книги из ГПНТБ / Карпухин А.В. Приборы систем управления ракет учебное пособие

230

Но так как материал ротора обладает магнитной инерцией (гистерезисом), то элементарные магнитики не будут успевать поворачиваться вслед за полюсами /V,5 и возникнет некоторый

угол рассогласования 0 между осью поля и осью наведенных по­ люсов в роторе двигателя. Сила взаимодействия между полюсами

Подобное явление возникновения вращающего момента проис­ ходит при пуске гистерезисного двигателя. В момент пуска,когда на обмотку статора подается переменное напряжение, создающее вращающееся магнитное поле, ротор двигателя перемагничивается с частотой питающей сети. По мере разгона ротора частота перемагничивания уменьшается и в момент, когда ротор достигает синхронной скорости вращения, перемагничивание прекращается. При этом вращающий момент создается в результате взаимодей­ ствия магнитного поля статора с остаточным магнетизмом ротора. Момент гистерезисного двигателя не зависит от скорости враще­

231

ния, а определяется потерями на гистерезис в материале ротора. Кроме гистерезисного момента реальные двигатели имеют асин­

хронный момент, обусловленный вихревыми токами в роторе в мо­ мент разгона ротора до синхронной скорости, когда материал ро­ тора перемагничивается.

4 5

Угол рассогласования 0 определяется свойствами магнитно­ го материала ротора и величиной нагрузки на валу двигателя. Максимальный угол 0 может быть 30-50°, после чего двигатель выпадает из синхронизма.

По устройству гистерезисный двигатель (р и с .5 .8) подобен асинхронному двигателю с мас­ сивным короткозамкнутым ротором. Корпус двигателя I обычно изго­ тавливают литьем из алюминиево­ го сплава. К корпусу прикреп­ лен статорный пакет 2, набран­ ный из листов трансформаторной стали ЭМтолщиной 0,2 мм. В па­ зах статора уложена трехфазная обмотка, соединенная, как пра­ вило, звездой. Ротор двигателя

232

гироскопа напрессован обод 4 из материала с большим удельным весом. Внутрь цилиндра запрессованы кольца из викаллоя 5 . Викаллой представляет собой сплав кобальта (52 - 54%) и ванадия

Ротор установлен на шарикоподшипниках, один из которых за­ креплен в корпусе, а другой - в крышке корпуса.

Материал, из которого изготовлены детали двигателя, выби­ рают из условия постоянства положения центра тяжести ротора при изменении температуры окружающей среды.

Скорость вращения гистерезисного двигателя достигает 30000 об/мин, а кинетический момент ротора - 100 Гем-сек и более.

§ 5 .2 . ОПОРЫ ГИРОСКОПИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

Качество опор гироскопических приборов и устройств в ре­ шающей степени определяет точность их работы, а также срок службы. Поэтому к ним предъявляются очень высокие требования.

Качество реальной опоры характеризуется следующими пара­

Опоры подвеса главной оси гироскопа называются главными опорами, а опоры, установленные по осям рам, - опорами карданова подвеса. Условия работы указанных опор существенно отли­ чаются, следовательно, и предъявляемые к ним требования раз­ личны.

Главные опоры обеспечивают большую скорость вращения ро­ тора гироскопа (до 60000 об/мин), поэтому они быстрее снаши­ ваются. Момент трения в них определяет мощность гиродвигателя и на точность работы гироскопа существенного влияния не ока­ зывает. Качество главных опор определяет в основном срок служ­ бы гироскопа, т .е . время непрерывной работы прибора без сни­ жения заданной точности.

Критерием долговечности подшипников главных опор служит

233

износ подшипников, т .е . относительное смещение торцовых поверх­ ностей внутренних и наружных колец подшипников. Износ подшип­ ников вызывает уменьшение осевых натягов, что приводит к сме­ щению центра тяжести ротора относительно осей подвеса и к ухо­ дам гироскопа.

