基于偏離程度的某機械陀螺環境敏感參數分析

張凱，趙方超，王艷艷，黃波

環境及其效應

基于偏離程度的某機械陀螺環境敏感參數分析

張凱，趙方超，王艷艷，黃波

（中國兵器工業第五九研究所，重慶 400039）

明確某機械陀螺在貯存環境下的環境敏感參數。以機械陀螺在熱加速老化試驗中的各項性能參數檢測結果為基礎，依次對各參數檢測數據進行能表征參數退化程度的無量綱轉化，分析參數相對于原始值的偏離程度以及環境敏感程度，偏離度最大的參數即為陀螺的主要環境敏感參數。解鎖誤差、接觸起始角、垂直漂移、水平漂移參數的偏離程度分別為1041.7、1248.3、1472.7、417.7。垂直漂移參數是該機械陀螺在貯存環境下的主要環境敏感參數。提出的分析方法可有效用于多參數產品的環境敏感參數分析。

機械陀螺；環境敏感參數；分析

某型機械陀螺是用于激光半主動末制導炮彈上的一個關鍵部件，具有“長期貯存，一次使用”的特點。其主要作用是通過測量并輸出彈丸的空間方位角信號，以保證彈丸在慣性制導階段按照固定的下滑角飛行，使炮彈能夠順利轉入末端制導飛行階段[1-2]。為了掌握機械陀螺在貯存過程中易受貯存環境影響、對環境較敏感的性能參數，進而支撐其性能退化規律研究和貯存壽命評估[3-5]，文中提出了一種基于偏離程度計算的多參數產品環境敏感參數分析方法，并以機械陀螺在模擬貯存環境下的恒溫加速老化試驗數據為依據，對陀螺的環境敏感參數進行了分析。

1 試驗

1.1 方法

機械陀螺作為一種高可靠、長壽命慣性器件，其在正常貯存環境下的性能退化是非常緩慢的。為了在較短時間內獲得陀螺的貯存性能退化數據，進而支撐敏感參數分析，需開展機械陀螺的加速退化試驗。一般情況下，影響陀螺性能退化的環境因素通常有溫度、濕度、鹽霧、輻射、氣壓和大氣污染等。由于該機械陀螺位于制導控制艙內部，隨彈貯存，同時控制艙采取了密封防護措施，隔絕了濕度、輻照等環境因素，所以其在貯存過程中所能接觸到的、對其性能有影響的環境因素主要是溫度[6-7]。基于此，文中設計了一組機械陀螺的恒定溫度應力加速試驗，根據陀螺中膠粘劑等高分子材料的耐溫特性，將應力水平設定為100 ℃。

1.2 性能參數

該機械陀螺主要有四個性能參數，分別為解鎖誤差、接觸起始角、垂直漂移和水平漂移，各參數的指標要求見表1。試驗過程中定期對各性能參數進行檢測。

表1 機械陀螺各參數指標要求

Tab.1 Index requirement of mechanical gyroscope

2 結果與討論

2.1 試驗結果

在恒溫試驗過程中，機械陀螺解鎖誤差、接觸起始角、垂直漂移和水平漂移參數與不同試驗時間對應的檢測結果見表2。可以看出，解鎖誤差和垂直漂移參數隨試驗時間的延長表現出了一定的波動上升趨勢，接觸起始角和水平漂移參數隨試驗時間的延長表現出了一定的波動下降趨勢。

2.2 環境敏感參數分析方法

2.2.1 方法原理

目前，多性能參數產品在某一環境下的環境敏感參數分析方法主要有定性分析和定量分析兩種。前者由于沒有考慮參數的退化特性，且要求分析人員對產品有較深入的了解，因此分析結果具有一定的主觀性[8-11]。后者存在兩個缺點：一是沒有考慮參數的閾值，分析得出的參數可能是變化最大的參數，而不是退化程度最大的參數；二是該方法通過對比各參數在經歷相同時間后的變化程度大小來確定參數對環境的敏感程度，不適用于各參數呈波動變化且趨勢線相互之間存在交叉的情況[12-14]。

表2 主要性能參數檢測結果

Tab.2 Test results of main performance parameters

針對上述方法的不足，提出了一種基于偏離程度的多參數產品環境敏感參數分析方法。首先通過對參數進行基于指標要求的無量綱轉化[15-16]，使得轉化后的數據能直接反映出參數的退化程度，同時也使得量綱和數量級各不相同的參數之間具備了可比性。其次，對于每個參數，通過對轉化后的、與時間（試驗時間或貯存時間）對應的一組無量綱數據進行相對于原始值的偏離程度統計分析，使得分析結果更能真實反映參數間的相對退化程度大小。根據參數相對退化程度大小，實現對環境敏感參數的識別。

