發(fā)布時間：2020-06-17 12:44

【摘要】：陀螺儀的精度是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度的瓶頸。在動壓氣浮陀螺儀中,動壓氣浮軸承以其低摩擦、高轉(zhuǎn)速、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn),被用作電機(jī)轉(zhuǎn)子的支承軸承。然而,軸承氣膜的彈性具有非線性,隨著載體機(jī)動性的提高會產(chǎn)生較大的陀螺漂移誤差,而現(xiàn)有誤差模型不能很好地描述該誤差項(xiàng)。同時,慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展也對陀螺儀動壓氣浮軸承的分析與設(shè)計(jì)提出更高要求。為進(jìn)一步提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度,本文針對動壓氣浮陀螺儀的誤差問題展開系統(tǒng)深入的研究,指導(dǎo)動壓氣浮軸承的設(shè)計(jì),提出誤差模型研究的新思路,為動壓氣浮陀螺儀提供全面的誤差預(yù)測信息。本文主要研究工作有四方面:(1)動壓氣浮軸承的靜動態(tài)特性分析是動壓氣浮陀螺儀誤差研究的基礎(chǔ)。本文基于薄膜潤滑理論,同時考慮氣體稀薄效應(yīng)和表面溝槽的影響,建立了錐臺型動壓氣浮軸承的潤滑計(jì)算模型,包括瞬態(tài)雷諾方程、穩(wěn)態(tài)雷諾方程和考慮五自由度運(yùn)動的攝動雷諾方程。用有限差分法求解雷諾方程,并將結(jié)果與現(xiàn)有研究對比,驗(yàn)證了計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上,計(jì)算了動壓氣浮軸承的氣膜壓力場、承載力與承載力矩,以承載力為依據(jù)設(shè)計(jì)了軸承間隙、溝槽深度和溝槽方向角。另外還求解了軸承的剛度矩陣和阻尼矩陣,進(jìn)而分析了轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)與穩(wěn)定性。結(jié)果表明:轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)的振幅隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而增大,轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的臨界質(zhì)量隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而減小。(2)為研究動壓氣浮陀螺儀氣膜非線性變形引起的漂移誤差,根據(jù)陀螺儀的結(jié)構(gòu)和工作原理,推導(dǎo)了該誤差的計(jì)算公式,用錐臺型軸承靜態(tài)分析中的轉(zhuǎn)子位移和承載力數(shù)據(jù)計(jì)算漂移誤差,并以三自由度比力為自變量進(jìn)行回歸分析,得到動壓氣浮陀螺儀誤差模型。在此過程中,利用軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的對稱性,將三元回歸分析轉(zhuǎn)化為兩個二元回歸分析,減少了所需的潤滑計(jì)算次數(shù)。還針對半球型動壓氣浮陀螺儀建立了誤差模型,并與錐臺型動壓氣浮陀螺儀誤差模型對比。結(jié)果表明:兩種陀螺儀均在比力兼具徑向分量和軸向分量時產(chǎn)生漂移誤差,半球型動壓氣浮陀螺儀的漂移誤差較小。另外,通過推導(dǎo)計(jì)算得到錐臺型動壓氣浮陀螺儀誤差模型適用的比力變化率范圍在8.4×103 m/s3之內(nèi),同時分析了角速度對干擾力矩的影響。(3)比力和載體角速度的瞬態(tài)變化引起陀螺電機(jī)轉(zhuǎn)子的復(fù)雜振動,這是以軸承靜態(tài)特性為基礎(chǔ)的誤差模型沒有考慮的。為了彌補(bǔ)誤差模型中將系統(tǒng)視為穩(wěn)態(tài)的不足,建立五自由度轉(zhuǎn)子動力學(xué)模型,并與動壓氣浮軸承的瞬態(tài)雷諾方程聯(lián)立,提出了瞬態(tài)干擾力矩的求解方法。在比力發(fā)生突變的工況,以及比力與載體角速度均勻變化的工況下,分別計(jì)算了軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的響應(yīng),研究了瞬態(tài)干擾力矩的變化規(guī)律。結(jié)果表明:在比力突變的條件下,瞬態(tài)干擾力矩的變化規(guī)律主要由突變量的方向決定;在比力與載體角速度均勻變化的條件下,干擾力矩變化規(guī)律取決于載體角速度是否變化。(4)動壓氣浮軸承在加工、裝配過程中難免出現(xiàn)誤差,由于動壓氣浮軸承的尺寸遠(yuǎn)大于氣膜厚度,即使很小的制造誤差也將對氣膜厚度產(chǎn)生很大的影響。本文考慮了幾種常見的制造誤差對動壓氣浮陀螺儀的影響,包括軸承錐度誤差、橢圓形誤差、三棱形誤差、軸承安裝軸線偏移誤差和軸承安裝軸線傾斜誤差。通過氣膜厚度變化量描述各制造誤差,建立數(shù)學(xué)模型并代入潤滑計(jì)算模型,配合使用攝動法與迭代法求解了給定比力下的轉(zhuǎn)子位移和附加干擾力矩。以最小氣膜厚度低至軸承間隙的1/10為標(biāo)準(zhǔn),分別在不同的制造誤差條件下求解了陀螺儀的極限過載。結(jié)果表明:幾種制造誤差的增大均會導(dǎo)致干擾力矩增大和極限過載減小,其中軸承錐度誤差的影響最大。綜上所述,本文針對動壓氣浮陀螺儀氣膜非線性變形引起的漂移誤差,基于稀薄氣體潤滑計(jì)算理論,提出了一種誤差建模新方法,并建立了錐臺型和半球型兩種動壓氣浮陀螺儀的誤差模型。該模型克服了潤滑計(jì)算必須以轉(zhuǎn)子位移為自變量的不便,可直接在任意三自由度比力下預(yù)測由轉(zhuǎn)子位移引起的角速度測量誤差。針對比力突變、以及比力與載體角速度均勻變化兩種工況,通過聯(lián)立雷諾方程和五自由度轉(zhuǎn)子動力學(xué)方程,提出了動壓氣浮陀螺儀瞬態(tài)干擾力矩的求解方法。另外,建立了幾種軸承制造誤差的數(shù)學(xué)模型,從干擾力矩和極限過載兩方面分析了制造誤差對陀螺性能的影響。本文的研究方法與結(jié)果為進(jìn)一步提高動壓氣浮陀螺儀精度提供了理論依據(jù)與技術(shù)支撐。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH824.3
【圖文】：