Интенсивность износа зависит от различных факторов: от скорости вращения подвижного кольца, количества смазки, соот­ ношения между осевой и радиальной нагрузками на подшипник и т .д . Например, интенсивность износа подшипника, вращающегося

Успешное решение этой задачи, зависящее от долговечности глав­ ных опор, обеспечит более длительную работу систем управления спутников, космических аппаратов и подводных кораблей и сущест­ венно сократит время готовности ракет к пуску. В качестве при­ мера значительного срока службы приборов можно привести гиро­ скопы с воздушным подвесом, которые используются в системе управления баллистической трехступенчатой ракеты лМинитмэнп (США) и имеют время работы около 10000 часов.

Момент трения в опорах карданова подвеса определяет точ­ ность работы гироскопических приборов, так как вызывает неже­

момента Мт в опорах подвеса рам гироскопа ограничивает созда­ ние высокочувствительных и точных приборов. Момент трения в шарикоподшипниках карданова подвеса у гироприборов должен быть менее 0,2 Гем.

Большое значение имеет величина осевого люфта главных опор, так как смещение центра тяжести и з-за люфта по оси Z приводит

234

где G- - вес гироузла, Г;

&1г - осевой люфт по оси Z .

Величина ухода тем меньше, чей больше кинетический момент

шение помогает уяснить, почему кинетический момент нецелесооб­ разно повышать за счет увеличения момента инерции. Увеличение

При установке гироскопа в положение, указанное на рис.5.10, смещение центра тяжести по осям рам вследствие радиального

235

осевой л ю ф тд п р и вед ет к уходу гироскопа вокруг оси наружной рамы; а Л1Х - вокруг оси внутренней рамы за счет действия сил инерции.

Если объект движется в направлении, параллельном оси наруж­ ной рамы Y , наличие смещения л ьг вызовет уход гироскопа от­ носительно оси Y под действием суммы силы веса и инерционной силы вследствие полета с ускорением. Смещения же д 1 я и д 1 у н е вызовут уходов гироскопа.

На основании вышеизложенного необходимо из учета допусти­ мых осевых люфтов в опорах располагать на движущемся объекте гироскоп таким образом, чтобы действие сил инерции, которые могут превышать силу веса в несколько раз, не приводило к боль­ шим уходам главной оси гироскопа относительно осей карданова подвеса.

Таким образом, наиболее важным требованием к опорам гиро­ скопа является минимально возможный осевой люфт (порядка не­ скольких микрон), а опоры карданова подвеса к тому же должны иметь возможно меньший момент сил трения Мт , ибо чем меньше трение в опорах подвеса, тем выше точность прибора. Кроме то­ го, к размерам и форме главных опор, ввиду больших скоростей вращения ротора, предъявляются очень жесткие требования. При сбалансированном роторе эти опоры должны исключать перекос осей и эллиптичность, так как при вращении могут возникать зна­ чительные динамические усилия, приводящие к быстрому разруше­ нию прибора.

Самыми распространенными опорами гироприборов являются ша­ рикоподшипники, в последнее время для подвеса осей рам стали применяться гидравлические, воздушные и другие подвесы. Из восьми классов точности шарикоподшипников, выпускаемых промыш­ ленностью, для гироприборов используются три наиболее высоких класса точности: прецизионные, особо прецизионные и сверхпре­ цизионные. Деление на классы точности определяется точностью изготовления шарикоподшипников, состоянием поверхностей бего­ вых канавок колец и величиной моментов сил трения. Отмеченные классы подшипников имеют момент трения не более 0,12 - 0,2 Гем, обладают высокой износоустойчивостью, антикоррозийной стойко­ стью, антимагнитностью и малыми люфтами.

236

Наиболее часто применяются шарикоподшипники следующих ти­ пов (р и с .5 .1 1 ): радиальные а и магнвтные б . Радиальные под­ шипники хорошо воспринимают радиальные нагрузки и применяются в опорах, не испытывающих больших осевых усилий. В опорах,имею­ щих значительные осевые усилия, используются магаетные шарико­ подшипники, которые хорошо воспринимают не только радиальные, но и осевые нагрузки, и имеют малые осевые люфты (3-4 мк,тогда как осевой люфт радиальных подшипников составляет 10-20 мк). Магнвтные подшипники изготавливаются со съемным наружным или

Рис.5 . И

внутренним кольцом. Для уменьшения радиальных люфтов подшипни­ ки устанавливаются на цапфы оси обычно с натягом.

