西锐SR20飞机电动陀螺姿态仪原理与维修排故.pdf

科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald科技创新导报2022 NO.30 Science and Technology Innovation Herald航 空 航 天 科 学 技 术西锐SR20飞机电动陀螺姿态仪原理与维修排故黄鋆 冯锐（中国民用航空飞行学院飞机修理厂 四川德阳 618307）摘要：电动陀螺姿态仪作为飞机导航的三大仪表之一，主要用于为飞行员提供俯仰倾斜姿态指示，从而保证飞行员安全降落。该姿态仪主要包括一个电源驱动的垂直陀螺、侧滑指示（选装）、各PCB电路板、滚转轴等部件，目前应用较为广泛的陀螺仪包括基于旋转质量陀螺效应的转子陀螺仪、基于萨奈克效应的光学陀螺仪、基于哥氏效应的振动陀螺仪、基于现代量子力学技术的原子陀螺仪。西锐SR20选装的电动陀螺姿态仪的陀螺仪是一个基于旋转质量陀螺效应的转子陀螺仪。本文就西锐SR20飞机电动陀螺姿态仪进行研究，通过模块化故障隔离和故障树建模的方法进行故障浅析，通过研究该电动陀螺姿态仪的原理、故障和测试过程，为改型电动陀螺姿态仪维修提供思路。关键词：电动陀螺姿态仪 故障树模型 排故 飞机中图分类号：V267文献标识码：A文章编号：1674-098X(2022)10(c)-0081-04Principle,Maintenance and Troubleshooting of Cirrus SR20 Aircraft Electric Gyro Attitude MeterHUANG Yun FEGN Rui(Aircraft Repair Shop,Civil Aviation Flight University of China,Deyang,Sichuan Province,618307 China)Abstract:As one of the three major aircraft navigation instruments,electric gyro attitude instrument is mainly used to provide pilots with pitch and incline attitude indication,so as to ensure the safe landing of pilots.The attitude meter mainly includes a power-driven vertical gyro,side slip indicator(optional),PCB circuit board,rolling shaft and other components,and at present,the widely used gyroscopes include gyroscopes based on rotating mass gyroscopes,optical gyroscope based on Sarnac effect,vibration gyroscope based on the Coriolis effect,and atomic gyroscope based on modern quantum mechanics techniques.The gyroscope of the electric gyro attitude instrument selected by Cirrus SR20 is a rotor gyroscope based on the rotating mass gyro effect.This paper studies the electric gyro attitude instrument of Cirrus SR20 aircraft,the fault analysis is carried out through the method of modular fault isolation and fault tree modeling,and provides ideas for the maintenance of modified electric gyro attitude meter.Key Words:Electric gyro attitude meter;Fault tree model;Troubleshooting;Aircraft电动陀螺姿态仪是一种为飞行员提供俯仰倾斜指示的仪表1，陀螺仪作为电动陀螺姿态仪的核心部件，用于测量、控制物体相对惯性空间角运动2。在实际的工作过程中，电动陀螺姿态仪作为机械旋转指示部DOI：10.16660/ki.1674-098X.2211-5640-3617基金项目：中国民用航空飞行学院青年基金项目：4300系列电动地平仪修理技术研究（项目编号：QJ2021-035）。作者简介：黄鋆（1994），男，本科，助理工程师，主要从事通航机载电子设备仪表的研究工作。81科技创新导报Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald航 空 航 天 科 学 技 术件，在工作一段时间后，往往会因各种原因导致陀螺轴承与内外框轴承卡阻或失效，从而导致姿态指示出现误差；同时，该姿态仪内部的电路较复杂，工作中也会因为各种电路问题导致工作出现故障。本文就电动陀螺姿态仪主要故障进行研究，通过电动陀螺姿态仪故障树模型的建立，结合该型电动陀螺姿态仪的原理和测试过程，为该型电动陀螺姿态仪的维修排故提供思路。