動力調(diào)諧陀螺長期穩(wěn)定性研究

陳建國，閔 剛

（1.中國人民解放軍海軍駐上海地區(qū)水聲導(dǎo)航代表室，上海 201108；2. 中船航?？萍加邢挢?zé)任公司， 上海 200136）

動力調(diào)諧陀螺長期穩(wěn)定性研究

陳建國1，閔 剛2

（1.中國人民解放軍海軍駐上海地區(qū)水聲導(dǎo)航代表室，上海 201108；2. 中船航?？萍加邢挢?zé)任公司， 上海 200136）

介紹了動力調(diào)諧陀螺研究、生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，對影響動力調(diào)諧陀螺長期穩(wěn)定性的主要原因做了全面分析。介紹了為改善動力調(diào)諧陀螺長期穩(wěn)定性在設(shè)計、加工、裝調(diào)和材料等方面所做的工作及所取得的成績。

動力調(diào)諧陀螺；工藝措施；長期穩(wěn)定性

0 引言

國內(nèi)動力調(diào)諧陀螺的研制開始于20世紀(jì)70年代。三十多年來，陀螺歷經(jīng)了從單一品種研制到多型號批量生產(chǎn)，從滿足航空慣導(dǎo)需求到應(yīng)用于航天、航海和兵器等領(lǐng)域的階段。

動力調(diào)諧陀螺現(xiàn)在是主要陀螺產(chǎn)品之一，在今后相當(dāng)一段時間，仍會是主要的陀螺品種。這得益于從提升陀螺精度到提高陀螺長期穩(wěn)定性的過程，也和近幾年對陀螺性能持續(xù)不斷改進(jìn)、陀螺質(zhì)量穩(wěn)步提升有關(guān)。這些都為動力調(diào)諧陀螺穩(wěn)定、持續(xù)發(fā)展提供了保證。

1 提高陀螺長期穩(wěn)定性

高精度陀螺主要指標(biāo)：準(zhǔn)備時間5min，隨機(jī)漂移＜0.005°/h，重復(fù)性＜0.005°/h，g°＜3°/h，g1＜1°/h/g，g2＜0.02°/h/g2(g°表示與g無關(guān)的陀螺漂移，g1表示與g有關(guān)的陀螺漂移，g2表示與g的平方有關(guān)的陀螺漂移，g表示重力加速度)[1]。

高精度動力調(diào)諧陀螺已批量用于慣導(dǎo)系統(tǒng)多年。隨著陀螺使用時間的增長、使用數(shù)量增加，交付后返回復(fù)測的陀螺越來越多。陀螺主要失效模式集中在：漂移、重復(fù)性變差、時間常數(shù)變短、電機(jī)振動、摩擦力矩增大、慣性時間變短、與g有關(guān)項(xiàng)誤差變化等等。

預(yù)期陀螺工作壽命超過15年，但由于航空慣性器件使用中啟動頻繁、溫度環(huán)境范圍寬、承受較大的振動、沖擊，這增加了高精度陀螺性能長期穩(wěn)定性的難度。

動力調(diào)諧陀螺結(jié)構(gòu)比較簡單，主要部件工作在充有少量氣體的密封結(jié)構(gòu)內(nèi)。結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。主要部件構(gòu)成：傳感器組件：線圈組件、轉(zhuǎn)子端面；轉(zhuǎn)子部件：慣性轉(zhuǎn)子和撓性頭等；驅(qū)動電機(jī)：馬達(dá)定子、轉(zhuǎn)子、軸承；力矩器組件：磁鋼和線圈組件。

