Основные свойства двухгироскопной гиросферы

⇐ ПредыдущаяСтр 18 из 26Следующая ⇒

Как уже было отмечено выше, большинство современных компасов с автономным чувствительным элементом построены на базе двухгироскопной гиросферы ГС (рис. 2.1), в которой наряду с гироскопами Г₁ и Г₂расположены гидравлический успокоитель прецессионных колебаний гиросферы (на рисунке не показан), и, возможно, элементы, обеспечивающие ее центрирование относительно резервуара с жидкостью, в который она помещается. Этот резервуар получил название следящей сферы. Конструктивные особенности гиросферы и компаса вцелом будут рассмотрены ниже. А сейчас определим основные свойства гиросферы.

Возвращаясь к рис. 2.1 отметим, что векторы Н₁ и Н₂ кинетических моментов гироскопов выбираются равными между собой и при отсутствии возмущений составляют с осью ох, жестко связанной с гиросферой, угол ε. Как правило в статическом состоянии . Сами гироскопы связаны между собой шарнирным механизмом (спарником) С типа антипараллелограм или аналогичным по свойствам зубчатым зацеплением, обеспечивающим возможность совместного поворота гироскопов вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка, только на равные углы δ (рис. 2.1 б) и только в противоположные стороны. Спарник С связан с помощью пружин с корпусом гиросферы, в результате чего после исчезновения возмущающих воздействий, вызвавших отклонение гироскопов, они возвращаются в исходное положение.

Определим значение и направление результирующего вектора кинетического момента гиросферы, учитывая, что . Для этого найдем составляющие векторов кинетических моментов гироскопов по осям ох и оу (рис. 2.1а):

(2.1)

В виду того, что составляющие кинетического момента по оси оу компенсируют друг друга, искомый кинетический момент Н_г будет направлен по оси ох гиросферы и равен

(2.2)

Важно!

Следует отметить, что спарник С обеспечивает постоянство направления Н_г относительно осей гиросферы при любом текущем значении угла ε.

Оценим поведение рассматриваемой системы при воздействии на нее внешних моментов. В том случае, если момент внешних сил действует относительно оси оу, каждый из гироскопов будет стремиться совместить кратчайшим путем вектор своего кинетического момента с вектором момента внешней силы. Для этого оба гироскопа должны повернуться по часовой стрелке. Так как спарник не позволяет гироскопам вращаться относительно гиросферы в одну сторону, изменение ориентации осей гироскопов будет происходить за счет поворота самой гиросферы вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка. Угловая скорость прецессии гиросферы, очевидно, будет равна отношению значения приложенного внешнего момента к кинетическому моменту Н_г гиросферы.

Нетрудно убедиться, что при воздействии внешнего момента относительно оси oz, перпендикулярной плоскости рисунка, гиросфера стремясь совместить направление вектора Н_г с направлением момента внешней силы начнет прецессировать вокруг оси оу,.

Важно!

Таким образом, поведение гиросферы под действием моментов, относительно осей, не совпадающих с ее главной осью (по которой направлен вектор Н_г), аналогично поведению трехстепенного гироскопа с кинетическим моментом, равным Н_г.

Это обстоятельство обеспечивает высокий уровень стабильности положения гиросферы при воздействии моментов внешних сил относительно указанных осей и позволяет при изучении движения главной оси чувствительного элемента ГК в первом приближении рассматривать гиросферу как одногироскопную.

В том случае, когда относительно оси ох (рис. 2.2) действует внешний момент М_х, гироскопы, стремясь совместить главные оси с направлением вектора момента внешней силы, будут поворачиваться относительно гиросферы вокруг своих наружных осей. На рисунке направление поворота осей гироскопа указано стрелками. Это вызовет изменение угла ε.

