履帶裝甲車輛移動(dòng)式測(cè)功車檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

寧初明， 晁智強(qiáng)， 韓壽松， 劉相波， 靳 瑩

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系， 北京 100072)

履帶裝甲車輛移動(dòng)式測(cè)功車檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

寧初明， 晁智強(qiáng)， 韓壽松， 劉相波， 靳 瑩

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系， 北京 100072)

針對(duì)當(dāng)前履帶裝甲車輛動(dòng)力性能檢測(cè)手段相對(duì)落后、測(cè)試誤差較大等問(wèn)題，根據(jù)履帶裝甲車輛動(dòng)力性能檢測(cè)原和動(dòng)力測(cè)試特點(diǎn)，研發(fā)了一套移動(dòng)式測(cè)功車檢測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)車性能測(cè)試。結(jié)果表明：該檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試誤差相對(duì)較小，其高準(zhǔn)確性和可靠性為履帶裝甲車輛動(dòng)力性能的檢測(cè)提供了有力的技術(shù)支持。

測(cè)功車; 履帶裝甲車輛; 底盤輸出功率

動(dòng)力性能是履帶裝甲車輛最重要的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能之一，直接關(guān)系到裝備的機(jī)動(dòng)性能，是裝備動(dòng)用及維修保障的重要依據(jù)。移動(dòng)式測(cè)功車作為研究和檢測(cè)評(píng)價(jià)車輛動(dòng)力性能的重要試驗(yàn)設(shè)備，在車輛研發(fā)與性能評(píng)估等方面有著極其重要的作用[1-3]。

由于履帶裝甲車輛功率大，履帶結(jié)構(gòu)又難以采用滾筒式原地加載方式進(jìn)行檢測(cè)，因此目前主要采用人工道路試車的定性評(píng)估和原地?zé)o負(fù)荷測(cè)功2種方式進(jìn)行檢測(cè)[2, 4]。上述檢測(cè)方法易受檢測(cè)場(chǎng)地、主觀經(jīng)驗(yàn)及人為因素的影響，檢測(cè)結(jié)果誤差大，難以準(zhǔn)確有效地對(duì)裝備動(dòng)力性能進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)。筆者根據(jù)履帶裝甲車輛動(dòng)力性能檢測(cè)原理，并結(jié)合裝甲車輛動(dòng)力測(cè)試特點(diǎn)，設(shè)計(jì)研發(fā)了一套移動(dòng)式測(cè)功車檢測(cè)系統(tǒng)，以期為檢測(cè)評(píng)價(jià)履帶裝甲車輛動(dòng)力性能提供技術(shù)支持。

1 動(dòng)力性能檢測(cè)原理

車輛動(dòng)力性能是指車輛行駛過(guò)程中的車速、最大加速能力和最大爬坡能力等[1],通常用車輛底盤輸出最大驅(qū)動(dòng)功率作為動(dòng)力性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。移動(dòng)式測(cè)功車檢測(cè)系統(tǒng)以拖車或車輛車橋?yàn)榛A(chǔ)平臺(tái)裝載阻力加載裝置，通過(guò)改變加載阻力的大小來(lái)模擬被測(cè)車輛的行駛負(fù)荷[4]。測(cè)試時(shí)，被測(cè)車輛牽引測(cè)功拖車，通過(guò)電渦流測(cè)功器加載相應(yīng)的行駛負(fù)荷，從而使其在平坦的試驗(yàn)路面上模擬被測(cè)車輛的行駛負(fù)荷[2]。移動(dòng)式測(cè)功車與被測(cè)履帶裝甲車輛組成的檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 移動(dòng)式測(cè)功車與被測(cè)履帶裝甲車輛組成的檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 牽引力測(cè)量原理

車輛在道路上行駛時(shí)需要克服坡度、空氣、加速等方面的阻力，其總阻力Fr為[5-6]

Fr=Ff+Fω+Fi+Fa,

(1)

式中：Ff為滾動(dòng)阻力；Fω為空氣阻力；Fi為坡度阻力；Fa為加速阻力。

本試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，所選道路均為水平路面，不存在坡道阻力，故其牽引力Fd可表示為

Fd=Ff+Fω+Fi+Fa+Fgf+Fgω+Fgi+Fga+Fl，

(2)

