Гирокомпас Вега

p> ((—(с)=n ( +(x ; (( -(c)=m n ( +(z .

(1. 12) где(x и (z; — сигналы коррекции, являющиеся функциями широты и скорости судна.

Для нахождения этих функций воспользуемся системой четырех уравнений
(1.1) и (1.12), в которую входит шесть неизвестных функций ( ,(c ,( ,(с ,(x
,(z —две из них можно-задать произвольно.

Для получения от гирокомпаса истинного курса зададимся следующими произвольными значениями координат(c и ( в положении равновесия:

(c =0; (*=0.

(1. 13)

Это условие означает, что в положении равновесия нуль следящей сферы будет в плоскости меридиана, а ось кинетического момента гироскопа — в плоскости горизонта.

Частные решения системы уравнений (1.1), (1.12) с учетом условия (1.13) дают формулы сигналов коррекции:

(z = VN / (R u cos( +VE +CвR /H) ; (x = H /Cг(u sin( +VE tg( /R),

(1. 14) и выражения для положения равновесия по двум другим координатам будут:

(* = VN / (R u cos( +VE +CвR /H) ;

(1. 15)

(* = - H /Cг(u sin( +VE tg( /R),

(1. 16)

Следовательно, при вводе в схему управления сигналов коррекции (z и (x
, определяемых выражениями (1.14), из показаний гирокомпаса полностью исключаются скоростная и широтная девиации. Кроме того, величина отклонения оси кинетического момента гироскопа от меридиана (*, определяемая формулой
(1.15), резко уменьшается по сравнению со скоростной девиацией, имевшей место до ввода коррекции, и при скорости порядка 60 узлов в широте 70° достигает всего 0°,2.

Уменьшение скоростной девиации гиросферы (* обусловлено наложением вертикального корректирующего момента (z.

Баллистические девиации. Природа баллистических девиаций курсоуказателя в режиме гирокомпаса в принципе та же, что и у обычных маятниковых гирокомпасов. Разница только в том, что возникающие во время маневрирования ускорения не возмущают гироскоп, поскольку он астатический и обладает нейтральной плавучестью, а воздействуют на индикатор горизонта, который при этом вырабатывает дополнительный сигнал, пропорциональный величине dVN /g dt , т. е. пропорциональный северной составляющей ускорения.

Этот сигнал вызовет соответствующее закручивание горизонтальных и вертикальных торсионов, которое будет продолжаться в течение всего времени действия ускорения, и в результате приведет к отклонению гиросферы от положения равновесия, в котором она находилась до начала маневрирования. По окончании действия ускорения гиросфера, совершая затухающие колебания, начнет приходить к своему положению равновесия.

Аналогично тому, как это делается для обычного маятникового гирокомпаса, можно и для двухрежимного гирокомпаса найти условие апериодического перехода в новое положение равновесия или «условие невозмущаемости».

Исследования показывают, что в отличие от маятникового гирокомпаса апериодический переход гирокомпаса с электромагнитным управлением в новое положение равновесия теоретически можно получить при значении периода незатухающих колебаний, отличающемся от периода Шулера, который как известно, равен 84,4 мин.

Его величина приближенно, без учета собственной скорости судна, определяется следующим соотношением:

Ta=84,4 V(H u cos( +Cв) /H u cos(

(1. 17)

и может составлять несколько сотен минут.

Эта особенность двухрежимного гирокомпаса с торсионно-жидкостным подвесом
ЧЭ объясняется тем, что в отличие от обычных гирокомпасов на гироскоп с помощью упругой связи во время маневрирования накладываются корректирующие моменты по вертикальной оси.

В гирокомпасах такого типа, где скоростная девиация компенсируется наложением момента, действующего по вертикальной оси гироскопа, исключение баллистических девиаций путем настройки схемы управления на величину периода, отвечающего условию невозмущаемости, трудно выполнимо.

Одна из причин, затрудняющих реализацию найденного условия, заключается в том, что для получения больших периодов к гироскопу должны прикладываться весьма малые управляющие моменты, величины которых меньше или соизмеримы с возникающими моментами, имеющими место из-за статических ошибок следящих систем и нелинейности их звеньев.

