Erfaring viser, at den præcessionelle bevægelse af gyroskopet under indflydelse ydre kræfter V almindelig sag mere kompliceret end det, der er beskrevet ovenfor i rammen elementær teori. Giver man gyroskopet et skub, der ændrer vinklen (se fig. 4.6), så vil præcessionen ikke længere være ensartet (ofte sagt: regulær), men ledsages af små rotationer og rystelser i toppen af gyroskopet - nutationer. For at beskrive dem er det nødvendigt at tage hensyn til uoverensstemmelsen mellem vektoren af det samlede vinkelmomentum L, øjeblikkelig rotationsvinkelhastighed og gyroskopets symmetriakse.
Den nøjagtige teori om gyroskopet ligger uden for kursets rammer generel fysik. Af relationen følger, at vektorens ende L bevæger sig mod M, det vil sige vinkelret på lodret og på gyroskopets akse. Det betyder, at vektorens projektioner L på lodret og på gyroskopets akse forbliver konstant. En anden konstant er energi
 | (4.14) |
Hvor - kinetisk energi gyroskop. Udtryk i form af Euler-vinkler og deres afledte, kan vi vha Eulers ligninger, beskrive en krops bevægelse analytisk.
Resultatet af denne beskrivelse er som følger: vinkelmomentvektoren L beskriver en præcessionskegle ubevægelig i rummet, og samtidig bevæger gyroskopets symmetriakse sig rundt om vektoren L langs overfladen af nutationskeglen. Toppen af nutationskeglen er ligesom præcessionskeglens top placeret ved gyroskopets fastgørelsespunkt, og nutationskeglens akse falder sammen i retning med L og flytter med ham. Vinkelhastigheden af nutationer bestemmes af udtrykket
 | (4.15) |
hvor og er gyroskoplegemets inertimomenter i forhold til symmetriaksen og i forhold til den akse, der går gennem omdrejningspunktet og vinkelret på symmetriaksen, og er rotationsvinkelhastigheden omkring symmetriaksen (sammenlign med ( 3,64)).
Således er gyroskopaksen involveret i to bevægelser: ernæringsmæssig og præcessionel. Banerne for den absolutte bevægelse af toppen af gyroskopet er indviklede linjer, eksempler på hvilke er præsenteret i fig. 4.7.
 |
| Ris. 4.7. |
Karakteren af den bane, langs hvilken toppen af gyroskopet bevæger sig, afhænger af startbetingelserne. I tilfælde af fig. 4.7a blev gyroskopet drejet rundt om symmetriaksen, anbragt på et stativ i en vis vinkel i forhold til lodret og forsigtigt frigivet. I tilfælde af fig. 4.7b, desuden fik han et skub fremad, og i tilfældet med fig. 4,7v - skub tilbage langs præcessionen. Kurver i fig. 4.7 er ret lig cykloider beskrevet af et punkt på kanten af et hjul, der ruller på et plan uden at glide eller med at glide i den ene eller anden retning. Og kun ved at give gyroskopet et indledende skub af en meget specifik størrelse og retning, kan det opnås, at gyroskopaksen vil precessere uden nutationer. Jo hurtigere gyroskopet roterer, jo større er vinkelhastigheden af nutationerne og jo mindre er deres amplitude. Med meget hurtig rotation bliver nutationer næsten usynlige for øjet.
Det kan virke mærkeligt: hvorfor falder et gyroskop, der ikke er snoet, i en vinkel i forhold til lodret og frigives, ikke under påvirkning af tyngdekraften, men bevæger sig sidelæns? Hvor kommer den kinetiske energi af præcessionel bevægelse fra?
Svar på disse spørgsmål kan kun opnås inden for rammerne af den nøjagtige teori om gyroskoper. Faktisk begynder gyroskopet faktisk at falde, og præcessionel bevægelse opstår som en konsekvens af loven om bevarelse af vinkelmomentum. Faktisk fører den nedadgående afvigelse af gyroskopaksen til et fald i projektionen af vinkelmomentet i lodret retning. Dette fald skal kompenseres af det vinkelmomentum, der er forbundet med den præcessionelle bevægelse af gyroskopaksen. MED energipunkter Med hensyn til visning opstår den kinetiske energi af præcession på grund af ændringer i den potentielle energi af gyroskoperne
Hvis nutationerne på grund af friktion i støtten slukkes hurtigere end gyroskopets rotation omkring symmetriaksen (som regel sker dette), så forsvinder nutationerne kort efter gyroskopets "lancering" og bliver rene. præcession forbliver (fig. 4.8). I dette tilfælde viser hældningsvinklen af gyroskopaksen til lodret sig at være større end den var i begyndelsen, dvs. potentiel energi gyroskop falder. Således skal gyroaksen sænkes lidt for at kunne præcessere rundt om den lodrette akse.
 |
| Ris. 4.8. |
Gyroskopiske kræfter.
Lad os vende os til enkel oplevelse: lad os tage akslen AB i hænderne med hjulet C monteret på den (fig. 4.9). Så længe hjulet ikke er snoet, er det ikke svært at rotere akslen i rummet på en vilkårlig måde. Men hvis hjulet ikke er snoet, så forsøg at rotere akslen, for eksempel i et vandret plan med en lille Vinkelhastighed føre til en interessant effekt: skaftet har en tendens til at flygte fra hænderne og dreje i et lodret plan; den virker på hænderne med visse kræfter og (fig. 4.9). Det kræver en betydelig fysisk indsats at holde akslen med det roterende hjul i et vandret plan.
Lad os dreje gyroskopet rundt om dets symmetriakse til en stor vinkelhastighed (momentum L) og begynde at rotere rammen med gyroskopet monteret i den omkring den lodrette akse OO" med en vis vinkelhastighed som vist i fig. 4.10. Vinkelmomentum L, vil modtage et tilvækst, der skal leveres inden kraftøjeblikket M, påført gyroskopets akse. Øjeblik M til gengæld er skabt af et par kræfter, der opstår under tvungen rotation af gyroskopaksen og virker på aksen fra siden af rammen. Ifølge Newtons tredje lov virker aksen på rammen med kræfter (fig. 4.10). Disse kræfter kaldes gyroskopiske; de skaber gyroskopisk moment Fremkomsten af gyroskopiske kræfter kaldes gyroskopisk effekt. Det er disse gyroskopiske kræfter, vi mærker, når vi forsøger at dreje et roterende hjuls akse (fig. 4.9).
hvor er vinkelhastigheden af tvungen rotation (nogle gange kaldet tvungen præcession). På akselsiden virker det modsatte moment på lejerne
 | (4.) |
Således er gyroskopets skaft vist i fig. 4.10, vil blive presset opad i leje B og udøve tryk på nederste del leje A.
Retning af gyroskopiske kræfter kan nemt findes ved hjælp af reglen formuleret af N.E. Zhukovsky: Gyroskopiske kræfter har en tendens til at kombinere vinkelmomentum L gyroskop med retningen af vinkelhastigheden af den tvungne drejning. Denne regel kan tydeligt demonstreres ved hjælp af enheden vist i fig. 4.11.
1.1.1. Definition af "gyroskop"
I overensstemmelse med den nuværende tilstand og udsigterne for udvikling af gyroskopisk teknologi gyroskoper i bred forstand refererer de til en enhed, der indeholder et roterende eller oscillerende element, og som på dette grundlag gør det muligt at detektere og måle rotation i inertirummet af den base, hvorpå DENNE enhed er installeret. Denne definition svarer også til selve betydningen af begrebet gyroskop, introduceret i 1852 af den franske fysiker L. Foucault (1819-1868), dannet af to græske ord; gyros - rotation og skopein - se, observer, dvs. løst oversat, gyroskop er en rotationsindikator.
