Гидродинамический гироскоп

 

Изобретение относится к области военной техники, а именно к измерительным элементам систем управления и стабилизации реактивных снарядов, например реактивных снарядов систем залпового огня. Сущность изобретения: в гидродинамический гироскоп, содержащий корпус, ротор с регулируемой, частично заполненной жидкостью полостью, выполненный из левой и правой жестко соединенных между собой через регулируемый элемент чашек с внутренней сферической поверхностью, центры сфер которых смещены из центра полости ротора, размещенный в полости ротора сферический поплавок с постоянным кольцевым магнитом, цилиндрический магнитопровод, сигнальную катушку и электродвигатель, введено регулируемое корректирующее устройство в виде двух цилиндрических колец из магнитомягкого материала, установленных на краях внутренней поверхности цилиндрического магнитопровода коаксиально ротору с возможностью аксиального перемещения, а постоянный кольцевой магнит выполнен в соответствии с соотношениями =0,095-0,105; =0,075-0,085; =0,90-0,92, где А, Н, Д_м - соответственно высота, толщина и наружный диаметр постоянного кольцевого магнита, Д_п - диаметр поплавка. Техническим результатом является повышение точностных характеристик гироскопа путем увеличения коэффициента передачи и постоянной времени. 3 ил.

Изобретение относится к гироскопическим приборам, а именно к гидродинамическим гироскопам, и может быть использовано в системах управления реактивными снарядами систем залпового огня.

Известен гидродинамический гироскоп (см. Андрейченко К.П. Динамика поплавковых гироскопов и акселерометров. - М.: Машиностроение, 1987, с.7-8), принятый за аналог. Гироскоп содержит корпус, вращающийся от внешнего электродвигателя ротор со сферической полостью, частично заполненной жидкостью, сферический поплавок, в экваториальной плоскости которого установлен постоянный кольцевой магнит, и сигнальную катушку.

Задачей данного технического решения являлось повышение точностных характеристик гироскопа путем увеличения постоянной времени. Данная задача частично решена за счет выполнения постоянного магнита в виде кольца, установленного в экваториальной плоскости поплавка.

Недостатком данного гироскопа является то, что вследствие отклонения формы поплавка и полости от правильной сферы из-за технологических погрешностей изготовления возникают уводящие моменты , вызывающие перекрестную связь, что в свою очередь приводит к уменьшению постоянной времени.

Общими признаками с предлагаемым авторами гидродинамическим гироскопом является наличие корпуса, вращающегося от внешнего электродвигателя ротора со сферической полостью, частично заполненной жидкостью, сферического поплавка с постоянным кольцевым магнитом, установленным в его экваториальной плоскости, и сигнальной катушки.

Указанного недостатка лишен гидродинамический гироскоп по патенту РФ №2116623, опубликованному 27.07.98. Он содержит корпус, вращающийся от внешнего электродвигателя ротор с регулируемой, частично заполненной жидкостью полостью, выполненный из левой и правой жестко соединенных между собой через регулируемый элемент чашек с внутренней сферической поверхностью, центы сфер которых смещены из центра ротора, размещенный в полости сферический поплавок.

Задачей данного технического решения являлось повышение точности за счет уменьшения перекрестной связи путем компенсации уводящих моментов от несферичности поплавка и полости моментом, возникающим при регулировании формы полости аксиальным смещением центров сфер чашек из центра ротора.

Недостатком данного гироскопа является замыкание магнитного потока постоянного кольцевого магнита через воздух, что приводит из-за его большого рассеивания к снижению напряжения в сигнальной катушке и, следовательно, к снижению коэффициента передачи К_п и тем самым к снижению точностных характеристик.

Общими признаками с предлагаемым авторами гидродинамическим гироскопом является наличие корпуса, вращающегося от внешнего электродвигателя ротора с регулируемой, частично заполненной жидкостью полостью, выполненного из левой и правой жестко соединенных между собой через регулируемый элемент чашек с внутренней сферической поверхностью, центры сфер которых смещены из центра полости ротора, размещенного в полости ротора сферического поплавка.

Указанного недостатка лишен гироскоп со сферическим ротором (см. патент США №3252340 от 24.05.66, кл. 74.5.46), являющийся наиболее близким по технической сути к изобретению и принятый за прототип.

Гироскоп содержит корпус, вращающийся ротор со сферической полостью, заполненной жидкостью, в которой размещен сферический поплавок с постоянным кольцевым магнитом, цилиндрический магнитопровод для замыкания магнитного потока постоянного кольцевого магнита, закрепленный в корпусе коаксиально с ротором, и электродвигатель.

