Амортизированный гравиметр
Владельцы патента RU 2792153:
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации (RU)
Изобретение относится к гравиметрам для определения ускорения силы тяжести. Сущность: устройство содержит гравиметрический датчик, установленный в гироплатформу для гироскопической стабилизации датчика, помещенную на амортизирующее устройство. Ось чувствительности гравиметрического датчика направлена вертикально и перпендикулярна плоскости гироплатформы. Центр жесткости упругой системы амортизирующего устройства совпадает с центром масс гироплатформы и гравиметрического датчика. При этом собственные частоты упругой системы амортизирующего устройства при поступательных движениях по трем ортогональным направлениям равны. Технический результат: снижение чувствительности гравиметра к внешним инерционным ускорениям, повышение производительности гравиметрической съемки. 3 ил.
Изобретение относится к области геофизического приборостроения, в частности, к устройствам для измерения силы тяжести на борту подвижного объекта, и может быть использовано для определения параметров гравитационного поля Земли.
Известны гравиметры для определения ускорения силы тяжести в процессе морской гравиметрической съемки [В.Г. Пешехонов, А.В. Соколов, Л.К. Железняк, А.Д. Береза, А.А. Краснов. Вклад навигационных технологий в создание мобильных гравиметров // Гироскопия и навигация. 2019. Т. 27. №4. С. 162-180]. При наземной съемке определение относительных значений ускорения силы тяжести производится с использованием переносных гравиметров [ГОСТ 13017-83. Гравиметры наземные. Общие технические условия].
Конструкции морских и наземных гравиметров не рассчитаны на применение на борту подвижного объекта, перемещающегося со значительной скоростью и подвергающегося интенсивным ударам и вибрации, например, самолета, вертолета или автомобиля. Для уменьшения влияния наклонов и качки на борту подвижных объектов чувствительный элемент гравиметрического датчика размещают в кардановом подвесе гироплатформы, при этом ось чувствительности гравиметрического датчика направлена вертикально и перпендикулярна плоскости гироплатформы. Гироплатформа предназначена для обеспечения угловой гироскопической стабилизации гравиметрического датчика. Для уменьшения воздействия вибрации и ударов на чувствительный элемент гироплатформу с гравиметрическим датчиком размещают на амортизирующее устройство, имеющее сравнительно низкую собственную частоту упругой системы (3-20 Гц) и высокое демпфирование, что позволяет эффективно снижать инерционные воздействия.
Известна конструкция аэрогравиметра GT-2A для измерения силы тяжести (http:/aerogeo.ru/resursy/oborudovanie/aerogravimetr-gt-2a/), содержащего гравиметрический датчик, установленный на гироплатформу для гиростабилизации датчика, при этом ось чувствительности гравиметрического датчика направлена вертикально и перпендикулярна плоскости гироплатформы, а гироплатформа с гравиметрическим датчиком помещена на амортизирующее устройство, содержащее ортогонально расположенные демпферы и упругие элементы в виде спиральных пружин. Само амортизирующее устройство размещено под гироплатформой и обеспечивает уменьшение воздействия поступательной вибрации, особенно вертикальной.
Недостатком данной конструкции является смещение вверх центра масс гироплатформы с гравиметрическим датчиком относительно центра жесткости амортизирующего устройства, что создает механическую структуру в виде верхнего маятника. Вследствие этого при горизонтальной поступательной вибрации объекта возникают существенные смещения центра масс из-за низкой собственной частоты упругой системы амортизирующего устройства, что приводит к угловым колебаниям гироплатформы с гравиметрическим датчиком, затрудняющим работу системы гироскопической стабилизации гравиметрического датчика, и создает значительные погрешности гравиметра при использовании его на подвижном объекте.
