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一、 引言

自1852 年付科制造出世界第一臺陀螺儀以來 , 陀螺儀器應(yīng)用范圍十分廣闊 。在航空、航海 、宇航、礦山隧道領(lǐng)域廣泛地利用陀螺的定軸性 、進(jìn)動性, 制造成各類用于方位 、姿態(tài)、軌道測量和控制的陀螺儀表。同時利用陀螺力矩特性 , 用于減小和穩(wěn)定船舶 、艦艇和坦克的搖擺和顛簸, 將其制成各類安裝精密儀器的穩(wěn)定平臺 。然而 , 利用陀螺進(jìn)動效應(yīng)進(jìn)行測力稱重則是由西德 J . Wohrl 教授于七十年代末提出的 〔1〕 , 應(yīng)用這種新穎原理制成的測力傳感器,具有準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、動態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn),受到人們的普遍關(guān)注。作者通過陀螺測力傳感器和陀螺地上衡的研制, 設(shè)計(jì)了應(yīng)用二自由度框架陀螺進(jìn)行測力 、稱重的內(nèi) 、 外加載系統(tǒng), 解決了測力稱重關(guān)鍵技術(shù) , 在國內(nèi)首次通過技術(shù)鑒定。

二 、 測量原理

用于測力稱重的陀螺是二自由度的框架陀螺 。

 由文獻(xiàn)〔2〕可知, 當(dāng)選擇內(nèi)環(huán)坐標(biāo)系 o x yz 為動坐標(biāo)系, 如忽略二階微量 ,二自由度框架陀螺的力學(xué)方程由下式表示:

式中, J _y 、 J _z 分別為陀螺繞y 、z 軸的轉(zhuǎn)動慣量;H 為轉(zhuǎn)子的角動量; M _y 、M _z 分別為外力矩在y 、z 軸上投影 ; θ′_y、θ′_z分別為陀螺繞y 、z 軸轉(zhuǎn)動的角速度 ; θ″_y、θ″_z 分別為繞y 、z 軸轉(zhuǎn)動的角加速度。

其中 J _yθ″_y、J _zθ″_z為非陀螺效應(yīng)項(xiàng), Hθ′_z、-Hθ′_y 在運(yùn)動中體現(xiàn)陀螺效應(yīng), 即分別為外環(huán)繞z 軸、內(nèi)環(huán)繞 y 軸的進(jìn)動 。

如果只有一個常力矩 M y 作用于框架陀螺內(nèi)環(huán)的y 軸上,則式( 1) 將變成:

設(shè)初始條件 : t = 0 時, θ′_y =θ′_z =0 , θ_y =θ_z= 0, 求解微分方程組( 2) 可得:

式( 3) 表明陀螺的運(yùn)動是繞 Z 軸的進(jìn)動θ′_z =M _y / H 與頻率為 ω_n 、幅度分別為 θ_y =J _z M _y / H ² 、θ _z =（ J _y J _z ）^1/2M _y / H ² 章動的組合。由于 H>>（ J _y J _z ）^1/2 , 章動頻率很高 , 振幅卻極小, 同時存在空氣阻力等因素, 使章動很快衰減, 這時陀螺框架主要體現(xiàn)在與 M _y 成正比的繞Z 軸的進(jìn)動。

傳統(tǒng)的框架陀螺要能成為測力稱重裝置,從加荷結(jié)構(gòu)上必須解決下列技術(shù)難點(diǎn):

1.設(shè)法使被測載荷作為常力 F 作用于工作時始終進(jìn)動的內(nèi)環(huán)上, 其產(chǎn)生的外力矩 M _y在內(nèi)環(huán)動坐標(biāo)系中保持不變 ^〔3 〕 。

