Гироскопическое устройство

 

Изобретение относится к области приборостроения, а более конкретно к гироскопическим устройствам систем управления летательных аппаратов. Сущность: гироскопическое устройство содержит корпус, в котором на опорах установлено основание с тепловыравнивающей цилиндрической втулкой со сквозными прорезями, гироблок с фланцем, расположенным на тепловыделяющей цилиндрической втулке. Отношение геометрических параметров сквозных прорезей втулки к геометрическим параметрам самой втулки пропорционально изменению косинуса угла, отсчитываемого от прямой, соединяющей геометрические центры цилиндрической втулки и опоры основания. При этом сквозные прорези выполнены по периметру боковой поверхности цилиндрической втулки, толщина стенки которой удовлетворяет соотношению δ=Н₁·Q_о /0,363·π(T_δ-Т_o)Dλ, а H₁=80÷90%H, где Н ₁ - высота прорезей на боковой поверхности тепловыравнивающей цилиндрической втулки, Q_o - тепло, выделяющееся при работе в гироблоке, Т_δ - рабочая температура гироблока, Т _o - температура основания устройства, D - средний диаметр тепловыравнивающей цилиндрической втулки, λ - теплопроводность материала втулки, Н - высота тепловыравнивающей втулки. Технический результат: повышение точности путем уменьшения погрешности от температурных полей и упрощение конструкции. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области приборостроения, а более конкретно к гироскопическим устройствам систем управления летательных аппаратов.

При работе гироскопических устройств необходимо отводить выделяемое ими тепло так, чтобы не было значительных температурных градиентов. Наибольшее внимание должно уделяться обеспечению минимальных (менее 0,1 K) окружных температурных градиентов по периметру посадочных фланцев гироблоков, т.к. окружные температурные градиенты вызывают местные искажения посадочных поверхностей гироблок-корпус, что приводит к перекосам установочных баз гироблоков. Кроме того, у поплавковых гироблоков возникают конвективные перетоки жидкости, в которой находится поплавок, что приводит к появлению погрешностей и значительно влияет на его точность [1].

Известно гироскопическое устройство, в котором для выравнивания окружных температурных градиентов гироблоков в каждом из них содержится тепловыравнивающий элемент, выполненный в виде эксцентричной обоймы из теплоизоляционного материала, причем в направлении большего радиального температурного перепада обойма имеет большую толщину и наоборот [2].

Введение тепловыравнивающего элемента внутрь гироблока приводит к увеличению его размеров и сложности изготовления. Кроме того, в прецизионных гироскопических устройствах недопустимо выполнение переходных элементов из теплоизоляционных материалов, т.к. они не обладают достаточно высокими, стабильными жесткостными и теплофизическими параметрами. Так, например, коэффициент термического расширения у теплоизоляторов меньше чем у алюминиевых или бериллевых сплавов, из которых сделан гироблок, что приводит к возможности образования люфтов в местах сопряжения металл-теплоизолятор при нагреве гироблока до его рабочей температуры.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство [3], содержащее корпус, в котором на опорах установлено основание с закрепленными на нем гироблоками. Каждый гироблок крепится на основании посредством фланца, выполненного на корпусе гироблока, и цилиндрической тепловыравнивающей втулки, установленной между фланцем и основанием. Торцевые поверхности втулки прецизионно обработаны для точной выставки оси чувствительности гироблока относительно основания. По периметру торцевой поверхности втулки, контактирующей с фланцем гироблока, выполнены прорези. Для этого торцевую поверхность втулки разбивают на равные зоны, числом не менее десяти, в каждой из которых выполняют прорезь. Площади прорезей по отношению к площадям контактных участков торцевой поверхности втулки изменяются по косинусоидальной зависимости

где n - число равных зон, на которые разбивают контактную торцевую поверхность втулки;

i - номер зоны;

S _1i - площадь прорезей в i-ой зоне;

S _2i - площадь контактного участка торцевой поверхности втулки.

Втулка установлена таким образом, что ее максимальная прорезь обращена в сторону ближайшей опоры - в сторону максимального стока тепла с основания на корпус устройства.