Задачей данного гироскопа являлось повышение точности за счет повышения коэффициента передачи К_п путем уменьшения рассеивания магнитного потока Ф_м замыканием его через цилиндрический магнитопровод.

Недостатком прототипа является наличие уводящего момента , где F_мт - сила радиального магнитного тяжения между цилиндрическим магнитопроводом и постоянным кольцевым магнитом, R_м -радиус постоянного кольцевого магнита, α - угол отклонения поплавка.

Момент вызывает перекрестную связь и снижение постоянной времени Т.

Другой недостаток прототипа состоит в том, что выполнение постоянного кольцевого магнита с размером в соответствии с известными рекомендациями (см. Постоянные магниты. Справочник. Под редакцией д.т.н. проф. Ю.Н. Пятина, М.: Энергия, 1971, с.152-157) не позволяет обеспечить увеличение осевого момента инерции кольцевого магнита при его минимальной массе, что необходимо для повышения постоянной времени Т гироскопа.

Скомпенсировать уводящий момент путем перемещения центров сфер чашек на величину L не представляется возможным из-за ограничения условием L≤0,004 R_к, где R_к - радиус сферы чашек, позволяющего компенсировать только уводящий момент от несферичности поплавка и полости.

Момент магнитного тяжения может быть снижен путем уменьшения величины магнитного потока Ф_м постоянного кольцевого магнита (см. Одинцов А.А. Проектирование электроэлементов гироскопических устройств. М.: Энергия, 1962, с.91-92). Но это приводит к уменьшению коэффициента передачи К_п=К_с·Т, где К_с - крутизна выходной характеристики, и для его увеличения необходимо увеличивать число витков сигнальной катушки, что усложняет конструкцию гироскопа.

Общими признаками с предлагаемым гидродинамическим гироскопом является наличие в прототипе корпуса, вращающегося ротора со сферической полостью, заполненной жидкостью, в которой помещен сферический поплавок с постоянным кольцевым магнитом, цилиндрического магнитопровода для замыкания магнитного потока и электродвигателя.

В отличие от прототипа, в предлагаемом авторами гидродинамическом гироскопе введено регулируемое корректирующее устройство в виде двух цилиндрических колец из магнитомягкого материала, установленных на краях внутренней поверхности цилиндрического магнитопровода коаксиально ротору с возможностью аксиального перемещения, а постоянный магнит выполнен в соответствии с соотношениями

,

где A, Н, Д_м - соответственно высота, толщина и наружный диаметр постоянного кольцевого магнита, Д_п - диаметр поплавка.

Именно это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом.

Указанные признаки, отличительные от прототипа и на которые распространяется испрашиваемый объем правовой защиты, во всех случаях достаточны.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности гидродинамического гироскопа. Повышение точности гироскопа обеспечивается за счет увеличения постоянной времени, коэффициента передачи и уменьшения перекрестной связи.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном гидродинамическом гироскопе, содержащем корпус, вращающийся ротор со сферической, заполненной жидкостью полостью, выполненный из двух чашек с внутренней сферической поверхностью, центры сфер которых смещены из центра полости ротора, в котором размещен сферический поплавок с постоянным кольцевым магнитом, цилиндрический магнитопровод для замыкания магнитного потока кольцевого магнита, особенность заключается в том, что введено корректирующее устройство в виде двух колец из магнитомягкого материала, установленных на внутренней поверхности цилиндрического магнитопровода коаксильно ротору с возможностью аксиального перемещения, а постоянный кольцевой магнит выполнен в соответствии с соотношениями

,

где A, H, Д_м - соответственно высота, толщина и наружный диаметр постоянного кольцевого магнита, Д_п - диаметр поплавка.

Новая совокупность элементов, а также наличие связей между ними позволяют, в частности, за счет введения регулируемого корректирующего устройства, уменьшающего уводящий момент от магнитного тяжения между кольцевым постоянным магнитом и цилиндрическим магнитопроводом, и за счет выполнения кольцевого постоянного магнита в соответствии с представленными соотношениями высоты, толщины и наружного диаметра, максимально увеличивающего осевой момент инерции при его минимальной массе, повысить точность гироскопа.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен гидродинамический гироскоп, на фиг. 2 приведена схема сил магнитного тяжения, действующих на поплавок, на фиг. 3 показана зависимость постоянной времени от коэффициента перекрестной связи К_пс.

