动压气浮陀螺仪轴承性能分析及误差模型研究

发布时间：2020-06-17 12:44

【摘要】：陀螺仪的精度是惯性导航系统精度的瓶颈。在动压气浮陀螺仪中,动压气浮轴承以其低摩擦、高转速、运行平稳等优点,被用作电机转子的支承轴承。然而,轴承气膜的弹性具有非线性,随着载体机动性的提高会产生较大的陀螺漂移误差,而现有误差模型不能很好地描述该误差项。同时,惯性导航与制导技术的发展也对陀螺仪动压气浮轴承的分析与设计提出更高要求。为进一步提高惯性导航系统的精度,本文针对动压气浮陀螺仪的误差问题展开系统深入的研究,指导动压气浮轴承的设计,提出误差模型研究的新思路,为动压气浮陀螺仪提供全面的误差预测信息。本文主要研究工作有四方面:(1)动压气浮轴承的静动态特性分析是动压气浮陀螺仪误差研究的基础。本文基于薄膜润滑理论,同时考虑气体稀薄效应和表面沟槽的影响,建立了锥台型动压气浮轴承的润滑计算模型,包括瞬态雷诺方程、稳态雷诺方程和考虑五自由度运动的摄动雷诺方程。用有限差分法求解雷诺方程,并将结果与现有研究对比,验证了计算模型的准确性。在此基础上,计算了动压气浮轴承的气膜压力场、承载力与承载力矩,以承载力为依据设计了轴承间隙、沟槽深度和沟槽方向角。另外还求解了轴承的刚度矩阵和阻尼矩阵,进而分析了转子的不平衡响应与稳定性。结果表明:转子不平衡响应的振幅随电机转速的增大而增大,转子稳定性的临界质量随电机转速的增大而减小。(2)为研究动压气浮陀螺仪气膜非线性变形引起的漂移误差,根据陀螺仪的结构和工作原理,推导了该误差的计算公式,用锥台型轴承静态分析中的转子位移和承载力数据计算漂移误差,并以三自由度比力为自变量进行回归分析,得到动压气浮陀螺仪误差模型。在此过程中,利用轴承-转子系统的对称性,将三元回归分析转化为两个二元回归分析,减少了所需的润滑计算次数。还针对半球型动压气浮陀螺仪建立了误差模型,并与锥台型动压气浮陀螺仪误差模型对比。结果表明:两种陀螺仪均在比力兼具径向分量和轴向分量时产生漂移误差,半球型动压气浮陀螺仪的漂移误差较小。另外,通过推导计算得到锥台型动压气浮陀螺仪误差模型适用的比力变化率范围在8.4×103 m/s3之内,同时分析了角速度对干扰力矩的影响。(3)比力和载体角速度的瞬态变化引起陀螺电机转子的复杂振动,这是以轴承静态特性为基础的误差模型没有考虑的。为了弥补误差模型中将系统视为稳态的不足,建立五自由度转子动力学模型,并与动压气浮轴承的瞬态雷诺方程联立,提出了瞬态干扰力矩的求解方法。在比力发生突变的工况,以及比力与载体角速度均匀变化的工况下,分别计算了轴承-转子系统的响应,研究了瞬态干扰力矩的变化规律。结果表明:在比力突变的条件下,瞬态干扰力矩的变化规律主要由突变量的方向决定;在比力与载体角速度均匀变化的条件下,干扰力矩变化规律取决于载体角速度是否变化。(4)动压气浮轴承在加工、装配过程中难免出现误差,由于动压气浮轴承的尺寸远大于气膜厚度,即使很小的制造误差也将对气膜厚度产生很大的影响。本文考虑了几种常见的制造误差对动压气浮陀螺仪的影响,包括轴承锥度误差、椭圆形误差、三棱形误差、轴承安装轴线偏移误差和轴承安装轴线倾斜误差。通过气膜厚度变化量描述各制造误差,建立数学模型并代入润滑计算模型,配合使用摄动法与迭代法求解了给定比力下的转子位移和附加干扰力矩。以最小气膜厚度低至轴承间隙的1/10为标准,分别在不同的制造误差条件下求解了陀螺仪的极限过载。结果表明:几种制造误差的增大均会导致干扰力矩增大和极限过载减小,其中轴承锥度误差的影响最大。综上所述,本文针对动压气浮陀螺仪气膜非线性变形引起的漂移误差,基于稀薄气体润滑计算理论,提出了一种误差建模新方法,并建立了锥台型和半球型两种动压气浮陀螺仪的误差模型。该模型克服了润滑计算必须以转子位移为自变量的不便,可直接在任意三自由度比力下预测由转子位移引起的角速度测量误差。针对比力突变、以及比力与载体角速度均匀变化两种工况,通过联立雷诺方程和五自由度转子动力学方程,提出了动压气浮陀螺仪瞬态干扰力矩的求解方法。另外,建立了几种轴承制造误差的数学模型,从干扰力矩和极限过载两方面分析了制造误差对陀螺性能的影响。本文的研究方法与结果为进一步提高动压气浮陀螺仪精度提供了理论依据与技术支撑。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH824.3
【图文】：

精度,陀螺仪,光纤陀螺仪,半球谐振陀螺

过系统级的补偿进行消除；另一类是由各种复杂或未知因素引起的，可认为随机产生，逡逑其引起的漂移也是随机的。逡逑根据目前公开的资料，几种常见类型陀螺仪的漂移精度如图１．１所示。其中，激光逡逑陀螺仪和光纤陀螺仪属于覆盖高、中、低精度的陀螺产品；ＭＥＭＳ陀螺仪在军用和民用逡逑领域的精度需求差别很大；三浮陀螺仪由于受到更加严格的技术封锁，各国发展差距很逡逑大，例如，美国在２０世纪８０年代生产的三浮陀螺仪精度已经达到１．５ｘｌ0－７°／ｈ，同期俄逡逑罗斯三浮陀螺仪的精度只有ｌｘｌ（ｒ４°／ｈ，而我国当时刚刚开始进行三浮陀螺仪的研制［４３］。逡逑＾＾逦邋半球谐振陀螺仪逡逑逦＾激光陀螺仪逡逑逦逦逦光纤陀螺仪逡逑逦ＭＥＭＳ陀螺仪逡逑逦１逦液浮陀螺仪逡逑；■■■逦三浮陀螺仪逡逑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）逡逑图１．１几种陀螺仪的漂移精度逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｄｒｉｆｔ邋ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓｅｖｅｒａｌ邋ｋｉｎｄｓ邋ｏｆ邋ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ逡逑近年来，有关陀螺仪漂移误差的研究大多是针对ＭＥＭＳ陀螺仪［４５＿５＼光纤陀螺仪逡逑［５１－５５］、半球谐振陀螺仪［５６，５７］、原子陀螺仪［５８］等基于近代物理学原理的陀螺仪展开的。其逡逑中，部分相关文献［５９，６（）］以陀螺仪的工作原理和误差产生的机理为切入点，分析和补偿漂逡逑移误差；但更多的研宄并不涉及陀螺仪的原理与内部结构，而是通过滤波和机器学习算逡逑法研宄陀螺仪的输出信号

论文,制造误差,干扰力矩,陀螺

图１．３论文的结构逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ逡逑

【参考文献】