Однако в известном устройстве выполнение прорезей на прецизионно обработанной контактной торцевой поверхности втулки вызывает серьезные трудности в производстве. Неизбежны задиры и сколы материала втулки на границах прорезей, что приводит к нарушению установочных осей гироблока. В зоне максимальных по площади прорезей остается очень малая торцевая контактная поверхность втулки. При изготовлении, хранении и сборки прибора она может быть легко деформирована.

Кроме того, наличие прорезей на торцевой контактной поверхности втулки нарушает взаимную центровку и стабильность осей чувствительности гироблоков.

Известное техническое решение обеспечивает регулировку температурных полей гироблока в узких пределах (не более 10÷20% от общего теплового сопротивления втулки, как показала экспериментальная проверка), что в общем случае недостаточно для точного выравнивания температурных полей по периметру установочного фланца гироблока и существенно ухудшает его точностные параметры.

Целью предлагаемого технического решения является повышение точности устройства и упрощение его конструкции.

Указанная цель достигается тем, что в известном устройстве, содержащем корпус, в котором на опорах установлено основание с гироблоками, закрепленными в нем посредством фланца и тепловыравнивающей металлической втулки высотой Н с прорезями, геометрические размеры которых по отношению к геометрическим размерам втулки изменяются по косинусоидальной зависимости, тепловыравнивающая втулка выполнена со сквозными высотой Н₁=80÷90% Н по периметру боковой цилиндрической поверхности, толщину стенки которой δ определяют из зависимости:

где Н₁ - высота прорезей на боковой поверхности втулки;

Q_o - тепло, выделяющееся при работе в гироблоке;

λ - теплопроводность материала втулки;

T _δ - рабочая температура гироблока;

Т _о - температура основания устройства;

D - средний диаметр цилиндрической втулки.

При установке гироблоков на основании посредством тепловыравнивающей втулки предлагаемой конструкции обеспечивается равномерный тепловой поток со всех точек установочных фланцев гироблоков на корпус устройства при равенстве температуры по периметру фланцев.

Изобретение будет понятно из следующего описания и приложенных к нему чертежей.

На фиг.1 представлено устройство крепления одного из гироблоков на основании.

В корпусе 1 на опорах 2 установлено основание 3 с гироблоками 4. Каждый гироблок 4 закреплен на основании 3 посредством своего установочного фланца 5 и тепловыравнивающей втулки 6, расположенной между фланцем 5 и основанием 3.

На фиг.2 представлен чертеж тепловыравнивающей втулки 6.

В боковой цилиндрической поверхности втулки 6, высота которой Н, выполнены сквозные прорези 7 высотой Н₁ =80÷90% H, а торцевые поверхности 8 прецизионно обработаны для точной выставки оси чувствительности гироблока 4 относительно основания 3. Кроме того, в стенке боковой цилиндрической поверхности выполнены проточки 9. Причем в зависимости от удобства изготовления выполняют либо две проточки - с внутренней и с наружной стороны боковой поверхности, либо только одну проточку - с внутренней иди с наружной стороны боковой поверхности. Проточки выполнены таким образом, что оставшиеся части боковой поверхности втулки 6, примыкающие к торцевым поверхностям 8 имеют высоту a=5÷10% H каждая. Посредством проточек 9 варьируют толщину стенки δ боковой цилиндрической поверхности втулки 6, оставляя без изменения торцевые поверхности 8, диаметр и ширина которых должны быть равны диаметру и ширине фланца 5.

Как показали результаты математического моделирования и/экспериментальных испытаний, число прорезей должно быть не менее десяти (в предлагаемой конструкции их двенадцать). Втулка 6 установлена так, что максимальная прорезь обращена в сторону ближайшей к гироблоку 4 опоры 2, так как через эту опору 2 идет основной сток тепла с основания 3 на корпус 1.

На фиг.3 схематично изображено распределение основных потоков тепла от фланца 5 гироблока 4 к корпусу 1 через опору 2.

Известно, что закон Фурье для определения потока тепла от одной области к другой записывается следующим образом [4]:

где l - длина пути теплового потока;

q - удельный тепловой поток;

ΔТ=T₁-T₂ - разность температур между началом и концом пути тепла (см. фиг.3).