Предлагаемый гидродинамический гироскоп содержит корпус 1, вращающийся от внешнего электродвигателя 2, ротор 3, выполненный из левой 4 и правой 5 чашек, жестко соединенных между собой через регулируемый элемент 6. Внутренняя поверхность чашек выполнена сферической, центры сфер левой 4 и правой 5 чашек O₁ и O₂ соответственно смещены из центра полости ротора P на величену L. Образованная полость 7 частично заполнена жидкостью 8, в ней размещен сферический поплавок 9 с установленным в его экваториальной плоскости постоянным кольцевым магнитом 10. В корпусе закреплен цилиндрический магнитопровод 11, на краях которого установлены цилиндрические кольца 12, 13 из магнитомягкого материала. Сигнальная катушка 14 установлена в зазоре между цилиндрическим магнитопроводом 11 и ротором 3.

Гироскоп работает следующим образом. При вращении ротора 3 с угловой скоростью Ω поплавок 9 за счет сил гидродинамического давления со стороны жидкости 8, увлекаемой во вращение внутренней поверхностью чашек 4, 5, размещается в центре О полости 7 ротора и за счет сил вязкого трения приводится во вращение с угловой скоростью Ω. Оси собственного вращения поплавка и ротора совпадают с осью OX. При угловом перемещении гироскопа, например, в плоскости ZOX с угловой скоростью ω_вх на поплавок 9 действует гироскопический момент М_г=Н·ω_вх, где Н - кинетический момент поплавка. Поплавок стремится сохранить свое положение в пространстве, и между осями собственного вращения ротора 3 и поплавка 9 появляется угол рассогласования α=Т·ω_вх, где Т - постоянная времени гироскопа. При этом на поплавок 9 действует момент сил вязкого трения М_вт1=К_вт·Ω·α, где К_вт - коэффициент сил вязкого трения поплавка о жидкость. М_вт уравновешивает гироскопический момент М_г.

При наличии уводящего момента от несферичности ось поплавка ОХ_п отклоняется на угол β₁ в плоскости, перпендикулярной плоскости перемещения гироскопа с угловой скоростью ω_вх. Момент уравновешивается моментом сил вязкого трения M_вт2=К_вт·Ω·β₁.

С помощью регулируемого элемента 6 добиваются минимально возможного значения углового отклонения β₁=β₂. При этом перекрестная связь снижается до величины К_пс=β₂/α, а постоянная времени гироскопа Т увеличивается в соответствии с зависимостью T=f(K_пс), приведенной на фиг. 3.

Оставшееся нескомпенсированным угловое отклонение оси поплавка ОХ_п β₂ обусловлено уводящим моментом от сил магнитного тяжения F_мт между постоянным кольцевым магнитом 10 и цилиндрическим магнитопроводом 11 =F₁·R_м·α, где направление действия силы F_мт параллельно оси ОY_к при отсутствии колец 12, 13 (фиг. 2).

Установкой в цилиндрический магнитопровод 11 и оксиальным перемещением цилиндрических колец 12, 13 на расстояние I от центра О кольцевого магнита 10 добиваются совмещения направления действия силы магнитного тяжения F¹_мт с осью OY_п, что обеспечивает равенство нулю уводящего момента, действующего на поплавок 9 от сил магнитного тяжения. При этом угол β₂=0. Перекрестная связь уменьшается до 0, а постоянная времени и коэффециент передачи увеличиваются.

Выполнение гидродинамического гироскопа в соответствии с изобретением позволило повысить точность гироскопа за счет снижения перекрестной связи, увеличения постоянной времени, что позволяет улучшить точностные характеристики систем управления и стабилизации реактивных снарядов систем залпового огня.

Указанный положительный эффект подтвержден испытаниями опытных образцов, выполненных в соответствии с изобретением.

В настоящее время разработана конструкторская документация, намечено серийное производство.

Формула изобретения

Гидродинамический гироскоп, содержащий корпус, ротор с регулируемой, частично заполненной жидкостью полостью, выполненной из левой и правой жестко соединенных между собой через регулируемый элемент чашек с внутренней сферической поверхностью, центры сфер которых смещены из центра полости ротора, размещенный в полости ротора сферический поплавок с постоянным кольцевым магнитом, установленным в экваториальной плоскости поплавка, цилиндрический магнитопровод, сигнальную катушку, размещенную в зазоре между цилиндрическим магнитопроводом и ротором, и электродвигатель, отличающийся тем, что он снабжен регулируемым корректирующим устройством в виде двух цилиндрических колец из магнитомягкого материала, установленных на внутренней поверхности цилиндрического магнитопровода коаксиально ротору с возможностью аксиального перемещения, а постоянный кольцевой магнит выполнен в соответствии с соотношениями:

=0,095-0,105;

=0,075-0,085;

=0,90-0,92,

где А, Н, Д_м - соответственно высота, толщина и наружный диаметр постоянного кольцевого магнита;

Д_п - диаметр поплавка.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3