Основи на приложната теория на жироскопа. Предпоставки на елементарната теория на жироскопите

Опитът показва, че прецесионното движение на жироскоп под действието на външни сили като цяло е по-сложно от описаното по-горе в рамките на елементарната теория. Ако дадете на жироскопа тласък, който променя ъгъла (вижте Фиг. 4.6), тогава прецесията ще престане да бъде равномерна (често се казва: регулярна), но ще бъде придружена от малки завъртания и тремори на горната част на жироскопа - нутации. За да ги опишем, е необходимо да се вземе предвид несъответствието на вектора на общия ъглов момент Л, моментната ъглова скорост на въртене и оста на симетрия на жироскопа.

Точната теория на жироскопа е извън обхвата на курса обща физика. От връзката следва, че краят на вектора Лдвижейки се в посока М, тоест перпендикулярно на вертикала и на оста на жироскопа. Това означава, че проекциите на вектора Лпо вертикалата и по оста на жироскопа остават постоянни. Друга константа е енергията

(4.14)

където - кинетична енергияжироскоп. Изразявайки и по отношение на ъглите на Ойлер и техните производни, можем да използваме Уравнения на Ойлер, описват аналитично движението на тялото.

Резултатът от такова описание е следният: векторът на ъгловия момент Лописва прецесионен конус, който е неподвижен в пространството, а оста на симетрия на жироскопа се движи около вектора Лпо повърхността на нутационния конус. Върхът на нутационния конус, както и върхът на прецесионния конус, се намират в точката, където е фиксиран жироскопът, а оста на нутационния конус съвпада по посока с Ли се движи с него. Ъгловата скорост на нутациите се определя от израза

(4.15)

където и са инерционните моменти на тялото на жироскопа около оста на симетрия и около оста, минаваща през опорната точка и перпендикулярна на оста на симетрия, е ъгловата скорост на въртене около оста на симетрия (срв. (3.64)) .

По този начин оста на жироскопа участва в две движения: нутация и прецесия. Траектории абсолютно движениевърховете на жироскопа са сложни линии, примери за които са показани на фиг. 4.7.

Ориз. 4.7.

Характерът на траекторията, по която се движи горната част на жироскопа, зависи от началните условия. В случая на фиг. 4.7a, жироскопът беше завъртян около оста на симетрия, монтиран на стойка под определен ъгъл спрямо вертикалата и внимателно освободен. В случая на фиг. 4.7b, той също получи известен тласък напред, а в случая на фиг. 4.7c - тласък назад по прецесията. Кривите на фиг. 4.7 са доста подобни на циклоидите, описани от точка на ръба на колело, търкалящо се по равнина без приплъзване или с приплъзване в една или друга посока. И само чрез информиране на жироскопа за първоначален тласък с добре дефинирана величина и посока е възможно да се постигне, че оста на жироскопа ще прецесира без нутации. Колкото по-бързо се върти жироскопът, толкова по-голяма е ъгловата скорост на нутациите и толкова по-малка е тяхната амплитуда. При много бързо въртене нутациите стават почти невидими за окото.

Може да изглежда странно: защо жироскопът, завъртян, поставен под ъгъл спрямо вертикалата и пуснат, не пада под действието на гравитацията, а се движи настрани? Къде кинетична енергияпрецесионно движение?

Отговори на тези въпроси могат да бъдат получени само в рамките на една точна теория на жироскопите. Всъщност жироскопът наистина започва да пада и прецесионното движение се появява като следствие от закона за запазване на ъгловия момент. Наистина, отклонението надолу на оста на жироскопа води до намаляване на проекцията на ъгловия момент във вертикалната посока. Това намаление трябва да бъде компенсирано от ъгловия момент, свързан с прецесионното движение на оста на жироскопа. ОТ енергийна точкаот гледна точка кинетичната енергия на прецесията се появява поради промяна в потенциалната енергия на жироскопите

Ако поради триене в опората нутациите изгасват по-бързо от въртенето на жироскопа около оста на симетрия (като правило се случва), тогава скоро след "старта" на жироскопа нутациите изчезват и чисти прецесията остава (фиг. 4.8). В този случай ъгълът на наклона на оста на жироскопа към вертикалата се оказва по-голям, отколкото в началото, т.е. потенциална енергияжироскопът намалява. По този начин оста на жироскопа трябва да бъде леко снижена, за да може да прецесира около вертикалната ос.

Ориз. 4.8.

Жироскопични сили.

Да се ​​обърнем към прост опит: вземете вала AB с колелото C, монтирано върху него (фиг. 4.9). Докато колелото не се върти, не е трудно да завъртите вала в пространството по произволен начин. Но ако колелото е неусукано, тогава се опитва да завърти вала, например, навътре хоризонтална равнинас малко ъглова скоростводят до интересен ефект: валът има тенденция да избяга от ръцете и да се завърти във вертикална равнина; той действа върху ръцете с определени сили и (фиг. 4.9). Необходимо е да се приложат осезаеми физически усилия, за да се поддържа валът с въртящо се колело в хоризонтална равнина.

Ние завъртаме жироскопа около него около неговата ос на симетрия до висока ъглова скорост (импулс Л) и започнете да въртите рамката с жироскопа, фиксиран в нея около вертикалната ос OO "с определена ъглова скорост, както е показано на фиг. 4.10. Ъглов момент Л, ще получи увеличение, което трябва да се осигури от момента на силите Мприложено към оста на жироскопа. Момент М, от своя страна, се създава от двойка сили, произтичащи от принудителното въртене на оста на жироскопа и действащи върху оста от страната на рамката. Според третия закон на Нютон оста действа върху рамката със сили (фиг. 4.10). Тези сили се наричат ​​жироскопични; те създават жироскопичен моментПоявата на жироскопични сили се нарича жироскопичен ефект. Това са тези жироскопични сили, които усещаме, когато се опитваме да завъртим оста на въртящо се колело (фиг. 4.9).

където е ъгловата скорост на принудителния завой (понякога казват: принудителна прецесия). От страната на оста противоположният момент действа върху лагерите

(4.)

Така валът на жироскопа, показан на фиг. 4.10 ще натисне нагоре в лагер B и ще упражни натиск върху дъното на лагер A.

Посока на жироскопичните силиможе лесно да се намери с помощта на правилото, формулирано от N.E. Жуковски: жироскопичните сили са склонни да комбинират ъгловия момент Лжироскоп с посоката на ъгловата скорост на принудителния завой. Това правило може ясно да се демонстрира с помощта на устройството, показано на фиг. 4.11.

1.1.1. Определение на термина "жироскоп"

В съответствие с текущото състояние и перспективите за развитие на жироскопичните технологии жироскопив широк смисъл се нарича устройство, съдържащо въртящ се или осцилиращ елемент и позволяващо на тази основа да се открие и измери въртенето в инерционното пространство на основата, върху която е инсталирано ТОВА устройство. Това определение съответства на самото значение на понятието жироскоп, въведено през 1852 г. от френския физик Л. Фуко (1819-1868), образувано от две гръцки думи; gyros - въртене и skopein - да виждам, наблюдавам, т.е. в свободен превод жироскопът е индикатор за въртене.

Като жироскоп могат да се използват въртящи се твърди, течни и газообразни тела, практически е доказана възможността за използване на жироскопичните свойства на частици - атомни ядра или електрони със спинови или орбитални моменти. На базата на оптични квантови генератори са създадени лазерни жироскопи.

