动力调谐陀螺长期稳定性研究

陈建国，闵 刚

（1.中国人民解放军海军驻上海地区水声导航代表室，上海 201108；2. 中船航海科技有限责任公司， 上海 200136）

动力调谐陀螺长期稳定性研究

陈建国1，闵 刚2

（1.中国人民解放军海军驻上海地区水声导航代表室，上海 201108；2. 中船航海科技有限责任公司， 上海 200136）

介绍了动力调谐陀螺研究、生产的经验，对影响动力调谐陀螺长期稳定性的主要原因做了全面分析。介绍了为改善动力调谐陀螺长期稳定性在设计、加工、装调和材料等方面所做的工作及所取得的成绩。

动力调谐陀螺；工艺措施；长期稳定性

0 引言

国内动力调谐陀螺的研制开始于20世纪70年代。三十多年来，陀螺历经了从单一品种研制到多型号批量生产，从满足航空惯导需求到应用于航天、航海和兵器等领域的阶段。

动力调谐陀螺现在是主要陀螺产品之一，在今后相当一段时间，仍会是主要的陀螺品种。这得益于从提升陀螺精度到提高陀螺长期稳定性的过程，也和近几年对陀螺性能持续不断改进、陀螺质量稳步提升有关。这些都为动力调谐陀螺稳定、持续发展提供了保证。

1 提高陀螺长期稳定性

高精度陀螺主要指标：准备时间5min，随机漂移＜0.005°/h，重复性＜0.005°/h，g°＜3°/h，g¹＜1°/h/g，g²＜0.02°/h/g²(g°表示与g无关的陀螺漂移，g¹表示与g有关的陀螺漂移，g²表示与g的平方有关的陀螺漂移，g表示重力加速度)[1]。

高精度动力调谐陀螺已批量用于惯导系统多年。随着陀螺使用时间的增长、使用数量增加，交付后返回复测的陀螺越来越多。陀螺主要失效模式集中在：漂移、重复性变差、时间常数变短、电机振动、摩擦力矩增大、惯性时间变短、与g有关项误差变化等等。

预期陀螺工作寿命超过15年，但由于航空惯性器件使用中启动频繁、温度环境范围宽、承受较大的振动、冲击，这增加了高精度陀螺性能长期稳定性的难度。

动力调谐陀螺结构比较简单，主要部件工作在充有少量气体的密封结构内。结构示意图，如图1所示。主要部件构成：传感器组件：线圈组件、转子端面；转子部件：惯性转子和挠性头等；驱动电机：马达定子、转子、轴承；力矩器组件：磁钢和线圈组件。

图1 陀螺结构原理图

从陀螺结构入手，讨论各部件对陀螺长期稳定性的影响及研究工作。

1）挠性头

挠性头是动力调谐陀螺的核心部件，它的质量决定陀螺性能及陀螺的长期稳定性。

以往设计的挠性头采用内外圆筒、双平衡环结构，要求加工和组合精度高。设计注重在满足调谐，提高品质因数，减少误差等方面，对其强度和稳定性关注不够。

在改进的挠性头设计中，挠性头采用了整体双环、大刚度结构，在品质因数和承载能力上做了折中处理，设计的结构便于加工和清洗。

在挠性头装配前，增加振动老化和挠性头磁场测试和退磁处理。在陀螺调试前，采用撞档筛选，提高了装配的挠性头质量。

对2006年以后，使用更改的挠性头的陀螺统计中，g0、g1的误差系数的变化量，远远低于以前的统计数据。

2）电机

陀螺电机带动惯性转子高速旋转。转速和驱动轴线的稳定、电机振动的大小直接影响陀螺性能。对于电机稳定性而言，轴承是其关键。

马达轴承对陀螺的寿命和可靠性产生影响最大。除了轴承本身的指标要求和质量，如轴承轨道、滚珠和保持器材料及润滑剂(的选择)，轴承的清洗方法、装配质量也至关重要。

关于轴承清洗，研究提出的一套五种溶液清洗法，保证了轴承表面不但从物理上而且从化学上也是洁净的，从而提高了轴承的表面的浸润性，便于弹性流体动力润滑(EHD)膜的形成。

关于轴承的装配，除了确定轴承的选择和配对的方法、轴承内外圈的配合间隙、轴承预载荷大小、油脂的用量等，还研制出了一套获得国家专利的轴承装配夹具，保证了旋转轴系相对壳体的位置精度，减小了电机振动。

3）力矩器

力矩器磁钢和线圈组件需要具有极好的时效稳定性来保证力矩器刻度系数稳定性要求。高精度陀螺的工作温度为 73℃。系统从环境温度启动到工作温度，要求力矩器磁钢具有极好的温度稳定性来满足陀螺快速性及漂移稳定性。力矩器线圈组件作为不动件，与转动件转子的间隙大小，随时间和温度引起的间隙相对变化，对陀螺漂移有较大影响。为此，在磁路设计、磁钢材料研制和提高力矩器线圈组件形状稳定等方面做了很多工作。

在磁路上，借用专业单位的专用软件，设计了所需的最佳磁路设计。为了减小力矩器线圈组件的形变和提高其形状稳定性，在全灌注力矩器的基础上研发了半灌注式力矩器。它一次成型，胶的含量低、散热好、形位公差小、稳定性强。

采用了国内某研究单位研发得温度系数较低，稳定性好的铂钴磁钢。它具有：磁性能高、退磁因子小，稳定性好（温度稳定性和时间稳定性）、耐蚀性优，适合在氢气下长期工作、加工性能优良。

