某型導(dǎo)彈三自由度陀螺典型故障分析

秦燕鴿 郭曉華 劉杰 付強

摘要：某型導(dǎo)彈在外場測試時“允許截獲、截獲、角度預(yù)置誤差Y和Z軸絕對值”不合格，返廠測試故障現(xiàn)象與外場測試一致。為了解決該問題，通過故障分析和機理分析，確定故障原因是三自由度陀螺電機堵轉(zhuǎn)無法正常啟動，導(dǎo)致導(dǎo)引頭穩(wěn)定平臺系統(tǒng)無法正常工作。本文可為排除同此類故障提供借鑒。

關(guān)鍵詞：三自由度陀螺；故障分析；電機堵轉(zhuǎn)

Keywords：unrestrained gyroscope；fault analysis；motor locked rotor

1 故障描述

某型導(dǎo)彈外場測試時“允許截獲、截獲、角度預(yù)置誤差Y和Z軸絕對值”不合格，該導(dǎo)彈入廠測試時，故障現(xiàn)象與外場測試結(jié)果一致。

2 問題定位

2.1 全彈故障分析

根據(jù)全時序測試流程，對“允許截獲、截獲、角度預(yù)置誤差Y和Z軸絕對值”不合格的故障現(xiàn)象進行分析。

該枚產(chǎn)品故障產(chǎn)生的時機是在中/末制導(dǎo)交接段，當(dāng)目標(biāo)將要進入導(dǎo)引頭的允許截獲距離時，飛控組件向?qū)б^發(fā)出“開發(fā)射機高壓指令”，并給導(dǎo)引頭以目標(biāo)角度和速度指示。在角度預(yù)置時，飛控組件向?qū)б^發(fā)送Y、Z軸框架預(yù)置角，導(dǎo)引頭接收到加高壓指令時，會根據(jù)預(yù)置信息執(zhí)行角度粗預(yù)定和精預(yù)定。粗預(yù)定時，導(dǎo)引頭不接入陀螺；精預(yù)定時，導(dǎo)引頭按照陀螺指向進行精確的角度指示。

全彈自檢合格后，在預(yù)置框架角時，角度預(yù)置不合格。根據(jù)以上分析，造成不合格的原因應(yīng)為導(dǎo)引頭艙故障。

2.2 導(dǎo)引頭艙故障分析

分解后對導(dǎo)引頭艙進行測試，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)引頭艙內(nèi)部有異響，角度指示執(zhí)行誤差測試不合格，加溫電沖擊電流變化異常。

根據(jù)導(dǎo)引頭工作時序分析，在中/末制導(dǎo)交接段，根據(jù)飛控組件向?qū)б^傳送目標(biāo)的角度和速度指示信息對角度和速度進行預(yù)置，預(yù)置滿足要求后，飛控根據(jù)允許截獲距離和導(dǎo)引頭加高壓指令持續(xù)時間給出允許截獲指令。導(dǎo)引頭角度執(zhí)行誤差測試即是檢測導(dǎo)引頭在中/末制導(dǎo)交接段角度預(yù)置執(zhí)行能力的性能。

角度預(yù)定時，彈載計算機給出目標(biāo)粗指示信號估值與角位置測量值的比較，將其差值送到功率放大器，驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動天線實現(xiàn)粗略目標(biāo)指示。同時，彈載計算機給出目標(biāo)精指示信號估值，通過直流放大器使陀螺產(chǎn)生進動，從而使陀螺角傳感器產(chǎn)生一幅度正比于轉(zhuǎn)角大小的信號，信號經(jīng)功率放大器控制驅(qū)動電機帶動天線轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)精確目標(biāo)指示。

根據(jù)以上分析，造成不合格的原因應(yīng)為導(dǎo)引頭角度跟蹤回路故障。

2.3 故障樹建立及分析

為了查明故障原因，結(jié)合部隊和工廠測試結(jié)果，建立導(dǎo)彈“允許截獲、截獲、角度預(yù)置誤差Y和Z軸絕對值”不合格故障樹（見圖1）。由圖1可知，導(dǎo)彈測試出現(xiàn)該故障與3個底事件有關(guān)。根據(jù)故障樹對底事件進行排查。

1）角跟蹤電路故障

針對角度跟蹤回路工作異常，結(jié)合該導(dǎo)引頭艙加溫電沖擊電流變化異常，對位標(biāo)器及角跟蹤電路進行排查。從設(shè)備來的加溫電源一路送到發(fā)射機，為發(fā)射機速調(diào)管提供加溫電；另一路經(jīng)過二次電源兩個二極管后，分別送到修正通道微波接收機和陀螺電源，為多路恒溫晶振提供加溫電，經(jīng)陀螺電源轉(zhuǎn)化為三相交流電加至三自由度陀螺，驅(qū)動陀螺轉(zhuǎn)動。在導(dǎo)彈加溫階段，位標(biāo)器除了三自由度陀螺外其他部件不工作，故角跟蹤電路不工作。因此，該底事件可以排除。