Понастоящем обаче в техническите устройства, особено във флота, най-широко се използват жироскопи, които използват динамично симетричен бързо въртящ се твърдо(ротор), окачен по такъв начин, че оста на собственото си въртене може произволно да променя посоката си в пространството. Следователно основните части на жироскопа са роторът и неговото окачване.

Оста на въртене на ротора се нарича главна осжироскоп (фигурна ос). Всякакви две други оси, лежащи в равнината на собственото въртене на ротора и перпендикулярни една на друга и на главната ос, се наричат екваториален.

Концепцията за "високоскоростен ротор" означава, че ъгловата скорост на собственото въртене на ротора е много порядъци по-голяма от ъгловите скорости, които той може да има спрямо екваториалните оси,

Центърът на окачването на жироскопа е тази точка, която остава единствената фиксирана точка по време на всички въртеливи движения на ротора. Ако центърът на масата на жироскопа съвпада с центъра на окачването, тогава жироскопът се нарича астатичен, или балансиран, ако не съвпада - тежък.

Казва се, че жироскопът е свободен, ако върху него не действат никакви външни сили. В инженерството свободният жироскоп често се разбира като астатичен жироскоп с изключително малки моменти на сили на триене върху окачването.

1.1.2. Окачвания, използвани в жироскопи

Степента на съвършенство на жироскоп, изграден на базата на твърд ротор, до голяма степен зависи от качеството на неговото окачване. Чрез окачването роторът на жироскопа е свързан с основата (обект, платформа), върху която е монтиран. Счита се, че окачването на жироскопа е толкова по-добро, колкото по-малко ъгловите движения на основата се предават на ротора.

Всички жироскопи (жироскопични чувствителни елементи) могат да бъдат разделени на два класа в зависимост от това какъв е обектът на окачване:

камера (черупка), съдържаща бързо въртящ се ротор (или система от ротори). В този клас жироскопи се използват карданно, хидростатично (в комбинация с електромагнитно или еластично окачване), както и газостатично окачване;

бързо въртящия се ротор. В този клас жироскопи се използват окачвания - електростатични, хидродинамични, електромагнитни, криогенни, газодинамични, както и еластични въртящи се.

В тези жироскопи, които използват електростатично или електромагнитно поле или сили на налягане на течност или газ за окачване, самият ротор или камерата, съдържаща ротора, като правило има сферична форма. Тази форма е най-удобна от гледна точка на осигуряване на симетрията на действащите опорни сили.

Ако основните необходими компоненти на жироскопа са ротор и окачване, тогава жироскопът, предназначен за използване в жироскопично устройство, трябва да има: ротор (камера с ротор), задвижване (за да даде на ротора собствено въртеливо движение) , а в някои случаи сензор за ъгъл (за проследяване зад ъгловата позиция на жироскопа) и сензор за въртящ момент за наслагване на контролни и коригиращи моменти.

Книгата е предназначена като учебно помагало за студенти от висши технически образователни институцииспециализирана в областта на жироскопичните инструменти. Очертава приложните основи, използвани в системите за стабилизиране и управление на движещи се обекти, както и принципите на устройството, характеристики на дизайна, методологични и някои инструментални грешки на еднороторни жироскопични инструменти.
Обръща се голямо внимание на обяснението физическо лицежироскопични явления. За по-добро разбиране теоретични положениякнигата е предоставена голямо количествопримери за насърчаване самостоятелно проучванепредмет, особено студенти от задочни и вечерни факултети.
Книгата може да бъде полезна за научни и инженерни работници, занимаващи се с проектиране, изчисляване и изследване на устройства.

