РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКИ НАСТРАИВАЕМОГО ГИРОСКОПА С УЧЕТОМ ЕГО ВИБРАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
|
В конце прошлого века были разработаны [1, 2] и успешно применяются в настоящее время динамически настраиваемые гироскопы (ДНГ).
ДНГ применяются в качестве чувствительных элементов в индикаторных гиростабилизаторах и бесплатформенных инерциальных навигационных системах (БИНС).
ДНГ обладают следующими достоинствами:
■ малые габаритные размеры и масса,
■ невысокая стоимость,
■ высокая надёжность,
■ хорошая точность.
Благодаря этому данный класс гироскопов получил широкое применение в системах ориентации и навигации среднего класса точности.
Как и всегда, разработчики стремятся увеличить точность прибора. На сегодняшний день ДНГ достигают точности 0,01 °/час (случайная составляющая скорости ухода) и точнее.
Наибольшее распространение получил ДНГ на шарикоподшипниковых опорах по главной оси. Благодаря этому удалось добиться сочетания качеств, описанных выше. Вместе с тем разработчики получили целый ряд проблем, связанных с качеством шарикоподшипниковых опор. Среди этих проблем основное место занимают вибрации, порождаемые неидеальностью формы тел качения подшипников (колец и шариков). Вибрации подшипников представляют собой плотный линейчатый спектр, каждая гармоника которого порождена определенной погрешностью формы тел качения, или их сочетанием. Этот спектр перекрывает диапазон от единиц Гц до десятков кГц. Разработчики и производители подшипников для ДНГ предпринимают меры к уменьшению погрешностей геометрии тел качения, однако на сегодняшний день избавиться от влияния вибраций не удается. Поэтому разработчикам ДНГ приходится принимать меры по снижению влияния вибраций, используя математическую модель погрешностей прибора и свои эмпирические знания.
Математическая модель погрешностей ДНГ достаточно подробно разработана. В работах [3, 4, 5] описаны погрешности, зависящие от не идеальности конструкции ДНГ, воздействия внешних возмущающих факторов (угловых скоростей основания, линейных и угловых ускорений), влияния линейных и угловых вибраций с частотами, кратными частоте вращения ДНГ и других факторов. К сожалению, вопросы, связанные с влиянием широкого спектра вибраций подшипников на точностные параметры ДНГ в научной литературе освещены не достаточно подробно. О влиянии вибраций опор ДНГ на точностные параметры говорится, например, в работе [4]. На практике разработчики ДНГ сталкиваются с множеством эффектов, суть которых кроется в сложном взаимодействии спектра вибровозмущений подшипников с конструкционными резонансами ДНГ. Эти эффекты проявляются в виде изменения уходов при изменении спектра собственных вибраций прибора вследствие различных причин: изменение осевого натяга в подшипниковом узле, износа подшипников, погрешностей сборки и др. Поэтому изучению и контролю вибрационного состояния ДНГ на всех стадиях разработки и производства уделяется особое внимание.
Основной задачей в плане минимизации погрешностей ДНГ от вибраций подшипников на стадии разработки прибора является разнесение (не допущение совпадения) основных подшипниковых частот и собственных частот конструкции (резонансных частот), т.к. при их совпадении наблюдается возрастание амплитуды вибрации в десятки раз, что приводит к значительным погрешностям. К основным частотам вибраций подшипников относят частоты "мелькания" шариков по наружному и внутреннему кольцу, частоты вращения шариков относительно колец. Эти частоты поддаются достаточно точному расчету с использованием методик [6, 7, 8]. Более полный спектр,
учитывающий комбинационные частоты, описан в отчетах предприятия [9, 10]. Спектр рассчитывается, зная геометрические параметры подшипников, углы контакта тел качения, амплитуды погрешностей геометрии тел качения. Сложнее обстоит вопрос расчета собственных частот конструкции прибора на стадии его разработки, особенно когда отсутствуют прямые аналоги разрабатываемого прибора, резонансные частоты которых известны из экспериментальных данных. ДНГ представляет собой сложную многомассовую систему с распределёнными параметрами, аналитический анализ которой осложнен нелинейностью её элементов. Анализ многомассовых колебательных систем описан, например, в [11], но результаты этих расчетов могут использоваться только для приблизительной оценки резонансных частот. Тем более, что для определения жесткостей элементов конструкции ДНГ, например двухколечного упругого подвеса с учетом деформации колец, требуется решение сложнейшей задачи теории упругости. На помощь разработчику здесь могут придти прикладные программные продукты на базе метода конечных элементов [12]. Разбиение 3D модели исследуемого объекта на мельчайшие упруго деформируемые элементы позволяет учесть все особенности его конструкции, рассчитать деформации и напряжения в её элементах, получить полный спектр собственных частот колебаний. Именно использование данных инструментов может позволить разработчику ДНГ на ранних стадиях разработки нового прибора оценить правильность принимаемых конструкторских решений и избежать наложения опасных возмущающих частот на конструкционные резонансы.
