RU2282825C2 - Dynamically adjusted gyroscope - Google Patents
Dynamically adjusted gyroscope Download PDFInfo
- Publication number
- RU2282825C2 RU2282825C2 RU2004104931/28A RU2004104931A RU2282825C2 RU 2282825 C2 RU2282825 C2 RU 2282825C2 RU 2004104931/28 A RU2004104931/28 A RU 2004104931/28A RU 2004104931 A RU2004104931 A RU 2004104931A RU 2282825 C2 RU2282825 C2 RU 2282825C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gdo
- dimensionless
- gas
- console
- dynamic
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к гироскопии и может быть использовано в системах инерциального управления объектами. Прототипом изобретения является динамически настраиваемый гироскоп (ДНГ) [1], содержащий корпус, ротор и датчик угла, закрепленные во вращающейся герметичной ампуле, электропривод, высокоскоростные газодинамические опоры (ГДО), опорные поверхности которых выполнены в корпусе полусферическими, устройство передачи информации от датчиков к корпусу и устройство передачи энергии от корпуса, подвижные элементы выполнены в виде двух жестко связанных фланцев, каждый с аналогичной опорной поверхности корпуса рабочей поверхностью и внутренней полостью. Во внутренней полости первого фланца установлена герметичная ампула и преобразователь сигнала датчика угла в код, а во внутреннюю полость второго фланца установлены элементы электропривода.The invention relates to gyroscopy and can be used in inertial control systems of objects. A prototype of the invention is a dynamically tuned gyroscope (DNG) [1], comprising a housing, a rotor and an angle sensor fixed in a rotating sealed ampoule, an electric drive, high-speed gas-dynamic supports (GDO), the supporting surfaces of which are made hemispherical in the housing, and a device for transmitting information from sensors to the housing and the device for transmitting energy from the housing, the movable elements are made in the form of two rigidly connected flanges, each with a similar supporting surface of the housing with a working surface and an inner olostyu. In the inner cavity of the first flange, a sealed ampoule and a signal converter of the angle sensor into a code are installed, and electric drive elements are installed in the inner cavity of the second flange.
Недостатком данного ДНГ является повышенное энергопотребление и снижение точности, обусловленное перегревом элементов гироскопа.The disadvantage of this DNG is the increased energy consumption and reduced accuracy due to overheating of the gyroscope elements.
Целью изобретения является снижение энергопотребления и обеспечение устойчивости ДНГ при вибровоздействии.The aim of the invention is to reduce energy consumption and ensure the sustainability of DNG under vibration.
Поставленная цель достигается тем, что шипы газодинамической опоры размещены на консоли по обе стороны вращающейся части, содержащей детали ДНГ, а подшипники ГДО жестко закреплены в корпусе, причем жесткость консоли связана с параметрами газодинамической опоры соотношением:This goal is achieved by the fact that the spikes of the gas-dynamic support are placed on the console on both sides of the rotating part containing the parts of the DNG, and the bearings of the gas turbine are rigidly fixed in the housing, and the rigidity of the console is connected with the parameters of the gas-dynamic support by the ratio:
где - безразмерная угловая жесткость консоли,Where - dimensionless angular rigidity of the console,
Γ - угловая жесткость консольной подвески,Γ is the angular stiffness of the cantilever suspension,
Рa - давление окружающей среды,P a - environmental pressure
R - радиус сферической ГДО,R is the radius of the spherical GDO,
L - длина ГДО,L is the length of the GDO,
l - длина консоли,l is the length of the console,
- безразмерный момент инерции, - dimensionless moment of inertia,
Jу - поперечный момент инерции консоли и шипа,J y - the transverse moment of inertia of the console and the spike,
μ - динамическая вязкость газа,μ is the dynamic viscosity of the gas,
h0 - зазор в ГДО,h 0 is the gap in the GDO,
δ - глубина спиральной канавки,δ is the depth of the spiral groove,
Re - символ действительной части комплексного числа,Re is the symbol of the real part of the complex number,
- безразмерная глубина спиральной канавки, - безразмерная ширина уплотнительного пояска ГДО, ς1 - ширина уплотнительного пояска ГДО, - dimensionless depth of the spiral groove, - the dimensionless width of the sealing belt of the GDO, ς 1 - the width of the sealing belt of the GDO,
- безразмерный параметр сжимаемости, - dimensionless compressibility parameter,
Ω - угловая скорость вращения подвижной части, Ω is the angular velocity of rotation of the moving part,
α - угол захода спиральной канавки,α is the angle of approach of the spiral groove,
- безразмерная длина консоли, - dimensionless length of the console,
- безразмерный массовый параметр, - dimensionless mass parameter,
, M - масса подвижной части гироскопа, , M is the mass of the moving part of the gyroscope,
th - символ гиперболического тангенса.th is a symbol of hyperbolic tangent.
