WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Рис. 3. Температурные погрешности параметров выходного сигнала в приборе KRS-100 для ряда скоростей вращения снаряд: а – относительная температурная погрешность амплитуды; б – абсолютная температурная погрешность фазы

Рассмотрены варианты компенсации погрешности от непостоянства скорости вращения ракеты, наиболее простым из которых является применение корректирующего звена в выходной электрической цепи прибора. Так как применение корректирующего звена влияет на изменение (при изменении скорости вращения ракеты вокруг продольной оси) амплитуды и фазы выходного гармонического сигнала прибора, то введена методика оценки эффективности применения такого способа коррекции. Применение корректирующего звена позволяет снизить диапазон изменения относительной скоростной погрешности в десять раз.

Также рассмотрены варианты компенсации температурной погрешности прибора: применение в выходной электрической цепи корректирующих элементов с термозависимыми характеристиками и алгоритмическая компенсация.

Во второй главе изложены методы проектирования различных устройств и систем, входящих в состав стенда: имитатора вращения, термокамеры, термосистемы и компьютерной системы управления.

Имитатор вращения. На стенде необходимо сымитировать вращение объекта. Для этого предназначен имитатор вращения, который может поддерживать постоянную скорость вращения РВГ в диапазоне от 10 до 25 об/сек. Конструкция имитатора включает в себя формирователь импульсов, состоящей из светодиодов, диска-шторки и фотодиодов, системы определения скорости вращения, расчётного устройства и усилительного буфера, управляющего двигателем. Выбор параметров цифровой системы автоматического регулирования скорости вращения имитатора осуществлялся по условиям времени переходного процесса, а также из условий точности поддержания.

Термосистема стенда. Мировым лидером производства испытательных стендов с интегрированной термосистемой является фирма "Aqutronic". Она выпускает стенды, оснащённые термокамерами большого объёма и использующие парокомпрессорные холодильные машины (ХМ), а также применяется получение холода посредством расширения газов из баллонов высокого давления. Термокамеры рассчитаны на работу до минус 50оC, стабильность поддержания температуры +/-1оC.

В диссертации произведен анализ систем охлаждения. Выделяются следующие типы системы охлаждения:

  • машинное охлаждение (парокомпрессорные ХМ, газовые ХМ, термоэлектрические ХМ).
  • получение холода при помощи расширения газов из баллонов высокого давления (углекислый газ, азот);
  • аккумуляторное охлаждение.

Машинное охлаждение сложно и дорого. В использовании сжатых газов есть ряд недостатков: баллоны массивны, их неудобно транспортировать, требуются управляемые клапаны высокого давления. Таким образом, для данной системы термостатирования выбрали аккумуляторный способ получения холода, а именно, использование жидкого азота в сосуде Дьюара. Преимущества жидкого азота: большая, по сравнению с углекислым газом, удельная теплоёмкость; дешевизна.

Рис. 4. Общая схема установки. 1 – поворотный стол, 2 – термокамера, 3 – прибор KRS-100, 4 – кронштейн, 5 – имитатор вращения, 6 – кипятильник, 7 – штанга кипятильника, 8 – пневмомуфта, 9 – держатель, 10 – противовес, 11 – ручка включения вращения поворотного стола, 12 – регулятор скорости вращения поворотного стола, 13 – втулка выхода газа, 14 – сосуд Дьюара, 15 – датчик уровня азота, 16 – нагревательная обмотка кипятильника, 17 – клеммы коллектора, 18 – электронный блок, 19 – пневмокоммуникации, 20 – компьютер

Термосистема стенда имеет следующую конструкцию. Миниатюрная термокамера закреплена на поворотном столе. На термокамере находятся нагреватель и термодатчики. В сосуд Дьюара опущен кипятильник, содержащий нагревательную катушку и датчик уровня. Пары азота, выходя из сосуда Дьюара, продвигаются по пневмокоммуникациям к термокамере и охлаждают её. В таком варианте системы легко управлять тепловым потоком охлаждения – надо лишь изменять мощность кипятильника.

В системе для обеспечения качественной работы требуется произвести оптимизацию параметров термокамеры, системы охлаждения, а также цифровой системы управления температурой.

