液浮陀螺仪故障分析范文

《仪表技术杂志》2015年第二期

1故障机理分析

坦克炮控系统液浮陀螺仪故障主要有陀螺仪电机失效、组合传感器功能下降、电机噪声与振动过大等，这些故障可能来源于设计、制造过程，也可能受使用情况的影响，本文将首先从陀螺仪结构的五个部分具体分析故障机理。

1．1陀螺电机陀螺电机高速旋转为陀螺仪提供角动量，它由定子、转子和轴承三部分组成。日常生产实践表明，陀螺的工作寿命在很大程度上依赖于陀螺电机的寿命，而电机能否正常工作主要由轴承决定，现将分析不同故障现象对应的故障机理。1)电机无法启动液浮陀螺多采用两相或三相磁滞电机，随着陀螺的长期使用，电机转子磁性可能退化，导致电机无法启动运转。电机失效也可能源于电机轴承的污染，这两类污染是:(1)电机及浮子中的可挥发物，在陀螺工作温度及高速气流的作用下挥发出来，并凝聚在轴承表面，逐渐增大其摩擦系数，当污染物凝集到一定程度时，可导致电机无法启动。(2)电机零部件在加工过程中接触到油剂，油剂浸渗到零部件缝隙中，在气动力作用下，从缝隙中溢出，装配后若未彻底清除，其残留物在电机运转过程中流到轴承表面，电机停转后，由于气压差，该油剂将转子部件与定位轴的轴承吸住，导致电机无法启动。2)电机噪声、振动过大随着陀螺仪工作时间的延长，电机在运转中可能产生剧烈的噪声与振动，甚至卡死，这源于轴承的磨损或永久变形。(1)轴承磨损，磨损是结构材料的逐渐流失。经过长时间的高速运转，陀螺电机转子轴承中各材料成分可能发生反应，且轴承间会出现少油或油沉淀现象，此时轴承的润滑就不是完全的油润滑，接触摩擦力大大增加，引起局部发热，进而影响保持架的稳定性，加剧滚珠与保持架的磨损，导致轴承失效，电机噪声和振动增大。(2)轴承永久变形，过量永久变形是轴承结构件在力的作用下发生不可逆转的变形。陀螺仪频繁启动和制动时，轴承将会不断承受外界强烈的冲击和振动，最终导致轴承永久变形。

1．2组合传感器组合传感器包括角度传感器和力矩器，它们是液浮陀螺仪中的反馈测量元件。角度传感器可将陀螺绕框架轴的转角转换为成比例的电信号，力矩器则将电信号转换为力矩，对陀螺仪的转子和惯性质量摆产生必要的平衡力矩，下面将分别分析角度传感器和力矩器。1)角度传感器角度传感器有电磁式、电容式等多种形式，此处以四级微动同步器式角度传感器为例说明，传感器总的输出电压为。理想情况下，当转子的机械位置对称于定子时，输出电压应为零，但由于尺寸的不对称，磁性材料的不均匀，不同输出绕组的感应电压大小不完全相等，相位不完全相等或相反，实际零点电压并不为零。并且，伴随陀螺工作环境的改变，空气导磁率μ是会改变的，陀螺反复振荡也会导致气隙径向长度h的变化。因此，由式(1)计算得到的传感器输出电压值并不准确，继而导致力矩器产生的平衡力矩也不准。以上诸多因素均会造成角度传感器工作性能下降。2)力矩器目前应用最普遍的是微动同步式力矩器和永磁式力矩器，此处以永磁式力矩器分析说明，磁场作用于线圈的总力矩为:。随着陀螺的使用，各部分摩擦生热，温度改变，继而影响气隙磁感应强度B，可见，必须选用高稳定性磁钢进行稳定性处理，并进行适当的温度补偿。在使用过程中，力矩器不可避免的会出现某些非理想的因素，比如由于结构或磁路不对称引起的定子各极作用在转子上的径向力差;永磁材料性能变化;永磁动圈型力矩器内的软导线引起引线干扰力矩;角度传感器输入值的不准确等，这些因素均会造成力矩器工作性能下降。