В гирокомпасе с электромагнитным управлением использован более простой способ устранения баллистических девиаций. Для этого маятник индикатора горизонта сильно задемпфирован, а углы его отклонения от равновесного положения ограничены специальными упорами до относительно малой величины.
Кроме того, чтобы снизить скорость баллистического перемещения гироскопа за время действия ускорения, период незатухающих колебаний в рабочем режиме гирокомпаса выбирается большим — до 120—180 мин.

Возможен еще один простой и, по-видимому, более эффективный способ устранения баллистических девиаций.

Если в индикаторе горизонта предусмотреть устройство, которое автоматически отключало бы сигнал индикатора горизонта от схемы управления гироскопом, когда маятник под действием ускорения достигает одного из упоров, то гироскоп вместо прецессирования с малой скоростью во время действия ускорения становится свободным. Можно ожидать, что в этом случае отклонение гироскопа за время маневрирования будет меньшим, чем при первом способе компенсации. Следует заметить, что в обоих случаях при маневрировании корректирующие моменты остаются приложенными к гироскопу.

Эффективным способом устранения баллистических девиаций для гирокомпасов с электромагнитным управлением является способ компенсации силы инерции, воздействующей на маятник индикатора горизонта при наличии линейных ускорений.

Выражение полной силы, которая должна быть приложена к маятнику индикатора горизонта для компенсации баллистических девиаций гирокомпаса, создаваемых изменением скорости и курса, можно записать в виде

F = mм (( dV /dt) cosK + V(dK /dt)sink( ,

(1. 18) где F -сила; mм –масса маятника;

K –курс;

V –скорость судна.

В качестве устройства для компенсации силы инерции, действующей на маятник, в индикаторе горизонта можно установить электромагнитный датчик момента, на который подается сигнал,. пропорциональный силе F.

Можно представить схему электромеханического прибора, решающего зависимость (1.18) и вырабатывающего нужный сигнал по автоматически вводимым значениям скорости и курса.

Чтобы не усложнять конструкцию индикатора горизонта, можно полученный сигнал коррекции суммировать в противофазе с сигналом, снимаемым с индикатора горизонта, предварительно» пропустив сигнал коррекции через фильтр с постоянной времени,. равной постоянной времени индикатора горизонта. Такое решение наиболее целесообразно для описываемой схемы.

Приведенный способ компенсации баллистических девиаций предпочтительнее, чем настройка незатухающих колебаний гирокомпаса на период невозмущаемости по следующим соображениям.

Теоретически такую коррекцию можно осуществить для любого типа маневрирования судна независимо от скорости. При этом период незатухающих колебаний может быть выбран в принципе любым, и, кроме того, нет необходимости менять параметры гирокомпаса в зависимости от широты.
Описанный способ компенсации позволяет полностью компенсировать баллистические девиации, в том числе и девиацию затухания без выключения демпфирования на время маневра.

Интеркардинальная девиация. При движении судна в условиях качки следящая сфера гирокомпаса раскачивается вокруг-своей оси подвеса в такт с качкой под действием составляющей ускорения в плоскости Е—W.

Составляющая ускорения в плоскости N—S, воздействующая на маятник следящей сферы, меняя свое направление синхронно-с качкой, создает вертикальный момент, аналогично тому как это происходит у обычных маятниковых компасов, но в отличие от них в гирокомпасе с электромагнитным управлением этот момент сам по себе не вызывает интеркардинальной девиации.

Инерционные моменты, действующие на следящую сферу во время качки, приводят лишь к дополнительным динамическим нагрузкам на двигатели азимутальной и горизонтальной следящих систем, но не дают существенных ошибок в показаниях гирокомпаса.
Основная причина, определяющая появление интеркардинальной девиации у гирокомпаса с косвенным управлением, заключается в том, что составляющая ускорения в плоскости N—S действует и на маятник индикатора горизонта. Она вызывает появление сигнала, пропорционального ускорению и меняющего знак в такт с качкой. Этот сигнал поступает на двигатели, которые прикладывают к гироскопу через торсионы знакопеременные моменты. Поскольку одновременно происходит раскачивание следящей сферы, оси двигателей рассогласовываются с осями соответствующих торсионов на угол, примерно равный амплитуде качки. В результате, когда сигнал от индикатора горизонта поступает на двигатели, моменты, прикладываемые к гироскопу торсионами, создают две составляющие — горизонтальную и вертикальную.