Термокамера. Конструкция термокамеры изображена на рис. 5. Термокамера на изолирующих стойках крепится к кронштейну имитатора. Внутрь термокамеры введен вал имитатора, на котором монтируется приборная платформа вместе с прибором. Термокамера разборная, состоит из двух частей. В основании находится нагреватель и полупроводниковый термодатчик, измеряющий температуру термокамеры; съёмная часть термокамеры крепится к основанию посредством резьбового соединения. На съёмной части сделано оребрение. Газ обтекает термокамеру и выходит из нижней выпускной втулки. На газовом входе термокамеры установлен проволочный датчик температуры. От внешней среды термокамера изолирована кожухом из пенопласта.

Оптимизация конструкционных параметров термокамеры может производиться двумя способами: получение распределения температур математическим моделированием, и получение стационарного температурного распределения аналитическим способом.

Конструкция термокамеры должна обеспечивать равномерность теплового поля термокамеры, а также эффективный теплообмен с обтекающим азотом в режиме охлаждения.

При оптимизации выбираются следующие параметры: материалы корпуса термокамеры, термоизоляции, стоек, вала, приборной части; толщина стенки термокамеры и толщина термоизоляции.

Для получения аналитического описания температурного распределения корпус термокамеры разбивается на простейшие тела, для которых записываются частные случаи уравнения теплопроводности в цилиндрических координатах. Для полого цилиндра и двух дисков задаются граничные условия, теплообмен с окружающей средой учитывается введением объёмного источника теплоты. Таким образом, при переменных толщине стенки термокамеры и толщине термоизоляции получаем аналитические формулы, описывающие распределение температуры.

При тепловом расчёте термокамеры в режиме охлаждения выведена формула, определяющая минимальную температуру охлаждающего газа в зависимости от массового расхода газа при данной температуре термокамеры.

Параметры системы охлаждения. Пневмокоммуникации рассчитываются из условия обеспечения минимально необходимой температуры газа на выходе пневмокоммуникаций. Газ, продвигаясь по пневмокоммуникации, нагревается тепловым потоком из внешней среды. Предельная температура газа на выходе пневмокоммуникаций зависит от массового расхода газа, теплоёмкости газа, общего термического сопротивления стенок пневмокоммуникации и температуры окружающей среды :

,

где – общее термическое сопротивление стенок пневмокоммуникации в радиальном направлении,.

Формула, определяющая тепловой поток охлаждения, получена как решение соответствующего дифференциального уравнения (для небольших значений массового потока, тепловой поток может определяться по упрощённой формуле):

,

где – температура основания термокамеры; – коэффициент конвективного теплоотвода в канале; – общая площадь теплообмена в каналах; – расчётный коэффициент для термокамеры; – длина цилиндра термокамеры.

Массовый расход азота в случае использования кипятильника прямо пропорционален мощности, выделяющейся в катушке кипятильника, и обратно пропорционален скрытой теплоте парообразования.

Повышение эффективности системы охлаждения. При применении жидкого азота возникает проблема наиболее полного использования его холодильного потенциала. Начальный вариант системы охлаждения заключался в использовании кипятильника жидкого азота. В силовой катушке кипятильника выделялась мощность, жидкий азот вскипал, пары из сосуда Дьюара поступали во внутренний канал пневмокоммуникаций. В таком варианте не используется скрытая теплота парообразования азота. Для наилучшего использования холодильного потенциала прорабатывалось несколько конструктивных вариантов.

1. Выдавливание жидкого азота во внутренний канал пневмокоммуникаций.

2. Пропускание через жидкий азот другого газа.

3. Инжектирование. В сопле создаётся разница давлений, жидкий азот поднимается по трубочке и перемешивается в цилиндрической камере с газообразным азотом. Таким образом, насыщенный жидкой фракцией газ поступает в диффузор, где тормозится и далее поступает во внутренний канал пневмокоммуникации. Применение системы инжектирования позволяет снизить расход азота до 50% и сократить время готовности до 15 минут.