Съдържание
Предговор
Въведение
§ 1. Основната задача на навигацията
§ 2. Реакция на магнитна стрелка и махало на външни смущения
§ 3. Свойства на бързовъртящите се тела
Глава I Физическа природа
§ 4. Ротационно ускорение
§ 5. Силата, необходима за предаване на въртеливото ускорение на тялото
§ 6. Момент на жироскопична реакция
§ 7. Определяне на момента на жироскопична реакция в общия случай
§ 8. Закон за прецесията
Глава II Уравнения на движението и техния анализ
§ 9. Основна кинематична схема на окачването на жироскопа
§ 10. Уравнения на движение на жироскопична система
§ 11. Опростяване на уравненията за движение на жироскопична система
§ 12. Изследване в първото приближение на уравнението на движение на ротора около главната ос на жироскопа
§ 13. Линеаризация на системата от уравнения на движението на жироскопа
§ 14. Движение на жироскоп под въздействието на момент на мигновени външни сили върху него (първо приближение)
§ 15. Движение на жироскоп под действието на постоянен момент на външна сила (първо приближение)
§ 16. Траектория на полюса на жироскопа
§ 17. Движението на жироскоп под въздействието на момента на външна сила, променящ се по хармоничен закон
§ 18. Действието на момента на външна сила върху жироскоп с две степени на свобода
Глава III Уточняване на резултатите от изследването на движението на жироскоп в карданно окачване
§ 19. Промяна в момента на външните сили, действащи върху жироскопа спрямо главната му ос, при постоянна скорост на въртене на ротора
§ 20. Систематичен дрейф, произтичащ от нутационни колебания на жироскоп
Раздел 21. Физически причини, които определят систематичния дрейф на жироскопа в резултат на неговите нутационни трептения
§ 22. Систематичен дрейф на жироскоп, генериран от неговите трептения
§ 23. Движение на жироскоп в карданно окачване, докато роторът му достигне постоянна ъглова скорост на собственото си въртене
Глава IV Уравнения на движение на жироскоп в подвижна координатна система и техният анализ
§ 24. Съставяне на уравнения за движение на жироскоп в движеща се координатна система
§ 25. Опростени уравнения на движение на жироскоп в движеща се координатна система
§ 26. Изследване в първото приближение на движението на жироскоп в движеща се координатна система
§ 27. Движение на жироскоп в карданно окачване, чиято основа е фиксирана неподвижно върху земната повърхностспрямо равнините на хоризонта и меридианите
§ 28. Отклонение от земните ориентири на жироскоп в карданно окачване, чиято основа е неподвижна на земната повърхност, а осите на окачването заемат произволно положение
§29
Раздел 30
§ 31. Систематичен дрейф на жироскопа, дължащ се на въртенето на основата на устройството
§ 32. Влияние на въртенето на основата на устройството върху характера на движението на жироскоп с две степени на свобода
Глава V
§ 33. Сили на триене и характеристики на моментите, които създават
§ 34. Основното изискване за моментите на силите на триене в опорите на жироскопичните инструменти
§ 35. Влияние на силите на вискозно триене върху движението на жироскоп
§ 36. Влиянието на силите на сухо триене върху естеството на движението на жироскоп
§ 37. Влияние на моментите на силите на сухо триене в опорите на окачването върху характера на движението на жироскопа по време на хармонични колебания на основата му
§ 38. Влияние на силите на сухо триене върху жироскопа при случаенколебания на основата му
Глава VI Астатичен жироскоп
§ 39. Използване на астатичен жироскоп в системи за управление на движещи се обекти
§ 40. Жироскопични инструменти вертикален и хоризонтален
§ 41. Астатични жироскопи за измерване на ъглите на отклонение на обекти от дадена посока на движение
§ 42. Фактори, причиняващи грешки при измерване на ъглите на въртене на обект с астатичен жироскоп
§ 43. Карданни грешки на астатичните жироскопи
§ 44. Изследване на карданни грешки на астатични жироскопи
§ 45. Инсталиране на астатичен жироскоп по земни ориентири
§ 46. Траектории на движение на полюса на жироскопа до коригираната позиция
§ 47. Точност на поддържане на дадено положение в пространството чрез астатичен жироскоп
Глава VII Насочен жироскоп
§ 48. Принципът на устройството на насочващия жироскоп
§ 49. Анализ на работата на най-простия насочен жироскоп
§ 50. Нивелиране на главната ос на дирекционния жироскоп
§ 51
§ 52. Уравнения на движение на насочващ жироскоп, монтиран върху обект, движещ се по локсодрома, и техният анализ
§ 53. Движение на насочващ жироскоп с нивелир с махало
§ 54. Насочващ жироскоп с изчислително устройство
§ 55
§ 56. Грешки на жироскопа за посока, причинени от нивелира. Бикарданово окачване на жироскоп
Глава VIII Жиромагнитният компас
§ 57. Принципът на действие на жиромагнитния компас
§ 58. Уравнения на движение на жиромагнетичен компас
§ 59. Движение на жиромагнитен компас с пропорционална корекция с амортизирани трептения на магнитна стрелка
§ 60. Движението на жиромагнитен компас, оборудван с коригиращо устройство с пропорционална характеристика, когато принудителни вибрациимагнитна игла
§ 61. Самотрептения на жиромагнетичен компас с релейна характеристика на корекция
Глава IX Жироскопичен компас
§ 62. Жирокомпас на Фуко
§ 63. Практическа употребаЖирокомпас на Фуко
§ 64. Жирокомпас за неподвижна база
§ 65. Навигационен жирокомпас
§ 66. Непрекъснати трептения на жирокомпас
§ 67 Изследвания незатихващи трептенияжирокомпас във второ приближение
§ 68. гасени вибрациижирокомпас
§ 69. Работа на жирокомпас върху движещ се обект. Отклонение на скоростта
§ 70. Влияние на ускоренията на движещ се обект върху работата на жирокомпас
§ 71. Условието за апериодичен преход на жирокомпас към ново равновесно положение
§ 72. Двурежимни жирокомпаси
Глава X Гивертикал
§ 73. Най-простата схема на жировертикал на махало
§ 74. Високоскоростно отклонение на жировертикала на махалото. Състоянието на неговата невъзмутимост
§ 75. Успокояване на трептенията на вертикала на жироскопа на махалото
§ 76. Жирохоризонти
§ 77. Основни разновидности електрически схемикорекции на жирохоризонта
§ 78. Влияние на корекционната характеристика върху движението на жирохоризонта до равновесно положение
§ 79. Влияние на периодичните смущения върху движението на жирохоризонта
§ 80. Сравнителна оценка на основните типове характеристики на коригиращи системи за жироскопични инструменти
§ 81. Движение на жирохоризонта, когато неговият център на тежестта е изместен спрямо точката на окачване
§ 82. Отклонение на жирохоризонта при завъртане на обекта
§ 83. Компенсиране на влиянието на ускоренията на обекта върху вертикалния жироскоп
§ 84. Инерционен жироскоп вертикален
Глава XI Жироскопични инструменти за измерване на ъглови скорости и ускорения
§ 85. Основните видове жиротахометри
§ 86. Гиротахометри с три степени на свобода
§ 87. Гиротахометри с две степени на свобода
§ 88. Разновидности на жиротахометри с две степени на свобода
§ 89. Поведение на жиротахометър с две степени на свобода по време на вибрации на обекта
§ 90. Вибрационен жирооборотомер
§ 91. Жироскопични инструменти за измерване на ъглови скорости и ускорения
Глава XII Жироскопични рамки
§ 92. Принципът на устройството на жироскопичните силови рамки
§ 93. Поведение на жироскопична рамка върху подвижна основа
§ 94. Разновидности на жироскопични рамки
§ 95. Компенсация на влиянието на въртенето на основата на жироскопичната рамка около нейната ос на прецесия
§ 96. Стабилност на жироскопичната рамка
§ 97
§ 98. Точност на стабилизиране на жироскопичната рамка
§ 99. Влияние на силите на триене в опорите за окачване на жироскопична рамка върху точността на стабилизация
Глава XIII Жироскопични инструменти в системите за автоматично управление, стабилизация и управление
§ 100. Използването на жироскопични инструменти в автоматични системи за стабилизиране и управление на движещи се обекти
§ 101. Блокова схема и трансферни функциижироскопични инструменти, лишени от селективност
§ 102. Структурна схема и предавателни функции на коригирани жироскопични инструменти
§ 103. Диференциращи жироскопи
§ 104. Интегриращи жироскопи
§ 105. Интеграционен жироскоп и жироскопично реле
§ 106. Възможности за използване на жироскопи за определяне на местоположението на обект
§ 107. Жироскопични записващи устройства
Литература

жироскопсе нарича симетрично твърдо тяло, бързо въртящо се около оста на симетрия (собствено въртене). Тази ос може да променя ориентацията си в пространството. Примери за такива тела са връх с фиксирана точка O (фиг.4.1.a), жироскоп с две (фиг.4.1.b) и три (фиг.4.1.c) степени на свобода.

Поради редица специфични свойства, жироскопичните устройства намират широко приложение в инженерството. Тези свойства могат да бъдат напълно обяснени с помощта на елементарната (приблизителна) теория на жироскопите.

Нека хомогенно тяло прави бързо въртене наоколо собствена оссиметрия с ъглова скорост, а тази ос от своя страна се върти с ъглова скорост около фиксирана ос (виж фиг. 4.1.а). За абсолютната ъглова скорост е валидна формулата.

Нека свържем координатната система Оxyz с тялото така, че оста да съвпадне с оста на собственото му въртене; осите на тази система са главните инерционни оси на тялото.

Изразите за проекциите на ъгловия момент на тялото върху осите и имат формата

където са съответните аксиални инерционни моменти на тялото.

В общия случай посоките на векторите и не съвпадат. Ако обаче, тогава и може да се напише приблизително

. (4.2)

Равенството (4.2) изразява основното допускане на елементарната теория на жироскопите: ъгловият импулс на жироскопа е насочен по собствената му ос на симетрия.

За да изследваме движението на жироскоп (по-точно неговата ос), използваме теоремата за промяната на ъгловия момент (2.18) в интерпретацията на Resal: скоростта на края на вектора на ъгловия момент е равна на основният момент на външни сили по отношение на фиксирана точкаО, т.е.

Съотношението (4.3) позволява да се намери законът на движение на оста на жироскопа чрез даден момент на външни сили или чрез дадено движение на жироскопа да се определи моментът на силите, който причинява такова движение.

Нека разгледаме основните свойства на жироскоп с три степени на свобода, показан на фиг.4.1.c. Ако жироскопът е балансиран, то съгласно (4.3) . В този случай оста на жироскопа остава непроменена в посоката си в инерционната координатна система за всяко движение на основата на жироскопа. Отбелязаното свойство се оказва полезно при изграждането на жирохоризонтали и хоровертикали, както и указатели на посоката на условно неподвижни звезди.

Обърнете внимание, че ако изберем по специален начин, можем да постигнем, че жироскопът поддържа същата посока на оста си в неинерциална отправна система (например в отправна система, свързана със Земята). Последното свойство се използва при проектирането на жирокомпасите.