В качестве прототипа по наибольшему числу общих существенных признаков принят гравиметр из состава аэрогравиметрического комплекса [Патент RU 2090911], содержащий гравиметрический датчик, установленный в гироплатформу для гироскопической стабилизации датчика, при этом ось чувствительности гравиметрического датчика направлена вертикально и перпендикулярна плоскости платформы, а сама гироплатформа помещена в амортизирующее устройство. Гироплатформа с гравиметрическим датчиком размещена в контейнере, который снабжен узлами крепления упругих и демпфирующих элементов амортизирующего устройства, причем узлы крепления расположены симметрично в горизонтальной плоскости, в которой находится центр масс контейнера с содержимым, и симметрично вертикальной оси, проходящей через центр масс. Приближение узлов крепления к плоскости, в которой расположен центр масс системы, значительно снижает угловые колебания гироплатформы с гравиметрическим датчиком под воздействием инерционных ускорений (вибраций и ударов).
Недостаток рассматриваемого прототипа состоит в том, что в приборе не регламентируется положение центра жесткости упругой системы амортизирующего устройства. При несовпадении центра масс и центра жесткости в системе под воздействием внешних сил возникают крутильные колебания. В конструкции прототипа каждый амортизатор амортизирующего устройства выполнен в виде отдельных ортогонально расположенных упругих элементов и демпферов (в описании упоминается только одна вертикально расположенная пружина и три демпфирующих элемента), что дополнительно осложняет обеспечение требуемого положения центра жесткости. Кроме того, отсутствие требований к значениям жесткостей и собственных частот упругой системы амортизирующего устройства по различным поступательным направлениям приводит к угловым колебаниям гравиметрического датчика вследствие неравножесткости упругой системы, т.е. смещения центра масс по направлению, не совпадающему с направлением действия внешней силы.
Решаемая техническая проблема - снижение чувствительности гравиметра к внешним инерционным ускорениям и повышение его эксплуатационных характеристик.
Достигаемый технический результат - повышение производительности наземной гравиметрической съемки за счет обеспечения возможности ее выполнения с борта автомобиля.
Согласно изобретению, указанная проблема решается тем, что в амортизированном гравиметре гравиметрический датчик устанавливается в гироплатформу для его гироскопической стабилизации, при этом ось чувствительности гравиметрического датчика направлена вертикально и перпендикулярна плоскости гироплатформы, а сама гироплатформа помещена на амортизирующее устройство, причем центр жесткости упругой системы амортизирующего устройства совпадает с центром масс гироплатформы и гравиметрического датчика. Амортизирующее устройство, на котором установлена гироплатформа с гравиметрическим датчиком, имеет одинаковые собственные частоты по поступательным направлениям, что обеспечивает отсутствие моментов от неравножесткости упругой системы. Это позволяет избежать угловых колебаний гравиметрического датчика, вызванных воздействием вибрации и ударов, и повысить эксплуатационные характеристики гравиметра.
Сущность и функционирование изобретения поясняется следующими чертежами: фиг. 1 - общий вид амортизированного гравиметра; фиг. 2 - сечение амортизированного гравиметра (вырезана четверть); фиг. 3 - общий вид амортизирующего устройства.
На фиг. 1-3 введены следующие обозначения:
1 - наружная горизонтальная ось амортизирующего устройства,
2 - внутренняя горизонтальная ось амортизирующего устройства,
3 - вертикальная ось амортизирующего устройства,
4 - амортизирующее устройство,
5 - гироплатформа,
6 - гравиметрический датчик,
7 - центр масс гироплатформы и гравиметрического датчика, совпадающий с центром жесткости амортизирующего устройства,
8 - карданов подвес гироплатформы,
9 - гироскоп,
10 - акселерометр,
11 - пакет плоских пружин,
12 - угловой кронштейн,
13 - планка,
14 - лапа,
15 - П-образный кронштейн,
16 - направляющая,
17 - установочная плита,
18 - пружина,
19 - демпфер,
20 - тяга
Амортизированный гравиметр содержит гироплатформу 5 с гравиметрическим датчиком 6, которая размещена в амортизирующем устройстве 4. Центр масс гироплатформы 5 и гравиметрического датчика 6 расположен в центре упругого подвеса амортизирующего устройства 4 и совпадает с центром жесткости, представляющим собой точку приложения внутренних сил упругости подвеса амортизирующего устройства 4. Амортизирующее устройство 4 обеспечивает возможность поступательного перемещения гироплатформы 5 с гравиметрическим датчиком 6 по трем ортогональным направлениям, обозначенным осями 1, 2, 3.
