Голованов В.А. Гироскопическое ориентирование: Учеб. пособие
Подождите немного. Документ загружается.
руководили исследованиями Б.И.LНикифоров и В.Н.LЛавров. Оба
являлись выпускниками Ленинградского горного института по
специальности «Маркшейдерское дело». Научным руководителем
работы был заведующий лабораторией навигационных приборов
ЛИТМО проф. П.А.LИльин. В ФРГ аналогичные изыскания
проводились в Кляустальской горной академии под руководством
проф. О.LРелленсмана (Rellensmann).
В 1950Lг. ВНИМИ закончил разработку и испытал в
производственных условиях маркшейдерский гирокомпас М-1.
Примерно к этому времени в ФРГ был создан образец подобного
прибора – указатель меридиана MW1 (Meridian Weiser). В основу
конструкции обоих приборов были положены однотипные
навигационные судовые гирокомпасы «Курс» и «Аншютц».
Поэтому гирокомпасы М-1 и MW1 имели между собой много
общего, хотя работы проводились независимо друг от друга.
Созданием этих первых действующих образцов маркшейдерских
гирокомпасов по существу было открыто новое направление в
гироскопическом приборостроении, а производственное применение
гирокомпаса М-1 в маркшейдерском деле явилось началом
практического использования в геодезии и маркшейдерском деле
метода гироскопического ориентирования.
С помощью М-1 было выполнено более 50 ориентировок.
Силами специальных бригад ВНИМИ и «Союзмаркштреста»
началось гироскопическое ориентирование шахт в Донбассе,
Кривом Роге и Кузбассе. Это имело важное значение для завоевания
доверия и признания нового способа. За создание маркшейдерского
гирокомпаса М-1 коллектив сотрудников ВНИМИ и ЛИТМО
получили Государственную премию СССР.
Совершенствуя гирокомпас М-1, ВНИМИ в 1952-1954Lгодах
создал и испытал несколько новых моделей, две из которых (М-3 и
МУГ-2) нашли производственное применение (табл.1). В 1952-1957Lгодах
с помощью гирокомпасов было выполнено более 500Lориентировок,
в процессе проведения которых выявлены ошибки от 5' до 1° в
ориентировках некоторых шахт, произведенных ранее
геометрическим способом. В ФРГ к этому времени также было
изготовлено несколько усовершенствованных моделей
11
меридианоуказателя. Практическое применение получила модель
MW2B.
Первые производственные работы подтвердили достаточную
точность (1-2') и перспективность применения гирокомпасов в
маркшейдерском деле. Вместе с тем они вскрыли крупные недостатки
приборов, сконструированных на базе гироузлов от судовых
гирокомпасов, в первую очередь, это громоздкость и большая
потребляемая
12
Таблица 1
Основные технические характеристики первых маркшейдерских
гирокомпасов
Показатель
Модель гирокомпаса и год разработки
М-3 МУГ-2 МГ МВ1 МВ2
1954 1953 1956 1957 1963
Кинетический момент
гирокомпаса, кгм
2
/с 11,0 3,0 0,37 2,5 1,1
Направляющий момент
гирокомпаса (на широте 60),
г/см 4,2 1,1 0,13 1,0 –
Частота вращения ротора,
об/мин. 20000 30000 22000 22800 22000
Период колебаний (на
широте 60) мин. 30 29 18 15 15
Точность ориентирования
(среднее значение) 115 130 200 045 035
Продолжительность работ
на точке установки, ч 5 4-4,5 1 1 1
Форма ЧЭ Сферическая Цилиндрическая
Способ центрирования ЧЭ Электромагнитный На шпиле
Подвес ЧЭ Жидкостный
Масса основного прибора
(без футляра), кг 65 32 10 26 –
Масса комплекта, кг 500
250 30 166
175
Масса аккумуляторной
батареи, кг – – 50 67 –
______________________
*
Масса с платформой.
мощность. Например, масса комплекта гирокомпаса М-3 – около
500Lкг, а комплекта меридианоуказателя MW2BB – 650Lкг.
На этом закончился первый этап создания гироскопических
приборов. Последующие работы СССР и ФРГ по созданию
маркшейдерских гирокомпасов велись в разных направлениях.
13
Разработки ВНИМИ были направлены на создание
малогабаритных и взрывобезопасных жидкостных гирокомпасов,
пригодных для работы в шахтах, опасных по газу и пыли. В 1956Lг.
был создан маркшейдерский гирокомпас совершенно нового типа
МГ (малый горный) с массой основного прибора всего лишь 10Lкг.
