一种航空直读式应急磁罗盘静平衡调整装置

党艳慧 李根福 秦素文

（大连长丰实业总公司，辽宁 大连 116000）

1 研究框架

1.1 航空直读式应急磁罗盘静平衡调整的需求和挑战

航空直读式应急磁罗盘静平衡调整的需求：作为飞行导航仪器的重要组成部分，航空直读式应急磁罗盘需要保持高度的准确性和稳定性[1]。静平衡调整是确保磁罗盘指示准确的关键步骤，能够消除装置松动或机械震动等因素引起的误差。

航空直读式应急磁罗盘静平衡调整的挑战：航空直读式应急磁罗盘是一种精密仪器，要求静平衡调整装置具备高度的精确性和可靠性。磁罗盘内部的结构复杂，静平衡调整装置需要考虑各种因素，如磁场干扰、温度变化等对调整结果的影响[2]。

与现有静平衡调整装置和传统航空直读式磁罗盘相比，新型航空直读式应急磁罗盘静平衡调整装置具有显著优势。新型装置采用自动化调整机制、精确调整算法和非接触式调整技术，能够获得更准确、稳定而高效的调整结果。

1.2 现有方法的局限性和不足之处

传统的调整方法依赖于手工操作和经验判断，缺乏标准化和科学性。该方法容易受人为误差的影响，调整结果的准确性和稳定性无法得到有效保证。传统的调整方法通常需要频繁拆卸和装配磁罗盘，会增加维护成本和时间消耗，还可能会导致装置的损坏或磨损，进而影响磁罗盘的使用寿命和精度。例如磁场干扰、温度变化等都可能会造成调整结果的偏差，进而影响磁罗盘的准确性和稳定性。

1.3 新型航空直读式应急磁罗盘静平衡调整装置

新型航空直读式应急磁罗盘静平衡调整装置引入了自动化调整机制，通过传感器和控制系统实时监测磁罗盘的状态，并根据反馈信息进行自动调整，可提高调整的准确性和稳定性，同时降低人为误差的影响[3]。其所开发精确的调整算法考虑了环境因素的影响，能够在较短时间内完成调整过程，因此能提高调整效率，确保调整结果的精度和可靠性。

磁罗盘杯体组件的构成如图1 所示。

图1 杯体组件示意图

2 各结构功能分析

磁罗盘总体功能为显示磁航向，该功能通过杯体上的航向标线相对方位刻线的读数来实现。

2.1 刻度盘组件

刻度盘组件中的刻度盘上带有指示刻度，内部装有一对磁铁，磁铁南极对应刻度盘的字母N，磁铁与地磁场相互作用，产生驱动刻度盘组件回转的力。刻度盘内带有轴尖，与宝石轴承接触承载，一起构成下摆式结构，即刻度盘组件的重心低于轴尖尖端，因此带有磁铁的刻度盘组件能保持平衡并自由旋转。刻度盘组件悬浮在罗盘油中，罗盘油可减少轴尖与宝石轴承间的摩擦，同时增加刻度盘的阻尼，稳定刻度盘组件[4]。

为避免机载设备随飞机在空中做各项机动动作时，因倾覆脱出而卡死，需要在倾覆过程中进行限位。刻度盘向上运动的极限为下隔板对应的平面，向下运动的极限为轴承座（刻度盘向下的行程应少于弹簧的压缩行程）。

2.2 杯体

固定定位螺杆连接轴承座，盛满罗盘油，通过杯体视窗刻线读出磁罗盘示数，放置上、下隔板并保证下隔板与刻度盘的距离，磁罗盘不会与杯体侧壁互相干涉。下端滑槽处连接灯罩，并对灯罩组件起到限位作用。上端连接罗差修整器。杯体中的罗盘油可为刻度盘的运动提供一个稳定的环境，减缓刻度盘由于振动和冲击产生的剧烈摆动，并产生浮力以减少轴尖与轴承座间的摩擦。

2.3 下隔板

限制刻度盘的上自由度。用胶将下隔板与杯体粘接时不可有缝隙。

2.4 上隔板

密封磁罗盘，提供注油孔。用胶将上隔板与杯体粘接时不可有缝隙。

2.5 堵塞

将罗盘油注入杯体后，将上隔板的注油孔封住。

3 常见故障

经对50 余件故障的直读式应急磁罗盘进行统计（50 件故障件均无法通过调整罗差修整器使罗盘允许误差满足技术要求），故障模式主要如下：1）磁条磁感应强度下降，不满足技术要求。2）宝石轴承工作面粗糙度不满足技术要求，或宝石轴承碎裂。3）轴尖尖端球面变形，工作面摩擦力增大。4）经长期使用，内部罗盘油变质。5）经长期使用，杯体组件透明度下降或刻度盘读数模糊。

