VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

ВВЕДЕНИЕ

На протяжении многих лет, постоянно возрастающие требования к точностным и эксплуатационным характеристикам гироскопических приборов приводили не только к дальнейшим усовершенствованиям классических гироскопов с вращающимся ротором, но и к поискам принципиально новых идей, позволяющих решить проблему создания чувствительных датчиков для индикации и измерения угловых движений подвижных объектов в пространстве [1]. В связи с этим, наряду с традиционным кардановым подвесом появляются бесконтактные гироскопы, способные обеспечить сверхвысокие точности, требуемые для решения тех или иных технических задач.

В ходе такого интенсивного развития, конструктивные изменения претерпевали не только опорные узлы гироприборов, но и вся конструкция в целом: появилось огромное количество конструктивных исполнений роторов, в частном случае, ротор приобрел форму шара. Гироскоп с такой формой ротора получил соответствующее название «шаровой гироскоп». Такой тип гироскопа находит широкое применение в качестве чувствительного элемента системы в различных сферах деятельности: самолетостроение и ракетостроение (в виде системы автопилотирования), в системах управления и стабилизации траектории ракет, вертолетов и т.д. В этих случаях гироскопический чувствительный элемент используется в качестве датчика угловой скорости. Гироскопический датчик угловой скорости (ДУС) представляет собой устройство позволяющее измерять угловую скорость по отношению к инерциальной системе координат. Помимо основного применения устройства, гироскопический датчик угловой скорости имеет место в системах курсовой устойчивости летательных аппаратов, в системах курсовой устойчивости автотранспортных средств, стабилизации изображений в цифровых кинокамерах и фотоаппаратах, механических игрушках и др.

Гироскопические датчики угловых скоростей, использующиеся в системах управления различных летательных аппаратов, подвижных объектов наземного и скважинного типа должны быть работоспособны в широком диапазоне механических и климатических воздействующих факторов. Исходя из этого, предъявляются определенные требования к внутренней структуре, опорным узлам, массогабаритам и т.д. Требования, указанные в ГОСТ 26116-84 «Аппаратура геофизическая скважинная. Общие требования» для приборов скважинного типа являются наиболее жесткими, предъявляемые ко всем элементам, в том числе к гироскопическим. Именно они вызывают наибольший интерес для проведения аналитических и экспериментальных исследований элементов конструкции гироскопического чувствительного элемента, способного сохранять свою работоспособность в таких эксплуатационных условиях.

Основными конструктивными элементами такого гироскопического устройства являются: датчик съема информации об угловом положении оси вращения ротора, электропривод, позволяющий привести во вращение ротор гироприбора; также, не менее важным вопросом является выбор опорного узла, который выступает в качестве подвеса ротора гироскопа.

Результатом аналитического исследования является обзор и определение оптимального набора конструктивных элементов гироскопического устройства, с учетом предъявляемых к нему требований надежности, простоте конструкции и приемлемой точности.

1 ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ ИССЛЕДУЕМОГО ГИРОСКОПИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА

1.1 Опорный узел

Согласно приведенным техническим условиям, указанных в [2], конструкция датчика должна выдерживать уровни внешних механических воздействий в виде вибрации и ударов с определенными частотами и ускорениями, а также климатические нагрузки в виде максимальной и минимальной рабочей температуры и относительной влажности (численные значения приведены в [2]).

Традиционная шарикоподшипниковая опора в таких условиях будет иметь низкую работоспособность, т.к. под действием внешних воздействующих факторов срок службы опоры будет не велик. Предполагается, что в данном случае наиболее эффективной может оказаться опора с газовой смазкой, а именно - газодинамическая.