Чувствительный элемент гирокомпаса МГ имел цилиндрическую
форму и центрировался на шпиле. Он был погружен в жидкость,
через которую к нему подводился электрический ток. Эта модель
явилась основой для создания более совершенных гирокомпасов. В
1957Lг. ВНИМИ завершил разработку первой модели прибора во
взрывобезопасном исполнении – маркшейдерский гирокомпас МВ1
(затем – МВ2). По такой же схеме был разработан и переносной
взрывобезопасный маркшейдерский гирокомпас МВ2М с
полупроводниковым преобразователем.
В Кляустальской горной академии в то же самое время
начались работы по созданию гирокомпасов с торсионным подвесом
ЧЭ. Этот тип гирокомпасов оказался перспективным, так как
обеспечивал более высокие точность и производительность
определения гироскопических азимутов при меньших массе,
габаритах и потреблении энергии. В 1957Lг. была завершена
разработка первой модели маркшейдерского гирокомпаса с
торсионным подвесом MW4. В 1958Lг. фирмой «Феннель» выпущен
торсионный гиротеодолит КТ-1 (Kreiseltheodolit), а в дальнейшем
усовершенствованные модели КТ-2, MW10, MW7, MW50, MW77 и
гиронасадки TK-4, TK-5 [1].
В нашей стране первый торсионный гирокомпас МТ1 был
создан в 1963Lг., что способствовало достижению более высокой
точности определения гироазимутов. В 1967Lг. завершились работы
над малогабаритным гирокомпасом МВТ2, представляющим собой
первый образец взрывобезопасного маркшейдерского гирокомпаса с
торсионным подвесом чувствительного элемента. Прибор прошел
государственные испытания и был рекомендован для серийного
производства. Впоследствии он выпускался более двух десятков лет
и стал самым массовым маркшейдерским гирокомпасом.
Продолжая совершенствование переносных гирокомпасов с
торсионным подвесом, ученые создали гирокомпас МВТ4 (1970Lг.) и
14
гиробуссоль МВБ4 (1975Lг.), в которых впервые в отечественных
приборах гироскопического ориентирования все необходимые для
работы блоки (гироблок, измерительный блок и блок питания) были
объединены в одном приборе. В качестве измерительного блока в
гирокомпасе МВТ4, как и во всех предшествующих приборах,
использован серийный теодолит с автоколлимационной трубой, в
гиробуссоли МВБ4 – специальное оптико-механическое отсчетно-
визирное устройство, состоящее из многогранной зеркальной
призмы на чувствительном элементе и двухканальной зрительной
трубы, имеющей общий окуляр и сетку нитей.
Автоколлимационный канал трубы используется для наблюдений
свободных и прецессионных колебаний, визирный – для
примыкания к стороне.
Положительный опыт разработки и практического
применения первых маркшейдерских гирокомпасов в СССР и ФРГ
привлек к этим исследованиям внимание широкого круга
специалистов геодезического производства. В 1959Lг. на базе
маркшейдерского гирокомпаса МГ в нашей стране создается первый
образец надежно действующего наземного артиллерийского
гирокомпаса, получившего шифр АГ, и налаживается его серийное
производство. В этом же году на основе маркшейдерского
гирокомпаса МВ1 разработана первая модель геодезического
гирокомпаса – гиротеодолит ГТ-1. В отличие от маркшейдерских
гирокомпасов, гиротеодолит ГТ-1 и гирокомпас АГ позволяли
определять азимуты в широком диапазоне температур окружающего
воздуха с точностью соответственно 0,5 и 1′. Выпуск малой серии
гиротеодолитов ГТ-1, их всесторонние исследования и испытания в
сложных полевых условиях позволили отработать основы принятой
сейчас методики гироскопического ориентирования. Были более
полно обоснованы тактико-технические требования к конструкции
гиротеодолитов, предназначенных для инженерно-геодезического
производства. На основе этих требований, в частности, велось
конструирование гиротеодолита ГТ-2, а также гиротеодолитов в
Венгрии.
Разработка гиротеодолитов в Венгрии и организация их
серийного производства на Венгерском оптико-механическом
15
комбинате (МОМ) в г.LБудапеште были выполнены при поддержке и
помощи наших специалистов. В 1962Lг. здесь в короткий срок была
создана одна из лучших для того времени моделей – гиротеодолит
Gi-B1 и с 1963Lг. организовано серийное производство этого
прибора. В 1965Lг. были разработаны новые модели: гиронасадки
Gi-C1, Gi-C2 и гирокомпас Gi-B2, в конструкции которых учтены
многие предложения наших специалистов, сделанные ими на
основании результатов всесторонних испытаний опытных образцов
этих приборов, а также производственного применения
гиротеодолита Gi-B1. На базе гиротеодолита Gi-B2 в 1973Lг. был
сконструирован гиротеодолит Gi-B21, имеющий автоматическую
фиксацию и высвечивающий на световом табло результаты
измерений, а в 1978Lг. – гиротеодолит Gi-B2М.
