CC BY
0
Внедрение виртуальных лабораторий также способствует междисциплинарному подходу к обучению, что позволяет студентам увидеть связь между различными научными дисциплинами и использовать полученные знания для решения сложных проблем. В долгосрочной перспективе, использование виртуальных лабораторий может стимулировать развитие новых исследовательских проектов и научных открытий, а также внести значительный вклад в образование и науку в целом.
В заключение, виртуальные лаборатории являются мощным инструментом для обучения естественных наук, и их потенциал еще далеко не исчерпан. Учитывая стремительное развитие технологий и постоянно меняющиеся потребности образования, виртуальные лаборатории продолжат развиваться и адаптироваться, чтобы обеспечить студентам лучшие возможности для получения знаний и опыта, который будет им необходим в XXI веке.
© Лешкова О.В., Лунёв К.А., 2023
УДК 62
Максутов Т.А.
инженер-конструктор, АО «НИИ командных приборов»,
г. Санкт-Петербург, РФ Пономарева Ю.А.
инженер 1 категории, АО «НИИ командных приборов»,
г. Санкт-Петербург, РФ
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ МОДЕРНИЗАЦИИ ГИРОИНТЕГРАТОРОВ ДЛЯ РАБОТЫ В СОСТАВЕ КОМПЛЕКСА КОМАНДНЫХ ПРИБОРОВ. ПУТИ ДОСТИЖЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
Аннотация
Основной темой доклада является разработка малогабаритного гироинтегратора с улучшенной стойкостью к вибро- и ударным нагрузкам и увеличенным ресурсом.
Представлены способы улучшения стойкости к вибро- и ударным нагрузкам, представлены пути увеличения ресурса прибора, приведены предварительные результаты конструирования, макетирования и испытаний новых решений. Рассмотрены возможности улучшения точностей гироинтегратора.
Ключевые слова
Гироинтеграторы, модернизация, характеристики, датчики, прибор, вибронагрузки.
1.Введение
В связи с тем, что в современном приборостроении требуются всё более и более стойкие к высоким перегрузкам приборы, обладающие, в то же время, высокими точностными характеристиками, малыми габаритами и высокой износостойкостью деталей и узлов, в разработках необходимо применять инновационные технологические решения.
В статье представлены предварительные результаты работ, целью которых является создание гироинтегратора (ГИ), обеспечивающего требования по точностным, динамическим, габаритно-массовым характеристикам и обладающего повышенным ресурсом.
1.1 Назначение и область применения гироинтегратора
ГИ предназначен для измерения приращений составляющей кажущейся скорости по направлению
оси его чувствительности.
1.2 Краткое описание гироинтегратора
В качестве измерителя приращений составляющей кажущейся скорости в комплексе командных приборов (ККП) применяется прибор ГИ, в состав которого входят:
• корпус;
• чувствительный элемент (ЧЭ);
• датчик угла поворота подвижной системы (ПС) по измерительной оси - ДКИ;
• два датчика угла поворота ЧЭ по оси прецессии - ДУ;
• двигатель бесконтактный (ДМ);
• устройство контактное (УК).
Прибор представляет собой гироскопический маятник с газо- или гидростатическим подвесом ЧЭ, газодинамическим подвесом ротора гироскопа (ГДО) и шарикоподшипниковым подвесом рамки с гироскопом, называемой подвижной системой (ПС). Наряду с газодинамическими опорами ротора гироскопа на предприятии имеется опыт применения шарикоподшипниковых опор. Статическая неуравновешенность (маятниковость) гироскопа относительно оси его подвеса создаётся за счёт несимметричной конструкции рамки гироскопа. Относительно своей оси вращения ПС сбалансирована. Ось вращения ПС номинально является измерительной осью прибора.
При действии ускорения вдоль измерительной оси вокруг оси подвеса гироскопа возникает момент сил инерции, под действием которого ПС прецессирует (вращается) вокруг измерительной оси.
При прецессии ПС возникает момент сопротивления, вызванный силами трения в шарикоподшипниковых опорах оси подвеса ПС и скользящих контактах УК. Под действием этого момента нарушается ортогональность между измерительной осью и плечом маятника, совпадающим по направлению с осью вращения ротора гиромотора. Для удержания указанной ортогональности применяют систему межрамочной коррекции (СМРК), состоящую из 2 датчиков ДУ и двигателя ДМ, установленных в приборе, и усилителя межрамочной коррекции (УМРК), конструктивно не связанного с прибором.
2 . Основные направления модернизации гироинтегратора 2.1 Улучшение стойкости к вибро- и ударным нагрузкам
Для улучшения стойкости ГИ к вибрационным и ударным нагрузкам и уменьшения погрешностей его работы, в новейших разработках могут быть использованы следующие решения:
конструктивные меры для увеличения собственной частоты прибора: уменьшение маятниковости
[Я
Рисунок 1 - Схематическое изображение ПС ГИ
гироинтегратора (при максимально возможном кинетическом моменте), обеспечение полной внутренней маятниковости и термокомпенсации, увеличение разрядности преобразователя выходной информации, исключение датчика положения ротора (ДПР); организация дополнительного канала коррекции в УМРК от вибродатчика; увеличение крутизны системы межрамочной коррекции путём замены классических трансформаторных датчиков угла на индукционные датчики, работающие в фазорезонансном режиме.