Так как горизонтальные торсионы имеют жесткость, во много раз большую, чем вертикальные, то вертикальная составляющая моментов от горизонтальных торсионов по абсолютной величине значительно превосходит остальные вертикальные моменты. Она и образует постоянный вертикальный момент, вызывающий ин-геркардинальную девиацию гирокомпаса па качке. Как видно, механика появления интеркардинальной девиации у гирокомпасов с электромагнитным управлением иная, чем у обычных маятниковых гирокомпасов, но схема образования постоянного вертикального момента при качке по существу одинакова.

Величина интеркардинальной девиации, закон ее изменения и зависимость от параметров гирокомпаса и качки для гирокомпаса с электромагнитным управлением в принципе остаются такими же, как и для одногироскопных маятниковых компасов.

Из известных способов компенсации интеркардинальной девиации для гирокомпаса с электромагнитным управлением наиболее рациональным оказалось применение индикатора горизонта с сильно демпфированным маятником.

Введение в чувствительный маятниковый элемент вязкого трения позволяет осуществить сдвиг по фазе, близкий к 90°, между действующим ускорением и моментом, прикладываемым к гироскопу, в результате чего эффект влияния качки на гирокомпас сводится к минимуму.

Уравнение движения такого индикатора горизонта при воздействии на него горизонтального ускорения для малых углов можно .записать в виде тм l2 (”+c (’+mм g l(= mм l a

(1. 19) где mм — массы маятника; l — длина маятника;
( — угол отклонения маятника от вертикали; с — коэффициент демпфирования; а — горизонтальное линейное ускорение качки. Передаточную функцию индикатора горизонта, движение которого описывается уравнением (1.19), можно представить выражением

W(p)= ( (p)/a (p)=1 / Tм2 p2 +( p + 1 ,

(1. 20) где Tм=(l / g); ( = c/ mм g l —постоянные времени индикатора горизонта.

Практически величина Tм во много раз меньше периода качки. Поэтому введя в индикатор горизонта сильное демпфирование, правомерно пренебречь членом передаточной функции, содержащим р2. Тогда коэффициент ослабления амплитуды колебаний маятника по сравнению с амплитудой колебаний динамической вертикали будет приближенно определяться формулой k =1 /( (2 (2 +1)1/ 2

(1. 21)

Например, для индикатора горизонта с постоянной времени ( =60 сек при качке с частотой (( = 1,2'/сек) ослабление выходного сигнала, снимаемого с индикатора горизонта, будет около 72. Если учесть еще и сдвиг фазы между колебаниями маятника и действующим ускорением, то уменьшение выходного сигнала, а следовательно, и интеркардинальной девиации гирокомпаса окажется более значительным.

Влияние индикатора горизонта с большой постоянной времени на собственные колебания гирокомпаса очень мало, поскольку постоянная времени составляет менее 1 % от величины периода колебаний гирокомпаса.

Поведение гирокомпаса с электромагнитным управлением на качке отличается от обычных маятниковых компасов одной существенной особенностью. В этом гирокомпасе, помимо постоянной составляющей по вертикальной оси от моментов, вызванных сигналами индикатора горизонта, при качке появляется постоянная составляющая на ту же ось от знакопеременных моментов, накладываемых на гиросферу горизонтальными торсионами вследствие динамических ошибок следящих систем. Эта погрешность, имеющая четвертной характер, зависит от жесткости горизонтальных торсионов и при больших динамических ошибках ее величина может достигнуть существенного значения.

Другая особенность заключается в характере карданной ошибки гирокомпаса.
Эта ошибка вызвана тем, что в рассматриваемой конструкции одногироскопного курсоуказателя карданов подвес ЧЭ обеспечивает снятие отсчета курса в плоскости палубы, а не в плоскости горизонта.

Величина карданной ошибки определяется формулой

(K = К. - arctg [tg (Кг cos( /sin() - sin( tg( ] ,

(1. 22) где Кг — курс в горизонтальной плоскости;
( — угол крена (бортовой качки);
( — угол дифферента (килевой качки).