други важна собственостоказва се, че бързо въртящият се жироскоп е нечувствителен към действието на краткотрайни сили. Причината е само по време на действието на такива сили (всъщност, след краткотрайно действие на сили, оста на жироскопа извършва затихващи малки нутационни трептения, които се пренебрегват в елементарната теория на жироскопите).

Всички тези свойства на жироскопите се използват широко в навигационните системи.

Прецесия на оста на жироскопа

Ако по оста на бързо въртящ се жироскоп действа постоянна сила (виж фиг. 4.1.c), то съгласно (4.3) краят на вектора придобива скорост по посока на момента , т.е. оста на жироскопа ще започне да се движи перпендикулярно на линията на действие на приложената сила (има прецесия на жироскопа). Ъгловата скорост на прецесията може да се намери чрез приравняване следните изразиза :

Така получаваме

, (4.5)

къде е ъгълът на нутация, т.е. ъгълът между векторите и (виж Фиг.4.1.а). На фиг. 4.1.в ъгъла на нутация е .

ПРИМЕР 4.1. На какво разстояние OS = трябва да се измести центърът на тежестта на жирокомпаса, така че неговата ос на въртене винаги да сочи към географски полюсЗемята?

РЕШЕНИЕ. Тъй като Земята се върти около оста си с ъглова скорост , е необходимо оста на жирокомпаса да прецесира с (разбира се, ако при развиване на жирокомпаса оста му е насочена към географския полюс на Земята). От фиг.4.1.а следва, че моментът на силата на тежестта. Заместваме получения израз в (4.4) и намираме разстоянието, което ни интересува

Имайте предвид, че в разглеждания случай ъгловата скорост на прецесията не зависи от ъгъла на нутация, който запазва стойността си от началото на движението на жирокомпаса.

Жироскопичен момент

Да преминем към разглеждането обратна задачадинамика на жироскопа.

Нека жироскоп с две степени на свобода (виж фиг.4.1.b) се върти с ъглова скорост около собствената си ос на симетрия AB, а оста на свой ред се върти с ъглова скорост около вертикалната ос. Моментът на външните сили, под действието на които жироскопът прецесира, се създава от сили, приложени към оста на жироскопа от страната на лагерите А и В. Според третия закон на Нютон върху лагерите действат еднакви и противоположно насочени сили. от страната на оста на жироскопа. Основният момент на тези сили спрямо фиксирана точка O се нарича жироскопичен момент. Може да се изчисли въз основа на (4.3) и (4.4):

Това предполага правилото на Gruet-Zhukovsky: когато оста на бързо въртящ се жироскоп на принудителна прецесия се съобщава, неговата ос има тенденция да се установи по възможно най-краткия път, така че посоките на векторите и да съвпадат.

ПРИМЕР 4.2. Определете силите от жироскопичен характер, действащи върху лагерите на ротора на турбината по време на циркулацията на лодката (вижте фиг. 4.2). Известни са аксиалният инерционен момент на ротора на турбината, ъгловата скорост на въртенето му, разстоянието между опорите AB=, радиусът на циркулация и скоростта на лодката.

РЕШЕНИЕ. Замествайки в (4.6) стойността на жироскопичния момент (тук - модулът на силите ) и , намираме: .

Обърнете внимание, че откритите реакции могат значително да надвишат реакциите от теглото на турбината. Действайки през лагерите на корпуса на лодката, те могат да я накарат да се подстриже. Подобен ефект се наблюдава при витлови самолети при завои.

Въпроси и задачи за самоконтрол

1. Формулирайте основното предположение на елементарната теория на жироскопите.

2. Запишете теоремата за промяната на ъгловия момент в интерпретацията на Resal.

3. Как да се намери ъгловата скорост на прецесията на оста на жироскопа, ако е известен моментът на външните сили, действащи върху него (даден е аксиалният момент на инерция на жироскопа и скоростта на въртене около собствената му ос)?

4. Какво е жироскопичен моменти как да го изчислим, ако е известен аксиалният инерционен момент на жироскопа, както и ъгловите скорости на прецесия и собствено въртене.

5. Решете следните задачи от: 40.1; 40,4; 40,8; 40.12.

Теория на елементарния удар

Ключови допускания

При съприкосновение на две тела в точката на съприкосновение възникват еднакви противоположно насочени сили на действие и противодействие. Законът за промяна на тези сили е показан на фигура 5.1. Импулсът на силата по време на нейното действие се определя като

Тъй като по време на удара времето на действие на силата е несъизмеримо по-малко от времевите интервали, за които обикновено се разглежда движението, стойността се приема за нула. В този случай разглеждането на резултата от действието на сила за период от време се заменя с разглеждане на прилагането на мигновен импулс с крайна величина (5.1). Моментното действие на сила, при което нейният импулс има крайна стойност, се нарича удар, а съответната сила е ударна сила.

Основният елемент на всяко жироскопично устройство е жироскоп. Словен жироскоп гръцки произход: жироскопи - въртене, скопейн - наблюдавайте. Терминът жироскоп е въведен от френския учен Л. Фуко, който в техниката се нарича бързо въртящо се симетрично тяло (ротор), монтирано в специално окачване. В авиационни инструменти, като правило, се използва карданно окачване. Основата на авиационните жироскопични инструменти са тристепенни и двустепенни жироскопи.

Тристепенен жироскоп (Фигура 3.1). Състои се от ротор 1 , вътрешен 2 и на открито 3 овен. Жироскоп ротор 1 се върти в опори около ос O Z ввътрешната рамка, заедно с ротора, могат да се въртят около оста О, Xv, а външната рамка има свобода на въртене около оста 0 Unспрямо фиксирана основа. Така роторът на жироскопа има три степени на свобода, тъй като може да се върти около три оси на системата О, hwoon z's,пресичащи се в една точка О. Такъв жироскоп се нарича тристепенен жироскоп. Ако центърът на тежестта на жироскопа съвпада с точката О, тогава той се нарича астатичен.

Фиг. 3.1. Жироскоп с три степени на свобода.

1-ротор, 2-ос на самозавъртане, 3-вътрешна карданна рамка, 4-външна карданна рамка, 5-вътрешна карданна ос, 6-външна карданна ос.

Жироскопът с бързо въртящ се ротор има редица свойства, които го правят широко използван в самолетни инструменти. Основните свойства на тристепенния жироскоп са способността да се поддържа постоянно положение на оста на въртене на ротора в световното пространство, устойчивост на удари и удари (стабилност) и способността да се извършва прецесионно движение.

Помислете за визуалните прояви на свойствата на тристепенен жироскоп при лабораторен експеримент. Нека насочим оста на ротора на бързо въртящия се жироскоп към определена точкав космоса. Изработка осцилаторни движенияоснови в различни равнини, откриваме, че оста на ротора запазва дадената й посока. При удар с чук с гумен връх върху която и да е рамка на жироскопа се забелязват слаби трептения на оста на ротора, които бързо изчезват. Положението на оста на ротора в пространството практически не се променя. Чрез натискане върху вътрешната рамка (създаване на момент на външни сили около оста О, Xv), откриваме, че жироскопът се върти около оста 0 Unвъншната рамка, докато вътрешната рамка остава неподвижна. Така жироскопът не се върти по посока на външната сила, а в равнина, перпендикулярна на посоката на тази сила. Такова движение на жироскопа под действието на момента на външна сила се нарича прецесионно.

Явлението, което се състои в съпротивлението на бързо въртящо се тяло при опити да промени позицията си в пространството, се нарича жироскопичен ефект. За да изясним същността на жироскопичния ефект, помислете за тристепенен жироскоп, условно освободен от рамки за окачване на кардан (фиг. 3.2).

