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《儀表技術(shù)雜志》2015年第二期
1故障機(jī)理分析
坦克炮控系統(tǒng)液浮陀螺儀故障主要有陀螺儀電機(jī)失效、組合傳感器功能下降、電機(jī)噪聲與振動(dòng)過(guò)大等，這些故障可能來(lái)源于設(shè)計(jì)、制造過(guò)程，也可能受使用情況的影響，本文將首先從陀螺儀結(jié)構(gòu)的五個(gè)部分具體分析故障機(jī)理。
1．1陀螺電機(jī)陀螺電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)為陀螺儀提供角動(dòng)量，它由定子、轉(zhuǎn)子和軸承三部分組成。日常生產(chǎn)實(shí)踐表明，陀螺的工作壽命在很大程度上依賴(lài)于陀螺電機(jī)的壽命，而電機(jī)能否正常工作主要由軸承決定，現(xiàn)將分析不同故障現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的故障機(jī)理。1)電機(jī)無(wú)法啟動(dòng)液浮陀螺多采用兩相或三相磁滯電機(jī)，隨著陀螺的長(zhǎng)期使用，電機(jī)轉(zhuǎn)子磁性可能退化，導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)失效也可能源于電機(jī)軸承的污染，這兩類(lèi)污染是:(1)電機(jī)及浮子中的可揮發(fā)物，在陀螺工作溫度及高速氣流的作用下?lián)]發(fā)出來(lái)，并凝聚在軸承表面，逐漸增大其摩擦系數(shù)，當(dāng)污染物凝集到一定程度時(shí)，可導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法啟動(dòng)。(2)電機(jī)零部件在加工過(guò)程中接觸到油劑，油劑浸滲到零部件縫隙中，在氣動(dòng)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中流到軸承表面，電機(jī)停轉(zhuǎn)后，由于氣壓差，該油劑將轉(zhuǎn)子部件與定位軸的軸承吸住，導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法啟動(dòng)。2)電機(jī)噪聲、振動(dòng)過(guò)大隨著陀螺儀工作時(shí)間的延長(zhǎng)，電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中可能產(chǎn)生劇烈的噪聲與振動(dòng)，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(jié)構(gòu)材料的逐漸流失。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，陀螺電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承中各材料成分可能發(fā)生反應(yīng)，且軸承間會(huì)出現(xiàn)少油或油沉淀現(xiàn)象，此時(shí)軸承的潤(rùn)滑就不是完全的油潤(rùn)滑，接觸摩擦力大大增加，引起局部發(fā)熱，進(jìn)而影響保持架的穩(wěn)定性，加劇滾珠與保持架的磨損，導(dǎo)致軸承失效，電機(jī)噪聲和振動(dòng)增大。(2)軸承永久變形，過(guò)量永久變形是軸承結(jié)構(gòu)件在力的作用下發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變形。陀螺儀頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)，軸承將會(huì)不斷承受外界強(qiáng)烈的沖擊和振動(dòng)，最終導(dǎo)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(cè)量元件。角度傳感器可將陀螺繞框架軸的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為成比例的電信號(hào)，力矩器則將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為力矩，對(duì)陀螺儀的轉(zhuǎn)子和慣性質(zhì)量擺產(chǎn)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(jí)微動(dòng)同步器式角度傳感器為例說(shuō)明，傳感器總的輸出電壓為。理想情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)子的機(jī)械位置對(duì)稱(chēng)于定子時(shí)，輸出電壓應(yīng)為零，但由于尺寸的不對(duì)稱(chēng)，磁性材料的不均勻，不同輸出繞組的感應(yīng)電壓大小不完全相等，相位不完全相等或相反，實(shí)際零點(diǎn)電壓并不為零。并且，伴隨陀螺工作環(huán)境的改變，空氣導(dǎo)磁率μ是會(huì)改變的，陀螺反復(fù)振蕩也會(huì)導(dǎo)致氣隙徑向長(zhǎng)度h的變化。因此，由式(1)計(jì)算得到的傳感器輸出電壓值并不準(zhǔn)確，繼而導(dǎo)致力矩器產(chǎn)生的平衡力矩也不準(zhǔn)。以上諸多因素均會(huì)造成角度傳感器工作性能下降。2)力矩器目前應(yīng)用最普遍的是微動(dòng)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(shuō)明，磁場(chǎng)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(yīng)強(qiáng)度B，可見(jiàn)，必須選用高穩(wěn)定性磁鋼進(jìn)行穩(wěn)定性處理，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償。在使用過(guò)程中，力矩器不可避免的會(huì)出現(xiàn)某些非理想的因素，比如由于結(jié)構(gòu)或磁路不對(duì)稱(chēng)引起的定子各極作用在轉(zhuǎn)子上的徑向力差;永磁材料性能變化;永磁動(dòng)圈型力矩器內(nèi)的軟導(dǎo)線引起引線干擾力矩;角度傳感器輸入值的不準(zhǔn)確等，這些因素均會(huì)造成力矩器工作性能下降。
