張凱，趙方超，王艷艷，黃波

環(huán)境及其效應(yīng)

基于偏離程度的某機械陀螺環(huán)境敏感參數(shù)分析

張凱，趙方超，王艷艷，黃波

（中國兵器工業(yè)第五九研究所，重慶 400039）

明確某機械陀螺在貯存環(huán)境下的環(huán)境敏感參數(shù)。以機械陀螺在熱加速老化試驗中的各項性能參數(shù)檢測結(jié)果為基礎(chǔ)，依次對各參數(shù)檢測數(shù)據(jù)進行能表征參數(shù)退化程度的無量綱轉(zhuǎn)化，分析參數(shù)相對于原始值的偏離程度以及環(huán)境敏感程度，偏離度最大的參數(shù)即為陀螺的主要環(huán)境敏感參數(shù)。解鎖誤差、接觸起始角、垂直漂移、水平漂移參數(shù)的偏離程度分別為1041.7、1248.3、1472.7、417.7。垂直漂移參數(shù)是該機械陀螺在貯存環(huán)境下的主要環(huán)境敏感參數(shù)。提出的分析方法可有效用于多參數(shù)產(chǎn)品的環(huán)境敏感參數(shù)分析。

機械陀螺；環(huán)境敏感參數(shù)；分析

某型機械陀螺是用于激光半主動末制導(dǎo)炮彈上的一個關(guān)鍵部件，具有“長期貯存，一次使用”的特點。其主要作用是通過測量并輸出彈丸的空間方位角信號，以保證彈丸在慣性制導(dǎo)階段按照固定的下滑角飛行，使炮彈能夠順利轉(zhuǎn)入末端制導(dǎo)飛行階段[1-2]。為了掌握機械陀螺在貯存過程中易受貯存環(huán)境影響、對環(huán)境較敏感的性能參數(shù)，進而支撐其性能退化規(guī)律研究和貯存壽命評估[3-5]，文中提出了一種基于偏離程度計算的多參數(shù)產(chǎn)品環(huán)境敏感參數(shù)分析方法，并以機械陀螺在模擬貯存環(huán)境下的恒溫加速老化試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，對陀螺的環(huán)境敏感參數(shù)進行了分析。

1 試驗

1.1 方法

機械陀螺作為一種高可靠、長壽命慣性器件，其在正常貯存環(huán)境下的性能退化是非常緩慢的。為了在較短時間內(nèi)獲得陀螺的貯存性能退化數(shù)據(jù)，進而支撐敏感參數(shù)分析，需開展機械陀螺的加速退化試驗。一般情況下，影響陀螺性能退化的環(huán)境因素通常有溫度、濕度、鹽霧、輻射、氣壓和大氣污染等。由于該機械陀螺位于制導(dǎo)控制艙內(nèi)部，隨彈貯存，同時控制艙采取了密封防護措施，隔絕了濕度、輻照等環(huán)境因素，所以其在貯存過程中所能接觸到的、對其性能有影響的環(huán)境因素主要是溫度[6-7]?；诖?，文中設(shè)計了一組機械陀螺的恒定溫度應(yīng)力加速試驗，根據(jù)陀螺中膠粘劑等高分子材料的耐溫特性，將應(yīng)力水平設(shè)定為100 ℃。

1.2 性能參數(shù)

該機械陀螺主要有四個性能參數(shù)，分別為解鎖誤差、接觸起始角、垂直漂移和水平漂移，各參數(shù)的指標(biāo)要求見表1。試驗過程中定期對各性能參數(shù)進行檢測。

表1 機械陀螺各參數(shù)指標(biāo)要求

Tab.1 Index requirement of mechanical gyroscope

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗結(jié)果

在恒溫試驗過程中，機械陀螺解鎖誤差、接觸起始角、垂直漂移和水平漂移參數(shù)與不同試驗時間對應(yīng)的檢測結(jié)果見表2。可以看出，解鎖誤差和垂直漂移參數(shù)隨試驗時間的延長表現(xiàn)出了一定的波動上升趨勢，接觸起始角和水平漂移參數(shù)隨試驗時間的延長表現(xiàn)出了一定的波動下降趨勢。

2.2 環(huán)境敏感參數(shù)分析方法

2.2.1 方法原理

目前，多性能參數(shù)產(chǎn)品在某一環(huán)境下的環(huán)境敏感參數(shù)分析方法主要有定性分析和定量分析兩種。前者由于沒有考慮參數(shù)的退化特性，且要求分析人員對產(chǎn)品有較深入的了解，因此分析結(jié)果具有一定的主觀性[8-11]。后者存在兩個缺點：一是沒有考慮參數(shù)的閾值，分析得出的參數(shù)可能是變化最大的參數(shù)，而不是退化程度最大的參數(shù)；二是該方法通過對比各參數(shù)在經(jīng)歷相同時間后的變化程度大小來確定參數(shù)對環(huán)境的敏感程度，不適用于各參數(shù)呈波動變化且趨勢線相互之間存在交叉的情況[12-14]。

