基于傳感技術(shù)的火炮復(fù)進(jìn)機(jī)故障檢測儀的設(shè)計(jì)

蔡燦偉，陳翠華，張百順，胡朝根，許小明

（1.陸軍軍官學(xué)院兵器工程教研室，合肥230031；2.陸軍軍官學(xué)院高過載彈藥制導(dǎo)控制與信息感知實(shí)驗(yàn)室，合肥230031）

基于傳感技術(shù)的火炮復(fù)進(jìn)機(jī)故障檢測儀的設(shè)計(jì)

蔡燦偉1，2*，陳翠華1，2，張百順1，2，胡朝根1，2，許小明1，2

（1.陸軍軍官學(xué)院兵器工程教研室，合肥230031；2.陸軍軍官學(xué)院高過載彈藥制導(dǎo)控制與信息感知實(shí)驗(yàn)室，合肥230031）

反后坐裝置作為火炮的“心臟”，其性能好壞直接影響到火炮戰(zhàn)斗力?；趶?fù)進(jìn)機(jī)氣液量不正確是反后坐裝置最常見故障之一，設(shè)計(jì)了一種利用現(xiàn)代傳感技術(shù)、無線傳輸技術(shù)以及單片機(jī)技術(shù)采集、傳輸和實(shí)時(shí)顯示火炮復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)壓力隨時(shí)間變化規(guī)律的故障檢測儀。文中介紹了故障檢測儀的工作原理、組成部分和軟件設(shè)計(jì)，并在試驗(yàn)曲線基礎(chǔ)上分析了復(fù)進(jìn)機(jī)故障模式及原因。試驗(yàn)結(jié)果表明該設(shè)計(jì)可靠實(shí)用，符合火炮射擊過程，為反后坐裝置后續(xù)故障診斷奠定了基礎(chǔ)。

傳感技術(shù)；火炮復(fù)進(jìn)機(jī)；故障檢測儀；設(shè)計(jì)

EEACC：7210；7220；7230doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.05.026

反后坐裝置復(fù)進(jìn)機(jī)功能的發(fā)揮，對火炮射擊的穩(wěn)定性和精度有著重要影響。因此在火炮作戰(zhàn)訓(xùn)練和年度維護(hù)保養(yǎng)時(shí)，需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力對復(fù)進(jìn)機(jī)進(jìn)行多次檢測，確?；鹋谏鋼舻陌踩?、穩(wěn)定性和射擊精度。也就是說，如何快速準(zhǔn)確地進(jìn)行火炮復(fù)進(jìn)機(jī)性能檢測和故障診斷，對部隊(duì)火炮技術(shù)保障意義重大［1-2］。

通過調(diào)查研究，火炮復(fù)進(jìn)機(jī)故障主要體現(xiàn)在其氣液量不正確，可根據(jù)射擊過程中所測得的復(fù)進(jìn)機(jī)氣壓評估其性能［3-4］。鑒于此，研制一種能在給定時(shí)間、地點(diǎn)都能監(jiān)測到復(fù)進(jìn)機(jī)狀態(tài)參數(shù)的變化量，并以此作為火炮故障判據(jù)的檢測儀，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。筆者利用現(xiàn)代傳感技術(shù)、射頻（無線）傳輸技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)研制的火炮復(fù)進(jìn)機(jī)故障檢測儀，能夠迅速的檢測到復(fù)進(jìn)機(jī)的壓力，并顯示給操作人員，為火炮復(fù)進(jìn)機(jī)裝置故障的判斷分析和排除提供直觀判據(jù)，能夠有效提高炮兵部隊(duì)裝備的數(shù)字化管理水平和作戰(zhàn)效率。