式中：Fgf為掛車滾動(dòng)阻力；Fgω為掛車空氣阻力；Fgi為掛車坡度阻力；Fga為掛車加速阻力；Fl為系統(tǒng)加載阻力。

車輛進(jìn)行測(cè)試時(shí)，被測(cè)車輛的牽引力通過(guò)被測(cè)車輛與測(cè)試系統(tǒng)掛車間的力測(cè)量裝置傳遞到掛車上的測(cè)控裝置，傳感器測(cè)量的力即為車輛牽引力，其方向與車輛行駛方向平行。測(cè)試時(shí)，將車輛節(jié)氣門開度加至最大，控制系統(tǒng)根據(jù)指令調(diào)節(jié)加載阻力，當(dāng)車輛的加速阻力為零(即車輛行駛速度穩(wěn)定在一定速度值)時(shí)，所測(cè)得的牽引力即為車輛最大牽引力。

1.2 底盤輸出最大功率測(cè)量原理

車輛在道路上行駛時(shí)，不僅牽引力和行駛阻力要保持相互平衡，也要使底盤輸出功率和車輛阻力消耗功率一直保持平衡[2, 6-8]，即車輛底盤輸出功率始終等于車輛的全部運(yùn)動(dòng)阻力所消耗的功率。底盤輸出最大功率是實(shí)際克服行駛阻力的最大能力，是車輛動(dòng)力性評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。底盤輸出功率構(gòu)成如圖2所示。

圖2 底盤輸出功率構(gòu)成

車輛的全部運(yùn)動(dòng)阻力所消耗的功率包括車輛及掛車的滾動(dòng)阻力功率、空氣阻力功率、坡道阻力功率和加速阻力功率，在本試驗(yàn)系統(tǒng)中還包括系統(tǒng)的加載阻力功率。其車輛底盤輸出功率Pd表達(dá)式為

Pd=Pf+Pω+Pa+Pi+Pgf+Pgω+Pgi+Pga+P1,

(3)

式中：Pf為車輛滾動(dòng)阻力功率；Pω為空氣阻力功率；Pa為加速阻力功率；Pi為坡度阻力功率Pgf為掛車滾動(dòng)阻力功率；Pgω為掛車空氣阻力功率；Pgi為掛車坡度阻力功率；Pga為掛車加速阻力功率；Pl為掛車加載阻力功率。

根據(jù)測(cè)量得到的最大牽引力Fd-max及相應(yīng)的行駛車速v，可計(jì)算得到車輛的底盤最大輸出功率Pd-max為

Pd-max=Fd-max·v。

(4)

2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證對(duì)履帶裝甲車輛動(dòng)力性能進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)所需數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，根據(jù)動(dòng)力性能的檢測(cè)原理，并結(jié)合裝甲車輛動(dòng)力性能測(cè)試特點(diǎn)，選用工業(yè)加載專用底盤作為整套設(shè)備的載體，并分別設(shè)計(jì)了測(cè)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)、無(wú)線通訊系統(tǒng)和操作引導(dǎo)系統(tǒng)等功能模塊，其系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)組成

2.1 加載專用底盤

加載專用底盤作為檢測(cè)系統(tǒng)的基本載體，不僅要將被測(cè)車輛的功率傳遞到檢測(cè)系統(tǒng)，還要承擔(dān)車輛制動(dòng)的任務(wù)，且其最大制動(dòng)能力決定于底盤的附著總重量，因此在底盤上裝載了相應(yīng)的配重塊來(lái)滿足測(cè)試時(shí)的制動(dòng)要求。同時(shí)，根據(jù)電渦流器的工作轉(zhuǎn)速范圍，確定合理的傳動(dòng)比，并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的升速器及機(jī)械連接裝置[9-10]。加載專用底盤組成如圖4所示。

圖4 加載專用底盤組成

履帶裝甲車輛因其作業(yè)環(huán)境的特殊性，要克服的工作阻力很大且相對(duì)復(fù)雜，本文根據(jù)被測(cè)車輛的性能要求，并結(jié)合實(shí)際測(cè)試牽引力和輸出功率范圍，合理選用相應(yīng)的底盤和測(cè)功器等測(cè)試模塊，底盤參數(shù)如表1所示。

表1 底盤參數(shù)

2.2 測(cè)控系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)主要根據(jù)輸入指令來(lái)控制系統(tǒng)的加載阻力，并實(shí)時(shí)傳輸和接收數(shù)據(jù)，從而完成對(duì)被牽引車輛的速度和牽引力的測(cè)量，其系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5 測(cè)控系統(tǒng)組成

測(cè)控模塊首先將加載專用底盤的傳感器信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理，然后利用無(wú)線通信模塊將經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的牽引力數(shù)字量和速度數(shù)字量發(fā)送給操作引導(dǎo)模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)管模塊。遠(yuǎn)程監(jiān)管模塊則先將待測(cè)車輛的信息發(fā)送給操作引導(dǎo)模塊，在接收測(cè)控模塊發(fā)送來(lái)的牽引力與速度數(shù)值后，根據(jù)牽引力和速度的大小發(fā)送相應(yīng)的控制命令給測(cè)控模塊和操作引導(dǎo)模塊。測(cè)控模塊根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊發(fā)送來(lái)的控制命令通過(guò)數(shù)字PID算法對(duì)加載專用底盤上的電渦流器進(jìn)行相應(yīng)的加載，使其達(dá)到與實(shí)際值相匹配的期望值。移動(dòng)式測(cè)功車進(jìn)行履帶裝甲車輛動(dòng)力性能檢測(cè)的流程如圖6所示。

