Динамически настраиваемый гироскоп
Владельцы патента RU 2248524:
ФГУП НИИ Прикладной механики им. академика В.И. Кузнецова (RU)
Использование: системы навигации и управления движением летательных аппаратов и других подвижных объектов. Сущность изобретения: в динамически настраиваемом гироскопе (ДНГ) с газодинамической опорой на рабочие поверхности опоры нанесены износостойкие покрытия, образующие пары трения нитрид титана - алмазоподобный углерод. Газодинамическая опора выполнена в виде двух подшипников скольжения, при этом конструктивные параметры подшипника, ближнего к маховику, выбраны из условия обеспечения им радиальной несущей способности, а конструктивные параметры подшипника, дальнего от маховика, выбраны из условия обеспечения им осевой несущей способности. Газодинамическая опора и маховик расположены в единой газовой среде. Конструктивные параметры прибора обеспечивают оптимальное демпфирование колебаний маховика и требуемую постоянную времени ДНГ, а также обеспечивают разнесение угловой, радиальной и осевой резонансных частот колебаний маховика. Техническим результатом является повышение точности и надежности при уменьшении габаритных размеров, а также снижение трудоемкости изготовления. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к малогабаритным гироскопическим приборам с упругим подвесом, предназначенным для использования в системах навигации и управления движением летательных аппаратов и других подвижных объектов.
Известны динамически настраиваемые гироскопы (ДНГ) [1], в которых упругий момент подвеса при отклонении маховика от нулевого положения компенсируется динамическим моментом колец подвеса (d·Ω2), что реализуется с помощью динамической настройки гироскопа, при которой К=d·Ω2, где d - комбинация моментов инерции колец упругого подвеса, К - угловая жесткость подвеса, d=a+b-c; a, b - экваториальные, с - полярный моменты инерции кольца, Q - угловая скорость вращения маховика.
Обычно в качестве скоростной опоры ротора в этих приборах используются шарикоподшипники, основными недостатками которых являются повышенный уровень вибрации с широким спектром, приводящий к резонансам в системе подвеса и, как следствие, к повышенным погрешностям показаний гироскопического прибора, а также ограниченный ресурс.
Известен ДНГ с газодинамической опорой приводного вала [2 - прототип], обеспечивающей существенное снижение вибрации гироскопа на рабочей скорости и практически неограниченную продолжительность безотказной работы, который состоит из двух герметичных камер: в одной расположен подвес и маховик, в другой - газодинамическая опора (ГДО). Такая конструкция ДНГ не отвечает требованиям, предъявляемым к малогабаритным гироскопам, в том числе работающим при значительных перегрузках, из-за больших габаритных размеров корпуса (наличие дополнительной вращающейся герметичной камеры) и двухстаторной электромашинной части, значительных размеров газодинамической опоры, которая должна обладать повышенной несущей способностью из-за увеличения веса вращающейся части, и повышенного энергопотребления, вызывающего дополнительный нагрев гироскопа и, как следствие, снижение точности ДНГ из-за температурных деформаций деталей. Кроме того, трудоемкость изготовления такого двухкамерного гироскопа очень высока, что сводит на нет основное преимущество ДНГ - низкая цена в сравнении с поплавковыми гироскопами.
Для обеспечения требований, предъявляемых к малогабаритным ДНГ, работоспособным в условиях действия линейных, угловых и вибрационных перегрузок, а также для устранения перечисленных недостатков создан динамически настраиваемый гироскоп, содержащий приводной вал на газодинамической опоре (ГДО), маховик, связанный с приводным валом упругим подвесом, датчики угла и момента, на рабочие поверхности ГДО нанесены износостойкие покрытия, образующие пары трения нитрид титана - алмазоподобный углерод, газодинамическая опора выполнена в виде двух подшипников скольжения, при этом конструктивные параметры подшипника скольжения, ближнего к маховику, выбраны из условия обеспечения им радиальной несущей способности, а конструктивные параметры подшипника скольжения, дальнего от маховика, выбраны из условия обеспечения им осевой несущей способности.
