懸絲支承擺式加速度計(jì)低頻振蕩故障分析

張朋好，余潤(rùn)喜，楊國(guó)軍，崔奇，于亞云

(1.中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095;2.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，山西大同037000)

0 引言

懸絲支承擺式加速度計(jì)憑借其精度高、量程大、體積小、功耗低以及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用在航空、航天、航海和兵器的武器裝備中，是慣導(dǎo)系統(tǒng)的重要元件之一，它安裝在慣導(dǎo)分系統(tǒng)的三個(gè)測(cè)量軸上，用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)體坐標(biāo)系上的線加速度，并將測(cè)量的加速度提供給計(jì)算機(jī)，用于運(yùn)動(dòng)體穩(wěn)定回路的反饋信號(hào)和導(dǎo)航參數(shù)的計(jì)算。分析該型加速度計(jì)在使用過程中出現(xiàn)的故障，并提出解決措施，對(duì)加速度計(jì)的可靠性研究和提升武器裝備的使用可靠性都具有重要意義。

1 故障現(xiàn)象

該型加速度計(jì)在靶場(chǎng)地面制導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)時(shí)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推力的增加，在遙測(cè)的彈體Y向加速度通道輸出信號(hào)中1只產(chǎn)品的輸出出現(xiàn)了低頻振蕩故障現(xiàn)象，見圖1。故障產(chǎn)品從慣導(dǎo)系統(tǒng)拆下后，在精密離心機(jī)上進(jìn)行導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)推力模擬試驗(yàn)，在-Z方向20 g左右時(shí)故障復(fù)現(xiàn)(這一方向與彈體的Y向加速度計(jì)通道是對(duì)應(yīng)的)。

本文從技術(shù)歸零的角度，對(duì)故障產(chǎn)品進(jìn)行了機(jī)理分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，定位了故障原因，并提出了改進(jìn)措施。

圖1 故障產(chǎn)品-Z向輸出低頻振蕩

2 懸絲支承擺式加速度計(jì)組成

為了便于對(duì)故障進(jìn)行具體的描述，將加速度計(jì)的組成作一簡(jiǎn)單介紹:懸絲支承擺式加速度計(jì)是利用慣性原理測(cè)量線加速度的力矩再平衡式線加速度計(jì)，其原理組成見圖2，主要包括:信號(hào)傳感器、力矩器、再平衡回路和擺組件四個(gè)功能模塊，各功能模塊的結(jié)構(gòu)和主要功能描述見表1。其中擺組件由于裝配難度大，工藝復(fù)雜，是影響加速度計(jì)性能的關(guān)鍵器件，其質(zhì)量可靠性將決定產(chǎn)品的使用可靠性。

圖2 懸絲支承擺式加速度計(jì)組成框圖

表1 懸絲支承擺式加速度計(jì)的功能模塊及主要功能

3 故障機(jī)理分析

根據(jù)加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理、產(chǎn)品使用過程中出現(xiàn)過的故障以及對(duì)型號(hào)質(zhì)量問題處理的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)可能產(chǎn)生輸出低頻振蕩的各種原因進(jìn)行綜合分析和定位，建立了加速度計(jì)輸出低頻振蕩故障樹，見圖3。

圖3 加速度計(jì)輸出低頻振蕩故障樹

該故障樹為單調(diào)關(guān)聯(lián)故障樹，存在6個(gè)相互獨(dú)立的底事件(原因事件)，依次對(duì)6個(gè)原因事件進(jìn)行分析，用排除法找出了該型加速度計(jì)輸出低頻振蕩的原因，分析結(jié)果見表2。

表2 原因事件分析表

通過對(duì)故障樹中相關(guān)項(xiàng)的排查，可以初步斷定加速度計(jì)-Z向輸出低頻振蕩是由于擺組件上兩個(gè)焊絲片焊接的懸絲不共線導(dǎo)致了產(chǎn)品的擺軸和輸入軸的交叉耦合系數(shù)Kip過大所致。加速度計(jì)在±Z方向上進(jìn)行精密離心試驗(yàn)時(shí)，擺組件的受力示意圖見圖4。