Карданная ошибка при следовании судна курсами 0, 90, 180 и 270° равна нулю и достигает максимума на промежуточных курсах 45, 135, 225 и 315°.
Несмотря на то, что даже при симметричной качке возникает постоянная карданная ошибка, практически при использовании курсоуказателя для целей судовождения ею можно пренебречь. При правильной бортовой качке с амплитудой в 10° и следовании промежуточными курсами средняя величина карданной ошибки не превышает 0°,3.

Работа курсоуказателя в режиме гироазимута.

Для работы курсоуказателя в режиме гироазимута необходимо, чтобы ось кинетического момента гиросферы удерживалась в горизонте, а по обеим осям прецессии гиросферы были приложены корректирующие моменты для компенсации отклонения гиросферы за счет суточного вращения Земли и собственного движения объекта. В гирокурсоуказателе с электромагнитным управлением для осуществления режима гироазимута достаточно отключить маятниковый момент, пропорциональный сигналу индикатора горизонта, на горизонтальной оси прецессии гиросферы, сохранив при этом демпфирующий момент от индикатора горизонта на вертикальной оси для удержания главной оси гироскопа в горизонте. Необходимо также сохранить корректирующие моменты по обеим осям прецессии. В этом случае равенства (1.12), определяющие зависимости моментов от сигналов управления и коррекции, примут

(( -(c) = (x ; (( -(c) = m n ( + (z

(1. 23)

Полагая, что корректирующие сигналы (x и (z определяются, как и прежде, формулами (1.14) и, подставляя выражения (1.23) в уравнения (1.1), найдем частные решения системы (1.1) и (1.3) в виде:

(* = VN / ( Ru cos( +VE + CB R / H); (c*=0;

.

(c*=H (u sin( + VE tg(/ R); (*=0.

(1. 24)

Формулы (1.24), определяющие положение равновесия ЧЭ прибора в режиме гироазимута, тождественны формулам (1.15), определяющим положение равновесия ЧЭ в режиме гирокомпаса. Это свидетельствует о том, что при движении объекта в момент перехода из режима гирокомпаса в режим гироазимута ЧЭ никаких возмущений не получает и остается в прежнем положении, которое он занимал, работая в режиме гирокомпаса. Следовательно, в режиме гироазимута курсоуказатель сохраняет направление меридиана, выработанное в режиме гирокомпаса, естественно, с накапливающейся во времени ошибкой, которая определяется присущей данному гироскопу скоростью дрейфа.

При обратном переходе из режима гироазимута в режим гирокомпаса курсоуказатель в начальный момент будет иметь некоторую девиацию, так как за время работы в режиме гнроазимута гироскоп вследствие собственного ухода отклонится от меридиана. Затем, совершая затухающие колебания, гирокомпас придет в положение равновесия.

Следует отнести к достоинствам курсоуказателя с электромагнитным управлением то обстоятельство, что при переходе из одного режима в другой не требуется изменять корректирующие сигналы, тем более, что благодаря вводу в схему управления такого вида коррекции ЧЭ находится вблизи меридиана практически в обоих режимах работы прибора.

Основной погрешностью гироазимута является собственный дрейф гироскопа.
Гирокурсоуказатель с косвенным управлением позволяет уменьшать эту погрешность теоретически до величины нестабильности скорости ухода гироскопа. Для этого достаточно ввести в схему управления сигнал, напряжение которого пропорционально постоянной составляющей скорости ухода гироскопа, и просуммировать с сигналом датчиков угла гироскопа в соответствующих масштабе и фазе как это делается при вводе корректирующих сигналов. В результате этого к гироскопу по горизонтальной оси прецессии окажется приложенным момент, который скомпенсирует постоянную составляющую скорости ухода гироскопа.

При воздействии на курсоуказатель, работающий в режиме гироазимута, ускорений качки, гироазимут имеет дополнительный систематический уход. Этот уход возникает из-за появления постоянной составляющей момента по горизонтальной оси прецессии гироскопа. Знакопеременные сигналы индикатора горизонта вызывают меняющийся в такт качке момент, накладываемый тор- сионами на гиросферу вокруг ее вертикальной оси. Благодаря одновременному раскачиванию следящей сферы в такт качке вокруг оси ее подвеса (по углу () проекция знакопеременного момента дает постоянную составляющую на горизонтальную ось прецессии, которая и вызывает систематический уход гироазимута на качке.