2.2.2 分析流程

假設某一產品有個性能參數，在某一環境條件下，每個參數均有個與時間1,2,…,t對應的檢測值（1<2<…<t）。

首先根據參數指標要求，分別對各個參數的檢測數據進行能表征參數退化程度的無量綱轉化，使量綱和數量級各不相同的參數之間具備可比性，指標形式不同，計算方法也不同。

1）單上限型指標參數的無量綱處理按式（1）進行。

式中：x′為轉化后的無量綱數據；x為參數第次的檢測數值；min為該參數所有檢測值中的最小值；upper為參數的合格指標上限值。

2）單下限型指標參數的無量綱處理按式（2）進行。

式中：max為該參數所有檢測值中的最大值；lower為參數的合格指標下限值。

3）區間型指標參數的無量綱處理按式（3）進行。

以處理后的表征參數退化程度的無量綱數據為基礎，按照式（4）分別對每個參數進行相對于原始值的偏離程度計算。

式中：為偏離程度；為參數在試驗過程中的檢測次數；0為參數在試驗前的原始值經過無量綱化處理后的值。

以偏離程度計算結果作為衡量參數對環境敏感程度大小的依據。若某一參數的偏離程度計算數值均大于其他參數的計算值，則表明該參數的綜合退化程度最大，其即為產品在該特定環境下的環境敏感參數。

2.3 機械陀螺貯存環境敏感參數分析

2.3.1 性能參數無量綱轉化

由表1可知，解鎖誤差參數的指標為單上限型，其余三個參數的指標為區間型。因此，按照式（3）和式（5）分別對表2中所列機械陀螺各參數進行能表征參數退化程度的無量綱轉化，結果見表3。

表3 各參數隨試驗時間的退化程度計算結果

Tab.3 Degeneration degree of each parameter related to test time

2.3.2 偏離程度計算

為了找出機械陀螺在試驗過程中退化程度最大的參數，按照式（5）分別對表3中各參數偏離其原始值的程度大小進行計算。

經計算，解鎖誤差、接觸起始角、垂直漂移、水平漂移參數的偏離程度分別為1041.7、1248.3、1472.7、417.7。由于垂直漂移參數的偏離程度計算值遠大于其余三個參數，說明機械陀螺在庫房貯存過程中，其垂直漂移參數是受溫度影響最大的環境敏感參數。

對在萬寧庫房隨彈貯存10年的同型號機械陀螺的各性能參數進行檢測，結果見表4。可以看出，陀螺垂直漂移參數和接觸起始角相比其他參數均表現出了較大程度的退化，這與通過加速貯存試驗分析所得的結果相吻合。

表4 機械陀螺萬寧庫房貯存性能檢測結果

Tab.4 Test results of storage performance of mechanical gyroscope in Wanning Warehouse (°)

3 結語

文中提出了一種針對多性能參數產品的環境敏感參數分析方法，該分析方法通過對參數進行基于參數指標的無量綱轉化，使得轉化結果同時可以反映出參數的退化程度。通過引入偏離程度的概念，實現了對不同參數間退化程度相對大小的綜合定量表征。利用該方法對某激光末制導炮彈用機械陀螺的貯存環境敏感參數進行了分析，結果表明，垂直漂移參數是機械陀螺在貯存環境下的主要環境敏感參數，在對該機械陀螺進行性能退化規律分析和壽命評估時，應重點關注垂直漂移參數。

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Environment-sensitivity Parameter Analysis of Mechanical Gyroscope Based on Deviation Degree

ZHANG Kai, ZHAO Fang-chao, WANG Yan-yan, HUANG Bo

(Southwest Technology and Engineering Research Institute, Chongqing 400039, China)

The paper aims to determine the environment-sensitive parameters of mechanical gyroscope in storage environment. Based on the test results of mechanical gyroscope in thermal accelerated aging test, each parameter was converted to a dimensionless parameter that can characterize its degree of degeneration, then the deviation degree of each parameter relative to the original value and the sensitivity of each parameter to the environment were analyzed. The parameter with the largestdeviation was considered as the main environment-sensitive parameter of mechanical gyroscope. The deviation degrees of unlocking error, contact start angle, vertical drift and horizontal drift parameters were 1041.7, 1248.3, 1472.7 and 417.7 respectively. The vertical drift parameter was the main environment-sensitive parameter of mechanical gyroscope in storage environment. The method presented in this paper can be effectively used for environment-sensitive parameter analysis of multi-parameter products.

mechanical gyroscope; environment-sensitive parameter; analysis

2019-03-24；

2020-04-03

10.7643/ issn.1672-9242.2020.05.018

TJ760

A

1672-9242(2020)05-0112-04

2019-03-24

2020-04-03

張凱（1986—），男，碩士，工程師，主要研究方向為環境試驗與評價。

ZHANG Kai (1986—), Male, Master, Engineer, Research focus: environmental test and evaluation.