1.3. Виды гироскопических компасов

В настоящее время разработано и выпускается большое количество ГК, различающихся устройством ЧЭ, способом его коррекции, техническими параметрами, конструктивным исполнением, устройством систем трансляции информации о курсе судна, степенью автоматизации управления работой компаса. Однако многие образцы компасов имеют довольно схожие в своей основе структуры, что позволяет объединить их в группы по степени близости перечисленных выше параметров.

В общем случае все широко распространенные судовые ГК разделяют на две большие группы. Первую составляют изделия, построенные на автономном ЧЭ. Указанный ЧЭ обычно включает в себя один или два гироскопа, имеет пониженный центр массы или сам образует маятник, в результате чего его главная ось стремиться установиться в плоскость меридиана, а также имеет устройство для успокоения прецессионных колебаний. Как правило, он имеет сферическую форму и называется гиросферой (ГС). Автономность ЧЭ заключается в том, что он автоматически ориентируется в пространстве и в рабочем режиме практически отсутствует возможность программного управления его положением. В корпусе прибора ГС размещается с помощью гидравлической системы подвеса.

Вторую группу составляют корректируемые ГК. Эти ГК имеют астатический (уравновешенный) ЧЭ, маятниковая коррекция заменяется электромеханической системой коррекции, которая не только устанавливает ЧЭ в меридиан, но и позволяет осуществлять программное управление его движением. Такие ГК строятся, как правило, на базе трехстепенных поплавковых или динамически настраиваемых гироскопов.

Процесс установления чувствительного элемента в меридиан достаточно длительный и может достигать нескольких часов. С целью его сокращения во многих моделях ГК предусмотрена возможность ручной или автоматической ускоренной выставки ЧЭ. При этом характер этого процесса может быть как колебательным, так и апериодическим.

Наряду с чувствительным элементом и системой подвеса, обеспечивающей его работоспособность, гирокомпас включает в себя системы питания, терморегулирования, следящие системы, контрольно-сигнальные и диагностические системы. Устройство указанных систем определяется моделью прибора. Рассмотрим типовые варианты построения названных систем.

2. Типовые узлы гироскопических компасов

0. Состав и способы подвеса двухгироскопной гиросферы

К ак уже было отмечено выше, большинство современных компасов с автономным чувствительным элементом построены на базе двухгироскопной гиросферы ГС (рис. 2.1), в которой наряду с гироскопами Г₁ и Г₂ расположены гидравлический успокоитель прецессионных колебаний гиросферы (на рисунке не показан), и, возможно, элементы, обеспечивающие ее центрирование относительно резервуара с жидкостью, в который она помещается. Этот резервуар получил название следящей сферы. Нередко в ГС располагаются электроэлементы, преобразующие однофазный переменный ток в трехфазный.

Векторы Н₁ и Н₂ кинетических моментов гироскопов выбираются равными между собой и при отсутствии возмущений составляют с осью ох, жестко связанной с гиросферой, угол ε. Как правило, в статическом состоянии . Сами гироскопы связаны между собой шарнирным механизмом (спарником) С типа антипараллелограм или аналогичным по свойствам зубчатым зацеплением, обеспечивающим возможность совместного поворота гироскопов вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка, только на равные углы δ (рис. 2.1 б) и только в противоположные стороны. Благодаря этому обеспечивается постоянство направления результирующего вектора Н_г относительно осей гиросферы при любом текущем значении угла ε.

Спарник С связан с помощью пружин с корпусом гиросферы, в результате чего после исчезновения возмущающих воздействий, вызвавших отклонение гироскопов, они возвращаются в исходное положение.

Конструктивные особенности гиросферы и компасов вцелом будут рассмотрены ниже. А сейчас только отметим, что использование двух гироскопов в одной ГС позволяет повысить ее устойчивость при наличии качки судна.

Д ля обеспечения высокой точности показаний ГК необходимо его ЧЭ подвесить таким образом, чтобы в процессе работы уровень возмущающих моментов, приложенных к нему, был бы минимальным. Одновременно необходимо позаботиться о том, чтобы система, обеспечивающая съем информации о курсе судна, практически не влияла на ориентацию гиросферы. Достаточно полно указанным требованиям удовлетворяет упоминавшийся выше гидравлический подвес гиросферы с использованием отслеживания ее азимутального положения специальной следящей сферой, с которой связывают датчики информации и другие устройства, обеспечивающие работу гирокомпаса. В качестве примера на рис. 2.2 показана схема подвеса гиросферы, использованная в компасе “Стандарт 14 плюс”, разработанном немецкой фирмой Анщютц [5].

