一種球形氣浮氣動陀螺儀的設(shè)計方法及誤差分析研究.pdf

1、氣體潤滑裝置具有速度高、精度高、功耗低、壽命長等優(yōu)點，這些優(yōu)點很適應(yīng)慣性器件的需要，故其研究獲得廣泛關(guān)注，在慣性器件上也獲得很多應(yīng)用。但針對一些特殊結(jié)構(gòu)的氣浮陀螺儀，如二自由度球形氣浮陀螺儀，潤滑理論方面的研究仍有不足，其支承效果不容易保證，干擾力矩大且理論研究欠缺，造成陀螺儀漂移精度遠低于期望值。因此，針對這種結(jié)構(gòu)的陀螺儀，開展氣體潤滑方面的研究，對于完善其設(shè)計，減小有害力矩，提高漂移精度具有重要的現(xiàn)實意義。
　　本文介紹了一種

2、氣體反作用驅(qū)動球形氣浮陀螺儀的總體設(shè)計要求、設(shè)計思路和工作原理，分析要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，完成總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。結(jié)合其結(jié)構(gòu)和制造工藝，分析了制造和裝配過程中容易產(chǎn)生的誤差、工況變化引起的潤滑狀態(tài)變化，以及它們對陀螺儀性能的影響。并對該陀螺儀的漂移誤差原因進行了分析，提出了控制干擾力矩、提高漂移精度的總體思路。
　　要對氣浮陀螺儀的氣體潤滑性能進行精確的分析，首要的問題是對氣體潤滑方程的數(shù)值求解。文中首先引入了球形氣浮陀螺儀適用的球坐標

3、系下的潤滑雷諾方程，為便于分析計算，對該方程采用參數(shù)變換，轉(zhuǎn)變成笛卡爾坐標系下的標準形式來處理；為簡化靜壓潤滑時方程的邊界條件，將節(jié)流器的流量項并入方程中；然后對經(jīng)參數(shù)變換并添加了流量項的方程應(yīng)用加遼金加權(quán)余量法，將二階偏微分方程降為一階，放松對插值函數(shù)連續(xù)度的要求；最后采用三角形單元離散化計算域，給出求解壓力方程組的有限元模型。
　　與一般支承相比，氣體支承的承載能力和剛度偏低，而合理的承載性能是陀螺儀正常工作的保障，因此，對承

4、載性能實現(xiàn)精確的數(shù)值求解，對指導(dǎo)氣浮陀螺儀的設(shè)計至關(guān)重要。文中給出球形氣浮軸承的氣膜間隙表達式，以及承載力和剛度的計算方法，然后對小孔和連續(xù)狹縫兩種節(jié)流方式的球形軸承進行了靜態(tài)承載性能的計算，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)、工況變化對承載性能的影響，比較了這兩種節(jié)流方式軸承的性能特點；因陀螺儀轉(zhuǎn)子工作在高轉(zhuǎn)速狀態(tài)，其潤滑不僅存在靜壓效應(yīng)，還有速度引起的動壓效應(yīng)，因此文中分析了轉(zhuǎn)速對支承性能的影響、主要影響動壓效應(yīng)的參數(shù)類型及其影響規(guī)律。另外，陀螺儀的制

5、造和裝配誤差以及工作條件的變化會對承載性能產(chǎn)生影響，為找出敏感誤差源，指導(dǎo)陀螺儀的精度設(shè)計，降低制造成本，文中分析了典型誤差因素對承載性能的影響規(guī)律。
　　氣體干擾力矩是影響氣浮氣動陀螺儀漂移精度的主要原因之一，而目前缺乏對氣體潤滑軸承中氣體干擾力矩較完善的分析理論、數(shù)值模型和計算方法的研究。針對此問題，文中建立了球形氣浮軸承中氣體干擾力矩的數(shù)學模型，并借助有限元方法，實現(xiàn)了其數(shù)值求解。另外，為實現(xiàn)對氣體干擾力矩的有效控制，結(jié)合結(jié)

6、構(gòu)和制造工藝，討論并比較了小孔和狹縫兩種節(jié)流方式下的球形氣浮陀螺儀氣體干擾力矩情況，分析了對其影響明顯的制造裝配誤差類型以及工況條件，并給出了各自的影響規(guī)律。
　　氣浮陀螺儀常用的電磁驅(qū)動存在干擾力矩大，裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題。本文提出一種適用于小型氣浮轉(zhuǎn)子的氣體反作用驅(qū)動方式，該驅(qū)動可避免電磁干擾，有利于陀螺儀漂移精度的提高，并簡化了結(jié)構(gòu)。文中對氣體反作用驅(qū)動的原理、實現(xiàn)方法進行了探討，建立驅(qū)動性能的數(shù)學模型，分析了陀螺儀參數(shù)及誤差