1 工作原理姿态仪的内部结构主要由三自由度陀螺、摆式地垂修正器、俯仰倾斜指示仪组成。1.1 三自由度陀螺三自由度陀螺作为姿态仪的核心部件，依靠其稳定性与进动性3，可以为俯仰倾斜指示仪提供稳定平台，并通过其进动累积效应驱动俯仰倾斜指示仪指示当前飞机的俯仰与倾斜状态，其内部为一个电源驱动的陀螺转子，如图1所示。该陀螺转子经直流电流驱动后，以大约20 000r/min的速度高速旋转时，可以保持其自转轴相对于惯性空间方向稳定这一特性4。陀螺转子高速旋转时，当有外部力矩作用到陀螺上时，陀螺转动方向（指角速度矢量方向）与外力矩作用方向相互垂直，其进动方向的规律是：角动量矢量（或自转角速度矢量）沿最短路径转向外力矩矢量的方向。陀螺转动时，通过右手螺旋法则，可以判断出陀螺进动方向：右手弯曲的四指沿转动方向，伸直的大拇指即为角速度的方向5。1.2 摆式地垂修正器为了使陀螺能够找到地垂线，在陀螺仪内部有一个摆式地垂修正器6，利用摆的地垂性，可以控制陀螺的自转轴的位置。当陀螺自转轴的位置与地垂线的位置不同时，可以让陀螺进动到地垂线的位置，即可使陀螺的自转轴一直保持在地垂线的位置上。摆式地垂修正器包括了一个俯仰修正片与一个倾斜修正片（见图2），俯仰修正片用于修正俯仰上的误差，倾斜修正片用于修正倾斜上的误差。1.3 俯仰倾斜指示仪俯仰倾斜指示仪（见图3）包括倾斜指示和俯仰指示，用于为飞行员指示当前飞机状态，以便于飞行员调整飞机姿态。2 故障分析备用陀螺姿态仪的常见故障有很多，主要故障包图1陀螺转子示意图图2俯仰修正片与倾斜修正片图3俯仰倾斜指示仪82科技创新导报Science and Technology Innovation Herald科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 航 空 航 天 科 学 技 术括俯仰倾斜指示不随飞机姿态的改变而改变（不工作）、表盘打转、指示误差大、指示飘移、陀螺转子无法正常工作、指示卡阻、故障警告旗无法收起等，这些故障主要是由于陀螺内外框和陀螺转子故障引起的。通过近5年统计数据显示，上述故障占到了电动陀螺姿态仪的 90%以上，近 5 年各类故障统计分布如图 4所示。2.1 内外框故障由三自由度陀螺的进动性可以知道，当陀螺受到外力作用时，会引起陀螺进动，从而导致姿态仪指示误差大、指示飘移等问题。这样的外作用力来源主要有以下3种情况7：（1）内外框安装间隙过小；（2）内外框轴承磨损；（3）俯仰表盘与倾斜表盘有摩擦。因此，当姿态仪出现指示误差大、漂移等情况时，应该检查内外框转动是否灵活，如果出现内外框转动不灵活，应检查内外框间隙是否合格，再考虑更换新轴承，然后检查俯仰表盘与倾斜表盘是否有接触，最后检查是否存在其他摩擦。2.2 陀螺转子故障陀螺的稳定性对姿态的性能非常重要，陀螺转子正常工作转速大约为20 000r/min，因此，当陀螺转子转速不够时，会导致陀螺的稳定性差，从而导致陀螺飞转、无法工作等情况8。导致陀螺转子无法正常工作的原因主要有以下两种情况：（1）陀螺转子轴承磨损（见图5）；（2）电源故障。因此，当姿态仪无法正常工作或陀螺转子转速过低时，应该检查陀螺转子轴承是否磨损严重，或者考虑电路是否存在问题。3 故障树模型的建立根据西锐SR20飞机电动陀螺姿态仪故障分析9，可以建立该型电动陀螺姿态仪故障树模型（见图6），其中，电动陀螺姿态仪工作不正常作为根事件，各类故障属于二级事件，故障分析判断作为三、四、五级事件，结束作为六级事件。若每个后级事件的发生概率已知，便可通过故障树，应用软件计算出每级事件发生概率，为排故顺序提供思路。4 测试电动陀螺姿态仪测试流程如下。（1）检查电动陀螺姿态仪工作电气参数是否达标。（2）检查电动陀螺姿态仪警告旗是否工作正常，并记录出旗和收旗电压。（3）检查电动陀螺姿态仪指示无卡阻。（4）检查电动陀螺姿态仪俯仰倾斜指示是否迅速准确。（5）检查电动陀螺姿态仪照明应工作正常。（6）检查电动陀螺姿态仪侧滑仪工作正常。（7）检查刻度盘、指标和玻璃表盘应无斑点和划痕，外壳完好无破损。5 结语本文主要描述了西锐SR20飞机陀螺姿态仪的工作原理，并通过故障隔离和故障树模型分析的方法进行了各类故障分析，最后描述了姿态仪的测试过程，为改型陀螺姿态仪的维修排故工作提供了思路，也为相 051015202530图4近5年各类故障统计分布图5陀螺转子轴承磨损83科技创新导报Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald航 空 航 天 科 学 技 术关陀螺惯性器件的维修提供了基本思路。参考文献1 周鹏辉,宋吉.陀螺原理在航空仪表中的应用J.黑龙江科技信息,2013(7):109-110.2 史文策,许江宁,林恩凡.陀螺仪的发展与展望J.导航定位学报,2021,9(3):8-12.3 吴宏宇,吕沛伦,李琳.某型航空地平仪日历寿命延寿分析决策方法J.航空维修与工程,2021(4):60-63.4 尹崇,王东林,高郭池,等.适航审定对民用航空仪表设计的影响研究J.科技视界,2021(7):178-179.5 李耀军.民用直升机飞行仪表显示系统研究与实现D.天津：中国民航大学,2013.6 吴向阳.航空仪表综合测试台设计D.成都：电子科技大学,2003.7 陈兰英.浅析通航地平仪结构及常见故障检修J.科技资讯,2018,16(2):113-115.8 李波,彭永上.ZDP-1系列地平仪指示器故障原因研究及解决措施J.航空维修与工程,2017(10):90-92.9 吴凌华.浅谈航空器电子仪表故障的排除策略J.电子世界,2020(8):206.图6电动陀螺姿态仪故障树模型84