Гироплатформа 5 содержит карданов подвес 8, в котором размещен гравиметрический датчик, ось чувствительности гравиметрического датчика направлена вертикально вверх по оси 3 и перпендикулярна плоскости гироплатформы. На гироплатформе 5 установлены гироскопы 9 и акселерометры 10 для обеспечения гироскопической стабилизации гравиметрического датчика.
Амортизирующее устройство 4 представляет собой конструкцию, в которой гироплатформа 5 с гравиметрическим датчиком 6 соединена с корпусом подвижного объекта (автомобиля) посредством упругого подвеса (далее - подвеса).
Упругие элементы подвеса амортизирующего устройства 4, которые обеспечивают при действии динамических нагрузок возможность перемещения гироплатформы 5 в горизонтальной плоскости по осям 1 и 2, представляют собой четыре пакета плоских пружин 11, расположенных вдоль сторон квадрата, плоскость которого параллельна горизонтальной плоскости. В углах квадрата пакеты плоских пружин 11 соединены угловыми кронштейнами 12 и фиксируются специальными заклепками со сферическими головками в конусных гнездах планок 13, образуя безлюфтовое соединение.
Плоские пружины из пакета 11 выполнены из стальной ленты и собраны в пакет из 5 листов (фиг. 3). Таким образом, каждая сторона квадрата представляет собой многолистовую рессору, известную своей эффективностью и позволяющую расположить центр жесткости подвеса в центре квадрата.
В середине одной пары параллельных пакетов плоских пружин 11 с наружной стороны крепятся лапы 14, с помощью которых амортизирующее устройство устанавливается внутри кабины автомобиля. В середине другой пары параллельных пакетов плоских пружин 11 с внутренней стороны крепится П-образный кронштейн 15, в котором закреплены две вертикальные направляющие 16, по которым на линейных шарикоподшипниках перемещается установочная плита 17 для гироплатформы 5 с гравиметрическим датчиком 6, поддерживаемая винтовыми цилиндрическими пружинами 18 и демпферами 19.
Для предотвращения потери устойчивости пакетов плоских пружин 11 и исключения возникновения крутильных колебаний угловые кронштейны 12 имеют удлинения, которые попарно по диагонали связаны тягами 20.
Функционирование заявленного подвеса амортизирующего устройства обеспечивает возможность поступательных перемещений гироплатформы 5 с гравиметрическим датчиком 6 по трем ортогональным осям 1, 2 и 3, при этом центр масс 7 гироплатформы и датчика совпадает с центром жесткости амортизирующего устройства 4, что исключает возникновение крутильных колебаний при воздействии вибраций и ударов. При совпадении собственных частот упругой системы амортизирующего основания при поступательных движениях по трем ортогональным направлениям исключено возникновение моментов от неравножесткости.
Технико-экономические преимущества изобретения по сравнению с прототипом, характеризующим существующий уровень техники и совпадающим в данном случае с прототипом, заключаются в уменьшении помех прибора от инерционных воздействий и повышении эксплуатационных характеристик гравиметра.
В настоящее время проведены испытания амортизированного гравиметра данной конструкции. Результаты испытаний подтвердили возможность выполнения гравиметрической съемки с борта автомобиля со среднеквадратической погрешностью менее 10-6 м/с2, что удовлетворяет современным требованиям геодезических работ. Продолжительность рейса протяженностью 120 км с 10 пунктами измерений составила 4 ч. Это примерно в 6 раз меньше, чем при использовании переносных гравиметров, что подтверждает повышение производительности наземной гравиметрической съемки.
Таким образом, заявленный технический результат достигнут.
Амортизированный гравиметр для определения ускорения силы тяжести, содержащий гравиметрический датчик, установленный в гироплатформу для гироскопической стабилизации датчика, при этом ось чувствительности гравиметрического датчика направлена вертикально и перпендикулярна плоскости гироплатформы, а сама гироплатформа помещена на амортизирующее устройство, отличающийся тем, что центр жесткости упругой системы амортизирующего устройства совпадает с центром масс гироплатформы и гравиметрического датчика, при этом собственные частоты упругой системы амортизирующего устройства при поступательных движениях по трем ортогональным направлениям равны.