1　復(fù)進(jìn)機(jī)故障檢測儀工作原理

火炮復(fù)進(jìn)機(jī)故障檢測儀分為監(jiān)測數(shù)字儀和手持終端（故障分析）兩個(gè)部分［5-7］。在建制規(guī)模的每門火炮復(fù)進(jìn)機(jī)上安裝一個(gè)可以顯示當(dāng)前火炮復(fù)進(jìn)機(jī)液壓的監(jiān)測數(shù)字儀，利用壓力傳感器分系統(tǒng)測量復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)部壓力并傳遞給壓力采集與發(fā)射分系統(tǒng)，再由壓力采集與發(fā)射分系統(tǒng)內(nèi)置射頻傳輸模塊以特定的頻率向信號(hào)采集手持終端不斷發(fā)射已獲得的復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)部壓力信號(hào)，手持信號(hào)采集終端將各個(gè)壓力檢測儀發(fā)射的壓力信號(hào)頻率進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的壓力值，最后以數(shù)值和變化曲線的方式顯示在手持終端界面上，從而完成一臺(tái)信號(hào)采集手持設(shè)備同時(shí)實(shí)現(xiàn)對多門火炮復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)部壓力進(jìn)行檢測和管理。炮班操作人員可以及時(shí)通過數(shù)據(jù)和壓力曲線的變化規(guī)律判斷當(dāng)前反后坐裝置是否正常。

復(fù)進(jìn)機(jī)故障檢測儀安裝示意圖如下圖1所示。檢測儀的具體安裝方法是：旋下復(fù)進(jìn)機(jī)前蓋，取下開閉器的兩個(gè)螺蓋，在接續(xù)管室內(nèi)旋上壓力傳感器和配套的檢測儀器，旋松開閉桿，即可進(jìn)行復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)部液壓的測量。

圖1　檢測儀安裝示意圖

2　復(fù)進(jìn)機(jī)故障檢測儀的結(jié)構(gòu)組成

圖2所示為監(jiān)測數(shù)字儀結(jié)構(gòu)示意圖。監(jiān)測數(shù)字儀以全自動(dòng)無線監(jiān)測火炮為主要方式，同時(shí)輔助人工手動(dòng)操作，采用模塊化設(shè)計(jì)以提高整體可靠性，將系統(tǒng)劃分為壓力測試和采集模塊、信息顯示模塊、射頻（無線）傳輸模塊、中央處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及電源管理模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)緊湊，可在野戰(zhàn)條環(huán)境下使用［8-10］。

圖2　監(jiān)測數(shù)字儀結(jié)構(gòu)示意圖

壓力采集模塊使用高精度的壓力傳感器采集壓力值，其綜合精度可達(dá)0.1%F·S，工作頻率固定，能夠保證壓力采集實(shí)時(shí)性要求。檢測儀壓力信息顯示模塊采用數(shù)碼管顯示方式，并設(shè)有開關(guān)電路，可人為的開啟和關(guān)閉檢測儀以減小功耗。射頻（無線）傳輸模塊采用TI公司的CC1120主芯片來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)距離收發(fā)，支持2-FSK，2-GFSK，4-FSK，4-GFSK，MSK，00K/ASK調(diào)制，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)的通信方式，在空曠區(qū)域傳輸距離能夠達(dá)到1 000 m左右。中央處理模塊作為數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)控制的核心模塊，以飛笛卡爾的MC9S12XS128MAA作為中央處理芯片，主要將A/D轉(zhuǎn)換后采集的壓力值分析整理：一方面通過驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示壓力值，另一方面將壓力值發(fā)送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，當(dāng)手持終端收集信息時(shí)再從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊上讀出，通過無線傳輸給手持終端。由于壓力檢測系統(tǒng)采用鋰電池供電，考慮到功耗問題，因此電源管理尤為重要，設(shè)計(jì)時(shí)注重了電池的充電控制以防止過沖和電池的欠壓保護(hù)，從而延長電池使用壽命［11-12］。