На фиг.1 представлена конструкция ДНГ. Гироскоп содержит ротор 1, первую ампулу 2, емкостные датчики угла 3 и 4, вторую ампулу 5, автогенераторы 6 и 7, смеситель 8, выпрямитель 9, первичную обмотку первого трансформатора 10, вторичную обмотку второго трансформатора 11, вторичную обмотку первого трансформатора 12, первичную обмотку второго трансформатора 13, ротор приводного двигателя 15, статор приводного двигателя 16, постоянные магниты 14 и 17, генератор опорных импульсов 18. Статор приводного двигателя 16, генератор опорных импульсов 18, вторичная обмотка 12 и первичная обмотка 13 установлены на неподвижном корпусе 26.Figure 1 shows the design of DNG. The gyroscope contains a
Для достижения поставленной цели - снижения энергопотребления и, как следствие, уменьшения температуры нагрева элементов гироскопа ампула 2 с установленными внутри нее ротором 1 и емкостными датчиками 3 и 4, ампула 5 с установленными внутри нее автогенераторами 6 и 7, смесителем 8 и выпрямителем 9, первичная обмотка первого трансформатора 10 и вторичная обмотка второго трансформатора 11, постоянные магниты 14 и 17, ротор приводного двигателя 15 размещены на подвижной части 25, по обе стороны которой установлены на консолях 19 и 20 чашки 21 и 22, которые являются шипами газодинамических опор (ГДО). Полусферы 23 и 24, профилированные спиральными канавками, жестко установлены в корпусе 26 (подшипники ГДО). При этом уменьшается радиус ГДО и, соответственно, момент сопротивления, который, согласно [2], пропорционален четвертой степени радиуса. Однако при консольном размещении шипа ГДО относительно вращающейся части возможны неустойчивые режимы, которые при вибровоздействии на гироскоп приводят к выходу из строя ГДО. Поэтому для снижения энергопотребления и обеспечения устойчивости при вибровоздействии на гироскоп следует помимо консольного размещения шипов ГДО относительно вращающейся части добиться устойчивости ГДО при нежесткой подвеске ее элементов. Для оценки устойчивости ДНГ запишем уравнения движения подвижной части, воспользовавшись схемой фиг.2.To achieve this goal - to reduce energy consumption and, as a result, reduce the heating temperature of the gyro elements of
Рассмотрим фиг.2, где а) - схема подвески шипа и установки подшипника ГДО: консоль 19 с чашкой 21, закрепленные на подвижной части 25, полусфера 23, профилированная спиральными канавками, выполненными по локсодромии (подшипник ГДО), жестко закреплена в корпусе 26, - упругий момент консоли, (φ - угол поворота консоли, Jу - поперечный момент инерции консоли, - сила реакции смазочного слоя ГДО, б) - схема ГДО, где α1 - ширина канавки.Consider figure 2, where a) is a diagram of the suspension of the spike and the installation of the GDO bearing: a
Уравнения движения системы, подвижная часть и консоль могут быть записаны в виде:The equations of motion of the system, the moving part and the console can be written in the form:
где m=M/2, M - масса подвижной части,where m = M / 2, M is the mass of the moving part,
z - поступательное смещение деталей ГДО,z is the translational displacement of the GDO parts,
l - длина консоли,l is the length of the console,
φ - угол поворота консоли,φ is the angle of rotation of the console,
Pa - давление окружающей среды,P a is the environmental pressure
R - радиус сферической ГДО,R is the radius of the spherical GDO,
L - длина ГДО,L is the length of the GDO,
h0 - зазор в ГДО,h 0 is the gap in the GDO,
δ - глубина спиральной канавки,δ is the depth of the spiral groove,
Jу - поперечный момент инерции консоли,J y - the transverse moment of inertia of the console,
Г - угловая жесткость консольной подвески.G is the angular stiffness of the cantilever suspension.