Следящая сфера вместе с гиросферой помещается в емкость, заполненную поддерживающей жидкостью. Плотность жидкости выбирается такой, чтобы гиросфера имела небольшой остаточный вес. Как правило, в основе поддерживающей жидкости лежит дистиллированная вода, что обеспечивает низкий уровень моментов сил вязкого трения, действующих на гиросферу при угловом движении судна. В рабочем состоянии гиросфера центрируется относительно следящей сферы и не имеет никаких механических контактов с ней. Последнее обстоятельство исключает возможность появления моментов сил сухого трения, способных создать зоны застоя гиросферы вблизи меридиана.

Емкость вместе с гиросферой и следящей сферой подвешивается на шаровой опоре к верхней плате прибора, которая, в свою очередь, крепится на трех стойках к его основанию.

В других моделях ГК, например, в отечественных изделиях “Курс -4М” и “Амур-3М”, емкость с поддерживающей жидкостью и следящей сферой устанавливается в корпусе прибора (нактоузе) в кардановом подвесе. Оба указанных вида подвеса используются с целью снижения отклонения от вертикали подвешиваемой системы при наличии качки судна.

И меются различия ГК и по способу центрирования гиросферы относительно следящей сферы. В приведенной выше конструкции ГК фирмы Анщютц эта задача решается с помощью помпы 12 (рис. 2.3), которая прокачивает поддерживающую жидкость в направлении, показанном стрелками. Динамическое давление жидкости обеспечивает взвешивание и центрирование гиросферы относительно следящей сферы. Действительно, при смещении гиросферы, например, вправо зазор между ее поверхностью и поверхностью следящей сферы уменьшается, благодаря чему скорость потока жидкости в этом зазоре становится ниже, чем в противоположном, а давление жидкости выше. В результате возникают силы, возвращающие гиросферу в начальное положение.

Следящая сфера и гиросфера имеют полярные электроды 3 и 10, 4 и 9, соответственно, посредством которых через проводящую поддерживающую жидкость подводится питание к гиромоторам. Сигнал рассогласования гиросферы и следящей сферы снимается с экваториальных электродов 6 и 7.

В отечественных приборах, производство которых значительно сокращено, используется электромагнитное центрирование.

Центрирование гиросферы относительно следящей сферы может также осуществляться путем установки ее на специальной шпильке. В рассматриваемом случае в опоре подвеса присутствует момент сухого трения, который в силу малости остаточного веса гиросферы и радиуса трения имеет незначительную величину.

Указанная схема подвеса использована, например, в гирокомпасе “NAVIGAT VII” фирмы C. PLATH (Litton) (рис. 2.4). Чувствительный элемент ГК в виде двухгироскопной гиросферы 5 помещен в герметичный контейнер 11, азимутальная ориентация которого с помощью следящей системы (на рисунке не показанной) поддерживается соответствующей азимутальной ориентации гиросферы. Контейнер заполняется проводящей жидкостью 10, имеющей такую плотность, чтобы обеспечивалась незначительная положительная плавучесть гиросферы.

Центрирующая шпилька 6 установлена на вертикальном кольце 8 карданова подвеса, горизонтальное кольцо 9 которого связано с корпусом контейнера. Она входит в коническую полость 4, имеющуюся в верхней части гиросферы. Выталкивающая сила жидкости прижимает вершину конуса к острию шпильки, благодаря чему и осуществляется надежное центрирование гиросферы относительно колец карданова подвеса. Центр масс гиросферы расположен ниже центра давления, в результате чего система подвеса имеет положительную маятниковость, удерживающую экваториальную плоскость гиросферы вблизи плоскости горизонта. Питание на гиромоторы поступает через горизонтальное и вертикальное кольцо, центрирующую шпильку и далее через поддерживающую жидкость на электроды контейнера. Вертикальное кольцо подвеса имеет также два контакта датчика угла следящей системы.

Два гироскопа 2, расположенные внутри гиросферы, связаны между собой механической связью 1 типа антипараллелограм и питаются переменным током. Прецессионные колебания гиросферы демпфируются гидравлическим успокоителем колебаний 3. Упругая связь гироскопов с корпусом гиросферы обеспечивается с помощью торсионов 7.