鄧方藝，劉思超

（中國空空導(dǎo)彈研究院 河南 洛陽 471009）

陀螺穩(wěn)定平臺(tái)在環(huán)境試驗(yàn)條件下性能惡化是空空導(dǎo)彈型號(hào)研制中要解決的重大技術(shù)問題。平臺(tái)在常溫時(shí)盡管能達(dá)到很高的性能，但在高低溫、振動(dòng)等環(huán)境試驗(yàn)[1]條件下穩(wěn)定平臺(tái)的性能有著不同程度的下降，甚至造成產(chǎn)品的失效。大量試驗(yàn)和理論分析表明，陀螺穩(wěn)定平臺(tái)在環(huán)境試驗(yàn)時(shí)的失效與陀螺的聲音有密切關(guān)系。通過對(duì)陀螺聲音的分析和研究，減少由于產(chǎn)品關(guān)鍵元器件失效造成的損失，對(duì)提高陀螺穩(wěn)定平臺(tái)在環(huán)境試驗(yàn)條件下，尤其是壽命條件下的可靠性有著十分重要的意義和價(jià)值。

1 陀螺穩(wěn)定平臺(tái)工作的簡要原理

陀螺穩(wěn)定平臺(tái)實(shí)際是由一個(gè)三自由度陀螺儀作為敏感元件的雙軸穩(wěn)定平臺(tái)。在陀螺儀的內(nèi)、外環(huán)上分別安裝有角傳感器和力矩器。在平臺(tái)的內(nèi)、外環(huán)軸上分別安裝一臺(tái)伺服直流電機(jī)，并在殼體上配置伺服電路、功率放大器和傳動(dòng)放大器。利用陀螺儀的基本特性：定軸性和進(jìn)動(dòng)性，即可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的穩(wěn)定和目標(biāo)的跟蹤。

為了說明穩(wěn)定的物理過程，給出陀螺穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖中：H——陀螺動(dòng)量矩；

ASy，ASz——沿陀螺外環(huán)軸、內(nèi)環(huán)軸的角傳感器；

TSУ，TSz——沿陀螺外環(huán)軸、內(nèi)環(huán)軸的力矩器；

圖1 陀螺穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the gyro stabilized platform

MУ，Mz——沿平臺(tái)外環(huán)軸、內(nèi)環(huán)軸的傳動(dòng)電機(jī)；

K——放大器；

設(shè)起始時(shí)平臺(tái)與三自由度陀螺儀外環(huán)平面保持一致，陀螺儀動(dòng)量矩矢量垂直與平臺(tái)平面，則此時(shí)角傳感器ASУ，和ASz輸出為零，一旦導(dǎo)彈彈體相對(duì)Y通道存在干擾角速度如時(shí)，平臺(tái)將繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由于陀螺在空間的定軸性，在平臺(tái)臺(tái)體與陀螺外環(huán)間將產(chǎn)生失調(diào)角αΓ，角傳感器ASУ將輸出正比于此失調(diào)角的信號(hào)，經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)電機(jī)MУ轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)平臺(tái)以Y繞Y軸反方向旋轉(zhuǎn)，使平臺(tái)恢復(fù)到原先的位置（同時(shí)角傳感器ASУ輸出的失調(diào)角信號(hào)也減小到零，這樣就保持了平臺(tái)對(duì)Y通道的穩(wěn)定，Z通道的穩(wěn)定與Y通道一樣）。

平臺(tái)依靠Y、Z二條穩(wěn)定回路始終跟隨著陀螺在慣性空間的位置，也就實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)的空間穩(wěn)定，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中天線是用連桿與平臺(tái)相連，這樣就實(shí)現(xiàn)了天線的空間穩(wěn)定，在整個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)中，陀螺儀只起著提供一個(gè)坐標(biāo)基準(zhǔn)的作用。

2 陀螺聲音對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)影響原理分析

由于三自由度陀螺儀是平臺(tái)中最重要的器件，其性能不僅影響導(dǎo)引頭的跟蹤角速度、平臺(tái)的漂移、相對(duì)穩(wěn)定性，甚至影響和決定全彈的壽命。三自由度陀螺儀中的殼體、外環(huán)、內(nèi)環(huán)等零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高，加工周期長。一般情況下其要經(jīng)過毛胚鑄造—粗加工—精加工—組合加工—裝配—測(cè)試等環(huán)節(jié)。在精度要求上，例如殼體、外環(huán)和內(nèi)環(huán)軸承孔精度和相應(yīng)的位置度精度，軸精度可達(dá)5級(jí)，孔精度為6級(jí)。在精度測(cè)量上，最佳的方法是用三坐標(biāo)測(cè)量儀進(jìn)行測(cè)量。

陀螺啟動(dòng)時(shí)，馬達(dá)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速從靜止逐步提高，如果馬達(dá)的轉(zhuǎn)速與平臺(tái)產(chǎn)生諧振[2-3]，陀螺將會(huì)出現(xiàn)聲音的變化，影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，使系統(tǒng)易于損壞。伺服機(jī)械結(jié)構(gòu)是伺服系統(tǒng)[4]的控制對(duì)象，也是伺服系統(tǒng)的重要組成部分，當(dāng)產(chǎn)品的諧振頻率過低時(shí)，將會(huì)對(duì)產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)造成損傷，隨著環(huán)境試驗(yàn)將進(jìn)一步加劇產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的磨損。因此，通過對(duì)產(chǎn)品聲音的研究，早期剔除不合格品，可以提高產(chǎn)品的可靠性。

