某型导弹三自由度陀螺典型故障分析

秦燕鸽 郭晓华 刘杰 付强

摘要：某型导弹在外场测试时“允许截获、截获、角度预置误差Y和Z轴绝对值”不合格，返厂测试故障现象与外场测试一致。为了解决该问题，通过故障分析和机理分析，确定故障原因是三自由度陀螺电机堵转无法正常启动，导致导引头稳定平台系统无法正常工作。本文可为排除同此类故障提供借鉴。

关键词：三自由度陀螺；故障分析；电机堵转

Keywords：unrestrained gyroscope；fault analysis；motor locked rotor

1 故障描述

某型导弹外场测试时“允许截获、截获、角度预置误差Y和Z轴绝对值”不合格，该导弹入厂测试时，故障现象与外场测试结果一致。

2 问题定位

2.1 全弹故障分析

根据全时序测试流程，对“允许截获、截获、角度预置误差Y和Z轴绝对值”不合格的故障现象进行分析。

该枚产品故障产生的时机是在中/末制导交接段，当目标将要进入导引头的允许截获距离时，飞控组件向导引头发出“开发射机高压指令”，并给导引头以目标角度和速度指示。在角度预置时，飞控组件向导引头发送Y、Z轴框架预置角，导引头接收到加高压指令时，会根据预置信息执行角度粗预定和精预定。粗预定时，导引头不接入陀螺；精预定时，导引头按照陀螺指向进行精确的角度指示。

全弹自检合格后，在预置框架角时，角度预置不合格。根据以上分析，造成不合格的原因应为导引头舱故障。

2.2 导引头舱故障分析

分解后对导引头舱进行测试，发现导引头舱内部有异响，角度指示执行误差测试不合格，加温电冲击电流变化异常。

根据导引头工作时序分析，在中/末制导交接段，根据飞控组件向导引头传送目标的角度和速度指示信息对角度和速度进行预置，预置满足要求后，飞控根据允许截获距离和导引头加高压指令持续时间给出允许截获指令。导引头角度执行误差测试即是检测导引头在中/末制导交接段角度预置执行能力的性能。

角度预定时，弹载计算机给出目标粗指示信号估值与角位置测量值的比较，将其差值送到功率放大器，驱动伺服电机转动天线实现粗略目标指示。同时，弹载计算机给出目标精指示信号估值，通过直流放大器使陀螺产生进动，从而使陀螺角传感器产生一幅度正比于转角大小的信号，信号经功率放大器控制驱动电机带动天线转动，实现精确目标指示。

根据以上分析，造成不合格的原因应为导引头角度跟踪回路故障。

2.3 故障树建立及分析

为了查明故障原因，结合部队和工厂测试结果，建立导弹“允许截获、截获、角度预置误差Y和Z轴绝对值”不合格故障树（见图1）。由图1可知，导弹测试出现该故障与3个底事件有关。根据故障树对底事件进行排查。

1）角跟踪电路故障

针对角度跟踪回路工作异常，结合该导引头舱加温电冲击电流变化异常，对位标器及角跟踪电路进行排查。从设备来的加温电源一路送到发射机，为发射机速调管提供加温电；另一路经过二次电源两个二极管后，分别送到修正通道微波接收机和陀螺电源，为多路恒温晶振提供加温电，经陀螺电源转化为三相交流电加至三自由度陀螺，驱动陀螺转动。在导弹加温阶段，位标器除了三自由度陀螺外其他部件不工作，故角跟踪电路不工作。因此，该底事件可以排除。

2）陀螺电源故障

用数字示波器对陀螺电源对外接口 3、4、5脚A、B、C三相输出电压波形进行测试，A、B、C三相输出相电压、波形均正常，测试结果为合格。因此，该底事件可以排除。

3）三自由度陀螺故障

对分解后的导引头通电测试，加温电接通时三自由度陀螺未启动，用数字示波器對该导引头的三自由度陀螺对外接口1、2、3脚A、B、C三相输入电压进行测试，供电正常，根据三自由度陀螺未启动的情况判断三自由度陀螺故障。

2.4 排查结果

根据对故障树底事件的分析和验证结果，得出以下结论：在导致“允许截获、截获、角度预置误差Y和Z轴绝对值”不合格顶事件的3项底事件中，角跟踪电路故障和陀螺电源故障经分析和验证后可以排除，三自由度陀螺故障底事件不能排除，由此确定导致该故障的原因为三自由度陀螺故障。

3 机理分析

3.1 三自由度陀螺结构组成

三自由度陀螺属于小型转子陀螺，由陀螺壳体、陀螺电机、双轴力矩发生器、双轴角度传感器、内外环架五部分组成。内外环架用于确保陀螺角动量相对于内环轴和外环轴的自由度，陀螺电机用一对轴承支撑在内环上，内环用一对轴承支撑在外环上，外环用一对轴承支撑在陀螺壳体上。内环轴和外环轴的两侧分别装有内环、外环角传感器、内环、外环力矩发生器。

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轴性和进动性。定轴性是指具有抵抗干扰力矩，即保持其自转轴相对惯性空间方位稳定的特性；进动性是指陀螺仪在外力矩作用下绕着与外力矩垂直的方向转动的特性。

