孙中兴，唐力伟，周 杰

（军械工程学院火炮工程系，河北 石家庄 050003）

某塔架摆杆系统喘行问题的试验研究

孙中兴，唐力伟，周 杰

（军械工程学院火炮工程系，河北 石家庄 050003）

依据航天发射塔架电缆摆杆系统的结构特点和运行机理，从最能代表摆杆系统性能的特征参量入手研究摆杆系统检测的方法技术。建立摆杆系统的测试系统，实现对摆杆系统重要运动参量的同步采样与实时测试。通过对实测数据的分析，有效地诊断出系统喘行问题的故障原因，并提出解决方案。

检测技术；喘行问题；数据分析；故障诊断

0 引 言

为了保证各项发射任务的顺利完成，发射塔必须要有牢固的塔架结构和工作性能[1]。作为发射塔架的重要组成部分，电缆摆杆系统为产品测试电缆、气管、风管提供支撑，在发射前几秒钟摆开至兵器漂移区外，确保兵器起飞安全。本文所研究的摆杆系统自投入使用以来一直存在运行速度不均（喘行）的现象，视觉表现为启动后移动一定角度开始出现两次停顿现象，增加了兵器发射的隐患。

为探究喘行现象的故障原因，本文建立了摆杆系统的测试系统，实现对摆杆系统各重要参量的同步测试、实时分析。通过对采样信号的分析处理，诊断出喘行现象的故障原因，并提出相应的解决方案。

1 摆杆系统的工作原理与特点

本文的研究对象为双转轴式摆杆系统[1]，摆杆系统传动原理如图1所示。液压驱动力通过活塞杆、齿条、齿轮等传动装置带动竖轴与水平杆完成张开与合拢操作。张开过程中液压泵泵出的油由液压缸的无杆腔流入，有杆腔流出，通过活塞杆的推出实现摆杆的张开；收拢过程中液压泵流出的油由有杆腔流入，无杆腔流出，通过活塞杆的收回实现摆杆的收拢。

摆杆系统的工作特点总结如下：

1）传动装置结构紧凑，活塞杆、齿条、齿轮之间配合紧密。

2）竖轴与水平杆尺寸与跨度大，运行需要较高的液压驱动。

图1 摆杆系统传递原理图

3）各构件的运动过程中对时序性和连续性有严格的要求。

4）摆杆系统运行过程中各构件之间存在碰撞与摩擦，给研究摆杆系统的运行规律造成了很大的不便。

2 测试系统的建立

2.1 选择被测参量

结合摆杆系统的运行特点，基于最能反映系统性能的角度将测试参量选择如下：

1）油泵电动机的工作电压与电流：油泵电动机带动油泵旋转，为摆杆系统的摆动提供动力，其工作的稳定性与工作电压和工作电流有直接关系。

2）液压缸进、出油口压力、流量与振动加速度：作为摆杆系统动力的直接提供元件，液压缸的各项参数决定了系统的工作状态。

3）活塞杆、齿条位移与振动加速度：活塞杆与齿条的位移直接反映了这两个重要构件所处的状态。

4）上转轴角位移：作为重要的传动元件，齿轮旋转角度测量也至关重要。齿轮与上转轴采用固定连接方式，在离齿轮不太远的地方，由于上转轴刚度较大，上转轴的转动角度与齿轮的转动角度相同，因此，通过测量上转轴的转动角度来代替齿轮的转动角度是可以满足要求的。

5）下转轴角位移：上下转轴在系统中起到了齿条与摆杆间的力传递作用，在力的作用下，上转轴和下转轴会产生旋转角度的相对变化，尤其是在喘行严重段会更明显。

6）水平杆中部（直杆的顶端）与端部（弯杆的顶端）的振动速度：水平杆的跨度大，具有非常大的转动惯量，它的自身特性是引起喘行问题的重要原因。

2.2 测点布置

选用SYNERGY信号采集分析仪，建立测试系统的框图见图2，可以清楚看到测点的布置情况。

3 测试数据的分析与处理

由于测试环境与运行过程中的强烈冲击，实际测得的信号中叠加有高频的随机干扰信号，表现在运行曲线上即为一些“毛刺”。因此须采用数据平滑技术对所测得的试验曲线进行降噪处理[2-4]。降噪算法为

式中：2n+1——相邻数据的个数；

{yk}——数据序列。

图2 测试系统框图

3.1 测试信号的分析

在摆杆系统的运行过程中采集17路信号，降噪处理后部分构件信号如图3所示。

从图3可以看出进出油口流量、油缸压力、齿条线位移、转轴角位移基本呈同步变化趋势，具有一致性；在系统启动、系统制动等速度变化大的地方水平杆的振动速度明显增大。

3.2 测试信号的归一化处理

通过本文建立的测试系统测出的信号运动学部分主要包括活塞杆、连接件、齿条的线性运动参量（线位移、液压缸油进出油口流量）与转轴和水平杆的回转运动参量（转轴转角、水平杆振动速度）两部分。考虑到系统运行时各部件之间存在的约束关系，可从相互之间的运行规律出发通过计算将各参量转换成（归一化）对应于同一参考系的参量[5-7]。

