книги из ГПНТБ / Нечаев П.А. Электронавигационные приборы учебник

П. А. НЕЧАЕВ, Н. Б. КУДРЕВИЧ

ЭЛЕКТРОНАВИГАЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ

Издание третье переработанное и дополненное

Утверждено Управлением учебных заведений

Министерства морского флота в качестве учебника для учащихся судоводительской специальности мореходных училищ

МОСКВА «ТРАНСПОРТ» 1974

ВВЕДЕНИЕ

В соответствии с Директивами XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1971— 1975 гг. морской флот пополняется высокоэкономичными, универсальными и специали­ зированными судами с комплексной автоматизацией управления судо­ выми механизмами и системами, оснащенными первоклассной навига­ ционной аппаратурой.

Современные технические средства судовождения включают в себя большой комплекс приборов, среди которых особое место принадлежит электронавигационным приборам. К ним относятся гирокомпасы, авто­ рулевые, гидравлические и индукционные лаги, эхолоты и ряд других.

Электронавигационные приборы обеспечивают высокую точность судовождения и безопасность мореплавания, а также облегчают труд судоводителей.

Ги р о к о м п а с ы предназначены для определения курса судна

инаправлений на различные ориентиры.

На протяжении многих веков единственным курсоуказателем на судне был магнитный компас. Этот простой по устройству и эксплуата­ ции прибор обеспечивал надежное курсоуказание на тихоходных дере­ вянных судах. На судах со стальным корпусом условия для работы магнитного компаса резко ухудшились. Под влиянием магнитного по­ ля, образованного судовым железом, в показаниях магнитного компаса появляется трудно поддающаяся точному учету погрешность, назы­ ваемая д е в и а ц и е й . Возросшие скорости морских судов также от­ рицательно сказались на показаниях магнитного компаса — его кар­ тушка, обладая малой направляющей силой, при больших скоростях судна неустойчива в меридиане.

Все это послужило причинами создания курсоуказателя нового типа, принцип действия которого не связан с магнитным полем Земли. Таким курсоуказателем явился гирокомпас.

В отличие от магнитного, компаса гирокомпас обладает высокой устойчивостью в меридиане и его поправка легко учитывается. Обеспе­ чивая более точное курсоуказание, гирокомпас способствует увеличе­ нию провозной способности судна и снижению себестоимости перевоз­ ки грузов морем. Благодаря этому в течение одного года эксплуатации гирокомпаса полностью окупаются расходы на его изготовление. •

3

Экономический эффект использования гирокомпаса еще более по­ вышается при автоматическом управлении судовым рулевым приводом, так как авторулевой более точно удерживает судно на курсе, чем чело­ век. Экспериментально установлено, что при работе авторулевого от гирокомпаса средняя экономия ходового времени судна составляет около 3%. Применение авторулевого позволяет также освободить мат- роса-рулевого от утомительного труда.

в качестве аварийных, дают неустойчивые показания и неудобны в ис­ пользовании. Эти лаги имеют буксируемые за кормой на линях вер­ тушки, что затрудняет маневрирование судна и исключает возмож­ ность использования лага при плавании в стесненных условиях. Кро­ ме того, для приведения этих лагов в действие и их уборки требуются весьма значительные затраты труда и времени.

В гидравлических и индукционных лагах указанные недостатки исключены.

Э х о л о т ы — приборы, служащие для измерения глубины под килем судна акустическим методом. Эти приборы используются как средство повышения безопасности мореплавания в трудных навига­ ционных условиях.

Измерение глубин ручным или механическим лотом, которым при­ шли на смену эхолоты, связано с необходимостью уменьшать скорость судна и требует значительного времени. С помощью же эхолота любые глубины могут быть измерены практически мгновенно на любых ско­ ростях. Кроме того, эхолоты снабжены самописцами, которые непре­ рывно воспроизводят рельеф дна.

Наряду с отмеченными достоинствами электронавигационные при­ боры обладают и существенными недостатками. Главными из них яв­ ляются сложность устройства и необходимость высокой квалификации обслуживающего персонала.

Кроме перечисленных, к электронавигационным приборам относят­ ся автосчислители координат, путепрокладчики, а также ряд гироско­ пических приборов, предназначенных для целей навигации. Эти при­ боры пока не получили широкого применения на судах морского флота, н поэтому их описание в книге не приводится.

Электронавигационные приборы в сочетании с другими технически­ ми средствами судовождения позволяют полностью автоматизировать процессы судовождения и тем самым еще более повысить производитель­ ность труда на морском транспорте. В настоящее время для судов мор­ ского флота разработаны автоматизированные навигационные ком­ плексы, предназначенные для автоматизации процесса судовождения и одновременного решения нескольких навигационных задач: счисле­ ния пути, определения курса, скорости и координат судна, а также дру­ гих навигационных параметров, необходимых для автоматического управления движением судна по заданной траектории. Источниками информации такого навигационного комплекса являются и электрона­ вигационные приборы.

4

Часть первая. ГИРОКОМПАСЫ

Глава I. ГИРОСКОП И ЕГО ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА

§ 1. ГИРОСКОП

Основной частью всех гироскопических приборов, в том числе и ги­ рокомпасов, является г и р о с к о п. В общей динамике твердого тела гироскопом называется тело произвольной формы, совершающее вра­ щение около одной закрепленной точки, являющейся его опорой. Од­ нако в гироскопических приборах применяются гироскопы в виде тя­ желых динамически симметричных дисков, совершающих быстрое вра­ щение вокруг оси симметрии и имеющих такую систему подвеса, кото­ рая позволяет осям их собственного вращения произвольно изменять направление в пространстве.

