Голованов В.А. Гироскопическое ориентирование: Учеб. пособие

Подождите немного. Документ загружается.

единственным надежным средством, обеспечивающим

необходимую точность и надежность опорных и съемочных сетей.

Поэтому разработки новых маркшейдерских гироскопических

приборов несомненно будут развиваться и в будущем на основе

новых достижений в области физики и электроники.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИБОРОВ

ГИРОСКОПИЧЕСКОГО ОРИЕНТИРОВАНИЯ

Слово «гироскоп», введено в обращение в 1852Lг.

французским физиком Леоном Фуко. Получив медицинское

образование, ЖанLБернарLЛеонLФуко (1819-1886) увлекся

экспериментальной физикой и достиг в этой области немалых

успехов (токи Фуко, маятник Фуко, гироскоп). Слово «гироскоп»,

придуманное Л.LФуко, состоит из двух греческих слов: «гирос»-

вращение и «скопео»- наблюдать, смотреть. Л.LФуко, создавая свой

лабораторный гироскоп, хотел с его помощью наблюдать вращение

Земли относительно абсолютного пространства. Основной частью

прибора Л.LФуко был быстровращающийся маховик – ротор.

Действие своего прибора он продемонстрировал членам Парижской

академии наук 27Lсентября 1852Lг. Сейчас этот термин применяют в

более широком смысле для обозначения любого технического

устройства, которое позволяет обнаружить (измерить) повороты

своего основания в пространстве. При этом совсем необязательно,

чтобы прибор имел в своем составе быстровращающийся ротор.

Примерами подобных устройств могут служить вибрационные,

лазерные и ядерные гироскопы. А всего к настоящему времени

установлены десятки различных физических явлений и принципов,

на основе которых может вестись разработка гироскопических

приборов и систем, в том числе приборов гироскопического

ориентирования для маркшейдерского дела.

Маркшейдерско-геодезические приборы, предназначенные

для определения ориентирных углов на земной поверхности и в

горных выработках, в нашей стране чаще всего называют

гирокомпасами, гиробуссолями и гиронасадками. В других странах

приборы этого рода называют: указателями или индикаторами

меридиана, гиротеодолитами, искателями севера,

гироориентаторами. За исключением терминов «гиротеодолит»,

«гиробуссоль» и «гиронасадка» признать удачными остальные

названия нельзя, так как они не позволяют отличать подобные

приборы от навигационных гирокомпасов, работающих в условиях

подвижного основания. Кроме этого, термин «гирокомпас» прочно

связан с понятием судовых навигационных приборов, которые были

разработаны в начале ХХLв., т.е. задолго до маркшейдерско-

геодезических.

И дело даже не в приоритете названия, а в том, что

достаточно полно существо маркшейдерско-геодезического

гироскопического прибора отражает название «гиротеодолит» – как

комбинация теодолита и гироскопического датчика направления

географического меридиана. Для работы в сочетании с

гироскопической частью теодолиты в этих приборах подвергаются

небольшим конструктивным изменениям. Этого названия, с самого

начала выпуска приборов в 1962Lг., придерживался венгерский

оптический завод (МОМ). Отечественные гироскопические приборы

МВ2М, МВТ2, МВТ4, МВГ1 – это классические гиротеодолиты. Но,

к сожалению, термин «гирокомпас» прочно вошел в обиход

отечественных маркшейдеров.

Термин «гиробуссоль» применяется для гироскопических

приборов в однокорпусном исполнении, в конструкции которых в

качестве угломерного прибора полностью отсутствует теодолит в

каком бы то ни было виде. Примерами таких приборов служат

МВБ4 (Россия); ARK1, ARK2 (WILD). В отечественной литературе

также прочно утвердился термин «гиронасадка». Эти приборы

служат для определения гироскопических азимутов в комбинации с

теодолитами. Последние применяются для этих целей без каких-

либо конструктивных изменений. Примерами гиронасадок могут

служить: МГП (Россия), GAK1 фирма «WILD»; Gi-C1, Gi-C2

(МОМ); GP1-2A (Япония); JT15 (Китай).

