飛機(jī)速率陀螺組件故障分析

程斌 萬引偉 劉少平

摘要：飛機(jī)速率陀螺傳感器組件用于測(cè)量飛機(jī)的俯仰、滾轉(zhuǎn)與航向角速度，對(duì)于飛行品質(zhì)起著關(guān)鍵作用，關(guān)乎飛行安全。本文對(duì)一起典型飛機(jī)速率陀螺組件故障進(jìn)行深入分析，找出故障的根本原因，并總結(jié)其他常見速率陀螺組件故障類型和解決辦法，為后續(xù)故障的排除和預(yù)防提供參考。

關(guān)鍵詞：速率陀螺；液浮式陀螺儀；故障樹分析

Keywords：rate gyroscope；liquid floated gyroscope；fault tree analysis

1 概述

速率陀螺組件是飛機(jī)飛控系統(tǒng)的核心部件，是一種即使無外界參考信息，也能探測(cè)出飛機(jī)姿態(tài)信息的傳感器。速率陀螺組件用于測(cè)量3個(gè)正交軸的角速率，飛控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并采集速率陀螺組件提供的姿態(tài)參數(shù)。隨著飛機(jī)的不斷升級(jí)，需要更加精準(zhǔn)的傳感器采集系統(tǒng)來提高飛機(jī)飛行安全以及操縱品質(zhì)。液浮式速率陀螺組件是一種高性能電反饋陀螺儀，尤其適合在惡劣條件下使用，其抗沖擊震動(dòng)性能較強(qiáng)，也常用于火控系統(tǒng)中，由于使用環(huán)境惡劣，極端的環(huán)境下也造成速率陀螺組件本身故障率偏高。

2 故障現(xiàn)象

某飛機(jī)在執(zhí)行飛行任務(wù)后，飛行員反映飛機(jī)在空中報(bào)俯仰角速率D通道故障。

飛行后通電檢查，查看PL故障清單發(fā)現(xiàn)故障依舊存在。查看飛參發(fā)現(xiàn)，報(bào)故的D通道對(duì)應(yīng)速率陀螺組件B通道，而且在飛行過程中B通道俯仰方向無電機(jī)自檢信號(hào)（要求峰峰值15V方波，頻率800Hz），同時(shí)該方向速率輸出信號(hào)接近為零。

3 基本原理

飛機(jī)上安裝兩個(gè)速率陀螺傳感器組件，滿足四余度要求，每個(gè)速率陀螺傳感器組件又由兩個(gè)俯仰速率陀螺和兩個(gè)滾轉(zhuǎn)速率陀螺以及電源變換電路和信號(hào)調(diào)整電路組成，兩個(gè)通道的結(jié)構(gòu)相同，而又相互獨(dú)立。

速率陀螺傳感器組件，用于測(cè)量飛機(jī)的俯仰、滾轉(zhuǎn)與航向角速度，并將信號(hào)提供給駕駛員操作接口單元，通過總線送給飛行管理計(jì)算機(jī)用于控制律計(jì)算。采用液浮式單自由度速率陀螺，當(dāng)對(duì)于陀螺輸入軸有角速率運(yùn)動(dòng)時(shí)，陀螺將繞其輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度與輸入角速率成比例，通過同步器可將轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為成比例的電壓信號(hào)進(jìn)行輸出。輸出信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路調(diào)整，以滿足與駕駛員操作接口單元的接口要求和性能要求，在結(jié)構(gòu)、電路布局上保證一個(gè)LRU含航向、俯仰、傾斜各兩個(gè)余度。

通過測(cè)速線圈速率陀螺，傳感器組件可檢測(cè)陀螺馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，并輸出整理后的15V方波信號(hào)，供駕駛員操作接口單元進(jìn)行速率陀螺傳感器組件的空中工作檢查。駕駛員操作接口單元向速率陀螺傳感器組件輸入檢測(cè)指令，通過速率陀螺傳感器組件內(nèi)的力矩器，強(qiáng)迫陀螺馬達(dá)繞輸出軸偏轉(zhuǎn)，使陀螺輸出信號(hào)，以完成速率陀螺傳感器組件的地面檢查。

該型陀螺儀主要由同步器、陀螺電機(jī)、扭桿、阻尼器等組成，結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