2.利用陀螺進(jìn)行測力稱重時整個陀螺框架將繞垂直軸 Z 不停地進(jìn)動, 于是不可避免地存在支承軸承間的摩擦力。由陀螺正交進(jìn)動原理 ,作用于外環(huán)軸 Z 上的摩擦力矩 M _zf 將會引起內(nèi)環(huán)的偏轉(zhuǎn)進(jìn)動 ,因此測力陀螺必須設(shè)計(jì)外環(huán)摩擦力矩反饋補(bǔ)償系統(tǒng), 以不斷地進(jìn)行瞬間補(bǔ)償 ,使內(nèi)環(huán)保持在水平狀態(tài)。實(shí)際測量過程中 ,陀螺框架內(nèi)環(huán)在隨著繞垂直 Z 軸進(jìn)動的同時 , 始終在水平位置上下小角度地不斷波動,其產(chǎn)生的摩擦力矩將會疊加到測量負(fù)荷中去。這樣結(jié)構(gòu)對加載機(jī)構(gòu)的鉸鏈設(shè)計(jì)十分重要, 鉸鏈產(chǎn)生的摩擦力矩過大或不穩(wěn)定, 輕則影響測量準(zhǔn)確度, 進(jìn)而會使陀螺失去測力功能。

3.陀螺測力裝置用于稱重時 ,需配置機(jī)械杠桿放大系統(tǒng) 。測量時整個框架陀螺不停地繞垂直Z 軸轉(zhuǎn)動且負(fù)荷越大轉(zhuǎn)速越高 , 故應(yīng)設(shè)計(jì)有效地運(yùn)動隔離機(jī)構(gòu)使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動不傳遞到機(jī)械杠桿系統(tǒng), 以保證被測載荷以靜態(tài)方式準(zhǔn)確地傳遞到測力陀螺上去 。

三、 加載機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.陀螺自轉(zhuǎn)電機(jī) ; 2.水平內(nèi)環(huán)框架; 3.軸承 ;4.垂直外環(huán)框架 ; 5.軸承; 6.加載杠桿; 7.杠桿水平框架鉸鏈; 8.杠桿垂直框架鉸鏈; 9.端面隔離軸承 ; 10.水平位移檢測器; 11.扭矩電機(jī); 12. 反饋扭矩控制器。內(nèi)加載機(jī)構(gòu)杠桿的一端通過鉸鏈和內(nèi)環(huán)與自轉(zhuǎn)軸交點(diǎn) 7 相連 ,另一端用鉸鏈和外框架延伸端 8 相連。載荷 F通過止推軸承以靜態(tài)方式作用杠桿中點(diǎn) ,直接施于通過框架陀螺的旋轉(zhuǎn)中心垂直軸 Z 上 。這種內(nèi)加載機(jī)構(gòu)使載荷 F 以常力矩M y =Fa/2施于不停轉(zhuǎn)動的內(nèi)環(huán), 同時載荷 F 的質(zhì)量并不參與陀螺框架的進(jìn)動 ,從而避免了載荷質(zhì)量運(yùn)動所產(chǎn)生的慣性干擾。 其為弓形杠桿— — —叉簧彈性支承內(nèi)加載機(jī)構(gòu) 。1.弓形杠桿 ; 2.叉簧彈性支承; 3. 運(yùn)動隔離機(jī)構(gòu); 4.殼體; 5.水平內(nèi)環(huán)框架; 6. 垂直外環(huán)框架。
 

鑒于上述加載機(jī)構(gòu)鉸鏈選擇的重要性 ,研制的內(nèi)加載機(jī)構(gòu)對鉸鏈應(yīng)滿足下列要求 :

( 1) 使陀螺加載機(jī)構(gòu)鉸鏈在動坐標(biāo)系能繞垂直于 xoy 平面的轉(zhuǎn)動軸旋轉(zhuǎn) 。

( 2) 在 xoz 平面內(nèi)可設(shè)計(jì)成具有較小剛度, 以適應(yīng)小角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動時 , 鉸鏈摩擦力矩能控制在規(guī)定的允差之內(nèi)。

( 3) 在平行于 xoy 平面內(nèi)具有足夠的剛度,以能夠傳遞因施加載荷產(chǎn)生的力矩 M y 所引起的旋轉(zhuǎn)進(jìn)動。

采用常規(guī)的滾動軸承和滑動軸承都存在較大的摩擦 ,研制的陀螺測力內(nèi)加載機(jī)構(gòu)應(yīng)用了叉簧彈性支承, 該類支承有以下顯著特點(diǎn)符合上述要求:

