延长某型液浮陀螺加速度计精度寿命分析
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摘 要：文章通过某型摆式积分加速度计（PIGA）的结构，建立其误差模型，分析了影响加速度计精度寿命的主要因素，根据其结构特点提出延长加速度计精度寿命的可行性，对于增加加速度计的使用寿命，降低使用成本提供了参考。
关键词：PIGA;误差系数;精度寿命
中图分类号：TJ765 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）11-0117-03
Abstract： Based on the structure of a certain type of Pendulous Integrating Gyro Accelerometer（PIGA）， this paper establishes its error model， analyzes the main factors affecting the precision life of the accelerometer， and puts forward the feasibility of prolonging the precision life of the accelerometer according to its structural characteristics， which provides a reference for increasing the service life of the accelerometer and reducing the cost.
Keywords： PIGA; error coefficient; precision life
引言
摆式积分陀螺加速度计（PIGA），是一种利用陀螺力矩进行反馈的摆式加速度计。它的主要部分由陀螺仪、摆组件以及相关的回路组成。常用的二自由度陀螺仪是在其自转轴上加一定的偏心质量构成。或者单自由度积分陀螺仪，在其自转轴上加配重，形成一个摆式积分陀螺仪，再配以由力矩电机驱动的外环组件而构成。它具有精度高、测量范围宽、能自动积分的优点[1，2]。但是，PIGA的构成原理也决定了它结构复杂，体积大，加工生产工艺要求高，导致其生产周期长，成本高。因此延长PIGA精度寿命对于提高装备的使用寿命，降低成本有着重要的意义。
1 陀螺加速度计结构与误差模型
某型静压液浮陀螺加速度计由表头、伺服回路、输出回路和变磁阻前放输出电路构成（如图1）。
当视加速度a沿着仪表外框架轴作用时，由于偏心质量m的存在，在内环轴上就产生惯性力矩mla。按照陀螺进动原理，这时陀螺组件便沿外环轴以角速度？琢进动，同时在内框架轴上产生陀螺力矩H？琢。在稳态条件下，陀螺力矩H？琢与惯性力矩mla相平衡，即
式中：？琢表示沿外环轴的进动角速度;H表示陀螺电机的角动量;m表示内环组件的质量;a表示沿仪表外环轴方向视加速度;l表示内环组件质心沿转子主轴方向相对内环轴的偏移量。
但在实际情况下，因受到外环轴上各种干扰力矩MX1的影响，角动量H将缓慢的向MX1矢量方向进动，使内环轴转角β逐渐增大，为确保陀螺转子轴能始终与外环轴垂直（即β≈0），必须设法消除MX1的影响。当加表受到MX1的影响而出现β角时，短路匝传感器就会产生相应的输出，经过伺服回路校正放大之后，反馈给力矩电机，产生一个MX1与大小相等、方向相反的修正力矩MD，以消除MX1的影响，保证H与外框架轴的垂直，确保仪表正常工作。
陀螺加表内框架输出方程为：
式中Kl=，为陀螺加速度计的比例系数，K0为加速度无关项系数。
根据上式，K1的误差因素可表示为：
？驻m是检测质量的变化，主要由陀螺电机滚珠轴承中润滑油和定子绕组中粘结物的挥发等因素引起，变化量很小，可以忽略;？駐H是陀螺电机角动量的变化，主要由温度变化、陀螺电机电源频率不稳定以及轴承摩擦力矩变化引起;？驻l是摆长的变化，主要由浮子质心的变化引起[3]。
2 陀螺加速度计精度寿命影响因素分析
根据公式（2）和公式（3）可知，陀螺加速度计的精度包括K0、K1两部分，其中K0为与加速度无关项，K1为与加速度有关项。
影响陀螺加速度计K0精度寿命的主要因素是仪表内环轴上干扰力矩的稳定性，仪表内环轴上的干扰力矩主要有液浮轴承的干扰力矩、软导线的干扰力矩及浮液中有气泡产生的干扰力矩。液浮轴承的干扰力矩，受浮液的温度状态、螺旋泵的转速稳定状态影响较大;软导线的干扰力矩，受软导线的形状状态、位置稳定状态影响为主;充油质量不好，油中会出现气泡，会对内环轴产生干扰力矩，影响到加表K0精度寿命。
影响仪表K1精度寿命的主要因素是加速度计内环质心的稳定性。浮子质心的变化，主要受马达轴装配应力变化和滚珠轴承磨损。