圖1 陀螺結(jié)構(gòu)原理圖

從陀螺結(jié)構(gòu)入手，討論各部件對陀螺長期穩(wěn)定性的影響及研究工作。

1）撓性頭

撓性頭是動力調(diào)諧陀螺的核心部件，它的質(zhì)量決定陀螺性能及陀螺的長期穩(wěn)定性。

以往設(shè)計的撓性頭采用內(nèi)外圓筒、雙平衡環(huán)結(jié)構(gòu)，要求加工和組合精度高。設(shè)計注重在滿足調(diào)諧，提高品質(zhì)因數(shù)，減少誤差等方面，對其強(qiáng)度和穩(wěn)定性關(guān)注不夠。

在改進(jìn)的撓性頭設(shè)計中，撓性頭采用了整體雙環(huán)、大剛度結(jié)構(gòu)，在品質(zhì)因數(shù)和承載能力上做了折中處理，設(shè)計的結(jié)構(gòu)便于加工和清洗。

在撓性頭裝配前，增加振動老化和撓性頭磁場測試和退磁處理。在陀螺調(diào)試前，采用撞檔篩選，提高了裝配的撓性頭質(zhì)量。

對2006年以后，使用更改的撓性頭的陀螺統(tǒng)計中，g0、g1的誤差系數(shù)的變化量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于以前的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

2）電機(jī)

陀螺電機(jī)帶動慣性轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)速和驅(qū)動軸線的穩(wěn)定、電機(jī)振動的大小直接影響陀螺性能。對于電機(jī)穩(wěn)定性而言，軸承是其關(guān)鍵。

馬達(dá)軸承對陀螺的壽命和可靠性產(chǎn)生影響最大。除了軸承本身的指標(biāo)要求和質(zhì)量，如軸承軌道、滾珠和保持器材料及潤滑劑(的選擇)，軸承的清洗方法、裝配質(zhì)量也至關(guān)重要。

關(guān)于軸承清洗，研究提出的一套五種溶液清洗法，保證了軸承表面不但從物理上而且從化學(xué)上也是潔凈的，從而提高了軸承的表面的浸潤性，便于彈性流體動力潤滑(EHD)膜的形成。

關(guān)于軸承的裝配，除了確定軸承的選擇和配對的方法、軸承內(nèi)外圈的配合間隙、軸承預(yù)載荷大小、油脂的用量等，還研制出了一套獲得國家專利的軸承裝配夾具，保證了旋轉(zhuǎn)軸系相對殼體的位置精度，減小了電機(jī)振動。

3）力矩器

力矩器磁鋼和線圈組件需要具有極好的時效穩(wěn)定性來保證力矩器刻度系數(shù)穩(wěn)定性要求。高精度陀螺的工作溫度為 73℃。系統(tǒng)從環(huán)境溫度啟動到工作溫度，要求力矩器磁鋼具有極好的溫度穩(wěn)定性來滿足陀螺快速性及漂移穩(wěn)定性。力矩器線圈組件作為不動件，與轉(zhuǎn)動件轉(zhuǎn)子的間隙大小，隨時間和溫度引起的間隙相對變化，對陀螺漂移有較大影響。為此，在磁路設(shè)計、磁鋼材料研制和提高力矩器線圈組件形狀穩(wěn)定等方面做了很多工作。

在磁路上，借用專業(yè)單位的專用軟件，設(shè)計了所需的最佳磁路設(shè)計。為了減小力矩器線圈組件的形變和提高其形狀穩(wěn)定性，在全灌注力矩器的基礎(chǔ)上研發(fā)了半灌注式力矩器。它一次成型，膠的含量低、散熱好、形位公差小、穩(wěn)定性強(qiáng)。

采用了國內(nèi)某研究單位研發(fā)得溫度系數(shù)較低，穩(wěn)定性好的鉑鈷磁鋼。它具有：磁性能高、退磁因子小，穩(wěn)定性好（溫度穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性）、耐蝕性優(yōu)，適合在氫氣下長期工作、加工性能優(yōu)良。

為了能精確標(biāo)定力矩器刻度系數(shù)，還研發(fā)了微力矩測試儀。試驗(yàn)表明，新研制的力矩器，其刻度系數(shù)穩(wěn)定性達(dá)到10-4/季度的要求。

