陀螺聲音對平臺性能影響分析

鄧方藝，劉思超

（中國空空導彈研究院 河南 洛陽 471009）

陀螺穩定平臺在環境試驗條件下性能惡化是空空導彈型號研制中要解決的重大技術問題。平臺在常溫時盡管能達到很高的性能，但在高低溫、振動等環境試驗[1]條件下穩定平臺的性能有著不同程度的下降，甚至造成產品的失效。大量試驗和理論分析表明，陀螺穩定平臺在環境試驗時的失效與陀螺的聲音有密切關系。通過對陀螺聲音的分析和研究，減少由于產品關鍵元器件失效造成的損失，對提高陀螺穩定平臺在環境試驗條件下，尤其是壽命條件下的可靠性有著十分重要的意義和價值。

1 陀螺穩定平臺工作的簡要原理

陀螺穩定平臺實際是由一個三自由度陀螺儀作為敏感元件的雙軸穩定平臺。在陀螺儀的內、外環上分別安裝有角傳感器和力矩器。在平臺的內、外環軸上分別安裝一臺伺服直流電機，并在殼體上配置伺服電路、功率放大器和傳動放大器。利用陀螺儀的基本特性：定軸性和進動性，即可實現平臺的穩定和目標的跟蹤。

為了說明穩定的物理過程，給出陀螺穩定平臺結構圖，如圖1所示。

圖中：H——陀螺動量矩；

ASy，ASz——沿陀螺外環軸、內環軸的角傳感器；

TSУ，TSz——沿陀螺外環軸、內環軸的力矩器；

圖1 陀螺穩定平臺結構圖Fig.1 Structure diagram of the gyro stabilized platform

MУ，Mz——沿平臺外環軸、內環軸的傳動電機；

K——放大器；

設起始時平臺與三自由度陀螺儀外環平面保持一致，陀螺儀動量矩矢量垂直與平臺平面，則此時角傳感器ASУ，和ASz輸出為零，一旦導彈彈體相對Y通道存在干擾角速度如時，平臺將繞Y軸轉動，由于陀螺在空間的定軸性，在平臺臺體與陀螺外環間將產生失調角αΓ，角傳感器ASУ將輸出正比于此失調角的信號，經放大后驅動傳動電機MУ轉動并帶動平臺以Y繞Y軸反方向旋轉，使平臺恢復到原先的位置（同時角傳感器ASУ輸出的失調角信號也減小到零，這樣就保持了平臺對Y通道的穩定，Z通道的穩定與Y通道一樣）。

平臺依靠Y、Z二條穩定回路始終跟隨著陀螺在慣性空間的位置，也就實現了平臺的空間穩定，由于結構設計中天線是用連桿與平臺相連，這樣就實現了天線的空間穩定，在整個穩定系統中，陀螺儀只起著提供一個坐標基準的作用。

2 陀螺聲音對穩定平臺影響原理分析

由于三自由度陀螺儀是平臺中最重要的器件，其性能不僅影響導引頭的跟蹤角速度、平臺的漂移、相對穩定性，甚至影響和決定全彈的壽命。三自由度陀螺儀中的殼體、外環、內環等零件結構復雜，精度要求高，加工周期長。一般情況下其要經過毛胚鑄造—粗加工—精加工—組合加工—裝配—測試等環節。在精度要求上，例如殼體、外環和內環軸承孔精度和相應的位置度精度，軸精度可達5級，孔精度為6級。在精度測量上，最佳的方法是用三坐標測量儀進行測量。

陀螺啟動時，馬達轉子轉速從靜止逐步提高，如果馬達的轉速與平臺產生諧振[2-3]，陀螺將會出現聲音的變化，影響系統的動態性能，使系統易于損壞。伺服機械結構是伺服系統[4]的控制對象，也是伺服系統的重要組成部分，當產品的諧振頻率過低時，將會對產品機械結構造成損傷，隨著環境試驗將進一步加劇產品結構的磨損。因此，通過對產品聲音的研究，早期剔除不合格品，可以提高產品的可靠性。