該型速率陀螺組件由相互獨(dú)立的A通道和B通道組成，用于測(cè)量飛機(jī)繞俯仰軸、傾斜軸和航向軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速率，每個(gè)通道包括航向、俯仰、傾斜3路輸出，共有6路輸出。陀螺組件由4只X型速率陀螺儀（航向和俯仰）、2只Y型速率陀螺儀（傾斜）、1塊電路板和產(chǎn)品底座等零件組成。陀螺儀敏感載體3個(gè)正交軸的角速率信號(hào)，電路板為陀螺儀提供相關(guān)電源，并將陀螺儀測(cè)量的角速率信號(hào)轉(zhuǎn)化成正比的直流電壓信號(hào)，傳送給飛控系統(tǒng)。速率陀螺組件的原理框圖如圖2所示。

4 故障原因分析

針對(duì)故障現(xiàn)象，初步判斷為速率陀螺組件自身故障或接插件故障。地面通電測(cè)試故障現(xiàn)象相同，飛參數(shù)據(jù)顯示速率陀螺組件未將15V方波信號(hào)提供給駕駛員操作接口單元，導(dǎo)致速率陀螺組件上電自檢不過。針對(duì)速率陀螺組件B通道無電機(jī)自檢信號(hào)問題，通過對(duì)飛機(jī)飛控系統(tǒng)與傳感器子系統(tǒng)的分析，結(jié)合產(chǎn)品組成及故障現(xiàn)象建立了以速率陀螺組件B通道俯仰方向無電機(jī)自檢信號(hào)為頂事件的故障樹（見圖3），并逐一進(jìn)行分析。

4.1 對(duì)外電氣連接故障排查

首先，采用替換法對(duì)速率陀螺組件機(jī)箱進(jìn)行初步分離與定位。將報(bào)故障的B通道速率陀螺組件機(jī)箱與A通道速率陀螺組件機(jī)箱進(jìn)行互換，通電檢測(cè)發(fā)現(xiàn)故障隨速率陀螺組件機(jī)箱轉(zhuǎn)移至A通道。排除對(duì)外電氣連接故障的可能。

4.2 對(duì)電路板故障排查

給故障速率陀螺機(jī)箱更換一個(gè)檢驗(yàn)合格的陀螺儀，進(jìn)行機(jī)上通電檢查，故障消失。檢測(cè)其輸出因數(shù)和電機(jī)自檢輸出方波信號(hào)頻率均正常，將故障件的陀螺儀安裝至另一合格速率陀螺組件機(jī)箱，在B通道航向上機(jī)通電測(cè)試，故障跟隨至B通道航向發(fā)生。排除電路板故障的可能。

4.3 對(duì)陀螺儀故障排查

在專用測(cè)試臺(tái)上對(duì)故障陀螺儀進(jìn)行測(cè)試。陀螺儀輸出標(biāo)度因數(shù)為0mV/（°/s），正常情況下合格的陀螺儀輸出標(biāo)度因數(shù)為30mV/（°/s）；同時(shí)，陀螺電機(jī)無自檢輸出信號(hào)波形，也沒有電機(jī)旋轉(zhuǎn)的聲音，因此確認(rèn)是陀螺儀故障或是陀螺儀接插件故障。

4.4 陀螺儀接插件排查

拆下故障速率陀螺組件，用萬用表直流電阻檔測(cè)量插頭相關(guān)電阻值，如表1所示，除插頭5號(hào)與3號(hào)針之間的電機(jī)I相的電阻值為開路外，其余信號(hào)都在合格范圍內(nèi)。拆解插頭觀察5號(hào)針和3號(hào)針，發(fā)現(xiàn)5號(hào)針焊錫量偏少，連接引線有脫落現(xiàn)象，測(cè)量發(fā)現(xiàn)線路不通，確定5號(hào)針虛焊。

5 速率陀螺組件常見故障的排除與預(yù)防

液浮式陀螺儀精度高、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)成本高，常用于航空、航天、武器等要求精度高、使用環(huán)境惡劣的系統(tǒng)中，極端的使用環(huán)境也造成速率陀螺組件本身故障率偏高。通過對(duì)多起飛機(jī)速率陀螺組件故障的排除與總結(jié)，將故障原因大致進(jìn)行以下分類，以便于故障的預(yù)防和排除。

5.1 單通道電機(jī)自檢不通過

某飛機(jī)在地面試車時(shí)進(jìn)行飛控自檢，查看故障清單發(fā)現(xiàn)俯仰SMRD信號(hào)監(jiān)控故障（B通道）。停車后進(jìn)行地面通電檢查，故障現(xiàn)象依然存在。查看飛參，發(fā)現(xiàn)報(bào)故的B通道對(duì)應(yīng)速率陀螺組件A通道，試車過程中A通道俯仰方向出現(xiàn)無電機(jī)自檢信號(hào)，同時(shí)該方向速率輸出信號(hào)接近為零。檢查速率陀螺組件發(fā)現(xiàn)陀螺電機(jī)軸承出現(xiàn)非正常磨損，導(dǎo)致陀螺電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢或堵轉(zhuǎn)，無法發(fā)出自檢方波。更換速率陀螺組件后故障排除。