1．3輔助系統(tǒng)輔助系統(tǒng)主要由密封結(jié)構(gòu)、懸浮液組成。密封結(jié)構(gòu)可防止漏油、漏氣，但隨著陀螺儀使用時(shí)間的延長(zhǎng)，密封膠可能老化，密封結(jié)構(gòu)性能下降。懸浮液是液浮陀螺特有的懸浮介質(zhì)，充滿(mǎn)于浮筒和殼體之間，當(dāng)整個(gè)浮筒的平均密度與懸浮液密度相等時(shí)，陀螺組件便浮起來(lái)，這樣，陀螺框架便不承受重力，只起定位作用，可見(jiàn)懸浮液對(duì)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(guò)程中不能帶入任何雜質(zhì)和氣體。同時(shí)，陀螺儀長(zhǎng)期使用時(shí)會(huì)放出熱量，致使溫度升高，車(chē)體振動(dòng)也可能導(dǎo)致浮液分解或揮發(fā)，這些都會(huì)引發(fā)浮液密度的改變，引入不平衡力矩，繼而后續(xù)角速度與角度測(cè)量值也會(huì)變得不準(zhǔn)確。
1．4溫控系統(tǒng)溫控系統(tǒng)由伺服電路和溫控電路組成，用于嚴(yán)格控制陀螺溫度，上文已分析浮液密度穩(wěn)定的重要性，正是溫控系統(tǒng)保證了陀螺內(nèi)部溫度的恒定和密度的穩(wěn)定。當(dāng)感溫元件和電路出現(xiàn)異常時(shí)，必然導(dǎo)致陀螺誤差，嚴(yán)重的會(huì)引起陀螺失效。
1．5支承系統(tǒng)支承系統(tǒng)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(lái)源于設(shè)計(jì)制造階段，如零部件加工制造不良，精度不夠;零件材質(zhì)不良，強(qiáng)度不夠;設(shè)計(jì)不合理，應(yīng)力集中。這些故障大都可以在生產(chǎn)和裝配階段經(jīng)特殊的檢測(cè)或計(jì)量手段及時(shí)發(fā)現(xiàn)并得以更正，實(shí)際中，陀螺因支承系統(tǒng)問(wèn)題而引發(fā)故障的情況非常少。以上從組成液浮陀螺儀的五個(gè)部分具體分析了故障機(jī)理，然而，液浮陀螺儀最常見(jiàn)的故障狀況———陀螺儀漂移過(guò)大，其故障機(jī)理復(fù)雜，可能產(chǎn)生故障的部件較多，下面將單獨(dú)分析。陀螺儀漂移是衡量陀螺儀精度的主要指標(biāo)，一般包含常值漂移和隨機(jī)漂移。常值漂移一般在系統(tǒng)初始校準(zhǔn)的過(guò)程中加以補(bǔ)償，隨機(jī)漂移是圍繞某一固定值μ作無(wú)規(guī)律變化的隨機(jī)量，多種原因?qū)е峦勇輧x漂移過(guò)大。1)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)轉(zhuǎn)，陀螺電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承會(huì)出現(xiàn)磨損和發(fā)熱，因磨損產(chǎn)生的軸承間隙會(huì)使陀螺轉(zhuǎn)子的重心偏離其支架中心而產(chǎn)生重力和慣性干擾力矩，使陀螺產(chǎn)生正比于偏心大小的漂移誤差。2)裝甲車(chē)輛加速運(yùn)行以及劇烈振動(dòng)，造成陀螺儀中陀螺電機(jī)自轉(zhuǎn)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(huì)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(shù)不同，溫度變化時(shí)熱脹冷縮的程度也不一樣，從而導(dǎo)致陀螺儀中心偏離，產(chǎn)生不平衡干擾力矩，繼而產(chǎn)生漂移誤差。4)陀螺長(zhǎng)期使用后，傳感器、力矩器、陀螺電機(jī)等部件會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，形成電磁干擾力矩，引發(fā)漂移誤差。
2FMEA分析
在故障機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，對(duì)陀螺儀進(jìn)行故障模式及影響度分析(FMEA)，得到結(jié)果如表1所示。5結(jié)論新型坦克炮控系統(tǒng)采用液浮陀螺儀控制火炮的穩(wěn)定，本文從液浮陀螺儀組成結(jié)構(gòu)的五個(gè)部分詳細(xì)分析了其可能產(chǎn)生的故障以及故障機(jī)理。使用炮控系統(tǒng)時(shí)，若遇到陀螺儀故障，該文有助于維修人員準(zhǔn)確判斷故障部位，迅速恢復(fù)武器裝備的戰(zhàn)斗力。在下步工作中，筆者將進(jìn)行陀螺儀各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)的采集與處理，從數(shù)據(jù)角度深入分析炮控系統(tǒng)液浮陀螺儀的故障機(jī)理。
作者：韓斌蘇奎峰單位：裝甲兵工程學(xué)院控制工程系