Кроме того, подшипники скольжения выполнены в виде полусфер, а в рабочем зазоре каждого подшипника по крайней одна из поверхностей выполнена с газодинамическими канавками, при этом углы границы профилировки и углы наклона канавок к плоскости вращения приводного вала задают радиальную или осевую несущую способность подшипников.
Вязкость и давление газа внутренней полости гироскопа выбраны из условия обеспечения требуемой скорости всплытия, радиальной и угловой жесткости опоры в рабочем режиме, с учетом допустимого демпфирования колебаний маховика.
Конструктивные параметры ГДО, в том числе величина радиуса полусфер, количество, форма, протяженность, глубина и ширина канавок, величина рабочего зазора в опоре, расстояние между полюсами криволинейных рабочих поверхностей подшипников опоры установлены исходя из условия разнесения угловой, радиальной и осевой резонансных частот колебаний маховика и всего вращающегося узла, а также обеспечения требуемой несущей способности.
Величины зазоров в датчике момента, между вращающимся маховиком и неподвижными деталями гироскопа: статоры датчика угла и датчика момента, кожух гироскопа, а также зазоры между кольцами подвеса установлены исходя из требуемой величины постоянной времени ДНГ с учетом параметров газовой среды.
Ротор датчика угла отделен от магнитопровода датчика момента немагнитным зазором, а конфигурация и геометрические размеры ротора датчика угла и разделительного зазора подобраны таким образом, чтобы обеспечивалась минимизация разницы магнитных потенциалов магнитопроводов статоров и ротора датчика угла.
Изобретение поясняется чертежами, где:
Фиг.1 - конструктивная схема ДНГ;
Фиг.2 - расчетная схема нагружения подшипников;
Фиг.3 и 3а - соответственно углы границы профилировки и углы наклона канавок к плоскости вращения маховика дальнего и ближайшего подшипника;
Фиг.4 - графики зависимости жесткости и несущей способности от угла границы профилировки;
Фиг.5 - графики зависимости жесткости и несущей способности от угла наклона канавок.
Гироскоп (фиг.1) состоит из герметичной газонаполненной камеры, образованной корпусом 1, крышкой 2 и кожухом 3, соединенных герметичным сварным швом. После заполнения камеры разреженным газом окончательная герметизация осуществляется деталью 4.
В корпусе 1 жестко закреплен статор электродвигателя 5, лобовые части которого закрыты кожухами 6 для исключения массообмена статора с окружающей средой и экранирования магнитных полей обмотки статора. Пазы пакета статора закрыты магнитопроводящей втулкой 7.
В корпусе установлена также неподвижная втулка 8 газодинамической опоры (ГДО) с двумя рабочими поверхностями, имеющими форму элементов вогнутой сферы, например, полусферы, на которые нанесено износостойкое покрытие - нитрид титана. В этом же корпусе крепится блок статоров, состоящий из статоров 9 датчика угла и статора 10 датчика момента.
На валу 11 газодинамической опоры закреплены две полусферы 12, имеющие выпуклые рабочие поверхности и газодинамические канавки. Рабочие поверхности полусфер имеют износостойкое покрытие - алмазоподобный углерод. Радиус рабочих поверхностей, количество, угол наклона к плоскости вращения, протяженность, глубина и ширина канавок, а также величина рабочего зазора в опоре и расстояние между полюсами криволинейных рабочих поверхностей установлены исходя из условия разнесения (обеспечения различий) угловой, радиальной и осевой резонансных частот колебаний маховика 13 на упругом подвесе 14 и всего вращающегося узла на газодинамической опоре.
Ротор 15 электромашинной части жестко крепится на валу, образуя вместе со статором 5 гистерезисный электродвигатель.