Roterende faste, flydende og gasformige legemer kan bruges som et gyroskop; muligheden for at bruge partiklernes gyroskopiske egenskaber er praktisk taget bevist - atomkerner eller elektroner med spin eller orbital momenta. Lasergyroskoper er blevet skabt baseret på optiske kvantegeneratorer.
Men i øjeblikket, i tekniske anordninger, især i flåden, er de mest udbredte gyroskoper, som bruger et dynamisk symmetrisk, hurtigt roterende fast legeme (rotor), ophængt på en sådan måde, at aksen for sin egen rotation vilkårligt kan ændre retning i rummet. Derfor er hoveddelene af et gyroskop rotoren og dens ophæng.
Aksen for rotorens egen rotation kaldes hovedakse gyroskop (figurakse). Eventuelle to andre akser, der ligger i rotorens egen rotationsplan og vinkelret på hinanden og på hovedaksen, kaldes ækvatorial.
Konceptet med en "hurtigt roterende rotor" betyder, at vinkelhastigheden af rotorens egen rotation er mange størrelsesordener større end de vinkelhastigheder, den kan have i forhold til ækvatorialakserne,
Centrum af gyroskopets ophæng er det punkt, der forbliver det eneste stationære under alle rotationsbevægelser af rotoren. Hvis gyroskopets massecenter falder sammen med kardanets centrum, så kaldes gyroskopet astatisk, eller afbalanceret, hvis det ikke er sammenfaldende - tung.
Et frit gyroskop er et gyroskop, der ikke er påvirket af øjeblikke af ydre kræfter. Inden for teknologi forstås et frit gyroskop ofte som et astatisk gyroskop med ekstremt små momenter af friktionskræfter på ophænget.
1.1.2. Suspensioner brugt i gyroskoper
Graden af perfektion af et gyroskop bygget på basis af en solid rotor afhænger i høj grad af kvaliteten af dets ophæng. Gennem ophænget er gyroskoprotoren forbundet med basen (genstand, platform), hvorpå den er installeret. Gyroskopophænget anses for at være bedre, jo mindre vinkelbevægelser af basen overføres til rotoren.
Alle gyroskoper (gyroskopisk følsomme elementer) kan opdeles i to klasser afhængigt af, hvad der er formålet med ophænget:
et kammer (skal) indeholdende en hurtigt roterende rotor (eller system af rotorer). I denne klasse af gyroskoper anvendes kardan, hydrostatisk (i kombination med en elektromagnetisk eller elastisk suspension) samt gas-statisk suspension;
selve den hurtigt roterende rotor. Denne klasse af gyroskoper bruger suspensioner - elektrostatiske, hydrodynamiske, elektromagnetiske, kryogene, gasdynamiske og også elastiske roterende.
I de gyroskoper, der anvender et elektrostatisk eller elektromagnetisk felt eller væske- eller gastrykkræfter til suspension, har selve rotoren eller kammeret, der indeholder rotoren, sædvanligvis en sfærisk form. Denne form er den mest bekvemme ud fra et synspunkt om at sikre symmetrien af de nuværende støttekræfter.
Hvis de grundlæggende nødvendige komponenter i et gyroskop er en rotor og en suspension, skal et gyroskop beregnet til brug i en gyroskopisk enhed have: en rotor (kammer med en rotor), et drev (for at give rotoren sin egen rotationsbevægelse), og i nogle tilfælde en vinkelsensor (til sporing bag gyroskopets vinkelposition) og en momentsensor til at påføre kontrol- og korrigerende drejningsmomenter.
Forord
Introduktion
Kapitel I. Fundamentals of Rigid Body Dynamics
§ 1. Eulervinkler. Gensalgsvinkler
§ 2. Vinkelhastighed
§ 3. Lineære hastigheder stive kropspunkter
§ 4. Kinetisk energi af et fast legeme
§ 5. Momentum af et stift legeme
§ 6. Lov om momenter. Résals sætning
§ 7. Euler differentialligninger for rotation af et stift legeme
§ 8. Momentligninger i bevægelige akser, der ikke er forbundet med kroppen. Generalisering af Eulers ligninger
§ 9. Differentialligninger for bevægelse af et frit stivt legeme
§ 10. Differentialligninger for bevægelse af inerticentret i bevægelige akser, forbundet eller ikke relateret til fast krop
§ 11. Lagrangiske differentialligninger for bevægelse i generaliserede koordinater
Kapitel II. Tilnærmet elementær teori om et hurtigt roterende symmetrisk gyroskop
§ 12. Symmetrisk gyroskop. Kinetisk moment af et hurtigt roterende gyroskop
§ 13. Præcessionsregel
§ 14. Precession af gyroskopaksen forårsaget af en kontinuerligt virkende kraft
Kapitel III. Gyroskopisk øjeblik
§ 15. Hovedvektoren for et stift legemes inertikræfter.
§ 16. Gyroskopisk moment ved regelmæssig præcession af et symmetrisk gyroskop. Foucaults styre
§ 17. Ydre kraft påført det foranstillede gyroskop. Regelmæssig præcession af et symmetrisk gyroskop ved inerti
§ 18. Regelmæssig præcession af et symmetrisk gyroskop under påvirkning af tyngdekraften. Langsom og hurtig præcession
§ 19. Mølleløbere
§ 20. Ubalanceret rotor
§ 21. Gyroskopisk moment i det almindelige tilfælde af bevægelse af et symmetrisk gyroskop
§ 22. Der er tale om et hurtigt roterende gyroskop
§ 23. Skibsturbine
Kapitel IV. Differentialligninger for rotation af et symmetrisk gyroskop
§ 24. Differentialligninger for rotation af et symmetrisk gyroskop med tre frihedsgrader
§ 25 Tilfældet med et hurtigt roterende gyroskop
§ 26. Stabilitet af aksen af et hurtigt roterende astatisk gyroskop med tre frihedsgrader
§ 27. Tab af stabilitet af aksen af et hurtigt roterende astatisk gyroskop, når antallet af dets frihedsgrader er begrænset
§ 28. Pseudo-regulær præcession under indflydelse konstant drejningsmoment. Pseudoregulær præcession på grund af tyngdekraften
Kapitel V. Bevægelse af et symmetrisk gyroskop under påvirkning af tyngdekraften (Lagrange tilfælde)
§ 29. Problemets differentialligninger
§ 30. Differentialligning, der bestemmer nutationsvinklen
§ 31. Grænser for ændring af nutationsvinklen
§ 32. Bestemmelse af nutationsvinklen som funktion af tiden
§ 33. Der er tale om et hurtigt roterende gyroskop. Pseudoregulær præcession
§ 34. Friktionens indflydelse på gyroskopets akser
§ 35. Stabilitet af den lodrette position af gyroskopaksen
Kapitel VI. Bevægelse af gyroskopet i en kardan
§ 36. Gyroskop i kardanophæng
§ 37. Vinkelhastigheder af rotoren og kardanringene
§ 38. Kinetiske momenter af rotoren og kardanringene
§ 39. Differentialligninger for bevægelse af et gyroskop i en kardan
§ 40. Der er tale om et hurtigt roterende gyroskop
Kapitel VII. Gyroskopisk kompas
§ 41. Komponenter i jordens rotation
§ 42. Foucaults oprindelige idé
§ 43. Sperry gyrokompas med pendul
§ 44. Udæmpede svingninger af gyrokompasaksen omkring dens ligevægtsposition i meridianplanet Ligninger for den første tilnærmelse
§ 45. Dæmpning af svingninger af et gyrokompas akse med et pendul
§ 46. Sperry gyrokompas med kviksølvkar
§ 47. Små svingninger af et gyrokompas med kviksølvkar
§ 48. Bevægelsesligninger af et gyrokompas med kviksølvbeholdere, under hensyntagen til bevægelsen af apparatets base
§ 49. Gyrokompassets kursafvigelse
§ 50. Gyrokompassets ballistiske afvigelser
Kapitel VIII. Fleksibel skaftteori under hensyntagen til den gyroskopiske effekt
§ 51. Problemformulering
§ 52. Diskkoordinater
§ 53. Skivens vinkelhastighed
§ 54. Differentialligninger for diskens bevægelse
§ 55. Statisk opgave
§ 56 Endelig form differentialligninger bevægelse
§ 57. Naturlige vibrationer. Naturlige frekvenser
§ 58. Forcerede vibrationer
§ 59. Kritiske hastigheder af den fleksible aksel
§ 60. Kritiske rotationstal svarende til "omvendt" præcession
Bogen er tænkt som undervisningshjælp for studerende på højere teknisk uddannelsesinstitutioner, med speciale inden for gyroskopisk instrumentering. Den skitserer de anvendte principper, der bruges i stabiliserings- og kontrolsystemer til objekter i bevægelse, såvel som principperne for enheden, designfunktioner, metodiske og nogle instrumentelle fejl for gyroskopiske enheder med en rotor.
