РЕЗОНАТОР ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ВОЛНОВОГО ГИРОСКОПА

Название	РЕЗОНАТОР ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ВОЛНОВОГО ГИРОСКОПА
Разработчик (Авторы)	Скрипкин А.А., Королев А.В., Королев А.А.
Вид объекта патентного права	Полезная модель
Регистрационный номер	187102
Дата регистрации	19.02.2019
Правообладатель	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А."
Область применения (класс МПК)	1C 19/56 (2012.01)
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Полезная модель относится к конструкции резонаторов твердотельных волновых гироскопов, которые используются для определения угловых перемещений в навигационных устройствах подвижных объектов различных классов, в том числе летательных аппаратов, космических летательных аппаратов и других.

Известен резонатор, выполненный в виде тонкостенного металлического цилиндра с дном. Резонатор скрепляется дном с другими частями чувствительного элемента. Кромка тонкостенного цилиндра на противоположном конце служит рабочей частью резонатора и совершает изгибные колебания при работе резонатора [Koning M.G. Vibrating cylinder gyroscope and method. // Патент США, НКИ 74-5.6 №4793195 (1988)]. При вращении колеблющегося резонатора вокруг оси симметрии из-за действия кориолисовых сил угловые скорости вращения резонатора и волновой картины оказываются различными, что позволяет определить угловую скорость вращения резонатора.

Известно, что максимальная скорость систематического дрейфа твердотельного волнового гироскопа обратно пропорциональна добротности резонатора и может быть определена по формуле [Журавлев В.Ф., Климов Д.М. Волновой твердотельный гироскоп. - М.: Наука, 1985. 125 с.]:

где:  - максимальная скорость систематического дрейфа; А - постоянный коэффициент; f - частота изгибных колебаний кромки резонатора; Q - добротность резонатора; k - постоянный коэффициент, учитывающий неизотропность резонатора.

Однако добротность резонаторов, выполненных в виде тонкостенных оболочек, оказывается низкой, так как в этом случае энергия колебаний превращается в тепловую за счет теплопереноса между зонами с различной температурой. При изгибных колебаниях внешние и внутренние слои металла оболочки испытывают различные деформации: если внешние слои растягиваются, то внутренние сжимаются и наоборот. Локальная деформация материала приводит к локальному изменению температуры, при сжатии материала локальная температура повышается, а при растяжении уменьшается. Так же как и деформация, эти температурные изменения будут различны для внешних и внутренних слоев материала: если в некоторый момент времени температура внешних слоев повышается, то при этом температура внутренних уменьшается и наоборот. Между областями оболочки резонатора, которые имеют разную локальную температуру, возникают тепловые потоки, которые и представляют собой потери энергии колебаний, приводящие в итоге к низкой добротности резонатора.

Максимальную добротность металлического цилиндрического резонатора оценим по следующей формуле [Зинер К. Упругость и неупругость металлов. // Сб.: Упругость и неупругость металлов. // Ред. Вонсовский СВ. - М.: ИЛ, 1954. С. 9-168.]:

где: γ - коэффициент температуропроводности; h - толщина стенки резонатора; ζ - интенсивность внутреннего трения.

Для большинства металлов эти величины составляют: ζ≈0,004 и γ≈1 см²/с [Зинер К. Упругость и неупругость металлов. // Сб.: Упругость и неупругость металлов. // Ред. Вонсовский СВ. - М.: ИЛ, 1954. с. 9-168.].

Принимая h=0,1 см и f=2 кГц, получаем значение максимальной добротности тонкостенного металлического цилиндра: Q≈31000.

Поэтому данное значение добротности снижает точность работы волнового твердотельного гироскопа до 10…50 угл. град/ч.