В данном случае необходимо обеспечить равномерный тепловой поток q со всех точек установочного фланца 5 при равенстве температуры по его периметру. Следовательно, ΔТ, входящая в формулу Фурье (3), тоже должна быть постоянной. Тепло, отводимое от разных участков фланца 5, должно преодолеть разные по длине участки пути до опоры 2. Поэтому для сохранения постоянным отношение λ/l необходимо изменять λ пропорционально изменению l. Чем меньше l, тем соответственно меньше λ, которую можно уменьшить за счет прорезей 7 на боковой цилиндрической поверхности втулки 6. Эффект прорезей 7 заключается в том, что теплопроводность воздуха почти на четыре порядка ниже, чем теплопроводность материалов, из которых изготавливается втулка 6 и основание 3. Следовательно, прорези 7 являются регулировочными сопротивлениями тепловому потоку. Высота прорезей 7 должна быть максимально большой, т.е. составлять не менее 80÷90% от общей высоты Н втулки 6, тогда в этом случае можно утверждать, что

где ΔL_пр - изменения длины прорезей по периметру боковой цилиндрической поверхности втулки 6;

L_Σ=π·D - периметр боковой цилиндрической поверхности втулки 6.

Из геометрических построений (см. фиг.3) зависимость пути тепла l от угла ϕ определяется следующим образом (здесь точка С принадлежит фланцу 5 гироблока 4):

где r - радиус фланца 5 гироблока 4;

b - расстояние между геометрическими центрами O' втулки 6 и О" опоры 2.

При b≥2r (что обычно выполняется при конструировании устройств подобного типа) можно пренебречь членом r² sin²ϕ, т.к. по сравнению с членом (b-r cosϕ)² он на порядок меньше, то есть можно считать, что

При приращении Δl при увеличении угла ϕ прямо пропорционально косинусу ϕ, т.е.

Для втулки 6 с выполненными на ее боковой цилиндрической поверхности прорезями 7 длина пути l теплового потока максимальна при ϕ=180° и минимальна при ϕ=0°. Из этого следует, что для данной конструкции теплопроводность λ необходимо менять в соответствии с формулой (7), т.е. Δλ пропорциональна изменению cosϕ. Учитывая, что cosϕ - периодическая санкция, а λ - положительная величина, то учитывая все вышеизложенное, можно считать:

Величина r в формуле (7) постоянна и не влияет на изменение Δl, а следовательно, и Δλ.

Угол ϕ отсчитывается от прямой, соединяющей геометрические центры втулки 6 и опоры 2 (см. фиг.3). При ϕ=0° путь тепла l - минимальный, следовательно, размеры прорезей 7 должны тут быть максимальными, чтобы получить минимум теплопроводности λ. При увеличении угла ϕ увеличивается l, следовательно, необходимо увеличивать λ, т.е. уменьшать площадь, занятую прорезями 7.

При изготовлении втулки 6 ее боковую цилиндрическую поверхность делят на одинаковые зоны πD/n в количестве (10÷20 штук) и от зоны к зоне изменяют площади прорезей 7 по косинусоидальной зависимости:

Суммарная тепловая проводимость К _вт с гироблока 4 через втулку 6 определяется интегрированием тепловых проводимостей по периметру втулки 6

Окончательно после интегрирования

Тепло Q_о, выделяемое в гироблоке 4 при его работе, через втулку 6 сбрасывается на основание 3 по закону Фурье

где Т_δ, Т_о - температуры гироблока 4 и основания 3 соответственно.

Из уравнений (12) и (13) определяют величину

За счет вариации δ, H₁, λ можно варьировать величину К в очень широких пределах, следовательно, можно использовать данную конструкцию втулки 6 для широкого спектра гироприборов и условий окружающей среды. Сейчас в практике гироприборостроения часто бывает, что отдельные поплавковые гироблоки имеют разную рабочую температуру (по условию индивидуальной "нулевой" плавучести) и при эксплуатации нескольких таких гироблоков в одном устройстве, за счет индивидуального подбора тепловыравнивающих втулок (например, с разной δ) можно обеспечить комфортные тепловые режимы чувствительных элементов, установленных на гироскопическом устройстве.

Устройство работает следующим образом.