Der lægges stor vægt på at forklare den fysiske essens af gyroskopiske fænomener. For en bedre forståelse af de teoretiske principper er bogen udstyret med stort beløb eksempler, der fremmer selvstudie fag, især af studerende på korrespondance- og aftenfakultetet.
Bogen kan være nyttig for videnskabelige og tekniske arbejdere, der er involveret i design, beregning og forskning af enheder.
Indholdsfortegnelse
Forord
Introduktion
§ 1. Navigationens hovedopgave
§ 2. Magnetnålens og pendulets reaktion på ydre forstyrrelser
§ 3. Egenskaber ved hurtigt roterende kroppe
Kapitel I Fysisk natur
§ 4. Rotationsacceleration
§ 5. Den kraft, der kræves for at bibringe et legeme rotationsacceleration
§ 6. Gyroskopisk reaktionsmoment
§ 7. Bestemmelse af tidspunktet for gyroskopisk reaktion i det almindelige tilfælde
§ 8. Præcessionslov
Kapitel II Bevægelsesligninger og deres analyse
§ 9. Grundlæggende kinematisk diagram af gyroskopophæng
§ 10. Bevægelsesligninger for et gyroskopisk system
§ 11. Forenkling af bevægelsesligningerne for et gyroskopisk system
§ 12. Undersøgelse i den første tilnærmelse af rotorens bevægelsesligning omkring gyroskopets hovedakse
§ 13. Linearisering af systemet af bevægelsesligninger for et gyroskop
§ 14. Bevægelse af et gyroskop under påvirkning af et øjeblik med øjeblikkelige ydre kræfter (første tilnærmelse)
§ 15. Bevægelse af et gyroskop under påvirkning af et konstant ydre kraftmoment (første tilnærmelse)
§ 16. Gyroskopstangens bane
§ 17. Gyroskopets bevægelse under påvirkning af det ydre kraftmoment, der ændres i henhold til den harmoniske lov
§ 18. Virkning af et ydre kraftmoment på et gyroskop med to frihedsgrader
Kapitel III Præcisering af resultaterne af en undersøgelse af et gyroskops bevægelse i en kardan
§ 19. Ændring i momentet af ydre kræfter, der virker på gyroskopet i forhold til dets hovedakse ved en konstant rotorhastighed
§ 20. Systematisk drift, der opstår under gyroskopets ernæringssvingninger
§ 21. Fysiske årsager, hvilket forårsager systematisk drift af gyroskopet som et resultat af dets ernæringssvingninger
§ 22. Systematisk drift af et gyroskop frembragt af dets svingninger
§ 23. Bevægelse af et gyroskop i en kardan, indtil dets rotor når en konstant vinkelhastighed af sin egen rotation
Kapitel IV Bevægelsesligninger for et gyroskop i et bevægeligt koordinatsystem og deres analyse
§ 24. Opstilling af bevægelsesligninger for et gyroskop i et bevægeligt koordinatsystem
§ 25. Forenklede bevægelsesligninger for et gyroskop i et bevægeligt koordinatsystem
§ 26. Undersøgelse i den første tilnærmelse af et gyroskops bevægelse i et bevægeligt koordinatsystem
§ 27. Bevægelse af et gyroskop i en kardan, hvis basis er fastgjort ubevægeligt på jordens overflade i forhold til horisonten og meridianplanerne.
§ 28. Afvigelse fra jordreferencer for et gyroskop i en kardan, hvis basis er ubevægelig på jordens overflade, og ophængsakserne indtager en vilkårlig position
§ 29. Bevægelse i forhold til jordiske referencepunkter for et gyroskop i en kardan, når dets base bevæges nær jordens overflade langs en rombe.
§ 30. Bevægelse i forhold til jordiske referencepunkter for et gyroskop i en kardan, når dets base bevæges nær jordens overflade langs en ortodrom
§ 31. Systematisk drift af gyroskopet forårsaget af rotation af apparatets bund
§ 32. Indflydelsen af rotation af enhedens base på arten af bevægelsen af et gyroskop med to frihedsgrader
Kapitel V Indflydelsen af friktionskræfter i kardanstøtterne på gyroskopets bevægelse
§ 33. Friktionskræfter og karakteristika ved de momenter, de skaber
§ 34. Hovedkravet til momenterne af friktionskræfter i understøtningerne af gyroskopiske anordninger
§ 35. Viskøse friktionskræfters indflydelse på gyroskopets bevægelse
§ 36. Indflydelsen af tørre friktionskræfter på arten af gyroskopets bevægelse
§ 37. Indflydelsen af momenterne af tørfriktionskræfter i ophænget understøtter arten af gyroskopets bevægelse, når harmoniske vibrationer dets grundlag
§ 38. Indvirkningen af tørre friktionskræfter på et gyroskop med tilfældige vibrationer af dets base
Kapitel VI Astatisk gyroskop
§ 39. Anvendelse af et astatisk gyroskop i styresystemer til bevægelige genstande
§ 40. Gyroskopiske anordninger lodret og horisontalt
§ 41. Astatiske gyroskoper til måling af genstandes afvigelsesvinkler fra en given bevægelsesretning
§ 42. Faktorer, der forårsager fejl ved måling af en genstands rotationsvinkler med et astatisk gyroskop
§ 43. Kardanfejl af astatiske gyroskoper
§ 44. Undersøgelse af kardanfejl ved astatiske gyroskoper
§ 45. Installation af et astatisk gyroskop efter jordiske pejlemærker
§ 46. Bevægelsesbaner for gyroskopstangen til den korrigerede position
§ 47. Nøjagtighed af opretholdelse af en given position i rummet med et astatisk gyroskop
Kapitel VII Retningsgyroskop
§ 48. Princippet om retningsgyroskopet
§ 49. Analyse af virkemåden af det enkleste retningsgyroskop
§ 50. Nivellering af retningsgyroskopets hovedakse
§ 51. Bevægelse af et retningsgyroskop med inter-frame nivellering, når dets base er stationært på jordens overflade
§ 52. Bevægelsesligninger for et retningsgyroskop installeret på et objekt, der bevæger sig langs en rhoxodrom, og deres analyse
§ 53. Bevægelse af et retningsgyroskop med en pendulnivelleringsanordning
§ 54. Retningsgyroskop med regneanordning
§ 55. Brug af et retningsgyroskop til at flytte en genstand langs en ortodrom
§ 56. Fejl i retningsgyroskopet forårsaget af nivelleringsanordningen. Bicardan gyroskop ophæng
Kapitel VIII Gyromagnetisk kompas
§ 57. Funktionsprincippet for det gyromagnetiske kompas
§ 58. Bevægelsesligninger for et gyromagnetisk kompas
§ 59. Bevægelse af et gyromagnetisk kompas med proportional korrektion under dæmpede svingninger af magnetnålen
§ 60. Bevægelse af et gyromagnetisk kompas udstyret med en korrektionsanordning med en proportional karakteristik, når tvungne vibrationer magnetisk nål
§ 61. Selvsvingninger af et gyromagnetisk kompas med en relækorrektionskarakteristik
