灭火弹发射车调平系统设计

欧定国 冯永具

摘 要： 灭火弹射击时，为保证车载发射系统连续射击的精度，其底盘必须处于水平状态。以PLC为控制器、伺服电机、传动机构为执行元件、双轴倾角传感器、压力传感器作为反馈元件，采用“追逐式”最高点不动调平方法，设计了一种适用于灭火弹发射车自动调平系统.并介绍了该系统组成及原理以及调平方式.该系统具有调平速度快，调平精度高，自锁性好的特点，有效提高灭火弹发射车的机动性。

关键词： 灭火弹发射车；调平策略；自动调平系统

1引言

由于森林火灾具有扩散速度快得特点，迫切需要发射车到达现场后，并能快速自动地实现较高精度水平基准的调整，提高灭火弹射击精度，对于水平基准的调整，过去往往采用人工手动调平方式，依靠人眼观察基准水泡，由多人反复操作调节各螺杆支腿才能达到水平要求，调平时间较长、操作难度大，且需要多人配合操作，而且调平精度受到人为因素干扰较大。近年来，随着自动调平技术的发展，主要形成了机电调平系统和电液调平系统两大类，电液调平系统可承载较大的负载，但液压系统复杂，难控制，且液压油易泄漏，维护较难。机电调平系统的负载适中，易控制，成本相对较低，维护容易。两类自动调平系统都可大大缩短了调平的时间，提高了调平的精度，操作时只需要启动电源按下调平按钮即可完成调平，无需人工干涉。鉴于灭火弹发射车的负载不大，本文主要涉及到机电调平系统在发射车中的设计。

2 车载调平系统的构成

机电式自动调平系统主要由供电系统、机械支撑传动系统和平台测量控制系统组成，如图1所示。供电系统主要由汽车发动机、夹心式取力器和轴带发电机组成；平台机械支撑传动系统主要由支腿、伺服电机、电机驱动器、传动机构等组成，其中传动机构采用涡轮蜗杆减速装置，支腿由丝杆、螺母和套筒组成，工作时伺服电机驱动涡轮涡杆，丝杆与涡轮通过平键连接，随涡轮一起转动，螺母带动套筒做直线运动，从而完成支腿的支撑和收起的动作。由于涡轮蜗杆减速装置本身具有自锁性，因此该传动具有锁紧功能；平台测量控制系统主要由车载电源、压力传感器、双轴倾角传感器、A/D模块、PLC控制器以及操控面板等组成，其中双轴倾角传感器主要用来判断是否调平，安装在车箱主要平面上，有一定安装精度要求。压力传感器主要用来判断是否有虚腿。

2.1 调平方式选择

根据不同车辆的质量和车辆底盘的刚性，支撑调平方式有3点支撑调平、4点支撑调平、6点支撑调平、8点支撑调平等，支撑点越多，调平技术越复杂。一般而言针对1t～4t的车辆，采用4点支撑机电式调平技术较好。灭火弹发射车总重不超过3t，因此采用4点支撑的机电式调平方法，4个支撑腿构成对称矩形分布形式，具有稳定性好、抗倾覆能力强，调平控制相对容易，支腿与车辆底盘的安装示意如图2所示。

2.2 调平策略设计

平台系统的调平方法，从控制的量上来说，主要有位置高度控制调平法和角度控制调平法。两种调平方法相比较而言，角度控制调平方法具有调平时间长，调平精度低等缺点，主要应用在系統要求不高的场合，目前调平系统中最常用的是位置高度控制调平法中的“追逐式”最高点不动调平方法。该调平方法可以避免由于车载平台自重和负载过大，在下降过程中产生较大的惯性力，而使平台出现剧烈抖动，以致无法调平的现象。

车载平台经过预支撑后，一般是不水平的，这样在有倾角的情况下，车载平台肯定会有一个最高点，在调平时保持最高点不动，其他支撑点向上运动与之对齐，当各点达到最高点位置时平台即处于水平状态。车载平台倾斜示意图见图3。

平面X0Y0是水平面，XY平面是车载平台平面，A、 B、C、D是车载平台的4个支腿的支撑点.α表示车载平台与水平面在X0轴方向的夹角；β表示车载平台与水平面在Y0轴方向的夹角。

1） 最高点确定

由图4及α、β的值，可得出不同情况下平台最高支腿、最低支腿：

α>0， β>0时，A为最低，C为最高；

α>0，β<0时，D为最低，B为最高；

α<0，β>0时，B为最低，D为最高；

α<0，β<0时， C为最低，A为最高。

2）位置高度差的计算

最高支腿与最低支腿的高度差h也即车载平台最高支腿与最低支腿水平面坐标系上的z轴坐标值之差，各支腿在水平面坐标系的值需利用坐标系间的旋转变换矩阵.由于坐标系XYZ是由坐标系X0Y0Z0经过绕X轴旋转β角度，绕Y轴旋转α角度得到.因此旋转变换矩阵如下

3 调平系统工作过程

车辆驻车后，启动夹心式取力器，控制发动机转速，使轴带发电机发出电压稳定，启动调平控制程序，根据车辆底盘的倾斜度，即停车位置地面不是水平状态，当车辆倾斜度大于一定角度时（如倾斜度>10°），系统粗调，各支撑腿的动作速度较快；当倾斜度小于某个阈值时（如倾斜度<0.5°），系统精调，各支撑腿的动作速度较慢。具体调平过程如下：

假设当α>0， β>0时，则A为最低，C为最高， （其他支撑腿为最高点的情况相似），根据双轴倾斜传感器的信号，可分别进行X、Y轴方向的调节。如先进行X轴调节，其过程为支撑腿C、D不动，支撑腿A、B同时上升一定位移，即工作系统绕支撑腿C、D为轴线旋转，支撑腿A、B同时上升，上升的数值由控制系统根据水平传感器的z轴反馈值决定，直至X轴呈水平状态。Y轴调节与X轴类似。若车辆底盘的X、Y轴调节成水平状态，则可认为车辆底盘已处于水平状态，调平结束，由于传动系统采用了涡轮涡杆减速装置，因此具有自锁性，可使车辆长时间处于水平状态。

4 结束语

灭火弹发射车由于负载不大，采用的4点支撑的机电式调平系统，具有体积小，质量轻，可靠性高，维修性好等特点，由于传动系统采用了涡轮涡杆减速装置，可保持长时间锁定，调平策略采用了采用“只升不降”、“追逐式”最高点不动调平方法，调平速度快，调平精度高，采用了通过取力器向轴带发电机输出动力，解决了伺服电机电源驱动问题，减少了设备用量。通过采取上述方案有效提高灭火弹发射车的机动性，为降低森林火灾的危害赢得了时间。

参考文献

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