为了能精确标定力矩器刻度系数，还研发了微力矩测试仪。试验表明，新研制的力矩器，其刻度系数稳定性达到10-4/季度的要求。

4）转子组件

惯性转子组件由惯性转子、磁钢、挠性头和调整螺钉组成。它除了提供所需的惯量，也为传感器、力矩器提供磁路。

在改进设计中，转子外形考虑动力矩对转子的影响，转子的中心基本在支撑中心上。设计上还要考虑尽量使不同材料的线胀系数匹配，使各零件组合重心随温度变化后不偏离支撑中心。另外，转子与各零件配合尺寸和形位公差，这在改进设计中做了调整。

转子的磁路设计的主要目标是获得需要的力矩器刻度因子，同时，它也是传感器磁路的一部分。安装在磁极上组件要确保磁场从磁极到转子的流动，并且减小磁漏干扰。需特别注意的是，转子材料和机械加工后的热处理对磁性能的影响很大。合理安排工艺路线和热处理方法，对是否满足转子的尺寸精度和磁性能要求至关重要。

5）信号器

信号器的零位稳定性非常重要。他的稳定性直接影响陀螺的稳定性。在设计上，除了对陀螺内部的零部件精心设计，在电桥的桥壁上，采用电感线圈，形成电感电桥。

在装配上，提出了新的信号器组件的选配、桥臂电感的配对标准。采用电感电桥，信号器的内外臂电感、电阻随温度、时间变化相一致，信号器零位稳定。

6）减小气体动态力矩的影响

气动力矩的变化对陀螺随机漂移、重复性、时间常数与g°误差影响极大。

陀螺部件密封在陀螺壳体内。为了降低陀螺的加热时间和减少陀螺内部结构体的温度梯度，在陀螺内充少量氦气或氢气。当陀螺转子高速旋转时，转子和壳体，及相对壳体不动的力矩器定子和传感器定子，会出现气体动态力矩。气动力矩作用在陀螺转子上，会产生陀螺漂移。

气动力矩的大小和转子与不动件(包括壳体)的间隙、间隙的对称性、转子的偏角以及气体的参数有关。气体的参数随时间、温度变化变化。这与气体加热、陀螺零组件的放气、轴承油脂放气、内部用胶等放气有关以及陀螺的密封程度有关。

因此，减小气动力矩的影响，除了与设计有关，还与材料、零件加工、装配和调试密切相关。

为此，采取了以下改进措施：

① 合理确定转动件和不动件的间隙；

② 改进陀螺转子外形设计；

③ 改变绝缘子、密封塞和壳体的连接方法，改善陀螺密封性；

④ 制定零件、部件除气工艺；

⑤ 研制了一套零件水洗工艺；

⑥ 增添了零件、部件贮存工艺；

⑦ 研究了一套力矩器组件成形工艺和稳定方法；

⑧ 优化装配、调试流程，使除过气的零部件在一周之内完成封装；

7）对陀螺用胶的挥发分研究

表 1为陀螺用胶的挥发分析试验数据。可看出，502瞬间粘合剂和Z30-11聚酯绝缘漆挥发性较大，不宜用于陀螺。胶粘剂和绝缘漆通过高温处理，挥发分会降低。

因此，根据陀螺使用条件和试验，确定了陀螺零部件在最后装配前，胶挥发分处理工艺，提高陀螺的长期稳定性。

8）小结

为了直观感受在提高陀螺长期稳定性方面所做的工作，做了条时间序列图来说明，见图2。

表1 陀螺用胶的挥发分析试验数据

图2 提高陀螺长期稳定性时间序列图

2 陀螺长期稳定性试验验证和结果

在2009年，仿照飞行状态，对落实各项提高稳定性措施所装调的某型号高精度陀螺，进行了长期稳定试验验证。

完成的验证试验主要有陀螺工作温度炮合、工作温度启停(每天)、低温启停、高低温储存、冲击、针振动稳定性等。

在完成上述试验，并累积工作 4000h后，陀螺各项性能参数均在验收指标范围内。电机性能参数测试，结果完全正常。这远远好于以前所做的 3000h的寿命试验指标。

将两件参加试验的陀螺平均测试数据列入表2。

表2 陀螺长期稳定性平均测试数据

目前返厂的陀螺测试结果也显示，陀螺出现故障的比例也远低于以往的统计数据。

3 结语

我国动力调谐陀螺从研制开始，至今已有三十多年的历史。陀螺的设计和生产技术已经较成熟，保证了这种陀螺的精度和可靠性。而资料显示卡尔福特公司研制并生产挠性陀螺将持续生产到 2030年(其精度可到 0.0002°/h，寿命长达 15年)。因此说明挠性陀螺有很大的发展空间。

在未来的时间，我们将致力于研制高精度、长寿命的平台陀螺，尽快达到陀螺漂移及漂移重复性≤0.001°/h，寿命大于15年的目标。

[1] 吴绍群. 陀螺[M]. 江苏: 江苏大学出版社.

[2] 许江宁, 卞鸿巍. 陀螺原理及应用[M]. 北京: 国防工业出版社, 2009.

[3] 刘兴堂, 戴荣林. 精确制导武器与精确制导控制技术[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 1998.

[4] 刘建业, 曾庆化. 导航系统理论与应用[M]. 西安:西北工业大学出版社, 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

陈建国（1971-），男，硕士研究生；研究方向为舰船导航。