Известен резонатор для твердотельного волнового гироскопа, выполненный в виде металлического цилиндра с дном [Резонатор. Патент РФ №2357214, МПК G01C 19/56, 2007 г. Лунин Б.С, Матвеев В.А., Басараб М.А. Опубликовано 27.05.2009 г., Бюл. №15]. В кромке цилиндра, служащей рабочей частью, параллельно образующей цилиндра выполнены отверстия, радиусом, равным четверти толщины стенки цилиндра и глубиной в половину радиуса цилиндра, располагающиеся на расстоянии друг от друга, равном утроенному радиусу отверстия. При радиусе отверстия, равном четверти толщины стенки цилиндра, глубине отверстия в половину радиуса цилиндра и при расположении отверстий на расстоянии, равном утроенному радиусу отверстий, интенсивность теплового потока уменьшается примерно в три раза, так как теплопередача происходит только через узкие перемычки между отверстиями. В результате добротность резонатора также возрастет в примерно три раза, что приведет к пропорциональному уменьшению систематического дрейфа твердотельного волнового гироскопа.

Однако такое значение добротности также не очень велико и снижает точность работы твердотельного волнового гироскопа примерно до 4…17 у гл. град/ч.

Известен резонатор олнового твердотельного гироскопа, имеющий цилиндрическую часть и основание, служащее для присоединения резонатора к гороскопу [Резонатор твердотельного волнового гироскопа. Патент РФ ПМ №145777, МПК G01C 19/56, 2014 г. Игнатьев А.А., Скрипкин А.А.] - прототип.

В известной конструкции резонатор выполнен в виде металлического цилиндра с дном. В кромке цилиндра, служащей рабочей частью, выполнены отверстия параллельно образующей цилиндра, радиусом, равным четверти толщины стенки цилиндра, глубиной в половину радиуса цилиндра, на расстоянии друг от друга, равном утроенному радиусу отверстия, причем в качестве материала металлического цилиндра использован аморфный или нанокристаллический металл (металлический сплав).

Из-за особенностей строения внутренней структуры аморфных сплавов параметр - ζ - интенсивность внутреннего трения у аморфных сплавов, например, на основе циркония (Zr), составляет величину примерно ζ≈0,0002-0,0003 [S. Bossuyt, , J. Schroers. Resonant vibration analysis for temperature dependence of elastic properties of bulk metallic glass. // J. Mater. Res., Vol. 22, No. 2, Feb. 2007, p.p. 533-537], что при тех же числовых параметрах по формуле (2) дает значение максимальной добротности тонкостенного металлического цилиндра: Q≈465000-620000.

Поэтому данное значение добротности обеспечивает точность работы волнового твердотельного гироскопа до величины 0,25…0,9 угл. град/ч.

Однако существующая технология для изготовления подобных резонаторов полностью из аморфных металлов и их сплавов является достаточно сложной и весьма дорогостоящей. Кроме того, указанный резонатор обладает высокой теплопроводность, что увеличивает потери энергии колебаний и снижает добротность и точность показаний гироскопа.

Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков.

Указанная задача решается тем, что резонатор волнового твердотельного гироскопа, имеющий цилиндрическую часть и основание, служащее для присоединения резонатора к гироскопу, к цилиндрической части резонатора присоединено рабочее тонкостенное кольцо, выполненное из материала с малым коэффициентом внутреннего трения, а в зоне соединения с тонкостенным кольцом на цилиндрической части резонатора выполнены сквозные отверстия, создающие перемычки, суммарная площадь которых составляет 10-12% от площади отверстий. Тонкостенное кольцо выполнено из аморфного материала. Другим отличием является то, что тонкостенное кольцо выполнено в виде набора прочно соединенных между собой тонкостенных колец толщиной 25…30 мкм.

Техническим результатом является упрощение технологии изготовления и снижение себестоимости резонатора при повышении его добротности.

