魏小林 劉 勇 吳 躍 張 璁

(北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076)

某飛行器鐵路運(yùn)輸環(huán)境測(cè)試系統(tǒng)研究

魏小林 劉 勇 吳 躍 張 璁

(北京航天計(jì)量測(cè)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(dòng)、沖擊、溫濕度等環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量，后續(xù)通過(guò)車(chē)載分析系統(tǒng)對(duì)采集的海量測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)批處理，得到振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)域和頻域分析、溫濕度及車(chē)速等信息。測(cè)量分析數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過(guò)減振處理的火車(chē)運(yùn)輸支架對(duì)飛行器運(yùn)輸起到很好的減振效果，保障了運(yùn)輸過(guò)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(guò)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(huì)對(duì)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(zhuān)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(duì)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(guò)程中的安全。采集過(guò)程中，采集設(shè)備分別安置在不同級(jí)的箱體內(nèi)，將傳感器安裝在飛行器敏感的測(cè)量位置，然后通過(guò)線纜插接在采集器上，采集設(shè)備的供電通常由乘務(wù)車(chē)的發(fā)電機(jī)組進(jìn)行供電，實(shí)時(shí)采集的測(cè)量數(shù)據(jù)由網(wǎng)線傳輸至乘務(wù)車(chē)的筆記本電腦，由監(jiān)測(cè)人員實(shí)時(shí)監(jiān)控飛行器在運(yùn)輸過(guò)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(chǔ)存和分析。有效實(shí)現(xiàn)了某飛行器分級(jí)運(yùn)輸，同步采集的能力，并且支持長(zhǎng)時(shí)間海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。在完成全部的數(shù)據(jù)采集后，可實(shí)現(xiàn)力學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)域、頻域信號(hào)分析，全程的速度測(cè)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(píng)價(jià)鐵路運(yùn)輸過(guò)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^(guò)程中，分一級(jí)和二級(jí)兩部分拆分運(yùn)輸，分別通過(guò)上下包環(huán)固定在專(zhuān)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(guò)程中帶來(lái)較大的沖擊和振動(dòng)?；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(pán)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、GPS、振動(dòng)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(pán)、GPS放置在乘務(wù)車(chē)廂中，二級(jí)保溫運(yùn)輸箱內(nèi)和一級(jí)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(chē)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(chē)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(cè)量系統(tǒng)利用車(chē)載220V交流電源進(jìn)行供電，車(chē)載電源經(jīng)過(guò)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(chē)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(dòng)傳感器、應(yīng)變傳感器、溫濕度傳感器分別對(duì)相應(yīng)測(cè)試點(diǎn)處的沖擊、振動(dòng)、應(yīng)變、溫濕度參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

由兩套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別對(duì)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(guò)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(pán)，網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)備份，避免筆記本中的數(shù)據(jù)丟失造成測(cè)試失敗。筆記本電腦作為整個(gè)運(yùn)輸環(huán)境測(cè)量系統(tǒng)的主控端服務(wù)器，通過(guò)TCP/IP向兩套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送命令控制開(kāi)始、停止采集等，并存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)，利用測(cè)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(cè)試結(jié)束后通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)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(chǔ)，用于記錄對(duì)應(yīng)的行車(chē)時(shí)間、車(chē)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(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)飛行器運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)的要求，運(yùn)輸過(guò)程中監(jiān)測(cè)沖擊振動(dòng)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(dòng)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(guò)頻域分析得出敏感頻率的響應(yīng)情況。在二級(jí)保溫箱的前端安裝有溫濕度傳感器，監(jiān)測(cè)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(jí)采集器和二級(jí)采集器分別安裝在各自的保溫箱中，通過(guò)同步電纜連接，同步采集振動(dòng)信號(hào)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在筆記本電腦和網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)中。運(yùn)輸環(huán)境測(cè)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(jí)從采集器、二級(jí)主采集器、電腦和網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)通過(guò)交換機(jī)組成局域網(wǎng)，在啟動(dòng)采集系統(tǒng)后，為采集器及存儲(chǔ)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(dòng)傳感器和沖擊傳感器對(duì)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(cè)量要求為：振動(dòng)信號(hào)測(cè)量范圍(0.5～200)Hz[3]，(0～15)g，沖擊測(cè)量范圍為(0.5～200)Hz，(0～30)g。在信號(hào)采集時(shí)，采樣頻率至少