Kapitel IX Gyroskopisk kompas
§ 62. Foucaults gyrokompas
§ 63. Praktisk brug af Foucault-gyrokompasset
§ 64. Gyrokompas til fast base
§ 65. Nautisk gyrokompas
§ 66. Gyrokompassets udæmpede svingninger
§ 67. Forskning kontinuerlige svingninger gyrokompas i den anden tilnærmelse
§ 68. Dæmpede svingninger gyrokompas
§ 69. Betjening af et gyrokompas på en genstand i bevægelse. Hastighedsafvigelse
§ 70. Indflydelsen af accelerationer af et bevægeligt objekt på et gyrokompas' funktion
§ 71. Betingelse for aperiodisk overgang af gyrokompasset til en ny ligevægtsposition
§ 72. Dual-mode gyrokompasser
Kapitel X Gyrovertical
§ 73. Den enkleste ordning pendul gyrovertical
§ 74. Hastighedsafvigelse af et pendulgyrostik. Betingelsen for dens ikke-forstyrrelse
§ 75. At berolige svingningerne i en pendulgyrovertical
§ 76. Gyrohorisonter
§ 77. Hovedtyperne af kredsløbsdiagrammer til korrektion af gyrohorisonter
§ 78. Korrektionskarakteristikkens indflydelse på gyrohorisontens bevægelse til ligevægtspositionen
§ 79. Periodiske forstyrrelsers indflydelse på gyrohorisontens bevægelse
§ 80. Sammenlignende vurdering hovedtyper af karakteristika for korrektionssystemer til gyroskopiske enheder
§ 81. Gyrohorisontens bevægelse, når dens tyngdepunkt er forskudt i forhold til ophængningspunktet
§ 82. Gyrohorisontens afvigelse, når objektet drejer
§ 83. Kompensation for påvirkning af objektaccelerationer på gyrostikken
§ 84. Inerti gyrovertical
Kapitel XI Gyroskopiske instrumenter til måling af vinkelhastigheder og accelerationer
§ 85. Hovedtyper af gyrotachometre
§ 86. Gyrotakometre med tre frihedsgrader
§ 87. Gyrotakometre med to frihedsgrader
§ 88. Varianter af gyrotachometre med to frihedsgrader
§ 89. Opførsel af et gyrotachometer med to frihedsgrader under objektsvingninger
§ 90. Vibrationsgyrotachometer
§ 91. Gyroskopiske instrumenter til måling af vinkelhastigheder og accelerationer
Kapitel XII Gyroskopiske rammer
§ 92. Princippet om konstruktion af gyroskopiske lastrammer
§ 93. Opførsel af en gyroskopisk ramme på et bevægeligt underlag
§ 94. Varianter af gyroskopiske rammer
§ 95. Kompensation for påvirkning af rotation af bunden af den gyroskopiske ramme omkring dens præcessionsakse
§ 96. Stabilitet af den gyroskopiske ramme
§ 97. Dæmpning af naturlige vibrationer af den gyroskopiske ramme ved den modelektromotoriske kraft af stabiliseringsmotoren
§ 98. Nøjagtighed af stabilisering af den gyroskopiske ramme
§ 99. Påvirkningen af friktionskræfter i den gyroskopiske rammes ophængsunderstøtninger på stabiliseringsnøjagtigheden
Kapitel XIII Gyroskopiske anordninger i automatiske kontrol-, stabiliserings- og kontrolsystemer
§ 100. Anvendelse af gyroskopiske anordninger i automatiske systemer til stabilisering og kontrol af bevægelige genstande
§ 101. Strukturordning Og overførselsfunktioner gyroskopiske anordninger, der mangler selektivitet
§ 102. Strukturdiagram og overførselsfunktioner af korrigerede gyroskopiske anordninger
§ 103. Differentierende gyroskoper
§ 104. Integrering af gyroskoper
§ 105. Integrationsgyroskop og gyroskopisk relæ
§ 106. Muligheder for at anvende gyroskoper til at bestemme en genstands placering
§ 107. Gyroskopiske optageapparater
Litteratur
Hovedelementet i enhver gyroskopisk enhed er gyroskopet. Ordet gyroskop græsk oprindelse: gyros - rotation, skopein - observere. Begrebet gyroskop blev introduceret af den franske videnskabsmand L. Foucault, som i teknologien er et gyroskop et hurtigt roterende symmetrisk legeme (rotor) installeret i en speciel ophæng. Luftfartsinstrumenter bruger normalt kardan. Grundlaget for luftfartsgyroskopiske enheder er tre-graders og to-graders gyroskoper.
Tre-graders gyroskop (Figur 3.1). Den består af en rotor 1 , internt 2 og udendørs 3 vædder. Gyroskop rotor 1 roterer i understøtninger omkring en akse OZ ind den indvendige ramme kan sammen med rotoren dreje rundt om en akse O Hv, og den ydre ramme har rotationsfrihed omkring sin akse 0 Un i forhold til en fast base. Gyroskoprotoren har således tre frihedsgrader, da den kan rotere omkring tre akser i systemet Om HvUn Z i, krydser hinanden på et tidspunkt OM. Sådan et gyroskop kaldes et tre-graders gyroskop. Hvis gyroskopets tyngdepunkt falder sammen med punktet O, så kaldes det astatisk.
Figur 3.1. Gyroskop med tre frihedsgrader.
1-rotor, 2-akslet selvrotation, 3-indvendig kardanramme, 4-ydre kardanramme, 5-indvendig kardanakse, 6-ekstern kardanakse.
Et gyroskop med en hurtigt roterende rotor har en række egenskaber, der gør det meget brugt i flyinstrumenter. De vigtigste egenskaber ved et tre-graders gyroskop er evnen til at opretholde en konstant position af rotorrotationsaksen i verdensrummet, immunitet over for stød og stød (stabilitet) og evnen til at udføre præcessionel bevægelse.
Lad os overveje de visuelle manifestationer af egenskaberne af et tre-power gyroskop under et laboratorieeksperiment. Lad os rette aksen af den hurtigt roterende gyroskoprotor til et bestemt punkt i rummet. Forpligtende oscillerende bevægelser baser i forskellige planer, finder vi, at rotoraksen fastholder den retning, den er givet. Når vi rammer en hvilken som helst gyroskopramme med en hammer med en gummispids, bemærker vi svage vibrationer af rotoraksen, som hurtigt falmer. Rotoraksens position i rummet ændres praktisk talt ikke. Ved at trykke på den indre ramme (skabe et øjeblik af ydre kræfter i forhold til aksen O Hv), finder vi, at gyroskopet roterer rundt om aksen 0 Un den ydre ramme, mens den indre ramme forbliver stationær. Gyroskopet roterer således ikke i retning af den ydre kraft, men i et plan vinkelret på retningen af denne kraft. Denne bevægelse af gyroskopet under påvirkning af et øjebliks ydre kraft kaldes præcession.
Fænomenet med modstand af et hurtigt roterende legeme mod forsøg på at ændre dets position i rummet kaldes den gyroskopiske effekt. For at forklare essensen af den gyroskopiske effekt, overvej et tre-graders gyroskop, betinget frigjort fra kardanrammerne (fig. 3.2).