Обозначим:Denote:
t - время, , τ - безразмерное время,t is the time , τ is the dimensionless time,
- относительное поступательное смещение деталей ГДО, - relative translational displacement of the parts of the GDO,
W - безразмерная сила реакции смазочного слоя ГДО,W is the dimensionless reaction force of the lubricant layer GDO,
- безразмерный момент инерции. - dimensionless moment of inertia.
С учетом принятых обозначений и преобразования по Лапласу уравнения (1) примут вид:Given the accepted notation and the Laplace transform, equations (1) will take the form:
где S - параметр преобразования Лапласаwhere S is the Laplace transform parameter
- безразмерная угловая жесткость консоли - dimensionless angular rigidity of the console
Согласно [2], [3],According to [2], [3],
ζ1 - ширина уплотнительного пояска ГДО, ζ 1 - the width of the sealing belt GDO,
- безразмерный параметр сжимаемости, - dimensionless compressibility parameter,
th - символ гиперболического тангенса;th is the symbol of hyperbolic tangent;
sh - символ гиперболического синуса;sh is the symbol of the hyperbolic sinus;
ch - символ гиперболического косинуса;ch is the symbol of hyperbolic cosine;
- мнимая единица; π=3,1415926... - imaginary unit; π = 3.1415926 ...
Характеристическое уравнение системы (2):The characteristic equation of system (2):
При S=jω, где ν - частота колебаний подвижной части.For S = jω, where ν is the oscillation frequency of the moving part.
Уравнение (4) запишется в виде:Equation (4) can be written as:
Из выражения (5) находим γ:From expression (5) we find γ:
где W(jω)=ReW(jω)+jJmW(jω) - безразмерная сила реакции смазочного слоя ГДО, определяемая выражением (3) при S=jω, Re - символ действительной части комплексного числа, Jm - символ мнимой части комплексного числа.where W (jω) = ReW (jω) + jJmW (jω) is the dimensionless reaction force of the GDO lubricant layer defined by expression (3) at S = jω, Re is the symbol of the real part of the complex number, Jm is the symbol of the imaginary part of the complex number.