Приемете първо, че жироскопът не се върти" и приложете в даден момент НОвъншна сила. Под въздействието на сила жироскопът ще започне да се върти около хоризонталната ос 0x в.Друг ще бъде резултат от действието на силата , ако на ротора на жироскопа се даде голяма ъглова скорост Ω . В този случай роторът на жироскопа ще има кинетичен момент, където Дж- инерционният момент на ротора около оста O Z в. Нека обозначим края на вектора на ъгловия момент писмо AT.Основният момент на външната сила, приложена към жироскопа, съвпада с посоката на оста О Хв.В съответствие с теоремата на Ресал скоростта vкрая на вектора на ъгловия момент (т.е. точки AT)геометрично равен на главния момент на външните сили . Следователно скоростта vнасочена успоредно на оста О, Xvи равни по размер . По този начин, под действието на сила върху въртящ се жироскоп, движението на жироскопа не се извършва в посоката на силата F B , което се случва в случай на невъртящ се ротор, а перпендикулярно на посоката на силата , тоест около оста 0 Un.Това движение е прецесионното движение на жироскопа. Фактът, че под действието на момент жироскопът не се върти около оста о, хв,казва, че освен момента върху него действа някакъв друг момент, равен на момента и противоположно насочен.

Ориз. 3.2. Схема на действието на силите и моментите при въртене на жироскопа

ИЗИСКВАНИЯ КЪМ ПРОЕКТИРАНЕТО НА ЖИРОСКОПИЧНИ ИНСТРУМЕНТИ

Както е показано в предишния раздел, жироскопът трябва да има Колкото е възможно повече инерция. Ъгловият импулс на жироскопа е произведението на инерционния момент на ротора спрямо оста на въртене Изкъм ъгловата скорост на въртене H=IzΩ . Следователно е възможно да се увеличи кинетичният момент чрез увеличаване на инерционния момент. Тъй като инерционният момент на тялото на въртене се изразява във формата

(3.1)

където T- телесна маса; Р- радиус, изгодно е масата на ротора да се постави възможно най-далеч от оста на въртене. В това отношение роторите на жиромоторите имат конфигурация, както е показано на фиг. 3.3. Роторът на жироскопичния двигател 1 също е арматурата на AC индукционния двигател; котвата има катерица колело. Статорът на такъв двигател е вътрешната намотка 2 .

Фигура 3.3 жиромотор в разрез: 1-ротор, 2-статор.

Конструкцията на ротора е избрана главно за отчитане на максималния инерционен момент и липсата на деформации на ротора от действието на центробежните сили, които възникват по време на въртенето на ротора.

Жиромоторите на самолетите се захранват с трифазно напрежение U= 36 V с честота f= 400 Hz. Тъй като те са асинхронни двигатели с приплъзване, скоростта на ротора на жиромоторите n = 22000 ÷23000 об/мин Има жиромотори със значително по-високи ъглови скорости, но поради факта, че експлоатационният живот на лагерите на такива жиромотори е обратно пропорционален на ъгловата скорост на ротора, в гражданска авиацияте не се прилагат.

Фиг. 3.4 въртящи се лагери:

1- ос, 2-вътрешен пръстен, 3- фиксиран пръстен

Фиг. 3.5 електромеханична схема на жироскопичното окачване

1- вътрешен пръстен, 2.4-средни пръстени, 4-външен пръстен, D1, D2-мотори

Тъй като способността на жироскопа точно да поддържа позицията на главната си ос в пространството зависи от големината на моментите, действащи по осите на неговите кардани, при проектирането на жироскопи те се опитват да сведат до минимум тези моменти.

Като опори за осите на карданното окачване на жироскопа се използват високопрецизни търкалящи лагери с ниски моменти на триене.

За високо прецизни инструменти, като например жироскопи за курсови системи, се използват така наречените въртящи се лагери с два реда сачми, а вътрешният пръстен 2 (фиг. 3.4) извършва принудително въртене спрямо ос 1 и неподвижният пръстен 3 .

Н. Е. Жуковски посочи фундаменталната възможност за намаляване на влиянието на триенето в такива устройства. Идея Н. д.Жуковски беше сведен до следното: ако има 100 опънати нишки, върху които лежи някакъв предмет, например молив, тогава, премествайки всички нишки надясно, моливът ще бъде отнесен от тях поради триене и към точно. Ако преместите нишките наляво, тогава моливът ще се премести наляво. Принуждавайки всяка четна нишка да се движи надясно, а нечетната - наляво, ще имаме неподвижен молив. Разбира се, това е при условие, че еднаква част от масата на молива се пада на всяка нишка и коефициентът на триене на контактните повърхности на молива - нишката е еднаква навсякъде. В този пример триенето не изчезва, то само се компенсира.

На фиг. 3.5 показва дизайна на вътрешната рамка на карданното окачване (жироскоп). Както може да се види от фигурата, вътрешните пръстени 2 и 4 на левия и десния лагер могат да се въртят от двигатели D1 и D2. Освен това пръстените се въртят с еднакви ъглови скорости, но в противоположни посоки. Възникналите сили на триене действат върху вътрешната ос на жироскопа с помощта на моменти, чиито посоки са противоположни, така че общата им стойност е близка до нула, а вредните ефекти на моментите на триене са отслабени. Ако дори общата стойност на моментите на триене причинява прецесия на жироскопа при определена ниска скорост, тогава чрез периодична промяна на посоката на въртене на двигателите (използвайки превключвател B със специална гърбица), можете да промените посоката на този момент, и следователно посоката на прецесията, която в крайна сметка намалява прецесионния жироскоп от моментите на триене в осите на карданите. С помощта на такава схема е възможно да се намалят собствените "дрейфове" на жироскопа няколко пъти в сравнение с конвенционалните търкалящи лагери.

Фигура 3.6 действие върху жироскопа на гравитацията.

Има жироскопи с аеродинамични лагери по осите на карданите. Такъв лагер е втулка и ос, между които има въздушна междина и оста, така да се каже, "плува" във въздуха. Такива лагери също имат много малки моменти на триене, но поради редица причини все още не се използват в гражданската авиация.

Жироскопът трябва да бъде внимателно балансиран, т.е. центърът на масата на жиромотора трябва да съвпада с точката на пресичане на осите на кардана. В противен случай, както е показано на фиг. 3.6, жироскопът се влияе от моменти от ускорението на гравитацията.

Трябва да се отбележи, че по време на експлоатацията на авиационни жироскопични инструменти е необходимо стриктно да се спазват правилата за техническа и летателна експлоатация, тъй като точността на тяхната работа и дълготрайността зависят от това. Трябва също да се помни, че жироскопичните устройства са скъпи устройства.

3.3. Жироскопични асинхронни двигатели

Жироскопичният двигател е предназначен за ускоряване на масата на маховика за определен период от време до номиналната скорост и последващото й стабилизиране с минимален разход на енергия. В момента електрическите жироскопични двигатели и по-специално асинхронните са намерили широко приложение.

Асинхронен жироскопичен двигател (AGD) е структурно интегриран в едно цяло с маховик (фиг. 3.7). Да се ​​осигурят дадените размери и маса на най-големия кинетичен момент

H = JW, (3.2)

където Дж- инерционният момент на маховика около оста на въртене; У- ъглова скорост, те се стремят да поставят въртящата се маса на максимално разстояние от оста на въртене. За тази цел се използва обърната конструкция на асинхронен двигател с външен ротор с катерица 1 (фиг. 3.7) и с вътрешен неподвижен статор 2. За да се увеличи кинетичният момент, външният ротор е поставен вътре в специална втулка 3, към която са прикрепени капаци 4, 5. Втулката е изработена от месинг или берилий.