С противоположной стороны вала 11 закреплен упругий подвес 14 с маховиком 13 и ротором датчика момента 16. Величины зазоров в датчике момента между вращающимся маховиком 13 и неподвижным статором 5, маховиком 13 и кожухом 3, а также зазоры в датчике угла 17, зазоры 18 между кольцами подвеса 14 установлены исходя из требуемой для снижения вредных моментов от магнитных тяжений между вращающимся ротором ДМ-ДУ и неподвижными элементами конструкции, обусловленных полями рассеяния магнитной системы датчика момента, ротор 19 датчика угла отделен от магнитопровода ДМ немагнитным зазором 20, а конфигурация и геометрические размеры ротора ДУ и разделительного зазора подобраны таким образом, чтобы обеспечивалась минимизация разницы магнитных потенциалов магнитопроводов 21 статоров и ротора ДУ 17.
При определении оптимального значения протяженности и угла наклона (угла атаки) газодинамических канавок, обеспечивающих максимальную несущую способность и требуемую жесткость ГДО, обычно исходят из конструктивных параметров гироскопа и нагрузок, воспринимаемых подшипниками ГДО. При этом размеры и параметры подшипников одинаковы [3]. Последнее не позволяет в ряде случаев обеспечивать оптимальную (требуемую) несущую способность и жесткость ГДО. В качестве примера рассмотрим схему нагрузок ДНГ (фиг.2), маховик которого вращается с рабочей скоростью n=30000 об/мин и имеет следующие параметры: вес маховика 14 г, общий вес вращающихся частей Р=35,7 Г, внутренняя полость заполнена гелием давлением 380 мм рт.ст., расстояние от экватора ближнего к маховику подшипника до центра масс вращающихся частей динамически настраиваемого гироскопа x=0,94 мм.
В условиях перегрузок 10 г в любом направлении имеем:
Осевая нагрузка на опору (2 подшипника) - 357 г.
Радиальная нагрузка: ближний к маховику подшипник - 339 г,
дальний от маховика подшипник - 18 г.
Из сравнения нагрузок следует, что радиальную нагрузку, в основном, несет ближний к маховику подшипник, а осевую оба одинаково. Как следует из графиков, приведенных на фиг.4 и 5, несущая способность газодинамических полусферических подшипников в осевом и радиальном направлениях существенно зависит от протяженности, определяемой углами профилировки, и угла наклона газодинамических канавок к плоскости вращения ротора. Следовательно, повышение запасов по несущей способности и жесткости газодинамических опор ДНГ можно обеспечить подбором угла профилировки газодинамических канавок ближнего к маховику подшипника исходя из максимального значения радиальной несущей способности, а дальнего от маховика исходя из осевой несущей способности, как это показано на фиг.4 (в нашем случае соответственно углы ϕ границы профилировки 65 и 45°). Аналогично выбирается исходя из радиальной нагрузки на ближнем подшипнике и осевой нагрузки на дальнем подшипнике оптимальный угол наклона α газодинамических канавок для ближнего и дальнего подшипника (см. фиг.5, углы α соответственно 30 и 20°).
Следовательно, для повышения запасов по перегрузочной способности и жесткости газодинамической опоры динамически настраиваемого гироскопа путем оптимизации ее конструктивных параметров, в предлагаемом гироскопе угол границы профилировки и угол наклона газодинамических локсодромических канавок подшипников должны быть различны (см. фиг.3 и 3а).
Гироскоп работает следующим образом. После подачи электропитания на обмотки статора 5 электродвигателя, обеспечивающего разгон ротора до скорости, превышающей скорость всплытия полусфер 12 газодинамической опоры, с последующим достижением рабочей скорости, а также подключения соответствующих обмоток статоров 9 датчиков угла и 10 датчиков момента на соответствующие клеммы усилителей и преобразователей (на чертеже не показаны) прибор готов к работе. При разворотах гироскопа в инерциальном пространстве относительно осей, не совпадающих с осью вращения привода вала, происходит угловое рассогласование маховика 13 относительно корпуса 1, одновременно на сигнальных обмотках статоров 9 датчика угла возникают сигналы, пропорциональные углам рассогласования. После усиления и преобразования сигналы подаются в статоры 10 датчиков момента гироскопа, которые вырабатывают моменты соответствующего знака и величины, приводящие к нулю углы рассогласования.