Lad os først antage, at gyroskopet ikke roterer og gælder på et tidspunkt EN ydre kraft. Under påvirkning af kraft vil gyroskopet begynde at rotere omkring den vandrette akse 0x århundrede En anden vil være resultatet af kraften , hvis gyroskoprotoren får en stor vinkelhastighed Ω . I dette tilfælde vil gyroskoprotoren have et kinetisk moment, hvor J- rotorens inertimoment i forhold til aksen OZ ind. Lad os betegne enden af vinkelmomentvektoren brev I. Hovedmomentet af den ydre kraft, der påføres gyroskopet, falder sammen med aksens retning O Hv. I overensstemmelse med Résals sætning, hastigheden v slutningen af vinkelmomentvektoren (dvs. point I) geometrisk lig med hovedmomentet for ydre kræfter . Derfor hastigheden v rettet parallelt med aksen O Hv og lige store . Når en kraft virker på et roterende gyroskop, bevæger gyroskopet sig således ikke i retning af kraften F B , hvilket er tilfældet i tilfælde af en ikke-roterende rotor, men vinkelret på kraftens retning , altså i forhold til aksen 0 Un. Denne bevægelse er den præcessionelle bevægelse af gyroskopet. Det faktum, at gyroskopet under påvirkning af et øjeblik ikke roterer i forhold til aksen Åh Hv, siger, at udover øjeblikket virker et andet øjeblik på det, lig med øjeblikket og modsat rettet.
Ris. 3.2. Diagram over virkningen af kræfter og momenter under gyroskoprotation
KRAV TIL DESIGN AF GYROSKOPISKE ANORDNINGER
Som vist i forrige afsnit skal gyroskopet have. Højest mulige kinetiske moment. Gyroskopets kinetiske moment er produktet af rotorens inertimoment i forhold til rotationsaksen Iz til vinkelomdrejningshastighed H=I zΩ . Derfor er det muligt at øge det kinetiske moment ved at øge inertimomentet. Siden inertimomentet af et omdrejningslegeme er udtrykt i formen
(3.1)
Hvor T- kropsmasse; R- radius, er det fordelagtigt at placere rotorens masse så langt som muligt fra rotationsaksen. I denne henseende har gyromotorernes rotorer konfigurationen som vist i fig. 3.3. Rotoren af gyromotoren 1 er også ankeret af en AC asynkron motor; Ankeret har et egernhjul. Statoren af en sådan motor er den interne vikling 2 .
Fig. 3.3 Tværsnit af en gyromotor: 1-rotor, 2-stator.
Rotordesignet er valgt hovedsageligt af hensyn til det maksimale inertimoment og fraværet af rotordeformationer fra virkningen af centrifugalkræfter, der opstår, når rotoren roterer.
Luftfartsgyromotorer drives af trefaset spænding U= 36 V med frekvens f= 400 Hz. Da de er asynkrone motorer med glidende, rotorhastigheden af gyromotorerne n = 22000 ÷23000 rpm. Der er gyromotorer, der har væsentligt højere vinkelhastigheder, men på grund af det faktum, at levetiden for lejerne på sådanne gyromotorer er omvendt proportional med rotorens vinkelhastighed, i civil luftfart de bliver ikke brugt.
Fig 3.4 roterende lejer:
1- aksel, 2- inderring, 3- stationær ring 
Figur 3.5 elektromekanisk diagram af en gyroskopisk suspension
1 - indre ring, 2, 4 - mellemringe, 4 - ydre ring, D1, D2 - motorer
Da et gyroskops evne til nøjagtigt at opretholde positionen af dets hovedakse i rummet afhænger af størrelsen af de momenter, der virker langs akserne af dets kardanophæng, forsøger de, når de designer gyroskoper, at reducere disse momenter til et minimum.
Højpræcisionsrullelejer med lave friktionsmomenter bruges som understøtninger til gyroskopets kardanophængs akser.
Til særligt præcise instrumenter, såsom gyroskoper til valutakurssystemer, anvendes såkaldte roterende lejer med to rækker kugler, og den indre ring 2 (fig. 3.4) udfører tvungen rotation i forhold til akse 1 og den stationære ring 3 .
Den grundlæggende mulighed for at reducere indflydelsen af friktion i sådanne enheder blev påpeget af N. E. Zhukovsky. Idé N. E. Zhukovsky koges ned til følgende: hvis der er 100 strakte tråde, som en genstand, for eksempel en blyant, ligger på, så vil blyanten ved at flytte alle trådene til højre blive båret væk af dem på grund af friktion, også til det rigtige. Hvis du flytter trådene til venstre, flyttes blyanten til venstre. Ved at tvinge hver lige tråd til at bevæge sig til højre, og den ulige tråd til venstre, vil vi have blyanten ubevægelig. Dette er naturligvis forudsat, at hver tråd modtager den samme andel af blyantens masse og friktionskoefficienten for blyantens kontaktflader - tråden er den samme overalt. I dette eksempel forsvinder friktionen ikke, den ophæver kun.
I fig. Figur 3.5 viser designet af den indvendige ramme af ophængskardaniet (gyroenhed). Som det kan ses af figuren, kan de indvendige ringe 2 og 4 i venstre og højre lejer roteres af motorerne D1 og D2. Desuden roterer ringene med de samme vinkelhastigheder, men i modsatte retninger. De friktionskræfter, der opstår i dette tilfælde, virker på gyroskopets indre akse ved hjælp af momenter, hvis retninger er modsatte, så de total værdi viser sig at være tæt på nul, og skadelige virkninger friktionsmomenter svækkes. Hvis selv den samlede værdi af friktionsmomenterne får gyroskopet til at præcessere ved en vis lav hastighed, kan du ved periodisk at ændre motorernes rotationsretning (ved hjælp af kontakt B med en speciel knast) ændre dennes virkningsretning moment, og derfor retningen af præcession, som i sidste ende reducerer præcessionsgyroskop fra friktionsmomenter i kardanophængets akser.Ved brug af dette skema er det muligt at reducere gyroskopets egne "afgange" flere gange sammenlignet med konventionelle rullelejer.
Fig. 3.6 tyngdekraftens indvirkning på gyroskopet.
Der er gyroskoper med aerodynamiske lejer langs kardanakserne. Et sådant leje består af en bøsning og en aksel, mellem hvilke der er en luftspalte, og akslen ser ud til at "svæve" i luften. Sådanne lejer har også meget lave friktionsmomenter, men af en række årsager bruges de endnu ikke i civil luftfart.
Gyroskopet skal være omhyggeligt afbalanceret, det vil sige, at gyromotorens massecenter skal falde sammen med skæringspunktet for kardanakserne. Ellers, som vist i fig. 3.6, påvirkes gyroskopet af momenter fra tyngdeaccelerationen.
Det skal bemærkes, at når man betjener fly gyroskopiske anordninger, er det nødvendigt strengt at følge reglerne for teknisk og flyvedrift, da nøjagtigheden af deres drift og holdbarhed afhænger af dette. Det skal også huskes, at gyroskopiske enheder er dyre enheder.
3.3. Gyroskopiske asynkronmotorer
Den gyroskopiske motor er designet til at accelerere svinghjulets masse over en vis periode til den nominelle rotationshastighed og for dens efterfølgende stabilisering med minimalt energiforbrug. I øjeblikket er elektriske gyroskopiske motorer og især asynkronmotorer meget udbredt.
Den asynkrone gyroskopiske motor (AGM) er strukturelt integreret i ét med svinghjulet (fig. 3.7). For at sikre det højeste kinetiske moment for givne dimensioner og vægt
H=JW, (3.2)
Hvor J- svinghjulets inertimoment i forhold til rotationsaksen; W- vinkelhastighed, de har en tendens til at placere den roterende masse på maksimal afstand fra rotationsaksen. Til dette formål anvendes et omvendt design af en asynkronmotor med en ekstern egern-burrotor 1 (fig. 3.7) og en intern fast stator 2. For at øge det kinetiske moment placeres den ydre rotor inde i en speciel bøsning 3, hvortil der er fastgjort dæksler 4, 5. Bøsningen er lavet af messing eller beryllium.