Величина осевого люфта изменяется вследствие температурных измерений длины оси I , поэтому в высокоточных гироскопических приборах применяют опоры со специальными температурными ком­ пенсаторами. В целях ограничения осевого люфта в осях подвеса начинают широко применять радиально-упорные подшипники, где упорная часть - подпятник 2 препятствует осевому перемещению. На рис.5.12 показаны типовые опоры с радиально-упорным подшип­

ми соседних шариков, которое обычно равно (1,00541,01)с1ш. В малогабаритных подшипниках бывает от четырех до восьми шари­ ков. В практике конструирования гироприборов широко стали при­ менять насыпные шарикоподшипники.

237

Распределение нагрузки, действующей на подшипник, зависит от его положения в приборе. При горизонтальном положении под­ шипника добиваются равномерного распределения нагрузки между всеми его шариками. Если подшипник расположен вертикально, на­ грузка на шарики распределяется неравномерно, по некоторой

подшипнике), испытывает шарик, расположенный па линии дейст­ вия силы тяжести & .

Неравномерная нагрузка приводит к деформации шариков и внутреннего кольца, к сближению колец подшипника, к увеличе­ нию износа подшипника и, следовательно, момента трения Мт . Ну­ тационные колебания оси гироскопа приводят к неравномерному износу элементов подшипника, что также увеличивает момент Мт . Среднее значение момента сил трения в шарикоподшипниках опре­

0,0006 см;

De - диаметр беговой дорожки внутреннего кольца; F - сила, воспринимаемая подшипником.

Величина Мт не является величиной постоянной и зависит от коэффициента трения, который определяется расположением шари­

238

ков в беговой дорожке, чистотой и точностью обработки колец под­ шипника и состоянием поверхностей шариков и колец. Исследова­

ного до рабочих оборотов ротора при выключенном напряжении пи­

а иногда доли микрона. При быстром вращении цапфы воздух или другой га з , находящийся в зазоре, увлекаясь цапфой, образует упругую газовую подушку, отделяющую цапфу от втулки. Так как нет механического контакта, сухое трение отсутствует. Газовая подушка или воздушный поток образуется при больших скоростях вращения. Следовательно, при запуске гироскопа и его остановке,

239

когда обороты ротора невелики, цапфа имеет механический контакт со втулкой и,,следовательно, их поверхности истираются, что приводит к увеличению радиального зазора, к разбалансу прибо­ ра и к выходу его из строя.

Чтобы исключить износ рабочих поверхностей газовых опор ротора, опоры изготавливаются из специальных износостойких ма­ териалов, например керамических. Керамические опоры, применя­ емые в гироскопах, получаются на основе окиси алюминия. Они имеют твердость, близкую к твердости алмаза. Отличительнойчертой таких опор является их высокая температурная стабиль­ ность и способность выдерживать несколько тысяч запусков гиро­ двигателя. Срок службы гироприборов с керамическими опорами исчисляется десятками тысяч часов, что указывает на перспек­ тивность их использования в различных автоматических системах управления и навигации.

§ 5 .3 . ТОКОПОДВОДЯЩИЕ УСТРОЙСТВА

Токоподводящие устройства являются ответственными узлами гироприбора и обеспечивают подвод электрического питания к гиродвигателю и ко всем электрическим элементам гироскопа, размещенным на кардановом подвесе и вращающимся относительно корпуса прибора. От качества их изготовления зависит надеж­ ность и точность работы гироскопов.

Токоподводы должны надежно осуществлять постоянную элек­

ки, влажность и т . д . ) . При этом они должны обеспечивать тре­ буемый .угол поворота рам подвеса и должны обладать высокой тепло- и электроизоляционной прочностью. Сопротивление изоля­ ции должно быть не менее 50 Мом, а выдерживаемая температура - не менее 80°С.

Подвод электрического питания в гироскопах обеспечивается с помощью гибких проводников и скользящих контактов. Если уг­ лы возможных поворотов деталей подвеса не превышают 120-150°, применяются гибкие проводники, которые набираются из мельчай­ ших металлических нитей - канители или из отдельных эластич­ ных медных жил диаметром 0,05 мы. Пучок собранных вместе и непереплетенных жилок заключается в шелковую или хлорвиниловую