2）陀螺電源故障

用數(shù)字示波器對陀螺電源對外接口 3、4、5腳A、B、C三相輸出電壓波形進行測試，A、B、C三相輸出相電壓、波形均正常，測試結(jié)果為合格。因此，該底事件可以排除。

3）三自由度陀螺故障

對分解后的導(dǎo)引頭通電測試，加溫電接通時三自由度陀螺未啟動，用數(shù)字示波器對該導(dǎo)引頭的三自由度陀螺對外接口1、2、3腳A、B、C三相輸入電壓進行測試，供電正常，根據(jù)三自由度陀螺未啟動的情況判斷三自由度陀螺故障。

2.4 排查結(jié)果

根據(jù)對故障樹底事件的分析和驗證結(jié)果，得出以下結(jié)論：在導(dǎo)致“允許截獲、截獲、角度預(yù)置誤差Y和Z軸絕對值”不合格頂事件的3項底事件中，角跟蹤電路故障和陀螺電源故障經(jīng)分析和驗證后可以排除，三自由度陀螺故障底事件不能排除，由此確定導(dǎo)致該故障的原因為三自由度陀螺故障。

3 機理分析

3.1 三自由度陀螺結(jié)構(gòu)組成

三自由度陀螺屬于小型轉(zhuǎn)子陀螺，由陀螺殼體、陀螺電機、雙軸力矩發(fā)生器、雙軸角度傳感器、內(nèi)外環(huán)架五部分組成。內(nèi)外環(huán)架用于確保陀螺角動量相對于內(nèi)環(huán)軸和外環(huán)軸的自由度，陀螺電機用一對軸承支撐在內(nèi)環(huán)上，內(nèi)環(huán)用一對軸承支撐在外環(huán)上，外環(huán)用一對軸承支撐在陀螺殼體上。內(nèi)環(huán)軸和外環(huán)軸的兩側(cè)分別裝有內(nèi)環(huán)、外環(huán)角傳感器、內(nèi)環(huán)、外環(huán)力矩發(fā)生器。

3.2 三自由度陀螺功能原理

三自由度陀螺的基本特性是定軸性和進動性。定軸性是指具有抵抗干擾力矩，即保持其自轉(zhuǎn)軸相對慣性空間方位穩(wěn)定的特性；進動性是指陀螺儀在外力矩作用下繞著與外力矩垂直的方向轉(zhuǎn)動的特性。

三自由度陀螺內(nèi)環(huán)平面與外環(huán)平面保持一致時，內(nèi)環(huán)軸和外環(huán)軸的角傳感器輸出為零。當(dāng)導(dǎo)彈彈體相對于外環(huán)軸產(chǎn)生擾動角速度時，平臺將繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動，平臺內(nèi)環(huán)與平臺外環(huán)之間形成失調(diào)角，外環(huán)軸角傳感器輸出與失調(diào)角成正比的電信號，通過放大后驅(qū)動陀螺電機，并以同樣大小角度轉(zhuǎn)動平臺向反方向旋轉(zhuǎn)，使平臺恢復(fù)到原先位置，確保平臺對外環(huán)軸的穩(wěn)定。內(nèi)環(huán)軸的穩(wěn)定原理與外環(huán)軸相同。

當(dāng)目標(biāo)視線存在一個角速度時，天線坐標(biāo)相對于目標(biāo)坐標(biāo)出現(xiàn)失調(diào)角，經(jīng)過接收機形成失調(diào)信號，通過外環(huán)軸力矩發(fā)生器產(chǎn)生陀螺力矩，使陀螺平臺繞外環(huán)軸進動，進動時陀螺外環(huán)軸角傳感器輸出信號，信號經(jīng)放大后驅(qū)動外環(huán)軸使陀螺電機轉(zhuǎn)動，驅(qū)動平臺跟上陀螺的進動，從而實現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤。

3.3 三自由度陀螺故障機理分析

對三自由度陀螺進行失效分析，判定該故障是因電機下軸承保持架分層、掉塊斷裂造成的。

1）電氣接口檢測

對故障的三自由度陀螺各接線柱間阻值進行測試，結(jié)果均合格；對故障的三自由度陀螺各接線柱對殼體的絕緣電阻進行測試，結(jié)果均合格；對故障的三自由度陀螺各接線柱間的絕緣電阻進行測試，結(jié)果均合格。

2）通電檢查

對三自由度陀螺進行通電測試，沖擊電流變化異常，立即斷電。測試情況表明該陀螺在常溫通電情況下電機堵轉(zhuǎn)，故障現(xiàn)象與整機測試時故障現(xiàn)象一致，故障復(fù)現(xiàn)。