在對伺服系統分析時，將執行電機[5]至控制對象之間的機械傳動看成是絕對剛性傳動。當控制對象的轉動慣量不大，系統跟蹤角加速度不高，而傳動制造的剛度較大時，可以忽略彈性扭轉變形。但如果轉動慣量[6]較大時，系統通頻帶又比較寬，系統運動過程中傳動軸的彈性扭轉變形將造成明顯滯后，傳動裝置在傳遞運動[7]時就會含有儲能的元件。由于它速度阻尼小，其傳遞特性將出現較高的諧振峰，形成機械諧振，從而對系統的動態特性產生較大影響。甚至使系統不穩定，在某型諧振頻率下還可能損壞精密的慣性器件。機械諧振是由轉動慣量和傳動裝置的材料、結構及尺寸等因素決定的。剛性越差，機械諧振頻率就越低。通常伺服系統的機械傳動裝置都具有一個諧振頻率，但有的不止一個諧振頻率。

對于陀螺聲音的差異現象，一個陀螺由30多個組件和近百個零件組成，每個零組件各有自己的固有振動頻率，在陀螺電機高速旋轉的激勵下，會有不同的振動反應。當某一零組件的振動頻率接近陀螺電機的振動頻率時，振動會強烈一些，陀螺通電發出的聲音成份也會相應變化。而對于同一種陀螺產品之間的聲音有大有小的現象，陀螺通電工作的聲音是否異常和陀螺性能、壽命之間存在對應關系。

3 陀螺聲音對平臺影響試驗驗證

我們認為，陀螺聲音的差異能夠部分表征陀螺內部裝配的差異，聲音明顯偏大且不平穩的陀螺盡管性能滿足要求，但陀螺電機軸承由于摩擦會逐漸損耗，可靠性必然不如聲音平穩的陀螺，應在裝配過程中和出廠前對聲音加嚴控制。從我們對陀螺聲音的測試情況來看，受目前條件限制無法對陀螺聲音差異制定具體的判別標準，只能采取專人專聽的辦法控制陀螺聲音的差異。為此，我們設計了陀螺聲音的測試方法，并結合產品實際情況進行了驗證，獲得了較好的效果。

設置35670動態信號分析儀的工作頻率為聽覺范圍頻率：20～20 000 Hz；，將陀螺固裝于穩定平臺內，放在回轉工作臺上；將聲音傳感器固定在距陀螺50 mm處，測試過程中保持傳感器與陀螺的距離不變；采集背景聲音；陀螺加電，采集聲音。為便于對比，對可能存在故障隱患的產品進行了多次測試。測得的聲音頻譜和背景聲音測試結果如圖2和圖3所示。

圖2 陀螺聲音頻譜測試圖Fig.2 Testing diagram of the gyro voice spectrum

圖3 陀螺背景聲音頻譜測試圖Fig.3 Testing diagram of the gyro background voice spectrum

從以上結果曲線來看，背景聲音影響到測試結果的準確性，應將背景噪聲成分從測得的聲壓中扣除。因此準確測量分析應該保證測試環境的低噪聲，減小背景聲音的影響，并要確定背景噪聲對測量數據的修正值；根據《GJB673-89陀螺電機通用規范》中的規定，電機不通電時，在寬頻帶1/3倍頻程和窄頻帶范圍內，一般環境噪聲比電機在該頻帶下的最大噪聲至少低14 dB。由數據結果曲線中可以看到，陀螺測試時的總聲壓與背景聲壓相比，并無明顯區別，但是，在低頻段（20～1 000 Hz）聲音：由圖2陀螺測試的采樣數據曲線可以看到，低頻段數據變化較大；對比一個陀螺的全部測試結果，低頻段數據隨機性較大；結合背景聲音的測試數據，可以看到，在自然環境下進行陀螺聲音測試，該產品低頻段數據變大且存在較大的隨機性。通過專用的測試分析儀器及測試分析工具，說明該產品性能存在不穩定性。

4 結 論

三自由度陀螺在機械裝配過程中很難保裝配的一致性，可能在裝配中存在假間隙。經過穩定平臺的高低溫試驗和隨機振動試驗，使陀螺軸向存在的假間隙得以顯現。而軸向間隙變大使陀螺質心偏移，產生不穩定的隨機有害力矩，該力矩使陀螺漂移性能超差。通過對陀螺聲音的分析和試驗驗證，可以判定陀螺性能是否存在問題，從而避開由于陀螺故障導致穩定平臺的失效。

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