吳克雄 邱洪亮

摘? 要：文章通過某型擺式積分加速度計（PIGA）的結(jié)構(gòu)，建立其誤差模型，分析了影響加速度計精度壽命的主要因素，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點提出延長加速度計精度壽命的可行性，對于增加加速度計的使用壽命，降低使用成本提供了參考。

關(guān)鍵詞：PIGA;誤差系數(shù);精度壽命

中圖分類號：TJ765? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）11-0117-03

Abstract： Based on the structure of a certain type of Pendulous Integrating Gyro Accelerometer（PIGA）， this paper establishes its error model， analyzes the main factors affecting the precision life of the accelerometer， and puts forward the feasibility of prolonging the precision life of the accelerometer according to its structural characteristics， which provides a reference for increasing the service life of the accelerometer and reducing the cost.

Keywords： PIGA; error coefficient; precision life

引言

擺式積分陀螺加速度計（PIGA），是一種利用陀螺力矩進行反饋的擺式加速度計。它的主要部分由陀螺儀、擺組件以及相關(guān)的回路組成。常用的二自由度陀螺儀是在其自轉(zhuǎn)軸上加一定的偏心質(zhì)量構(gòu)成。或者單自由度積分陀螺儀，在其自轉(zhuǎn)軸上加配重，形成一個擺式積分陀螺儀，再配以由力矩電機驅(qū)動的外環(huán)組件而構(gòu)成。它具有精度高、測量范圍寬、能自動積分的優(yōu)點[1，2]。但是，PIGA的構(gòu)成原理也決定了它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，加工生產(chǎn)工藝要求高，導(dǎo)致其生產(chǎn)周期長，成本高。因此延長PIGA精度壽命對于提高裝備的使用壽命，降低成本有著重要的意義。

1 陀螺加速度計結(jié)構(gòu)與誤差模型

某型靜壓液浮陀螺加速度計由表頭、伺服回路、輸出回路和變磁阻前放輸出電路構(gòu)成（如圖1）。

當(dāng)視加速度a沿著儀表外框架軸作用時，由于偏心質(zhì)量m的存在，在內(nèi)環(huán)軸上就產(chǎn)生慣性力矩mla。按照陀螺進動原理，這時陀螺組件便沿外環(huán)軸以角速度？琢進動，同時在內(nèi)框架軸上產(chǎn)生陀螺力矩H？琢。在穩(wěn)態(tài)條件下，陀螺力矩H？琢與慣性力矩mla相平衡，即

式中：？琢表示沿外環(huán)軸的進動角速度;H表示陀螺電機的角動量;m表示內(nèi)環(huán)組件的質(zhì)量;a表示沿儀表外環(huán)軸方向視加速度;l表示內(nèi)環(huán)組件質(zhì)心沿轉(zhuǎn)子主軸方向相對內(nèi)環(huán)軸的偏移量。

但在實際情況下，因受到外環(huán)軸上各種干擾力矩MX1的影響，角動量H將緩慢的向MX1矢量方向進動，使內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)角β逐漸增大，為確保陀螺轉(zhuǎn)子軸能始終與外環(huán)軸垂直（即β≈0），必須設(shè)法消除MX1的影響。當(dāng)加表受到MX1的影響而出現(xiàn)β角時，短路匝傳感器就會產(chǎn)生相應(yīng)的輸出，經(jīng)過伺服回路校正放大之后，反饋給力矩電機，產(chǎn)生一個MX1與大小相等、方向相反的修正力矩MD，以消除MX1的影響，保證H與外框架軸的垂直，確保儀表正常工作。

陀螺加表內(nèi)框架輸出方程為：

式中Kl=，為陀螺加速度計的比例系數(shù)，K0為加速度無關(guān)項系數(shù)。

根據(jù)上式，K1的誤差因素可表示為：

？駐m是檢測質(zhì)量的變化，主要由陀螺電機滾珠軸承中潤滑油和定子繞組中粘結(jié)物的揮發(fā)等因素引起，變化量很小，可以忽略;？駐H是陀螺電機角動量的變化，主要由溫度變化、陀螺電機電源頻率不穩(wěn)定以及軸承摩擦力矩變化引起;？駐l是擺長的變化，主要由浮子質(zhì)心的變化引起[3]。

2 陀螺加速度計精度壽命影響因素分析

根據(jù)公式（2）和公式（3）可知，陀螺加速度計的精度包括K0、K1兩部分，其中K0為與加速度無關(guān)項，K1為與加速度有關(guān)項。

影響陀螺加速度計K0精度壽命的主要因素是儀表內(nèi)環(huán)軸上干擾力矩的穩(wěn)定性，儀表內(nèi)環(huán)軸上的干擾力矩主要有液浮軸承的干擾力矩、軟導(dǎo)線的干擾力矩及浮液中有氣泡產(chǎn)生的干擾力矩。液浮軸承的干擾力矩，受浮液的溫度狀態(tài)、螺旋泵的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定狀態(tài)影響較大;軟導(dǎo)線的干擾力矩，受軟導(dǎo)線的形狀狀態(tài)、位置穩(wěn)定狀態(tài)影響為主;充油質(zhì)量不好，油中會出現(xiàn)氣泡，會對內(nèi)環(huán)軸產(chǎn)生干擾力矩，影響到加表K0精度壽命。

影響儀表K1精度壽命的主要因素是加速度計內(nèi)環(huán)質(zhì)心的穩(wěn)定性。浮子質(zhì)心的變化，主要受馬達軸裝配應(yīng)力變化和滾珠軸承磨損。