1．3辅助系统辅助系统主要由密封结构、悬浮液组成。密封结构可防止漏油、漏气，但随着陀螺仪使用时间的延长，密封胶可能老化，密封结构性能下降。悬浮液是液浮陀螺特有的悬浮介质，充满于浮筒和壳体之间，当整个浮筒的平均密度与悬浮液密度相等时，陀螺组件便浮起来，这样，陀螺框架便不承受重力，只起定位作用，可见悬浮液对于液浮陀螺能否正常工作起着极其重要的作用。陀螺壳体组装好后，需要在高温情况下充液，在此过程中不能带入任何杂质和气体。同时，陀螺仪长期使用时会放出热量，致使温度升高，车体振动也可能导致浮液分解或挥发，这些都会引发浮液密度的改变，引入不平衡力矩，继而后续角速度与角度测量值也会变得不准确。

1．4温控系统温控系统由伺服电路和温控电路组成，用于严格控制陀螺温度，上文已分析浮液密度稳定的重要性，正是温控系统保证了陀螺内部温度的恒定和密度的稳定。当感温元件和电路出现异常时，必然导致陀螺误差，严重的会引起陀螺失效。

1．5支承系统支承系统主要由壳体、浮子框架、宝石轴承三部分组成，提供陀螺仪的支承与定位。该部分故障一般来源于设计制造阶段，如零部件加工制造不良，精度不够;零件材质不良，强度不够;设计不合理，应力集中。这些故障大都可以在生产和装配阶段经特殊的检测或计量手段及时发现并得以更正，实际中，陀螺因支承系统问题而引发故障的情况非常少。以上从组成液浮陀螺仪的五个部分具体分析了故障机理，然而，液浮陀螺仪最常见的故障状况———陀螺仪漂移过大，其故障机理复杂，可能产生故障的部件较多，下面将单独分析。陀螺仪漂移是衡量陀螺仪精度的主要指标，一般包含常值漂移和随机漂移。常值漂移一般在系统初始校准的过程中加以补偿，随机漂移是围绕某一固定值μ作无规律变化的随机量，多种原因导致陀螺仪漂移过大。1)经过长时间高速运转，陀螺电机转子轴承会出现磨损和发热，因磨损产生的轴承间隙会使陀螺转子的重心偏离其支架中心而产生重力和惯性干扰力矩，使陀螺产生正比于偏心大小的漂移误差。2)装甲车辆加速运行以及剧烈振动，造成陀螺仪中陀螺电机自转轴方向的偏移及浮子组件输入轴向的漂移，从而引起输出漂移误差。3)温度的变化往往会影响陀螺仪的静平衡变化，如果陀螺仪各零部件所用的材料的膨胀系数不同，温度变化时热胀冷缩的程度也不一样，从而导致陀螺仪中心偏离，产生不平衡干扰力矩，继而产生漂移误差。4)陀螺长期使用后，传感器、力矩器、陀螺电机等部件会产生电磁干扰，形成电磁干扰力矩，引发漂移误差。

2FMEA分析

在故障机理分析的基础上，对陀螺仪进行故障模式及影响度分析(FMEA)，得到结果如表1所示。5结论新型坦克炮控系统采用液浮陀螺仪控制火炮的稳定，本文从液浮陀螺仪组成结构的五个部分详细分析了其可能产生的故障以及故障机理。使用炮控系统时，若遇到陀螺仪故障，该文有助于维修人员准确判断故障部位，迅速恢复武器装备的战斗力。在下步工作中，笔者将进行陀螺仪各项数据指标的采集与处理，从数据角度深入分析炮控系统液浮陀螺仪的故障机理。

作者：韩斌苏奎峰单位：装甲兵工程学院控制工程系