一、 引言

自1852 年付科製造出世界第一台陀螺儀以來 , 陀螺儀器應用範圍十分廣闊 。在航空、航海 、宇航、礦山隧道領域廣泛地利用陀螺的定軸性 、進動性, 製造成各類用於方位 、姿態、軌道測量和控製的陀螺儀表。同時利用陀螺力矩特性 , 用於減小和穩定船舶 、艦艇和坦克的搖擺和顛簸, 將其製成各類安裝精密儀器的穩定平台 。然而 , 利用陀螺進動效應進行測力稱重則是由西德 J . Wohrl 教授於七十年代末提出的 〔1〕 , 應用這種新穎原理製成的測力傳感器,具有準確度高、穩定性好、動態響應快等特點,受到人們的普遍關注。作者通過陀螺測力傳感器和陀螺地上衡的研製, 設計了應用二自由度框架陀螺進行測力 、稱重的內 、 外加載係統, 解決了測力稱重關鍵技術 , 在國內首次通過技術鑒定。

二 、 測量原理

用於測力稱重的陀螺是二自由度的框架陀螺 。

 由文獻〔2〕可知, 當選擇內環坐標係 o x yz 為動坐標係, 如忽略二階微量 ,二自由度框架陀螺的力學方程由下式表示:

式中, J _y 、 J _z 分別為陀螺繞y 、z 軸的轉動慣量;H 為轉子的角動量; 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 軸轉動的角速度 ; θ″_y、θ″_z 分別為繞y 、z 軸轉動的角加速度。

其中 J _yθ″_y、J _zθ″_z為非陀螺效應項, Hθ′_z、-Hθ′_y 在運動中體現陀螺效應, 即分別為外環繞z 軸、內環繞 y 軸的進動 。

如果隻有一個常力矩 M y 作用於框架陀螺內環的y 軸上,則式( 1) 將變成:

設初始條件 : 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) 表明陀螺的運動是繞 Z 軸的進動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。由於 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在與 M _y 成正比的繞Z 軸的進動。

傳統的框架陀螺要能成為測力稱重裝置,從加荷結構上必須解決下列技術難點:

1.設法使被測載荷作為常力 F 作用於工作時始終進動的內環上, 其產生的外力矩 M _y在內環動坐標係中保持不變 ^〔3 〕 。

2.利用陀螺進行測力稱重時整個陀螺框架將繞垂直軸 Z 不停地進動, 於是不可避免地存在支承軸承間的摩擦力。由陀螺正交進動原理 ,作用於外環軸 Z 上的摩擦力矩 M _zf 將會引起內環的偏轉進動 ,因此測力陀螺必須設計外環摩擦力矩反饋補償係統, 以不斷地進行瞬間補償 ,使內環保持在水平狀態。實際測量過程中 ,陀螺框架內環在隨著繞垂直 Z 軸進動的同時 , 始終在水平位置上下小角度地不斷波動,其產生的摩擦力矩將會疊加到測量負荷中去。這樣結構對加載機構的鉸鏈設計十分重要, 鉸鏈產生的摩擦力矩過大或不穩定, 輕則影響測量準確度, 進而會使陀螺失去測力功能。

3.陀螺測力裝置用於稱重時 ,需配置機械杠杆放大係統 。測量時整個框架陀螺不停地繞垂直Z 軸轉動且負荷越大轉速越高 , 故應設計有效地運動隔離機構使旋轉運動不傳遞到機械杠杆係統, 以保證被測載荷以靜態方式準確地傳遞到測力陀螺上去 。