Так как цилиндрическая часть резонатора выполнена составной с рабочим тонкостенным кольцом, то это снижает затраты на изготовление резонатора, так как из дорогостоящего материала с низким коэффициентом внутреннего трения изготавливается только рабочее тонкостенное кольцо, а остальная часть резонатора может быть изготовлена из обычного металла. Наличие сквозных отверстий в цилиндрической части резонатора в зоне соединения с тонкостенным кольцом, создающих перемычки, суммарная площадь которых составляет 10-12% от площади отверстий, уменьшает тепловой поток и снижает потери энергии колебаний рабочего тонкостенного кольца, что повышает добротность резонатора. Конструкция рабочего тонкостенного кольца, выполненная в виде набора прочно соединенных между собой тонкостенных колец толщиной 25…30 мкм, снижает затраты на изготовление кольца, а следовательно, и резонатора в целом.

На фиг. 1 показана конструкция резонатора, где: 1 - цилиндрическая часть резонатора; 2 - основание; 3 - сквозные отверстия; 4 - рабочее тонкостенное кольцо.

Резонатор имеет цилиндрическую часть 1 и основание (дно) 2, служащее для присоединения резонатора к другим частям гороскопа. В нижней кромке цилиндрической части 1 выполнены сквозные отверстия 3. На конце цилиндрической части 1 резонатора установлено рабочее тонкостенное кольцо 4. Сквозные отверстия 3 создают перемычки между рабочим тонкостенным кольцом 4 и цилиндрической частью 1, площадь которых составляет 10-12% от площади сквозных отверстий 3. Рабочее тонкостенное кольцо 4 выполненное из материала с малым коэффициентом внутреннего трения, что снижает потери энергии колебаний и повышает добротность резонатора. В качестве материала рабочего тонкостенного кольца 4 может использоваться аморфный металл, обладающий низким внутренним трением. Рабочее тонкостенное кольцо 4 можно изготовить в виде набора прочно соединенных между собой тонкостенных колец толщиной 25…30 мкм.

Резонатор работает следующим образом.

Резонатор скрепляется с другими частями гороскопа (не показано) посредством основания 2 и приводится во вращение. Наружная кромка рабочего тонкостенного кольца от специального устройства (не показано) получает изгибные колебания высокой частоты. Под действием высокой частоты вращения в рабочем тонкостенном кольце 4 возникают силы Кориолиса, которые приводят к изменению диаметра рабочего тонкостенного кольца 4, по величине которого с помощью специальных датчиков можно определить угловую скорость вращения резонатора.

Но часть энергии вращения резонатора затрачивается на повышение температуры резонатора и поглощается внутренними дефектами материала. Это снижает точность показаний прибора. Для предотвращения этих явлений рабочее тонкостенное кольцо выполнено из материала с низким коэффициентом внутреннего трения из-за отсутствия дефектов кристаллической решетки. К таким материалам, например, относится аморфный металл. Аморфный металл имеет высокую стоимость, поэтому изготовление из этого материала всего резонатора приводит к высоким материальным затратам. Изготовление из аморфного металла только рабочего металлического кольца резко снижает потребные затраты. Наличие тонких перемычек между рабочим тонкостенным кольцом 4 и цилиндрической частью резонатора 1 снижает тепловые потери, возникающие при работе резонатора. Все это повышает добротность резонатора и повышает точность измерений.

Пример. Диаметр рабочего тонкостенного кольца равна 25 мм, толщина 1 мм. Частота вынужденных изгибных колебаний ƒ=8 кГц. Амплитуда колебаний кромок резонатора А=1…2 мкм. Величина зазора между поверхностью емкостного датчика для съема информации и поверхностью кромки резонатора 50…100 мкм.

В нижней кромке цилиндрической части выполнены 4 сквозных отверстия шириной 2 мм и длиной 17,5 мм. Таким образом, суммарная площадь сквозных отверстий равна 140 мм. Указанные отверстия создают перемычки, суммарная площадь которых составляет 3,14*25*2-140=17 мм², что составляет 12% от площади отверстий. Толщина каждой перемычки равна 2,1 мм, что достаточно для обеспечения необходимой прочности резонатора.