信號(hào)收集手持終端分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，其結(jié)構(gòu)與壓力檢測儀設(shè)計(jì)基本相同，主要區(qū)別在于手持終端采用液晶顯示屏作為信息顯示模塊，主要是考慮到手持終端除需要顯示收集各門火炮上壓力檢測儀的壓力值外，還需顯示火炮復(fù)進(jìn)機(jī)的壓力變化曲線。另外，為了能夠與PC機(jī)多模式數(shù)據(jù)收發(fā)，增加了RS232接口，這樣PC機(jī)即使不加裝無線傳輸模塊，也可通過RS232接口實(shí)現(xiàn)手持終端與PC機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，方便數(shù)據(jù)的后續(xù)分析。

圖3　手持終端結(jié)構(gòu)示意圖

3　火炮復(fù)進(jìn)機(jī)壓力監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

火炮復(fù)進(jìn)機(jī)壓力監(jiān)測系統(tǒng)壓力檢測儀與手持終端軟件設(shè)計(jì)的主程序流程圖如圖4所示。

圖4　檢測儀與手持終端的主流程圖

軟件設(shè)計(jì)是基于多任務(wù)調(diào)度來實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的功能，以分配時(shí)間片的形式分時(shí)執(zhí)行程序，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的功能要求。具體流程如下：①系統(tǒng)上電后，任務(wù)調(diào)度模塊開始運(yùn)行，以延時(shí)中斷的形式調(diào)用各個(gè)功能模塊；②優(yōu)先調(diào)用自檢模塊、電源管理模塊、信號(hào)采集模塊，檢查壓力采集電路與接口系統(tǒng)是否正常，其他模塊運(yùn)行處于休眠狀態(tài)；③當(dāng)系統(tǒng)自檢通過后，自檢模塊轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，其他功能模塊處于運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)開始正常運(yùn)行；當(dāng)系統(tǒng)自檢無法通過時(shí)，系統(tǒng)提示錯(cuò)誤信息，此時(shí)電氣控制系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，需要人為排除故障，讓系統(tǒng)自檢通過；④完成硬件系統(tǒng)初始化，如微處理器的寄存器、I/O口、射頻芯片接口、顯示屏等；⑤以1 ms計(jì)時(shí)采樣點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)分析處理后，存入到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，將需要顯示的數(shù)據(jù)送到信息顯示模塊中；⑥監(jiān)聽手持終端是否發(fā)來數(shù)據(jù)，等待接收手持終端的無線喚醒；⑦完成火炮復(fù)進(jìn)機(jī)壓力的監(jiān)測。

手持終端在上電后完成上述①～④過程，然后發(fā)送無線喚醒指令，激活監(jiān)測儀射頻模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，在手持終端射頻模塊截獲到數(shù)據(jù)頻段后開始采集射頻信號(hào)，并解析計(jì)算壓力值：對于初始?jí)毫?，因?yàn)槭且粋€(gè)靜態(tài)值，所以只需直接讀取火炮未發(fā)射時(shí)采集的壓力即可；而末態(tài)壓力是指火炮發(fā)射過程中，復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)氣體壓縮到最小而壓力最大時(shí)的壓力值，是一個(gè)瞬態(tài)量，所以要用軟件判斷的方法得出瞬時(shí)最大壓力。發(fā)射過程中壓力是不斷變化的，因而需要解算出在某一微小時(shí)間段內(nèi)壓力的變化量，從而得出壓力與時(shí)間的變化曲線，具體可以采用時(shí)間段求平均的方法采集壓力，然后與前一次的平均值進(jìn)行比較，如果壓力發(fā)生變化說明火炮已經(jīng)點(diǎn)火，此時(shí)開始計(jì)時(shí)，依此持續(xù)不斷地采集壓力數(shù)據(jù)，直到后一次采集的壓力平均值比前一次小，即可說明此時(shí)的壓力已達(dá)到最大值，并停止計(jì)時(shí)，這樣就得到整個(gè)發(fā)射過程中壓力隨時(shí)間變化的曲線。