Увеличаването на кинетичния момент за дадена маса на външния ротор също е свързано с максимално увеличение на неговата ъглова скорост У(скорости н). Скоростта на въртене на модерния AGD е в рамките n = 15000 ¸ 60000 об./минс броя на двойките полюси р = 1; 2. Понякога, за да се увеличи скоростта на въртене на AGD, той се захранва от автономен източник с повишена честота. f = 500 ¸ 2000 Hz. Максималната скорост на AGD е ограничена, като правило, от качеството на сачмените лагери.

Коефициент на ъглов момент зкъм масата на AGD се нарича качествен фактор на жироскопичния двигател. Увеличаването му се осигурява чрез увеличаване на плътността на материала на частите на конструкцията, въртящи се на голямо разстояние от оста, и чрез намаляването му за всички останали елементи.

Няма полезен товар върху AGD вала. Работи на празен ход, като преодолява моментите на триене на външния ротор с газовата среда и триенето в лагерите, при нулев КПД. Условна ефективност AGD се счита за съотношението на мощността на механичните загуби към общата консумация на енергия, което характеризира съвършенството на асинхронен двигател в електромагнитно отношение. Стойността на условната ефективност в зависимост от мощността, дизайна и параметрите на AGD се намира в рамките h = 0,2 ¸ 0,9.

Ориз. 3.7. Дизайнът на асинхронен жироскопичен двигател (AGD)

За да се увеличи стабилността на скоростта на въртене с промяна в плътността на околната среда, свързана с промяна на височината на полета на самолета, номиналното приплъзване на AGD се избира в рамките на S n \u003d 0,015 ¸ 0,12. В някои случаи, за да се изключи влиянието на височината на полета върху работата на AGD, той ще бъде поставен в специална газова или вакуумна камера. Намаляването на вентилационните загуби в AGD се постига чрез полиране на външната повърхност на ротора.

Подобряването на характеристиките на AGD чрез увеличаване на масата на ротора, от друга страна, води до увеличаване на продължителността на процеса на неговото изстрелване, което варира от десетки секунди до десетки минути. За да осигурят приемливи стартови характеристики, при проектирането на AGD те се стремят да постигнат множество начален въртящ момент M p / M n > 1,5, кратни на максималния въртящ момент (капацитет на претоварване) M EM M / M n \u003d 2 ¸ 5и критично приплъзване S кр= 0,3 ¸ 0,4. Под номиналния момент на AGD разбирайте общия момент на неговите загуби в номиналния режим.

Тъй като AGD работи с товар, близък по естество до вентилационния, по време на процеса на стартиране излишният електромагнитен момент DM EMне се променя значително (фиг. 3.8). В този случай изстрелването става с почти постоянно ускорение. За да се намали времето за стартиране, понякога се използва стартирането на AGD при повишено захранващо напрежение.

Фиг.3.8. Механична характеристика на AGD

Желанието, ако е възможно, да се намали общият момент на загубите, т.е. определената стойност на номиналното приплъзване и активната съставка на статорния ток забележителна характеристика AGD - относително голям ток на намагнитване, достигащ 60 - 90% от номинална стойност. Тогава факторът на мощността е cosj=0,4 + 0,8. То ще бъде колкото по-малко, толкова по-малко приплъзване работи AGD.

За да осигури максимална точност, AHD има редица специфични изисквания:

Механична устойчивост на конструктивните елементи и техните връзки, т.е. способността на структурните елементи да поддържат постоянството на позициите на центровете на масата в различни режимиработа и при различни външни въздействия;

Симетрия и твърдост на конструкцията като цяло, свързани с необходимостта от симетрично разположение (по отношение на надлъжните и напречните оси на симетрия) на въртящите се и най-нагретите конструктивни елементи със значителна маса;

Минимум и постоянство в процеса на потребление на енергия, т.е. нагряване на AGD и неравномерно разпределение на температурата, което е свързано с намаляване на аеродинамичните загуби (загуби поради триене на външния ротор срещу въздух), осигуряване на постоянството на аксиалното натоварване на лагерите и запазването на смазката, използвайки лагери, техните възли и висококачествени смазочни материали.

Изпълнението на тези изисквания доведе до създаването на симетрични AGD структури, състоящи се от минимално количествоелементи. Така например вътрешните канали на лагерите (фиг. 3.7) често се правят директно върху оста, което намалява броя на връзките на частите и повишава точността на сглобяване.

За разлика от конвенционалните асинхронни машини, AGD нямат аксиална хлабина в лагерните възли. Необходимата твърдост на конструкцията се осигурява от предварителното аксиално натоварване на лагерите, което трябва да остане непроменено по време на работа.

Симетрията и твърдостта на AGD структурата се постигат чрез използване на структурни материали, които имат еднакъв коефициент на разширение. Така например оста, капаците, лагерните пръстени и AGD роторът са изработени от лагерна стомана, а втулката е изработена от берилий.

Тези характеристики се отнасят и за синхронните жироскопични двигатели (SGM), които се използват широко като хистерезисни двигатели.

В жироскопи за авиационни инструменти, инсталирани на самолети на гражданската авиация, роторът е комбиниран с вътрешна рамка в един структурен възел - жироскоп. Жироскопът се състои от жироскопична камера и жироскопичен двигател, разположен в жироскопичната камера. Жирокамерата действа като вътрешна рамка на жироскопа и има оси за окачване в опорите на външната рамка. Жиромоторите в повечето случаи са трифазни асинхронни двигатели с външен ротор с катерица и вътрешен статор. Жиромоторът GM-4P (фиг. 3.9) се състои от ротор, статор, сачмени лагери и ос. Статорът е с железен пакет 2, навиване 1 и втулки 3 и 12 твърдо фиксирани върху оста 5 . Изходните проводници на намотката на статора се извеждат през кухата част на оста 5 . Роторът на жироскопа се състои от месингов венец 10, железен пакет 8 късо съединение 16 и масивен пръстен 14. Пакет 8 ротор и пръстен 14 засадени в ръба на ротора при пресоване. фланци 6 и 11 засадени в джанта 10 стегнат и закрепен към него с винтове. Вътрешни пръстени на сачмени лагери 4 и 13 монтирани на фланцови опори 6 и 11 предварително натоварен ротор. Външен пръстен на лагера 4 поставени във втулката 3 с радиална хлабина и външния пръстен на лагера 13 - в ръкава 12 с намеса в гнездото на статора под външния пръстен на разхлабен сачмен лагер 4 е доставена пружинна шайба 7. Тя служи за компенсиране на температурните промени в линейните размери на жиромотора. 9 и 15 служат за установяване на аксиалната плътност на сачмени лагери Краищата на оста на жиромотора са с резба. При поставяне на жиромотора в жирокамерата, оста му се прекарва през отворите в корпуса и капака на жирокамерата.След като капакът на жирокамерата се закрепи към тялото му, към тях с гайки се закрепва оста на жиромотора. Жироскопи от един и същи тип могат да се използват в различни жироскопични инструменти.Ситуацията е различна при външни рамки. Дизайнът на външните рамки се определя основно от вида на жироскопа и е чисто индивидуален за всеки случай. в рамка 1 на седалки по оста О, нвъншните пръстени на сачмените лагери са фиксирани (фиг. 3.10) Осите на жирокамерата на жироскопичния блок са фиксирани във вътрешните пръстени на сачмените лагери. ос 0u nполуосите са фиксирани в рамката 2 и 3, предназначени за окачване на рамката в тялото на жироуреда.