2.1.1 Конструктивные меры
Для обеспечения улучшенной динамики при эксплуатации и повышения стабильности работы ГИ необходимо увеличить собственную частоту ГИ, за счет уменьшения моментов инерции по осям, уменьшить маятниковость прибора и обеспечить полную внутреннюю маятниковость и термокомпенсацию.
Для этих целей в конструкции рамки и цилиндра ЧЭ прибора применены керамические материалы (вместо стали), обладающие меньшей удельной плотностью, повышенной износостойкостью, меньшим коэффициентом линейного расширения. Детали ЧЭ, соединения которых влияют на стабильность работы воздушного подвеса (ВП), выполнены из одного материала - керамики. Таким образом обеспечивается лучшее сохранение геометрии поверхностей стакана ВП при различных воздействиях. Уменьшение массы приводит к уменьшению осевых моментов инерции.
Из конструкции прибора исключен датчик положения ротора (ДПР) двигателя ДМ, что также позволило уменьшить массу ГИ. Функции ДПР выполняет датчик ДКИ, сигнал с которого через преобразователь, находящийся на корпусе прибора, поступает в УМРК.
Получение полной внутренней маятниковости (без дополнительного груза снаружи ЧЭ) достигается путём уменьшения маятниковости прибора, что неизбежно приводит к увеличению периода оборота ПС прибора (1).
^ 2жИ
Т =-, (1)
Р1
где Т - период вращения ПС ГИ 1/с,
Н - кинетический момент ГИ гс-см-с,
Р1 - статическая маятниковость ЧЭ, гс-см.
Увеличение периода вращения ПС приводит к необходимости использования преобразователей выходной информации способных формировать высокоразрядный информационном код. В новейших разработках применены преобразователи, позволяющие работать с 16-ти разрядным информационным кодом и величина младшего дискрета составляет 0,0015% от 1 оборота.
В конструкции прибора применены 2 датчика угла СМРК так, что они дают полную, компенсирующую искажения от осевого и радиального смещения ЧЭ в ВП, информацию об угле поворота ЧЭ. Таким образом, увеличивается надёжность точной работы прибора и уменьшается степень воздействия помех на сигнал, поступающий в УМРК.
Проработана возможность внедрения в конструкцию прибора микромодуля, содержащего в себе генератор, запитывающий обмотки возбуждения ДУ, и фазо-частотный выпрямитель (ФЧВ), усиливающий и выпрямляющий сигнал с двух ДУ. Вследствие чего увеличивается помехозащищённость сигнала, поступающего в систему управления СМРК.
Приняты конструктивные меры по улучшению теплоотдачи и снижения потерь на аэродинамическое сопротивление вращению ГМ.
Для уменьшения влияния повышенного нагрева ДМ при воздействии нагрузок требуется увеличение теплоотдачи от статора ДМ на корпус и усиление изоляции узла ВП с ЧЭ от тепла, исходящего от статора и ротора ДМ, распространяющегося конвекционным путём. Для этих целей применили
конструкцию ГИ с ребрами охлаждения на внешней поверхности корпуса и специальным покрытием магнитного экрана.
Для усиления защиты от внешних магнитных полей применён магнитный экран большей толщины.
2.1.2 Организация дополнительного канала коррекции в усилителе межрамочной коррекции от вибродатчика
В новейших разработках ГИ прорабатывается возможность включения вибродатчика в схему СМРК. Вибродатчик устанавливается непосредственно на корпусе прибора ГИ так, что его измерительная ось параллельна измерительной оси ГИ.
Воздействие линейных перегрузок, вибро- и ударных воздействий на прибор вызывает отклонение маятника ГИ на угол р (рис. 1), что в свою очередь приводит к изменению скорости прецессии по оси
чувствительности ( ^ ). Если СМРК полностью отрабатывает данное воздействие, то точность измерений не нарушается. При больших перегрузках, т.е. больших отклонениях маятника (по углу Р) в переходном процессе, СМРК не отрабатывает полностью нагрузку, что приводит к касанию маятником упоров и искажению выходной информации. Для сохранения точностных характеристик ГИ в условиях действия больших перегрузок используется сигнал с вибродатчика, поступающий на УМРК через дополнительный канал коррекции, что, согласно проработанной математической модели, обеспечивает сохранение положения маятника в рабочей области углов р.