В последнее время для создания малогабаритных БИНС используются миниатюрные ДНГ массой до 100г [13, 14, 15, 16]. В соответствии с
требованиями к БИНС, эти приборы в режиме измерения угловой скорости основания должны иметь измерительный диапазон до 200 °/с и случайный уход порядка 0,01.. .0,1 °/ч, что требует принятия нестандартных технических
решений и тщательного анализа конструкции на этапе проектирования.
Объектом исследований в данной работе является новый миниатюрный ДНГ КЕАФ05-029Б. Конструктивный аналог данного прибора описан в [15]. Особенностью конструкции этого прибора является чувствительный элемент (ротор на двухколечном упругом подвесе), заключенный в герметичную оболочку (ампулу), внутри которой создан высокий вакуум. По расчетам разработчиков, это должно дать значительный эффект в повышении точности прибора, т.к. воздействие на вращающийся ротор газовой среды, пусть даже весьма низкого давления, оказывает значительное влияние на его точностные параметры, что описано в ряде работ по ДНГ [5, 20, 21, 22] и подтверждено многолетним опытом разработок [23]. Исключение этого превалирующего фактора на первое место в обеспечении высоких точностных характеристик выдвигает задачу минимизации влияния подшипниковых вибраций.
Данная задача может быть решена путем расчета спектра подшипниковых вибраций, определения собственных частот конструкции ДНГ конечноэлементным методом, анализа полученных частот в плане их влияния на уход гироскопа, зависящий от синхронных осевых и радиальных вибраций. Для обоснования необходимости разнесения подшипниковых частот и резонансов конструкции необходимо произвести расчет ухода ДНГ в случае их совпадения, выработать и обосновать предложения по изменению конструкции прибора, призванные обеспечить лучшее разнесение указанных частот. Решение поставленных задач позволит на ранних стадиях разработки прибора принять необходимые меры для обеспечения выполнения требований к точностным параметрам ДНГ.
ДНГ применяются в качестве чувствительных элементов в индикаторных гиростабилизаторах и бесплатформенных инерциальных навигационных системах (БИНС).
ДНГ обладают следующими достоинствами:
■ малые габаритные размеры и масса,
■ невысокая стоимость,
■ высокая надёжность,
■ хорошая точность.
Благодаря этому данный класс гироскопов получил широкое применение в системах ориентации и навигации среднего класса точности.
Как и всегда, разработчики стремятся увеличить точность прибора. На сегодняшний день ДНГ достигают точности 0,01 °/час (случайная составляющая скорости ухода) и точнее.
Наибольшее распространение получил ДНГ на шарикоподшипниковых опорах по главной оси. Благодаря этому удалось добиться сочетания качеств, описанных выше. Вместе с тем разработчики получили целый ряд проблем, связанных с качеством шарикоподшипниковых опор. Среди этих проблем основное место занимают вибрации, порождаемые неидеальностью формы тел качения подшипников (колец и шариков). Вибрации подшипников представляют собой плотный линейчатый спектр, каждая гармоника которого порождена определенной погрешностью формы тел качения, или их сочетанием. Этот спектр перекрывает диапазон от единиц Гц до десятков кГц. Разработчики и производители подшипников для ДНГ предпринимают меры к уменьшению погрешностей геометрии тел качения, однако на сегодняшний день избавиться от влияния вибраций не удается. Поэтому разработчикам ДНГ приходится принимать меры по снижению влияния вибраций, используя математическую модель погрешностей прибора и свои эмпирические знания.
Математическая модель погрешностей ДНГ достаточно подробно разработана. В работах [3, 4, 5] описаны погрешности, зависящие от не идеальности конструкции ДНГ, воздействия внешних возмущающих факторов (угловых скоростей основания, линейных и угловых ускорений), влияния линейных и угловых вибраций с частотами, кратными частоте вращения ДНГ и других факторов. К сожалению, вопросы, связанные с влиянием широкого спектра вибраций подшипников на точностные параметры ДНГ в научной литературе освещены не достаточно подробно. О влиянии вибраций опор ДНГ на точностные параметры говорится, например, в работе [4]. На практике разработчики ДНГ сталкиваются с множеством эффектов, суть которых кроется в сложном взаимодействии спектра вибровозмущений подшипников с конструкционными резонансами ДНГ. Эти эффекты проявляются в виде изменения уходов при изменении спектра собственных вибраций прибора вследствие различных причин: изменение осевого натяга в подшипниковом узле, износа подшипников, погрешностей сборки и др. Поэтому изучению и контролю вибрационного состояния ДНГ на всех стадиях разработки и производства уделяется особое внимание.
