ДВУХСТЕПЕННОЙ ПОПЛАВКОВЫЙ ГИРОСКОП
DOUBLE-STEPPED FLOAT GYROSCOPE

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при разработке и производстве прецизионных двухстепенных поплавковых гироскопов (далее - гироскоп).
Известен двухстепенной поплавковый гироскоп [1]. Гироскоп содержит герметичный корпус, цилиндрическую поплавковую камеру с гиромотором, установленную в жидкости внутри корпуса, бесконтактный подвес поплавковой камеры электромагнитного типа, включающий два конусных ротора, размещенных по торцам камеры, и два статора, установленных на соответствующих торцевых крышках. Обмотки статоров подключены к блоку управления положением камеры относительно корпуса. На внешней цилиндрической части корпуса размещены обмотка обогрева и обмотка термодатчика. На торцевой крышке установлен сильфон для компенсации объемного расширения жидкости.
Недостатком гироскопа является низкая точность, обусловленная нестабильностью момента, действующего со стороны электромагнитного подвеса. Причиной нестабильности момента является нестабильность параметров материала - феррита, применяемого для изготовления элементов подвеса, его чувствительность к изменениям внешних условий.
Известен также двухстепенной поплавковый гироскоп [2], который принимаем за прототип. Гироскоп содержит герметичный корпус с двумя торцевыми крышками, цилиндрическую поплавковую гирокамеру, установленную в корпусе на ограничительных камневых опорах. Зазор между корпусом гироскопа и гирокамерой заполнен поддерживающей жидкостью, радиальный электростатический подвес гирокамеры, включающий цилиндр с двумя идентичными системами пар электродов, установленными на внутренней поверхности цилиндра вдоль поплавковой камеры, изолированных от корпуса. В каждой системе плоскость симметрии первой пары электродов, проходящая через продольную ось корпуса гироскопа, совпадает с плоскостью, проходящей через ось вращения ротора гиромотора и продольную ось корпуса. Плоскость симметрии второй пары электродов, проходящая через продольную ось корпуса гироскопа, совпадает с плоскостью, проходящей через измерительную ось и продольную ось корпуса. Гироскоп содержит также систему управления электростатическим подвесом, обмотку обогрева и обмотку термодатчика, размещенные на наружной цилиндрической поверхности корпуса, датчик угла, датчик момента.
Недостатками гироскопа-прототипа являются:
- длительное время готовности, определяемое временем приведения поплавковой гирокамеры в положение центрирования;
- малый диапазон угловых скоростей, в котором гироскоп функционирует без потери точности, определяемый способностью подвеса компенсировать силы от действия гироскопического момента, возникающего при вращении гироскопа вокруг продольной оси подвеса поплавковой камеры. Превышение сил от действия гироскопического момента, сил, прикладываемых со стороны электростатического подвеса, приводит к развороту камеры до механического контакта в ограничительных опорах, что обуславливает снижение точности гироскопа.
Указанные недостатки обусловлены недостаточной силой, действующей со стороны электростатического подвеса.
Задачей настоящего изобретения является совершенствование конструкции поплавкового двухстепенного гироскопа.
Достигаемый технический результат - уменьшение времени готовности гироскопа, расширение диапазона функционирования гироскопа без потери точности.
Поставленная задача решается тем, что в известном двухстепенном поплавковом гироскопе, содержащем корпус с двумя торцевыми крышками; цилиндрическую поплавковую гирокамеру, установленную в корпусе на ограничительных камневых опорах; поддерживающую жидкость, заполняющую зазор между корпусом гироскопа и гирокамерой; радиальный электростатический подвес гирокамеры, включающий цилиндр, установленный внутри корпуса соосно с ним, на внутренней поверхности которого вдоль поплавковой камеры изолированно от корпуса установлены две идентичные системы электродов, жестко связанных с цилиндром; систему управления электростатическим подвесом; обмотку обогрева и обмотку термодатчика, размещенные на наружной цилиндрической поверхности корпуса; датчик угла; датчик момента. При этом электроды на внутренней поверхности цилиндра установлены таким образом, что плоскость симметрии i-й пары электродов в каждой системе, проходящая через продольную ось корпуса, составляет с плоскостью, проходящей через ось вращения ротора гиромотора и продольную ось корпуса, угол, равный:
α=180⋅(2i+1)/m,
где i=0, 1, 2… - порядковый номер плоскости симметрии пары электродов;
m - количество электродов в одной системе.
