气动陀螺仪 _生活百科

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气动陀螺仪【气动陀螺仪】气动陀螺仪是利用高速旋转的转子与内框架之间所形成的动压气膜支承转子，这种方式称为动压气浮支承。由于气体的粘度比液体粘度小，气体轴承具有摩擦阻力小、功耗低、转速高、无污染等优点，採用气体润滑的高速轴承能够提高仪表的可靠性、寿命和精度，气体润滑轴承的这些优点，使得它非常适合于惯性器件的製作，而且相对于已有的气浮陀螺仪来说有进一步提高精度、降低成本、简化结构、减小体积的可能。
基本介绍中文名：气动陀螺仪
外文名：Gas-Floated and Driven Gyroscope
作用：提高仪表的可靠性、寿命和精度
介绍自陀螺仪问世以来，因其具有不受制于任何外界信息而能测量出载体姿态信息的能力而被套用在航空、航天、航海等领域中。随着社会的进步，惯性技术的不断发展，以陀螺仪为核心器件的测量系统己从传统的军用市场走向广阔的民用市场。发展陀螺仪及其相关技术，一直是各国重点研究的内容之一，也成为衡量一个国家科技水平和军事实力的重要标誌之一。除了不断开发新型陀螺仪以外，对已有的陀螺仪通过技术革新，提高精度、降低成本也具有重要的现实意义。虽然静电陀螺仪和液浮陀螺仪具有很高的精度，但是结构複杂，价格昂贵，套用不是广泛；而目前在研究的固体陀螺仪技术还不成熟，存在较多的技术难点要突破，要想达到更高的精度、更广泛的套用还需要投入大量的几力和财力进行探索和研究。相比较而言由于气体的粘度比液体粘度小，气体轴承具有摩擦阻力小、功耗低、转速高、无污染等优点，採用气体润滑的高速轴承能够提高仪表的可靠性、寿命和精度，气体润滑轴承的这些优点，使得它非常适合于惯性器件的製作，而且相对于已有的气浮陀螺仪来说有进一步提高精度、降低成本、简化结构、减小体积的可能。通过相容性条件统一了狭缝气膜和球面润滑气膜，採用三角形有限单元划分统一后的气膜，以小扰动法为基础将陀螺轴承内的气膜压力分解为静态压力和动态压力两部分，通过迦辽金加二阶微分降为一阶微分，以降低对插值函式连续性的要求，根据气体流量守恆方程和稳态压力方程求解气膜内的稳态压力，进而求得动态压力和陀螺轴承气膜的动态特性係数，并分析陀螺仪轴承结构参数对动态性能的影响规律。以陀螺仪轴承转子的动态性能参数为基础，根据陀螺仪转子的运动方程，得到陀螺轴承转子稳定运转时的临界稳定性方程，进而求得用临界质量来表示陀螺仪转子稳定运转的稳定性判据。根据此判据，分析陀螺仪轴承各结构参数对稳定性的影响规律，结合气体陀螺轴承的静态承载性能，对陀螺仪转子结构进行多目标最佳化设计，以其得到具有较高的静态承载性能和动态稳定性的结构。为了陀螺仪能够稳定运转，减小由不平衡量引起的机械漂移误差，必须对陀螺仪转子进行平衡。本文针对新型结构的陀螺仪转子存在球心位置难以确定，质心不在转子实体上的特点，提出了辅助件初始静平衡气浮单摆精密静平衡动平衡的思路和方法，解决了该结构类型陀螺仪转子的平衡问题。关键技术研究气浮陀螺仪技术涉及气体轴承技术、惯性器件的加工製造技术、陀螺仪漂移率的控制技术等内容。气体轴承技术方面，轴承性能的数值计算方法、轴承型式、轴承设计和工作参数、加工装配误差对轴承性能的影响等都是研究的重点；而要提高陀螺仪的漂移精度，可以从提高陀螺转子的转速、减小干扰力矩、增大极轴转动惯量等方面採取措施；而陀螺器件加工製造误差、转子的平衡精度,也会直接影响陀螺仪的漂移精度。气体轴承性能的研究轴承承载性能的好坏直接决定气浮陀螺仪的性能。因此，对气体轴承性能的设计和计算,是气浮陀螺仪设计的基础。气体轴承型式、参数对轴承性能的影响气体轴承的一个主要缺点是承载能力差、刚度低，而陀螺仪支承需要有高的刚度，这除了可保证良好的支承性能外，载荷变化时还能使陀螺仪保持轴心位置较小的变化，以减小因轴承不同心引起的干扰力矩。所以，如何保证和提高气体轴承的支承刚度一直是气浮陀螺仪研究的重点之一。气浮轴承的刚度和轴承的润滑方式、节流形式、结构参数、供气压力等有关。轴承结构和设计参数对轴承性能的影响合理的轴承结构和设计参数是良好性能的基础，对轴承性能影响较大的参数有轴承形状、直径尺寸、气膜间隙大小、节流器尺寸和数目、供气压力等。现状问题目前，气浮陀螺仪的研究中急需解决以下问题：一是开发新结构的气浮陀螺仪，以提高陀螺仪的性能、降低成本和工艺难度。另一方面，需要将近年来气体轴承的研究成果和研究方法，套用于气浮陀螺仪的研究中，完善润滑理论分析和计算，以提高气浮陀螺仪的承载性能、刚度和稳定性。另外，还需针对气浮陀螺仪干扰力矩进行理论分析和研究，以提高陀螺仪的漂移精度。具体来说：在结构及节流方式方面传统技术有待改进以往的研究对球形二自由度气浮陀螺仪的结构进行过多种尝试，但目前还存在很多问题，如何改进其结构和工作原理，提高该类陀螺仪的漂移精度和工艺可行性，是亟待解决的问题。目前套用的球形静压轴承多採用小孔节流,这种节流方式在工艺上容易实现,但气体干扰力矩大,对陀螺仪精度影响不容忽视；另外，其支承刚度不佳。採用狭缝节流的气体轴承，理论上即可提高支承刚度，又可较好的控制气体干扰力矩,因此在球形气浮陀螺仪上採用狭缝节流值得研究尝试。对球形气浮轴承支承性能的研究尚存不足伴随着新型结构轴承的出现，利用发展的计算机技术,用更精确的数值模型对新结构轴承进行精确的数值求解,一直都是一个重要的研究课题，这对保证陀螺仪良好的支承性能至关重要。以往的研究中，针对轴颈和平面止推气体轴承的研究开展的很多也比较充分，但随着球形气浮陀螺仪、卫星气浮台、静平衡机等的发展，针对球形气体轴承承载性能的研究成为这类设备製造的关键。而卫星气浮台、静平衡机中套用的球形气浮轴承，工作在静态下，一般採用小孔节流局部承载静压轴承的型式，因此以往的研究仅涉及单孔或单列孔节流、局部承载面支承、静压润滑条件。对气体干扰力矩的分析和求解研究欠缺对气体干扰力矩研究，一直是气体润滑轴承研究的一个薄弱环节。对于高精度气浮台、静平衡机来说，气体干扰力矩的存在和控制是其製造和套用的难点，而对球形气浮陀螺仪来说,气体干扰力矩是其最主要干扰力矩之一，是影响其漂移精度的关键因素，因此对气体干扰力矩的研究无法迴避,成为刻不容缓的任务。气浮陀螺仪驱动技术有待改进以往的自由转子气浮陀螺仪通常採用电场或磁场驱动和恆速装置，来驱动和控制转子的转速。而这会引入电磁干扰力矩,引起转子的漂移。这些干扰力矩的消除，需要额外的附属装置，且不容易保证效果。