Моделирование тепловых полей термокамеры. Для отработки конструкции термокамеры применялось математическое моделирование тепловых полей термокамеры как в режиме нагрева, так и в режиме охлаждения. Вводилась сетка, в узлах которой было написано нестационарное уравнение теплопроводности в форме конечных разностей (для прямоугольных и цилиндрических координат). Так как термокамера представляет собой тело, состоящее из разных материалов, то были получены разностные уравнения, позволяющие решать уравнения теплопроводности для случая переменных значений плотности, удельной теплоёмкости и коэффициента теплопроводности. Разностное уравнение решалось как в явной схеме, так и в неявной схеме расщепления (неявная схема позволяет сократить время расчета примерно в 12 раз, по сравнению с явной). В ходе исследования было установлены параметры нарастания неравномерных ошибок расчётного теплового поля. Компьютерная позволяет получать распределение температуры в различных режимах для сложносоставных объектов.

Рис. 7. Стационарное тепловое поле: а – при нагреве термокамеры на температуре 90оC; б – при охлаждении термокамеры на температуре минус 60оC

САР температуры. Цифровая система автоматического регулирования температуры разрабатывалась из требований по динамике, оптимизации расхода азота и стабильности температуры термокамеры. Система двухканальная: канал нагрева и канал охлаждения. При стабилизации температуры термокамеры выше комнатной работает только нагреватель, при стабилизации температуры термокамеры ниже комнатной работают система охлаждения и система нагрева. Особое внимание при разработке системы уделялось режиму охлаждения. Так как массовый расход газа и температура газа на входе термокамеры связаны между собой, то это приводит к возникновению колебаний температуры газа, что, в свою очередь, приводит к колебаниям температуры термокамеры. Для подавления этих колебаний вводится подсистема слежения за температурой газа, которая не позволяет температуре газа подниматься выше заданного значения. Вдобавок вводится нелинейная коррекция, использующая информацию с термодатчика газа. Корректированный сигнал поступает в канал управления мощностью кипятильника.

В третьей главе приведены описание разработанной испытательной установки, а также примеры использования термокамеры и системы термостатирования в наклонно-поворотных стендах для испытаний навигационных акселерометров.

Рис. 8. Фотографии стенда для испытаний РВГ

Рис. 9. Наклонно-поворотный стенд для испытаний навигационных акселерометров (пример использования разработанной термосистемы)

Экспериментальные данные работы имитатора вращения и системы термостатирования в различных режимах (рис. 10), говорят о том, что разработанные системы полностью удовлетворяют поставленным требованиям.

В главе приведены численные расчёты основных параметров прибора KRS-100 и точные формулы, описывающие модель погрешностей прибора от непостоянства скорости вращения снаряда вокруг продольной оси и модель температурных погрешностей.

Рис. 10. Экспериментальные графики работы системы термостатирования: а – режим нагрева; б – режим охлаждения. 1 – температура на термодатчике обтекающего газа, 2 – температура термодатчика термокамеры, 3 – мощность нагревателя

Произведён расчет эффективности применения корректирующего звена в выходном каскаде прибора; это позволяет утверждать, что применение корректирующего звена снижает зависимость выходного сигнала прибора от изменения частоты вращения снаряда. Кроме того, рассмотрены способы компенсации температурной погрешности. Так при применении электрических элементов с заданными температурными параметрами теоретическая относительная температурная погрешность амплитуды будет в диапазоне от до ; абсолютная погрешность фазы будет в диапазоне от до (при частоте вращения снаряда 15 Гц).

В третьей главе изложена методика проведения испытаний роторных вибрационных гироскопов, которая включает порядок проведения испытаний и сбора данных, методы обработки первоначальных данных; на основании этой методики строится алгоритм работы программы, управляющей испытаниями приборов.

Экспериментальные данные для приборов типа KRS-100 доказывают:

1. Для приборов без скоростной коррекции и для приборов со скоростной коррекцией относительное расхождение экспериментальной относительной погрешности (ЭОП) амплитуды с теоретическими данными не превышало 3%, а абсолютное расхождение экспериментальной абсолютной погрешности (ЭАП) фазы с теоретическими данными не превышало.

2. Для приборов без термокоррекции и для приборов с термокоррекцией относительное расхождение температурной ЭОП амплитуды с теоретическими данными не превышает 5%, а расхождение температурной ЭАП фазы с теоретическими данными не превышало.

В заключении сформулированы основные результаты и сделаны общие выводы по диссертации.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»