魏小林 劉 勇 吳 躍 張 璁

(北京航天計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京 100076)

某飛行器鐵路運(yùn)輸環(huán)境測試系統(tǒng)研究

魏小林 劉 勇 吳 躍 張 璁

(北京航天計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京 100076)

介紹了基于分布式采集的運(yùn)輸環(huán)境數(shù)據(jù)綜合采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了某飛行器經(jīng)鐵路運(yùn)輸?shù)桨l(fā)射陣地的振動、沖擊、溫濕度等環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控測量，后續(xù)通過車載分析系統(tǒng)對采集的海量測試數(shù)據(jù)進(jìn)行自動批處理，得到振動測量數(shù)據(jù)的時(shí)域和頻域分析、溫濕度及車速等信息。測量分析數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過減振處理的火車運(yùn)輸支架對飛行器運(yùn)輸起到很好的減振效果，保障了運(yùn)輸過程中產(chǎn)品的安全性。

飛行器 運(yùn)輸 減振 采集

1 引 言

飛行器在運(yùn)輸過程中必然要經(jīng)受運(yùn)輸力學(xué)、溫濕度等環(huán)境的考驗(yàn)。通常運(yùn)輸?shù)姆绞接卸喾N，運(yùn)載火箭一般采用鐵路或輪船進(jìn)行運(yùn)輸，衛(wèi)星通常采用鐵路、公路運(yùn)輸[1]。不同的運(yùn)輸方式所誘發(fā)的環(huán)境參數(shù)也存在較大差異，有時(shí)會對運(yùn)載火箭等飛行器上的精密部組件造成損傷，故一般配備專用的運(yùn)輸保溫箱體，并在敏感的位置安裝加速度傳感器、GPS、溫濕度傳感器等設(shè)備對飛行器支架的敏感位置進(jìn)行力學(xué)環(huán)境[2]、濕度等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控,以保證產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中的安全。采集過程中，采集設(shè)備分別安置在不同級的箱體內(nèi)，將傳感器安裝在飛行器敏感的測量位置，然后通過線纜插接在采集器上，采集設(shè)備的供電通常由乘務(wù)車的發(fā)電機(jī)組進(jìn)行供電，實(shí)時(shí)采集的測量數(shù)據(jù)由網(wǎng)線傳輸至乘務(wù)車的筆記本電腦，由監(jiān)測人員實(shí)時(shí)監(jiān)控飛行器在運(yùn)輸過程中的運(yùn)輸環(huán)境變化。

基于某飛行器鐵路運(yùn)輸?shù)姆植际綌?shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，能夠完成力學(xué)數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)、經(jīng)緯度數(shù)據(jù)的采集、儲存和分析。有效實(shí)現(xiàn)了某飛行器分級運(yùn)輸，同步采集的能力，并且支持長時(shí)間海量數(shù)據(jù)的存儲。在完成全部的數(shù)據(jù)采集后，可實(shí)現(xiàn)力學(xué)測量數(shù)據(jù)的時(shí)域、頻域信號分析，全程的速度測量數(shù)據(jù)分析以及溫濕度數(shù)據(jù)分析。分析結(jié)果可直接用于評價(jià)鐵路運(yùn)輸過程中飛行器的力學(xué)環(huán)境是否滿足指標(biāo)要求，從而指導(dǎo)鐵路平板保溫運(yùn)輸箱的減振結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2 基于分布式采集的運(yùn)輸環(huán)境數(shù)據(jù)綜合采集系統(tǒng)

由于某飛行器的體積龐大，在鐵路運(yùn)輸?shù)倪^程中，分一級和二級兩部分拆分運(yùn)輸，分別通過上下包環(huán)固定在專用的保溫運(yùn)輸箱內(nèi)，在包環(huán)的內(nèi)壁安裝有橡膠減振材料，防止在運(yùn)輸過程中帶來較大的沖擊和振動?；诜植际竭\(yùn)輸環(huán)境數(shù)據(jù)綜合采集系統(tǒng)主要由UPS電源、AC/DC轉(zhuǎn)換電源、筆記本電腦、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)硬盤、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、GPS、振動傳感器、沖擊傳感器、應(yīng)變傳感器、溫濕度傳感器、電纜和數(shù)據(jù)采集分析軟件構(gòu)成。其中UPS電源、AC/DC轉(zhuǎn)換電源、筆記本電腦、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)硬盤、GPS放置在乘務(wù)車廂中，二級保溫運(yùn)輸箱內(nèi)和一級保溫運(yùn)輸箱內(nèi)各放置1套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及各種傳感器。乘務(wù)車中穿出2根電源電纜分別接入兩個(gè)運(yùn)輸箱中，乘務(wù)車中穿出2根通訊電纜也分別接入兩個(gè)運(yùn)輸箱中，兩個(gè)運(yùn)輸箱之間穿一根同步電纜，如圖1所示。