En stigning i kinetisk drejningsmoment for en given masse af den ydre rotor er også forbundet med en maksimal stigning i dens vinkelhastighed W(rotationshastighed n). Rotationshastigheden af moderne AGD'er ligger indeni n = 15000 ¸ 60000 rpm med antallet af polpar p = 1; 2. Nogle gange, for at øge AGD'ens rotationshastighed, drives den fra en autonom kilde med en øget frekvens f = 500 ¸ 2000 Hz. AGD'ens maksimale omdrejningshastighed er som regel begrænset af kvaliteten af kuglelejerne.
Momentum forhold N til massen af AGD kaldes kvalitetsfaktoren for den gyroskopiske motor. Dens stigning sikres ved en stigning i tætheden af materialet af de dele af strukturen, der roterer på stor afstand fra aksen og mindske den for alle andre elementer.
Der er ingen nyttelast på AGD-akslen. Den fungerer i tomgang og overvinder friktionsmomenterne af den ydre rotor imod gas miljø og friktion i lejer, ved nul effektivitet. Betinget effektivitet AGD anses for at være forholdet mellem effekten af mekaniske tab og det samlede strømforbrug, som karakteriserer perfektionen af en asynkronmotor i elektromagnetiske termer. Værdien af den konventionelle effektivitet afhængig af kraft, design og parametre for AGD ligger inden for h = 0,2 ¸ 0,9.
Ris. 3.7. Design af en asynkron gyroskopisk motor (AGM)
For at øge stabiliteten af rotationshastigheden, når den omgivende tæthed ændres i forbindelse med ændringer i flyvehøjden fly, vælges den nominelle slip for AGD inden for Sn = 0,015 ¸ 0,12. I nogle tilfælde, for at eliminere indflydelsen af flyvehøjde på driften af AGD, vil den blive placeret i et specielt gas- eller vakuumkammer. Reduktion af ventilationstab opnås i AGD ved at polere rotorens ydre overflade.
Forbedring af egenskaberne for AGD ved at øge rotorens masse fører på den anden side til en stigning i varigheden af opstartsprocessen, som spænder fra snesevis af sekunder til titusinder af minutter. For at sikre acceptable startegenskaber stræber de, når de designer AGD'er, efter at opnå et multiplum af startmomentet M p/Mn > 1,5, multiplum af det maksimale drejningsmoment (overbelastningskapacitet) M EM M/M n = 2 ¸ 5 og kritisk slip S cr= 0,3 ¸ 0,4. Det nominelle drejningsmoment for AGD forstås som det samlede drejningsmoment for dets tab i den nominelle tilstand.
Da AGD'en arbejder med en belastning svarende til ventilationsbelastningen, er der under opstartsprocessen et overskydende elektromagnetisk drejningsmoment DM EMændres ikke væsentligt (fig. 3.8). I dette tilfælde sker opsendelsen med næsten konstant acceleration. For at reducere opstartstiden bruges AGD opstart nogle gange kl øget spænding ernæring.
Fig.3.8. Mekaniske egenskaber ved AGD
Ønsket om at reducere det samlede tabsmoment så meget som muligt, dvs. størrelsen af den nominelle slip og den aktive komponent af statorstrømmen, bestemte det karakteristiske træk ved AGD - en relativt stor magnetiseringsstrøm, der nåede 60 - 90% af den nominelle værdi. Effektfaktoren er derefter cosj =0,4 + 0,8. Jo mindre AGD arbejder med mindre slip.
For at sikre maksimal nøjagtighed stilles der en række specifikke krav til AGD:
Mekanisk stabilitet af strukturelle elementer og deres forbindelser, dvs. strukturelle elementers evne til at opretholde konstante positioner af massecentrene i forskellige tilstande arbejde og under forskellige ydre påvirkninger;
Symmetri og stivhed af strukturen som helhed, forbundet med behovet for et symmetrisk arrangement (i forhold til de langsgående og tværgående symmetriakser) af de roterende og mest opvarmede strukturelle elementer med betydelig masse;
Minimum og konstant strømforbrug under drift, dvs. opvarmning af AGD og ujævn temperaturfordeling, som er forbundet med en reduktion i aerodynamiske tab (friktionstab af den eksterne rotor på luften), sikring af en konstant aksial belastning på lejerne og bevarelse af smøremidlet ved brug af lejer, deres samlinger og smøremidler af forbedret kvalitet.
Implementeringen af disse krav førte til oprettelsen af symmetriske AGD-strukturer bestående af et minimum antal elementer. For eksempel er de indre løbebaner af lejer (fig. 3.7) ofte lavet direkte på aksen, hvilket reducerer antallet af deleforbindelser og øger monteringsnøjagtigheden.
I modsætning til konventionelle asynkrone maskiner har AGD'er ikke aksialt spil i lejeenhederne. Den nødvendige strukturelle stivhed sikres af den foreløbige aksiale belastning af lejerne, som skal forblive uændret under drift.
Symmetrien og stivheden af AGD-strukturen opnås ved at bruge strukturelle materialer, der har samme ekspansionskoefficient. Eksempelvis er aksen, dækslerne, lejeringene og AGD-rotoren lavet af lejestål, og bøsningen er lavet af beryllium.
Disse egenskaber gælder også for synkrone gyroskopiske motorer (SGM), hvortil hysteresemotorer er meget brugt.
I gyroskoper af luftfartsanordninger installeret på civile luftfartsfly kombineres rotoren med den indre ramme i en enkelt strukturel enhed - gyroskopenheden. Gyroenheden består af et gyrokammer og en gyromotor placeret i gyrokammeret. Gyroskopet fungerer som gyroskopets indvendige ramme og har aksler til ophæng i understøtningerne af den ydre ramme. Gyromotorer er i de fleste tilfælde trefasede asynkrone motorer med en egern-bur ekstern rotor og en intern stator. GM-4P gyromotoren (fig. 3.9) består af en rotor, stator, kuglelejer og en aksel. Statoren har en jernpakke 2, snoet 1 og bøsninger 3 Og 12 stift monteret på aksen 5 . Statorviklingens udgangsledninger føres ud gennem den hule del af aksen 5 . Gyromotorrotoren består af en messingfælg 10, jernpakke 8 med kortsluttet vikling 16 og en massiv ring 14. Plastikpose 8 rotor og ring 14 pressemonteret i rotorfælgen. Flenger 6 Og 11 sat i fælgen 10 med interferenspasning og fastgjort til den med skruer. Kuglelejer indre løb 4 Og 13 monteret på flangetapper 6 Og 11 rotor med spænding. Lejekop 4 indsat i ærmet 3 med radial spillerum, og den ydre ring af lejet 13 - ind i ærmet 12 med interferenspasning I statorhuset under yderringen på et fritstående kugleleje 4 Der medfølger en fjederskive 7. Den tjener til at kompensere for temperaturændringer i gyromotorens lineære dimensioner. 9 Og 15 tjener til at etablere aksial spænding på kuglelejer. Enderne af gyromotoraksen er gevind. Når gyromotoren placeres i gyrokammeret, føres dens akse gennem hullerne i kroppen og gyrokammerdækslet. Efter at gyrokammerdækslet er fastgjort til dets krop, fastgøres gyromotoraksen til dem ved hjælp af møtrikker. Gyroenheder af samme type kan bruges i forskellige gyroskopiske enheder.Situationen er anderledes med udvendige rammer. Udformningen af de udvendige rammer bestemmes primært af typen af gyroenhed og er i hver konkret sag rent individuelt. Indrammet 1 til sæder langs aksen Åh n kuglelejernes ydre ringe er sikret (fig. 3.10) Akserne i gyroenhedens gyrokammer er fastgjort i kuglelejernes indvendige ringe. Akse 0ун akselaksler er fastgjort i rammen 2 Og 3, designet til at hænge rammer i gyroenhedens krop.