其中宝石轴承损坏、刻度盘读数模糊、轴尖变形和磁条性能下降均需要更换新轴尖组件或新宝石轴承，更换轴尖组件后需要对新的轴尖支承组合（刻度盘组件-宝石轴承）调整静平衡以保证产品工作性能[5]。

4 技术阐述

4.1 装置原理和设计

该装置是一种用于航空应急磁罗盘静态平衡调整的装置，通过传感器实时监测磁罗盘状态参数，并将数据传输给控制系统。控制系统利用精确调整算法对传感器收集的数据进行分析和判断，并通过非接触式调整技术，如电磁力或气动力对磁罗盘进行自动调整。

传感器：装置配备了高精度的磁罗盘状态监测传感器，用于实时监测磁罗盘的位置、姿态和稳定性等参数。

控制系统：装置配备了先进的控制系统，具有高速计算和精确调整能力。控制系统接收传感器传来的数据，并利用精确调整算法对数据进行分析和判断，确定磁罗盘是否需要调整。

非接触式调整技术：根据控制系统的判断结果，装置采用非接触式调整技术，如电磁力或气动力等对磁罗盘进行自动调整[6]。这些技术可以精确地施加力量或气流，使磁罗盘达到平衡状态。

4.2 装置组成和工作流程

传感器实时监测磁罗盘状态参数，将数据传输给控制系统，控制系统通过精确调整算法分析和判断，自动调整磁罗盘的平衡状态。非接触式调整技术，如电磁力或气动力作用于磁罗盘，进行非接触式调整。装置记录调整过程中的参数变化，并提供实时反馈，方便操作人员进行控制和评估。

4.3 技术参数和性能评估

装置需要具备高精度的传感器，能够实时监测磁罗盘的状态参数，并将数据传输给控制系统。装置应采用精确调整算法，考虑环境因素的影响，以实现精确、稳定的调整结果。同时，非接触式调整技术如电磁力或气动力需要能够提供足够的调整力量和精确的控制能力。此外，装置还应具备快速调整能力，以在较短时间内完成平衡调整。性能评估方面，可以进行验证试验，评估装置的调整效果、准确度和稳定性，并与传统方法进行比较和分析。

5 航空应急磁罗盘静平衡技术要求

根据GJB1688—2012《航空磁罗盘通用规范》3.2.5 条规定“除另有规定外，刻度盘相对水平面的偏差不超过±1°”[7]，刻度盘在罗盘油中应保持静平衡。刻度盘有效工作倾斜角度为10°，读数误差不超过±4°，并且旋转角速度为每秒36°时不会产生停止和跳动[8]。

6 静平衡调整装置结构

该文针对上述轴尖支承结构的应急磁罗盘设计了一种静平衡调整装置，装置主要由水平调节装置、水平基准装置和升降装置组成，其中水平调节装置由3 个水平调整螺钉组成，水平基准装置由2 个条式水平仪和粘接在光栅固定架上的光栅组成。升降装置由蜗轮、蜗杆、转轴、轴套和升降台组成。磁罗盘静平衡调整装置的外形如图2 所示，光栅固定架与光栅的装配情况如图3 所示。

图2 磁罗盘静平衡调整装置外形图

图3 光栅固定架与光栅的装配示意图

图2 展示了一个紧凑且便携的设备。装置通常由一个主体框架组成，框架上安装了各种装置的关键部件和控制面板。在图2 中，主体框架呈现出简洁、坚固的设计，以确保装置的稳定性和可靠性。控制面板位于装置的顶部或前方，上面配备了操作按钮、指示灯和显示屏，用于设定参数、监测调整过程和显示结果。装置的底部配备了防滑垫或固定装置，以确保使用过程中的稳定性。装置的整体尺寸较小，质量轻，便于携带和操作。