（1）從裝配結(jié)構(gòu)上來看（如圖3），馬達的固定采用了鋁V型支架、鋁壓板、高比重合金壓板、鋼螺釘這些零件，這幾種零件材料熱膨脹系數(shù)存在較大差異，這種差異在測試周期中高低溫度交替變化的情況下，會導(dǎo)致該處結(jié)構(gòu)的微變，即影響到浮子質(zhì)心的穩(wěn)定性。

（2）當(dāng)加速度計長時間工作后，內(nèi)環(huán)組件內(nèi)的滾珠軸承馬達會出現(xiàn)機械磨損，軸承滾道發(fā)生變化，進而導(dǎo)致擺性發(fā)生變化，直接制約加速度計精度壽命。

3 電機壽命理論分析

陀螺加速度計采用的是滾珠軸承的馬達（如圖3），馬達以30000r/min的恒定轉(zhuǎn)速在浮子內(nèi)旋轉(zhuǎn)，高速旋轉(zhuǎn)過程中存在機械磨損問題，通電時間較長后，滾珠軸承馬達的質(zhì)心發(fā)生變化，進而引起浮子質(zhì)心變化，導(dǎo)致陀螺加速度計一次項精度超差，不滿足技術(shù)指標要求。綜上所述，陀螺加速度計的通電時間壽命主要取決于電機軸承的壽命。

滾珠軸承理論壽命計算公式[4]如下：

式中：Lh表示額定壽命（h）;C表示額定動載荷;P表示當(dāng)量動載荷;ε表示壽命指數(shù);n表示工作轉(zhuǎn)速。

根據(jù)軸承廠家提供的出廠參數(shù)及軸承的實際工作工況，C=104N，P=0.5N，ε=3，n=30000r/min，代入式（4）求得本滾珠軸承的理論壽命約為13000h。

陀螺加速度計精度變化與質(zhì)心變化關(guān)系如下式：

根據(jù)式（5）求解可得：滾珠軸承在運轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)質(zhì)心變化0.07μm時，將引起陀螺加速度計精度超差，因此陀螺加速度計需考核滾珠軸承的精度壽命，其精度壽命受環(huán)境溫度、力學(xué)等影響，低于理論壽命值。根據(jù)經(jīng)驗，取精度壽命系數(shù)0.25，求得滾珠軸承的精度壽命約為3000h。

4 驗證試驗

綜上所述，影響陀螺加速度計精度壽命的主要為陀螺電機滾珠軸承的精度壽命和馬達軸裝配應(yīng)力變化。采取試驗驗證確定其精度壽命，馬達采取通電考核的方式，裝配應(yīng)力采取環(huán)境試驗的方式。

抽取陀螺電機、陀螺加速度計開展累計通電時間2000h的跑合試驗，跑合試驗結(jié)束后開展環(huán)境試驗，對陀螺加速度計的通電時間壽命進行進一步驗證。

4.1 陀螺電機試驗

陀螺電機的精度性能主要受質(zhì)心偏移影響，通過動不平衡度表示[5]。抽取6只陀螺電機，試驗前進行常溫性能測試，然后開展連續(xù)通電6h，累計通電2000h的摸底試驗，每100h測試1次常溫電機性能和動不平衡度，直到完成2000h或壽命失效為止。

陀螺電機試驗中，其動不平衡度變化曲線（≤0.0003g.cm2）如圖4所示。

由圖4可知：

（1）6只陀螺電機跑合試驗常溫測試結(jié)果均滿足技術(shù)條件要求，且各指標參數(shù)保持穩(wěn)定狀態(tài)，沒有大的突跳，表明陀螺電機工作性能穩(wěn)定。

（2）6只陀螺電機在跑合過程中，動不平衡度基本未變，滿足技術(shù)指標要求，表明陀螺電機跑合過程中質(zhì)心穩(wěn)定。

4.2 靜壓液浮陀螺加速度計試驗

抽取4只陀螺加速度計（編號分別為10#、20#、30#、40#），試驗前進行一次高溫50℃六位置精度測試;然后開展連續(xù)通電6h，累計通電時間2000h的摸底試驗，每200h進行一次高溫50℃六位置精度測試;壽命試驗結(jié)束后進行一組短穩(wěn)精度測試。

K0、K1變化量如表1，短穩(wěn)精度測試結(jié)果如圖5、6所示。

由表1、圖5、圖6可以看出：

（1）跑合試驗后儀表短穩(wěn)測試精度均達到10-6量級，優(yōu)于技術(shù)指標要求的10-5量級。

（2）4只陀螺加速度計跑合試驗中，K0、K1變化量均滿足技術(shù)指標要求，表明K0、K1在跑合過程中保持穩(wěn)定。

4.3 環(huán)境試驗

壽命跑合試驗完成后，對此6只陀螺電機和4只例試陀螺加速度計開展了環(huán)境試驗，環(huán)境試驗項目包括：阻值及絕緣檢查、絕緣強度檢查、隨機振動試驗、溫度循環(huán)試驗、聲振試驗、恒加速度試驗、沖擊試驗、低氣壓試驗、運輸試驗、濕熱試驗。

試驗結(jié)果均滿足技術(shù)條件要求，表明陀螺電機和陀螺加速度計在2000h跑合后，依然能承受大量級環(huán)境、力學(xué)等惡劣條件的考驗。

5 結(jié)論

通過陀螺加速度計壽命理論分析及對陀螺電機、陀螺加速度計的驗證試驗，表明某型陀螺加速度計能夠達到累計通電時間2000h。綜合考慮陀螺加速度計生產(chǎn)、加工和調(diào)試等出廠前的工作，某型陀螺加速度計的累計通電時間能夠從1000h提高到1500h。這對于使用該型加速度計的慣性平臺系統(tǒng)而言，可以增加整個系統(tǒng)的精度壽命，降低維護成本。

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