СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ДВУХСТЕПЕННОГО ПОПЛАВКОВОГО ГИРОСКОПА С ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ ПОДВЕСОМ РОТОРА ГИРОМОТОРА
METHOD OF DETERMINING ERROR OF SINGLE-DEGREE OF-FREEDOM FLOATING GYROSCOPE WITH GAS-DYNAMIC ROTOR SUSPENSION OF GYROMOTOR

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при разработке и производстве двухстепенных поплавковых гироскопов с газодинамическим подвесом ротора гиромотора [1. И.Е. Сипенков, А.Ю. Филиппов, Ю.Я. Болдырев, Б.С. Григорьев, Н.Д. Заболоцкий, Г.А. Лучин, Т.В. Панич. Прецизионные газовые подшипники // СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2007, стр. 51].
Известен способ определения погрешности двухстепенного поплавкового гироскопа с газодинамическим подвесом ротора гиромотора в процессе выполнения которого определяются коэффициенты детерминированной модели погрешности гироскопа в функции действующего ускорения силы тяжести [У. Ригли, У. Холлистер, У. Денхард. Теория, проектирование и испытания гироскопов // М.: Мир, 1972, стр. 371-381]. Способ реализуется при выполнении следующих технологических операций.
1. Установка гироскопа на платформе одноосного гиростабилизатора в ориентацию, при которой входная ось гироскопа параллельна оси вращения платформы.
2. Ориентация оси вращения платформы по полуденной линии.
3. Включение гироскопа в качестве чувствительного элемента гиростабилизатора.
4. Приведение гироскопа и гиростабилизатора в рабочее состояние.
y1
5. Измерение видимой угловой скорости Ω вращения платформы гиростабилизатора в функции угла α разворота платформы при полном обороте платформы вокруг входной оси гироскопа.
y1
y1
yг1
6. Определение зависимости Ω=F(α). При вращении платформы вокруг входной оси гироскопа, ориентированной по полуденной линии, используемая модель [2], связывающая измеряемую скорость Ω гиростабилизатора со скоростью ухода Ω (погрешностью) гироскопа, принимает вид:
yг1
y1
3
o
1
2
Ω=Ω-ωcosφ=B+Bsinα+Bsin2α,
где:
α - угол разворота платформы с гироскопом;
o
o
В=М/Н - составляющая скорости ухода гироскопа, не зависящая от действующего ускорения силы тяжести;
o
М - постоянный момент на оси прецессии гироскопа, не зависящий от действующего ускорения силы тяжести;
Η - кинетический момент ротора гироскопа;
З
ω - угловая скорость вращения Земли;
φ - широта места проведения испытаний;
1
y
В=mg/H - составляющая скорости ухода гироскопа пропорциональная действующему ускорению силы тяжести;
y
m - маятниковость поплавковой камеры гироскопа при смещении центра масс камеры вдоль входной оси;
g - ускорение силы тяжести;
2
r
2
2
В=mgKsinA/2H - составляющая скорости ухода пропорциональная квадрату действующего ускорения силы тяжести;
m - масса ротора гиромотора;
r
K - коэффициент радиальной податливости газодинамического подвеса ротора гиромотора;
А - угол положения газодинамического подвеса ротора.
7. Аппроксимация полученной зависимости рядом Фурье. Вычислении коэффициентов ряда, например, методом наименьших квадратов.
8. Ориентация оси вращения платформы гиростабилизатора параллельно оси вращения Земли.
y2
y2
yr2
9. Повторение операций по п. 5. Определение зависимости Ω=F(α). При вращении платформы вокруг входной оси ориентированной параллельно оси вращения Земли используемая модель [2], связывающая измеряемую скорость Ω гиростабилизатора со скоростью ухода Ω гироскопа, принимает вид:
где:
z
m - маятниковость поплавковой камеры гироскопа при смещении центра масс камеры вдоль оси вращения ротора гиромотора;
3
z
r
y
2
2
B=mgsinφcosφ(K-KcosA)/H-mgcosφ/H;
z
K - коэффициент осевой податливости газодинамического подвеса ротора гиромотора;
4
r
2
2
B=mgKsinA/2H;
10. Аппроксимация полученной зависимости рядом Фурье и вычисление коэффициентов ряда, например, методом наименьших квадратов.
11. В результате выполнения перечисленных выше операций получаем два соотношения, связывающих составляющие скорости ухода гироскопа с параметрами газодинамического подвеса ротора гиромотора:
r
2
2
2
KsinA=2ВН/mg,
z
r
3
1
2
2
K-KcosA=2Н(B+Bcosφ)/mgsin2φ.