Определим область устойчивости по параметру γ, используя метод D-разбиений, для чего построим функцию D=Reγ+jJmγ, гдеWe define the stability region with respect to the parameter γ using the D-partition method, for which we construct the function D = Reγ + jJmγ, where
Функцию D определим для следующих констант:We define function D for the following constants:
Jy=5,5·10-9 кгм, m=0,09 кг, l≈8·10-3 м, μ=1,86·10-10 кГ×с/см2, R≈8,1·10-3 м, L=8,83·10-3 м, ζ1=3,5·10-3 м, h0=2,8·10-6 м, δ=5·10-6 м, Ω=1132 рад/с в диапазоне частот -∞≤w≤∞. График D-разбиения приводится на фиг.3. Претендентом на область устойчивости является область Reγ≥γкр. Для подтверждения того, что претендент действительно область устойчивости, оценим устойчивость ГДО при γ=γкр. Характеристическое уравнение разомкнутой системы имеет вид:J y = 5.5 · 10 -9 kgm, m = 0.09 kg, l≈8 · 10 -3 m, μ = 1.86 · 10 -10 kg × s / cm 2 , R≈8.1 · 10 -3 m, L = 8.83 · 10 -3 m, ζ 1 = 3.5 · 10 -3 m, h 0 = 2.8 · 10 -6 m, δ = 5 · 10 -6 m, Ω = 1132 rad / s in the frequency range -∞≤w≤∞. The D-partition graph is shown in FIG. 3. The contender for the stability region is the region Reγ≥γ cr . To confirm that the applicant is really a stability region, we evaluate the stability of the GDO at γ = γ cr . The characteristic equation of an open system has the form:
Обозначим функцию:Denote the function:
Постоим годограф функции (10) при S=jω, при этом:Let us stand the hodograph of function (10) at S = jω, while:
График годографа функции Function Hodograph Graph
представлен на фиг.4. График фиг.4 не охватывает точку минус 1. Это означает, согласно критерию устойчивости Найквиста, что ГДО устойчива при γ=γкр, и область изменения безразмерной жесткости Reγ≥γкр является областью устойчивости ГДО.presented in figure 4. The graph of FIG. 4 does not cover the
Так как значение Reγ=γкр достигается при ω=Λ0, то условие устойчивости ДНГ примет вид:Since the value of Reγ = γ cr is achieved at ω = Λ 0 , the stability condition for DNG will take the form:
Проверка справедливости критерия (14) проводилась на образце, безразмерная угловая жесткость консоли у которого γ0=0,46·103, при испытаниях на виброудар при перегрузке A=4 g произошло касание шипа и подшипника ГДО. Согласно графика фиг.3 значение γ0=0,46·103 лежит вне области устойчивости, γ0<Reγкр, (Reγкр=3,9·103). После заневоливания крышки, на которой установлена консоль с чашкой ГДО винтами, безразмерная угловая жесткость консоли составила γ1=4,38·103. Данное значение безразмерной жесткости находится внутри области устойчивости γ1>Reγкр. При испытаниях на виброудар ГДО сохранила работоспособность при воздействии виброускорения A=40 g, что и доказывает справедливость критерия (14). Следовательно, размещение элементов динамически настраиваемого гироскопа: ампулы с установленными внутри ее ротором и емкостными датчиками, а также ампулы с установленными внутри ее автогенераторами, смесителем, обмотки трансформаторов, постоянных магнитов и ротора приводного двигателя на подвижной части, а шипов ГДО - на консолях по обе стороны подвижной части гироскопа, причем безразмерная угловая жесткость консоли при этом связана с параметрами ГДО соотношением (14), позволяет обеспечить снижение энергопотребления и устойчивость динамически настраиваемого гироскопа в условиях вибровоздействия.The validity of criterion (14) was verified on a sample with dimensionless angular stiffness of the cantilever with γ 0 = 0.46 · 10 3 ; when tested for vibration shock with overload A = 4 g, the spike and the bearing of the hydraulic shock generator touched. According to the graph of Fig. 3, the value γ 0 = 0.46 · 10 3 lies outside the stability region, γ 0 <Reγ cr , (Reγ cr = 3.9 · 10 3 ). After covering the lid, on which the console is mounted with a cup of HDO screws, the dimensionless angular stiffness of the console was γ 1 = 4.38 · 10 3 . This value of dimensionless rigidity is within the stability region γ 1 > Reγ cr . In tests for vibration shock, the gas turbine engine remained operable under the influence of vibration acceleration A = 40 g, which proves the validity of criterion (14). Consequently, the placement of elements of a dynamically tuned gyro: ampoules with rotor and capacitive sensors installed inside it, as well as ampoules with autogenerators, a mixer installed inside it, windings of transformers, permanent magnets and a rotor of the drive motor on the moving part, and GDO spikes on the consoles for both side of the movable part of the gyroscope, and the dimensionless angular rigidity of the cantilever in this case is connected with the GDO parameters by relation (14), which allows to reduce energy consumption and dynamically tuned gyroscope in conditions of vibration exposure.