4　試驗(yàn)驗(yàn)證及復(fù)進(jìn)機(jī)故障分析

火炮復(fù)進(jìn)機(jī)在平時(shí)、發(fā)射時(shí)的瞬時(shí)壓力值（初末壓）可以在手持終端上顯示出來，通過對壓力值分析，可以判斷復(fù)進(jìn)機(jī)是否正常。為了驗(yàn)證系統(tǒng)性能是否達(dá)到要求，在某一工況條件下，以3門某型火炮為試驗(yàn)對象（1#正常，2#、3#人為設(shè)定故障），在距測試臺(tái)50 m遠(yuǎn)的靶場條件下，通過手持終端收集到這3門火炮上的監(jiān)測數(shù)字儀數(shù)據(jù)。為了方便分析，將得到的數(shù)據(jù)輸入PC機(jī)處理后得到3門火炮復(fù)進(jìn)機(jī)在同一坐標(biāo)系中的初壓、末壓和P-t變化曲線，如圖5所示。從曲線中可以分析得到：

圖5　復(fù)進(jìn)機(jī)壓力值及P-t變化曲線

①后坐距離的長短反映了反后坐裝置的工作狀態(tài)。當(dāng)后坐距離在正常的范圍時(shí)，如該型火炮的后坐距離在790 mm～930 mm之間，屬工作正常；如果后坐距離小于790 mm時(shí)，則為后坐過短，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致復(fù)進(jìn)過猛，影響射擊時(shí)的穩(wěn)定性及射擊精度；如果后坐距離大于930 mm時(shí)，則為后坐過長，同時(shí)會(huì)使復(fù)進(jìn)不到位，影響射擊速度，嚴(yán)重情況下會(huì)拉斷機(jī)桿，使炮身飛出。圖5所示p-t曲線的上升段能夠間接反映后坐距離長短，1#為正常，2#則為復(fù)進(jìn)機(jī)后坐過短故障，3#為復(fù)進(jìn)機(jī)后坐過長故障。

②通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得，該型火炮正常工作時(shí)初壓為6.30 MPa，末壓為19.80 MPa。而檢測儀測得1#炮（正常）的初壓為6.32 MPa，誤差為0.32%；末壓為19.85 MPa，誤差為0.25%，都在許可的范圍之內(nèi)，從一定程度反應(yīng)了所設(shè)計(jì)的檢測儀能夠滿足測量精度0.01 MPa的要求。

③該型火炮復(fù)進(jìn)機(jī)正常情況下初壓保持在6.0MPa～6.5 MPa之間，末壓（峰值）保持在19 MPa～20 MPa之間。由曲線可知，3門火炮初壓都正常，而2#復(fù)進(jìn)機(jī)末壓達(dá)到21.96 MPa，說明復(fù)進(jìn)機(jī)氣液量過多、壓力過大導(dǎo)致出現(xiàn)后坐過短而復(fù)進(jìn)過猛的故障現(xiàn)象；3#復(fù)進(jìn)機(jī)末壓只有17.76 MPa，則為氣液量過少、壓力過小導(dǎo)致出現(xiàn)后坐過長而復(fù)進(jìn)不到位的故障現(xiàn)象。

④射擊時(shí)的壓力曲線峰值反映復(fù)進(jìn)機(jī)是否壓力過大、后坐過短而復(fù)進(jìn)過猛現(xiàn)象（參考上述③）。此外，如果將2#曲線末壓視為正常，就此曲線來說則為機(jī)桿拉斷等機(jī)械故障造成；同樣，如果3#曲線末壓正常，則說明該復(fù)進(jìn)機(jī)后坐力過大或裝藥號(hào)變小等故障原因。

5　結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)的基于傳感技術(shù)的火炮復(fù)進(jìn)機(jī)故障檢測儀，只需將監(jiān)測數(shù)字儀安裝在火炮復(fù)進(jìn)機(jī)上，就可以通過手持終端顯示當(dāng)前火炮復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)部壓力變化規(guī)律，即可判斷復(fù)進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài)。試驗(yàn)證明，所設(shè)計(jì)的故障檢測儀能夠適用于現(xiàn)役絕大多數(shù)火炮復(fù)進(jìn)機(jī)故障檢測，是一個(gè)操作簡單、可靠性和集成程度較高的數(shù)字化火炮保障維修應(yīng)用平臺(tái)，為反后坐裝置后續(xù)故障診斷奠定了基礎(chǔ)。

［1］傅建平，張曉東，張培林，等.火炮后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)檢測與模糊評估［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2007，（3）：58-61.