圖6 履帶裝甲車輛動(dòng)力性能檢測(cè)流程

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證測(cè)功車測(cè)試性能的準(zhǔn)確性和可靠性，筆者選用美科斯FD40T 內(nèi)燃平衡重式叉車作為被測(cè)車輛，其主要性能參數(shù)如表2所示。在理論設(shè)定的牽引力為1 600 N、速度為10 km/h的恒速控制方式下，對(duì)測(cè)功車分別進(jìn)行了2組牽引力和速度測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果分別如圖7、8所示。

從圖7、8可以看出：測(cè)試牽引力維持在1 550～1 700 N，測(cè)試速度因道路不平整等原因，存在一定的波動(dòng)，但基本維持在9.8～10.2 km/h，測(cè)試相對(duì)誤差均控制在5%以內(nèi)，試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值與設(shè)定值基本保持一致。

表2 美科斯FD40T 內(nèi)燃平衡重式叉車主要性能參數(shù)

圖7 恒速測(cè)試時(shí)牽引力曲線

圖8 恒速測(cè)試時(shí)速度曲線

4 結(jié)論

根據(jù)履帶裝甲車輛動(dòng)力性能檢測(cè)特點(diǎn)，以加載專用底盤為基本載體，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的移動(dòng)式測(cè)功車檢測(cè)系統(tǒng)，且其檢測(cè)測(cè)試誤差相對(duì)較小，從而可為實(shí)現(xiàn)精確可靠的履帶裝甲車輛底盤輸出功率等動(dòng)力性能的檢測(cè)提供技術(shù)支持。下一步將以移動(dòng)測(cè)功車為依托，開展不同履帶裝甲車輛的動(dòng)力性能測(cè)試，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，從而為科學(xué)評(píng)定裝甲車輛動(dòng)力性能提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

[1] 陳俊杰，趙全欣，吳耘.國(guó)內(nèi)外負(fù)荷車概況[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,1998,4(4):46-50.

[2] 周希軍.汽車試驗(yàn)負(fù)荷拖車的研制 [D] .南京:南京理工大學(xué),2009.

[3] 王天穎,項(xiàng)昌樂,李明喜,等.負(fù)荷車試驗(yàn)系統(tǒng)的模糊自適應(yīng)PID控制[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,39(6):997-1000.

[4] 田力軍.道路模擬試驗(yàn)臺(tái)及其控制策略研究[J].流體傳動(dòng)與控制, 2011,8(5):16-19.

[5] 劉俊承.車輛指標(biāo)論證力學(xué)支持系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].大連:大連理工大學(xué),2005.

[6] 趙瑋,王強(qiáng),李艷峰,等.基于底盤測(cè)功車的輪式工程機(jī)械底盤動(dòng)力性能測(cè)試[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào),2011,9(3):347-350.

[7] 王曉蓮. 運(yùn)用汽車底盤測(cè)功機(jī)檢測(cè)車輛動(dòng)力性研究[J]. 廣東科技, 2012,3(5):189-190.

[8] 余志生.汽車?yán)碚揫M].5版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[9] Bowman J E, Law E H. A Feasibility Study of an Automotive Slip Control Braking System [J]. SAE Technical Paper, 1993,7(6):59-62.

[10] 曲博野, 陳鋼.基于電渦流測(cè)功車的負(fù)荷車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 創(chuàng)新技術(shù), 2012,36(12):48-49.

(責(zé)任編輯: 尚菲菲)

Detection System Design for Mobile Dynamometer Vehicle of Tracked Armored Vehicle

NING Chu-ming, CHAO Zhi-qiang, HAN Shou-song, LIU Xiang-bo, JIN Ying

(Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Aiming at the problem that the current performance test method of tracked armored vehicle is backward and the error of test result is relatively large, the detection principle of dynamic performance of armored vehicle is analyzed, a detection system of mobile dynamometer vehicle is developed, and some experiments are taken. The results show that the error of test result is relatively small, which means that the system can provide an effective support for the detection of dynamic performance of tracked armored vehicle.

dynamometer vehicle; tracked armored vehicle; dynamo output power

1672-1497(2015)06-0040-04

2015-09-19

軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目

寧初明(1990-)，男，博士研究生。

TJ81+0.6

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.06.008