Из-за наличия угловой скорости прецессии гироскопов возникнут гироскопические моменты М_г1 и М_г2,

геометрическая сумма которых определит результирующий момент гироскопической реакции гиросферы М_гх, направленный по оси ох в сторону, противоположную внешнему моменту. В результате внешний момент будет скомпенсирован моментом гироскопической реакции и гиросфера останется практически неподвижной. Это обстоятельство значительно повышает устойчивость рассматриваемой гиросферы при воздействии на нее моментов внешних сил, приложенных относительно оси ох. Так, надлежащим выбором жесткости пружин, связывающих спарник с корпусом гиросферы, удается период собственных колебаний гиросферы вокруг оси ох повысить с нескольких секунд, характерных для одногироскопного чувствительного элемента, до 10 - 20 минут, благодаря чему она практически не реагирует на воздействия, порождаемые качкой судна, максимальное значение периода которой обычно не превышает 20 секунд. Одновременно упругая связь порождает прецессию гиросферы вокруг направления полуденной линии вслед за поворотом плоскости горизонта вокруг этой линии.

Важно!

Способы подвеса гиросферы

Для обеспечения высокой точности показаний ГК необходимо его ЧЭ подвесить таким образом, чтобы в процессе работы уровень возмущающих моментов, приложенных к нему, был бы минимальным. Одновременно необходимо позаботиться о том, чтобы система, обеспечивающая съем информации о курсе судна, практически не влияла на ориентацию гиросферы. Достаточно полно указанным требованиям удовлетворяет гидравлический подвес гиросферы с использованием отслеживания ее азимутального положения специальной следящей сферой, с которой связывают датчики информации и другие устройства, обеспечивающие работу гирокомпаса. В качестве примера на рис. 2.3 показана схема подвеса гиросферы, использованная в компасе “Стандарт 14 плюс”, разработанном немецкой фирмой Анщютц [20].

Следящая сфера вместе с гиросферой помещается в емкость, заполненную поддерживающей жидкостью. Плотность жидкости выбирается такой, чтобы гиросфера имела небольшой остаточный вес. Как правило, в основе поддерживающей жидкости лежит дистиллированная вода, что обеспечивает низкий уровень моментов сил вязкого трения, действующих на гиросферу при угловом движении судна. В рабочем состоянии гиросфера центрируется относительно следящей сферы и не имеет никаких механических контактов с ней. Последнее обстоятельство исключает возможность появления моментов сил сухого трения, способных создать зоны застоя гиросферы вблизи меридиана.

Емкость вместе с гиросферой и следящей сферой подвешивается на шаровой опоре к верхней плате прибора, которая, в свою очередь, крепится на трех стойках к его основанию. На этой же плате устанавливается шаговый двигатель следящей системы, шкала прибора и плата электроники с лампочками освещения.

В других моделях ГК, например, в отечественных изделиях “Курс -4М”и “Амур-3М”, емкость с поддерживающей жидкостью и следящей сферой устанавливается в корпусе прибора (нактоузе) в кардановом подвесе. Оба указанных вида подвеса используются с целью снижения отклонения от вертикали подвешиваемой системы при наличии качки судна.

Имеются различия ГК и по способу центрирования гиросферы относительно следящей сферы. В приведенной выше конструкции ГК фирмы Анщютц и целом ряде других моделей эта задача решается с помощью помпы 12 (рис. 2.4), которая прокачивает поддерживающую жидкость в направлении, показанном стрелками. Динамическое давление жидкости обеспечивает взвешивание и центрирование гиросферы относительно следящей сферы. Действительно, при смещении гиросферы, например, вправо зазор между ее поверхностью и поверхностью следящей сферы уменьшается, благодаря чему скорость потока жидкости в этом зазоре становится ниже, чем в противоположном, а давление жидкости выше. В результате возникают силы, возвращающие гиросферу в начальное положение. Уровень поддерживающей жидкости контролируется с помощью специального индикатора, встроенного в крышку 1.

Следящая сфера и гиросфера имеют полярные электроды 3 и 10, 4 и 9, соответственно, посредством которых через проводящую поддерживающую жидкость подводится питание к гиромоторам. Сигнал рассогласования гиросферы и следящей сферы снимается с экваториальных электродов 6 и 7.

