Принцип действия масляного успокоителя

Для демпфирования незатухающих колебаний чувствительного элемента гирокомпаса с непосредственным управлением, то есть для превращения их в затухающие колебания, служит масляный успокоитель. Он представляет собой два вертикальных сосуда, ориентированных в направлении оси х гиросферы и жестко связанных с ней (рис.3.4). Сосуд, смещенный в положительную сторону оси, называется северным, а другой сосуд – южным. Соединение трубками вверху и внизу обеспечивает их работу по принципу сообщающихся сосудов. Угол γ характеризует избыток масла в одном из сосудов. Тогда - скорость перетекания масла. Она зависит от свойств масла, формы и размеров сосудов, диаметров трубок, то есть от конструкции масляного успокоителя. Конструктивная постоянная F называется фактором перетекания. Скорость перетекания зависит и от угла отклонения оси х гиросферы от плоскости горизонта (рис. 3.4.)

+F(β -γ) = 0 (3.14)

Уравнение справедливо при ламинарном течении, что фактически обеспечивается в гиросфере подбором масла, а также тем, что углы γ и β не бывают большими.

Рис.3.4

Избыток масла в одном из сосудов (на рис.3.4 - в южном) создает момент, направленный по оси у:

L_g = С γ

где С - модуль момента масляного успокоителя.

Таким образом, возник дополнительный момент, влияющий на движение гироскопа только в азимуте, поэтому в системе (3.4) изменения произойдут только в первом уравнении. С учетом (3.14) дифференциальные уравнения движения главной оси гирокомпаса имеют вид:

Н - Нω_♀ sin φ= -В β + С γ ,

- ω_♀cos φ· α = 0 (3.15)

Здесь Сγ - момент масляного успокоителя, является демпфирующим моментом. Рассмотрим, как достигается эффект затухания колебаний чувствительного элемента.

В момент запуска компаса чувствительный элемент находится в произвольном положении и отклонен, к примеру, от меридиана на угол α к востоку. Вследствие вращения Земли главная ось чувствительного элемента перемещается в азимуте к востоку и поднимается над горизонтом. С появлением угла β возникает маятниковый момент Вβ (рис.3.5а), направленный в отрицательную сторону оси у. Под его воздействием гиросфера начинает прецессию в азимуте к западу, т.е. в сторону меридиана. С подъемом главной оси гиросферы масло начинает перетекать, создавая избыток в южном сосуде. Это приводит к возникновению момента Cγ, направленного в положительную сторону оси у. Суммарный момент уменьшается, угловая скорость прецессии также уменьшается. С приходом гиросферы в меридиан угол β достигает максимального значения, и под действием суммарного момента она переходит в западную часть горизонта. На этом участке траектории чувствительный элемент движется по экспоненциальному закону, что обусловлено неустановившимся процессом перетекания масла в успокоителе.

После того как ось х пройдет меридиан, она начнет опускаться вследствие вращения Земли. Но пока она поднята, масло будет перетекать в южный сосуд. При достижении угла β = β_r движение чувствительного элемента в азимуте прекратится. Избыток масла в южном сосуде будет максимальным. С проходом осью х плоскости горизонта угол β меняет свой знак. Следовательно, меняет направление и маятниковый момент В β. Под его воздействием гироскоп прецессирует к востоку, продолжая опускаться. Масло вследствие наклона чувствительного элемента начинает перетекать в северный сосуд. Однако, быстро перетечь оно не может, и его избыток сохраняется в южном сосуде, создавая момент, совпадающий по направлению с маятниковым (рис.3.56). Суммарный момент увеличивает скорость прецессии гироскопа в сторону меридиана. Таким образом, достигнут положительный эффект - ускоренное движение гироскопа к меридиану.

Рис.3.5

Следствием такого движения является второй положительный эффект: движение к меридиану занимает более короткий промежуток времени, чем без успокоителя, а это означает, что угол β, а вместе с .ним и маятниковый момент В β достигнут меньшей величины.

Параметры масляного успокоителя подобраны так, что ко времени подхода оси х к меридиану уровень масла в сосудах сравнивается и момент Cγ исчезает. Движение в азимуте к востоку продолжается только под влиянием момента В β, и ось х проходит плоскость меридиана.

Перетекание масла продолжается, и его избыток создается в северном сосуде. Момент Cγ направлен теперь уже к западу и уменьшает суммарный момент (Вβ - Cγ), что снижает скорость ухода гироскопа от меридиана. Вследствие вращения Земли главная ось гироскопа поднимается, так как она отклонена к востоку от меридиана. Это приводит к уменьшению маятникового момента. С проходом осью х плоскости горизонта момент Bβ становится отрицательным. Избыток масла остается в северном сосуде. Маятниковый и демпфирующие моменты складываются - (В β + C γ), ускоряя прецессию гиросферы к меридиану (рис.3.5в). С ее подходом к меридиану уровень масла в сосудах успокоителя выравнивается, и прецессия происходит под действием маятникового момента. Постепенно в южном сосуде создается избыток масла и происходит вычитание моментов - (В β – C γ) (рис.3.5а). Далее процесс повторяется, как это уже рассмотрено.

Из всего сказанного следует, что начальный период времени после запуска (60 80 мин) характеризуется неустановившимся режимом движения масла в успокоителе. Траектория движения главной оси гироскопа на этом участке представляет собой экспоненту (рис.3.6). При установившемся движении период перетекания, масла отстает по фазе примерно на от периода колебаний чувствительного элемента. Это означает, что и период изменения демпфирующего момента C γ отстает по фазе от периода изменения маятникового момента В β. Последнее приводит к тому, что при движении гиросферы к меридиану моменты складываются, а при движении от меридиана вычитаются. Колебания остаются гармоническими, но каждая их последующая амплитуда меньше предыдущей. Происходит затухание колебаний. Общее время прихода гирокомпаса в меридиан составляет 4 6 часов.