Ориз. 3.9 Проектиране на жиромотор GM-4P

Ориз. 3.10. Дизайнът на външната рамка на жироскопа

3.4 Видове окачвания на жироскопи

При проектиране на жироскопични инструменти голямо вниманиесе дава на избора на опори, които осигуряват свобода на въртене и осъществяват двупосочна задържаща връзка между ротора, карданните рамки за окачване и тялото на устройството. Опорите на жироскопа се разделят на основни, които осигуряват свобода на въртене на ротора, и опори на карданно окачване, които осигуряват свобода на движение на рамките около техните оси. Тази класификация се дължи различни условияработа на опори Основните опори работят дълго време при повишени скоростивъртене, докато опорите на кардана работят при ниски скорости и малки ъгли на въртене. Основните показатели за качеството на опорите са: моментът на силите на триене М тр, аксиален и радиален луфт, издръжливост T p. Моментът на силите на триене в основните лагери не влияе върху точността на жироскопа, но влияе върху избора на мощност на жироскопа и неговия експлоатационен живот. Моментът на триене в опорите на кардана до голяма степен влияе върху точността на жироскопа. В тази връзка се разработват специални мерки за намаляване на триенето в карданите.

Най-разпространенив самолетните жироскопи са получили сачмени лагери. Разработените в момента опори от този тип позволяват да се получи достатъчна точност и надеждност на инструментите.

В случаите, когато е необходимо да се подобри точността на инструмента, се използват определени конструктивни мерки. По-специално, моментите на триене по вътрешните оси на карданното окачване на жироскопите на курсовите системи се намаляват с помощта на специални "въртящи се" лагери (фиг. 3.11). girouzel 3 тристепенен жироскоп, окачен на ос 4 във външната рамка 7 използване на комбинирани двойни лагери. Средни пръстени 2 , 8 лагерите на левия и десния край на оста на окачване на жироскопа се въртят в противоположни посоки (задвижването за въртене на средните пръстени не е показано на фигурата). Оси на въртене 5 , 9 външна рамка, фиксирана в лагери 1, 6, външните пръстени на които са фиксирани спрямо основата.

Нека ъгловият момент на жироскопа съвпада с посоката на полета. Тогава, когато самолетът се върти спрямо напречната ос с ъглова скорост Ф, външната рамка на жироскопа ще се завърти заедно с основата спрямо фиксираната ос 4 окачване на жироскопа с ъглова скорост - .Ос 4 остава неподвижен поради основното свойство на тристепенния жироскоп - да запази позицията на главната ос непроменена в пространството.

Ако моментите на триене в лагерите са равни, дрейфът на жироскопа липсва. На практика обаче не е възможно да се осигури равенство на моментите и заминаването да се осъществи, но със значителна по-бавна скоростотколкото с невъртящи се опори. Въвеждането на периодично обръщане на въртенето на средните пръстени допринася за намаляване на системната грижа.

Ориз. 3.11. Проектна схема на "въртящи се" лагери

В случай на равни и малки времена на въртене на средните пръстени на лагерите в различни странипри движение на заден ход жироскопът ще се отклони от средното положение с равни и противоположни ъгли, като по този начин ще направи малки колебания спрямо първоначалното положение на оста на ъгловия момент.

Ориз. 3.12. Задвижването на въртене на средните колела на "въртящи се" лагери

Обръщането на въртенето на средните пръстени на лагерите в жироскопите на курсовите системи (фиг. 3.12) се извършва от превключвателя B ", управляван от специална гърбица. В допълнение към "въртящите се" лагери, други конструкции могат да се използва за значително намаляване (или практически елиминиране) на триенето в окачването на жироскопа чрез компенсиране на гравитационната сила на окачената част на жироскопа от друга противоположно насочена сила. Окачванията от този тип (фиг. 3.13) включват: течност ( а), хидростатичен ( b), магнитен (в),електростатичен (G)и т.н.

От изброените видове окачвания в авиационни жироскопични инструменти понастоящем се използва само течно окачване (фиг. 3.13, а). Жироскопът е с херметичен жироскоп 1 окачени в херметически затворена кутия 2 пълни с течност. Плътността на течността е избрана така, че масата на обема на течността, изместен от жироскопа, да е равна на масата на жироскопа. По този начин натоварването, възприемано от опорите, се намалява почти до нула, което осигурява много малки моменти на сили на триене в опорите на окачването на жироскопа.

Има и жироустройства на базата на тристепенен жироскоп с окачване от този тип.

В хидростатична суспензия течност или газ се инжектират под налягане през тесни отвори. 1 в пролуката 2 между неподвижната част на опората 4 и жироскопичен възел 3 (фиг. 3.13, б).С намаляване на празнината, причинена от натоварването, намаляването на потока на течността води до увеличаване на локалното налягане. Параметрите на окачването са избрани по такъв начин, че сумата от локалните сили на натиск балансира теглото на жироскопа с празнина в рамките на стотни от милиметъра.

Магнитното окачване на чувствителния елемент се използва в криогенните жироскопи. Техническата реализация на такъв жироскоп се основава на използването на явлението свръхпроводимост на някои материали, което се проявява при температури, близки до абсолютна нула. Това явление се състои в рязко намаляване на електрическото съпротивление на материала. Когато топка от свръхпроводящ материал се постави в магнитно поле, чийто интензитет не надвишава определена критична стойност, на нейната повърхност се индуцират токове, които не позволяват на полето да проникне в топката. В резултат на това топката може да виси в магнитно поле, без да има механична опорна точка. Ако се създаде вакуум около топката, тогава всички сили на съпротивление срещу въртенето на топката са практически елиминирани.

В експериментален криогенен жироскоп (фиг. 3.13, в)тялото на устройството е криогенна инсталация 7 обвита в обвивка 8 (съд на Дюар). Криогенната инсталация се охлажда с течен хелий или азот и вътре в сферична кухина 4 температурата в кутията на устройството е близка до абсолютната нула. Токът, протичащ през намотките на намотките 1 , създава центриращо магнитно поле 2. На повърхността на куха тънкостенна сфера 3, направени от свръхпроводящ метал, като ниобий, се образуват вихрови течения, създавайки магнитно поле, което предотвратява проникването на центриращото магнитно поле в метала. Силите на взаимодействие между центриращото магнитно поле и полето, индуцирано в метала на сферата, я поддържат в суспензия вътре в сферичната кухина на тялото на устройството. Сфера 3 и тежък ръб (5), поставен вътре в сферата, образуват ротор на жироскоп, който се задвижва във въртене с висока ъглова скорост Ω около оста z, перпендикулярно на равнината на ръба, от електродвигател 5. В пространството между сферичния ротор и кухината на корпуса се създава висок вакуум. електрически мотор 5 използва се само за ускоряване на ротора. След изключване на двигателя роторът се движи по инерция няколко дни и дори месеци.

