8. ОПОРЫ ГИРОСКОПИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Развитие современного машино- и приборостроения, в частности гироскопии, определило высокие требования к точности работы устройств и систем, их надежности и сроку службы. Выполнение этих требований возможно при создании прецизионных и долговечных подшипниковых узлов.

В гироскопических устройствах и системах применяют:

1) обычные механические опоры с улучшенными характеристиками (шарикоподшипниковые, опоры на камнях, торсионные и др.);

2) опоры новых типов для подвеса чувствительного элемента.

Опоры первого типа широко известны и применяются в большинстве гироскопических приборов. Это прежде всего поплавковые подвесы (рис. XV.29), в которых для уменьшения давления чувствительного элемента на опору используется выталкивающая сила жидкости; «сухие» гироскопические приборы с применением трехколечных шарикоподшипниковых опор с принудительной раскачкой (или вращением) промежуточных колец (рис. XV.30), а также прецизионные шарикоподшипники.

Подвесы новейших типов наиболее широко используются при разработке электростатических и электромагнитных, криогенных и газовых гироскопов. Основными эксплуатационными характеристиками этих устройств являются центрирующая сила и жесткость подвеса.

Магнитные подвесы (рис. XV.29) применяются, в частности, для точного центрирования поплавкового гироузла в корпусе прибора

Принцип работы подвеса основан на использовании отталкивающего действия электромагнитных сил, создаваемых индукционными устройствами типа «микросин».

В электростатических гироскопах (рис. XV.31) для подвеса сферического ротора гироскопа используется отталкивающее действие электростатических сил, возникающих между двумя электродами, на которые подают высокое напряжение.

Рис. XV.29. Принципиальная схема поплавкового прибора с магнитным подвесом: 1 — корпус; 2 — поплавок; 3 — микросин; 4 — жидкость

Рис. XV.30. Подшипник с промежуточными кольцами: 1 — внутреннее кольцо; 2 — промежуточное; 3 — наружное

Проектирование гироскопов с электростатическим подвесом ротора, требует решения ряда специфических задач: обеспечения высокого вакуума для получения большей напряженности поля между электродами; изготовления сферического чувствительного элемента с высокой степенью точности и др.

Рис. XV.31. Схемы электростатического подвеса: а — принципиальная схема; б — кинематическая: 1 — коррпус; 2 — ротор; 3 — электроды конденсатора; 4 — оптический датчик

Рис. XV. 32. Характеристики резонансного контура — ток; — напряжение на конденсаторе — сила)

В настоящее время известно несколько технических реализаций электростатического подвеса с внутренней и внешней обратной связью, с питанием от источника постоянного и переменного тока и т. д.

Как правило, эти гироскопы нуждаются в специальной настройке электрического контура для обеспечения условий работы подвеса на резонансном участке кривой, характеризующей изменение поддерживающей силы в зависимости от изменения расстояния между электродами (рис. XV.31 и XV.32).

В криогенных гироскопах для подвеса ротора используется явление сверхпроводимости.

Рис. XV.33. Типы газовых подшипников: а — газодинамический; б — газостатический; в — вибронесущий с пьезоэлектрическим вибратором; г — вибронесущий с электромагнитным вибратором: Р — сила давления; — эксцентриситет; — закон колебания шипа; — смещение; — минимальный зазор; — радиус шипа; — закон колебания шипа; 0 — текущая координата, — горизонтальная составляющая силы; — радиус опоры

Известно, что при понижении температуры ниже определенного уровня, характеризующегося критической температурой, электрическое сопротивление ряда металлов, сплавов и механических соединений резко падает (практически до нуля). Если этот проводник замкнут, то наведенный в нем ток продолжает циркулировать, не затухая в течение длительного промежутка времени.

В настоящее время известны 24 элемента, способные становиться сверхпроводниками, и большое количество (более 400) сверхпроводящих сплавов и химических соединений, причем у сплавов один из компонентов может и не быть сверхпроводником, а у химических соединений часто ни один из компонентов не является сверхпроводником. Известно, что силовые линии магнитного поля выталкиваются из материала, находящегося в сверхпроводящем состоянии. Этот эффект и используется для создания подвеса.

Материал ротора должен обладать высоким значением напряженности критического поля и не иметь тенденции к захватыванию магнитного потока. В настоящее время считается, что в наибольшей степени этим требованиям удовлетворяет чистый ниобий, из которого в основном изготовляют роторы.

Перспективным направлением, безусловно, является разработка газовых подшипников, используемых в различных областях техники. Благодаря применению этих подшипников исключается возможность износа в высокоскоростных опорах ротора гироскопа.

Существующие типы газовых подшипников по принципу действия подразделяются на три группы: газодинамические, газостатические и вибронесущие со сдавливанием пленки газа (рис. XV.33).

Газодинамическим называется подшипник, в котором несущий газовый слой образуется вследствие относительного тангенциального движения поверхностей шипа и подшипника.

В газостатическом подшипнике несущий газовый слой образуется в результате подачи газа под избыточным давлением от внешнего источника в подшипниковый зазор.

Вибронесущим называется подшипник, в котором несущий газовый слой образуется вследствие относительного движения шипа по нормали к поверхности. Вибронесущие подшипники подразделяются на подшипники с пьезоэлектрическим и электромагнитным вибраторами. Пьезоэлектрический вибратор предназначен для возбуждения осесимметричных синфазных высокочастотных колебаний частотой до

Электромагнитный вибратор возбуждает плоские низкочастотные колебания частотой от 100 до 1000 Гц.

Перечисленные типы газовых подшипников отличаются по удельной несущей способности, максимальной и минимальной рабочим скоростям, автономности и стоимости изготовления.

Характеристики основных типов газовых подшипников приведены в табл. XV.5.

При наличии внешнего источника газа под давлением и возможности подачи газа в подшипник наибольшей несущей способностью и жесткостью обладают газостатические подшипники. Применение наддува заметно повышает надежность и расширяет рабочий диапазон скоростей ротора. Наиболее совершенные конструкции газостатических подшипников обеспечивают устойчивую работу при минимальном давлении наддува

Основным преимуществом газодинамических подшипников является их автономность, исключающая применение вспомогательных агрегатов. Вместе с тем высокие требования к стабильности и износостойкости материалов, чувствительность к внешним возмущениям и относительно узкий диапазон устойчивости работы ограничивают применение этих подшипников. Серьезным недостатком газодинамических подшипников является большой момент трогания вследствие сухого трения и износ деталей при разгоне и остановке.

В вибронесущем подшипнике несущая способность образуется вследствие периодического изменения толщины слоя газа и

происходящего при этом повышения давления (вибронесущий эффект). Наличие вращения не является необходимым условием возникновения несущей способности, поэтому вибронесущий подшипник можно рассматривать как газостатический с самонаддувом. С другой стороны, вибронесущий подшипник фактически обладает автономностью в машинах и приборах, имеющих электропитание.

Таблица XV. 5 (см. скан) Характеристики основных типов газовых подшипников

Объединив в себе преимущества газостатического (несущая способность при отсутствии вращения) и газодинамического (автономность работы), вибронесущий подшипник дает возможность расширить применение газовой смазки на случай, когда наддув невозможен, а скорость вращения недостаточна для создания необходимого гидродинамического давления.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)

(см. скан)