Из других стран, освоивших выпуск гиротеодолитов, следует
выделить ГДР, где в 1963Lг. Народным предприятием точной
механики совместно с Фрайбергской горной академией был
сконструирован маркшейдерский гирокомпас, названный
гироскопическим указателем меридиана МRК1. В дальнейшем
предприятие выпустило усовершенствованную модель – указатель
меридиана МRК2.
Разработка гиротеодолитов в ведущих капиталистических
странах во многом базировалась на опыте в этой области ФРГ.
Фирма «Аншютц» создала артиллерийский гирокомпас, модель
которого «GirolitLII» нашла применение в армиях некоторых
западно-европейских стран. Фирма «Бодензееверк» сконструировала
в 1973Lг. быстродействующий маятниковый меридианоуказатель
МК-10 (Meridiankreisel). Направление на север определяется по
электрическому сигналу, вырабатываемому датчиком моментов и
пропорциональному отклонению оси гироскопа от плоскости
меридиана. Фирма «Тельдикс» 1974Lг. сконструировала
автоматический гирокомпас NSK (North Suchen Kreisel), названный
искателем севера. В качестве датчика направления плоскости
меридиана здесь использован двухстепенный гироскоп в
газостатическом подвесе. Вертикализация прибора
осуществляется автоматически с помощью маятникового датчика.
16
В 1958-1960Lгодах отделения фирмы «Лир-Сиглер» в США и
ФРГ сконструировали гиротеодолит, названный искателем севера
(North seeking gyroscope). Одна из его моделей известна под шифром
Lear LМКL604. В последующие годы фирма «Лир-Сиглер»
продолжала работать над совершенствованием гироориентатора
типа «Эйбл» в соответствии с требованиями полевой артиллерии
армии США. Первый образец такого прибора («Able Miniatur») был
изготовлен в середине 60-х годов, однако он не удовлетворял
требованиям войск. Разработка второго поколения таких приборов
была завершена в 1969Lг. созданием легкого геодезического
гиротеодолита, получившего название «Алинэ». Испытания этого
гиротеодолита закончились в 1972Lг., а с 1977Lг. началось серийное
производство. Точность прибора ±25. Разрабатываются
гиротеодолиты с точностью ±5 и прибор, объединяющий искатель
меридиана и лазерный дальномер.
В середине 60-х годов английской фирмой «Инглиш
электрик авиэйшн» разработан гирокомпас PIM, принятый на
вооружение в английской армии. Затем был разработан «Mini PIM».
В качестве датчика направления меридиана используется
двухстепенной высокоскоростной гироскоп. В Швейцарии фирмой
«Wild» с середины 60-х годов изготавливалась гироскопическая
насадки GAK1 и гиробуссоли ARK1 и ARC2.
Канадская фирма «Джимо» («Gymo») в 1975Lг.
модифицировала венгерский гиротеодолит Gi-B1,
автоматизировав снятие информации. При этом был использован
временной способ определения положения прецессионных
колебаний чувствительного элемента.
В конце 80-х годов ХХLв. ВНИМИ выполнены разработки
маркшейдерских гирокомпасов «Меридиан-1» и МВЦ4, базирующиеся
на синхронном гистерезисном гиромоторе (ГМ) с перевозбуждением,
который является наиболее экономичным по энергопотреблению из
всех, ранее применявшихся. На торцевых поверхностях гиромотора
расположены оптические зеркальные поверхности, изготовленные по
специальной технологии. Такой ГМ позволяет наблюдать
прецессионное движение чувствительного элемента гирокомпаса по
этой поверхности, что дает возможность исключить приборную
17
поправку гирокомпаса. При этом существенно повышается
производительность работ по гироскопическому ориентированию.
Гирокомпас «Меридиан-1» является прибором, в котором
объединены гироблок, угломерная часть, поворотное устройство и
подставка. Гироблок включает маятниковый ЧЭ с системами
торсионного подвеса и ленточного токоподвода, арретирования и
магнитного экранирования. Во взрывобезопасном корпусе гироблока
установлен блок питания, включающий электронный преобразователь и
аккумуляторную батарею. Поворотное устройство позволяет
осуществлять разворот гирокомпаса вокруг вертикальной оси с
помощью ручного привода. Угломерная часть гирокомпаса состоит из
зрительной трубы, блока призм, поворотного зеркала и отсчетного
устройства. Автоколлимационный канал угломерной части дает
возможность наблюдать прецессионное движение ЧЭ по зеркальной
торцевой поверхности ротора. Визирный канал, включающий
зрительную трубу, блок призм и поворотное зеркало, обеспечивает
привязку на пункты исходной и ориентируемой сторон в пределах ±20°
от плоскости горизонта.