Опорами с газовой смазкой называются подшипники скольжения, в которых вместо механического контакта между поверхностями находится слой газа, препятствующий прикосновению шипа и втулки подшипника благодаря повышенному давлению слоя газовой смазки [3]. Несущая способность опор с газовой смазкой создается либо за счет внешнего нагнетания (наддува) газа в рабочий зазор между шипом и втулкой подшипника (опоры газостатического типа), либо за счет нагнетания газа в зазор подшипника вследствие большой скорости относительного движения при вращении втулки в шипе или шипа во втулке (опоры газодинамического типа) [3].

Для приборных устройств, где не допускаются следы смазки или продукты испарения обычных смазочных материалов (скоростные приводы вращающихся зеркал лазерных фоторегистраторов и систем записи изображения, замкнутые системы технологических процессов с газами высокой чистоты), подшипники с газовой смазкой имеют большие преимущества перед другими типами опор. В приборостроении нашли распространение газостатические подшипники (с поддувом воздуха) в качестве опор подвеса чувствительных элементов измерительных приборов (воздушные подвесы по осям прецессии гироскопов, опоры кругломеров и делительных столов), а также газодинамические подшипники для узлов скоростного вращения (опоры главных осей гироскопов, оптико-механических сканеров, скоростных приводов видеомагнитофонов, дисководов) [4].

Достоинство газодинамических опор состоит в простоте и компактности конструкции, а также в том, что для их работы не требуется дополнительное внешнее устройство подачи газа под давлением. Опора обеспечивает максимальное исключение механического трения в рабочем режиме, которое может привести к прецессии оси вращения ротора, следовательно, к дополнительным погрешностям. Недостаток газодинамических опор определяется возникновением сухого трения между рабочими поверхностями в моменты пуска и останова, т.к. оно обусловливает повышение износа поверхностей элементов опоры. Поэтому ресурс данных опор определяется числом рабочих циклов пуска и остановки.

Таким образом, возможное использование газодинамических опор в измерительных системах скважинного типа обуславливается необходимостью режима постоянной работы гироскопического чувствительного элемента.

1.2 Датчики углового положения ротора

Опора с газовой смазкой позволит обеспечить бесконтактную работу подвеса. Вследствие этого, возникает другая задача, связанная с обеспечением такого типа датчика съема информации об угловом положении ротора гироскопа, который бы по своему принципу действия был бесконтактным.

В ходе анализа различных типов датчиков углового положения (ДУ) было выявлено три основных вида ДУ, которые в процессе работы не контактируют с ротором гироприбора.

1.2.1 Индукционный датчик угла

Принцип действия индукционного датчика угла основан на зависимости индуктивности и взаимоиндуктивности обмоток от взаиморасположения магнитной цепи и обмотки [5].

Недостатки:

1. При смещении оси вращения ротора в зазоре магнитной цепи возникает момент сил, направленный в обратную сторону этого смещения.

Достоинства:

1. Простота изготовления.

2. Возможность конструирования при малых габаритных размерах.

3. Дешевизна.

4. Доступность материалов для изготовления датчика.

5. Высокая чувствительность.

1.2.2 Ёмкостный датчик угла

Принцип действия основан на изменении электрической ёмкости от взаимного расположения обкладок конденсатора или от свойств среды, в котором накапливается энергия электрического поля.

Основным недостатком данного датчика заключается в сложности реализации его конструкции, т.к. требуется разместить две обкладки датчика, между которыми будет находиться ротор, и чем ближе они к нему будут расположены, тем лучше будет для точности полученных данных. Также, при вращении ротора будут, сильно изменятся параметры среды (поток воздуха, плотность и т.д.) что существенно скажется на выходном сигнале [6].

1.2.3 Оптический датчик угла

По виду выходной информации датчики угла подразделяются на следующие типы: накапливающие и абсолютные.

