РЕЗОНАТОР ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ВОЛНОВОГО ГИРОСКОПА

Полезная модель относится к конструкции резонаторов твердотельных волновых гироскопов, которые используются для определения угловых перемещений в навигационных устройствах подвижных объектов различных классов, в том числе летательных аппаратов, космических летательных аппаратов и других.
Известен резонатор, выполненный в виде тонкостенного металлического цилиндра с дном. Резонатор скрепляется дном с другими частями чувствительного элемента. Кромка тонкостенного цилиндра на противоположном конце служит рабочей частью резонатора и совершает изгибные колебания при работе резонатора [Koning M.G. Vibrating cylinder gyroscope and method. // Патент США, НКИ 74-5.6 №4793195 (1988)]. При вращении колеблющегося резонатора вокруг оси симметрии из-за действия кориолисовых сил угловые скорости вращения резонатора и волновой картины оказываются различными, что позволяет определить угловую скорость вращения резонатора.
Известно, что максимальная скорость систематического дрейфа твердотельного волнового гироскопа обратно пропорциональна добротности резонатора и может быть определена по формуле [Журавлев В.Ф., Климов Д.М. Волновой твердотельный гироскоп. - М.: Наука, 1985. 125 с.]:
где:  - максимальная скорость систематического дрейфа; А - постоянный коэффициент; f - частота изгибных колебаний кромки резонатора; Q - добротность резонатора; k - постоянный коэффициент, учитывающий неизотропность резонатора.
Однако добротность резонаторов, выполненных в виде тонкостенных оболочек, оказывается низкой, так как в этом случае энергия колебаний превращается в тепловую за счет теплопереноса между зонами с различной температурой. При изгибных колебаниях внешние и внутренние слои металла оболочки испытывают различные деформации: если внешние слои растягиваются, то внутренние сжимаются и наоборот. Локальная деформация материала приводит к локальному изменению температуры, при сжатии материала локальная температура повышается, а при растяжении уменьшается. Так же как и деформация, эти температурные изменения будут различны для внешних и внутренних слоев материала: если в некоторый момент времени температура внешних слоев повышается, то при этом температура внутренних уменьшается и наоборот. Между областями оболочки резонатора, которые имеют разную локальную температуру, возникают тепловые потоки, которые и представляют собой потери энергии колебаний, приводящие в итоге к низкой добротности резонатора.
Максимальную добротность металлического цилиндрического резонатора оценим по следующей формуле [Зинер К. Упругость и неупругость металлов. // Сб.: Упругость и неупругость металлов. // Ред. Вонсовский СВ. - М.: ИЛ, 1954. С. 9-168.]:
где: γ - коэффициент температуропроводности; h - толщина стенки резонатора; ζ - интенсивность внутреннего трения.
2
Для большинства металлов эти величины составляют: ζ≈0,004 и γ≈1 см/с [Зинер К. Упругость и неупругость металлов. // Сб.: Упругость и неупругость металлов. // Ред. Вонсовский СВ. - М.: ИЛ, 1954. с. 9-168.].
Принимая h=0,1 см и f=2 кГц, получаем значение максимальной добротности тонкостенного металлического цилиндра: Q≈31000.
Поэтому данное значение добротности снижает точность работы волнового твердотельного гироскопа до 10…50 угл. град/ч.
Известен резонатор для твердотельного волнового гироскопа, выполненный в виде металлического цилиндра с дном [Резонатор. Патент РФ №2357214, МПК G01C 19/56, 2007 г. Лунин Б.С, Матвеев В.А., Басараб М.А. Опубликовано 27.05.2009 г., Бюл. №15]. В кромке цилиндра, служащей рабочей частью, параллельно образующей цилиндра выполнены отверстия, радиусом, равным четверти толщины стенки цилиндра и глубиной в половину радиуса цилиндра, располагающиеся на расстоянии друг от друга, равном утроенному радиусу отверстия. При радиусе отверстия, равном четверти толщины стенки цилиндра, глубине отверстия в половину радиуса цилиндра и при расположении отверстий на расстоянии, равном утроенному радиусу отверстий, интенсивность теплового потока уменьшается примерно в три раза, так как теплопередача происходит только через узкие перемычки между отверстиями. В результате добротность резонатора также возрастет в примерно три раза, что приведет к пропорциональному уменьшению систематического дрейфа твердотельного волнового гироскопа.
Однако такое значение добротности также не очень велико и снижает точность работы твердотельного волнового гироскопа примерно до 4…17 у гл. град/ч.
Известен резонатор олнового твердотельного гироскопа, имеющий цилиндрическую часть и основание, служащее для присоединения резонатора к гороскопу [Резонатор твердотельного волнового гироскопа. Патент РФ ПМ №145777, МПК G01C 19/56, 2014 г. Игнатьев А.А., Скрипкин А.А.] - прототип.