（1）从装配结构上来看（如图3），马达的固定采用了铝V型支架、铝压板、高比重合金压板、钢螺钉这些零件，这几种零件材料热膨胀系数存在较大差异，这种差异在测试周期中高低温度交替变化的情况下，会导致该处结构的微变，即影响到浮子质心的稳定性。
（2）当加速度计长时间工作后，内环组件内的滚珠轴承马达会出现机械磨损，轴承滚道发生变化，进而导致摆性发生变化，直接制约加速度计精度寿命。
3 电机寿命理论分析
陀螺加速度计采用的是滚珠轴承的马达（如图3），马达以30000r/min的恒定转速在浮子内旋转，高速旋转过程中存在机械磨损问题，通电时间较长后，滚珠轴承马达的质心发生变化，进而引起浮子质心变化，导致陀螺加速度计一次项精度超差，不满足技术指标要求。综上所述，陀螺加速度计的通电时间寿命主要取决于电机轴承的寿命。 滚珠轴承理论寿命计算公式[4]如下：
式中：Lh表示额定寿命（h）;C表示额定动载荷;P表示当量动载荷;ε表示寿命指数;n表示工作转速。
根据轴承厂家提供的出厂参数及轴承的实际工作工况，C=104N，P=0.5N，ε=3，n=30000r/min，代入式（4）求得本滚珠轴承的理论寿命约为13000h。
陀螺加速度计精度变化与质心变化关系如下式：
根据式（5）求解可得：滚珠轴承在运转过程中出现质心变化0.07μm时，将引起陀螺加速度计精度超差，因此陀螺加速度计需考核滚珠轴承的精度寿命，其精度寿命受环境温度、力学等影响，低于理论寿命值。根据经验，取精度寿命系数0.25，求得滚珠轴承的精度寿命约为3000h。
4 验证试验
综上所述，影响陀螺加速度计精度寿命的主要为陀螺电机滚珠轴承的精度寿命和马达轴装配应力变化。采取试验验证确定其精度寿命，马达采取通电考核的方式，装配应力采取环境试验的方式。
抽取陀螺电机、陀螺加速度计开展累计通电时间2000h的跑合试验，跑合试验结束后开展环境试验，对陀螺加速度计的通电时间寿命进行进一步验证。
4.1 陀螺电机试验
陀螺电机的精度性能主要受质心偏移影响，通过动不平衡度表示[5]。抽取6只陀螺电机，试验前进行常温性能测试，然后开展连续通电6h，累计通电2000h的摸底试验，每100h测试1次常温电机性能和动不平衡度，直到完成2000h或寿命失效为止。
陀螺电机试验中，其动不平衡度变化曲线（≤0.0003g.cm2）如图4所示。
由图4可知：
（1）6只陀螺电机跑合试验常温测试结果均满足技术条件要求，且各指标参数保持稳定状态，没有大的突跳，表明陀螺电机工作性能稳定。
（2）6只陀螺电机在跑合过程中，动不平衡度基本未变，满足技术指标要求，表明陀螺电机跑合过程中质心稳定。
4.2 静压液浮陀螺加速度计试验
抽取4只陀螺加速度计（编号分别为10#、20#、30#、40#），试验前进行一次高温50℃六位置精度測试;然后开展连续通电6h，累计通电时间2000h的摸底试验，每200h进行一次高温50℃六位置精度测试;寿命试验结束后进行一组短稳精度测试。
K0、K1变化量如表1，短稳精度测试结果如图5、6所示。
由表1、图5、图6可以看出：
（1）跑合试验后仪表短稳测试精度均达到10-6量级，优于技术指标要求的10-5量级。
（2）4只陀螺加速度计跑合试验中，K0、K1变化量均满足技术指标要求，表明K0、K1在跑合过程中保持稳定。
4.3 环境试验
寿命跑合试验完成后，对此6只陀螺电机和4只例试陀螺加速度计开展了环境试验，环境试验项目包括：阻值及绝缘检查、绝缘强度检查、随机振动试验、温度循环试验、声振试验、恒加速度试验、冲击试验、低气压试验、运输试验、湿热试验。
试验结果均满足技术条件要求，表明陀螺电机和陀螺加速度计在2000h跑合后，依然能承受大量级环境、力学等恶劣条件的考验。
5 结论
通过陀螺加速度计寿命理论分析及对陀螺电机、陀螺加速度计的验证试验，表明某型陀螺加速度计能够达到累计通电时间2000h。综合考虑陀螺加速度计生产、加工和调试等出厂前的工作，某型陀螺加速度计的累计通电时间能够从1000h提高到1500h。这对于使用该型加速度计的惯性平台系统而言，可以增加整个系统的精度寿命，降低维护成本。
参考文献：
[1]邓益元.静压液浮陀螺平台系统[M].北京：中国宇航出版社，2012：144-151.
[2]严恭敏.惯性一期测试与数据分析[M].北京：国防工业出版社，2012：11：7-23.
[3]杨立溪.惯性器件手册[M].北京：中国宇航出版社，2013：232-239.
[4]王献锋.滚动轴承寿命理论的发展[J].轴承，2009，09：36-40.
[5]刘春浩.陀螺仪电机转子轴承研究现状与展望[J].机械工程学报，2006，11：17-25.
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