3. МАРКШЕЙДЕРСКИЕ ГИРОКОМПАСЫ

3.1. ЖИДКОСТНЫЕ ГИРОКОМПАСЫ

С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ЦЕНТРИРОВАНИЕМ ЧЭ

Гирокомпасы этого типа (М-3, МУГ-2 выпуска 1952-1954Lгодов)

имели одинаковое устройство и, в основном, отличались друг от

друга габаритами. Конструкцию таких гирокомпасов рассмотрим на

примере гирокомпаса МУГ-2 (рис.3). Основными узлами этого

гирокомпаса являются: чувствительный элементL11, электродная

сфераL12, резервуар со столом, угломерная частьL6 и штатив.

Чувствительный элемент имел форму шара (диаметр ЧЭ

гирокомпаса М-3 – 252Lмм, гирокомпаса МУГ-2 – 190Lмм) и состоял

из

Рис.3. Гирокомпас МУГ-2

1 – резервуар с поддерживающей жидкостью; 2 – маятниковый груз; 3 – катушки

электромагнитного дутья; 4 – змеевик системы охлаждения; 5 – кран-регулятор;

6 – теодолит; 7 – автоколлимационная труба; 8 – термометр; 9 – держатель электродной

сферы; 10 – гиромотор; 11 – чувствительный элемент; 12 – электродная сфера

двух герметически соединенных латунных сегментов. Для

уменьшения трения и увеличения частоты вращения гиромотора,

улучшения теплообмена гиросфера наполнялась водородом.

Внутри гиросферы, несколько ниже ее геометрического

центра, жестко закреплен гиромоторL10. Для увеличения

маятникового момента в нижней части гиросферы прикреплены

свинцовые грузыL2. В верхней и нижней частях полусфер ЧЭ

помещены две катушки электромагнитного дутья 3 (у М-3 одна

нижняя катушка).

Внешняя поверхность гиросферы покрыта

электроизолирующим слоем, а электроды – токопроводящим слоем

с большим содержанием графита. На верхнем полюсе ЧЭ находится

зеркало, с помощью которого наблюдают за колебаниями ЧЭ.

Электродная сфера, внутри которой помещается ЧЭ, служит для

подвода электропитания и центрирования ЧЭ и состоит из двух

алюминиевых сегментов и пояса. Диаметр электродной сферы на 10-

12Lмм больше диаметра гиросферы. Электроды на сегментах и на

поясе покрыты токопроводящим слоем, остальная поверхность

сегментов и пояса – электроизолирующим.

Сегменты и пояс соединены между собой и жестко

скреплены со столом гирокомпаса с помощью держателейL9.

Электродная сфера вместе с ЧЭ помещается в резервуар,

заполненный поддерживающей жидкостью, состоящей из

дистиллированной воды и глицерина. Плотность жидкости

подбирается такой, чтобы при рабочей температуре +39LС ЧЭ

гирокомпаса МУГ-2 имел нулевую плавучесть, а М-3 –

отрицательную плавучесть 30-40Lг. Между электродной сферой и

внутренней поверхностью резервуара расположен магнитный экран,

защищающий ЧЭ от влияния внешнего магнитного поля. При

помощи бандажа с приливами и подъемных винтов резервуар

устанавливается на штативе и горизонтируется. Резервуар сверху

закрыт столом, на котором помещается угломерная частьL6 и

подводится электропитание.

Трехфазный ток от преобразователя по кабелю поступает на

электроды электронной сферы и затем через поддерживающую

жидкость, в которой для электроводности растворено небольшое

количество салициловой кислоты или буры, на соответствующие

электроды ЧЭ. Внутри ЧЭ ток от электродов по проводникам

поступает на гиромотор и катушки электромагнитного дутья.

