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《儀表技術雜志》2015年第二期

1故障機理分析

坦克炮控系統液浮陀螺儀故障主要有陀螺儀電機失效、組合傳感器功能下降、電機噪聲與振動過大等，這些故障可能來源于設計、制造過程，也可能受使用情況的影響，本文將首先從陀螺儀結構的五個部分具體分析故障機理。

1．1陀螺電機陀螺電機高速旋轉為陀螺儀提供角動量，它由定子、轉子和軸承三部分組成。日常生產實踐表明，陀螺的工作壽命在很大程度上依賴于陀螺電機的壽命，而電機能否正常工作主要由軸承決定，現將分析不同故障現象對應的故障機理。1)電機無法啟動液浮陀螺多采用兩相或三相磁滯電機，隨著陀螺的長期使用，電機轉子磁性可能退化，導致電機無法啟動運轉。電機失效也可能源于電機軸承的污染，這兩類污染是:(1)電機及浮子中的可揮發物，在陀螺工作溫度及高速氣流的作用下揮發出來，并凝聚在軸承表面，逐漸增大其摩擦系數，當污染物凝集到一定程度時，可導致電機無法啟動。(2)電機零部件在加工過程中接觸到油劑，油劑浸滲到零部件縫隙中，在氣動力作用下，從縫隙中溢出，裝配后若未徹底清除，其殘留物在電機運轉過程中流到軸承表面，電機停轉后，由于氣壓差，該油劑將轉子部件與定位軸的軸承吸住，導致電機無法啟動。2)電機噪聲、振動過大隨著陀螺儀工作時間的延長，電機在運轉中可能產生劇烈的噪聲與振動，甚至卡死，這源于軸承的磨損或永久變形。(1)軸承磨損，磨損是結構材料的逐漸流失。經過長時間的高速運轉，陀螺電機轉子軸承中各材料成分可能發生反應，且軸承間會出現少油或油沉淀現象，此時軸承的潤滑就不是完全的油潤滑，接觸摩擦力大大增加，引起局部發熱，進而影響保持架的穩定性，加劇滾珠與保持架的磨損，導致軸承失效，電機噪聲和振動增大。(2)軸承永久變形，過量永久變形是軸承結構件在力的作用下發生不可逆轉的變形。陀螺儀頻繁啟動和制動時，軸承將會不斷承受外界強烈的沖擊和振動，最終導致軸承永久變形。

1．2組合傳感器組合傳感器包括角度傳感器和力矩器，它們是液浮陀螺儀中的反饋測量元件。角度傳感器可將陀螺繞框架軸的轉角轉換為成比例的電信號，力矩器則將電信號轉換為力矩，對陀螺儀的轉子和慣性質量擺產生必要的平衡力矩，下面將分別分析角度傳感器和力矩器。1)角度傳感器角度傳感器有電磁式、電容式等多種形式，此處以四級微動同步器式角度傳感器為例說明，傳感器總的輸出電壓為。理想情況下，當轉子的機械位置對稱于定子時，輸出電壓應為零，但由于尺寸的不對稱，磁性材料的不均勻，不同輸出繞組的感應電壓大小不完全相等，相位不完全相等或相反，實際零點電壓并不為零。并且，伴隨陀螺工作環境的改變，空氣導磁率μ是會改變的，陀螺反復振蕩也會導致氣隙徑向長度h的變化。因此，由式(1)計算得到的傳感器輸出電壓值并不準確，繼而導致力矩器產生的平衡力矩也不準。以上諸多因素均會造成角度傳感器工作性能下降。2)力矩器目前應用最普遍的是微動同步式力矩器和永磁式力矩器，此處以永磁式力矩器分析說明，磁場作用于線圈的總力矩為:。隨著陀螺的使用，各部分摩擦生熱，溫度改變，繼而影響氣隙磁感應強度B，可見，必須選用高穩定性磁鋼進行穩定性處理，并進行適當的溫度補償。在使用過程中，力矩器不可避免的會出現某些非理想的因素，比如由于結構或磁路不對稱引起的定子各極作用在轉子上的徑向力差;永磁材料性能變化;永磁動圈型力矩器內的軟導線引起引線干擾力矩;角度傳感器輸入值的不準確等，這些因素均會造成力矩器工作性能下降。

