Патент на изобретение №2248524

(54) ДИНАМИЧЕСКИ НАСТРАИВАЕМЫЙ ГИРОСКОП

(57) Реферат:

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·²), что реализуется с помощью динамической настройки гироскопа, при которой К=d·², 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 границы профилировки 65 и 45°). Аналогично выбирается исходя из радиальной нагрузки на ближнем подшипнике и осевой нагрузки на дальнем подшипнике оптимальный угол наклона газодинамических канавок для ближнего и дальнего подшипника (см. фиг.5, углы 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.

Формула изобретения

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.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 30.04.2008

Извещение опубликовано: 20.05.2010 БИ: 14/2010

NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 27.07.2010

Извещение опубликовано: 27.07.2010 БИ: 21/2010

PC4A Государственная регистрация перехода исключительного права без заключения договора

Дата и номер государственной регистрации перехода исключительного права: 16.11.2010 № РП0001114

Лицо(а), исключительное право от которого(ых) переходит без заключения договора:

Федеральное государственное унитарное предприятие “Научно-исследовательский институт прикладной механики им. академика В.И. Кузнецова”

(73) Патентообладатель(и):

Федеральное государственное унитарное предприятие “Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры”

Адрес для переписки:

ФГУП “ЦЭНКИ”, заместителю генерального директора В.П. Крехтунову, ул. Щепкина, д. 42, стр. 1, 2, Москва, ГСП-6, 107996

Дата публикации: 10.01.2011