一種球形氣浮氣動(dòng)陀螺儀的研制及其相關(guān)技術(shù)的研究.pdf

1、自陀螺儀問世以來，因其具有不受制于任何外界信息而能測量出載體姿態(tài)信息的能力而被應(yīng)用在航空、航天、航海等領(lǐng)域中。隨著社會(huì)的進(jìn)步，慣性技術(shù)的不斷發(fā)展，以陀螺儀為核心器件的測量系統(tǒng)已從傳統(tǒng)的軍用市場走向廣闊的民用市場。發(fā)展陀螺儀及其相關(guān)技術(shù)，一直是各國重點(diǎn)研究的內(nèi)容之一，也成為衡量一個(gè)國家科技水平和軍事實(shí)力的重要標(biāo)志之一。除了不斷開發(fā)新型陀螺儀以外，對已有的陀螺儀通過技術(shù)革新，提高精度、降低成本也具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。雖然靜電陀螺儀和液浮陀螺儀

2、具有很高的精度，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，應(yīng)用不是廣泛；而目前在研究的固體陀螺儀技術(shù)還不成熟，存在較多的技術(shù)難點(diǎn)要突破，要想達(dá)到更高的精度、更廣泛的應(yīng)用還需要投入大量的人力和財(cái)力進(jìn)行探索和研究。相比較而言由于氣體的粘度比液體粘度小，氣體軸承具有摩擦阻力小、功耗低、轉(zhuǎn)速高、無污染等優(yōu)點(diǎn)，采用氣體潤滑的高速軸承能夠提高儀表的可靠性、壽命和精度，氣體潤滑軸承的這些優(yōu)點(diǎn)，使得它非常適合于慣性器件的制作，而且相對于已有的氣浮陀螺儀來說有進(jìn)一步提高精

3、度、降低成本、簡化結(jié)構(gòu)、減小體積的可能。因此研制一種高精度、低成本、小型化的氣浮陀螺儀具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文將氣體軸承技術(shù)與氣動(dòng)技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來，提出了一種新型氣浮氣動(dòng)陀螺儀的基本結(jié)構(gòu)，建立了該陀螺儀的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分析研究了轉(zhuǎn)子圓周上的氣動(dòng)噴嘴、供氣壓力等相關(guān)參數(shù)對陀螺儀穩(wěn)定工作性能的影響，同時(shí)分析了轉(zhuǎn)子不平衡量等參數(shù)對陀螺儀漂移誤差的影響情況，為陀螺儀的設(shè)計(jì)和加工提供了理論依據(jù)。
　　為進(jìn)一步改善氣浮氣動(dòng)陀螺儀的

4、啟停性能，減小陀螺轉(zhuǎn)子啟停過程的碰磨，延長該陀螺儀的使用壽命，提出了采用實(shí)心轉(zhuǎn)子電機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)的方案。通過施加電磁力矩后陀螺儀的動(dòng)力學(xué)模型，分析研究了陀螺儀結(jié)構(gòu)參數(shù)以及電機(jī)相關(guān)參數(shù)對氣浮氣動(dòng)陀螺儀驅(qū)動(dòng)及制動(dòng)性能的影響規(guī)律，為選擇和設(shè)計(jì)電機(jī)以保證氣浮氣動(dòng)陀螺儀具有更好的啟停性能奠定了基礎(chǔ)。
　　要保證氣浮氣動(dòng)陀螺儀轉(zhuǎn)子能夠穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，首要任務(wù)就是要對氣浮軸承進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，確定氣浮軸承的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。本文針對新型結(jié)構(gòu)的氣浮陀螺軸承提

5、出了一種求解具有類似結(jié)構(gòu)氣體軸承動(dòng)態(tài)性能的方法：通過相容性條件統(tǒng)一了狹縫氣膜和球面潤滑氣膜，采用三角形有限單元?jiǎng)澐纸y(tǒng)一后的氣膜，以小擾動(dòng)法為基礎(chǔ)將陀螺軸承內(nèi)的氣膜壓力分解為靜態(tài)壓力和動(dòng)態(tài)壓力兩部分，通過迦遼金加權(quán)余量法將雷諾方程中的二階微分降為一階微分，以降低對插值函數(shù)連續(xù)性的要求，根據(jù)氣體流量守恒方程和穩(wěn)態(tài)壓力方程求解氣膜內(nèi)的穩(wěn)態(tài)壓力，進(jìn)而求得動(dòng)態(tài)壓力和陀螺軸承氣膜的動(dòng)態(tài)特性系數(shù)，并分析陀螺儀軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)對動(dòng)態(tài)性能的影響規(guī)律。

6、　　以陀螺儀軸承轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)陀螺儀轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方程，得到陀螺軸承轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的臨界穩(wěn)定性方程，進(jìn)而求得用臨界質(zhì)量來表示陀螺儀轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性判據(jù)。根據(jù)此判據(jù)，分析陀螺儀軸承各結(jié)構(gòu)參數(shù)對穩(wěn)定性的影響規(guī)律，結(jié)合氣體陀螺軸承的靜態(tài)承載性能，對陀螺儀轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以其得到具有較高的靜態(tài)承載性能和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)。
　　為了陀螺儀能夠穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，減小由不平衡量引起的機(jī)械漂移誤差，必須對陀螺儀轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡。本