［2］張靜波，程力，胡慧斌，等.基于虛擬樣機(jī)的反后坐裝置故障仿真技術(shù)研究［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2012，20（5）：1287-1289.

［3］吳軍.火炮狀態(tài)智能診斷技術(shù)研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2013.

［4］郭英，徐振輝，羅建華.某型坦克技術(shù)狀況在線檢測系統(tǒng)研究［J］.理論與方法，2010，29（12）：35-38.

［5］歐克寅，傅建平，張培林.基于圖像匹配技術(shù)的火炮反后坐裝置動(dòng)態(tài)測試方法［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2008，（4）：111-114.

［6］張曉東，傅建平，姜偉.火炮駐退機(jī)故障診斷方法［J］.軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，18（3）：25-27.

［7］劉航.火炮反后坐裝置參數(shù)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化［D］.南京：南京理工大學(xué)，2014.

［8］馬英桌，祖靜，張瑜.低功耗瞬態(tài)火炮膛壓存儲(chǔ)測試儀設(shè)計(jì)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，26（1）：128-132.

［9］劉超，裴東興，崔春生，等.射孔器腔內(nèi)壓力測試儀的高頻動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，27（10）：1373-1376.

［10］張飛猛，偏軍，戰(zhàn)延謀.火炮對空射擊聲靶的信號(hào)檢測特性和傳感器性能分析［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，（3）：501-504.

［11］蔡燦偉，張玉榮，陶辰立，等.氣缸張開式尾翼膛內(nèi)時(shí)期氣缸壓力計(jì)算［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2013，（3）：49-53.

［12］李濤，閻文，鄭立評，等.基于變?nèi)莘乓悍ǖ膹?fù)進(jìn)機(jī)液量檢測［J］.新技術(shù)新工藝，2011，（8）：86-89.

蔡燦偉（1988-），男，漢族，江西瑞昌人，2013年碩士畢業(yè)于石家莊軍械工程學(xué)院，現(xiàn)在陸軍軍官學(xué)院任教，主要從事兵器檢測技術(shù)和信息化彈藥研究工作，caicanwei1@126.com。

Research for Fault Diagnosis of Artillery Counter-Recoil Mechanism Based on Sensing Technology

CAI Canwei1，2*，CHEN Cuihua1，2，ZHANG Baishun1，2，HU Caogen1，2，XU Xiaoming1，2
（1.Weapon Engineering Teaching and Research Section，Army Officer Academy，Hefei 230031，China；2.The High Overload Ammunition Guidance and Information Awareness Lab，Army Officer Academy，Hefei 230031 China.）

The artillery anti-recoil mechanism is the key component of the gun，and the property is important to gun battle force.According to the problem that in the artillery anti-recoil mechanism，the incorrect sair and liquid quan?tity in the counter-recoil mechanism is one of the most common failure，the fault diagnosis of artillery counter-recoil mechanism that the law of the pressure in the gun counter-recoil mechanism with time can be collected and trans?ferred and displayed real-time by using modern sensor technology and wireless transmission technology and SCM technology.The operational principle and structure composition and software design is introduced in paper，and fault mode and causes of artillery counter-recoil mechanism is analyzed based on the given the pressure curve by this test.The result showed that the research is simple and practical，it agrees with actual firing condition，and it can lay a solid foundation for the artillery anti-recoil mechanism fault diagnosis.

Sensing technology；Artillery counter-recoil mechanism；Failure

TP212；TJ303.4

A

1004-1699（2016）05-0776-04

2015-11-06修改日期：2015-12-21