1．3輔助系統輔助系統主要由密封結構、懸浮液組成。密封結構可防止漏油、漏氣，但隨著陀螺儀使用時間的延長，密封膠可能老化，密封結構性能下降。懸浮液是液浮陀螺特有的懸浮介質，充滿于浮筒和殼體之間，當整個浮筒的平均密度與懸浮液密度相等時，陀螺組件便浮起來，這樣，陀螺框架便不承受重力，只起定位作用，可見懸浮液對于液浮陀螺能否正常工作起著極其重要的作用。陀螺殼體組裝好后，需要在高溫情況下充液，在此過程中不能帶入任何雜質和氣體。同時，陀螺儀長期使用時會放出熱量，致使溫度升高，車體振動也可能導致浮液分解或揮發，這些都會引發浮液密度的改變，引入不平衡力矩，繼而后續角速度與角度測量值也會變得不準確。

1．4溫控系統溫控系統由伺服電路和溫控電路組成，用于嚴格控制陀螺溫度，上文已分析浮液密度穩定的重要性，正是溫控系統保證了陀螺內部溫度的恒定和密度的穩定。當感溫元件和電路出現異常時，必然導致陀螺誤差，嚴重的會引起陀螺失效。

1．5支承系統支承系統主要由殼體、浮子框架、寶石軸承三部分組成，提供陀螺儀的支承與定位。該部分故障一般來源于設計制造階段，如零部件加工制造不良，精度不夠;零件材質不良，強度不夠;設計不合理，應力集中。這些故障大都可以在生產和裝配階段經特殊的檢測或計量手段及時發現并得以更正，實際中，陀螺因支承系統問題而引發故障的情況非常少。以上從組成液浮陀螺儀的五個部分具體分析了故障機理，然而，液浮陀螺儀最常見的故障狀況———陀螺儀漂移過大，其故障機理復雜，可能產生故障的部件較多，下面將單獨分析。陀螺儀漂移是衡量陀螺儀精度的主要指標，一般包含常值漂移和隨機漂移。常值漂移一般在系統初始校準的過程中加以補償，隨機漂移是圍繞某一固定值μ作無規律變化的隨機量，多種原因導致陀螺儀漂移過大。1)經過長時間高速運轉，陀螺電機轉子軸承會出現磨損和發熱，因磨損產生的軸承間隙會使陀螺轉子的重心偏離其支架中心而產生重力和慣性干擾力矩，使陀螺產生正比于偏心大小的漂移誤差。2)裝甲車輛加速運行以及劇烈振動，造成陀螺儀中陀螺電機自轉軸方向的偏移及浮子組件輸入軸向的漂移，從而引起輸出漂移誤差。3)溫度的變化往往會影響陀螺儀的靜平衡變化，如果陀螺儀各零部件所用的材料的膨脹系數不同，溫度變化時熱脹冷縮的程度也不一樣，從而導致陀螺儀中心偏離，產生不平衡干擾力矩，繼而產生漂移誤差。4)陀螺長期使用后，傳感器、力矩器、陀螺電機等部件會產生電磁干擾，形成電磁干擾力矩，引發漂移誤差。

2FMEA分析

在故障機理分析的基礎上，對陀螺儀進行故障模式及影響度分析(FMEA)，得到結果如表1所示。5結論新型坦克炮控系統采用液浮陀螺儀控制火炮的穩定，本文從液浮陀螺儀組成結構的五個部分詳細分析了其可能產生的故障以及故障機理。使用炮控系統時，若遇到陀螺儀故障，該文有助于維修人員準確判斷故障部位，迅速恢復武器裝備的戰斗力。在下步工作中，筆者將進行陀螺儀各項數據指標的采集與處理，從數據角度深入分析炮控系統液浮陀螺儀的故障機理。

作者：韓斌蘇奎峰單位：裝甲兵工程學院控制工程系