Накапливающие ДУ, на выходе формируют импульсы, по которым принимающее устройство определяет текущее положение ротора путем подсчета числа импульсов счётчиком. Сразу же после включения накапливающего ДУ положение ротора неизвестно. Для привязки системы отсчета к началу отсчёта инкрементные датчики имеют нулевые метки, через которые нужно пройти после включения оборудования. К недостаткам такого типа датчиков угла положения также относится то, что невозможно определить пропуск импульсов от ДУ по каким-либо причинам. Это приводит к накоплению ошибки определения угла поворота ротора до тех пор, пока не будет пройдена нуль-метка. Для определения направления вращения применяются два измерительных канала («синусный» и «косинусный»), в которых идентичные последовательности импульсов сдвинуты на 90° относительно друг друга.

Абсолютные ДУ выдают на выходе сигналы, которые можно однозначно интерпретировать как угол поворота ротора датчика угла. Датчики угла этого типа не требуют привязки системы отсчёта к какому-либо нулевому положению.

Недостатки:

1. При постоянном измерении, источник и приёмник конструктивно разделены, поэтому для исключения погрешности, требуется обеспечить наименьшее расстояние между источником и приёмником, что накладывает дополнительную сложность при проектировании.

2. Сложность изготовления ДУ для измерения по двум координатам при использовании шарового ротора.

1.2.4 Анализ рассмотренных датчиков углового положения

Рассмотрев 3 типа датчиков можно сделать выводы о том, какой из датчиков наиболее подходящий для поставленной задачи.

Ёмкостный датчик угла:

Проектирование ёмкостного датчика угла на порядок сложнее проектирования индукционного датчика угла. С этой точки зрения, индукционный датчик углового положения ротора является наиболее привлекательным.

В частном случае, точность ёмкостного датчика соизмерима с точностью индукционного датчика. В нашем случае точность ёмкостного датчика может оказаться на порядок ниже, так как обкладки должны находиться на большом расстоянии друг от друга, равном диаметру чаши в которой находится ротор. Тем самым, влияние внешних электромагнитных полей значительно выше, чем в индукционном датчике. Для получения большей точности потребуется вводить некоторые доработки ротора, что значительно усложняет процесс изготовления шарового ротора.

Индукционный датчик угла:

Максимально подходит для решения задачи как с точки зрения конструктива, так и по части точностных характеристик. Конструкция ёмкостного датчика предполагает размещение обкладок по разные стороны шарового ротора, что способствует большей подверженности влиянию внешних и внутренних факторов на величину выходного сигнала.

Оптический датчик угла:

По сравнению с индукционным датчиком угла, оптический датчик угла может обладать более высокими точностными характеристиками; быстродействие оптического ДУ будет на порядок выше в связи с оптическим излучением в среде менее плотной, чем среда магнитной цепи, тем самым скорость распространения электромагнитной волны выше, нежели у индукционного датчика.

На данный момент, достаточно сложно сказать является ли этот тип ДУ наиболее подходящим, поскольку для того, чтобы дать необходимые качественную и количественную оценки нужно провести ряд экспериментов.

1.3 Электропривод

Электропривод – это устройство позволяющее привести во вращение ротор гироприбора.

Рассмотрим 4 типа двигателей:

1.3.1 Двигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока с параллельным и независимым возбуждением имеют достаточно жесткую характеристику, т.е. их скорость вращения с изменением момента нагрузки изменяется незначительно [7]. Но недостатком данного типа двигателя является то, что при износе щеток и коллектора и наличия вращающейся обмотки якоря возрастает возможность разбалансировки и загрязнения прибора. В этом случае, практически трудно обеспечить удовлетворительную коммутацию при вакуумированном выполнении гиродвигателя. В качестве недостатка также можно отметить невысокую скорость вращения (обычно не превышает 12000–14000 об/мин) и невысокая стабильность этой скорости [7], как следствие - невысокий кинетический момент.

1.3.2 Вентильный двигатель

За счет наибольшего отношения момента к току эти двигатели обладают лучшими характеристиками по быстродействию и меньшими габаритами. Проблема их использования связана с реализацией бесконтактного датчика положения, обеспечением стабильности скорости вращения [7] и невозможностью регулирования потока возбуждения (режим работы с постоянной мощностью).