在對(duì)伺服系統(tǒng)分析時(shí)，將執(zhí)行電機(jī)[5]至控制對(duì)象之間的機(jī)械傳動(dòng)看成是絕對(duì)剛性傳動(dòng)。當(dāng)控制對(duì)象的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不大，系統(tǒng)跟蹤角加速度不高，而傳動(dòng)制造的剛度較大時(shí)，可以忽略彈性扭轉(zhuǎn)變形。但如果轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[6]較大時(shí)，系統(tǒng)通頻帶又比較寬，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中傳動(dòng)軸的彈性扭轉(zhuǎn)變形將造成明顯滯后，傳動(dòng)裝置在傳遞運(yùn)動(dòng)[7]時(shí)就會(huì)含有儲(chǔ)能的元件。由于它速度阻尼小，其傳遞特性將出現(xiàn)較高的諧振峰，形成機(jī)械諧振，從而對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生較大影響。甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定，在某型諧振頻率下還可能損壞精密的慣性器件。機(jī)械諧振是由轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和傳動(dòng)裝置的材料、結(jié)構(gòu)及尺寸等因素決定的。剛性越差，機(jī)械諧振頻率就越低。通常伺服系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)裝置都具有一個(gè)諧振頻率，但有的不止一個(gè)諧振頻率。

對(duì)于陀螺聲音的差異現(xiàn)象，一個(gè)陀螺由30多個(gè)組件和近百個(gè)零件組成，每個(gè)零組件各有自己的固有振動(dòng)頻率，在陀螺電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的激勵(lì)下，會(huì)有不同的振動(dòng)反應(yīng)。當(dāng)某一零組件的振動(dòng)頻率接近陀螺電機(jī)的振動(dòng)頻率時(shí)，振動(dòng)會(huì)強(qiáng)烈一些，陀螺通電發(fā)出的聲音成份也會(huì)相應(yīng)變化。而對(duì)于同一種陀螺產(chǎn)品之間的聲音有大有小的現(xiàn)象，陀螺通電工作的聲音是否異常和陀螺性能、壽命之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 陀螺聲音對(duì)平臺(tái)影響試驗(yàn)驗(yàn)證

我們認(rèn)為，陀螺聲音的差異能夠部分表征陀螺內(nèi)部裝配的差異，聲音明顯偏大且不平穩(wěn)的陀螺盡管性能滿足要求，但陀螺電機(jī)軸承由于摩擦?xí)饾u損耗，可靠性必然不如聲音平穩(wěn)的陀螺，應(yīng)在裝配過程中和出廠前對(duì)聲音加嚴(yán)控制。從我們對(duì)陀螺聲音的測(cè)試情況來看，受目前條件限制無法對(duì)陀螺聲音差異制定具體的判別標(biāo)準(zhǔn)，只能采取專人專聽的辦法控制陀螺聲音的差異。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了陀螺聲音的測(cè)試方法，并結(jié)合產(chǎn)品實(shí)際情況進(jìn)行了驗(yàn)證，獲得了較好的效果。

設(shè)置35670動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀的工作頻率為聽覺范圍頻率：20～20 000 Hz；，將陀螺固裝于穩(wěn)定平臺(tái)內(nèi)，放在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上；將聲音傳感器固定在距陀螺50 mm處，測(cè)試過程中保持傳感器與陀螺的距離不變；采集背景聲音；陀螺加電，采集聲音。為便于對(duì)比，對(duì)可能存在故障隱患的產(chǎn)品進(jìn)行了多次測(cè)試。測(cè)得的聲音頻譜和背景聲音測(cè)試結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 陀螺聲音頻譜測(cè)試圖Fig.2 Testing diagram of the gyro voice spectrum

圖3 陀螺背景聲音頻譜測(cè)試圖Fig.3 Testing diagram of the gyro background voice spectrum

從以上結(jié)果曲線來看，背景聲音影響到測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)將背景噪聲成分從測(cè)得的聲壓中扣除。因此準(zhǔn)確測(cè)量分析應(yīng)該保證測(cè)試環(huán)境的低噪聲，減小背景聲音的影響，并要確定背景噪聲對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的修正值；根據(jù)《GJB673-89陀螺電機(jī)通用規(guī)范》中的規(guī)定，電機(jī)不通電時(shí)，在寬頻帶1/3倍頻程和窄頻帶范圍內(nèi)，一般環(huán)境噪聲比電機(jī)在該頻帶下的最大噪聲至少低14 dB。由數(shù)據(jù)結(jié)果曲線中可以看到，陀螺測(cè)試時(shí)的總聲壓與背景聲壓相比，并無明顯區(qū)別，但是，在低頻段（20～1 000 Hz）聲音：由圖2陀螺測(cè)試的采樣數(shù)據(jù)曲線可以看到，低頻段數(shù)據(jù)變化較大；對(duì)比一個(gè)陀螺的全部測(cè)試結(jié)果，低頻段數(shù)據(jù)隨機(jī)性較大；結(jié)合背景聲音的測(cè)試數(shù)據(jù)，可以看到，在自然環(huán)境下進(jìn)行陀螺聲音測(cè)試，該產(chǎn)品低頻段數(shù)據(jù)變大且存在較大的隨機(jī)性。通過專用的測(cè)試分析儀器及測(cè)試分析工具，說明該產(chǎn)品性能存在不穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

三自由度陀螺在機(jī)械裝配過程中很難保裝配的一致性，可能在裝配中存在假間隙。經(jīng)過穩(wěn)定平臺(tái)的高低溫試驗(yàn)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，使陀螺軸向存在的假間隙得以顯現(xiàn)。而軸向間隙變大使陀螺質(zhì)心偏移，產(chǎn)生不穩(wěn)定的隨機(jī)有害力矩，該力矩使陀螺漂移性能超差。通過對(duì)陀螺聲音的分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，可以判定陀螺性能是否存在問題，從而避開由于陀螺故障導(dǎo)致穩(wěn)定平臺(tái)的失效。

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