通过调整水平调整螺钉，将磁罗盘上的条式水平仪调至水平，即保证光栅主刻线水平。

通过转动装置手柄，带动装置内部的蜗轮旋转，蜗轮又带动与之配合的蜗杆运动，同时使与蜗杆相连的升降台竖直运动。

7 工装设计思路

由应急磁罗盘结构可知，当产品工作时，刻度盘旋转中心为轴尖与宝石轴承接触部位，旋转半径为17.4mm。

可知刻度盘旋转1°划过的长度如公式（1）所示。

因此刻度盘倾斜1°相当于垂直方向起伏0.3mm。

设计工装带有水平面标记（可调整），对比刻度盘与水平面间的位置关系，可知刻度盘平衡是否符合要求。

在杯体外罩一层刻线罩，其上刻有长刻线和均布的短刻线。长刻线代表水平面，上、下短刻线与长刻线距离为0.3mm，代表与水平面相差1°。刻线罩位置相对基座固定，水平可调整，使长刻线与刻度盘上沿持平，通过调整刻度盘组件下方垫片焊锡的位置和焊锡量调整其静平衡。

关于误差分析：航空式应急磁罗盘一般安装在仪表板上方，无减震装置。安装时应急磁罗盘航向标线与飞机纵轴垂直，并与飞机对称平面平行。在飞机飞行过程中，应急磁罗盘杯体随飞机姿态变化而倾斜，而刻度盘在重力和罗盘油浮力、支持力作用下应保持水平。技术条件要求应急磁罗盘在倾斜角度10°时，基本误差为±4°。飞机的倾斜会影响应急磁罗盘基本误差，并将刻度盘静平衡对基本误差的影响放大。由于应急磁罗盘本身精度仅为5°，并为飞机提供粗略磁航向，因此刻度盘平衡对飞行安全的影响极其微弱。

安装杯体部位的水平高度可调节，可以消除应急磁罗盘杯体加工误差。1）刻线罩加工误差。加工刻线罩时，测量平面与刻线可达到的线性加工平行度为±0.01mm，刻线罩直径为50mm，因此刻线罩加工误差为装配误差。工装装配调试过程中要用到水平泡和条式水平仪对工装进行调平，水平气泡和条式水平仪存在度数误差。水平气泡分辨率为30"，度数误差δ2=15"条式水平仪分辨率为4"，度数误差δ3=2"。3）示数误差。调平刻度盘时，刻度盘上边缘与刻线间存在调平误差。因此累积误差δ=δ1+δ2+δ3+δ4=±41.26"+15"+2"+±615.76"≈11.58'。

在使用过程中，以刻度盘上沿与长刻线重合为判断其水平的依据，调整误差为±11.58'。经该文装置调整合格的产品必然符合GJB1688 的平衡要求。

关于误差量化经济分析：刻度盘上沿与长刻线两边不重合，为空间角度投影，因此角度小于1°，如定性测量需要在工装上增加带分划板的光学显微镜，或使用激光系统将角度投影后进行测量，2 种改装价格较高，可不量化测量。

8 创新点和实际应用前景

8.1 突出装置的创新性和优势

新型航空直读式应急磁罗盘静平衡调整装置是一种具有创新性和优势的装置。其创新点主要体现在自动化调整机制、精确调整算法、非接触式调整技术和实时监测反馈功能等方面。通过传感器实时监测磁罗盘状态参数，并利用控制系统和精确调整算法，装置能够自动进行静平衡调整，避免了传统人工操作中的误差和不稳定性。同时，采用非接触式调整技术如电磁力或气动力，可以减少对磁罗盘的物理接触，降低损坏和磨损的风险。

8.2 实际应用前景和潜在影响

该装置可以广泛应用于航空领域，包括商用航空、军事航空和通用航空等。通过提升磁罗盘的静平衡调整效果，能够提高飞行导航的精度和安全性，减少飞行中的误差和风险。装置的自动化调整机制和精确调整算法可以在较大程度上节省人力资源和时间成本，提高调整效率和准确性。非接触式调整技术的应用可减少对磁罗盘的物理接触，降低损坏和磨损的风险，延长磁罗盘的使用寿命。

9 结语

该文提出的应急磁罗盘调整工装能够实现直读式轴尖支承结构应急磁罗盘静平衡的调整及定性测量，操作简单易行，而且测量结果准确、可靠，满足国家标准要求。作为一种通用的调整工装，该设备适用于直读式轴尖支承结构的应急磁罗盘静平衡调整工作。无论是民用飞机还是军用飞机，在大修过程中都可以使用该工装进行调整。该文为飞机大修过程中的直读式轴尖支承结构应急磁罗盘静平衡调整提供了一种行之有效的解决方案。