Анализ динамики гироприборов в кардановых подвесах с учетом эффекта предварительного смещения в трении
На правах рукописи
Захаров Юрий Анатольевич
АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ГИРОПРИБОРОВ В КАРДАНОВЫХ
ПОДВЕСАХ С УЧЕТОМ ЭФФЕКТА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО
СМЕЩЕНИЯ В ТРЕНИИ
Специальность 05.11.03 – Приборы навигации
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Саратов – 2010
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»
Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники РФ
доктор технических наук, профессор
Плотников Петр Колестратович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Джашитов Виктор Эмануилович
кандидат технических наук
Пылаев Юрий Константинович
Ведущая организация: Филиал ФГУП «НПЦАП им. академика
Н.А. Пилюгина»-«ПО«Корпус», г.Саратов
Защита диссертации состоится _19__.ноября.2010 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.04 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, ауд. 1/319.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по адресу: 410054, г. Саратов,
ул. Политехническая, 77, ученому секретарю диссертационного совета
Д 212.242.04.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке
ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»
С авторефератом можно ознакомиться на сайте www.sstu.ru
Автореферат разослан _16__.октября.2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета 
В.В. Алешкин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Современный уровень техники характеризуется применением гироприборов новых типов – лазерных (ЛГ), волоконно-оптических (ВОГ), твердотельных волновых (ТВГ), микромеханических (ММГ), которые не имеют карданова подвеса и применяются в БИНС. В то же время все еще применяются и разрабатываются гироприборы, стенды, имеющие кардановы подвесы, что свидетельствует об актуальности темы.
В данной работе исследуются одноосные гиростабилизаторы (ОГС) и их разновидности в виде калибровочных гироскопических стендов (КГС), гиротахометры (ГТ), гировертикали (ГВ) маятниковые (ГМВ) и с радиальной коррекцией (ГВРК), имеющие кардановы подвесы и подверженные действию моментов сил трения. В большинстве случаев в теории гироскопических приборов используется модель трения Амонтона-Кулона. В многочисленных публикациях показано, что моменты сил кулонова трения приводят к зонам застоя (порогам чувствительности) по углам поворотов осей гироскопов, к скачкам трения, приводящим к возмущениям, и, следовательно, к погрешностям гироприборов. Динамика их поведения сложна, в диссертации исследуется экспериментально, а также нелинейными методами анализа, включающими модели трения с учетом эффекта предварительного смещения (ЭПС), т.е. упругого трения, возникающего в зоне смещения в паре трибосопряжения. С учетом этого эффекта в работе пересматриваются устоявшиеся теоретические соотношения для определения зон застоя, поведения элементов в парах трибосопряжений, при срыве к движению и остановках, динамические свойства гироприборов. В частности, этот эффект приводит к уменьшению порогов чувствительности гироприборов.
Целью диссертационной работы является разработка теоретических положений, обеспечивающих повышение точности гироприборов за счет снижения влияния трения и компенсации ошибок. В ней решаются задачи:
- Разработка новых замкнутых моделей силы трения, в виде системы дифференциальных уравнений для одномерных пар трибосопряжений, описывающих эффект предварительного смещения.
- Экспериментальные исследования ОГС (КГС), ГТ, ГМВ с достоверным обнаружением ЭПС в моментах сил трения и с определением параметров зон предварительного смещения (ЗПС).
- Построение дифференциальных уравнений движения ОГС (КГС), ГТ, ГВ с новыми моделями трения и проверка адекватности свойств, установленных при моделировании работы, с результатами экспериментов.
- Разработка схем и алгоритмов для идентификации параметров моделей трения гироприборов ОГС (КГС), ГТ, ГВ, а также для компенсации влияния моментов сил трения на точность указанных приборов.
Применение полученных результатов позволяет повысить точность гироприборов не только за счет компенсации, но также за счет более точного учета моментов сил трения уже на стадии проектирования приборов, причем не только гироскопических, но и других типов.
Объектом исследования являются одноосные гиростабилизаторы, гировертикали, гиротахометры, с учетом ЭПС в трении по осям их подвесов.
Методы исследования применены экспериментальные и теоретические.
Экспериментальные исследования гироприборов, в которых были применены лазерно-угломерный способ съема информации, видеосъемка с компьютерной обработкой информации, производились непосредственно с выпущенными промышленностью ГАГ-3, КГС КХ4.136.346, ГД-3, ДК-14.
В теоретической части использован аппарат теории обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений, теории идентификации, методы программирования и компьютерного моделирования, теории колебаний.
Достоверность и обоснованность результатов подтверждаются соответствием теоретических результатов, в том числе полученных математическим моделированием, с результатами физических опытов.
Научная новизна
- Построены полная и упрощенные модели силы трения, а также уравнения движения ОГС (КГС), ГТ, ГВ с этими моделями.
- Определены экспериментальным путем в ГТ, ГМВ, ОГС (КГС) параметры зон предварительного смещения в трении, лежащие в пределах углов от 10 угл. с до 4…5 угл. мин с моментами сил трения от 0,2…0,3 сН·см до 50…60 сН·см. Показано, что пороги чувствительности (зоны застоя) по углам поворотов осей подвеса в несколько раз меньше теоретических.
- Произведен формульный и методом математического моделирования по уравнениям движения ОГС (КГС), ГТ, ГМВ, анализ движений, с использованием разработанных моделей сил трения, показывающий адекватность этих результатов физическому эксперименту.