Поэтому в технике гироскопом называется тяжелое быстровращающееся симметричное твердое тело, ось вращения которого может изме­ нять свое направление относительно любой системы координат, не связанной с гироскопом.

Термин «гироскоп» происходит от греческих слов «гирос» и «скопейн», что в переводе означает «наблюдать вращение».

Для уяснения понятия «гироскоп» воспользуемся так называемым лабораторным гироскопом (рис. 1), в котором массивный диск 1, на­ зываемый р о т о р о м г и р о с к о п а , жестко укреплен на оси, входящей в два диаметрально противоположных подшипника в н у т- р е н е г о к о л ь ц а 3. Эта ось называется г л а в н о й о с ь ю г и р о с к о п а (ось X — X). Вокруг главной оси ротору гироскопа сообщается весьма быстрое вращение, называемое собственным или главным вращением.

гироскопа может поворачиваться вместе с внутренним и вертикальным

перпендикулярна как оси X — X, так и оси Z — Z. Точка подвеса ос­ тается неподвижной при вращении гироскопа вокруг любой из его осей.

6

Такой подвес ротора гироскопа называется к а р д а н о в ы м п о д ­ в е с о м , а кольца подвеса — к а р д а н о в ы ми к о л ь ц а м и .

В теории гироскопии рассматриваются только поворотные движе­ ния гироскопа. Если гироскоп может поворачиваться одновременно

В одних гирокомпасах гирокамер а подвешена в кардановых кольцах, в других — помещается в гермети ческую сферу, называемую г и р о ­ с ф е р о й , которая плавает в жидкости.

Для придания гироскопу быстрого вращения внутри гирокамеры укладывают статорную обмотку, питающуюся, как правило, трехфаз­ ным током повышенной частоты. Ротор же имеет короткозамкнутую об­ мотку типа «беличье колесо». Таким образом, гиромотор выполнен по такому же принципу, как трехфазный асинхронный электродвига­ тель.

§ 2. ПОНЯТИЕ О КИНЕТИЧЕСКОМ МОМЕНТЕ

Сложные и разнообразные явления, связанные с движением гиро­ скопа и используемые в гироскопических приборах, вытекают из теоре­ мы о кинетическом моменте, являющейся одной из основных теорем динамики твердого тела. Для ее понимания необходимо уяснить неко­ торые положения из механики.

7

Вектор угловой скорости. На рис. 2 схематически изображен гиро­ скоп, ротор которого совершает равномерное вращение относительно главной оси X — X . Направление этого вращения показано стрелкой на роторе.

Для характеристики вращательного движения тела на его оси вра­ щения строят в е к т о р у г л о в о й с к о р о с т и так, чтобы из его конца вращение усматривалось против часовой стрелки. Длина векто­ ра в некотором масштабе принимается равной числовому значению уг­ ловой скорости. _

На рис. 2 показан построенный по этим правилам вектор Q угловой скорости вращения ротора гироскопа с началом в центре гироскопа.

Точку приложения вектора угло­ вой скорости можно выбирать на оси вращения произвольно.

При своем изменении вектор в общем случае изменяет и числовое значение (длину), и направление. Если, например, гироскоп, изобра­ женный на рисунке, совершая не­ равномерное вращение вокруг оси X ■— X, будет одновременно пово­ рачиваться вокруг осей Y — Y и

при помощи вектора угловой скорости можно было полностью охарак­ теризовать вращательное движение гироскопа, необходимо знать

длину и направление Q в каждый момент времени, т. е. знать ско­ рость изменения вектора.

Об изменении вектора, т. е. об изменении его длины и направления, удобно судить по линейной скорости движения конца этого вектора. В математическом анализе вводится понятие п р о и з в о д н о й в е к т о р а по времени, причем доказывается, что производная век­ тора по времени равна линейной скорости движения точки ■—■конца

вектора. Например, линейная скорость v конца вектора Q (рис. 3) при его изменении есть производная этого вектора по времени. Записы­ вается это следующим образом:

йа

В математическом анализе указываются способы определения про­ изводных разных функций, в том числе и векторных.

Количество движения и момент количества движения. Количеством движения материальной точки называется произведение массы этой точки на ее линейную скорость.

8

Линейная скорость точки — вектор, следовательно, количество движения также вектор, приложенный к движущейся точке и совпада­ ющий по направлению с вектором линейной скорости.

На рис. 4 изображен гироскоп, вращающийся вокруг оси X — X

с угловой скоростью £2. Выделим мысленно в теле ротора гироскопа ма­ териальную точку А с массой т. Эта точка движется по окружности радиусом г с линейной скоростью, числовое значение которой о = /-£2.

Вектор количества движения то точки А направлен по касательной к окружности, описываемой точкой.

Подобно тому, как в механике вводится понятие момента силы, вве­ дем понятие момента количества движения материальной точки.

Рис. 3. Производная вектора Рис. 4. Кинетический момент ротора

Моментом количества движения материальной точки относитель­ но оси называется произведение количества движения этой точки на ее расстояние до оси вращения.

Вектор момента количества движения строят на оси вращения и направляют в сторону, с которой вращение точки усматривается против часовой стрелки.

Если обозначить числовое значение вектора момента количества движения точки А через h, то момент количества движения, согласно

определению, будет: h = mvr. Вектор h, как это показано на рисунке, направлен по оси X — X в сторону, с которой вращение точки А усмат­ ривается против часовой стрелки.

Теперь распространим понятие о моменте количества движения на все твердое тело. Предположим, что тело ротора состоит из п матери­

где hx, h2, h3 ... — моменты количеств движения материальных частиц, из которых состоит ротор.

Согласно определению момента количества движения материальной точки, имеем:

h = тррргр,

К= m2v2r2,

К= mnvnrn.

9