運(yùn)輸環(huán)境測量系統(tǒng)利用車載220V交流電源進(jìn)行供電，車載電源經(jīng)過UPS電源為筆記本電腦、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和AC/DC轉(zhuǎn)換電源供電，避免乘務(wù)車載電源掉電后影響數(shù)據(jù)采集，AC/DC轉(zhuǎn)換電源為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和加速度傳感器供電。兩個(gè)運(yùn)輸箱內(nèi)的多個(gè)沖擊傳感器、振動傳感器、應(yīng)變傳感器、溫濕度傳感器分別對相應(yīng)測試點(diǎn)處的沖擊、振動、應(yīng)變、溫濕度參數(shù)進(jìn)行測量。

由兩套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別對兩個(gè)運(yùn)輸箱內(nèi)的多個(gè)傳感器進(jìn)行采集，由機(jī)箱同步模塊和同步電纜實(shí)現(xiàn)兩套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的同步采集；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)將數(shù)據(jù)傳送給筆記本電腦和網(wǎng)絡(luò)硬盤，網(wǎng)絡(luò)硬盤可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲備份，避免筆記本中的數(shù)據(jù)丟失造成測試失敗。筆記本電腦作為整個(gè)運(yùn)輸環(huán)境測量系統(tǒng)的主控端服務(wù)器，通過TCP/IP向兩套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送命令控制開始、停止采集等，并存儲采集的數(shù)據(jù)，利用測試數(shù)據(jù)分析軟件可以實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集是否正常有效，并在測試結(jié)束后通過測試數(shù)據(jù)對相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分析，筆記本電腦同時(shí)采集GPS的數(shù)據(jù)并存儲，用于記錄對應(yīng)的行車時(shí)間、車速、道路條件。采集系統(tǒng)工作原理框圖如圖2所示。

2.1 傳感器測點(diǎn)布置

根據(jù)飛行器運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)的要求，運(yùn)輸過程中監(jiān)測沖擊振動傳感器可布置在與飛行器相接觸包環(huán)的附近，盡量靠近飛行器，如需要了解減振前后飛行器的受振動沖擊的力學(xué)響應(yīng)情況，可在飛行器某敏感的位置安裝傳感器，通過頻域分析得出敏感頻率的響應(yīng)情況。在二級保溫箱的前端安裝有溫濕度傳感器，監(jiān)測箱內(nèi)的溫濕度變化情況，以便控制箱內(nèi)的空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)。一級采集器和二級采集器分別安裝在各自的保溫箱中，通過同步電纜連接，同步采集振動信號，并將數(shù)據(jù)存儲在筆記本電腦和網(wǎng)絡(luò)硬盤中。運(yùn)輸環(huán)境測點(diǎn)分布如圖3所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配置

采集系統(tǒng)中的一級從采集器、二級主采集器、電腦和網(wǎng)絡(luò)硬盤通過交換機(jī)組成局域網(wǎng)，在啟動采集系統(tǒng)后，為采集器及存儲器分配IP地址，分別進(jìn)入主采集器和從采集器的設(shè)置界面進(jìn)行振動傳感器和沖擊傳感器對應(yīng)的采集通道的靈敏度配置，以及溫濕度傳感器和GPS相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率設(shè)定按照需求直接固化在采集系統(tǒng)中，飛行器一般力學(xué)測量要求為：振動信號測量范圍(0.5～200)Hz[3]，(0～15)g，沖擊測量范圍為(0.5～200)Hz，(0～30)g。在信號采集時(shí)，采樣頻率至少

大于輸入信號的2倍，因此飛行器運(yùn)輸監(jiān)測一般選擇振動沖擊信號采樣頻率500Hz，這樣可以滿足采集頻率響應(yīng)要求。

3 采集數(shù)據(jù)分析

運(yùn)輸結(jié)束后，需要對采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)采集分析軟件是基于圖形化編程軟件LabVIEW軟件，具有LabVIEW開發(fā)平臺的完整功能，利用這種集成的軟件構(gòu)架可自由的定義和創(chuàng)建功能強(qiáng)大的測量和控制系統(tǒng)。運(yùn)輸過程中采集的信息包括振動、沖擊、速度、地理位置、溫濕度及應(yīng)力應(yīng)變等信息。

