一种球形气浮气动陀螺仪的研制及其相关技术的研究

摘要

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应用在航空、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已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志之一。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，但是结构复杂，价格昂贵，应用不是广泛；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、更广泛的应用还需要投入大量的人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，采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制作，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。因此研制一种高精度、低成本、小型化的气浮陀螺仪具有重要的现实意义。
　　本文将气体轴承技术与气动技术有机的结合起来，提出了一种新型气浮气动陀螺仪的基本结构，建立了该陀螺仪的运动学模型，分析研究了转子圆周上的气动喷嘴、供气压力等相关参数对陀螺仪稳定工作性能的影响，同时分析了转子不平衡量等参数对陀螺仪漂移误差的影响情况，为陀螺仪的设计和加工提供了理论依据。
　　为进一步改善气浮气动陀螺仪的启停性能，减小陀螺转子启停过程的碰磨，延长该陀螺仪的使用寿命，提出了采用实心转子电机辅助驱动与制动的方案。通过施加电磁力矩后陀螺仪的动力学模型，分析研究了陀螺仪结构参数以及电机相关参数对气浮气动陀螺仪驱动及制动性能的影响规律，为选择和设计电机以保证气浮气动陀螺仪具有更好的启停性能奠定了基础。
　　要保证气浮气动陀螺仪转子能够稳定运转，首要任务就是要对气浮轴承进行动态设计，确定气浮轴承的动态特性参数。本文针对新型结构的气浮陀螺轴承提出了一种求解具有类似结构气体轴承动态性能的方法：通过相容性条件统一了狭缝气膜和球面润滑气膜，采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，通过迦辽金加权余量法将雷诺方程中的二阶微分降为一阶微分，以降低对插值函数连续性的要求，根据气体流量守恒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系数，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优化设计，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一气浮单摆精密静平衡一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。
　　最后，在前面工作的基础上，对陀螺仪的加工误差以及气体陀螺轴承的各种性能进行了初步测试，初步验证了陀螺仪设计的正确性。

目录

一种球形气浮气动陀螺仪的研制及其相关技术的研究

RESEARCH AND DEVELOPMENT ON APNEUMATIC GYROSCOPE WITH A SPHERICALGAS-BEARING

摘 要

Abstract

物理量名称及符号表

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 陀螺仪的发展及研究概况

1.2.1 陀螺仪的发展过程

1.2.2 陀螺仪的研究及应用现状

1.2.3 陀螺仪的发展趋势

1.3 气浮陀螺仪及其关键技术的研究概况

1.3.1 气体轴承在惯性器件中的应用

1.3.2 气浮陀螺仪关键技术的研究

1.4 气浮气动陀螺仪研究中存在的问题

1.5论文的主要研究内容

第2章 气浮气动陀螺仪运动学模型的研究

2.1 新型气浮气动陀螺仪结构及工作原理

2.1.1 气浮气动陀螺仪的设计要求及特点

2.1.2 气浮气动陀螺仪的结构和工作原理

2.2 气浮气动陀螺仪运动学建模

2.2.1 陀螺仪的相坐标系

2.2.2相坐标系内的气浮气动陀螺仪运动学方程

2.3 气浮气动陀螺仪的作用力矩

2.3.1 气体反驱动力矩

2.3.2 转子风阻力矩

2.3.3 气体阻尼力矩

2.3.4 质量偏心引起的不平衡力距

2.4 气浮气体陀螺仪漂移误差模型

2.4.1 气浮气动陀螺仪运转过程干扰力矩

2.4.2 气浮气动陀螺仪漂移误差模型

2.5气浮气动陀螺仪工作转速的分析

2.6 本章小结

第3章 新型气浮气动陀螺仪启停性能的研究

3.1 气浮气动陀螺仪的改进

3.2 气浮气动陀螺仪的驱动性能分析

3.2.1 电磁驱动力矩

3.2.2驱动过程气浮气动陀螺仪运动学方程

3.2.3气浮气动陀螺仪驱动过程性能分析

3.3 气浮气动陀螺仪制动过程分析

3.3.1 制动过程气浮气动陀螺仪的运动学方程

3.3.2 气浮气动陀螺仪制动性能分析

3.4本章小结

第4章 二次节流球形气浮轴承动态特性的研究

4.1 气浮气动陀螺仪的二次节流

4.2 气浮气动陀螺仪润滑气膜内修正的雷诺方程

4.3 气浮气动陀螺仪轴承的动态特性系数

4.3.1 气浮气动陀螺轴承动态润滑雷诺方程

4.3.2 气浮气动陀螺轴承动态特性系数

4.4 气浮气动陀螺轴承动态特性数值求解

4.4.1 气浮气动陀螺轴承稳态压力有限元数值求解

4.4.2 气浮气动陀螺轴承动态压力有限元数值求解

4.4.3 计算方法可靠性的验证

4.5 气浮气动陀螺轴承结构参数及工况对动态特性的影响

4.5.1 偏心率对动态特性系数的影响

4.5.2 频率比f对动态特性系数的影响

4.5.3 喷嘴直径d对动态特性系数的影响

4.5.4 狭缝位置角对动态特性系数的影响

4.5.5 二次节流腔边界角对动态特性系数的影响

4.5.6 狭缝厚度a对动态特性系数的影响

4.5.7 气膜厚度c对动态特性系数的影响

4.5.8 无量纲径向狭缝流长L1对动态特性系数的影响

4.6 本章小结

第5章 二次节流球形气浮轴承的稳定性研究

5.1 陀螺系统运动方程

5.1.1 陀螺转子平动运动方程

5.1.2 陀螺转子转动方程

5.1.3 陀螺转子运动方程

5.2 气浮气动陀螺轴承临界质量及稳定性分析

5.2.1 气浮气动陀螺轴承的稳定运动方程

5.2.2 气浮气动陀螺轴承的临界质量

5.2.3 气动陀螺轴承结构参数及供气压力对稳定性能的影响分析

5.3 气浮气动陀螺轴承结构优化

5.3.1 多目标优化模型

5.3.2 基于PSO—BP神经网络的优化方法

5.3.3 气动陀螺轴承结构优化结果

5.4 本章小结

第6章 新型气浮气动陀螺仪的研制与实验

6.1新型气浮气动陀螺仪转子加工误差

6.1.1 球轴承副加工误差的测量

6.1.2 狭缝节流器加工误差的测量

6.2 新型气浮气动陀螺仪转子的静平衡

6.2.1初始静平衡

6.2.2精确静平衡

6.3 新型气浮气动陀螺仪转子的动平衡

6.3.1 动平衡方案

6.3.2 动平衡结果及分析

6.4新型气浮气动陀螺仪偏转角的检测方案

6.5新型气浮气动陀螺仪性能测试

6.5.1 气浮轴承性能测试

6.5.2 气浮气动陀螺仪漂移性能测试

6.6 本章小结

结 论

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历