3.2.1 进油口流量与活塞杆位移的归一化

不考虑可压缩性的情况下油液的体积应该是守恒的，得：

式中：x1——液压缸中油液的推进距离；

n——总的采样点数；

qi——进油口流量传感器测得的第i个采样点

图3 部分构件的信号曲线

数值；

Δt——采样的时间间隔；

A——液压缸无杆端的截面积。

在研究液压缸中油液刚度对摆杆系统运行的影响时可根据式（2）对进油口流量进行归一化处理。

出油口流量的归一化方式与进油口相同，且最后得到的归一化数值理论上相互吻合。

3.2.2 齿条线位移与齿轮转角的归一化

摆杆系统通过齿条-齿轮传动装置实现了线性运动向回转运动的转化。不考虑齿条齿轮啮合时弹性变形和啮合间隙的影响，可认为齿条的线位移与齿轮分度圆上任意点的角位移之间存在如下关系：

式中：θ——齿轮分度圆上任意点的角位移；

x——齿条的线位移；

R——齿轮分度圆的半径。

在研究齿条-齿轮传动关系时可根据式（2）对齿条线位移进行归一化处理。

3.2.3 转轴角位移与水平杆中端振动速度的归一化

在研究转轴与水平杆之间的传动关系时需对两者的变量进行归一化处理。考虑到转轴和水平杆绕转轴轴线同轴转动的特性，可将两者的测量信号通过计算转化为以轴线为坐标的角参量（角位移、角速度或角加速度）。由于测量条件的限制只测出了水平杆的振动速度，故可通过差分处理将转轴的角位移信号转化为角振动速度信号，具体公式为

θk——第k个采样点的角位移；

ω——角速度的稳态值；

Δt——采样的时间间隔；

n——采样的总点数。

水平杆中端振动速度的归一化公式：

ν——水平杆中端振动速度；

r——水平杆中端到转轴轴线的距离。

信号分析结果表明，本文所建立的测试系统能够有效地提取摆杆系统各构件的运动状态，为进一步开展喘行问题的故障诊断奠定了基础。

3.3 喘行问题的故障诊断

结合摆杆系统的结构特点，假定喘行问题由传动构件的故障所引起。为反映各构件的传动特性，取相邻两构件做研究对象，定义公转和自转两变量：将相邻两构件视作统一的子系统，信号经归一化处理后，取主动件的信号值作为子系统公转参量，从动件与主动件信号的差值作为子系统自转参量。

需要指出的是本文提到的自转与公转是一个广义的概念，并不单纯指回转运动的角参量。为表述方便下文中以从动件的名称来指代其所在的子系统。各子系统的自转参量如图4所示。由于传感器数量有限，分两次进行测试，两次试验中张开与闭合之间的时间间隔不同，但不影响对各子系统的研究[8]。

图4 各子系统的自转参量曲线

图4（e）中1～4处脉冲信号的产生是由于对上转轴角位移信号进行归一化处理时忽略了角速度的渐变过程，认为其变化形式是“阶跃”的。由图4可以看出活塞杆、齿轮、转轴、水平杆的自转参量基本稳定，仅由于构件的弹性变形而存在些许“扰动”；而齿条的自转线位移则明显存在不规则的矩形波，故本文所研究摆杆系统的喘行问题的直接原因是由于活塞杆与齿条之间传动的故障所致。针对本次试验，进一步分析发现故障的具体原因是由于活塞杆与齿条之间的销连接存在间隙，当销结构与孔径处于分离状态时液压缸的阻尼力无法传递给转轴，造成空回现象，导致液压缸阻尼效应失效。

4 故障排除方案

解决喘行问题的关键是提高摆杆系统的有效阻尼，具体的实施方案有以下两种：

1）消除销轴空回（利用液压油缸作阻尼器）。该方法的优点是可从根本上消除喘行问题，无需增加元件，同时消除间隙造成的非线性问题和冲击现象，保证了齿条和活塞杆的使用寿命和可靠性；缺点是消除间隙可能使摆杆系统运行受到干扰。

2）增加系统转动阻尼（外加阻尼器）。该方法的优点是无需更改塔架原有结构；缺点是无法消除齿条与活塞杆之间的间隙造成的系统非线性，同时由于间隙的存在，活塞杆与齿条之间的碰撞产生的冲击会导致两构件的使用寿命和可靠性的下降。要增加一套辅助机构，操作较为复杂，成本偏高。

5 结束语

本文根据摆杆系统的结构特点和工作原理，着重分析最能反映系统性能的参量，合理选择测试仪器与设备，建立了摆杆系统的测试系统。

基于归一化思想对测试信号进行分析处理，定义了子系统的自转与公转两个参量，在此基础上诊断出喘行问题的故障原因，并提出相应解决方案。分析结果表明，本文提出的摆杆系统检测技术能够从多角度获得摆杆系统的状态信息，有效地检测系统故障，对研究摆杆系统的运动规律及质量评估有重要意义。

[1]魏继友.航天发射塔设计[M].北京：国防工业出版社，2007.

[2]丁江霞，赵冬娥，章晓梅.数据平滑技术在自动机运动规律测试中的应用[J].光电技术应用，2010，25（6）：14-17.

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[8]赵兴盛，唐泽华，邓卫强.武器测试系统的改进方案设计[J].中国测试技术，2008，34（5）：133-135.

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

孙中兴（1988-），男，山东泰安市人，硕士研究生，专业方向为系统性能测试与故障诊断。