Ris. 3.9 Design af GM-4P gyromotoren
Ris. 3.10. Design af den ydre ramme af gyroanordningen
3.4 Typer af gyroskopophæng
Ved design af gyroanordninger lægges der stor vægt på valget af understøtninger, der giver rotationsfrihed og giver en tovejs holdeforbindelse mellem rotoren, kardanrammerne og apparatets krop. Gyroskopstøtterne er opdelt i hovedstøtter, som sikrer rotationsfrihed af rotoren, og kardanstøtter, som sikrer bevægelsesfrihed af rammerne omkring deres akser. Denne klassificering skyldes understøtningernes forskellige driftsbetingelser.Hovedstøtterne arbejder ved høje omdrejningshastigheder i lang tid, mens kardanstøtterne arbejder ved lave hastigheder og små rotationsvinkler. De vigtigste indikatorer for kvaliteten af understøtninger er: friktionsmoment M tr, aksialt og radialt spil, holdbarhed T r. Momentet af friktionskræfter i hovedstøtterne påvirker ikke gyroenhedens nøjagtighed, men det påvirker valget af gyromotorkraft og dens levetid. Friktionsmomentet i kardanstøtterne påvirker gyroanordningens nøjagtighed markant. I denne forbindelse udvikles særlige foranstaltninger for at reducere friktionen i kardanstøtterne.Slåg i de vigtigste kardanstøtter har også en negativ indvirkning på nøjagtigheden af gyroanordninger.
Kuglelejestøtter er mest udbredt i flygyroskoper. Aktuelt udviklede understøtninger af denne type gør det muligt at opnå tilstrækkelig nøjagtighed og pålidelighed af enhederne.
I tilfælde, hvor det er nødvendigt at forbedre enhedens nøjagtighed, anvendes visse designforanstaltninger. Især reduceres friktionsmomenterne langs de indre akser af kardanophænget af gyroenhederne i kurssystemer ved hjælp af specielle "roterende" lejer (fig. 3.11). Gyro node 3 tre graders gyroskop ophængt på en akse 4 i yderramme 7 ved brug af kombinerede dobbeltlejer. Mellem ringe 2 , 8 Lejerne i venstre og højre ende af gyroenhedens ophængningsakse drives til rotation i modsatte retninger (rotationsdrevet af de midterste ringe er ikke vist på figuren). Rotationsakser 5 , 9 yderramme fastgjort i lejer 1, 6, hvis ydre ringe er ubevægelige i forhold til basen.
Lad gyroskopets vinkelmomentum falde sammen med flyveretningen. Når flyet derefter roterer i forhold til den tværgående akse med vinkelhastigheden Ф, vil den ydre ramme af gyroskopet rotere sammen med bunden i forhold til den faste akse 4 gyroskopophæng med vinkelhastighed - .Akse 4 forbliver ubevægelig på grund af hovedegenskaben ved et tre-graders gyroskop - for at opretholde positionen af hovedaksen uændret i rummet.
Hvis friktionsmomenterne i understøtningerne er ens, er der ingen bevægelse af gyroskopet. I praksis er det dog ikke muligt at sikre ligestilling af momenter og bevægelse, men med en meget lavere hastighed end med ikke-roterende understøtninger. Reduktionen i systematisk vedligeholdelse lettes af indførelsen af periodisk vending af rotationen af de midterste ringe.
Ris. 3.11. Designdiagram af "roterende" lejer
Ved lige store og små rotationstider for de midterste lejeringe i forskellige retninger under vending, vil gyroskopet afvige fra gennemsnitspositionen med modsatte vinkler, hvorved der laves små svingninger i forhold til startpositionen af det kinetiske moments akse.
Ris. 3.12. Drev af rotation af midterste hjul på "roterende" lejer
Vende omdrejning af de midterste ringe af lejer i gyroenheder af styresystemer (fig. 3.12) udføres af kontakt B", styret af en speciel knast. Ud over "roterende" lejer kan andre designs bruges, der kan væsentligt reducere (eller praktisk talt eliminere) friktionen i gyroskopophænget ved at kompensere tyngdekraften af den ophængte del af gyroskopet med en anden modsat rettet kraft. Ophæng af denne type (fig. 3.13) omfatter: væske (fig. 3.13) EN), hydrostatisk ( b), magnetisk (V), elektrostatisk (G) og osv.
Af de anførte suspensionstyper er det i øjeblikket kun flydende suspension, der anvendes i gyroskopiske anordninger til luftfart (fig. 3.13, EN). Gyroskopet har en forseglet gyroskopenhed 1 ophængt i et forseglet hus 2 fyldt med væske. Væskens massefylde vælges således, at massen af væskevolumenet fortrængt af gyroenheden er lig med gyroenhedens masse. Dermed reduceres belastningen fra understøtningerne til næsten nul, hvilket sikrer meget små momenter af friktionskræfter i gyroskopophængets understøtninger.
Der findes også gyroanordninger baseret på et tre-graders gyroskop med ophæng af denne type.
I en hydrostatisk suspension indføres væske eller gas under tryk gennem smalle åbninger 1 ind i hullet 2 mellem den faste del af støtten 4 og gyroskop 3 (Fig. 3.13, b). Da mellemrummet mindskes på grund af belastning, fører faldet i væskeflowet til en stigning i det lokale tryk. Ophængningsparametrene er valgt på en sådan måde, at summen af de lokale trykkræfter afbalancerer kraften af vægten af gyroskopet med et mellemrum inden for hundrededele af en millimeter.
Magnetisk suspension af føleelementet bruges i kryogene gyroskoper. Den tekniske implementering af et sådant gyroskop er baseret på brugen af fænomenet superledning af nogle materialer, som opstår ved temperaturer tæt på absolut nul. Dette fænomen består af et kraftigt fald i materialets elektriske modstand. Når en kugle af superledende materiale placeres i et magnetfelt, hvis styrke ikke overstiger en vis kritisk værdi, induceres strømme på dens overflade, hvilket forhindrer feltet i at trænge ind i bolden. Som et resultat kan bolden hænge i et magnetfelt uden at have et mekanisk støttepunkt. Hvis der skabes et vakuum omkring bolden, så er alle modstandskræfter mod boldens rotation praktisk taget elimineret.
I et eksperimentelt kryogent gyroskop (fig. 3.13, V) enhedens krop er en kryogen installation 7 , indesluttet i et hus 8 (Dewar-kolbe). Den kryogene plante afkøles med flydende helium eller nitrogen og inde i et sfærisk hulrum 4 Temperaturen i enhedens krop holdes tæt på det absolutte nulpunkt. Strøm løber gennem spoleviklingerne 1 , skaber et centrerende magnetfelt 2. På overfladen af en hul tyndvægget kugle 3, lavet af et superledende metal såsom niobium, dannes der hvirvelstrømme, hvilket skaber et magnetfelt, der forhindrer gennemtrængning af centreringen magnetfelt til metal. Kræfterne af vekselvirkning mellem det centrerende magnetiske felt og feltet induceret i kuglens metal holder det suspenderet inde i det sfæriske hulrum af indretningens krop. Kugle 3 og en tung rand (5, placeret inde i kuglen, danner en gyroskoprotor, som drives i rotation med en høj vinkelhastighed Ω rundt om aksen z vinkelret på fælgens plan af elmotor 5. Der skabes et højt vakuum i mellemrummet mellem den sfæriske rotor og husets hulrum. Elektrisk motor 5 bruges kun til at accelerere rotoren. Efter at motoren er slukket, bevæger rotoren sig ved inerti i flere dage og endda måneder.