表2 主要性能參數(shù)檢測結(jié)果

Tab.2 Test results of main performance parameters

針對上述方法的不足，提出了一種基于偏離程度的多參數(shù)產(chǎn)品環(huán)境敏感參數(shù)分析方法。首先通過對參數(shù)進行基于指標(biāo)要求的無量綱轉(zhuǎn)化[15-16]，使得轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)能直接反映出參數(shù)的退化程度，同時也使得量綱和數(shù)量級各不相同的參數(shù)之間具備了可比性。其次，對于每個參數(shù)，通過對轉(zhuǎn)化后的、與時間（試驗時間或貯存時間）對應(yīng)的一組無量綱數(shù)據(jù)進行相對于原始值的偏離程度統(tǒng)計分析，使得分析結(jié)果更能真實反映參數(shù)間的相對退化程度大小。根據(jù)參數(shù)相對退化程度大小，實現(xiàn)對環(huán)境敏感參數(shù)的識別。

2.2.2 分析流程

假設(shè)某一產(chǎn)品有個性能參數(shù)，在某一環(huán)境條件下，每個參數(shù)均有個與時間1,2,…,t對應(yīng)的檢測值（1<2<…<t）。

首先根據(jù)參數(shù)指標(biāo)要求，分別對各個參數(shù)的檢測數(shù)據(jù)進行能表征參數(shù)退化程度的無量綱轉(zhuǎn)化，使量綱和數(shù)量級各不相同的參數(shù)之間具備可比性，指標(biāo)形式不同，計算方法也不同。

1）單上限型指標(biāo)參數(shù)的無量綱處理按式（1）進行。

式中：x′為轉(zhuǎn)化后的無量綱數(shù)據(jù)；x為參數(shù)第次的檢測數(shù)值；min為該參數(shù)所有檢測值中的最小值；upper為參數(shù)的合格指標(biāo)上限值。

2）單下限型指標(biāo)參數(shù)的無量綱處理按式（2）進行。

式中：max為該參數(shù)所有檢測值中的最大值；lower為參數(shù)的合格指標(biāo)下限值。

3）區(qū)間型指標(biāo)參數(shù)的無量綱處理按式（3）進行。

以處理后的表征參數(shù)退化程度的無量綱數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按照式（4）分別對每個參數(shù)進行相對于原始值的偏離程度計算。

式中：為偏離程度；為參數(shù)在試驗過程中的檢測次數(shù)；0為參數(shù)在試驗前的原始值經(jīng)過無量綱化處理后的值。

以偏離程度計算結(jié)果作為衡量參數(shù)對環(huán)境敏感程度大小的依據(jù)。若某一參數(shù)的偏離程度計算數(shù)值均大于其他參數(shù)的計算值，則表明該參數(shù)的綜合退化程度最大，其即為產(chǎn)品在該特定環(huán)境下的環(huán)境敏感參數(shù)。

2.3 機械陀螺貯存環(huán)境敏感參數(shù)分析

2.3.1 性能參數(shù)無量綱轉(zhuǎn)化

由表1可知，解鎖誤差參數(shù)的指標(biāo)為單上限型，其余三個參數(shù)的指標(biāo)為區(qū)間型。因此，按照式（3）和式（5）分別對表2中所列機械陀螺各參數(shù)進行能表征參數(shù)退化程度的無量綱轉(zhuǎn)化，結(jié)果見表3。

表3 各參數(shù)隨試驗時間的退化程度計算結(jié)果

Tab.3 Degeneration degree of each parameter related to test time

2.3.2 偏離程度計算

為了找出機械陀螺在試驗過程中退化程度最大的參數(shù)，按照式（5）分別對表3中各參數(shù)偏離其原始值的程度大小進行計算。

經(jīng)計算，解鎖誤差、接觸起始角、垂直漂移、水平漂移參數(shù)的偏離程度分別為1041.7、1248.3、1472.7、417.7。由于垂直漂移參數(shù)的偏離程度計算值遠大于其余三個參數(shù)，說明機械陀螺在庫房貯存過程中，其垂直漂移參數(shù)是受溫度影響最大的環(huán)境敏感參數(shù)。

對在萬寧庫房隨彈貯存10年的同型號機械陀螺的各性能參數(shù)進行檢測，結(jié)果見表4?？梢钥闯?，陀螺垂直漂移參數(shù)和接觸起始角相比其他參數(shù)均表現(xiàn)出了較大程度的退化，這與通過加速貯存試驗分析所得的結(jié)果相吻合。

