Научная статья на тему 'Условия эксплуатации морского гиростабилизированного гравиметра'

Условия эксплуатации морского гиростабилизированного гравиметра Текст научной статьи по специальности «Геодезические приборы, их исследования»

CC BY
356
82
Поделиться
Ключевые слова
ДИНАМИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ / ГРАВИМЕТР / СИСТЕМАТИЧЕСКИЕ ПО-ГРЕШНОСТИ / НАДВОДНЫЙ КОРАБЛЬ

Аннотация научной статьи по геодезии и картографии, автор научной работы — Кутепов В. С.

Рассматриваются задачи динамических испытаний гравиметрической аппаратуры в лабораторных условиях.

SERVICE CONDITIONS SIA GIROSTABILIZIROVANNOGO GRAVIMETRA

Problems of dynamic tests of gravimetric equipment in vitro are considered.

Похожие темы научных работ по геодезии и картографии , автор научной работы — Кутепов В.С.,

Текст научной работы на тему «Условия эксплуатации морского гиростабилизированного гравиметра»

зации, метрологии и сертификации; М.: Изд-во стандартов, 1996. 19 с.

V.Yu. Antsev, A.N. Inosemtsev

MACHINES AND ASSEMBLIES OPERATIONAL QUALITY ASSESSMENT FROM THE EXPECTED SERVICE LIFE INDICATORS

A strategy for pipeline fittings service life has been proposed. It includes the evaluation of the permissible service life indicators from the non-failure criterion, and a method of expected service life value re-calculation based on the operational data.

Key words: machines, assemblies, quality, service life expectancy, operations.

Получено 20.0112

УДК 528.563

В.С. Кутепов, д-р техн.наук, проф., (4872) 35-14-82 (Россия,Тула, ТулГУ)

УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ МОРСКОГО ГИРОСТАБИЛИЗИРОВАННОГО ГРАВИМЕТРА

Рассматриваются задачи динамических испытаний гравиметрической аппаратуры в лабораторных условиях.

Ключевые слова: динамические испытания, гравиметр, систематические погрешности, надводный корабль.

Требования к динамическим испытаниям морского гравиметра определяются его структурой, заданной точностью работы, условиями эксплуатации и требованиями метрологического контроля.

Морской гравиметр включает в себя датчик, построенный на основе упругих кварцевых весов, как правило, крутильного типа, обеспеченных закритическим демпфированием чувствительного элемента [1-3]; фильтры высокочастотных, по сравнению с полезным сигналом, возмущений и гироустройство, совмещающее ось чувствительности датчика с направлением истинной вертикали. В качестве последнего используются либо силовые индикаторные гиростабилизаторы, либо пассивные стабилизаторы в виде четырехгироскопных сферических вертикалей, получивших название гиромаятниковых стабилизаторов [4]. Датчик гравиметра обычно помещается в термостат, уменьшающий влияние изменения окружающей температуры. В состав гравиметра входят также преобра-

зователь угла колебания маятника датчика в электрический сигнал и система ввода сигнала для обработки данных на ЭВМ.

Задачи динамических испытаний гравиизмерительного комплекса:

- проверка соответствия работы датчика теории колебательной системы с одной степенью свободы;

- проверка линейности работы жидкостного фильтра (системы демпфирования) при подавлении высокочастотных (по сравнению с полезным сигналом) вертикальных возмущающих ускорений;

- проверка работы системы гироскопической стабилизации и собственно гравиметра в условиях многокомпонентных возмущений от поступательных и вращательных движений;

- выявление возникающих при этом систематических погрешностей измерений силы тяжести и прогнозирование точности измерений при конкретном фоне возмущений;

- оценка степени искажения и точности регистрации полезного сигнала;

- определение надежности и работоспособности всей системы в условиях возмущающих воздействий близких к реальным.

Широта задач испытаний предопределяет устройство динамических испытательных систем, которые должны отличаться по своим характеристикам и точности задания возмущающего воздействия.