Ris. 3.13. Typer af gyroskopophæng
Gyroskoper med elektrostatisk ophæng (fig. 3.13, G) strukturelt ligner kryogene gyroskoper. Rotor 1 et sådant gyroskop er lavet af beryllium i form af en tynd hul kugle placeret i et sfærisk kammerhulrum 3 , lavet af speciel keramik, som er en isolator. På indre overflade kamre er placeret tre par kopformede elektroder 2 , drevet af vekselstrøm. Symmetriakserne for hvert par af sådanne elektroder er rettet i tre indbyrdes vinkelrette retninger, så det elektrostatiske felt, de skaber, holder centrum af den sfæriske rotor i midten OM kameraer. Rotoren drejes af det roterende magnetfelt, der skabes af statoren 4, bærer en elektrisk vikling. I kammerets hulrum 3 højvakuum opretholdes. Elektrisk spænding tilføres kun til statorviklingen i perioden med rotoracceleration. Efterfølgende roterer rotoren i lang tid ved inerti.
3.5 Kraftoverførselsenheder
Strømtransmissionsenheder tjener til at levere elektrisk energi fra eksterne kilder til elementer af gyroanordninger placeret på noder, der bevæger sig i forhold til hinanden. Ved hjælp af disse enheder laves en elektrisk forbindelse mellem elementer, der er placeret på apparatets krop og den ydre ramme af kardan eller på de ydre og indre rammer.
Energi overføres enklest gennem fleksible ledningsledere (Fig. 3.14), Fleksibel leder 3 Det er et bundt metalledere placeret i en isolerende fletning.
Ris. 3.14. Brug af en fleksibel leder til at overføre energi i et gyroskop
Enderne af kernerne er indlejret i en fælles spids, fastgjort til overgangskontakterne 4. Kontakter giver forbindelse mellem spidsen og den stive ledning 5 placeret på den tilsvarende del 1 affjedring. Kontakterne er monteret på blokken 2 , isolering af kontakterne fra delens metaloverflade.
I tilfælde, hvor vinklerne for gensidig rotation af delene af gyroenheden når betydelige værdier, bruges glidende kontakter til at overføre energi (fig. 3.15, EN). Børste 3 , gennem hvilken elektrisk strøm overføres, glider langs strømaftagerringen 2. Ringen er isoleret fra rammens akse 1 en gennemgående isoleringsmuffe med flanger, der beskytter børsten mod at falde af ringen. Hvis det ved samlingerne af ophængningsdele er nødvendigt at implementere flere transmissionslinjer isoleret fra hinanden elektrisk strøm, så er det nødvendige antal strømaftagerringe installeret langs ophængningsaksen.
En meget brugt type energioverførselsenheder er punktkontakter. De adskiller sig fra glidende kontakter i det I dette tilfælde kontaktpunktet ligger på omdrejningsaksen for strømforsyningselementerne. Hvert punktkontakt (fig. 3.15, b) består af en fast 3 og mobil 4 kontakter, der danner et kontaktpar. I det viste eksempel er de faste kontakter fastgjort til den ydre ramme 2 , og de bevægelige er på den indvendige rammes rotationsakse 1. Kontakter 3 Og 4 isoleret fra ophængets metaldele med elektrisk isoleringsmateriale 5 .
Fig. 3.15 kontaktanordninger brugt i gyroanordninger.
a-glidende, 2-sæt punktkontakter.
3.6 Korrigerende anordninger.
En af hovedegenskaberne ved et tre-graders-gyroskop er evnen til at opretholde uændret positionen af rotorrotationsaksen (gyroskopets hovedakse) i verdensrummet. Dog for at løse serien praktiske problemer det er nødvendigt, at gyroskopets hovedakse opretholder en konstant retning ikke i verdensrummet, men i forhold til et eller andet valgt koordinatsystem. For at bestemme rulle- og hældningsvinklerne for et fly ved hjælp af et tre-graders gyroskop er det således nødvendigt, at rotorrotationsaksen rettes lodret. Ved bestemmelse af flyafvigelser fra en given retning ved hjælp af et tre-graders gyroskop er det nødvendigt, at dets hovedakse opretholder en given retning i det vandrette plan. For at eliminere uønskede afvigelser af gyroskopets hovedakse fra den krævede retning eller for at kompensere for forskellige slags forstyrrende momenter, der forstyrrer den normale drift af den gyroskopiske enhed, anvendes korrigerende anordninger.
Korrigerende anordninger af gyroskopiske anordninger sikrer bevarelsen af den nødvendige position af gyroskopets hovedakse ved at anvende eksterne kontrolmomenter (korrigerende) på gyroskopet eller kompensere for gyroskopets afvigelser i aflæsningerne af gyroanordningen. Hovedelementerne i korrektionsanordninger er følsomme elementer og aktuatorer. Som følsomme elementer der vælges elementer, der er selektive i forhold til referenceretningen eller stabilt fastholder den retning, der gives dem. I luftfartsinstrumenter anvendes hovedsageligt gravitations-, magnetiske og himmellegemeorienterede følsomme elementer.
Referenceretningen for gravitationselementer er retningen af stedets lodrette, hvilket falder sammen med tyngdeaccelerationsretningen. Magnetiske sanseelementer reagerer på Jordens magnetfelt, så referenceretningen for dem er retningen af den magnetiske meridian. Følsomme elementer orienteret langs himmellegemerne giver en stabil retning til Solen, Månen, planeter eller stjerner. De udøvende organer for korrigerende enheder af flyinstrumenter er som regel tofasede "reversible asynkrone elektriske motorer, der fungerer i bremset tilstand, såvel som synkrone og potentiometriske sporingssystemer.
Blandt gravitationsfølsomme elementer er flydende pendul vertikale retningssensorer de mest udbredte. Der anvendes enkelt- og toaksede væskependulsensorer (pendulafbrydere).
En enkeltakset flydende pendulsensor (LPD) (fig. 3.16) er en glascylinder 1 med platinelektroder svejset ind i den 3, 5, 6. Cylinderen er fyldt med en ledende væske (elektrolyt) 2 så den resterende luft bobler 4 når sensoren er i vandret position, dækker den elektroderne ligeligt og cirka halvvejs 3 , 5. Det elektriske diagram over interaktionen mellem LMD og det udøvende organ (tofaset asynkronmotor) af korrektionssystemet er vist i fig. 15.13. Elektroder 3 Og 6 i beholder 5 er forbundet til motorstyringsviklingerne 2, Fælles punkt for kontrolviklinger 1 tilsluttet en af faserne i AC-strømforsyningen. Central kontakt 4 tilsluttet en anden fase.
Ris. 3.16. Enakset væskependulsensor
Ris. 3.17. Elektrisk diagram over et enkelt-akset korrektionssystem
Skemaer for korrektion af hovedaksen af et tre-graders gyroskop i det vandrette plan og i retning af den lodrette position er vist i fig. 3.18. I fig. 3.18, EN viser et diagram over den vandrette korrektion af hovedaksen
Ris. 3.18. Korrektion af hovedaksen i et tre-graders gyroskop:
EN– horisontal korrektionsordning; b– korrektionsskema i retning af den lodrette position
tre graders gyroskop ( 1 - flydende pendulsensor, 2 - korrektionsmotor). Når gyroskopets hovedakse, og derfor sensoren, er vandret, vil den elektriske modstand mellem den midterste elektrode 6 (se fig. 3.16) og hver af de ydre elektroder 3, 5 det samme, og strømme strømmer gennem korrektionsmotorens styreviklinger, lige store, men modsatte i retning. I dette tilfælde er motoren stationær og skaber ikke drejningsmoment. Når gyroskopets hovedakse afviger fra horisontplanet, bevæger luftboblen sig i forhold til elektroderne, og elektrolyttens kontaktflade med elektroderne ændres. Den elektriske modstand af kredsløbene mellem de centrale og ydre elektroder ændres. I dette tilfælde bliver modstanden af elektrodens kredsløb, hvis kontaktflade med væsken er mindre, større. Som et resultat vil strømme af forskellige værdier og retninger strømme gennem korrektionsmotorens kontrolviklinger. Motoren vil skabe et moment i forhold til den ydre rammes ophængningsakse, og gyroskopet vil begynde at præcessere ift.