4）轉(zhuǎn)子組件

慣性轉(zhuǎn)子組件由慣性轉(zhuǎn)子、磁鋼、撓性頭和調(diào)整螺釘組成。它除了提供所需的慣量，也為傳感器、力矩器提供磁路。

在改進(jìn)設(shè)計中，轉(zhuǎn)子外形考慮動力矩對轉(zhuǎn)子的影響，轉(zhuǎn)子的中心基本在支撐中心上。設(shè)計上還要考慮盡量使不同材料的線脹系數(shù)匹配，使各零件組合重心隨溫度變化后不偏離支撐中心。另外，轉(zhuǎn)子與各零件配合尺寸和形位公差，這在改進(jìn)設(shè)計中做了調(diào)整。

轉(zhuǎn)子的磁路設(shè)計的主要目標(biāo)是獲得需要的力矩器刻度因子，同時，它也是傳感器磁路的一部分。安裝在磁極上組件要確保磁場從磁極到轉(zhuǎn)子的流動，并且減小磁漏干擾。需特別注意的是，轉(zhuǎn)子材料和機(jī)械加工后的熱處理對磁性能的影響很大。合理安排工藝路線和熱處理方法，對是否滿足轉(zhuǎn)子的尺寸精度和磁性能要求至關(guān)重要。

5）信號器

信號器的零位穩(wěn)定性非常重要。他的穩(wěn)定性直接影響陀螺的穩(wěn)定性。在設(shè)計上，除了對陀螺內(nèi)部的零部件精心設(shè)計，在電橋的橋壁上，采用電感線圈，形成電感電橋。

在裝配上，提出了新的信號器組件的選配、橋臂電感的配對標(biāo)準(zhǔn)。采用電感電橋，信號器的內(nèi)外臂電感、電阻隨溫度、時間變化相一致，信號器零位穩(wěn)定。

6）減小氣體動態(tài)力矩的影響

氣動力矩的變化對陀螺隨機(jī)漂移、重復(fù)性、時間常數(shù)與g°誤差影響極大。

陀螺部件密封在陀螺殼體內(nèi)。為了降低陀螺的加熱時間和減少陀螺內(nèi)部結(jié)構(gòu)體的溫度梯度，在陀螺內(nèi)充少量氦氣或氫氣。當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子和殼體，及相對殼體不動的力矩器定子和傳感器定子，會出現(xiàn)氣體動態(tài)力矩。氣動力矩作用在陀螺轉(zhuǎn)子上，會產(chǎn)生陀螺漂移。

氣動力矩的大小和轉(zhuǎn)子與不動件(包括殼體)的間隙、間隙的對稱性、轉(zhuǎn)子的偏角以及氣體的參數(shù)有關(guān)。氣體的參數(shù)隨時間、溫度變化變化。這與氣體加熱、陀螺零組件的放氣、軸承油脂放氣、內(nèi)部用膠等放氣有關(guān)以及陀螺的密封程度有關(guān)。

因此，減小氣動力矩的影響，除了與設(shè)計有關(guān)，還與材料、零件加工、裝配和調(diào)試密切相關(guān)。

為此，采取了以下改進(jìn)措施：

① 合理確定轉(zhuǎn)動件和不動件的間隙；

② 改進(jìn)陀螺轉(zhuǎn)子外形設(shè)計；

③ 改變絕緣子、密封塞和殼體的連接方法，改善陀螺密封性；

④ 制定零件、部件除氣工藝；

⑤ 研制了一套零件水洗工藝；

⑥ 增添了零件、部件貯存工藝；

⑦ 研究了一套力矩器組件成形工藝和穩(wěn)定方法；

⑧ 優(yōu)化裝配、調(diào)試流程，使除過氣的零部件在一周之內(nèi)完成封裝；

7）對陀螺用膠的揮發(fā)分研究

表 1為陀螺用膠的揮發(fā)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)?？煽闯?，502瞬間粘合劑和Z30-11聚酯絕緣漆揮發(fā)性較大，不宜用于陀螺。膠粘劑和絕緣漆通過高溫處理，揮發(fā)分會降低。