(1)在乘務(wù)監(jiān)測車廂配備了GPS，可以實(shí)時(shí)采集列車運(yùn)行的經(jīng)緯度及其計(jì)算火車行進(jìn)速度，并與振動沖擊信號進(jìn)行同步采集，可實(shí)現(xiàn)與力學(xué)測量數(shù)據(jù)的多維分析。在分布式采集軟件中，實(shí)時(shí)顯示經(jīng)緯度和車速信息，并將數(shù)據(jù)存儲在電腦和網(wǎng)絡(luò)硬盤中。以橫坐標(biāo)時(shí)間為同一橫坐標(biāo)軸，振動和沖擊測量的最大值，可以在分析軟件中對應(yīng)當(dāng)時(shí)的經(jīng)緯度和車速，便于分析是否由于剎車，鐵道接縫等原因帶來的振動加強(qiáng)。運(yùn)輸結(jié)束后可根據(jù)GPS的經(jīng)緯度信息的指導(dǎo)，在振動沖擊較大的路段，適當(dāng)預(yù)先降低車速，減小振動和沖擊對飛行器的損傷。

(2)在分析軟件中選擇關(guān)注的測點(diǎn)通道，設(shè)置查詢時(shí)間段，可對監(jiān)測數(shù)據(jù)的整個(gè)歷程進(jìn)行自動批處理，無需手動查詢，大幅度提高處理效率。

(3)采集分析軟件能夠獲取粘貼在飛行器敏感位置的應(yīng)力應(yīng)變，運(yùn)輸保溫箱中的溫濕度變化，整個(gè)運(yùn)輸過程中的振動的極大值及均方根值以及沖擊響應(yīng)情況。

4 采集數(shù)據(jù)處理實(shí)例

某飛行器從裝配廠房通過鐵路運(yùn)輸運(yùn)至試驗(yàn)靶場，總體監(jiān)測要求需記錄全程振動、沖擊、溫濕度、經(jīng)緯度、速度和敏感位置應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)據(jù)，采集振動及沖擊的加速度頻率為500Hz。通過對全程數(shù)據(jù)的監(jiān)控和分析，火車的行進(jìn)速度不超過80km/h,保溫箱內(nèi)溫度控制在0℃～20℃之間，振動加速度峰值不超過1g，沖擊加速度峰值不超過2g，滿足某飛行器鐵路運(yùn)輸對運(yùn)輸環(huán)境的要求。如圖4所示。

5 結(jié)束語

基于分布采集的運(yùn)輸環(huán)境參數(shù)綜合采集分析系統(tǒng)，能夠采集并分析某飛行器從總裝廠到發(fā)射試驗(yàn)陣地鐵路運(yùn)輸過程中的力學(xué)、溫濕度、速度等環(huán)境數(shù)據(jù)，并可在乘務(wù)監(jiān)控車廂實(shí)時(shí)觀測測量結(jié)果，了解實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)。根據(jù)全程數(shù)據(jù)分析結(jié)果可得出：

(1)從測量結(jié)果可得出某飛行器運(yùn)輸支架測點(diǎn)的垂向(Z向)大于橫向(X向)的振動，這與列車的運(yùn)輸狀態(tài)相符，如列車經(jīng)過鐵軌接縫或路面不平時(shí)均會引起垂向振動。

(2)一級和二級運(yùn)輸支架的振動沖擊量級響應(yīng)基本一致，而二級中間位置無包環(huán)的輔助支撐處的振動量級大于前后支撐架處的振動量級，這與輔助支撐的支架活動結(jié)構(gòu)有關(guān)，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱，并且配備升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，故振動幅度較大。

(3)一級和二級運(yùn)輸支架配備彈簧隔振器和橡膠減振墊[4]，使運(yùn)輸振動的高頻減振效果較為顯著，有效的降低了振動沖擊對產(chǎn)品的影響。

[1] 馬興瑞，韓增堯等編寫.衛(wèi)星與運(yùn)載火箭力學(xué)環(huán)境分析方法與試驗(yàn)技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2014.

[2] 楊曉偉.振動校準(zhǔn)現(xiàn)狀及發(fā)展綜述[J].宇航計(jì)測技術(shù)，2000(6)：41～47.

[3] 祝亞宏，劉廣通等.航天器運(yùn)輸?shù)牧W(xué)數(shù)據(jù)采集、存儲和分析方法[J].航天器環(huán)境工程，2014，31(5)：564～567.

[4] 丁文鏡.減振理論[M].北京：清華大學(xué)出版社,2014：33～34.

Research on Environment Testing System for a CertainType of Spacecraft Railway Transportation

WEI Xiao-lin LIU Yong WU Yue ZHANG Cong

(Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology, Beijing 100076, China)

A comprehensive acquisition System of transport environment based on distributed acquisition is introduced. The real-time monitoring measurement of the railway transport environment parameters such as shock, vibration, temperature and humidity is realized. The mass data of the vibration in time domain and frequence domain, temperature, humidity and velocity can be automatic batch managed by the analysis software. Analysis result indicates that the railway transport frame with damping design play a very good damping effect and keep the product safe.

Spacecraft Transportation Damping vibration Acquisition

2016-10-18，

2016-11-07

魏小林(1984-)，男， 工程師,研究方向：飛行器成像載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1000-7202(2017) 02-0058-04

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.12

TH825

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