Амортизированный гравиметр
CUSHIONED GRAVIMETER

Изобретение относится к области геофизического приборостроения, в частности, к устройствам для измерения силы тяжести на борту подвижного объекта, и может быть использовано для определения параметров гравитационного поля Земли.
Известны гравиметры для определения ускорения силы тяжести в процессе морской гравиметрической съемки [В.Г. Пешехонов, А.В. Соколов, Л.К. Железняк, А.Д. Береза, А.А. Краснов. Вклад навигационных технологий в создание мобильных гравиметров // Гироскопия и навигация. 2019. Т. 27. №4. С. 162-180]. При наземной съемке определение относительных значений ускорения силы тяжести производится с использованием переносных гравиметров [ГОСТ 13017-83. Гравиметры наземные. Общие технические условия].
Конструкции морских и наземных гравиметров не рассчитаны на применение на борту подвижного объекта, перемещающегося со значительной скоростью и подвергающегося интенсивным ударам и вибрации, например, самолета, вертолета или автомобиля. Для уменьшения влияния наклонов и качки на борту подвижных объектов чувствительный элемент гравиметрического датчика размещают в кардановом подвесе гироплатформы, при этом ось чувствительности гравиметрического датчика направлена вертикально и перпендикулярна плоскости гироплатформы. Гироплатформа предназначена для обеспечения угловой гироскопической стабилизации гравиметрического датчика. Для уменьшения воздействия вибрации и ударов на чувствительный элемент гироплатформу с гравиметрическим датчиком размещают на амортизирующее устройство, имеющее сравнительно низкую собственную частоту упругой системы (3-20 Гц) и высокое демпфирование, что позволяет эффективно снижать инерционные воздействия.
Известна конструкция аэрогравиметра GT-2A для измерения силы тяжести (http:/aerogeo.ru/resursy/oborudovanie/aerogravimetr-gt-2a/), содержащего гравиметрический датчик, установленный на гироплатформу для гиростабилизации датчика, при этом ось чувствительности гравиметрического датчика направлена вертикально и перпендикулярна плоскости гироплатформы, а гироплатформа с гравиметрическим датчиком помещена на амортизирующее устройство, содержащее ортогонально расположенные демпферы и упругие элементы в виде спиральных пружин. Само амортизирующее устройство размещено под гироплатформой и обеспечивает уменьшение воздействия поступательной вибрации, особенно вертикальной.
Недостатком данной конструкции является смещение вверх центра масс гироплатформы с гравиметрическим датчиком относительно центра жесткости амортизирующего устройства, что создает механическую структуру в виде верхнего маятника. Вследствие этого при горизонтальной поступательной вибрации объекта возникают существенные смещения центра масс из-за низкой собственной частоты упругой системы амортизирующего устройства, что приводит к угловым колебаниям гироплатформы с гравиметрическим датчиком, затрудняющим работу системы гироскопической стабилизации гравиметрического датчика, и создает значительные погрешности гравиметра при использовании его на подвижном объекте.
В качестве прототипа по наибольшему числу общих существенных признаков принят гравиметр из состава аэрогравиметрического комплекса [Патент RU 2090911], содержащий гравиметрический датчик, установленный в гироплатформу для гироскопической стабилизации датчика, при этом ось чувствительности гравиметрического датчика направлена вертикально и перпендикулярна плоскости платформы, а сама гироплатформа помещена в амортизирующее устройство. Гироплатформа с гравиметрическим датчиком размещена в контейнере, который снабжен узлами крепления упругих и демпфирующих элементов амортизирующего устройства, причем узлы крепления расположены симметрично в горизонтальной плоскости, в которой находится центр масс контейнера с содержимым, и симметрично вертикальной оси, проходящей через центр масс. Приближение узлов крепления к плоскости, в которой расположен центр масс системы, значительно снижает угловые колебания гироплатформы с гравиметрическим датчиком под воздействием инерционных ускорений (вибраций и ударов).
Недостаток рассматриваемого прототипа состоит в том, что в приборе не регламентируется положение центра жесткости упругой системы амортизирующего устройства. При несовпадении центра масс и центра жесткости в системе под воздействием внешних сил возникают крутильные колебания. В конструкции прототипа каждый амортизатор амортизирующего устройства выполнен в виде отдельных ортогонально расположенных упругих элементов и демпферов (в описании упоминается только одна вертикально расположенная пружина и три демпфирующих элемента), что дополнительно осложняет обеспечение требуемого положения центра жесткости. Кроме того, отсутствие требований к значениям жесткостей и собственных частот упругой системы амортизирующего устройства по различным поступательным направлениям приводит к угловым колебаниям гравиметрического датчика вследствие неравножесткости упругой системы, т.е. смещения центра масс по направлению, не совпадающему с направлением действия внешней силы.
Решаемая техническая проблема - снижение чувствительности гравиметра к внешним инерционным ускорениям и повышение его эксплуатационных характеристик.
Достигаемый технический результат - повышение производительности наземной гравиметрической съемки за счет обеспечения возможности ее выполнения с борта автомобиля.
Согласно изобретению, указанная проблема решается тем, что в амортизированном гравиметре гравиметрический датчик устанавливается в гироплатформу для его гироскопической стабилизации, при этом ось чувствительности гравиметрического датчика направлена вертикально и перпендикулярна плоскости гироплатформы, а сама гироплатформа помещена на амортизирующее устройство, причем центр жесткости упругой системы амортизирующего устройства совпадает с центром масс гироплатформы и гравиметрического датчика. Амортизирующее устройство, на котором установлена гироплатформа с гравиметрическим датчиком, имеет одинаковые собственные частоты по поступательным направлениям, что обеспечивает отсутствие моментов от неравножесткости упругой системы. Это позволяет избежать угловых колебаний гравиметрического датчика, вызванных воздействием вибрации и ударов, и повысить эксплуатационные характеристики гравиметра.