Предлагаемое изобретение поясняется фиг. 1, 2, 3.
На фигурах 1, 2, 3 приняты следующие обозначения:
1 - гироскоп,
2 - корпус,
3, 4 - торцевые крышки,
5 - цилиндр,
6 - цилиндрическая поплавковая гирокамера (далее - гирокамера),
7 - ограничительные камневые опоры (далее - опоры),
1
1
2
2
8-11, 8-11 - электроды,
12 - жидкость,
13 - датчик угла,
14 - датчик момента,
15 - обмотка обогрева,
16 - обмотка термодатчика,
17, 18 - блоки управления,
19 - схема измерения линейного перемещения гирокамеры (далее - емкостной датчик),
20 - высоковольтный усилитель (далее - усилитель),
21 - генератор,
22 - сильфон,
n - количество систем в подвесе (в данном случае n=2),
А - плоская развертка двух ортогональных систем электродов,
X, Y, Z - оси симметрии двух ортогональной системы координат,
O - центр двух ортогональных системы координат,
1
A - плоская развертка первой ортогональной системы из m=4,
1
1
1
X, Y, Z - оси симметрии первой ортогональной системы координат,
1
O - центр первой ортогональной системы координат,
2
А - плоская развертка второй ортогональной систем из m=4,
2
2
2
Х, Y, Z - оси симметрии второй ортогональной системы координат,
2
О - центр второй ортогональной системы координат,
С - конденсаторы системы измерения перемещения,
α - угол между осью ортогональной системы координат и осью,
ζ - ось из начала координат и центром электрода.
Предлагаемый гироскоп 1 (фиг. 1) состоит из корпуса 2 с двумя торцевыми крышками 3, 4; цилиндра 5 (выполнен из материала с электроизоляционными свойствами, например, из керамики), установленного внутри корпуса 2 соосно с ним; цилиндрической поплавковой гирокамеры 6, установленной внутри корпуса 2 соосно с цилиндром 5 на ограничительных камневых опорах 7. На внутренней поверхности цилиндра 5 вдоль цилиндрической поверхности гирокамеры 6 установлены две системы при n=2, m=2(n+2)=8 электродов. Электроды жестко связаны с цилиндром 5.
Зазор между блоком электродов и гирокамерой 6 заполнен жидкостью 12 с удельным весом, близким к удельному весу поплавковой гирокамеры 6. Опоры 7 необходимы для обеспечения технологичности сборки гироскопа 1, кроме того, они ограничивают перемещения гирокамеры 6 в рабочем зазоре гироскопа 1. На оси гирокамеры 6 установлены датчик угла 13 и датчик момента 14. Обмотка обогрева 15 и обмотка термодатчика 16 размещены на наружной цилиндрической поверхности корпуса 2 и подключены к системе регулирования температуры гироскопа 1 (не показана). Система регулирования температуры настроена на поддержание температуры в рабочем зазоре гироскопа 1, близкой к температуре нулевой плавучести гирокамеры 6. На торцевой крышке 4 установлен сильфон 22 для компенсации объемных расширений жидкости 12.
1
1
2
2
На фиг. 2 показана развертка цилиндра для n=2, содержащая электроды 8-11 (8-11).
Электроды на внутренней поверхности цилиндра 5 установлены таким образом, что плоскость симметрии i-й пары электродов в каждой системе, проходящая через продольную ось ОХ корпуса 2, составляет с плоскостью, проходящей через ось вращения ротора гиромотора OZ и продольную ось ОХ корпуса 2, угол, равный α=180⋅(2i+1)/m.