Недостатками способа являются:
1. Малая точность определения погрешности двухстепенного поплавкового гироскопа с газодинамическим подвесом ротора гиромотора. Малая точность обусловлена тем, что способ не позволяет раздельно определить:
- составляющую погрешности гироскопа, обусловленную радиальной податливостью газодинамического подвеса ротора,
- составляющую погрешности, обусловленную его осевой податливостью,
- составляющую погрешности от угла положения газодинамического подвеса ротора.
При реализации способа-прототипа определяется комбинация этих составляющих.
2. Сложность используемого для реализации способа оборудования. Способ реализуется при применении одноосного гиростабилизатора, представляющего сложное дорогостоящее устройство.
Наиболее близким к заявленному способу является способ определения погрешности двухстепенного поплавкового гироскопа с газодинамическим подвесом ротора гиромотора [У. Ригли, У. Холлистер, У. Денхард. Теория, проектирование и испытания гироскопов // М.: Мир, 1972, стр. 382-386], который принимаем за прототип. Способ предполагает выполнение следующих технологических операций.
1. Установка гироскопа на платформе поворотного основания (на платформе делительной головки) в ориентацию, при которой входная ось гироскопа параллельна оси вращения платформы.
2. Ориентация оси вращения платформы по полуденной линии.
3. Включение гироскопа в режим обратной связи по моменту на выходной оси. Для чего датчик угла гироскопа через усилитель-преобразователь подключается к датчику момента.
4. Приведение гироскопа в рабочее состояние.
i
5. Дискретные развороты платформы вокруг входной оси гироскопа на углы α=iΔα, где Δα равно, например, 10 град., i=0, 1, 2…35.
дм
y1
дм
дм
дм
дм
y1
yг1
6. Измерение в каждом фиксированном положении после затухания переходного процесса тока I в цепи датчика момента. Определении зависимости Ω=F(KI), где K - коэффициент передачи гироскопа по току I датчика момента. При вращении платформы вокруг входной оси гироскопа, ориентированной по полуденной линии, используемая модель [3], связывающая измеряемую скорость Ω со скоростью ухода Ω гироскопа, принимает вид:
yг1
y1
3
0
1
2
Ω=Ω-ωcosφ=B+Bsinα+Bsin2α.
7. Аппроксимация полученной зависимости рядом Фурье. Вычисление коэффициентов ряда.
8. Установка гироскопа на платформе поворотного основания в положение, при котором выходная ось параллельна ось вращения поворотного основания.
9. Ориентация оси вращения платформы по полуденной линии.
10. Повторение операций по пп. 3-6.
11. При вращении платформы вокруг выходной оси гироскопа, ориентированной по полуденной линии, используемая модель погрешности принимает вид:
yг2
y2
3
o
5
6
7
Ω=Ω-ω=B+Bsinα+Bcosα+Bsin2α
где:
o
o
B=M/H;
5
3
z
В=ωsinφ+mg/H;
6
y
B=mg/H;
7
z
r
2
2
B=mg(K-KcosA)/2H.
12. Аппроксимация полученной зависимости рядом Фурье. Вычисление коэффициентов ряда.
13. В результате выполнения перечисленных выше операций получаем два соотношения, связывающих составляющие скорости ухода гироскопа с параметрами подвеса ротора гиромотора:
r
2
2
2
KsinA=2ВН/mg,
z
r
7
2
2
K-KcosA=2ВН/mg.
Недостатком способа является малая точность, обусловленная невозможностью разделить погрешность гироскопа на составляющие, определяемые отдельными параметрами газодинамического подвеса ротора гиромотора, то есть определить отдельно составляющую погрешности пропорциональную осевой податливости; погрешность, пропорциональную радиальной податливости; погрешность от угла положения. При реализации данного способа определяется только комбинация этих составляющих погрешности.
Задачей настоящего изобретения является совершенствование технологического процесса производства двухстепенных поплавковых гироскопов с газодинамическим подвесом оси вращения ротора гиромотора.
Достигаемый технический результат - реализация возможности раздельного определения составляющих погрешности двухстепенного поплавкового гироскопа, обусловленных параметрами газодинамического подвеса ротора гиромотора. Это в свою очередь позволит достоверно оценивать и контролировать качество его изготовления.
Поставленная задача решается тем, что в способе определения погрешности двухстепенного поплавкового гироскопа с газодинамическим подвесом ротора гиромотора путем измерения его выходного сигнала при повороте гироскопа относительно вектора силы тяжести вокруг входной и выходной осей на 360°, при ориентации оси поворота в одном направлении, преимущественно по полуденной линии, вращение гироскопа относительно вектора силы тяжести вокруг каждой оси производят при двух частотах вращения ротора.
Реализация предлагаемого способа осуществляется при выполнении следующей последовательности технологических операций.