Сущность и функционирование изобретения поясняется следующими чертежами: фиг. 1 - общий вид амортизированного гравиметра; фиг. 2 - сечение амортизированного гравиметра (вырезана четверть); фиг. 3 - общий вид амортизирующего устройства.
На фиг. 1-3 введены следующие обозначения:
1 - наружная горизонтальная ось амортизирующего устройства,
2 - внутренняя горизонтальная ось амортизирующего устройства,
3 - вертикальная ось амортизирующего устройства,
4 - амортизирующее устройство,
5 - гироплатформа,
6 - гравиметрический датчик,
7 - центр масс гироплатформы и гравиметрического датчика, совпадающий с центром жесткости амортизирующего устройства,
8 - карданов подвес гироплатформы,
9 - гироскоп,
10 - акселерометр,
11 - пакет плоских пружин,
12 - угловой кронштейн,
13 - планка,
14 - лапа,
15 - П-образный кронштейн,
16 - направляющая,
17 - установочная плита,
18 - пружина,
19 - демпфер,
20 - тяга
Амортизированный гравиметр содержит гироплатформу 5 с гравиметрическим датчиком 6, которая размещена в амортизирующем устройстве 4. Центр масс гироплатформы 5 и гравиметрического датчика 6 расположен в центре упругого подвеса амортизирующего устройства 4 и совпадает с центром жесткости, представляющим собой точку приложения внутренних сил упругости подвеса амортизирующего устройства 4. Амортизирующее устройство 4 обеспечивает возможность поступательного перемещения гироплатформы 5 с гравиметрическим датчиком 6 по трем ортогональным направлениям, обозначенным осями 1, 2, 3.
Гироплатформа 5 содержит карданов подвес 8, в котором размещен гравиметрический датчик, ось чувствительности гравиметрического датчика направлена вертикально вверх по оси 3 и перпендикулярна плоскости гироплатформы. На гироплатформе 5 установлены гироскопы 9 и акселерометры 10 для обеспечения гироскопической стабилизации гравиметрического датчика.
Амортизирующее устройство 4 представляет собой конструкцию, в которой гироплатформа 5 с гравиметрическим датчиком 6 соединена с корпусом подвижного объекта (автомобиля) посредством упругого подвеса (далее - подвеса).
Упругие элементы подвеса амортизирующего устройства 4, которые обеспечивают при действии динамических нагрузок возможность перемещения гироплатформы 5 в горизонтальной плоскости по осям 1 и 2, представляют собой четыре пакета плоских пружин 11, расположенных вдоль сторон квадрата, плоскость которого параллельна горизонтальной плоскости. В углах квадрата пакеты плоских пружин 11 соединены угловыми кронштейнами 12 и фиксируются специальными заклепками со сферическими головками в конусных гнездах планок 13, образуя безлюфтовое соединение.
Плоские пружины из пакета 11 выполнены из стальной ленты и собраны в пакет из 5 листов (фиг. 3). Таким образом, каждая сторона квадрата представляет собой многолистовую рессору, известную своей эффективностью и позволяющую расположить центр жесткости подвеса в центре квадрата.
В середине одной пары параллельных пакетов плоских пружин 11 с наружной стороны крепятся лапы 14, с помощью которых амортизирующее устройство устанавливается внутри кабины автомобиля. В середине другой пары параллельных пакетов плоских пружин 11 с внутренней стороны крепится П-образный кронштейн 15, в котором закреплены две вертикальные направляющие 16, по которым на линейных шарикоподшипниках перемещается установочная плита 17 для гироплатформы 5 с гравиметрическим датчиком 6, поддерживаемая винтовыми цилиндрическими пружинами 18 и демпферами 19.
Для предотвращения потери устойчивости пакетов плоских пружин 11 и исключения возникновения крутильных колебаний угловые кронштейны 12 имеют удлинения, которые попарно по диагонали связаны тягами 20.
Функционирование заявленного подвеса амортизирующего устройства обеспечивает возможность поступательных перемещений гироплатформы 5 с гравиметрическим датчиком 6 по трем ортогональным осям 1, 2 и 3, при этом центр масс 7 гироплатформы и датчика совпадает с центром жесткости амортизирующего устройства 4, что исключает возникновение крутильных колебаний при воздействии вибраций и ударов. При совпадении собственных частот упругой системы амортизирующего основания при поступательных движениях по трем ортогональным направлениям исключено возникновение моментов от неравножесткости.
Технико-экономические преимущества изобретения по сравнению с прототипом, характеризующим существующий уровень техники и совпадающим в данном случае с прототипом, заключаются в уменьшении помех прибора от инерционных воздействий и повышении эксплуатационных характеристик гравиметра.
-6
2
В настоящее время проведены испытания амортизированного гравиметра данной конструкции. Результаты испытаний подтвердили возможность выполнения гравиметрической съемки с борта автомобиля со среднеквадратической погрешностью менее 10 м/с, что удовлетворяет современным требованиям геодезических работ. Продолжительность рейса протяженностью 120 км с 10 пунктами измерений составила 4 ч. Это примерно в 6 раз меньше, чем при использовании переносных гравиметров, что подтверждает повышение производительности наземной гравиметрической съемки.
Таким образом, заявленный технический результат достигнут.