3）原因分析

針對陀螺電機堵轉(zhuǎn)問題，對三自由度陀螺從外向內(nèi)進行逐層分解排查。結(jié)合三自由度陀螺結(jié)構(gòu)及工作原理，列出造成電機堵轉(zhuǎn)的故障樹（見圖2）。由圖2可知，造成陀螺電機堵轉(zhuǎn)的原因有6項底事件，結(jié)合三自由度陀螺分解情況對故障樹底事件逐一進行分析、排查、定位。

a.電機與內(nèi)環(huán)卡滯

在分解過程中，分解到內(nèi)環(huán)組件時，從內(nèi)環(huán)組件中取出電機，在16倍體視顯微鏡下檢查，內(nèi)環(huán)表面與電機表面無卡碰、劃痕。因此，該底事件可以排除。

b. 軸承安裝不當(dāng)

按照工藝要求對故障件軸向位移復(fù)測合格。復(fù)查三自由度陀螺電機軸向位移測試夾具合格有效，每年定期校準(zhǔn)，復(fù)查原始質(zhì)量卡數(shù)據(jù)軸承與定子、端蓋的配合以及軸向位移值均合格。因此，該底事件可以排除。

c. 多余物

在對三自由度陀螺的分解過程中，每一步的分解均無多余物。因此，該底事件可以排除。

d. 轉(zhuǎn)子、定子間隙變小卡滯

通過對陀螺電機的分解，在分解過程中定轉(zhuǎn)子無粘連，無摩擦痕跡，定子與轉(zhuǎn)子之間存在一定的間隙，說明定子與轉(zhuǎn)子之間無卡滯。因此，該底事件可以排除。

e. 定子漆包線制造質(zhì)量

通過對定子繞組的生產(chǎn)工藝過程進行復(fù)查，每個工序都設(shè)置檢驗工序，合格受控，對電機定子組件阻值測試合格，說明該定子漆包線制造質(zhì)量無問題。因此，該底事件可以排除。

f. 軸承自身問題

該軸承是分離式軸承，分別由內(nèi)圈、外圈、保持架及滾珠組成，檢查上下軸承保持架、內(nèi)外圈及鋼球，發(fā)現(xiàn)上軸承保持架及內(nèi)、外圈、鋼球均正常，下軸承保持架分層、掉塊開裂（見圖3）；下軸承內(nèi)、外圈均不同程度地粘有軸承保持架磨損的粉末。鋼球無異常。

通過對陀螺進行分解排查，發(fā)現(xiàn)該陀螺電機下軸承保持架分層、掉塊開裂，其余無異常。

4）三自由度陀螺故障機理分析

根據(jù)故障分析報告可知，在對三自由度陀螺進行通電時，沖擊電流變化異常，說明該三自由度陀螺在常溫通電情況下電機堵轉(zhuǎn)，與在工廠內(nèi)導(dǎo)引頭艙整機測試故障現(xiàn)象一致，經(jīng)逐層分解排查得出，故障是由于電機下軸承保持架分層、掉塊斷裂造成的。

該三自由度陀螺軸承是分離式軸承，分別由內(nèi)圈、外圈、保持架及滾珠組成，經(jīng)檢查，該陀螺下軸承保持架分層、掉塊斷裂的原因是下軸承保持架自身存在質(zhì)量問題，先斷裂后產(chǎn)生高溫。由于軸承保持架存在一定缺陷，軸承在高速運轉(zhuǎn)時，軸承保持架發(fā)生開裂、分層掉塊，阻礙滾珠轉(zhuǎn)動，進而引起軸承摩擦力增大，使電機轉(zhuǎn)子受到異常阻力。同時，斷裂后的保持架在離心力的作用下膨脹，與軸承外圈相摩擦，在干摩擦過程中產(chǎn)生粉末進入滾道，從而造成卡滯，使電機堵轉(zhuǎn)。

4 糾正措施及驗證

經(jīng)過分析確認(rèn)，全彈測試“允許截獲、截獲、角度預(yù)置誤差Y和Z軸絕對值”不合格的主要原因為三自由度陀螺故障。在對導(dǎo)引頭艙進行測試時，導(dǎo)引頭內(nèi)部有異響，角度指示執(zhí)行誤差測試不合格，故障現(xiàn)象與整彈測試現(xiàn)象一致。

綜合以上分析，為修復(fù)該枚產(chǎn)品，導(dǎo)引頭更換三自由度陀螺，更換后各項參數(shù)測試合格，全彈測試合格。該產(chǎn)品在修理中故障定位準(zhǔn)確、采取措施有效，滿足“定位準(zhǔn)確、機理清楚、問題復(fù)現(xiàn)、措施有效、舉一反三”技術(shù)五歸零要求。

參考文獻

[1]王起飛. 基于三自由度陀螺儀的導(dǎo)引頭天線隨動系統(tǒng)[J].航空兵器，1999（6）.