Ориз. 3.13. Видове окачвания на жироскопи

Жироскопи с електростатично окачване (фиг. 3.13, G)структурно подобни на криогенните жироскопи. Ротор 1 такъв жироскоп е направен от берилий под формата на тънка куха топка, поставена в сферичната кухина на камерата 3 изработени от специална керамика, която е изолатор. На вътрешна повърхностКамерата съдържа три чифта електроди във формата на чаша 2 захранван от променлив ток. Осите на симетрия на всяка двойка такива електроди са насочени в три взаимно перпендикулярни посоки, така че създаденото от тях електростатично поле поддържа центъра на сферичния ротор в центъра Окамери. Роторът се върти от въртящо се магнитно поле, генерирано от статора 4, носещи електрическа намотка. В кухината на камерата 3 поддържа се висок вакуум. Електрическото напрежение се прилага към намотката на статора само по време на ускорението на ротора. След това роторът дълго времесе върти по инерция.

3.5 Устройства за предаване на енергия

Устройствата за предаване на енергия се използват за доставяне на електрическа енергия от външни източницикъм елементите на жироустройствата, разположени на възли, движещи се един спрямо друг. С помощта на тези устройства се осъществява електрическа връзка между елементите, поставени върху тялото на устройството и външната рамка на кардана или върху външната и вътрешната рамка.

Най-просто, енергията се предава чрез гъвкави проводници (фиг. 3.14), Гъвкав проводник 3 е сноп от метални проводници, поставени в изолационна оплетка.

Ориз. 3.14. Използване на гъвкав проводник за пренос на енергия в жироскоп

Краищата на жилата са вградени в общ връх, фиксиран върху преходните контакти 4. Контактите осигуряват свързване на върха към твърд проводник 5 разположени на съответната част 1 окачване. Контактите са монтирани на блока 2 , който изолира контактите от металната повърхност на детайла.

В случаите, когато ъглите на взаимно въртене на частите на жироскопа достигат значителни стойности, за пренос на енергия се използват плъзгащи се контакти (фиг. 3.15, а). Четка 3 , през който се предава електрически ток, се плъзга по токоприемния пръстен 2. Пръстенът е изолиран от оста на рамката 1 солидна изолираща втулка с фланци, които предпазват четката от излизане от пръстена. Ако на кръстовището на частите на окачването е необходимо да се извършат няколко изолирани една от друга линии за предаване на електрически ток, тогава по оста на окачването се монтират необходимия брой токоприемни пръстени.

Широко използван тип устройства за предаване на енергия са точковите контакти. Те се различават от плъзгащите контакти по това този случайточката на контакт лежи върху оста на въртене на елементите на токопровода. Всеки точков контакт (фиг. 3.15, б)се състои от фиксирани 3 и мобилни 4 контакти, образуващи контактна двойка. В показания пример неподвижните контакти са прикрепени към външната рамка. 2 , а подвижни - по оста на въртене на вътрешната рамка 1. Контакти 3 и 4 изолиран от металните части на окачването с електроизолационен материал 5 .

Фигура 3.15 контактни устройства, използвани в жироскопи.

a-плъзгащ се, 2 комплекта точкови контакти.

3.6 коригиращи устройства.

Един от основни свойстватристепенен жироскоп е способността да се запази позицията на оста на въртене на ротора (главната ос на жироскопа) в световното пространство. За решаването на редица практически проблеми обаче е необходимо главната ос на жироскопа да запази постоянна посока не в световното пространство, а спрямо една или друга избрана координатна система. Така че, за да се определят ъглите на въртене и наклон на самолет с помощта на тристепенен жироскоп, е необходимо оста на въртене на ротора да бъде насочена по вертикалата на мястото. При определяне на отклоненията на самолета от дадена посока с помощта на тристепенен жироскоп е необходимо главната му ос да поддържа дадена посока в хоризонталната равнина. За да се елиминират нежеланите отклонения на главната ос на жироскопа от необходимата посока или да се компенсират различни видове смущаващи моменти, които нарушават нормалната работа на жироскопичното устройство, се използват коригиращи устройства.

Коригиращите устройства на жироскопичните инструменти осигуряват запазването на необходимото положение на главната ос на жироскопа чрез прилагане на външни контролни (коригиращи) моменти към жироскопа или чрез компенсиране на отклоненията на жироскопа в показанията на жироскопичния инструмент. Основните елементи на коригиращите устройства са чувствителни елементи и изпълнителни органи. Като чувствителни елементи се избират елементи, които имат селективност към референтната посока или устойчиво поддържат дадената им посока.В авиационните инструменти се използват главно гравитационни, магнитни и ориентирани сензорни елементи.

Отправна посока за гравитационните елементи е посоката на вертикала на място, съвпадаща с посоката на ускорението на гравитацията. Магнитните чувствителни елементи реагират на магнитното поле на Земята, така че референтната посока за тях е посоката на магнитния меридиан. Чувствителните елементи, ориентирани по дължината на небесните тела, осигуряват стабилна посока към Слънцето, Луната, планетите или звездите. Изпълнителните органи на коригиращите устройства на авиационни инструменти са, като правило, двуфазни "реверсивни асинхронни електродвигатели, работещи в спирачен режим, както и селсинови и потенциометрични системи за проследяване.

Сред гравитационните чувствителни елементи най-широко използвани са сензорите с течно махало във вертикална посока. Използват се еднокоординатни и двукоординатни сензори за течно махало (махалови превключватели).

Еднокоординатен сензор за течно махало (LMP) (фиг. 3.16) е стъклен контейнер 1 със заварени в него платинени електроди 3, 5, 6. Цилиндърът е пълен с проводима течност (електролит) 2 така че останалият въздушен мехур 4 с хоризонтално положение на сензора еднакво и приблизително половината припокрива електродите 3 , 5. Електрическата верига на взаимодействието на LMD и изпълнителен орган(двуфазен асинхронен двигател) на коригиращата система е показано на фиг. 15.13. електроди 3 и 6 в съд 5, свързан към намотките за управление на двигателя 2, Обща точка на управляващите намотки 1 свързан към една от фазите на променливотоковото захранване. Централен контакт 4 свързан към друга фаза.

Ориз. 3.16. Едноосов сензор за течно махало

Ориз. 3.17. Електрическа схема на еднокоординатна корекционна система

Схемите за коригиране на главната ос на триградусен жироскоп в равнината на хоризонта и по посока на вертикалното положение са показани на фиг. 3.18. На фиг.3.18, апоказана е диаграма на хоризонталната корекция на главната ос

Ориз. 3.18. Корекция на главната ос на тристепенния жироскоп:

а– схема за хоризонтална корекция; b- схема за корекция в посока на вертикалното положение

тристепенен жироскоп ( 1 - сензор за течно махало, 2 - коригиращ двигател). Когато главната ос на жироскопа, а оттам и сензорът, е в хоризонтално положение, електрическото съпротивление между средния електрод 6 (виж фиг. 3.16) и всеки от крайните електроди 3, 5 по същия начин и токове протичат през управляващите намотки на коригиращия двигател, еднакви по големина, но противоположни по посока. В този случай двигателят е неподвижен и не създава въртящ момент. Когато главната ос на жироскопа се отклони от равнината на хоризонта, въздушният мехур се измества спрямо електродите и площта на контактната повърхност на електролита с електродите се променя. Електрическото съпротивление на веригите между централния и крайния електрод се променя. В този случай съпротивлението на веригата на електрода става голямо, чиято контактна повърхност с течността е по-малка. В резултат на това през управляващите намотки на коригиращия двигател ще протичат различни по стойност и посока токове. Моторът ще създаде момент спрямо оста на окачването на външната рамка, а жироскопът ще започне да прецесира спрямо