Гравиметр, установленный на надводном корабле, испытывает инерциальные воздействия от качки корабля на волне, вибрации палубы, неточности отслеживания курса. В дальнейшем будем называть колебания от вибрации высокочастотными, от качки корабля - низкочастотными, а рыскание корабля и полезный сигнал - инфранизкочастотными колебаниями (частота 0,02 Гц и ниже).

Известно, что движение корабля на волне можно разложить на поступательное (вместе с центром масс) и вращательное (вокруг центра масс) движения. Основные виды качки корабля (бортовая, килевая, вертикальная) - это такие его колебания, во время которых при отклонении от положения устойчивого равновесия возникают силы, стремящиеся вернуть корабль в исходное положение [5]. Дополнительные виды качки (рыскание, продольно- и поперечно-горизонтальная качки) - это колебательные движения корабля около положения равновесия за счет изменения знака внешнего воздействия. В реальных условиях движение корабля представляет сложную комбинацию основных и дополнительных видов качки, и при анализе работы приборов удобно рассматривать раздельно влияние поступательного и вращательного движений.

Возвратно-поступательное движение центра масс корабля, а, следовательно, и всех его точек происходит в вертикальной плоскости, перпендикулярной фронту волны, и именуется орбитальным движением. Это наиболее слабо экспериментально изученный вид движения корабля.

Центр масс при орбитальном движении описывает сложную траекторию в пространстве. Характер этого движения в плоскости описан в работе [5]. Траектории движения точек палубы кораблей водоизмещением 1100 и 6800 т при плавании соответственно на Черном море и в Бискайском заливе построены по результатам совместной обработки измерений ускорений и углов качки корабля. Ускорения измерялись маятниковыми акселерометрами с магнитным демпфированием собственных колебаний и фотографической регистрацией показаний. Акселерометры располагались на гиростабилизированной платформе. Для измерения наклонов палубы корабля использовался щелевой фоторегистратор. Орбитальное движение можно приближенно представить как эллиптическое или даже (для предварительных оценок) круговое с радиусом 0,5 м.

Действующие на борту судна возмущения зависят от многих факторов: типа и водоизмещения корабля, месторасположения прибора на корабле, характеристик волнения моря, курса движения корабля, района плавания и других причин. Установить на основании экспериментальных измерений количественные зависимости ускорений палубы судна от перечисленных факторов практически невозможно. Однако общее представление о фоне низкочастотных возмущающих ускорений, которые имеют место на надводном корабле, можно получить из табл. 1, где приведены средние значения амплитуд ускорений и периодов их изменений в разных плоскостях, вычисленные по данным измерений маятниковых акселерометров [6].

Как следует из таблицы, амплитуда линейных горизонтальных ус-

м м

корений не превышает 0,6 —, а вертикальных - 0,7 — для судов различ-

с с

ного тоннажа при плавании в море в условиях умеренного волнения (до 5 баллов). Эти же ускорения в океане для судов среднего тоннажа (около 6000 т) почти в 2 раза меньше. Период изменения ускорения на море лежит в пределах 6.. .10 с, а в океане - 8.. .14 с. Эти данные необходимы для выбора режимов испытания приборов, работающих в условиях качки корабля. Рыскание корабля на волне можно рассматривать как колебания с тремя основными периодами: 4.10 с (равен периоду волны), 1.3 мин (обусловлен работой системы кораблевождения) и 20.40 мин (результат уточнения курса судна и изменения условий его сноса).

Все виды движений корабля являются в реальных условиях случайными функциями времени. Вследствие этого для оценки точности работы аппаратуры и создания испытательного оборудования необходимо располагать вероятностными характеристиками случайных функций для различных режимов движения корабля, которые можно определить теоретически с учетом известных переходных амплитудно-фазовых и частотных характеристик судна.

Таблица 1

Значение возмущающих ускорений на надводных кораблях

в море и океане

М, т V , узлы Волнение моря, баллы / 2 аср,м/с Т ср,с / 2 атах,м / с Ттах, с

Попер. Прод. Верт. Попер. Прод. Верт.

