悬丝支承摆式加速度计低频振荡故障分析

张朋好，余润喜，杨国军，崔奇，于亚云

(1.中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095;2.中国北方发动机研究所，山西大同037000)

0 引言

悬丝支承摆式加速度计凭借其精度高、量程大、体积小、功耗低以及环境适应性强等特点，目前广泛应用在航空、航天、航海和兵器的武器装备中，是惯导系统的重要元件之一，它安装在惯导分系统的三个测量轴上，用于测量运动体坐标系上的线加速度，并将测量的加速度提供给计算机，用于运动体稳定回路的反馈信号和导航参数的计算。分析该型加速度计在使用过程中出现的故障，并提出解决措施，对加速度计的可靠性研究和提升武器装备的使用可靠性都具有重要意义。

1 故障现象

该型加速度计在靶场地面制导发射试验时，随着发动机推力的增加，在遥测的弹体Y向加速度通道输出信号中1只产品的输出出现了低频振荡故障现象，见图1。故障产品从惯导系统拆下后，在精密离心机上进行导弹发射时发动机推力模拟试验，在-Z方向20 g左右时故障复现(这一方向与弹体的Y向加速度计通道是对应的)。

本文从技术归零的角度，对故障产品进行了机理分析和试验验证，定位了故障原因，并提出了改进措施。

图1 故障产品-Z向输出低频振荡

2 悬丝支承摆式加速度计组成

为了便于对故障进行具体的描述，将加速度计的组成作一简单介绍:悬丝支承摆式加速度计是利用惯性原理测量线加速度的力矩再平衡式线加速度计，其原理组成见图2，主要包括:信号传感器、力矩器、再平衡回路和摆组件四个功能模块，各功能模块的结构和主要功能描述见表1。其中摆组件由于装配难度大，工艺复杂，是影响加速度计性能的关键器件，其质量可靠性将决定产品的使用可靠性。

图2 悬丝支承摆式加速度计组成框图

表1 悬丝支承摆式加速度计的功能模块及主要功能

3 故障机理分析

根据加速度计的结构组成和工作原理、产品使用过程中出现过的故障以及对型号质量问题处理的经验，对可能产生输出低频振荡的各种原因进行综合分析和定位，建立了加速度计输出低频振荡故障树，见图3。

图3 加速度计输出低频振荡故障树

该故障树为单调关联故障树，存在6个相互独立的底事件(原因事件)，依次对6个原因事件进行分析，用排除法找出了该型加速度计输出低频振荡的原因，分析结果见表2。

表2 原因事件分析表

通过对故障树中相关项的排查，可以初步断定加速度计-Z向输出低频振荡是由于摆组件上两个焊丝片焊接的悬丝不共线导致了产品的摆轴和输入轴的交叉耦合系数Kip过大所致。加速度计在±Z方向上进行精密离心试验时，摆组件的受力示意图见图4。

图4 在±Z方向上进行精密离心试验时摆组件的受力示意图

通过图4可知，在-Z向进行精密离心试验时，摆组件的受力方向使摆组件处于极不稳定状态，当摆轴和输入轴的交叉耦合系数Kip过大时，随着-Z向离心力F的增大，摆组件悬丝与支承柱和带孔支承柱的摩擦力减小，在输入轴上的分量逐渐增大，当离心力增加到某一值时，摆组件原来的平衡状态将被打破，摆组件将产生摆动，以产生新的平衡。摆组件在临界离心力状态下重新建立平衡的过程，将使得产品在-Z向的输出出现低频振荡。在+Z向进行精密离心试验时，摆组件的受力方向使摆组件处于稳定状态，在相同的交叉耦合系数Kip下，随着+Z向离心力F的增大，摆组件悬丝与支承柱和带孔支承柱的压力增大，虽然输入轴上的分量逐渐增大，但由于摆组件悬丝与支承柱和带孔支承柱的压力远大于交叉耦合系数在输入轴上产生的力的分量，摆组件将继续维持原来的平衡状态，从而在+Z向不产生输出低频振荡现象。

4 故障复现试验

为了进一步验证产品-Z向有低频振荡输出与产品的交叉耦合系数Kip的关系，装配了2个焊丝片焊接的悬丝不共线的摆组件，并将2个摆组件焊接在2个不同的底座组件上进行交叉耦合系数试验和0～70 g的-Z向精密离心试验，具体试验结果见图5和表3。

图5 3通道和4通道产品在25 g时输出

表3 低频振荡输出故障验证试验结果

通过表3和图5的试验结果可以得出如下结论:①焊丝片焊接的悬丝不共线将导致产品的交叉耦合系数Kip大;②产品的交叉耦合系数Kip大是导致产品输出低频振荡的原因。

5 解决措施

经过充分试验和认真分析可知，为了减少该型加速度计发生输出低频振荡的概率，应从摆组件装配工艺和产品性能测试两方面加强控制，采取的控制措施如下:①在现有工艺的基础上，增加产品摆组件制作工作过程的限位夹具，加强焊丝片焊接时的悬丝共线控制;②增加产品装配过程和交付试验过程中的交叉耦合系数测试，并规定其内控范围;加严筛选条件，鉴于发动机模拟推力的量级，产品交付前均要在精密离心机上进行-Z向0～40 g的发动机模拟推力试验。

［1］中国人民解放军总装备部.GJB/Z 1391-2006故障模式、影响及危害性分析指南［S］.北京:总装备部军标出版发行部，2006.

［2］中国人民解放军总装备部.GJB 1037A-2004单轴摆式伺服线加速度计试验方法［S］.北京:总装备部军标出版发行部，2004.

［3］何铁春，周世勤.惯性导航加速度计［M］.北京:国防工业出版社，1983.

［4］赵君辙.某加速度计低频振荡归零报告［R］.北京:中航工业计量所，2010.

［5］赵君辙.某加速度计特性分析报告［R］.北京:中航工业计量所，2011.