過系統(tǒng)級的補(bǔ)償進(jìn)行消除；另一類是由各種復(fù)雜或未知因素引起的，可認(rèn)為隨機(jī)產(chǎn)生，逡逑其引起的漂移也是隨機(jī)的。逡逑根據(jù)目前公開的資料，幾種常見類型陀螺儀的漂移精度如圖１．１所示。其中，激光逡逑陀螺儀和光纖陀螺儀屬于覆蓋高、中、低精度的陀螺產(chǎn)品；ＭＥＭＳ陀螺儀在軍用和民用逡逑領(lǐng)域的精度需求差別很大；三浮陀螺儀由于受到更加嚴(yán)格的技術(shù)封鎖，各國發(fā)展差距很逡逑大，例如，美國在２０世紀(jì)８０年代生產(chǎn)的三浮陀螺儀精度已經(jīng)達(dá)到１．５ｘｌ0－７°／ｈ，同期俄逡逑羅斯三浮陀螺儀的精度只有ｌｘｌ（ｒ４°／ｈ，而我國當(dāng)時剛剛開始進(jìn)行三浮陀螺儀的研制［４３］。逡逑＾＾邐邋半球諧振陀螺儀逡逑邐＾激光陀螺儀逡逑邐邐邐光纖陀螺儀逡逑邐ＭＥＭＳ陀螺儀逡逑邐１邐液浮陀螺儀逡逑；■■■邐三浮陀螺儀逡逑１0－７邋１０＇６邋１０＇５邋１0－４邋１０＇３邋１0－２邋１０－１邋１０°邋１０１邋１０２邋１０３逡逑漂移精度／ｆｉ１）逡逑圖１．１幾種陀螺儀的漂移精度逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｄｒｉｆｔ邋ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓｅｖｅｒａｌ邋ｋｉｎｄｓ邋ｏｆ邋ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ逡逑近年來，有關(guān)陀螺儀漂移誤差的研究大多是針對ＭＥＭＳ陀螺儀［４５＿５＼光纖陀螺儀逡逑［５１－５５］、半球諧振陀螺儀［５６，５７］、原子陀螺儀［５８］等基于近代物理學(xué)原理的陀螺儀展開的。其逡逑中，部分相關(guān)文獻(xiàn)［５９，６（）］以陀螺儀的工作原理和誤差產(chǎn)生的機(jī)理為切入點(diǎn)，分析和補(bǔ)償漂逡逑移誤差；但更多的研宄并不涉及陀螺儀的原理與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而是通過濾波和機(jī)器學(xué)習(xí)算逡逑法研宄陀螺儀的輸出信號

