蔡燦偉，陳翠華，張百順，胡朝根，許小明

（1.陸軍軍官學院兵器工程教研室，合肥230031；2.陸軍軍官學院高過載彈藥制導控制與信息感知實驗室，合肥230031）

基于傳感技術的火炮復進機故障檢測儀的設計

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

（1.陸軍軍官學院兵器工程教研室，合肥230031；2.陸軍軍官學院高過載彈藥制導控制與信息感知實驗室，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?；趶瓦M機氣液量不正確是反后坐裝置最常見故障之一，設計了一種利用現代傳感技術、無線傳輸技術以及單片機技術采集、傳輸和實時顯示火炮復進機內壓力隨時間變化規(guī)律的故障檢測儀。文中介紹了故障檢測儀的工作原理、組成部分和軟件設計，并在試驗曲線基礎上分析了復進機故障模式及原因。試驗結果表明該設計可靠實用，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。

傳感技術；火炮復進機；故障檢測儀；設計

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

反后坐裝置復進機功能的發(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)訓練和年度維護保養(yǎng)時，需要花費大量的時間和精力對復進機進行多次檢測，確?；鹋谏鋼舻陌踩?、穩(wěn)定性和射擊精度。也就是說，如何快速準確地進行火炮復進機性能檢測和故障診斷，對部隊火炮技術保障意義重大［1-2］。

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

1　復進機故障檢測儀工作原理

火炮復進機故障檢測儀分為監(jiān)測數字儀和手持終端（故障分析）兩個部分［5-7］。在建制規(guī)模的每門火炮復進機上安裝一個可以顯示當前火炮復進機液壓的監(jiān)測數字儀，利用壓力傳感器分系統(tǒng)測量復進機內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)內置射頻傳輸模塊以特定的頻率向信號采集手持終端不斷發(fā)射已獲得的復進機內部壓力信號，手持信號采集終端將各個壓力檢測儀發(fā)射的壓力信號頻率進行采集并轉換為相應的壓力值，最后以數值和變化曲線的方式顯示在手持終端界面上，從而完成一臺信號采集手持設備同時實現對多門火炮復進機內部壓力進行檢測和管理。炮班操作人員可以及時通過數據和壓力曲線的變化規(guī)律判斷當前反后坐裝置是否正常。

復進機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：旋下復進機前蓋，取下開閉器的兩個螺蓋，在接續(xù)管室內旋上壓力傳感器和配套的檢測儀器，旋松開閉桿，即可進行復進機內部液壓的測量。

圖1　檢測儀安裝示意圖

2　復進機故障檢測儀的結構組成

圖2所示為監(jiān)測數字儀結構示意圖。監(jiān)測數字儀以全自動無線監(jiān)測火炮為主要方式，同時輔助人工手動操作，采用模塊化設計以提高整體可靠性，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、數據存儲模塊以及電源管理模塊。系統(tǒng)結構整體設計緊湊，可在野戰(zhàn)條環(huán)境下使用［8-10］。

圖2　監(jiān)測數字儀結構示意圖

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0.1%F·S，工作頻率固定，能夠保證壓力采集實時性要求。檢測儀壓力信息顯示模塊采用數碼管顯示方式，并設有開關電路，可人為的開啟和關閉檢測儀以減小功耗。射頻（無線）傳輸模塊采用TI公司的CC1120主芯片來實現數據的無線遠距離收發(fā)，支持2-FSK，2-GFSK，4-FSK，4-GFSK，MSK，00K/ASK調制，可以實現點對點、點對多點的通信方式，在空曠區(qū)域傳輸距離能夠達到1 000 m左右。中央處理模塊作為數據處理與系統(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轉換后采集的壓力值分析整理：一方面通過驅動數碼管顯示壓力值，另一方面將壓力值發(fā)送到數據存儲模塊，當手持終端收集信息時再從數據存儲模塊上讀出，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，設計時注重了電池的充電控制以防止過沖和電池的欠壓保護，從而延長電池使用壽命［11-12］。

信號收集手持終端分系統(tǒng)結構示意圖如圖3所示，其結構與壓力檢測儀設計基本相同，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，還需顯示火炮復進機的壓力變化曲線。另外，為了能夠與PC機多模式數據收發(fā)，增加了RS232接口，這樣PC機即使不加裝無線傳輸模塊，也可通過RS232接口實現手持終端與PC機的數據傳輸，方便數據的后續(xù)分析。

圖3　手持終端結構示意圖

3　火炮復進機壓力監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

火炮復進機壓力監(jiān)測系統(tǒng)壓力檢測儀與手持終端軟件設計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

軟件設計是基于多任務調度來實現各個模塊的功能，以分配時間片的形式分時執(zhí)行程序，最終實現整個監(jiān)測系統(tǒng)的功能要求。具體流程如下：①系統(tǒng)上電后，任務調度模塊開始運行，以延時中斷的形式調用各個功能模塊；②優(yōu)先調用自檢模塊、電源管理模塊、信號采集模塊，檢查壓力采集電路與接口系統(tǒng)是否正常，其他模塊運行處于休眠狀態(tài)；③當系統(tǒng)自檢通過后，自檢模塊轉入休眠狀態(tài)，其他功能模塊處于運行狀態(tài)，系統(tǒng)開始正常運行；當系統(tǒng)自檢無法通過時，系統(tǒng)提示錯誤信息，此時電氣控制系統(tǒng)無法正常運行，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計時采樣點將采集的數據分析處理后，存入到數據存儲模塊，將需要顯示的數據送到信息顯示模塊中；⑥監(jiān)聽手持終端是否發(fā)來數據，等待接收手持終端的無線喚醒；⑦完成火炮復進機壓力的監(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)送數據，在手持終端射頻模塊截獲到數據頻段后開始采集射頻信號，并解析計算壓力值：對于初始壓力，因為是一個靜態(tài)值，所以只需直接讀取火炮未發(fā)射時采集的壓力即可；而末態(tài)壓力是指火炮發(fā)射過程中，復進機內氣體壓縮到最小而壓力最大時的壓力值，是一個瞬態(tài)量，所以要用軟件判斷的方法得出瞬時最大壓力。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間段內壓力的變化量，從而得出壓力與時間的變化曲線，具體可以采用時間段求平均的方法采集壓力，然后與前一次的平均值進行比較，如果壓力發(fā)生變化說明火炮已經點火，此時開始計時，依此持續(xù)不斷地采集壓力數據，直到后一次采集的壓力平均值比前一次小，即可說明此時的壓力已達到最大值，并停止計時，這樣就得到整個發(fā)射過程中壓力隨時間變化的曲線。

4　試驗驗證及復進機故障分析

火炮復進機在平時、發(fā)射時的瞬時壓力值（初末壓）可以在手持終端上顯示出來，通過對壓力值分析，可以判斷復進機是否正常。為了驗證系統(tǒng)性能是否達到要求，在某一工況條件下，以3門某型火炮為試驗對象（1#正常，2#、3#人為設定故障），在距測試臺50 m遠的靶場條件下，通過手持終端收集到這3門火炮上的監(jiān)測數字儀數據。為了方便分析，將得到的數據輸入PC機處理后得到3門火炮復進機在同一坐標系中的初壓、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　復進機壓力值及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)。當后坐距離在正常的范圍時，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，則為后坐過短，同時會導致復進過猛，影響射擊時的穩(wěn)定性及射擊精度；如果后坐距離大于930 mm時，則為后坐過長，同時會使復進不到位，影響射擊速度，嚴重情況下會拉斷機桿，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#則為復進機后坐過短故障，3#為復進機后坐過長故障。

②通過相關實驗數據獲得，該型火炮正常工作時初壓為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，從一定程度反應了所設計的檢測儀能夠滿足測量精度0.01 MPa的要求。

③該型火炮復進機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#復進機末壓達到21.96 MPa，說明復進機氣液量過多、壓力過大導致出現后坐過短而復進過猛的故障現象；3#復進機末壓只有17.76 MPa，則為氣液量過少、壓力過小導致出現后坐過長而復進不到位的故障現象。

④射擊時的壓力曲線峰值反映復進機是否壓力過大、后坐過短而復進過猛現象（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桿拉斷等機械故障造成；同樣，如果3#曲線末壓正常，則說明該復進機后坐力過大或裝藥號變小等故障原因。

5　結束語

筆者設計的基于傳感技術的火炮復進機故障檢測儀，只需將監(jiān)測數字儀安裝在火炮復進機上，就可以通過手持終端顯示當前火炮復進機內部壓力變化規(guī)律，即可判斷復進機的工作狀態(tài)。試驗證明，所設計的故障檢測儀能夠適用于現役絕大多數火炮復進機故障檢測，是一個操作簡單、可靠性和集成程度較高的數字化火炮保障維修應用平臺，為反后坐裝置后續(xù)故障診斷奠定了基礎。

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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院，現在陸軍軍官學院任教，主要從事兵器檢測技術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