基于偏離程度的某機(jī)械陀螺環(huán)境敏感參數(shù)分析

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(jī)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(jī)械陀螺在貯存環(huán)境下的環(huán)境敏感參數(shù)。以機(jī)械陀螺在熱加速老化試驗(yàn)中的各項(xiàng)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(jìn)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(jī)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(jī)械陀螺；環(huán)境敏感參數(shù)；分析

某型機(jī)械陀螺是用于激光半主動(dòng)末制導(dǎo)炮彈上的一個(gè)關(guān)鍵部件，具有“長期貯存，一次使用”的特點(diǎn)。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(jī)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(jìn)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(jì)算的多參數(shù)產(chǎn)品環(huán)境敏感參數(shù)分析方法，并以機(jī)械陀螺在模擬貯存環(huán)境下的恒溫加速老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，對陀螺的環(huán)境敏感參數(shù)進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)

1.1 方法

機(jī)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(shí)間內(nèi)獲得陀螺的貯存性能退化數(shù)據(jù)，進(jìn)而支撐敏感參數(shù)分析，需開展機(jī)械陀螺的加速退化試驗(yàn)。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(jī)械陀螺位于制導(dǎo)控制艙內(nèi)部，隨彈貯存，同時(shí)控制艙采取了密封防護(hù)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]?；诖耍闹性O(shè)計(jì)了一組機(jī)械陀螺的恒定溫度應(yīng)力加速試驗(yàn)，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(jī)械陀螺主要有四個(gè)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(yàn)過程中定期對各性能參數(shù)進(jìn)行檢測。

表1 機(jī)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(yàn)結(jié)果

在恒溫試驗(yàn)過程中，機(jī)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(yàn)時(shí)間對應(yīng)的檢測結(jié)果見表2?？梢钥闯觯怄i誤差和垂直漂移參數(shù)隨試驗(yàn)時(shí)間的延長表現(xiàn)出了一定的波動(dòng)上升趨勢，接觸起始角和水平漂移參數(shù)隨試驗(yàn)時(shí)間的延長表現(xiàn)出了一定的波動(dòng)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(gè)缺點(diǎn)：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(shí)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(dòng)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(jìn)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(shí)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(gè)參數(shù)，通過對轉(zhuǎn)化后的、與時(shí)間（試驗(yàn)時(shí)間或貯存時(shí)間）對應(yīng)的一組無量綱數(shù)據(jù)進(jìn)行相對于原始值的偏離程度統(tǒng)計(jì)分析，使得分析結(jié)果更能真實(shí)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(shí)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(gè)性能參數(shù)，在某一環(huán)境條件下，每個(gè)參數(shù)均有個(gè)與時(shí)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(gè)參數(shù)的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(gè)參數(shù)進(jìn)行相對于原始值的偏離程度計(jì)算。

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

以偏離程度計(jì)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(jì)算數(shù)值均大于其他參數(shù)的計(jì)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(jī)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(gè)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(jī)械陀螺各參數(shù)進(jìn)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(yàn)時(shí)間的退化程度計(jì)算結(jié)果

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

2.3.2 偏離程度計(jì)算

為了找出機(jī)械陀螺在試驗(yàn)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(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)計(jì)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(jì)算值遠(yuǎn)大于其余三個(gè)參數(shù)，說明機(jī)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(jī)械陀螺的各性能參數(shù)進(jìn)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(yàn)分析所得的結(jié)果相吻合。

表4 機(jī)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(jìn)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(shí)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(shí)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(jī)械陀螺的貯存環(huán)境敏感參數(shù)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，垂直漂移參數(shù)是機(jī)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(jī)械陀螺進(jìn)行性能退化規(guī)律分析和壽命評估時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注垂直漂移參數(shù)。

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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?yàn)榄h(huán)境試驗(yàn)與評價(jià)。

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