當(dāng)出現(xiàn)類似故障時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行速率陀螺組件機(jī)箱的外觀檢查，包括插頭、插座的連接情況和內(nèi)部的接線情況，再通過飛機(jī)配電系統(tǒng)檢查供電是否正常，最后對(duì)速率陀螺組件進(jìn)行檢查，結(jié)合飛機(jī)試車及通電檢查數(shù)據(jù)，檢查各通道有無電機(jī)自檢信號(hào)。

5.2 速率陀螺通道故障導(dǎo)致飛控降級(jí)

某飛機(jī)滑出前機(jī)上報(bào)“速率陀螺‘R、Y故障”“飛控信號(hào)降級(jí)”，飛行員按“復(fù)位”按鈕后故障消失，飛行后判讀飛參數(shù)據(jù)，判定左速率陀螺傳感器組件機(jī)箱故障。

對(duì)速率陀螺傳感器組件機(jī)箱執(zhí)行軸承更換，并更換B通道電連接器以及插座。更換完成后在系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行聯(lián)試，零位、速率輸出、電機(jī)自檢信號(hào)均正常，裝機(jī)使用，系統(tǒng)工作正常。

當(dāng)出現(xiàn)上述類似故障時(shí)，應(yīng)先檢查插頭、插座的連接情況和內(nèi)部的接線情況，如果是插頭、插座故障，則進(jìn)行修理或更換，之后再進(jìn)行下一步檢查；如插頭、插座完好，則檢查系統(tǒng)供電是否正常；最后對(duì)速率陀螺組件進(jìn)行檢查，結(jié)合飛機(jī)通電檢查數(shù)據(jù)，檢查與上級(jí)控制單元及信號(hào)輸出單元的通信情況。

5.3 速率陀螺底座零位較大導(dǎo)致姿態(tài)參數(shù)不符

某飛機(jī)在空中，飛行員故障清單中報(bào)“飛控信號(hào)降級(jí)4”故障，在飛控顯示頁(yè)面速率陀螺欄中，B通道有“P”字符出現(xiàn)。查看飛參，發(fā)現(xiàn)飛行中B通道俯仰速率故障，該方向速率輸出信號(hào)為-2V。

上述故障出現(xiàn)后，檢測(cè)速率陀螺組件零位偏差至200mV。對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，之后多次檢查故障沒有復(fù)現(xiàn)。

速率陀螺組件通過4個(gè)托架螺釘固定在機(jī)體上，4個(gè)彈簧齒套分別套在各托架螺釘上，再用4個(gè)卡環(huán)分別卡在托架螺釘?shù)牟蹆?nèi)。這種設(shè)計(jì)方式雖有放松作用，但在高強(qiáng)度飛行過程中，由于底座安裝面與托架摩擦以及飛機(jī)自身的飛行作用，均可能導(dǎo)致底座零位較大。實(shí)際工作中，零位不準(zhǔn)會(huì)間接導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)角速率等參數(shù)出現(xiàn)偏差。因此，日常維護(hù)時(shí)，應(yīng)頻繁檢查速率陀螺組件周邊有無碰撞痕跡，以及插座、涂漆、螺釘?shù)耐旰眯浴?/p>

6 總結(jié)

通過對(duì)飛機(jī)速率陀螺組件工作原理的分析和上述典型故障案例的介紹，認(rèn)識(shí)到掌握故障定位和排除方法可提高外場(chǎng)維護(hù)人員的業(yè)務(wù)水平，最大程度地縮短維修時(shí)間。傳感器系統(tǒng)的工作狀態(tài)直接決定著飛行安全和飛行品質(zhì)，速率陀螺組件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛機(jī)的姿態(tài)，保障著飛行安全。做好速率陀螺組件的維護(hù)，能讓飛機(jī)達(dá)到一個(gè)更優(yōu)的工作狀態(tài)，對(duì)于保障飛行有著非常重要的作用。

參考文獻(xiàn)

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[2]惠恩宣.淺談液浮速率陀螺零位精度問題[J].自動(dòng)駕駛儀與紅外技術(shù)，2001（1）.

作者簡(jiǎn)介

程斌，助理工程師，主要從事飛機(jī)維修保障工作。

萬引偉，助理工程師，主要從事飛機(jī)維修保障工作。

劉少平，工程師，主要從事飛機(jī)維修保障工作。