三、 加載機構的設計

1.陀螺自轉電機 ; 2.水平內環框架; 3.軸承 ;4.垂直外環框架 ; 5.軸承; 6.加載杠杆; 7.杠杆水平框架鉸鏈; 8.杠杆垂直框架鉸鏈; 9.端麵隔離軸承 ; 10.水平位移檢測器; 11.扭矩電機; 12. 反饋扭矩控製器。內加載機構杠杆的一端通過鉸鏈和內環與自轉軸交點 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方式作用杠杆中點 ,直接施於通過框架陀螺的旋轉中心垂直軸 Z 上 。這種內加載機構使載荷 F 以常力矩M y =Fa/2施於不停轉動的內環, 同時載荷 F 的質量並不參與陀螺框架的進動 ,從而避免了載荷質量運動所產生的慣性幹擾。 其為弓形杠杆— — —叉簧彈性支承內加載機構 。1.弓形杠杆 ; 2.叉簧彈性支承; 3. 運動隔離機構; 4.殼體; 5.水平內環框架; 6. 垂直外環框架。
 

鑒於上述加載機構鉸鏈選擇的重要性 ,研製的內加載機構對鉸鏈應滿足下列要求 :

( 1) 使陀螺加載機構鉸鏈在動坐標係能繞垂直於 xoy 平麵的轉動軸旋轉 。

( 2) 在 xoz 平麵內可設計成具有較小剛度, 以適應小角度範圍內轉動時 , 鉸鏈摩擦力矩能控製在規定的允差之內。

( 3) 在平行於 xoy 平麵內具有足夠的剛度,以能夠傳遞因施加載荷產生的力矩 M y 所引起的旋轉進動。

采用常規的滾動軸承和滑動軸承都存在較大的摩擦 ,研製的陀螺測力內加載機構應用了叉簧彈性支承, 該類支承有以下顯著特點符合上述要求:

( 1) 彈性支承是利用彈性元件的彈性變形進行轉動, 其摩擦性質是分子內摩擦 。因此運動件和承載件之間幾乎沒有摩擦, 隻是極小的彈性摩擦 。

( 2) 叉簧彈性支承在非工作方向有很大剛度, 而在工作方向可設計成零剛度, 以保證運動部件在給定平麵內運動 。

( 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 , 沒有機械摩擦, 勿需施加潤滑劑, 維護簡單, 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量級。

在測量過程中 ,整個陀螺繞垂直 Z 軸不停地轉動。雖然通過隔離軸承, 但滾動軸承內部機械摩擦仍影響載荷的水平晃動。研製的 SLS- 5000 型陀螺地上衡采用了十字刀口刀承懸掛機構和旋轉微動隔離機構組成的外加載係統。采用的十字刀口刀承機構中, 負荷傳遞的力作用點被集中到十字刀口刀承上 , 因其隻能傳遞垂直方向的載荷 ,可盡量減小非主軸方向幹擾載荷的影響 。1.螺母; 2.下塊; 3. 螺杆 ;4.刀承座; 5. 刀承; 6.螺杆; 7.螺母; 8. 上塊 ;9.定位鎖 ; 10.螺釘; 11.鋼珠墊; 12.鋼珠 ;13. 鋼珠 。機構由刀口 、 刀承副和二組滾珠 、 球形鋼座副組成 。該機構允許和陀螺測力裝置聯接的末級杠杆可上下微量擺動, 同時滾珠球形鋼座副機構允許與其配裝的上、下支承橫梁在水平麵內可微幅轉動 ,使殘剩的旋轉摩擦力矩不影響裝有末級杠杆的刀承與框架陀螺輸出端的刀口始終穩定接觸, 以達到準確地傳遞被測載荷 。

四、 應用和測試結果

上述研製的內 、 外加載係統已應用於陀螺測力傳感器和陀螺地上衡 。測試結果如下:

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

五、 結論

弓形杠杆 ———叉簧彈性支承內加載係統正確巧妙地應用了陀螺測力原理, 使框架陀螺能夠成為實際使用的測力傳感器; 而十字刀口、 刀承機構和旋轉微動隔離機構組成的外加載係統有效地解決了陀螺測力傳感器在稱重衡器中應用的難點 。陀螺加載係統已使用多年,運行效果良好。

參考文獻

[ 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, 於波, 陳雲相編著. 《陀螺儀理論及應用》.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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