表4 機械陀螺萬寧庫房貯存性能檢測結(jié)果

Tab.4 Test results of storage performance of mechanical gyroscope in Wanning Warehouse (°)

3 結(jié)語

文中提出了一種針對多性能參數(shù)產(chǎn)品的環(huán)境敏感參數(shù)分析方法，該分析方法通過對參數(shù)進行基于參數(shù)指標(biāo)的無量綱轉(zhuǎn)化，使得轉(zhuǎn)化結(jié)果同時可以反映出參數(shù)的退化程度。通過引入偏離程度的概念，實現(xiàn)了對不同參數(shù)間退化程度相對大小的綜合定量表征。利用該方法對某激光末制導(dǎo)炮彈用機械陀螺的貯存環(huán)境敏感參數(shù)進行了分析，結(jié)果表明，垂直漂移參數(shù)是機械陀螺在貯存環(huán)境下的主要環(huán)境敏感參數(shù)，在對該機械陀螺進行性能退化規(guī)律分析和壽命評估時，應(yīng)重點關(guān)注垂直漂移參數(shù)。

[1] 劉建平. 激光末制導(dǎo)炮彈故障分析[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報, 2007, 27(5): 125-127. LIU Jian-ping. Failure Analyses for Laser Terminal Guided Projectile[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2007, 27(5): 125-127.

[2] 宋衛(wèi)東, 張進忠. 慣導(dǎo)陀螺零漂對末制導(dǎo)炮彈彈道性能的影響[J]. 南京理工大學(xué)學(xué)報, 2010, 34(2): 161-165. SONG Wei-dong, ZHANG Jin-zhong. Influence of Zero Drift of Inertial Guide Gyro on Trajectory Characteristics of Terminal Guide Shell[J]. Journal of Naming University of Science and Technology, 2010, 34(2): 161-165.

[3] 王長安, 牛躍聽, 穆希輝. 某型陀螺儀自然貯存壽命評估與加速壽命試驗時間預(yù)估[J]. 中國慣性技術(shù)學(xué)報, 2016, 24(5): 683-687. WANG Chang-an, NIU Yue-ting, MU Xi-hui. Prediction of Storage Life and Accelerated-life-testing Time for Gyroscope[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2016, 24(5): 683-687.

[4] 毛端海, 董金龍. 基于多元性能退化量光纖陀螺貯存壽命綜合評估[J]. 計算機測量與控制, 2014, 22(2): 446-449. MAO Duan-hai, DONG Jin-long. Comprehensive Assessment of FOG Storage Life Based on Multivariate Degradation Data[J]. Computer Measurement & Control, 2014, 22(2): 446-449.

[5] 潘廣澤, 黃創(chuàng)綿, 李小兵. 石英撓性加速度計貯存壽命評價方法研究[J]. 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗, 2016, 34(1): 11-14. PAN Guang-ze, HUANG Chuang-mian, LI Xiao-bing. Research on Storage Life Evaluation Method of Quartz Flexible Accelerometer[J]. Electronic Product Reliability and Environmental Testing, 2016, 34(1): 11-14.

[6] 趙鐵山, 齊杏林, 鄭波. 某制導(dǎo)彈藥電子延時器長貯退化原因探析[J]. 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗, 2014, 32(1): 41-45. ZHAO Tie-shan, QI Xing-lin, ZHENG Bo. Long-term- storage Degradation Causes of Guided Munition’s Electronic Delayer[J]. Electronic Product Reliability and Environmental Testing, 2014, 32(1): 41-45.

[7] 劉朝陽, 趙曉利, 楊巖峰. 制導(dǎo)彈藥火工品單應(yīng)力水平加速壽命試驗研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2012, 9(5): 29-31. LIU Chao-yang, ZHAO Xiao-li, YANG Yan-feng. Study on Single Stress Level Accelerated Life Test of Guided Ammunition Initiating Device[J]. Equipment Environmental Engineering, 2012, 9(5): 29-31.

[8] 晁代宏, 馬靜, 陳淑英. 基于性能退化的衛(wèi)星用光纖陀螺可靠性評估[J]. 紅外與激光工程, 2011, 40(9): 1763- 1767. CHAO Dai-hong, MA Jing, CHEN Shu-ying. Reliability Assessment of FOGs Used for Satellite from Degradation Data[J]. Infrared and Laser Engineering, 2011, 40(9): 1763-1767.

[9] 上官芝, 付桂翠, 萬博. 基于加速性能退化的元器件貯存壽命預(yù)測[J]. 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗, 2009, 27(5): 32-36. SHANGGUAN Zhi, FU Gui-cui, WAN Bo. Component Storage Life Prediction Based on Accelerated Performance Degradation[J]. Electronic Product Reliability and Environmental Testing, 2009, 27(5): 32-36.