В известной конструкции резонатор выполнен в виде металлического цилиндра с дном. В кромке цилиндра, служащей рабочей частью, выполнены отверстия параллельно образующей цилиндра, радиусом, равным четверти толщины стенки цилиндра, глубиной в половину радиуса цилиндра, на расстоянии друг от друга, равном утроенному радиусу отверстия, причем в качестве материала металлического цилиндра использован аморфный или нанокристаллический металл (металлический сплав).
Из-за особенностей строения внутренней структуры аморфных сплавов параметр - ζ - интенсивность внутреннего трения у аморфных сплавов, например, на основе циркония (Zr), составляет величину примерно ζ≈0,0002-0,0003 [S. Bossuyt, , J. Schroers. Resonant vibration analysis for temperature dependence of elastic properties of bulk metallic glass. // J. Mater. Res., Vol. 22, No. 2, Feb. 2007, p.p. 533-537], что при тех же числовых параметрах по формуле (2) дает значение максимальной добротности тонкостенного металлического цилиндра: Q≈465000-620000.
Поэтому данное значение добротности обеспечивает точность работы волнового твердотельного гироскопа до величины 0,25…0,9 угл. град/ч.
Однако существующая технология для изготовления подобных резонаторов полностью из аморфных металлов и их сплавов является достаточно сложной и весьма дорогостоящей. Кроме того, указанный резонатор обладает высокой теплопроводность, что увеличивает потери энергии колебаний и снижает добротность и точность показаний гироскопа.
Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков.
Указанная задача решается тем, что резонатор волнового твердотельного гироскопа, имеющий цилиндрическую часть и основание, служащее для присоединения резонатора к гироскопу, к цилиндрической части резонатора присоединено рабочее тонкостенное кольцо, выполненное из материала с малым коэффициентом внутреннего трения, а в зоне соединения с тонкостенным кольцом на цилиндрической части резонатора выполнены сквозные отверстия, создающие перемычки, суммарная площадь которых составляет 10-12% от площади отверстий. Тонкостенное кольцо выполнено из аморфного материала. Другим отличием является то, что тонкостенное кольцо выполнено в виде набора прочно соединенных между собой тонкостенных колец толщиной 25…30 мкм.
Техническим результатом является упрощение технологии изготовления и снижение себестоимости резонатора при повышении его добротности.
Так как цилиндрическая часть резонатора выполнена составной с рабочим тонкостенным кольцом, то это снижает затраты на изготовление резонатора, так как из дорогостоящего материала с низким коэффициентом внутреннего трения изготавливается только рабочее тонкостенное кольцо, а остальная часть резонатора может быть изготовлена из обычного металла. Наличие сквозных отверстий в цилиндрической части резонатора в зоне соединения с тонкостенным кольцом, создающих перемычки, суммарная площадь которых составляет 10-12% от площади отверстий, уменьшает тепловой поток и снижает потери энергии колебаний рабочего тонкостенного кольца, что повышает добротность резонатора. Конструкция рабочего тонкостенного кольца, выполненная в виде набора прочно соединенных между собой тонкостенных колец толщиной 25…30 мкм, снижает затраты на изготовление кольца, а следовательно, и резонатора в целом.
На фиг. 1 показана конструкция резонатора, где: 1 - цилиндрическая часть резонатора; 2 - основание; 3 - сквозные отверстия; 4 - рабочее тонкостенное кольцо.
Резонатор имеет цилиндрическую часть 1 и основание (дно) 2, служащее для присоединения резонатора к другим частям гороскопа. В нижней кромке цилиндрической части 1 выполнены сквозные отверстия 3. На конце цилиндрической части 1 резонатора установлено рабочее тонкостенное кольцо 4. Сквозные отверстия 3 создают перемычки между рабочим тонкостенным кольцом 4 и цилиндрической частью 1, площадь которых составляет 10-12% от площади сквозных отверстий 3. Рабочее тонкостенное кольцо 4 выполненное из материала с малым коэффициентом внутреннего трения, что снижает потери энергии колебаний и повышает добротность резонатора. В качестве материала рабочего тонкостенного кольца 4 может использоваться аморфный металл, обладающий низким внутренним трением. Рабочее тонкостенное кольцо 4 можно изготовить в виде набора прочно соединенных между собой тонкостенных колец толщиной 25…30 мкм.
Резонатор работает следующим образом.
Резонатор скрепляется с другими частями гороскопа (не показано) посредством основания 2 и приводится во вращение. Наружная кромка рабочего тонкостенного кольца от специального устройства (не показано) получает изгибные колебания высокой частоты. Под действием высокой частоты вращения в рабочем тонкостенном кольце 4 возникают силы Кориолиса, которые приводят к изменению диаметра рабочего тонкостенного кольца 4, по величине которого с помощью специальных датчиков можно определить угловую скорость вращения резонатора.