大于輸入信號(hào)的2倍，因此飛行器運(yùn)輸監(jiān)測(cè)一般選擇振動(dòng)沖擊信號(hào)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(duì)采集的監(jiān)測(cè)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(kāi)發(fā)平臺(tái)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(cè)量和控制系統(tǒng)。運(yùn)輸過(guò)程中采集的信息包括振動(dòng)、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(cè)車(chē)廂配備了GPS，可以實(shí)時(shí)采集列車(chē)運(yùn)行的經(jīng)緯度及其計(jì)算火車(chē)行進(jìn)速度，并與振動(dòng)沖擊信號(hào)進(jìn)行同步采集，可實(shí)現(xiàn)與力學(xué)測(cè)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(chē)速信息，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在電腦和網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)中。以橫坐標(biāo)時(shí)間為同一橫坐標(biāo)軸，振動(dòng)和沖擊測(cè)量的最大值，可以在分析軟件中對(duì)應(yīng)當(dāng)時(shí)的經(jīng)緯度和車(chē)速，便于分析是否由于剎車(chē)，鐵道接縫等原因帶來(lái)的振動(dòng)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(dòng)沖擊較大的路段，適當(dāng)預(yù)先降低車(chē)速，減小振動(dòng)和沖擊對(duì)飛行器的損傷。

(2)在分析軟件中選擇關(guān)注的測(cè)點(diǎn)通道，設(shè)置查詢(xún)時(shí)間段，可對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的整個(gè)歷程進(jìn)行自動(dòng)批處理，無(wú)需手動(dòng)查詢(xún)，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(guò)程中的振動(dòng)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(guò)鐵路運(yùn)輸運(yùn)至試驗(yàn)靶場(chǎng)，總體監(jiān)測(cè)要求需記錄全程振動(dòng)、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(dòng)及沖擊的加速度頻率為500Hz。通過(guò)對(duì)全程數(shù)據(jù)的監(jiān)控和分析，火車(chē)的行進(jìn)速度不超過(guò)80km/h,保溫箱內(nèi)溫度控制在0℃～20℃之間，振動(dòng)加速度峰值不超過(guò)1g，沖擊加速度峰值不超過(guò)2g，滿足某飛行器鐵路運(yùn)輸對(duì)運(yùn)輸環(huán)境的要求。如圖4所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

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(guò)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(chē)廂實(shí)時(shí)觀測(cè)測(cè)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(cè)量結(jié)果可得出某飛行器運(yùn)輸支架測(cè)點(diǎn)的垂向(Z向)大于橫向(X向)的振動(dòng)，這與列車(chē)的運(yùn)輸狀態(tài)相符，如列車(chē)經(jīng)過(guò)鐵軌接縫或路面不平時(shí)均會(huì)引起垂向振動(dòng)。

(2)一級(jí)和二級(jí)運(yùn)輸支架的振動(dòng)沖擊量級(jí)響應(yīng)基本一致，而二級(jí)中間位置無(wú)包環(huán)的輔助支撐處的振動(dòng)量級(jí)大于前后支撐架處的振動(dòng)量級(jí)，這與輔助支撐的支架活動(dòng)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(dòng)幅度較大。

(3)一級(jí)和二級(jí)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(dòng)的高頻減振效果較為顯著，有效的降低了振動(dòng)沖擊對(duì)產(chǎn)品的影響。

[1] 馬興瑞，韓增堯等編寫(xiě).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(dòng)校準(zhǔn)現(xiàn)狀及發(fā)展綜述[J].宇航計(jì)測(cè)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(chǔ)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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