1. Установка гироскопа на платформе поворотного основания (на платформе делительной головки) в ориентацию, при которой входная ось гироскопа параллельна оси вращения платформы.
2. Ориентация оси вращения платформы по полуденной линии.
3. Включение гироскопа в режим обратной связи по моменту на выходной оси. Для этого датчик угла гироскопа через усилитель-преобразователь подключается к датчику момента.
1.
4. Приведение гироскопа в рабочее состояние. При этом ротор гиромотора разгоняют до частоты вращения Ω
i
5. Дискретные развороты платформы вокруг входной оси гироскопа на углы α=iΔα, где Δα равно, например, 10 град., i=0, 1, 2…35.
дм
дм
<mrow><msubsup><mi>Ω</mi><mi>y</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>=</mo><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>д</mi><mi>м</mi></mrow></msub><msub><mi>I</mi><mrow><mi>д</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Ω</mi><mrow><mi>y</mi><mn>1</mn></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Ω</mi><mrow><mi>y</mi><mi>г</mi><mn>1</mn></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
6. Измерение в каждом фиксированном положении после затухания переходного процесса тока I в цепи датчика момента. Определение зависимости
, где K - коэффициент передачи прибора по току датчика момента. При вращении платформы вокруг входной оси гироскопа, ориентированной по полуденной линии, используемая модель [3], связывающая измеряемую скорость
со скоростью ухода
гироскопа, принимает:
7. Аппроксимация полученной зависимости рядом Фурье. Вычисление коэффициентов ряда. Для коэффициентов, связанных с параметрами подвеса ротора гиромотора, имеем соотношение:
где:
1
1
Н - кинетический момент ротора гиромотора при частоте вращения Ω;
r1
1
K - коэффициент радиальной податливости газодинамического подвеса ротора гиромотора при частоте вращения ротора Ω;
1
1
A - угол положения ротора гиромотора при частоте вращения Ω.
8. Установка гироскопа на платформе поворотного основания в положение, при котором выходная ось параллельна оси вращения поворотного основания.
9. Ориентация оси вращения платформы по полуденной линии.
<mrow><msubsup><mi>Ω</mi><mrow><mi>y</mi><mn>1</mn></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Ω</mi><mrow><mi>y</mi><mi>г</mi><mn>1</mn></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
10. Повторение операций по пп. 3-6. При развороте платформы вокруг выходной оси гироскопа, ориентированной по полуденной линии, используемая модель [3], связывающая измеряемую скорость
со скоростью ухода
, имеет вид:
11. Аппроксимация полученной зависимости рядом Фурье. Вычисление коэффициентов ряда. Для коэффициентов, связанных с параметрами подвеса ротора гиромотора, имеем соотношение
где
z1
1
K - коэффициент осевой податливости газодинамического подвеса ротора гиромотора при частоте вращения ротора Ω.
1
2
12. Изменение частоты вращения ротора со значения Ω до значения Ω, например уменьшение на 25-30%. При этом радиальная и осевая податливости опоры изменяются обратно пропорционально частоте вращения ротора [И.Е. Сипенков, А.Ю. Филиппов, Ю.Я. Болдырев, Б.С. Григорьев. Н.Д. Заболоцкий, Г.А. Лучин, Т.В. Панич. Прецизионные газовые подшипники // СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2007, стр. 408-411].
2
13. Повторение операций по пп. 1-11 при частоте Ω вращения ротора гиромотора. Для коэффициентов, связанных с параметрами подвеса ротора гиромотора, получим соотношения:
где
2
2
А - угол положения ротора гиромотора в газодинамическом подвесе при частоте вращения ротора гиромотора Ω;
2
1
2
1
Η=ΗΩ/Ω,
r2
r1
1
2
K=KΩ/Ω,
z2
z1
1
2
Κ=ΚΩ/Ω.
14. Решение системы уравнений (1-4) дает возможность получить следующие выражения для определения составляющих погрешности, связанных с параметрами газодинамического подвеса ротора гиромотора:
где:
7
2
2
2
F4=2ВН/mg.
Реализация предлагаемого способа позволяет выделить из суммарной погрешности двухстепенного гироскопа составляющие погрешности, определяемые параметрами газодинамического подвеса ротора гиромотора: определить составляющую погрешности, пропорциональную осевой податливости газодинамического подвеса;
- погрешность, пропорциональную его радиальной податливости;
- погрешность от угла положения (при реализации известных способов определялась только комбинация этих составляющих).
Это, в свою очередь, позволяет по установленным допускам оценивать и контролировать качество изготовления газодинамического подвеса ротора гиромотора.
На предприятии предлагаемый способ экспериментально проверен на двухстепенных поплавковых гироскопах. В настоящее время разрабатывается техническая документация для использования предлагаемого способа при серийном производстве поплавковых двухстепенных гироскопов.