Анализ факторов, влияющих на эту погрешность гироазимута, показывает, что меры, принятые для уменьшения погрешности гирокомпаса на качке, а именно, применение индикатора горизонта с большой постоянной времени и гидравлического демпфера на оси подвеса следящей сферы, существенно уменьшают погрешность гироазимута на качке.

Что касается влияния ускорений от маневрирования на нестабильность ухода гироазимута, то теоретически оно зависит от времени действия ускорений и мало по величине. Практически в силу тех же технических решений, которые компенсируют влияние ускорений на качке, это влияние не имеет существенного значения.

На основании краткого анализа изложенного принципа действия двухрежимного курсоуказателя с электромагнитным управлением можно сделать некоторые выводы в отношении его преимуществ перед обычными маятниковыми гирокомпасами: конструкция торсионно-жидкостного подвеса ЧЭ, который представляет собой астатический поплавковый гироскоп, обеспечивает гидростатическую разгрузку подвеса и отсутствие сухого трения в его осях, что уменьшает возмущения, вызываемые силами инерции; электрическая схема управления параметрами гирокомпаса (периодом, степенью демпфирования) и режимами работы прибора позволяет, переключая электрические цепи, изменять параметры гирокомпаса и режимы работы в зависимости от условий плавания и эксплуатационных требований; в гирокомпасе с электрической схемой управления сравнительно простыми средствами обеспечивается полная компенсация скоростной девиации для больших скоростей движения судна при условии ввода в прибор данных скорости и широты с достаточной точностью. При этом методе компенсации скоростной девиации существенно, что сам гироскоп практически все время остается в меридиане; электрическая схема управления создает практическую возможность полной компенсации баллистических девиаций гирокомпаса пр-и маневрировании судна.
Для этого может использоваться индикатор горизонта с коррекционньш датчиком момента и несложный электромеханический прибор, вырабатывающий нужный сигнал коррекции. При указанном способе компенсации баллистических девиаций нет необходимости изменять параметры гирокомпаса в зависимости от широты и выключать демпфирование на время действия ускорений; конструкция и схема двухрежимного гироскопического курсоуказателя обеспечивает его работу в режиме гирокомпаса или гироазимута, а также в режиме гиромагнитного компаса. Это расширяет сферу применения приборов такого типа.

Основной прибор ВГ-1А.

Функцию гироскопического указателя меридиана выполняет прибор ВГ-1А
(рис. 4). В корпусе прямоугольной формы 6 со сферическим колпаком 5 размещены трехстепенный поплавковый гироблок (ТПГ), элементы следящих систем стабилизации, детали схем терморегулирования и управления.
ТПГ выполнен в виде герметичной камеры (следящей сферы), заполненной специальной вязкой жидкостью (рис. 5). В этой камере с помощью вертикальных и горизонтальных тор-сионов подвешен поплавок с гиромотором. На гироблоке по линии N—3 установлены роторы индукционных датчиков углов / (ДУ) рассогласования гиросферы со следящей сферой (статоры ДУ находятся на гиросфере). Сверху и снизу на камере в кольцевых пазах 2 установлены дополнительные обогреватели для интенсивного разогрева жидкости при пуске компаса. Их включением управляет термореле 4 (Т/--003). На кронштейнах к крышке гироблока приспособлены штепсельные разъемы 5 для подачи питания на гироблок и снятия информации с датчиков углов. Снизу к камере подвешен груз
6 для придания маятниковости гироблоку в кардановом подвесе. Гироблок четырьмя приливами 3 с отверстиями для крепежных винтов укладывается на установочное кольцо. С западной стороны камеры на установочном кольце находится индикатор горизонта (ИГ), с северной—пузырьковый уровень для визуального конт- роля за балансировкой установочного кольца при сборке
(уровень находится под колпаком). На двух цапфах, параллельных главной оси гироблока, установочное кольцо укладывается в подшипники на внутреннем кардановом кольце 6 (рис. 8). Для гашения колебаний гироблока относительно оси подвеса установочного кольца предусмотрен дисковый масляный демпфер.