Основной задачей в плане минимизации погрешностей ДНГ от вибраций подшипников на стадии разработки прибора является разнесение (не допущение совпадения) основных подшипниковых частот и собственных частот конструкции (резонансных частот), т.к. при их совпадении наблюдается возрастание амплитуды вибрации в десятки раз, что приводит к значительным погрешностям. К основным частотам вибраций подшипников относят частоты "мелькания" шариков по наружному и внутреннему кольцу, частоты вращения шариков относительно колец. Эти частоты поддаются достаточно точному расчету с использованием методик [6, 7, 8]. Более полный спектр,
учитывающий комбинационные частоты, описан в отчетах предприятия [9, 10]. Спектр рассчитывается, зная геометрические параметры подшипников, углы контакта тел качения, амплитуды погрешностей геометрии тел качения. Сложнее обстоит вопрос расчета собственных частот конструкции прибора на стадии его разработки, особенно когда отсутствуют прямые аналоги разрабатываемого прибора, резонансные частоты которых известны из экспериментальных данных. ДНГ представляет собой сложную многомассовую систему с распределёнными параметрами, аналитический анализ которой осложнен нелинейностью её элементов. Анализ многомассовых колебательных систем описан, например, в [11], но результаты этих расчетов могут использоваться только для приблизительной оценки резонансных частот. Тем более, что для определения жесткостей элементов конструкции ДНГ, например двухколечного упругого подвеса с учетом деформации колец, требуется решение сложнейшей задачи теории упругости. На помощь разработчику здесь могут придти прикладные программные продукты на базе метода конечных элементов [12]. Разбиение 3D модели исследуемого объекта на мельчайшие упруго деформируемые элементы позволяет учесть все особенности его конструкции, рассчитать деформации и напряжения в её элементах, получить полный спектр собственных частот колебаний. Именно использование данных инструментов может позволить разработчику ДНГ на ранних стадиях разработки нового прибора оценить правильность принимаемых конструкторских решений и избежать наложения опасных возмущающих частот на конструкционные резонансы.
В последнее время для создания малогабаритных БИНС используются миниатюрные ДНГ массой до 100г [13, 14, 15, 16]. В соответствии с
требованиями к БИНС, эти приборы в режиме измерения угловой скорости основания должны иметь измерительный диапазон до 200 °/с и случайный уход порядка 0,01.. .0,1 °/ч, что требует принятия нестандартных технических
решений и тщательного анализа конструкции на этапе проектирования.
Объектом исследований в данной работе является новый миниатюрный ДНГ КЕАФ05-029Б. Конструктивный аналог данного прибора описан в [15]. Особенностью конструкции этого прибора является чувствительный элемент (ротор на двухколечном упругом подвесе), заключенный в герметичную оболочку (ампулу), внутри которой создан высокий вакуум. По расчетам разработчиков, это должно дать значительный эффект в повышении точности прибора, т.к. воздействие на вращающийся ротор газовой среды, пусть даже весьма низкого давления, оказывает значительное влияние на его точностные параметры, что описано в ряде работ по ДНГ [5, 20, 21, 22] и подтверждено многолетним опытом разработок [23]. Исключение этого превалирующего фактора на первое место в обеспечении высоких точностных характеристик выдвигает задачу минимизации влияния подшипниковых вибраций.
Данная задача может быть решена путем расчета спектра подшипниковых вибраций, определения собственных частот конструкции ДНГ конечноэлементным методом, анализа полученных частот в плане их влияния на уход гироскопа, зависящий от синхронных осевых и радиальных вибраций. Для обоснования необходимости разнесения подшипниковых частот и резонансов конструкции необходимо произвести расчет ухода ДНГ в случае их совпадения, выработать и обосновать предложения по изменению конструкции прибора, призванные обеспечить лучшее разнесение указанных частот. Решение поставленных задач позволит на ранних стадиях разработки прибора принять необходимые меры для обеспечения выполнения требований к точностным параметрам ДНГ.
По условию технического задания была проанализирована математическая модель миниатюрного ДНГ КЕАФ05-029Б,(разработка АО «НПО Электромиханики») в рамках которой было выявлено влияние синхронных вибраций шарикоподшипника на точностные характеристики прибора. Проведенный расчет спектра вибраций подшипника и собственных частот конструкции показал, что при наличии технологического разброса размеров и свойств материалов прибора, возможно совпадение собственных частот прибора с основными составляющими спектра вибраций подшипника, что приводит к превышению требований технического задания по уходу гироскопа.
Проведённое изменение корпуса подшипникового узла прибора позволило увеличить разнесение частот вибрации подшипника и собственных частот прибора, в результате чего уход гироскопа, обусловленный вибрацией подшипников, уменьшился до 0,98 °/ч, что удовлетворяет требованием технического задания.
Проведённое изменение корпуса подшипникового узла прибора позволило увеличить разнесение частот вибрации подшипника и собственных частот прибора, в результате чего уход гироскопа, обусловленный вибрацией подшипников, уменьшился до 0,98 °/ч, что удовлетворяет требованием технического задания.