Источники информацииInformation sources
1. Белугин В.Б., Гулевич В.П., Нестеров В.В. Динамически настраиваемый гироскоп Патент РФ 2101679, Кл. 6 G 01 С 19/56.1. Belugin V. B., Gulevich V. P., Nesterov V. V. Dynamically tuned gyroscope. RF patent 2101679, Cl. 6 G 01
2. Никитин Е.А., Шестов С.А., Матвеев В.А. Гироскопические системы, ч.1, "Элементы гироскопических приборов", М., Высшая школа, 1988, 431 с.2. Nikitin E.A., Shestov S.A., Matveev V.A. Gyroscopic systems,
3. Дроздович В.Н. "Газодинамические подшипники", Л. Машиностроение, Ленинградское отделение, 1976, 207 с.3. Drozdovich V.N. "Gas-dynamic bearings", L. Mechanical Engineering, Leningrad Branch, 1976, 207 pp.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004104931/28A RU2282825C2 (en) | 2004-02-17 | 2004-02-17 | Dynamically adjusted gyroscope |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004104931/28A RU2282825C2 (en) | 2004-02-17 | 2004-02-17 | Dynamically adjusted gyroscope |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2004104931A RU2004104931A (en) | 2005-07-27 |
RU2282825C2 true RU2282825C2 (en) | 2006-08-27 |
Family
ID=35843362
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2004104931/28A RU2282825C2 (en) | 2004-02-17 | 2004-02-17 | Dynamically adjusted gyroscope |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2282825C2 (en) |
-
2004
- 2004-02-17 RU RU2004104931/28A patent/RU2282825C2/en active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2004104931A (en) | 2005-07-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4980386B2 (en) | Active electromagnetic damping system for spindle motor | |
US6201322B1 (en) | Brushless spindle DC motor used as an actuator to create radial force | |
RU2282825C2 (en) | Dynamically adjusted gyroscope | |
JP2007192737A (en) | Method for evaluating performance of dynamic pressure bearing | |
RU2554631C2 (en) | Test rig for angular oscillations in two planes | |
RU155046U1 (en) | THREE-COMPONENT ANGULAR SPEED MEASURER BASED ON A SPHERICAL GYROSCOPE WITH ELECTROSTATIC SUSPENSION | |
RU2165088C1 (en) | Process of calibration of accelerometers and device for its realization | |
JP3467633B2 (en) | Gyro compass | |
Szczygielski et al. | Dynamics of a high-speed rotor touching a boundary | |
RU2248524C1 (en) | Dynamically adjustable gyroscope | |
Shokhin et al. | On the rational dynamic modes of vibrating machines with an unbalanced vibration exciter of limited power | |
Hosaka et al. | High-power Vibration Generator Using Gyroscopic Effect. | |
JP6524011B2 (en) | Vibration diagnostic apparatus and vibration diagnostic method | |
Hosaka et al. | Study on Motor-Driven Gyroscopic Generator: Part 1—Characteristics at Constant Velocity | |
SU767594A1 (en) | Device for balancing dynamically adjustable gyroscopes | |
RU2771918C2 (en) | Gyroscope | |
SU1752446A1 (en) | Angular oscillations test facility | |
RU2289100C1 (en) | Method of measuring angular velocity and micrometric gyroscope | |
RU2750180C1 (en) | Method for reducing vibration errors of gyro platform using dynamically tuned gyroscopes | |
Eremeykin et al. | On the problem of control resonance oscillations of a mechanical system with unbalanced exciters | |
US3323374A (en) | Control apparatus | |
SU1103154A1 (en) | Acceleration meter graduation and testing stand | |
RU2728733C1 (en) | Gyroscope | |
RU2648679C2 (en) | Method for determining the critical rates of the rotor working in the superresonance region | |
RU2247880C1 (en) | Rotary body torsional vibration damper |