圖4 在±Z方向上進(jìn)行精密離心試驗(yàn)時(shí)擺組件的受力示意圖

通過圖4可知，在-Z向進(jìn)行精密離心試驗(yàn)時(shí)，擺組件的受力方向使擺組件處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)擺軸和輸入軸的交叉耦合系數(shù)Kip過大時(shí)，隨著-Z向離心力F的增大，擺組件懸絲與支承柱和帶孔支承柱的摩擦力減小，在輸入軸上的分量逐漸增大，當(dāng)離心力增加到某一值時(shí)，擺組件原來的平衡狀態(tài)將被打破，擺組件將產(chǎn)生擺動(dòng)，以產(chǎn)生新的平衡。擺組件在臨界離心力狀態(tài)下重新建立平衡的過程，將使得產(chǎn)品在-Z向的輸出出現(xiàn)低頻振蕩。在+Z向進(jìn)行精密離心試驗(yàn)時(shí)，擺組件的受力方向使擺組件處于穩(wěn)定狀態(tài)，在相同的交叉耦合系數(shù)Kip下，隨著+Z向離心力F的增大，擺組件懸絲與支承柱和帶孔支承柱的壓力增大，雖然輸入軸上的分量逐漸增大，但由于擺組件懸絲與支承柱和帶孔支承柱的壓力遠(yuǎn)大于交叉耦合系數(shù)在輸入軸上產(chǎn)生的力的分量，擺組件將繼續(xù)維持原來的平衡狀態(tài)，從而在+Z向不產(chǎn)生輸出低頻振蕩現(xiàn)象。

4 故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證產(chǎn)品-Z向有低頻振蕩輸出與產(chǎn)品的交叉耦合系數(shù)Kip的關(guān)系，裝配了2個(gè)焊絲片焊接的懸絲不共線的擺組件，并將2個(gè)擺組件焊接在2個(gè)不同的底座組件上進(jìn)行交叉耦合系數(shù)試驗(yàn)和0～70 g的-Z向精密離心試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果見圖5和表3。

圖5 3通道和4通道產(chǎn)品在25 g時(shí)輸出

表3 低頻振蕩輸出故障驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

通過表3和圖5的試驗(yàn)結(jié)果可以得出如下結(jié)論:①焊絲片焊接的懸絲不共線將導(dǎo)致產(chǎn)品的交叉耦合系數(shù)Kip大;②產(chǎn)品的交叉耦合系數(shù)Kip大是導(dǎo)致產(chǎn)品輸出低頻振蕩的原因。

5 解決措施

經(jīng)過充分試驗(yàn)和認(rèn)真分析可知，為了減少該型加速度計(jì)發(fā)生輸出低頻振蕩的概率，應(yīng)從擺組件裝配工藝和產(chǎn)品性能測(cè)試兩方面加強(qiáng)控制，采取的控制措施如下:①在現(xiàn)有工藝的基礎(chǔ)上，增加產(chǎn)品擺組件制作工作過程的限位夾具，加強(qiáng)焊絲片焊接時(shí)的懸絲共線控制;②增加產(chǎn)品裝配過程和交付試驗(yàn)過程中的交叉耦合系數(shù)測(cè)試，并規(guī)定其內(nèi)控范圍;加嚴(yán)篩選條件，鑒于發(fā)動(dòng)機(jī)模擬推力的量級(jí)，產(chǎn)品交付前均要在精密離心機(jī)上進(jìn)行-Z向0～40 g的發(fā)動(dòng)機(jī)模擬推力試驗(yàn)。

［1］中國(guó)人民解放軍總裝備部.GJB/Z 1391-2006故障模式、影響及危害性分析指南［S］.北京:總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2006.

［2］中國(guó)人民解放軍總裝備部.GJB 1037A-2004單軸擺式伺服線加速度計(jì)試驗(yàn)方法［S］.北京:總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2004.

［3］何鐵春，周世勤.慣性導(dǎo)航加速度計(jì)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1983.

［4］趙君轍.某加速度計(jì)低頻振蕩歸零報(bào)告［R］.北京:中航工業(yè)計(jì)量所，2010.

［5］趙君轍.某加速度計(jì)特性分析報(bào)告［R］.北京:中航工業(yè)計(jì)量所，2011.