- Разработаны схемы и алгоритмы идентификации и компенсации влияния трения с учетом ЭПС в выходных сигналах ОГС (КГС), ГТ. Практическая значимость работы
- Выведенные уравнения движения гироприборов с указанными моделями трения базируются на свойствах и параметрах реальных приборов и могут быть использованы при проектировании и модернизации аналогов.
- Схемы и алгоритмы идентификации сил трения в ОГС (КГС), а также компенсации их влияния в выходных сигналах приборов непосредственно применены на филиале ФГУП «НПЦАП» - «ПО «Корпус», г. Саратов.
Апробация результатов. Сделаны доклады:
- На VI и IX съездах по теоретической и прикладной механике СССР и РФ в 1986 и 2006 гг. соответственно.
- На Всесоюзной научно-технической конференции «Гироскопические системы и их элементы» в МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1986 г.
- На семинарах кафедры приборостроения СГТУ в 1986-2010 гг.
- На Всероссийской научно-технической конференции «Гироскопические системы и их элементы» в СГТУ, г. Саратов, 1992 г.
- На XV Международной конференции по интегрированным навигационным системам, г. Санкт-Петербург, 2008 г.
Публикации. Результаты отражены в 15 работах общим объемом 4,5 п.л., в т.ч. 2 статьях в журналах из перечня ВАК и 6 авторских свидетельствах и патентах.
Личный вклад автора в этих работах состоит в разработке полной и упрощенных аналитических моделей сил трения, схем и алгоритмов идентификации сил трения в КГС (ОГС), компенсации их влияния в выходных сигналах приборов, лазерно-угломерной методики регистрации малых углов в ЗПС, в проведении экспериментов с гироприборами, в математическом моделировании процессов в гироприборах.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы, приложения. Работа содержит 135 страниц текста с 39 рисунками и 2 таблицами.
На защиту выносятся:
- Математическая модель трения в одномерной паре трибосопряжения, описывающая эффект предварительного смещения в трех вариантах:
- полная – в виде системы трех дифференциальных уравнений первого порядка с переключающими функциями, в которой учитываются скачки трения и его изменение во времени, запоминание состояния процесса;
- усеченная – в виде системы двух дифференциальных уравнений первого порядка, в которой совмещено описание скачков трения и восстановления;
- упрощенная – в виде дифференциального уравнения первого порядка с переключающими функциями, в которой не учитываются скачки трения.
- Результаты экспериментальных исследований гироприборов в кардановых подвесах ОГС, ГТ, ГМВ, на предмет определения влияния ЗПС на их характеристики, а также новых свойств гироприборов с учетом ЭПС.
- Дифференциальные уравнения движения ОГС, ГТ, ГВ, дополненные либо полными, либо упрощенными разработанными моделями моментов сил трения, учитывающими эффекты предварительного смещения.
- Анализ свойств ОГС, ГТ, ГМВ и описание новых свойств этих приборов, обусловленных эффектом предварительного смещения в трении.
- Схемы и алгоритмы идентификации и компенсации влияния трения в выходных сигналах приборов, рекомендации по снижению влияния трения.
Содержание работЫ
Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна, практическая значимость, научные положения и результаты работы, выносимые на защиту.
В первой главе дается анализ научно-технической литературы по теме диссертации. Он показывает, что при исследовании статики и динамики гироприборов преимущественно используется модель трения в виде закона Амонтона-Кулона. Такая модель использована в трудах А.Н. Крылова, А.Ю. Ишлинского, Б.В. Булгакова, Н.В. Бутенина, Д.М. Климова, М.А. Павловского и др. Впервые учтена нормальная упругая податливость пары трибосопряжения в работе П. Контенсу по гиромаятнику Флериэ, которая существенно развита В.Ф. Журавлевым, и им взяты интегралы для касательных напряжений, выведен момент трения верчения и произведены разложения Падэ для сил трения скольжения и верчения. Этой моделью им было описано явление «шимми» и ряд других свойств устройств механики.
Применительно к гиротахометрам с механической пружиной известно исследование А.П. Коржова, в котором он методом припасовывания решает задачу о движении главной оси гироскопа при учете действия момента сил кулонова трения. В трудах А.А. Одинцова, C.C. Ривкина, А.М. Лестева, Р. Граммеля, К. Магнуса и др. также исследовалось влияние момента сил кулонова трения на поведение гироприборов.
Видимо, первой работой, в которой в моменте сил трения гиротахометра учтен эффект предварительного смещения, была кандидатская диссертация П.К. Плотникова (1966). Исследования по ОГС содержат уравнения движения с моментами сил кулонова трения по осям. Наибольшее влияние на погрешности ОГС оказывает момент сил трения на оси стабилизации, т.к. момент сил трения по оси подвески внутренней рамы снижается за счет применения поплавкового или других подвесов. По этой причине актуальны и меры по снижению влияния момента сил трения по оси стабилизации ОГС.
В зарубежной литературе по механике и системам управления движением транспорта исследуются модели трения, в которых учитываются эффекты предварительного смещения. Отметим труды P.A. Dahl, H. Olsson, K.J. Astrm, C.L. Canudas de Wit, P.A. Bliman, M. Sorin, A. Dauron и других.
Далее в первой главе описываются объекты исследования.
Объекты исследования. В качестве базового объекта исследования выступает трехстепенный гироскоп в кардановом подвесе (элементы 1,2,9 рис. 1). На его основе получены разновидности конкретных гироприборов. Первый – это ОГС, являющийся азимутальным гироскопом (ОГС-А), второй – это ОГС в виде калибровочного гироскопического стенда (КГС) (рис.1).