2.1.3 Увеличение крутизны системы межрамочной коррекции путем замены классических трансформаторных датчиков угла на индукционные датчики, работающие в фазорезонансном режиме
В целях уменьшения степени воздействия помех на сигнал, поступающий в СМРК, и увеличения надёжности точной работы прибора был проработан вариант СМРК с двумя датчиками угла ДУ, выполненными на «П» образных сердечниках с замыкающими магнитный поток ферритовыми якорями, работающими в фазо-резонансном режиме. В схеме ГИ с фазорезонансными датчиками угла ферритовый якорь установлен таким образом, что, при прецессии по оси подвеса ЧЭ, выходной сигнал с ДУ меняется не по амплитуде, как при использовании классических трансформаторных ДУ, а по фазовому сдвигу относительно опорного сигнала. Отработка системой межрамочной коррекции изменения угла р (смотри рисунок 1) заключается в постоянном поддержании заданной разницы фаз.
Рисунок 2 - ГИ с индукционными датчиками
Такая СМРК будет иметь большую стабильность, лучшую помехоустойчивость и, примерно в 100 раз, большую крутизну.
2.2 Увеличение ресурса гироинтегратора
2.2.1 Увеличение срока эксплуатации скользящих контактов
В настоящее время прорабатывается возможность перехода на V образные канавки в контактных кольцах, гарантирующие стабильность положения следа скольжения щётки по кольцу. Такая конструкция обеспечивает 2 точки контакта щётки и кольца, что увеличивает надёжность работы и позволяет заметно уменьшить габаритно массовые характеристики УК.
Рисунок 3 - V- образные канавки коллектора ГИ
2.2.2 Макетирование способа бесконтактной передачи сигнала с подвижной части прибора на неподвижную
Полная бесконтактная передача сигнала осуществляется путём применения двух решений.
Первое - передача энергии питания от внешнего источника к ГМ и ДУ через бесконтактный высокочастотный преобразователь (БПЭ), с последующей организацией управления ГМ, осуществляющейся за счёт размещения в подвижной части ГИ электронного блока (ЭБ) источника питания ГМ. При этом КПД преобразователя составляет не менее 80%. Передача энергии осуществляется за счёт высокочастотного трансформатора с воздушным зазором ~ 0,2-0,3 мм, подвижная часть которого (приёмник) закреплена на ПС прибора, соосно с ней, а неподвижная (передатчик) на корпусе ГИ. Также организован дополнительный канал электрической связи от фаз ГМ к ЭБ ДУ, содержащему выпрямитель, стабилизатор напряжения и формирователь возбуждения ДУ.
Второе - съём информации с ДУ с помощью оптоэлектронного передающего устройства, представляющего собой ИК излучатель, установленный на подвижной части ГИ и фотоприемное устройство, закрепленное на корпусе ГИ.
Такая схема СМРК однозначно снимает вопрос увеличения срока эксплуатации скользящего токосъемника. рис. 4
Рисунок 4 - Функциональная схема СМРК с бесконтактной связью ПС и корпуса ГИ
3 Возможности дальнейшего уменьшения погрешностей гироинтегратора
Одним из путей уменьшения погрешностей ГИ является внедрение в его конструкцию узла арретирования, предназначенного для удержания маятника ЧЭ в «нулевом» положении между упорами.
Рисунок 5 - ГИ с узлом арретирования
Внедрение узла арретирования обеспечит уменьшение погрешности от уводящего момента, обусловленного тяжением токовводов и их гистерезисом.
Узел арретирования представляет собой толкатели, закрепленные на сильфоне, установленном соосно с измерительной осью ГИ. При подаче воздушного питания сильфон растягивается и уводит толкатели из рабочей зоны, а при отключении воздушного питания сильфон, с помощью пружины, сжимается и толкатели подпирают крышки ЧЭ, удерживая маятник с двух сторон.
Таким образом на порядок уменьшается погрешность от уводящего момента от запуска к запуску, не смещаются нулевые сигналы ГИ после транспортировки, существенно улучшается точностная готовность прибора.
4 Заключение
На данном этапе научной работы проработан ГИ, обеспечивающий выполнение высоких требований по надёжности, точности, износостойкости, ГМХ и стойкости к механическим воздействиям. Ведётся отработка технических решений на опытных образцах прибора; изготавливаются ГИ с применением различных конструкций, УМРК с бесконтактным оптоэлектронным приемо-передающим устройством; ведутся испытания ГИ с ФГДУ. Результаты проработок свидетельствуют о правильности выбранного в «НИИ Командных Приборов» пути выполнения поставленных задач. Основные трудности на данный момент:
- недостаточно отработанная технологическая база;
- отсутствие на Российском рынке миниатюрных электроэлементов и электроники с требуемыми характеристиками.
Список использованной литературы:
1. Л.А. Северов. Механика гироскопических систем. М.: МАИ. 1996. 212 с.
2. К.С. Полулях. Резонансные методы измерений. М: Энергия, 1980. 120 с.
3. Ю.И. Пережиров, Гриднева Т.М. Инженерная методика разработки высокочастотных трансформаторов с воздушным зазором: сб. науч. тр. Новосибирск: Наука, 2007. С. 294-304
© Максутов Т.А., Пономарева Ю.А., 2023