11
12
1
2
1
21
22
1
2
2
На фиг. 3 показана система для m=4. В этом случае плоскость симметрии OXξ(OXξ) электродов 9 (9) располагается под углом α=45° к плоскости OXZ, проходящей через ось вращения ротора OZ гиромотора и продольную ось ОХ корпуса 2; плоскость симметрии OXξ(OXξ) электродов 8 (8) располагается соответственно под углом α=135°.
1
1
1
1
Противолежащая пара электродов в каждой системе (на фиг. 3 пара 8-10 и пара 9-11) подключена к соответствующему блоку управления (на фиг. 3 к блокам управления 17 и 18) положением гирокамеры 6 относительно соответствующих электродов. Каждый блок управления, например блок 17, содержит схему измерения перемещения гирокамеры 6 относительно этих электродов (емкостной датчик 19), усилитель 20, генератор 21 для питания емкостного датчика 19. Принцип построения генератора 21, емкостного датчика 19 и усилителя 20 аналогичен принципу построения устройств, приведенных в [2].
1
2
Работа гироскопа 1 происходит следующим образом. Гироскоп 1 ориентируют в положение, при котором его продольная ось ОХ горизонтальна. Осуществляют нагрев гироскопа 1 до расчетного (заданного) значения температуры. Приводят гирокамеру 6 в центрируемое положение (положение, в котором сигналы емостного датчика 19 электростатического подвеса равны нулю, а механический контакт в опорах 7 отсутствует); параметры центрируемого положения определяют и фиксируют заранее, для чего включают электростатический подвес. С учетом предлагаемой ориентации электродов, для случая m=8, n=2 (фиг. 3) в каждой n-й системе, установленной по торцам гирокамеры 6, на гирокамеру будет действовать сила R=(Fsinα+Fsinα), где F - сила, действующая со стороны двух электродов одной системы n. Со стороны двух систем n будет действовать сила, равная P=2R. Под действием равнодействующей силы Р гирокамера 6 начнет перемещается в центрируемое положение. Время перемещения гирокамеры 6 определяется величиной силы Р.
1
1
2
2
При вращении основания с гироскопом 1 вокруг продольной оси ОХ возможность перемещения гирокамеры 6 в рабочем зазоре под действием сил гироскопического момента исключается установкой двух систем электродов, создающих угловую жесткость подвеса. Причем диапазон скоростей, при котором гироскоп функционирует без потери точности, без возникновения механического контакта в опорах 7 определяется величиной силы, прикладываемой к гирокамере 6 со стороны электродов 10, 9 (10, 9). С учетом предлагаемой ориентации электродов, для случая m=8, n=2 (фиг. 3) со стороны одной и второй системы на камеру будут действовать силы одного порядка и направленные в противоположные стороны, предотвращающие разворот гирокамеры.
По сравнению с прототипом:
1
- Время готовности гироскопа, определяемое временем центрирования поплавковой гирокамеры, уменьшается. Уменьшение времени достигается за счет увеличения силы, прикладываемой к поплавковой гирокамере со стороны двух систем электростатического подвеса. В прототипе эта сила равна P=2F. Для случая m=8, . Увеличение силы достигается путем изменения ориентации электродов.
3
- Увеличивается диапазон функционирования гироскопа без потери точности. Увеличение диапазона происходит за счет увеличения силы, прикладываемой со стороны электростатического подвеса для компенсации сил от гироскопического момента при вращении гироскопа с основанием вокруг его продольной оси ОХ. В прототипе эта сила равна P=F. В предлагаемом гироскопе (фиг. 3) . Увеличение силы достигается также путем изменения ориентации электродов.
Таким образом, достигается заявленный технический результат.
На предприятии предлагаемое устройство изготовлено и испытано. Получены положительные результаты. Разработана техническая документация гироскопа. В настоящее время осуществляется подготовка производства поплавковых гироскопов с радиальным электростатическим подвесом поплавковой гирокамеры.
Литература
1. У. Ригли, У. Холлистер, У. Денхард. Теория, проектирование и испытания гироскопов // М.: Мир, 1972, с. 288, 292.
2. Патент РФ №2591287.