[10] 楊立峰, 呂衛(wèi)民, 肖陽. 基于故障機理和偽失效壽命的電子產(chǎn)品剩余壽命預(yù)測[J]. 海軍工程學(xué)院學(xué)報, 2017, 32(2): 246-249. YANG Li-feng, LYU Wei-min, XIAO Yang. Residual Life Prediction for Electronic Products Based on Fault Mechanism and Pseudo-Failure Date[J]. Journal of Naval Aeronautical and Astronautical University, 2017, 32(2): 246-249.

[11] 吳祎, 王友仁, 姜媛媛. 基于特征參數(shù)退化的DC/DC變換器故障預(yù)測[J]. 儀器儀表學(xué)報, 2013, 34(6): 1380-1385. WU Yi, WANG You-ren, JIANG Yuan-yuan. Fault Prediction Method of DC/DC Converter Based on Characteristic Parameter Degradation[J]. China Journal of Scientific Instrument, 2013, 34(6): 1380-1385.

[12] 吳英偉, 齊杏林, 王洪巖. 典型電容近炸引信存儲性能退化分析[J]. 裝備環(huán)境工程, 2018, 15(2): 63-67. WU Ying-wei, QI Xing-lin, WANG Hong-yan. Storage Performance Degradation of Typical Capacitance Proximity Fuse[J]. Equipment Environmental Engineering, 2018, 15(2): 63-67.

[13] 潘廣澤, 黃創(chuàng)綿, 李小兵. 石英撓性加速度計貯存壽命評估方法研究[J]. 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗, 2016, 34(1): 11-14. PAN Guang-ze, HUANG Chuang-mian, LI Xiao-bing. Research on Storage Life Evaluation Method of Quartz Flexible Accelerometer[J]. Electronic Product Reliability and Environmental Testing, 2016, 34(1): 11-14.

[14] 王靜, 楊晉勇, 馮靜. 基于關(guān)鍵性能參數(shù)退化的伺服系統(tǒng)貯存壽命評估[J]. 強度與環(huán)境, 2017, 44(4): 50- 54. WANG Jing, YANG Jin-yong, FENG Jing. Storage Life Evaluation of Servo System Based on Critical Parameter Degradation[J]. Structure & Environment Engineering, 2017, 44(4): 50-54.

[15] 范志鋒, 崔平, 文健, 呂靜. 基于退化敏感參數(shù)的彈藥控制系統(tǒng)儲存壽命評估[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報, 2013, 33(5): 109-111. FAN Zhi-feng, CUI Ping, WEN Jian, LYU Jing. Estimation of Ammunition Control System Storage Life Based on Degradation Sensitive Parameters[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2013, 33(5): 109-111.

[16] 江文奇. 無量綱化方法對屬性權(quán)重影響的敏感性和方案保序性[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2012, 12(34): 2520- 2523. JIANG Wen-qi. Sensibility and alternative COP Panalysis of Dimensionless Methods on Effect of Attribute Weight[J]. Systems Engineering and Electronics, 2012, 12(34): 2520-2523.

Environment-sensitivity Parameter Analysis of Mechanical Gyroscope Based on Deviation Degree

ZHANG Kai, ZHAO Fang-chao, WANG Yan-yan, HUANG Bo

(Southwest Technology and Engineering Research Institute, Chongqing 400039, China)

The paper aims to determine the environment-sensitive parameters of mechanical gyroscope in storage environment. Based on the test results of mechanical gyroscope in thermal accelerated aging test, each parameter was converted to a dimensionless parameter that can characterize its degree of degeneration, then the deviation degree of each parameter relative to the original value and the sensitivity of each parameter to the environment were analyzed. The parameter with the largestdeviation was considered as the main environment-sensitive parameter of mechanical gyroscope. The deviation degrees of unlocking error, contact start angle, vertical drift and horizontal drift parameters were 1041.7, 1248.3, 1472.7 and 417.7 respectively. The vertical drift parameter was the main environment-sensitive parameter of mechanical gyroscope in storage environment. The method presented in this paper can be effectively used for environment-sensitive parameter analysis of multi-parameter products.

mechanical gyroscope; environment-sensitive parameter; analysis

2019-03-24；

2020-04-03

10.7643/ issn.1672-9242.2020.05.018

TJ760

A

1672-9242(2020)05-0112-04

2019-03-24

2020-04-03

張凱（1986—），男，碩士，工程師，主要研究方向為環(huán)境試驗與評價。

ZHANG Kai (1986—), Male, Master, Engineer, Research focus: environmental test and evaluation.