综合评价结果

3）分级评价方法

为了给整车技术状况评价提供参考，将动力传动系统技术状况划分为“1类”、“2类”、“3类”3个等级。这3个等级是定性的评价结果，如何按照前述的定量评价方法将装备划分为3个等次，需要考虑以下因素：

①定性评价结果的量化值应该考虑锐减的因素。

②当部件故障时，意味着其技术状况产生了质的变化，使得整个系统或者分装置技术状况的急速下降。

考虑上述各方面的因素，将评价等级划分标准定义如下：

式中：Li——评价分值；

i——评价等级；

D——锐减系数，表示评价等级之间的锐减程度，取D=0.2。

评价等级分值确定如表10所示。

表10 动力传动系统技术状况评价等级标准

按照评价等级标准可以得出，车辆1#动力传动系统为2类等级，而车辆2#为1类等级。从摩托小时考虑，两者同为150h，但单凭摩托小时并不能区分二者的真实技术状况，而采用综合评价方法能够较好地区分出来，从另一方面说明目前依据摩托小时来判别装备技术状况还存在缺陷，不够科学合理。通过实施基于性能指标的科学评价系统，对于装备科学管理具有非常重要的意义。

5 结束语

本文以某型装备动力传动系统为研究对象，综合运用模糊理论和变权评价法对其技术状况进行综合分析评价，为整车技术状况评估提供评价模块，进而为装备技术管理奠定技术基础。

研究设计的嵌入式监测系统能够实时地报告动力传动装置的技术状况，在出现异常状态时能够产生报警，有利于驾乘人员随时掌握装备的技术状态，发现异常并及时处理，避免引发更大的装备损伤。监测结果也有利于指挥人员合理地进行车辆调度与使用，对装备指挥与管理、维修与保障都有重要的作用。

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（编辑：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

乔新勇（1970-），男，山东海阳市人，副教授，博士生导师，研究方向为机械电子工程专业测试技术及信号处理。