Море

17000 6 2-6 01 0,05 - 0,26 01 -

11000 6 1-5 0,21 5,2 0,12 5,1 0,25 6,6 0,53 5,7 03 5,7 0,63 6,9

1500 9 1-2 01 4,3 0,06 4,0 - 0,22 8,1 0,19 9,9 -

2600 9-14 1-5 05 0,05 5,2 0,15 4,9 0,47 10,3 0,15 8,9 07 5,6

11000 12 1-3 4,5 0,26 4,2 - - - 0,62

280 11 1-4 - - 03 - - 0,67 4,0

Океан

5600 До 15 1-3 0,07 8,1 0,07 7,9 0,08 7,9 0,21 14,2 0,16 10,8 0,28 10,1

6700 До 15 1-5 0,05 6,8 0,05 7,0 01 7,1 0,23 7,9 0,12 9,4 0,25 7,8

Обозначения: М - водоизмещение корабля; V - скорость корабля; аср(атах), ^ср(Ттах) - средние и максимальные значения ускорений и периодов их изменений соответственно.

Другой способ состоит в статистической обработке натурных записей качки.

При определении вероятностных характеристик качки корабля на нерегулярном волнении принято считать, что волнение, а, следовательно, и качка представляют стационарный случайный процесс, при котором условия, определяющие его, не изменяются с течением времени. Случайный процесс качки корабля по своим характеристикам близок к нормальному, а поэтому он полностью определяется математическим ожиданием и корреляционной функцией.

Анализ натурных записей качки и корреляционных функций показывает, что качка корабля и возникающие при этом линейные ускорения представляют собой случайные функции, так как корреляционные связи со временем

263

затухают.

На рисунке показаны спектры линейных ускорений на надводных кораблях водоизмещением 2600 т при плавании на море (волнение 3-4 балла) и 6800 т при дрейфе в океане. Оба спектра можно считать приближенно узкополосными, т.е. реализация случайной функции имеет характер колебательного движения с почти постоянным периодом и медленно меняющейся амплитудой. Сходство реализации случайной функции с моногармоническим процессом будет тем больше, чем острее максимум имеет функция спектра [7].

8(оо)/о2 А

2,01,5 1,00,50 '

а

8(ш)/о2 А

2,52,01,5 1,0 0,50 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 со, с-1

б

Спектры линейных ускорений на кораблях водоизмещением

2600 Т (а) и 6800 Т (б):

2 - вертикальные ускорения; X, 7 - горизонтальные ускорения соответствующие бортовой и килевой качке

б

Статистическая обработка натурных записей углов качки позволяет получить их корреляционную функцию. Нормированные корреляционные функции R0 . (т) углов качки достаточно хорошо могут быть аппроксимированы формулами [8]

г \

, т =

. ц і • .

cos к іт + х sm Л іт

к і ]

V і У

где т = t2 — ^ - разность моментов времени, для которых определяется корреляционная функция; а2 - дисперсия качки судна; ц/ - параметр, характеризующий степень нерегулярности качки; X. - частота, определяющая положение максимума спектральной плотности угла качки; . = 1, 2, 3.

Статистическая обработка натурных записей углов качки позволяет получить их корреляционную функцию. Нормированные корреляционные функции R0 . (т) углов качки достаточно хорошо могут быть аппроксимированы формулами [8]

г \

, т = ^2

і (т) = а2 єхр[—ц^(т)]х

ч ^ і ■ л

cos к іт + ^~ х sm к іт

к і ]

V і У

где т = t2 — ^ - разность моментов времени, для которых определяется корреляционная функция; а2 - дисперсия качки судна; ці - параметр, характеризующий степень нерегулярности качки; к у - частота, определяющая положение максимума спектральной плотности угла качки; і = 1, 2, 3.

Значения ці , к і - определяются при статистической обработке записей качки корабля. Величина ці - для килевой и бортовой качек принимается равной собственным частотам колебаний корабля. Выражение спектральной плотности углов качки имеет вид

г\ 2 2 л 2

0/ч2ац ц+к

я еН =-------------------------------х7-\2-.