Сущность электромагнитного способа центрирования

заключается в следующем: переменный ток, проходя по катушке,

вызывает появление вокруг нее переменного электромагнитного

поля, которое, пересекая алюминиевый корпус электродной сферы,

индуктирует в ней вихревые токи Фуко, вызывающие

электромагнитное поле, имеющее противоположное первому полю

направление. Эти электромагнитные поля и поддерживают ЧЭ во

взвешенном состоянии внутри электродной сферы.

Стабильность положения ЧЭ зависит от температуры

поддерживающей жидкости, которая может повышаться при работе

гироскопа из-за междуфазовой утечки тока при передаче его через

жидкость. Для охлаждения жидкости через подающий шланг

непрерывно в змеевикL4 поступает холодная вода, которая

охлаждает поддерживающую жидкость и уходит через отводящий

шланг. Непрерывная циркуляция воды по системе охлаждения

осуществляется помпой, регулирование и контроль температуры –

краном и термометром.

Угломерная часть гирокомпаса представляет собой теодолит

6 с перископической автоколлимационной трубойL7.

Питание гирокомпаса осуществляется от постоянного тока

шахтной сети через преобразователь, трансформирующий

постоянный ток в трехфазный ток повышенной частоты.

Преобразователь представляет собой агрегат, состоящий из

электродвигателя и генератора, расположенных на одном валу.

Гирокомпас и все необходимое оборудование для его работы

размещались на специальной платформе, которая перемещалась по

рельсовым путям.

Даже такое краткое описание устройства жидкостных

гирокомпасов с электромагнитным центрированием позволяет

сделать вывод, что приборы этого типа были чрезвычайно

громоздки и сложны в эксплуатации. Но это был первый шаг по

пути развития гироскопического ориентирования в маркшейдерском

деле.

3.2. ЖИДКОСТНЫЕ ГИРОКОМПАСЫ

С ЦЕНТРИРОВАНИЕМ ЧЭ НА ШПИЛЕ

Следующим этапом в развитии маркшейдерско-геодезичес-

ких гирокомпасов было создание приборов, в которых ЧЭ был

погружен в токопроводящую жидкость и центрировался на шпиле. В

лаборатории ВНИМИ было создано пять типов таких гирокомпасов:

МГ, МВ1, МВ2, МВ2М и МВШ3.

Рассмотрим конструктивные особенности данного типа

гирокомпасов на примере МВ1. Гирокомпас МВ1 был разработан

и изготовлен ВНИМИ в 1957Lг. и имел значительные

преимущества перед гирокомпасами М-3 и МУГ-2. За три года

эксплуатации гирокомпасом МВ1 было выполнено более 200

производственных ориентировок и на основе этого опыта в

дальнейшем разработан более совершенный гирокомпас МВ2.

Маятниковый гирокомпас МВ1 имел жидкостный подвес и

центрирование на верхнем шпиле за счет небольшой плавучести

ЧЭ.

Внутри чувствительного элементаL3 (рис.4) цилиндрической

формы помещался гиромоторL1. Гиромотор закреплен на массивном

основании, которое имело юстировочные приспособления: для

регулирования положения центра тяжести, изменения угла наклона

оси вращения гиромотора и размера плавучести. После юстировки

ЧЭ основание ГМ при помощи закрепительных винтов и пайки

жестко и герметично соединялось с цилиндрической частью ЧЭ.

Подвод трехфазного тока внутрь ЧЭ к гиромотору производился

через электродыL2, расположенные на внешней поверхности ЧЭ.

На верхней торцовой грани ЧЭ в опоре были закреплены

центрирующий шпильL5 и зеркало для наблюдений за

гармоническими колебаниями ЧЭ. Положение шпиля относительно

Рис.4. Схема ЧЭ гирокомпаса типа МВ1

1 – гиромотор; 2 – токоподводящие электроды;

3 – ЧЭ; 4 – подпятник; 5 – центрирующий

шпиль; 6 – токоподводящие электроды; 7 –

резервуар

2 6

корпуса ЧЭ при помощи юстировочных винтов регулировалось

таким образом, чтобы головка шпиля была совмещена с осью

симметрии ЧЭ. Снижение центра тяжести ЧЭ относительно центра

объема достигалось за счет массивного нижнего основания и

гиромотора, что обеспечивало появление маятникового эффекта.