В отечественных приборах, производство которых значительно сокращено, используется электромагнитное центрирование. Для этого внутри гиросферы (рис. 2.5) в ее нижней части располагается специальная катушка 1, которая подключается к двум фазам напряжения, питающего гиромоторы. При этом поле 2, создаваемое указанной катушкой, индуктирует в корпусе следящей сферы вихревые токи, величина которых определяется зазором между нижними поверхностями гиросферы и следящей сферы. Взаимодействие магнитного поля 3 указанных вихревых токов с полем 2 катушки обусловливает появление силы Р, приложенной к гиросфере по периметру катушки 1. Вертикальная составляющая Р₂ этой силы заставляет гиросферу всплывать до тех пор, пока ее величина не уравновесит остаточный вес гиросферы. Плотность поддерживающей жидкости подбирается такой, чтобы это равенство имело место при практическом совпадении центров обеих сфер.

Горизонтальная составляющая Р₁ силы Р обеспечивет центрирование гиросферы при ее смещении в сторону. Так, если гиросфера смещается вправо от центра следящей сферы, в силу уменьшения зазора уровень вихревых токов, индуктируемых в корпусе следящей сферы, с правой стороны становится выше, чем с противоположной. Это приводит к возникновению результирующей силы, приложенной к гиросфере в направлении, противоположном ее смещению, которая и возвращает ее в исходное положение.

Как и в предыдущем случае, питание к гироскопам и другим электроэлементам, расположенным внутри гиросферы, подается через проводящую поддерживающую жидкость. Для этого на полюсах гиросферы и в ее экваториальной части имеются электроды 1, 4, 2, 3 и 6 (рис. 2.6), на которые поступает трехфазное напряжение с аналогично расположенных электродов следящей сферы. Электрод 5 является элементом бесконтактного датчика угла следящей системы, который вырабатывает напряжение, пропорциональное углу рассогласования положений гиросферы и следящей сферы.

Центрирование гиросферы относительно следящей сферы может также осуществляться путем установки ее на специальной шпильке. В рассматриваемом случае в опоре подвеса присутствует момент сухого трения, который в силу малости остаточного веса гиросферы и радиуса трения имеет незначительную величину.

Указанная схема подвеса использована, например, в гирокомпасе “NAVIGAT VII” фирмы C. PLATH (Litton) (рис. 2.7). Чувствительный элемент ГК в виде двухгироскопной гиросферы 5 помещен в герметичный контейнер 11, азимутальная ориентация которого с помощью следящей системы (на рисунке не показанной) поддерживается соответствующей азимутальной ориентации гиросферы. Контейнер заполняется проводящей жидкостью 10, имеющей такую плотность, чтобы обеспечивалась незначительная положительная плавучесть гиросферы.

Центрирующая шпилька 6 установлена на вертикальном кольце 8 карданова подвеса, горизонтальное кольцо 9 которого связано с корпусом контейнера. Она входит в коническую полость 4, имеющуюся в верхней части гиросферы. Выталкивающая сила жидкости прижимает вершину конуса к острию шпильки, благодаря чему и осуществляется надежное центрирование гиросферы относительно колец карданова подвеса. Центр масс гиросферы расположен ниже центра давления, в результате чего система подвеса имеет положительную маятниковость, удерживающую экваториальную плоскость гиросферы вблизи плоскости горизонта. Питание на гиромоторы поступает через горизонтальное и вертикальное кольцо, центрирующую шпильку и далее через поддерживающую жидкость на электроды контейнера. Вертикальное кольцо подвеса имеет также два контакта датчика угла следящей системы.

Два гироскопа 2, расположенные внутри гиросферы, связаны между собой механической связью 1 типа антипараллелограм и питаются переменным током, напряжением 100 В, частотой 333 Гц. Скорость вращения их роторов составляет 19500 оборотов в минуту. Прецессионные колебания гиросферы демпфируются гидравлическим успокоителем колебаний 3. Упругая связь гироскопов с корпусом гиросферы обеспечивается с помощью торсионов 7.

Рассмотрим особенности движения двухгироскопного чувствительного элемента.

⇐ Предыдущая 13 14 15 16 171819 20 21 22 Следующая ⇒