Тепло, выделяемое гироблоком 4 в процессе его работы, через установочный фланец 5 и тепловыравнивающую втулку 6 поступают на основание 3. С основания 3 тепло уходит через опору 2 на корпус 1. Различные по окружности (по периметру) участки установочного фланца 5 гироблока 4 на разном расстоянии от опоры 2, поэтому тепловыравнивающая втулка 6 установлена так, что ее максимальные по размерам прорези 7 (а, следовательно, максимальное термическое сопротивление втулки 6) расположены под участками установочного фланца 5, находящимися ближе всего к опоре 2, а минимальные по размерам прорези 7 расположены под участками фланца 5, наиболее удаленными от опоры 2. Изменение термического сопротивления втулки 6 компенсирует изменение расстояния от разных участков установочного фланца 5 до опоры 2, результатом чего является выравнивание тепловых потоков по периметру установочного фланца 5 гироблока 4.

Таким образом, предлагаемое техническое решение за счет возможности варьирования параметров (δ, H₁, λ) конструкции тепловыравнивающей втулки исключает практически полностью температурные градиенты по периметру установочного фланца гироблока, обеспечивает нормированное в широком диапазоне тепловое сопротивление между гироблоком и основанием, а также устраняет местные температурные искажения посадочной поверхности установочного фланца гироблока, что на порядок снижает систематическую погрешность его показаний. Все это позволяет в 5-10 раз уменьшить погрешности гироскопического устройства, зависящие от температурных полей, что особенно важно для приборов, работающих или испытываемых в поле сил тяжести (ускорений).

Кроме того, в предлагаемом устройстве конструкция тепловыравнивающей втулки проста в изготовлении, прорези выполняют в ее боковой цилиндрической поверхности, не обрабатываемой прецизионно.

Источники информации

1. Никитин Е.А., Балашова А.А. Проектирование дифференцирующих и интегрирующих гироскопов и акселерометров. М.: Машиностроение, 1969.

2. Патент США №3004436, НКИ 74-5, 1961.

3. Авторское свидетельство СССР №1840630, МКИ G01C, 2007 г.

4. Исаченко В.П. и др. Теплопередача, М.: Энергоиздат, 1981 г.

Формула изобретения

Гироскопическое устройство, содержащее корпус, в котором на опорах установлено основание с тепловыравнивающей цилиндрической втулкой со сквозными прорезями, гироблок с фланцем, расположенным на тепловыравнивающей цилиндрической втулке, отношение геометрических параметров сквозных прорезей которой к геометрическим параметрам самой тепловыравнивающей цилиндрической втулки пропорционально изменению косинуса угла, отсчитываемого от прямой, соединяющей геометрические центры тепловыравнивающей цилиндрической втулки и опоры основания, отличающееся тем, что, с целью повышения точности путем уменьшения погрешности от температурных полей и упрощения конструкции, сквозные прорези выполнены по периметру боковой поверхности тепловыравнивающей цилиндрической втулки, толщина стенки которой удовлетворяет соотношению

а Н₁=80÷90%Н,

где Н ₁ - высота прорезей на боковой поверхности тепловыравнивающей цилиндрической втулки;

Q_о - тепло, выделяющееся при работе в гироблоке;

Т_δ - рабочая температура гироблока;

Т _о - температура основания устройства;

D - средний диаметр тепловыравнивающей цилиндрической втулки;

λ - теплопроводность материала втулки;

H - высота тепловыравнивающей цилиндрической втулки.

2. Гироскопическое устройство по п.1, отличающееся тем, что отношение геометрических параметров сквозных прорезей тепловыравнивающей цилиндрической втулки к геометрическим параметрам самой тепловыравнивающей цилиндрической втулки пропорциональное изменению косинуса угла, отсчитываемого от прямой, соединяющей геометрические центры тепловыравнивающей цилиндрической втулки и опоры основания определяется следующей зависимостью

,

где L_прi - длина прорези на i-зоне;

n - количество зон, на которые разбивается боковая поверхность тепловыравнивающей цилиндрической втулки;

i - номер зоны;

πD - периметр боковой поверхности тепловыравнивающей цилиндрической втулки;

ϕ - угол отсчета от прямой, соединяющей геометрические центры тепловыравнивающей цилиндрической втулки О' и опоры основания O".

РИСУНКИ