1.3.3 Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Удовлетворяет большинству требований, и получил широкое применение в гироскопии. С целью увеличения момента инерции применяют обращенную конструкцию асинхронного двигателя, когда статор находится внутри ротора. В маховик запрессован сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой [7].

Недостатком этого двигателя является зависимость скорости вращения не только от изменения параметров источника питания, но и от изменения момента нагрузки. Поэтому высокие требования к стабильности кинетического момента не могут быть обычно удовлетворены с помощью асинхронных гиродвигателей [8].

1.3.4 Гистерезисный двигатель

Вид электрических машин, в основе работы которых лежит эффект магнитного гистерезиса. В гистерезисных двигателях вращающий момент возникает за счёт гистерезиса при перемагничивании ротора из магнитотвёрдого материала полем статора [9].

Основные недостатки данного двигателя: высокая стоимость ввиду применяемых магнитотвердых сплавов и трудности их обработки, а также склонность к качаниям при резких изменениях нагрузки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведенного краткого аналитического исследования основных элементов гироскопического устройства были сделаны следующие основные выводы.

В качестве подвеса чувствительного элемента гироскопа рассматривается использование газодинамической опоры. Данный вид опор обладает высокой надежностью (жесткость газодинамической опоры может превосходить по величине жесткость шарикоподшипниковой), работоспособна в широком диапазоне температур и давлений, достаточно устойчива к механическим воздействиям. Предполагается, что газодинамическая опора может оказаться достаточно приемлемой альтернативой в качестве подвеса шарового гироскопа, на базе которого предполагается реализация чувствительного элемента, который может быть использован в информационно-измерительных системах различного назначения.

В ходе проведенного сравнительного анализа различных типов электродвигателей было установлено, что асинхронный электродвигатель имеет ряд исключительных преимуществ, которые позволяют обеспечить более стабильную работу устройства; невысокая стоимость и простота в обслуживании также делает их наиболее привлекательными для применения.

И наконец, было рассмотрено три основных вида датчиков углового положения ротора, два из которых оказались наиболее подходящими: индукционный и оптический. На основании проведенного анализа достоинств и недостатков каждого из них, с учетом конструктивной формы ротора гироскопического устройства и других требований было установлено, что индукционный датчик угла наиболее предпочтителен. Реализация такого типа датчика угла проще по сравнению с ёмкостными и оптическими датчиками. Для оптического датчика угла необходимо продумать рисунок, наносимый на ротор устройства и, в последствие, провести ряд экспериментов для определения его точностных характеристик.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. В.В. Карасев, Н.В. Вовченко. Эволюция гироскопа. // Журнал: Научные труды Дальрыбвтуза. Выпуск том 21/2009.

2. ГОСТ 26116-84 "Аппаратура геофизическая скважинная. Общие требования".

3. Опоры скольжения с газовой смазкой / Под ред. С.А. Шейнберга – М.: Машиностроение, 1979.

4. Мартыненко Ю.Г. Тенденции развития современной гироскопии // Соросовский образовательный журнал. 1997.

5. Т. М. Алиев, Н. Т. Агагусейнов, В. Я. Едуш и А. А. Тер-Хачатуров. Датчик трансформаторный угла поворота, А. С. № 1281876. Бюллетень «Открытия и изобретения» №1 1987 год.

6. В. И. Добреньков. Датчик ёмкостной угла поворота, А.С № 905630. Бюллетень «Открытия и изобретения» №6 1982 год.

7. Хрущев В.В. Электрические машины систем автоматики. Учебник для вузов. — 2-изд., перераб. и доп. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985 — 368 с.

8. Малеев П.И. Новые типы гироскопов. Судостроение, 1971. – 160 с.

9. Миловзоров В.П. Электромагнитные устройства автоматики. Учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 1983. – 408 с.

Код для цитирования: Скопировать