ГИРОСКОПИЧЕСКИЙ ГАСИТЕЛЬ КОЛЕБАНИЙ

Полезная модель относится к гироскопии, мехатронике, машиностроению, приборостроению и т.д. и может использоваться для разработки и создания гасителей колебаний в различных областях машиностроения, строительства и систем управления движением и ориентации на основе использования гироскопического эффекта, а также в качестве учебной модели для демонстрации гироскопических явлений при различной взаимной ориентации гироскопов.
Аналогами предлагаемой модели служат различные по конструкции гироскопические стабилизаторы объектов или гасители их колебаний относительно одной, двух и трех осей. Но основу этих устройств составляют одноосные стабилизаторы, построенные на базе одного или двух гироскопов (Магнус К. Гироскоп, теория и применение. - М.: Мир, 1974. - С.444-463).
Недостатками этих гасителей колебаний в некоторых случаях является наличие в их структуре активной системы управления и стабилизирующих двигателей, что усложняет их конструкцию и изготовление, а также малая эффективность при больших углах поворота стабилизируемого объекта.
Наиболее близким техническим решением модели, выбранным в качестве прототипа, является одноосный гироскопический гаситель колебаний активного типа (United States Patent Office 3004.437. All attitude single axis Giroscopic reference. R.Pittman. Patented Oct. 17, 1961).
Гаситель содержит два идентичных двухстепенных гироскопа, установленных в общей раме так, что в исходном положении динамические оси их гиромоторов параллельны и перпендикулярны оси вращения рамы (входной оси прибора), кожух одного из гироскопов связан с рамой торсионами, имеющими конечную жесткость на кручение и бесконечную на растяжение-сжатие, а второй под действием системы управления может прецессировать относительно рамы.
Недостатком этой конструкции гасителя колебаний является наличие активной системы управления, состоящей из двигателя и системы управления им, усложняющих конструкцию, сборку устройства и его удорожание.
Технической задачей полезной модели является упрощение конструкции, сборки и удешевление изготовления двухгироскопного одноосного гасителя колебаний пассивного типа с сохранением его прочности, надежности и функциональной эффективности.
Поставленная задача решается тем, что в гироскопическом гасителе колебаний, содержащем два идентичных двухстепенных гироскопа, установленных в общей раме с помощью торсионной связи так, что в исходном положении динамическая ось одного из гироскопов перпендикулярна оси вращения рамы (входной оси прибора), второй гироскоп установлен в дополнительной раме, неподвижно соединенной с кожухом первого гироскопа, ось вращения кожуха второго гироскопа перпендикулярна, а динамическая ось его ротора параллельна входной оси прибора, при этом кожух второго гироскопа связан с дополнительной рамой упруго-демпферной связью.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где показан один из вариантов принципиальной конструктивной схемы гироскопического гасителя колебаний.
Гаситель состоит из общей рамы 1, содержащей двухстепенной гироскоп 2 и дополнительную раму 3, неподвижно соединенную с гироскопом 2, в которой подвижно установлен двухстепенной гироскоп 4. Упруго-демпферные элементы 5 и 6 соединяют дополнительную раму 3 и гироскоп 2 с общей рамой 1 и гироскоп 4 с дополнительной рамой 3 соответственно.
Устройство работает следующим образом.
1
1
1
1
2
2
2
2
Введем следующие правые системы координат (фиг.1): 0ξηζ, 0XYZ, 0XYZ, соответственно связанные с общей рамой 1 и гироскопами 2 и 4.
1
2
1
2
При этом ось ξ является входной осью прибора (осью стабилизации объекта), Z и Z являются динамическими осями гироскопов, a Y и Y - осями вращения кожухов гироскопов.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
В начальном положении, реализуемого с помощью упругих элементов 5 и 6, динамическая ось Z гироскопа 2 перпендикулярна оси стабилизации ξ (входной оси прибора), а ось вращения Y кожуха гироскопа 4 параллельна динамической оси Z гироскопа 2, а его динамическая ось Z параллельна оси прибора ξ. Приводятся во вращение роторы гироскопов до достижения ими угловых скоростей ω и ω то есть кинетических моментов  и , где J и J - полярные моменты инерции гироскопов (фиг.1). При отклонении рамы 1, имитирующей стабилизируемый объект, на некоторый угол θ вокруг оси ξ под действием внешнего момента  гироскоп 2 прецессирует вокруг оси Y со скоростью , стремясь совместить вектор своего кинетического момента  (согласно правилу Жуковского) с вектором внешнего момента , и деформирует пружину (или закручивая торсион) связи 5. В результате этой прецессии возникает гироскопический момент , направленный против внешнего момента , и прецессия гироскопа 4 вокруг оси Y, что является причиной формирования гироскопического момента , препятствующего прецессии гироскопа 2. То есть, гироскоп 4 играет роль сервомотора, обеспечивая управление прецессией гироскопа 2, делая его эффективным и при больших углах ухода (соответственно больших углах поворота стабилизируемого объекта).
1
При отсутствии или изменении знака (при колебаниях объекта) внешнего момента упруго-демпферные связи 5 и 6 приводят систему стабилизации в начальное положение и устраняют нутационные колебания, которые накладываются на прецессионное движение гироскопа. По мере прецессии второго гироскопа проекция его кинетического момента на ось прецессии Y
уже не равна нулю и возрастает, а это приводит к тому, что второй гироскоп начинает противодействовать повороту объекта, поддерживая работу первого гироскопа.
Упруго-демпферные связи в приборе могут быть реализованы не только на основе упругих элементов (например, пружин, работающих на кручение или на линейных деформациях) и демпферов различного типа, но и с помощью торсионов, имеющих конечную жесткость на кручение и бесконечную (по сравнению с первой) на растяжение - сжатие и обладающих диссипативными свойствами.