П 2 , 2 л2І2 , Л 2 Л 2

уШ + ц — к і + 4ц к

При совместной килевой и бортовой качках считают, что на нерегулярном волнении они являются не связанными случайными функциями. Случайные функции продольно- и поперечно-горизонтальных линейных движений, которые не сопровождаются появлением восстанавливающих сил, не являются стационарными, хотя их первые и вторые производные можно считать стационарными. В работе [9] приведено выражение спектральной плотности вертикальных ускорений, полученное в результате аппроксимации эмпирической кривой дробно-рациональных отношений

ю

(со2 —1,4)

2

0,44 ю-1,4 + 0,06

Очевидно, что при ю < 0,8 с-1 эту формулу можно заменить приближенной Я2 (ю) « 0,058 ю 4.

В работе [10] спектральная плотность аппроксимирована функцией треугольного вида

2

а

О

а

О

1 +— (ю — ю 0 ) О

1 +— (ю — ю 0 ) О0

0 при других ю,

О

, ю — < ю < ю0; 20

О

, ю0 < ю < ю0 + ~;

где О - ширина спектра; Ю - частота случайной функции, которая несет максимальную энергию.

Высокочастотная часть спектра ускорений (более 1 Гц) вызвана вибрациями-колебаниями основания приборов вследствие работы гребных винтов и судовых механизмов. Величина и характер вибраций зависят от многих факторов: неуравновешенности судовых механизмов, качества гребных винтов, режима работы двигателей, режима движения судна, особенностей его конструкции и т.д. Если общесудовые вибрации лежат в пределах 1-6 Гц, то местные вибрации в районе расположения гребных винтов при неуравновешенности механизмов могут достигать 300-500 Гц. То же самое можно сказать и в отношении амплитуд вибрационных перемещений. В разных частях судна они могут достигать от тысячных долей миллиметра до нескольких миллиметров.

Изучение диапазона распределения частот вибрации для судов водоизмещением 7000 и 1500 т показывает, что ускорения вибрации, вызванные вращением не полностью уравновешенных элементов движителей, состав-

2

ляют: а) для гребного винта при частоте 2,8-4 Гц - до 0,2 м/с ; б) для двух гребных винтов при частоте 5,7-7,8 Гц - до 0,2 м/с2; в) для пяти лопастей

2

гребного винта с частотой 18-24 Гц - до 0,15 м/с .

Виброускорения при надводных гравиметрических наблюдениях,

как правило, не превышают 0,5-0,6 м/с

266

Список литературы

1. Попов Е.И. Гравиинерциальные измерения и измерительные приборы // Приборы для гравиинерциальных измерений. М.: Наука, 1978. С. 3-6.

2. Кочегков Б.М., Попов Е.И. Упругая система морского гравиметра // Аппаратурные и опытно-методические работы по морской гравиметрии. М.: Наука, 1973. С. 6-31.

3. Баграмянц О.В. Автоматизированный морской пружинный гравиметр ГМН // Прикладная геофизика. М.: Недра, 1975. Вып. 79.

С. 159-170.

4. Кутепов В.С. Стабилизатор морского гравиметра, построенный по принципу гиромаятника // Известия АН СССР.Сер.Физика Земли. 1971, с. 107.113.

5. Семенов-Тянь-Шанский В.В. Качка корабля. Л.: Судостроение, 1969. 352 с.

6. Кутепов B.C., Попов Е.И. Фон возмущающих ускорений при гравиметрических наблюдениях на подводном корабле // Морской гиростаби-лизированный гравиметр. М.: Наука, 1972. С. 138-150.

7. Свешников А.А. Прикладные методы теории случайных функций. Л.: Судпромгиз, 1961.123 с.

8. Свешников А.А., Ривкин С.С. Вероятностные методы в прикладной теории гироскопов. М.: Наука, 1974. 536 с.

9. Пантелеев В.Л. О характеристике подавления помехи алгоритмов фильтрации при гравиметрических измерениях на море // Гравиинерци-альные приборы и измерения. Тула, 1980. С. 70-77.

V.S. Kutepov

SERVICE CONDITIONS SIA GIROSTABILIZIROVANNOGO GRAVIMETRA

Problems of dynamic tests of gravimetric equipment in vitro are considered.

Key words: dynamic tests, gravimeter, regular errors, the surface ship.

Получено 20.01.12