Маркшейдерский гирокомпас МВЦ4 является первым
отечественным цифровым взрывобезопасным гирокомпасом, в котором
автоматизирован процесс определения гироскопического азимута
ориентируемой стороны. Гирокомпас состоит из основного прибора и
блока питания. Основной прибор устанавливается на стандартном
теодолитном штативе и состоит из гироблока и измерительного блока.
Гироблок включает маятниковый ЧЭ на безмоментном торсионном
подвесе специальной конструкции. Подвод питания к гиромотору
ГСМ-0.8 осуществляется через торсионный подвес. Корпус гироблока
является взрывобезопасным. Измерительный блок включает зрительную
трубу для визирования на пункт ориентируемой стороны, цифровую
угломерную часть, цифровой оптоэлектронный датчик угла,
вычислительное устройство и цифровое табло.
Вычисление гироскопического азимута в гирокомпасе
производится автоматически по сигналам от цифрового датчика угла в
течение одного периода прецессионных колебаний. Результат
вычисления гироскопического азимута стороны выводится на
18
цифровое табло. К сожалению, нужно отметить, что гирокомпасы
МВЦ4 и «Меридиан-1» не выпускались даже небольшими сериями.
Пути дальнейшего совершенствования и развития
маркшейдерских гирокомпасов заключаются в создании высокоточных
цифровых гирокомпасов, не требующих регулярного определения
приборной поправки, с одной стороны, и разработке гироприборов
технической точности, небольших размеров, отличающихся простотой
изготовления и эксплуатации, с другой.
В разработке цифровых гирокомпасов намечается
использовать современную элементную базу: синхронный
гистерезисный гиромотор с торцевой зеркальной поверхностью;
микропроцессор для обработки измерительной информации;
цифровой угломер и др. Гирокомпас не должен уступать по
точности существующим, обладать малой продолжительностью
измерительного процесса и отличаться простотой в обслуживании.
Создание приборов технической точности со средней
квадратической погрешностью определения азимута стороны 2-3'
связано, прежде всего, с расширением области применения
гироскопического ориентирования. В сложных горно-геологических
условиях резкое проявление горного давления не позволяет обеспечить
неподвижность и длительную сохранность пунктов опорных и
съемочных сетей. В этих случаях перед выполнением детальной съемки
производится гироскопическое ориентирование любой сохранившейся
стороны теодолитного хода или стороны, опирающейся на два любых
сохранившихся пункта теодолитной съемки. Гироприборы технической
точности могут также применяться при ориентировании подэтажных
выработок.
В настоящее время наиболее совершенные модели
гироскопических приборов для ориентирования подземных сетей
выпускают в Германии и Японии. Гиротеодолит GYROMAT-2000
немецкой фирмы DMT является полностью автоматизированным
прибором, обладающим превосходными характеристиками:
Способ измерения А В С
Погрешность определения гироазимута 3 16 32
Время измерения, мин 9 5 2
19
Количество определений от одной
зарядки аккумуляторных батарей 20 30 40
Диапазон работы, C От –20 до +50
Масса с электронным теодолитом, кг 16
Масса штатива, кг 9
С помощью этого прибора с высокой точностью была
осуществлена сбойка Евротоннеля между Англией и Францией
длиной 50Lкм.
В Японии фирма «SOKKIA» выпускает гиронасадку GP1-2A,
которая определяет гироскопический азимут с погрешностью 20.
Масса гироприставки, которая устанавливается сверху на
электронный теодолит, составляет 3,8Lкг.
В нашей стране во ВНИМИ закончена разработка
гироприставки МГП. Средняя квадратическая погрешность
определения гироазимута составляет 1, продолжительность пуска
на широте 60 – 10Lмин. Приставка может быть использована
совместно с любым стандартным теодолитом. Масса комплекта
МГП – всего 8Lкг.
Общее число различных моделей гиротеодолитов и
наземных гирокомпасов, разработанных к середине 80-х годов
прошлого века в различных странах мира, превысило полусотню.
Научные работы в этой области активно продолжались до начала 90-
х годов.
С началом внедрения спутниковых методов определения
координат на земной поверхности (GPS) для гироскопической
науки наступили «черные дни». Военные во всем мире быстро
оценили преимущества спутниковых методов и переключили свои
исследования в этом направлении. Это повлекло остановку
производства гироскопических приборов для военных целей, что
сказалось и на гражданских разработках. Многие
гироскопические приборы были предназначены для
топографических работ на поверхности, поэтому на них быстро
упал спрос. Заводы прекратили их выпуск.
Но в маркшейдерских работах в подземных горных
выработках гироскопический способ ориентирования остается
20