Наличие сквозных отверстий, создающих воздушные промежутки, снижает интенсивность теплового потока примерно в 8…10 раз, так как теплопередача происходит только через узкие перемычки между отверстиями. Поскольку затухание ультразвука в воздухе довольно велико и возрастает пропорционально квадрату частоты, а также за счет очень малого коэффициента прохождения через границу воздух-твердое тело - например, для границы воздух-сталь коэффициент прохождения по энергии d=3,8*10^-5; [Неразрушающие методы контроля сварных соединений / С.В. Румянцев, В.А. Добромыслов, О.И. Борисов и др.; - М: Машиностроение, 1976. - 335 с], то в предлагаемой конструкции резонатора до 90% энергии, затрачиваемой системой возбуждения уходит на создание изгибных колебаний ультразвуковой частоты в рабочей кромке резонатора и поддержания их постоянной амплитуды.

Максимальную добротность металлического цилиндрического резонатора оценим по формуле (2). Для большинства металлов эти величины составляют: ζ≈0,004 и γ≈1 см²/с. Использование в качестве материала тонкостенного кольца аморфного металла с малой величиной ζ≈0,0002-0,0003 [S. Bossuyt, , J. Schroers. Resonant vibration analysis for temperature dependence of elastic properties of bulk metallic glass. // J. Mater. Res., Vol. 22, No. 2, Feb. 2007, p.p. 533-537] существенно повышает добротность резонатора. Несложно определить, что при неизменных геометрических параметрах гороскопа предлагаемая конструкция обеспечивает добротности тонкостенного металлического цилиндра, равную Q≈465000-620000, что в несколько раз выше по сравнению с добротностью известной конструкции.

Предлагаемый резонатор для твердотельного волнового гироскопа является составным металлическим, в котором тонкостенное кольцо из аморфного металла может быть изготовлено, например, - способом охлаждения, при котором струя жидкого металла с определенной скоростью направляется на поверхность быстро вращающегося цилиндра, изготовленного из материала с высокой теплопроводностью, - из тонкого листа аморфного сплава, из которого после этого после этого в режиме сверхпластической формовки в состоянии переохлажденной жидкости выдувается требуемая цилиндрическая форма с последующей требуемой механической обработкой [J. Schroers, T. Hodges, G. Kumar, Н. Raman, А. Barnes, Q. Pham, Т. Waniuk //Thermoplastic blow molding of metals // MaterialsToday, Jan-Feb 2011, Volume 14, No. 1-2, p.p. 14-19].

Таким образом, по сравнению с известным резонатором предложенный резонатор является более технологичным и менее дорогостоящим, обеспечивает существенное повышение добротности и увеличение точность работы волнового твердотельного гироскопа. Дополнительным положительным эффектом использования предлагаемого резонатора является то, что в конструкцию существующих твердотельных волновых гироскопов не вносится никаких принципиальных изменений, поскольку в нее устанавливается металлический резонатор таких же геометрических размеров, но при этом конструкция резонатора волнового твердотельного гироскопа становится более технологичной и менее дорогостоящей, поскольку в ней в резонаторе для возбуждения и распространения ультразвуковых колебаний металла.

Формула полезной модели

1. Резонатор волнового твердотельного гироскопа, имеющий цилиндрическую часть и основание, служащее для присоединения резонатора к гороскопу, отличающийся тем, что к цилиндрической части резонатора присоединено рабочее тонкостенное кольцо, выполненное из материала с малым коэффициентом внутреннего трения, а в зоне соединения с тонкостенным кольцом на цилиндрической части резонатора выполнены сквозные отверстия, создающие перемычки, суммарная площадь которых составляет 10-12% от площади отверстий.

2. Резонатор волнового твердотельного гироскопа по п. 1, отличающийся тем, что тонкостенное кольцо выполнено из аморфного металла.

3. Резонатор волнового твердотельного гироскопа по п. 1, отличающийся тем, что тонкостенное кольцо выполнено в виде набора прочно соединенных между собой тонкостенных колец толщиной 25…30 мкм.

Изобретение "РЕЗОНАТОР ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ВОЛНОВОГО ГИРОСКОПА" (Скрипкин А.А., Королев А.В., Королев А.А.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога