張金忠，趙林波，李 挺

(裝甲兵工程學(xué)院 兵器工程系，北京 100072)

隨著我軍裝甲裝備的發(fā)展以及訓(xùn)練內(nèi)容、要求和強(qiáng)度的不斷提高，裝備維修保障的重要性更加凸顯，要求也越來越高。訓(xùn)練過程中火炮的綜合性能狀態(tài)直接影響了射擊精度和效果，進(jìn)而對(duì)訓(xùn)練效果產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)的火炮檢測(cè)只是在靜態(tài)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，利用人工后坐對(duì)其動(dòng)態(tài)性能作簡(jiǎn)單的定性試驗(yàn)，如觀察是否能復(fù)進(jìn)到位，能否開閂等，而對(duì)于其速度、時(shí)間、復(fù)進(jìn)力等動(dòng)態(tài)指標(biāo)不加考慮，致使一旦加大訓(xùn)練強(qiáng)度和難度之后，維修質(zhì)量的問題不斷，嚴(yán)重影響了裝備戰(zhàn)斗力和保障力的形成和使用［1-3］。因此，有必要對(duì)現(xiàn)行的火炮技術(shù)狀況檢查方式、檢查方法進(jìn)行變革，以滿足部隊(duì)對(duì)更加準(zhǔn)確把握裝備技術(shù)狀況、科學(xué)管裝用裝的迫切要求。本文以某型坦克火炮系統(tǒng)為載體，實(shí)現(xiàn)了坦克火炮系統(tǒng)技術(shù)性能指標(biāo)綜合測(cè)試。

1 參數(shù)的確定與檢測(cè)原理

炮閂和反后坐裝置是火炮的重要部件。隨著炮閂的使用，其各零部件會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨損，各間隙會(huì)改變，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響炮閂的正常工作。開閂速度和抽筒速度是反映炮閂各部件之間傳動(dòng)有效性和磨損情況的綜合指標(biāo)。復(fù)進(jìn)時(shí)間和復(fù)進(jìn)速度是反映反后坐裝置的綜合指標(biāo)，通過對(duì)該指標(biāo)的測(cè)試可以反映出反后坐裝置的磨損情況、復(fù)進(jìn)桿和駐退桿的彎曲情況、液量和氣壓是否標(biāo)準(zhǔn)等。

對(duì)開閂速度、抽筒速度、復(fù)進(jìn)時(shí)間、復(fù)進(jìn)速度這幾個(gè)指標(biāo)的測(cè)試，傳統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)試方法已不再適用，因?yàn)檫@些指標(biāo)的測(cè)試發(fā)生在火炮實(shí)彈射擊循環(huán)的后坐復(fù)進(jìn)階段，都是連續(xù)、動(dòng)態(tài)的變量，需要對(duì)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行連續(xù)的采樣、記錄，并且需要進(jìn)行并行測(cè)試［4-6］。

為了確保測(cè)得數(shù)據(jù)的真實(shí)性，最佳的方案是在火炮實(shí)彈射擊現(xiàn)場(chǎng)對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。如果需要在非實(shí)彈射擊的情形下獲得這些技術(shù)指標(biāo)，可行的方案只能是盡可能逼真地模擬實(shí)彈射擊的環(huán)境，對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。

為此，首次提出了通過外力推動(dòng)火炮進(jìn)行人工后坐來模擬火炮實(shí)彈射擊時(shí)動(dòng)態(tài)后坐過程的思想。設(shè)計(jì)了火炮動(dòng)作激勵(lì)平臺(tái)，如圖1 所示。通過人工后坐液壓缸的推力推動(dòng)火炮身管后坐，并通過PC、單片機(jī)和位移傳感器控制火炮人工后坐距離。用身管解脫裝置對(duì)人工后坐到位的身管進(jìn)行固定，在解脫液壓缸的作用下解脫火炮身管使火炮完成正常復(fù)進(jìn)。同時(shí)，實(shí)時(shí)檢測(cè)開閂速度、抽筒速度、復(fù)進(jìn)時(shí)間、復(fù)進(jìn)速度等指標(biāo)。

圖1 火炮動(dòng)作激勵(lì)平臺(tái)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)由傳感器、行程開關(guān)、電繼電器、數(shù)據(jù)采集單元、控制單元等組成，用來完成對(duì)液壓站、液壓缸等進(jìn)行控制和提供工作電源，并對(duì)人工后坐試驗(yàn)的復(fù)進(jìn)時(shí)間、復(fù)進(jìn)速度、抽筒速度、開閂速度等參數(shù)以及瞄準(zhǔn)機(jī)打滑力矩和炮口松動(dòng)量等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、控制、處理、顯示結(jié)果等操作。

2.1 傳感器

傳感器用于對(duì)位移、壓力等信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。其中，位移傳感器用來測(cè)量火炮復(fù)進(jìn)過程中的復(fù)進(jìn)時(shí)間和復(fù)進(jìn)速度，同時(shí)采集火炮的人工后坐距離作為控制依據(jù)。氣壓傳感器用于測(cè)量復(fù)進(jìn)機(jī)的氣壓，通過計(jì)算可以得到復(fù)進(jìn)機(jī)液量。激光傳感器對(duì)炮閂開閂時(shí)的位移進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)時(shí)間求微分可得閂體開閂速度。光電傳感器用于測(cè)量抽筒速度。壓力傳感器用于測(cè)量高低機(jī)和方向機(jī)的打滑力矩以及推動(dòng)火炮人工后坐時(shí)所需的推力。

2.2 數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集單元主要由A/D 轉(zhuǎn)換、微控制器以及485 通訊接口構(gòu)成，為了在不與PC 機(jī)相連的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所以需要擴(kuò)展外部FLASH 來存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)與程序。擴(kuò)展數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)I/O 口使采集過程更加方便。數(shù)據(jù)采集單元的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集單元的結(jié)構(gòu)

A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇應(yīng)根據(jù)采集的精度、速率、通道數(shù)等元素進(jìn)行選擇。為了使采集系統(tǒng)更加靈活實(shí)用，應(yīng)選擇比較通用的A/D 轉(zhuǎn)換芯片。本采集系統(tǒng)采用了AD 公司的AD571，它是一款多輸入范圍的10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換，需要電壓源15 V，輸入的范圍為0 ～10 V 與-5 ～+5 V 這2 種。

數(shù)據(jù)采集單元的微控制器采用CYPRESS 公司的CY7C6801356 腳的EZ-USB 控制芯片。它集成了1 個(gè)增強(qiáng)型的8051、1 個(gè)智能USB 串口接口引擎、1 個(gè)USB 數(shù)據(jù)收發(fā)器、3 個(gè)8 位I/O 口、16 位地址線、8 位數(shù)據(jù)線和1 個(gè)口。增強(qiáng)型的8051 內(nèi)核完全與標(biāo)準(zhǔn)的8051 兼容，而性能可達(dá)標(biāo)準(zhǔn)8051 的3 倍以上。CY7C68013 內(nèi)部有16k 的程序與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，它提供了6 個(gè)端點(diǎn):端點(diǎn)0、端點(diǎn)1、端點(diǎn)2、端點(diǎn)4、端點(diǎn)6、端點(diǎn)8。在內(nèi)部數(shù)據(jù)區(qū)的0X200 到0Xfff 為端點(diǎn)分配一定大小的數(shù)據(jù)區(qū)作為端點(diǎn)的緩沖數(shù)據(jù)區(qū)。其中，端點(diǎn)0 是控制端點(diǎn)，64k 的緩沖區(qū)，系統(tǒng)通過端點(diǎn)0 來初始化EZ -USB。端點(diǎn)1 分為in 型端點(diǎn)1 和out 型端點(diǎn)1，兩者的緩沖區(qū)分開。端點(diǎn)2、端點(diǎn)4、端點(diǎn)6、端點(diǎn)8 為大小可以配置的類型可配置的緩沖端點(diǎn)，系統(tǒng)可以直接對(duì)其進(jìn)行操作。

2.3 控制單元

PC 平臺(tái)是控制單元的核心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理、控制決策及控制輸出。與單片機(jī)控制的驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行串口通信并發(fā)送動(dòng)作指令，控制火炮動(dòng)作激勵(lì)平臺(tái)按照各指標(biāo)檢測(cè)的需要產(chǎn)生動(dòng)作激勵(lì)。

對(duì)于單片機(jī)控制的驅(qū)動(dòng)模塊，為了能實(shí)現(xiàn)對(duì)人工后坐速度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，滿足動(dòng)態(tài)測(cè)試的模擬環(huán)境，可以使用三極管、場(chǎng)效應(yīng)管等開關(guān)元件實(shí)現(xiàn)調(diào)速。設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路

2.3.1 輸入與電平轉(zhuǎn)換部分

輸入信號(hào)線由DATA 引入，1 腳是地線，其余是信號(hào)線。注意1 腳對(duì)地連接了1 個(gè)2 kΩ 的電阻。當(dāng)驅(qū)動(dòng)板和單片機(jī)分別供電時(shí)，這個(gè)電阻可以提供信號(hào)電流回流的通路。當(dāng)驅(qū)動(dòng)板與單片機(jī)共用1 組電源時(shí)，這個(gè)電阻可以防止大電流沿著連線流入單片機(jī)主板的地線造成干擾。

高速運(yùn)放KF347(也可以用TL084)的作用是比較器，把輸入邏輯信號(hào)同來自指示燈和1 個(gè)二極管的2.7 V 基準(zhǔn)電壓比較，轉(zhuǎn)換成接近功率電源電壓幅度的方波信號(hào)。

2.3.2 柵極驅(qū)動(dòng)部分

后面三極管和電阻，穩(wěn)壓管組成的電路進(jìn)一步放大信號(hào)，驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管的柵極并利用場(chǎng)效應(yīng)管本身的柵極電容(大約1 000 pF)進(jìn)行延時(shí)。當(dāng)運(yùn)放輸出端為低電平時(shí)，下面的三極管截止，場(chǎng)效應(yīng)管截止。上面的三極管截止，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，輸出為低電平。

上面的分析是靜態(tài)的，下面討論開關(guān)轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)過程:三極管導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于2 kΩ，因此三極管由截止轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管柵極電容上的電荷可以迅速釋放，場(chǎng)效應(yīng)管迅速截止。但是三極管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)換到截止時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管柵極通過2 kΩ 電阻充電卻需要一定時(shí)間。相應(yīng)地，場(chǎng)效應(yīng)管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)換到截止的速度要比由截止轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通的速度快。假設(shè)2 個(gè)三極管的開關(guān)動(dòng)作是同時(shí)發(fā)生的，這個(gè)電路可以讓上下兩臂的場(chǎng)效應(yīng)管先斷后通，消除共態(tài)導(dǎo)通現(xiàn)象。

場(chǎng)效應(yīng)管柵極的12 V 穩(wěn)壓二極管用于防止場(chǎng)效應(yīng)管柵極過壓擊穿。一般的場(chǎng)效應(yīng)管柵極的耐壓是18 V 或20 V，直接加上24 V 電壓將會(huì)擊穿，因此這個(gè)穩(wěn)壓二極管不能用普通的二極管代替，但是可以用2 kΩ 的電阻代替，同樣能得到12 V 的分壓。

2.3.3 場(chǎng)效應(yīng)管輸出部分

場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)部在源極和漏極之間反向并聯(lián)有二極管，接成H 橋使用，輸出端并聯(lián)1 個(gè)小電容對(duì)降低閥門吸合時(shí)產(chǎn)生的尖峰電壓有一定的好處，但加這個(gè)電容的話，一定要用高耐壓的，普通的瓷片電容可能會(huì)出現(xiàn)擊穿短路的故障。輸出端并聯(lián)的由電阻和發(fā)光二極管，電容組成的電路指示閥門的工作狀態(tài)。

2.3.4 單片機(jī)及外圍接口電路組成

單片機(jī)的使用需要外圍接口電路，炮控盒的單片機(jī)及外圍接口電路如圖4 所示。

圖4 單片機(jī)及外圍接口電路組成

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)及流程設(shè)計(jì)

從系統(tǒng)工作流程來看檢測(cè)系統(tǒng)軟件分為主調(diào)度模塊和分系統(tǒng)測(cè)試模塊兩大部分。主調(diào)度模塊負(fù)責(zé)配置各分系統(tǒng)的檢測(cè)功能、查詢歷史、記錄數(shù)據(jù)、根據(jù)當(dāng)前裝備需要調(diào)用相應(yīng)的分系統(tǒng)測(cè)試模塊。分系統(tǒng)測(cè)試模塊對(duì)各技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行綜合檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果記入相應(yīng)數(shù)據(jù)庫。各分系統(tǒng)測(cè)試模塊相對(duì)獨(dú)立，主調(diào)度模塊通過動(dòng)態(tài)鏈接庫技術(shù)調(diào)用分系統(tǒng)測(cè)試模塊。

測(cè)試模塊將由輸入入口變量決定的待檢測(cè)項(xiàng)目與其檢測(cè)函數(shù)或需要的動(dòng)作函數(shù)對(duì)應(yīng)起來。測(cè)試時(shí)，當(dāng)達(dá)到指標(biāo)測(cè)試條件時(shí)，程序根據(jù)條件判斷，調(diào)用相關(guān)測(cè)試函數(shù)，完成該項(xiàng)目的測(cè)試，或調(diào)用相關(guān)動(dòng)作函數(shù)，為測(cè)試需要的條件做進(jìn)一步動(dòng)作。流程如圖5 所示。

4 結(jié)束語

基于動(dòng)態(tài)后坐的檢測(cè)方法很好地解決了火炮綜合性能指標(biāo)的獲取和測(cè)量，為火炮全面系統(tǒng)的健康狀況了解以及維修質(zhì)量的鑒定提供了條件。設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)大大提高了火炮的維修性，保障了裝備性能的完好發(fā)揮。其檢測(cè)速度快、效率高，得到了部隊(duì)修理分隊(duì)的充分肯定和好評(píng)。

圖5 測(cè)試模塊流程

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