因此，根據(jù)陀螺使用條件和試驗(yàn)，確定了陀螺零部件在最后裝配前，膠揮發(fā)分處理工藝，提高陀螺的長期穩(wěn)定性。

8）小結(jié)

為了直觀感受在提高陀螺長期穩(wěn)定性方面所做的工作，做了條時間序列圖來說明，見圖2。

表1 陀螺用膠的揮發(fā)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 提高陀螺長期穩(wěn)定性時間序列圖

2 陀螺長期穩(wěn)定性試驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)果

在2009年，仿照飛行狀態(tài)，對落實(shí)各項(xiàng)提高穩(wěn)定性措施所裝調(diào)的某型號高精度陀螺，進(jìn)行了長期穩(wěn)定試驗(yàn)驗(yàn)證。

完成的驗(yàn)證試驗(yàn)主要有陀螺工作溫度炮合、工作溫度啟停(每天)、低溫啟停、高低溫儲存、沖擊、針振動穩(wěn)定性等。

在完成上述試驗(yàn)，并累積工作 4000h后，陀螺各項(xiàng)性能參數(shù)均在驗(yàn)收指標(biāo)范圍內(nèi)。電機(jī)性能參數(shù)測試，結(jié)果完全正常。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于以前所做的 3000h的壽命試驗(yàn)指標(biāo)。

將兩件參加試驗(yàn)的陀螺平均測試數(shù)據(jù)列入表2。

表2 陀螺長期穩(wěn)定性平均測試數(shù)據(jù)

目前返廠的陀螺測試結(jié)果也顯示，陀螺出現(xiàn)故障的比例也遠(yuǎn)低于以往的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

我國動力調(diào)諧陀螺從研制開始，至今已有三十多年的歷史。陀螺的設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)較成熟，保證了這種陀螺的精度和可靠性。而資料顯示卡爾福特公司研制并生產(chǎn)撓性陀螺將持續(xù)生產(chǎn)到 2030年(其精度可到 0.0002°/h，壽命長達(dá) 15年)。因此說明撓性陀螺有很大的發(fā)展空間。

在未來的時間，我們將致力于研制高精度、長壽命的平臺陀螺，盡快達(dá)到陀螺漂移及漂移重復(fù)性≤0.001°/h，壽命大于15年的目標(biāo)。

[1] 吳紹群. 陀螺[M]. 江蘇: 江蘇大學(xué)出版社.

[2] 許江寧, 卞鴻巍. 陀螺原理及應(yīng)用[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2009.

[3] 劉興堂, 戴榮林. 精確制導(dǎo)武器與精確制導(dǎo)控制技術(shù)[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 1998.

[4] 劉建業(yè), 曾慶化. 導(dǎo)航系統(tǒng)理論與應(yīng)用[M]. 西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2003.

Research on Long Term Stability of Dynamic Tuned Gyroscope

CHEN Jian-guo1, MIN Gang2
(1. Navy Representative Office of Underwater Acoustic Navigation Representative Office of PLA in Shanghai,Shanghai 201108, China; 2. CSSC Marine Technology Co., Ltd., Shanghai 200136, China)

The experience of dynamically tuned gyroscope’s research and production is introduced. The reason for affecting the long term stability of the dynamic tuned gyroscope is comprehensively summarized. It also introduces the job and results for improving the long-term stability of dynamic tuned gyroscope in design, processing, assembly, debugging and material.

dynamic tuned gyroscope; process measures; long term stability

TM30

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.02.013

陳建國（1971-），男，碩士研究生；研究方向?yàn)榕灤瑢?dǎo)航。