三自由度陀螺内环平面与外环平面保持一致时，内环轴和外环轴的角传感器输出为零。当导弹弹体相对于外环轴产生扰动角速度时，平台将绕外环轴转动，平台内环与平台外环之间形成失调角，外环轴角传感器输出与失调角成正比的电信号，通过放大后驱动陀螺电机，并以同样大小角度转动平台向反方向旋转，使平台恢复到原先位置，确保平台对外环轴的稳定。内环轴的稳定原理与外环轴相同。

当目标视线存在一个角速度时，天线坐标相对于目标坐标出现失调角，经过接收机形成失调信号，通过外环轴力矩发生器产生陀螺力矩，使陀螺平台绕外环轴进动，进动时陀螺外环轴角传感器输出信号，信号经放大后驱动外环轴使陀螺电机转动，驱动平台跟上陀螺的进动，从而实现对目标的跟踪。

3.3 三自由度陀螺故障机理分析

对三自由度陀螺进行失效分析，判定该故障是因电机下轴承保持架分层、掉块断裂造成的。

1）电气接口检测

对故障的三自由度陀螺各接线柱间阻值进行测试，结果均合格；对故障的三自由度陀螺各接线柱对壳体的绝缘电阻进行测试，结果均合格；对故障的三自由度陀螺各接线柱间的绝缘电阻进行测试，结果均合格。

2）通电检查

对三自由度陀螺进行通电测试，冲击电流变化异常，立即断电。测试情况表明该陀螺在常温通电情况下电机堵转，故障现象与整机测试时故障现象一致，故障复现。

3）原因分析

针对陀螺电机堵转问题，对三自由度陀螺从外向内进行逐层分解排查。结合三自由度陀螺结构及工作原理，列出造成电机堵转的故障树（见图2）。由图2可知，造成陀螺电机堵转的原因有6项底事件，结合三自由度陀螺分解情况对故障树底事件逐一进行分析、排查、定位。

a.电机与内环卡滞

在分解过程中，分解到内环组件时，从内环组件中取出电机，在16倍体视显微鏡下检查，内环表面与电机表面无卡碰、划痕。因此，该底事件可以排除。

b. 轴承安装不当

按照工艺要求对故障件轴向位移复测合格。复查三自由度陀螺电机轴向位移测试夹具合格有效，每年定期校准，复查原始质量卡数据轴承与定子、端盖的配合以及轴向位移值均合格。因此，该底事件可以排除。

c. 多余物

在对三自由度陀螺的分解过程中，每一步的分解均无多余物。因此，该底事件可以排除。

d. 转子、定子间隙变小卡滞

通过对陀螺电机的分解，在分解过程中定转子无粘连，无摩擦痕迹，定子与转子之间存在一定的间隙，说明定子与转子之间无卡滞。因此，该底事件可以排除。

e. 定子漆包线制造质量

通过对定子绕组的生产工艺过程进行复查，每个工序都设置检验工序，合格受控，对电机定子组件阻值测试合格，说明该定子漆包线制造质量无问题。因此，该底事件可以排除。

f. 轴承自身问题

该轴承是分离式轴承，分别由内圈、外圈、保持架及滚珠组成，检查上下轴承保持架、内外圈及钢球，发现上轴承保持架及内、外圈、钢球均正常，下轴承保持架分层、掉块开裂（见图3）；下轴承内、外圈均不同程度地粘有轴承保持架磨损的粉末。钢球无异常。

通过对陀螺进行分解排查，发现该陀螺电机下轴承保持架分层、掉块开裂，其余无异常。

4）三自由度陀螺故障机理分析

根据故障分析报告可知，在对三自由度陀螺进行通电时，冲击电流变化异常，说明该三自由度陀螺在常温通电情况下电机堵转，与在工厂内导引头舱整机测试故障现象一致，经逐层分解排查得出，故障是由于电机下轴承保持架分层、掉块断裂造成的。

该三自由度陀螺轴承是分离式轴承，分别由内圈、外圈、保持架及滚珠组成，经检查，该陀螺下轴承保持架分层、掉块断裂的原因是下轴承保持架自身存在质量问题，先断裂后产生高温。由于轴承保持架存在一定缺陷，轴承在高速运转时，轴承保持架发生开裂、分层掉块，阻碍滚珠转动，进而引起轴承摩擦力增大，使电机转子受到异常阻力。同时，断裂后的保持架在离心力的作用下膨胀，与轴承外圈相摩擦，在干摩擦过程中产生粉末进入滚道，从而造成卡滞，使电机堵转。

4 纠正措施及验证

经过分析确认，全弹测试“允许截获、截获、角度预置误差Y和Z轴绝对值”不合格的主要原因为三自由度陀螺故障。在对导引头舱进行测试时，导引头内部有异响，角度指示执行误差测试不合格，故障现象与整弹测试现象一致。

综合以上分析，为修复该枚产品，导引头更换三自由度陀螺，更换后各项参数测试合格，全弹测试合格。该产品在修理中故障定位准确、采取措施有效，满足“定位准确、机理清楚、问题复现、措施有效、举一反三”技术五归零要求。

参考文献

[1]王起飞. 基于三自由度陀螺仪的导引头天线随动系统[J].航空兵器，1999（6）.