С южной стороны в месте крепления цапфы в кардановом подвесе вмонтирован плоский вращающийся трансформатор (ПТ-003). Статор его неподвижен, а роторная обмотка связана с цапфой и поворачивается вместе с ней. Этот вращающийся трансформатор называют координатным преобразователем. Его включение в схему вызвано тем, что при повороте гироблока вокруг оси XX на угол ^ под воздействием внешних возмущающих сил в связи с маятниковостью гироблока и отсутствием стабилизации относительно главной оси происходит взаимное влияние горизонтной и азимутальной следящих систем (принцип работы следящих систем рассмотрен в § 18). Действительно, при выходе гироблока из отвесного положения моменты Ьгс и Ьтс, создаваемые торсионами, оказываются повернутыми в плоскости У02. на угол О. В таком случае горизонтальный и вертикальный моменты будут состоять из суммы проекций указанных моментов на эти оси. В результате нормальная величина корректирующих моментов искажается и в показаниях прибора возникают погрешности. Для исключения взаимного влияния следящих систем в схему управления подаются соответствующие сигналы, снимаемые с ротора преобразователя координат.

Внутреннее карданово кольцо 6 с гироблоком с помощью цапф и подшипников укладывается на наружное карданово кольцо, выполненное в виде вилки 7, ось которой установлена в подшипнике на основании 10 и может разворачиваться вокруг оси 2.2. на 360°. Сверху к вилке крепится шкала курсов 8 с ценой деления 1°. .

Ось вилки через редуктор связана с азимутальным двигателем следящей системы стабилизации / и двумя синусно-коси-нусными вращающимися трансформаторами 2 и 11 (СКВТ), включенными в схему трансляции курса (на транспортных и промысловых судах задействован только один СКВТ). На ось вилки насажен токосъемник 13 с серебряными кольцами и стальными щетками, закрываемый пластмассовой крышкой.
На горизонтальном (внутреннем) кардановом кольце укреплен зубчатый сектор, который посредством механической передачи связан с горизонтным двигателем следящей системы ста билизации, установленным в нижней части вилки. При вращении этого двигателя камера гироблока разворачивается вокруг оси УУ.

Рабочая температура (75 °С) в приборе поддерживается кольцевым нагревателем 5, прикрепленным к основанию четырьмя стойками 9. Управляет его работой термореле 3 (7У002), размещенное на основании 10. Рядом установлен биметаллический термодатчик 4 (ГгООО), включающий аварийную сигнальную систему при достижении температурой жидкости верхнего предела
(80°С).

На основании расположены три штепсельных разъема (два со стороны носа).
Для работы с гиросекцией вне корпуса прибора установлены четыре опорные ножки 12. Гиросекция своим основанием укладывается в корпус прибора.

Верхняя часть колпака 5 сделана из органического стекла, полярная шапка закрашена изнутри, оставлена прозрачной лишь кольцевая полоска напротив курсовой шкалы 3 (рис.65). Курсовая черта—красная полоска 4—нанесена на прозрачном кольце со стороны кормы. Колпак привинчивается к корпусу прибора четырьмя невыпадающими винтами 7.

В корпусе 6 установлены усилители следящих систем: слева азимутальный 2, справа горизонтный, рядом с усилителями под квадратными крышками размещены реле схемы управления 1 (слева) и регуляторы «дрейф» и «поправка».
На верхней панели 12 расположены четыре световых табло:
«пуск», «подготовка», «гирокомпас» и «гироазимут»; на передней—переключатель 9 («подготовка»—«работа»} и ручка 8 регулировки
«скорости приведения» (ускоренного в меридиан).

На задней стенке имеются три "штепсельных разъема, из них верхний предназначен для подключения контрольных приборов при регулировке приборов, через нижние осуществляется связь основного прибора с другими.

Корпус прибора на четырех амортизаторах крепится к установочной плите 11с тремя овальными отверстиями для крепежных шпилек (два с задней стороны и одно с передней), поэтому плиту (вместе с корпусом) можно поворачивать в пределах ±5° для устранения постоянной поправки в показаниях гирокомпаса.
Для контроля за углом разворота прибора на установочной плите с задней стороны нанесена шкала 10 с ценой деления 0,5°.

Страницы: 1, 2