Чувствительный элемент помещался в трехслойном

резервуареL7. Наружный слой резервуара – легкий немагнитный

сплав, средний – магнитный экран, внутренний – изолирующее

покрытие. Резервуар заполнен поддерживающей жидкостью –

дистиллированной водой. Для придания электропроводности в воде

растворяется небольшое количество буры. Между внутренней

поверхностью резервуара и ЧЭ, соответственно электродам ЧЭ,

расположены токоподводящие электроды 6.

Резервуар сверху закрыт столом. В боковой стенке стола

была сферическая линза, позволяющая в диапазоне 60 выполнять

наблюдения за колебаниями ЧЭ. В резервуаре помещался

термометр, арретир и подпятникL4. В торцевой части шейки имелось

посадочное гнездо для установки угломерной части гирокомпаса.

Угломерная часть гирокомпаса представляла собой теодолит,

с алидадой которого при помощи кронштейна жестко связана

автоколлимационная труба. В отличие от подобных оптических

систем, объектив трубы имел компенсационную линзу, а между

объективом и окуляром расположено зеркало. Компенсационная

линза рассчитана таким образом, чтобы обеспечивалась

параллельность прямого пучка лучей в воде и отраженного в

воздухе после сферической линзы. Подсветка производилась через

призму лампочкой от батарейки, установленной в патроне.

Гирокомпас подъемными винтами устанавливался на штатив и

закреплялся винтами.

Постоянный ток напряжением 26LВ, получаемый от

аккумуляторной батареи, трансформировался преобразователем в

переменный трехфазный напряжением 36LВ, частотой 400LГц,

кабелем через взрывобезопасную штепсельную муфту подводился к

токоподводящим электродам и через поддерживающую жидкость и

электроды ЧЭ поступал в обмотку статора ГМ.

Стабильность работы гирокомпаса обеспечивалась при

соблюдении четырех основных условий:

Lплавучесть ЧЭ в рабочем диапазоне температур должна

быть не менее 5Lг и не более 22Lг;

Lточка центрирования ЧЭ должна быть совмещена с осью

симметрии;

Lцентр тяжести гиромотора и корпуса ЧЭ должен быть

совмещен с осью симметрии ЧЭ;

Lось гиромотора перпендикулярна оси симметрии ЧЭ.

Гирокомпас МВ2 разработан во ВНИМИ в 1962-1963Lгодах

на основе опыта эксплуатации гирокомпаса МВ1. Гирокомпас МВ2

имел ряд отличий конструктивного характера, направленных на

повышение эксплуатационных качеств, стабильности и надежности

показаний. Чувствительный элемент гирокомпаса МВ2 состоял из

поплавка и вакуумной гирокамеры, что при том же периоде

колебаний позволяло уменьшить объем ЧЭ и производить замену

отработавшего срок службы ГМ без участия завода-изготовителя

(гирокамера заменялась запасной). В конструкцию гирокомпаса был

введен двойной магнитный экран, термоизоляционный корпус и

искусственный подогрев. За счет введения вакуумной гирокамеры,

рационального выбора площади, материала и расстояний между

одноименными и разноименными электродами в 3Lраза,

сравнительно с гирокомпасом МВ1, уменьшена мощность тока,

потребляемого гирокомпасом МВ2.

Среди жидкостных гирокомпасов с центрированием на

шпиле наибольшее распространение и применение в свое время

нашел гирокомпас МВ2М. Основной прибор – гирокомпас состоял

из трех основных узлов:

Lчувствительного элемента;

Lрезервуара с токоподводами;

Lугломерной части.

Основные части и узлы гирокомпаса не отличались

существенно от предшествующих моделей. Для снижения трения в

верхний конец стержня был вставлен агатовый наконечник. Для

регулирования положения центра тяжести на верхней крышке

чувствительного элемента имелись балансировочные грузы.