( 1) 彈性支承是利用彈性元件的彈性變形進(jìn)行轉(zhuǎn)動, 其摩擦性質(zhì)是分子內(nèi)摩擦 。因此運(yùn)動件和承載件之間幾乎沒有摩擦, 只是極小的彈性摩擦 。

( 2) 叉簧彈性支承在非工作方向有很大剛度, 而在工作方向可設(shè)計(jì)成零剛度, 以保證運(yùn)動部件在給定平面內(nèi)運(yùn)動 。

( 3) 支承中無間隙,不會給傳動帶來空回 。

( 4) 支承中無相對滑動或滾動 , 沒有機(jī)械摩擦, 勿需施加潤滑劑, 維護(hù)簡單, 使用壽命長。

使用的叉簧彈性支承和采用一般的滾動軸承相比 ,摩擦力矩可小一個數(shù)量級。

在測量過程中 ,整個陀螺繞垂直 Z 軸不停地轉(zhuǎn)動。雖然通過隔離軸承, 但滾動軸承內(nèi)部機(jī)械摩擦仍影響載荷的水平晃動。研制的 SLS- 5000 型陀螺地上衡采用了十字刀口刀承懸掛機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)微動隔離機(jī)構(gòu)組成的外加載系統(tǒng)。采用的十字刀口刀承機(jī)構(gòu)中, 負(fù)荷傳遞的力作用點(diǎn)被集中到十字刀口刀承上 , 因其只能傳遞垂直方向的載荷 ,可盡量減小非主軸方向干擾載荷的影響 。1.螺母; 2.下塊; 3. 螺桿 ;4.刀承座; 5. 刀承; 6.螺桿; 7.螺母; 8. 上塊 ;9.定位鎖 ; 10.螺釘; 11.鋼珠墊; 12.鋼珠 ;13. 鋼珠 。機(jī)構(gòu)由刀口 、 刀承副和二組滾珠 、 球形鋼座副組成 。該機(jī)構(gòu)允許和陀螺測力裝置聯(lián)接的末級杠桿可上下微量擺動, 同時滾珠球形鋼座副機(jī)構(gòu)允許與其配裝的上、下支承橫梁在水平面內(nèi)可微幅轉(zhuǎn)動 ,使殘剩的旋轉(zhuǎn)摩擦力矩不影響裝有末級杠桿的刀承與框架陀螺輸出端的刀口始終穩(wěn)定接觸, 以達(dá)到準(zhǔn)確地傳遞被測載荷 。

四、 應(yīng)用和測試結(jié)果

上述研制的內(nèi) 、 外加載系統(tǒng)已應(yīng)用于陀螺測力傳感器和陀螺地上衡 。測試結(jié)果如下:

TLG - 1 型測力傳感器: 額定負(fù)荷: 200N ; 相對誤差: ≤±0. 03%FS ; 不穩(wěn)定度: ≤±0. 01%FS/年。SLS -5000 型陀螺地上衡: 額定載荷:5000kg ,檢定分度數(shù) n : 8000,滿足達(dá) 8000 分度值國際商用( Ⅲ) 秤的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo) 。

五、 結(jié)論

弓形杠桿 ———叉簧彈性支承內(nèi)加載系統(tǒng)正確巧妙地應(yīng)用了陀螺測力原理, 使框架陀螺能夠成為實(shí)際使用的測力傳感器; 而十字刀口、 刀承機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)微動隔離機(jī)構(gòu)組成的外加載系統(tǒng)有效地解決了陀螺測力傳感器在稱重衡器中應(yīng)用的難點(diǎn) 。陀螺加載系統(tǒng)已使用多年,運(yùn)行效果良好。

參考文獻(xiàn)

[ 1] R. A. Lolley , “A Gy roscopic method of force measurement and its suitability for weighing” , Measurement and Control,Vol. 12, No. 9. ( 1979)

[ 2] 郭秀中, 于波, 陳云相編著. 《陀螺儀理論及應(yīng)用》.航空出版社, 1987.

[ 3] Yang Jianghui,“Studying and fabricating of Model TLG -1 gyroscop force measurement transducer with high accuracy ( GFMT) ” ACTA IMEKO 1991, p286～ p291.

 

 

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