圖１．３論文的結(jié)構(gòu)逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ逡逑

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 吳遼;楊孟興;王卿;申志剛;馬千里;;三浮陀螺有源磁懸浮位置信號采集電路研究[J];導(dǎo)航與控制;2016年03期

2 楊琴;劉宇陸;張海軍;祝長生;;氣體稀薄效應(yīng)對微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)氣體軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡響應(yīng)的影響[J];西安交通大學(xué)學(xué)報;2015年07期

3 韋俊新;劉志宏;孫麗;孫學(xué)成;田勇;;宇航級三浮陀螺儀三質(zhì)量塊隔振模型[J];中國慣性技術(shù)學(xué)報;2014年06期

4 沈強(qiáng);劉潔瑜;王琪;王杰飛;;基于相關(guān)向量機(jī)的MEMS陀螺儀隨機(jī)漂移補(bǔ)償[J];傳感技術(shù)學(xué)報;2014年05期

5 陳晨;趙文宏;徐慧鑫;周芬芬;安平;;基于卡爾曼濾波的MEMS陀螺儀漂移補(bǔ)償[J];機(jī)電工程;2013年03期

6 陳昌婷;楊金福;韓東江;趙晨;齊偉軍;;典型氣動軸承振動特性對比試驗(yàn)研究[J];潤滑與密封;2013年02期

7 梁迎春;劉晶石;孫雅洲;盧禮華;;狹縫和氣膜尺寸對氣浮陀螺儀渦流力矩的影響[J];潤滑與密封;2011年03期

8 姚英學(xué);崔大朋;秦冬黎;;新型狹縫節(jié)流球形靜壓氣體陀螺軸承的動態(tài)特性[J];宇航學(xué)報;2010年08期

9 鄭書飛;蔣書運(yùn);;一類改進(jìn)的氣體靜壓軸承壓力場分布有限差分算法(英文)[J];Journal of Southeast University(English Edition);2009年04期

10 周權(quán);趙祥雄;陳汝剛;侯予;;基于有限差分法的動壓氣體止推軸承靜態(tài)特性分析[J];潤滑與密封;2009年08期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 楊光偉;陀螺儀氣浮軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2017年

2 胡杰;光纖陀螺單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D];東南大學(xué);2017年

3 王林林;再入飛行器制導(dǎo)與控制方法研究[D];北京理工大學(xué);2016年

4 馮慧慧;水潤滑軸承電主軸轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性分析[D];東南大學(xué);2016年

5 梅春波;捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)慣性系非線性初始對準(zhǔn)技術(shù)研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2016年

6 馬悅悅;敏捷導(dǎo)彈大攻角高機(jī)動飛行控制方法研究[D];北京理工大學(xué);2016年

7 李安梁;浮球式慣導(dǎo)平臺設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2015年

8 刁兆師;導(dǎo)彈精確高效末制導(dǎo)與控制若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D];北京理工大學(xué);2015年

9 陳昌婷;高速氣體軸承結(jié)構(gòu)性能分析與實(shí)驗(yàn)研究[D];中國科學(xué)院研究生院(工程熱物理研究所);2014年

10 陳建峰;制造特性對液浮陀螺儀組件應(yīng)力狀態(tài)影響研究[D];北京理工大學(xué);2014年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前4條

1 劉畢炎;三浮陀螺加速度計(jì)溫度模型的分析與研究[D];中國航天科技集團(tuán)公司第一研究院;2017年

2 徐靜;慣性儀表軟導(dǎo)線干擾力矩測試技術(shù)研究[D];南京理工大學(xué);2014年

3 廖祖平;氣浮陀螺儀K0項(xiàng)漂移精度影響因素的分析及其控制技術(shù)方法的研究[D];大連理工大學(xué);2006年

4 喬江東;基于數(shù)值模擬的精密擺角銑頭氣體靜壓軸承的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2006年

本文編號：2717621