Благодаря тому, что в гироскопе применены малогабаритные подшипники скольжения с газовой смазкой при повышенном давлении газа, параметры которых в рабочем режиме обеспечивают требуемую несущую способность, угловую, осевую и радиальную жесткости, исключающие совпадение собственных частот с частотой настройки ДНГ и дисбалансом маховика, а также благодаря подбору оптимальных зазоров между неподвижными и вращающимися элементами гироскопа и зазоров в подвесе для сведения к минимуму демпфирующих моментов, введению в конструкцию ротора датчика угла элементов, сводящих к минимуму перепад магнитных потенциалов магнитопроводов статоров ДУ и вращающегося экрана, предлагаемый гироскоп обладает повышенной точностью и надежностью при меньших габаритных размерах, а также меньшей трудоемкостью изготовления по сравнению с прототипом.
Источники информации
1. Л.З.Новиков, М.Ю.Шаталов. Механика динамически настраиваемых гироскопов. М.: Наука, 1985, стр.37-40, 49-60.
2. Патент Российской Федерации №2157965, кл. G 01 C 19/02 (прототип).
3. Ю.В.Пешти. Газовая смазка. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1993, стр.38-78.
1. Динамически настраиваемый гироскоп (ДНГ), содержащий приводной вал на газодинамической опоре, маховик, связанный с приводным валом упругим подвесом, отличающийся тем, что на рабочие поверхности газодинамической опоры нанесены износостойкие покрытия, образующие пары трения нитрид титана - алмазоподобный углерод, газодинамическая опора выполнена в виде двух подшипников скольжения, при этом конструктивные параметры подшипника скольжения, ближнего к маховику, выбраны из условия обеспечения им радиальной несущей способности, а конструктивные параметры подшипника скольжения, дальнего от маховика, выбраны из условия обеспечения им осевой несущей способности.
2. ДНГ по п.1, отличающийся тем, что подшипники скольжения выполнены в виде полусфер, а в рабочем зазоре каждого подшипника по крайней мере одна из поверхностей выполнена с газодинамическими канавками, при этом углы границы профилировки и углы наклона канавок к плоскости вращения приводного вала задают радиальную или осевую несущую способность подшипников.
3. ДНГ по п.1, отличающийся тем, что вязкость и давление газа внутренней полости гироскопа выбраны из условия обеспечения требуемой скорости всплытия, радиальной и угловой жесткости опоры в рабочем режиме с учетом допустимого демпфирования колебаний маховика.
4. ДНГ по п.1, 2, отличающийся тем, что конструктивные параметры газодинамической опоры, в том числе величина радиуса полусфер, количество, форма, протяженность, глубина и ширина канавок, величина рабочего зазора в опоре, расстояние между полюсами криволинейных рабочих поверхностей подшипников опоры установлены, исходя из условия разнесения угловой, радиальной и осевой резонансных частот колебаний маховика и всего вращающегося узла.
5. ДНГ по п.1, отличающийся тем, что величины зазоров в датчике момента, между вращающимся маховиком и неподвижными деталями прибора: статоры датчика угла и датчика момента, кожух прибора, а также зазоры между кольцами подвеса установлены, исходя из требуемой величины постоянной времени ДНГ с учетом параметров газовой среды.
6. ДНГ по п.1, отличающийся тем, что ротор датчика угла отделен от магнитопровода датчика момента немагнитным зазором, а конфигурация и геометрические размеры ротора датчика угла и разделительного зазора подобраны таким образом, чтобы обеспечивалась минимизация разницы магнитных потенциалов магнитопроводов статоров и ротора датчика угла.
