動力調諧陀螺長期穩定性研究

陳建國，閔 剛

（1.中國人民解放軍海軍駐上海地區水聲導航代表室，上海 201108；2. 中船航海科技有限責任公司， 上海 200136）

動力調諧陀螺長期穩定性研究

陳建國1，閔 剛2

（1.中國人民解放軍海軍駐上海地區水聲導航代表室，上海 201108；2. 中船航海科技有限責任公司， 上海 200136）

介紹了動力調諧陀螺研究、生產的經驗，對影響動力調諧陀螺長期穩定性的主要原因做了全面分析。介紹了為改善動力調諧陀螺長期穩定性在設計、加工、裝調和材料等方面所做的工作及所取得的成績。

動力調諧陀螺；工藝措施；長期穩定性

0 引言

國內動力調諧陀螺的研制開始于20世紀70年代。三十多年來，陀螺歷經了從單一品種研制到多型號批量生產，從滿足航空慣導需求到應用于航天、航海和兵器等領域的階段。

動力調諧陀螺現在是主要陀螺產品之一，在今后相當一段時間，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定性的過程，也和近幾年對陀螺性能持續不斷改進、陀螺質量穩步提升有關。這些都為動力調諧陀螺穩定、持續發展提供了保證。

1 提高陀螺長期穩定性

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

高精度動力調諧陀螺已批量用于慣導系統多年。隨著陀螺使用時間的增長、使用數量增加，交付后返回復測的陀螺越來越多。陀螺主要失效模式集中在：漂移、重復性變差、時間常數變短、電機振動、摩擦力矩增大、慣性時間變短、與g有關項誤差變化等等。

預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定性的難度。

動力調諧陀螺結構比較簡單，主要部件工作在充有少量氣體的密封結構內。結構示意圖，如圖1所示。主要部件構成：傳感器組件：線圈組件、轉子端面；轉子部件：慣性轉子和撓性頭等；驅動電機：馬達定子、轉子、軸承；力矩器組件：磁鋼和線圈組件。

圖1 陀螺結構原理圖

從陀螺結構入手，討論各部件對陀螺長期穩定性的影響及研究工作。

1）撓性頭

撓性頭是動力調諧陀螺的核心部件，它的質量決定陀螺性能及陀螺的長期穩定性。

以往設計的撓性頭采用內外圓筒、雙平衡環結構，要求加工和組合精度高。設計注重在滿足調諧，提高品質因數，減少誤差等方面，對其強度和穩定性關注不夠。

在改進的撓性頭設計中，撓性頭采用了整體雙環、大剛度結構，在品質因數和承載能力上做了折中處理，設計的結構便于加工和清洗。

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。在陀螺調試前，采用撞檔篩選，提高了裝配的撓性頭質量。

對2006年以后，使用更改的撓性頭的陀螺統計中，g0、g1的誤差系數的變化量，遠遠低于以前的統計數據。

2）電機

陀螺電機帶動慣性轉子高速旋轉。轉速和驅動軸線的穩定、電機振動的大小直接影響陀螺性能。對于電機穩定性而言，軸承是其關鍵。

馬達軸承對陀螺的壽命和可靠性產生影響最大。除了軸承本身的指標要求和質量，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、裝配質量也至關重要。

關于軸承清洗，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。

關于軸承的裝配，除了確定軸承的選擇和配對的方法、軸承內外圈的配合間隙、軸承預載荷大小、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，保證了旋轉軸系相對殼體的位置精度，減小了電機振動。

3）力矩器

力矩器磁鋼和線圈組件需要具有極好的時效穩定性來保證力矩器刻度系數穩定性要求。高精度陀螺的工作溫度為 73℃。系統從環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定性來滿足陀螺快速性及漂移穩定性。力矩器線圈組件作為不動件，與轉動件轉子的間隙大小，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，在磁路設計、磁鋼材料研制和提高力矩器線圈組件形狀穩定等方面做了很多工作。

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

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

為了能精確標定力矩器刻度系數，還研發了微力矩測試儀。試驗表明，新研制的力矩器，其刻度系數穩定性達到10-4/季度的要求。

4）轉子組件

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

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

轉子的磁路設計的主要目標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子的流動，并且減小磁漏干擾。需特別注意的是，轉子材料和機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，對是否滿足轉子的尺寸精度和磁性能要求至關重要。

5）信號器

信號器的零位穩定性非常重要。他的穩定性直接影響陀螺的穩定性。在設計上，除了對陀螺內部的零部件精心設計，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、橋臂電感的配對標準。采用電感電橋，信號器的內外臂電感、電阻隨溫度、時間變化相一致，信號器零位穩定。

6）減小氣體動態力矩的影響

氣動力矩的變化對陀螺隨機漂移、重復性、時間常數與g°誤差影響極大。

陀螺部件密封在陀螺殼體內。為了降低陀螺的加熱時間和減少陀螺內部結構體的溫度梯度，在陀螺內充少量氦氣或氫氣。當陀螺轉子高速旋轉時，轉子和殼體，及相對殼體不動的力矩器定子和傳感器定子，會出現氣體動態力矩。氣動力矩作用在陀螺轉子上，會產生陀螺漂移。

氣動力矩的大小和轉子與不動件(包括殼體)的間隙、間隙的對稱性、轉子的偏角以及氣體的參數有關。氣體的參數隨時間、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、內部用膠等放氣有關以及陀螺的密封程度有關。

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

為此，采取了以下改進措施：

① 合理確定轉動件和不動件的間隙；

② 改進陀螺轉子外形設計；

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定方法；

⑧ 優化裝配、調試流程，使除過氣的零部件在一周之內完成封裝；

7）對陀螺用膠的揮發分研究

表 1為陀螺用膠的揮發分析試驗數據。可看出，502瞬間粘合劑和Z30-11聚酯絕緣漆揮發性較大，不宜用于陀螺。膠粘劑和絕緣漆通過高溫處理，揮發分會降低。

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

8）小結

為了直觀感受在提高陀螺長期穩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 陀螺用膠的揮發分析試驗數據

圖2 提高陀螺長期穩定性時間序列圖

2 陀螺長期穩定性試驗驗證和結果

在2009年，仿照飛行狀態，對落實各項提高穩定性措施所裝調的某型號高精度陀螺，進行了長期穩定試驗驗證。

完成的驗證試驗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、針振動穩定性等。

在完成上述試驗，并累積工作 4000h后，陀螺各項性能參數均在驗收指標范圍內。電機性能參數測試，結果完全正常。這遠遠好于以前所做的 3000h的壽命試驗指標。

將兩件參加試驗的陀螺平均測試數據列入表2。

表2 陀螺長期穩定性平均測試數據

目前返廠的陀螺測試結果也顯示，陀螺出現故障的比例也遠低于以往的統計數據。

3 結語

我國動力調諧陀螺從研制開始，至今已有三十多年的歷史。陀螺的設計和生產技術已經較成熟，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撓性陀螺將持續生產到 2030年(其精度可到 0.0002°/h，壽命長達 15年)。因此說明撓性陀螺有很大的發展空間。

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，盡快達到陀螺漂移及漂移重復性≤0.001°/h，壽命大于15年的目標。

[1] 吳紹群. 陀螺[M]. 江蘇: 江蘇大學出版社.

[2] 許江寧, 卞鴻巍. 陀螺原理及應用[M]. 北京: 國防工業出版社, 2009.

[3] 劉興堂, 戴榮林. 精確制導武器與精確制導控制技術[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 1998.

[4] 劉建業, 曾慶化. 導航系統理論與應用[M]. 西安:西北工業大學出版社, 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；研究方向為艦船導航。