Но часть энергии вращения резонатора затрачивается на повышение температуры резонатора и поглощается внутренними дефектами материала. Это снижает точность показаний прибора. Для предотвращения этих явлений рабочее тонкостенное кольцо выполнено из материала с низким коэффициентом внутреннего трения из-за отсутствия дефектов кристаллической решетки. К таким материалам, например, относится аморфный металл. Аморфный металл имеет высокую стоимость, поэтому изготовление из этого материала всего резонатора приводит к высоким материальным затратам. Изготовление из аморфного металла только рабочего металлического кольца резко снижает потребные затраты. Наличие тонких перемычек между рабочим тонкостенным кольцом 4 и цилиндрической частью резонатора 1 снижает тепловые потери, возникающие при работе резонатора. Все это повышает добротность резонатора и повышает точность измерений.
Пример. Диаметр рабочего тонкостенного кольца равна 25 мм, толщина 1 мм. Частота вынужденных изгибных колебаний ƒ=8 кГц. Амплитуда колебаний кромок резонатора А=1…2 мкм. Величина зазора между поверхностью емкостного датчика для съема информации и поверхностью кромки резонатора 50…100 мкм.
2
В нижней кромке цилиндрической части выполнены 4 сквозных отверстия шириной 2 мм и длиной 17,5 мм. Таким образом, суммарная площадь сквозных отверстий равна 140 мм. Указанные отверстия создают перемычки, суммарная площадь которых составляет 3,14*25*2-140=17 мм, что составляет 12% от площади отверстий. Толщина каждой перемычки равна 2,1 мм, что достаточно для обеспечения необходимой прочности резонатора.
-5
Наличие сквозных отверстий, создающих воздушные промежутки, снижает интенсивность теплового потока примерно в 8…10 раз, так как теплопередача происходит только через узкие перемычки между отверстиями. Поскольку затухание ультразвука в воздухе довольно велико и возрастает пропорционально квадрату частоты, а также за счет очень малого коэффициента прохождения через границу воздух-твердое тело - например, для границы воздух-сталь коэффициент прохождения по энергии d=3,8*10; [Неразрушающие методы контроля сварных соединений / С.В. Румянцев, В.А. Добромыслов, О.И. Борисов и др.; - М: Машиностроение, 1976. - 335 с], то в предлагаемой конструкции резонатора до 90% энергии, затрачиваемой системой возбуждения уходит на создание изгибных колебаний ультразвуковой частоты в рабочей кромке резонатора и поддержания их постоянной амплитуды.
2
Максимальную добротность металлического цилиндрического резонатора оценим по формуле (2). Для большинства металлов эти величины составляют: ζ≈0,004 и γ≈1 см/с. Использование в качестве материала тонкостенного кольца аморфного металла с малой величиной ζ≈0,0002-0,0003 [S. Bossuyt, , J. Schroers. Resonant vibration analysis for temperature dependence of elastic properties of bulk metallic glass. // J. Mater. Res., Vol. 22, No. 2, Feb. 2007, p.p. 533-537] существенно повышает добротность резонатора. Несложно определить, что при неизменных геометрических параметрах гороскопа предлагаемая конструкция обеспечивает добротности тонкостенного металлического цилиндра, равную Q≈465000-620000, что в несколько раз выше по сравнению с добротностью известной конструкции.
Предлагаемый резонатор для твердотельного волнового гироскопа является составным металлическим, в котором тонкостенное кольцо из аморфного металла может быть изготовлено, например, - способом охлаждения, при котором струя жидкого металла с определенной скоростью направляется на поверхность быстро вращающегося цилиндра, изготовленного из материала с высокой теплопроводностью, - из тонкого листа аморфного сплава, из которого после этого после этого в режиме сверхпластической формовки в состоянии переохлажденной жидкости выдувается требуемая цилиндрическая форма с последующей требуемой механической обработкой [J. Schroers, T. Hodges, G. Kumar, Н. Raman, А. Barnes, Q. Pham, Т. Waniuk //Thermoplastic blow molding of metals // MaterialsToday, Jan-Feb 2011, Volume 14, No. 1-2, p.p. 14-19].
Таким образом, по сравнению с известным резонатором предложенный резонатор является более технологичным и менее дорогостоящим, обеспечивает существенное повышение добротности и увеличение точность работы волнового твердотельного гироскопа. Дополнительным положительным эффектом использования предлагаемого резонатора является то, что в конструкцию существующих твердотельных волновых гироскопов не вносится никаких принципиальных изменений, поскольку в нее устанавливается металлический резонатор таких же геометрических размеров, но при этом конструкция резонатора волнового твердотельного гироскопа становится более технологичной и менее дорогостоящей, поскольку в ней в резонаторе для возбуждения и распространения ультразвуковых колебаний металла.