李杰, 鄭濤, 馮凱強(qiáng), 杜思遠(yuǎn), 張樨, 楊雁宇
(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030051)
半捷聯(lián)慣性測(cè)量系統(tǒng)是專門為高旋轉(zhuǎn)、高過載的彈載環(huán)境量身定制的一種測(cè)量系統(tǒng),其核心部件為半捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)。半捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)是一種采用機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)與彈體滾轉(zhuǎn)隔離的慣性平臺(tái),半捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)可以使微慣性測(cè)量單元(MIMU)在滾轉(zhuǎn)方向保持穩(wěn)定,而在俯仰和偏航方向保持捷聯(lián)[1]。在飛行過程中,彈丸的錐形運(yùn)動(dòng)是一種固有運(yùn)動(dòng),所以研究錐形運(yùn)動(dòng)對(duì)半捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)穩(wěn)定性的影響是有必要的。
半捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)利用軸承實(shí)現(xiàn)了MIMU與彈體在滾轉(zhuǎn)軸方向上的隔離,該平臺(tái)以重力和軸承摩擦力的合力作用下的復(fù)擺運(yùn)動(dòng)原理進(jìn)行工作[2],其中軸承摩擦力矩是決定平臺(tái)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。前期對(duì)彈丸不存在錐形運(yùn)動(dòng),即對(duì)彈丸只做滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)情況下的半捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析,得到理想情況下作用在半捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)上的動(dòng)力學(xué)模型[1]。本文在前期分析的基礎(chǔ)上考慮了彈丸錐形運(yùn)動(dòng)對(duì)半捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響。抓住彈丸在做錐形運(yùn)動(dòng)時(shí),作用在半捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)上的傳遞動(dòng)力學(xué)模型,從傳遞模型出發(fā)考慮錐形運(yùn)動(dòng)對(duì)軸承摩擦力矩的影響,最終得到彈丸錐形運(yùn)動(dòng)情況下的半捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)擺動(dòng)角速率的變化規(guī)律。
本文針對(duì)高旋轉(zhuǎn)的彈載環(huán)境下捷聯(lián)慣性測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度降低這一問題,設(shè)計(jì)了半捷聯(lián)慣性測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)內(nèi)部裝有半捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái),此平臺(tái)在橫滾軸方向上通過軸承實(shí)現(xiàn)與彈丸的連接,起到“隔旋止轉(zhuǎn)”的效果。半捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)作為一種用于搭載傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu),主要用于實(shí)現(xiàn)等效減小彈丸滾轉(zhuǎn)角速率,從而降低對(duì)傳感器量程要求,以達(dá)到提高測(cè)量精度的目的。
半捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)由軸承和內(nèi)筒兩大部分組成,如圖1所示。軸承實(shí)現(xiàn)了內(nèi)筒與彈丸在滾轉(zhuǎn)軸方向上的連接。內(nèi)筒內(nèi)部由實(shí)現(xiàn)姿態(tài)測(cè)量的MIMU、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和增加重力回復(fù)力矩的配重3部分組成。
理想情況下,質(zhì)量為m的半捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)重心由于軸承摩擦力矩Mf的帶動(dòng)作用,在垂直于滾轉(zhuǎn)軸的橫截面內(nèi)圍繞支撐軸點(diǎn)做復(fù)擺運(yùn)動(dòng),其動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)圖如圖2所示。圖2中m為軸承和半捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)的總質(zhì)量,θ(t)為重心與豎直方向的夾角,L為穩(wěn)定平臺(tái)等效重心位置到支撐軸點(diǎn)的距離即擺臂[3-5]。
從圖2可知,穩(wěn)定平臺(tái)重心圍繞支撐軸點(diǎn)的擺動(dòng)是由軸承摩擦力矩與重力回復(fù)力矩共同作用的結(jié)果,兩個(gè)力矩的具體作用方式為
(1)
式中:J為穩(wěn)定平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
錐形運(yùn)動(dòng)是彈丸運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定的一種表現(xiàn)形式,錐形運(yùn)動(dòng)發(fā)生時(shí),彈丸除繞自身縱軸的自旋運(yùn)動(dòng)外,還表現(xiàn)出彈體縱軸繞速度方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[6-7],如圖3所示。圖3中,α為半捷聯(lián)系統(tǒng)軸與水平面間夾角即俯仰角,γ為半捷聯(lián)系統(tǒng)軸與彈丸速度軸間夾角即半錐角,β=ωt為L與水平方向的夾角,ω為車床轉(zhuǎn)動(dòng)角速率,Xv為彈丸速度軸(認(rèn)為是水平方向),Xt為彈丸自身軸,R為半捷聯(lián)系統(tǒng)軸Xt與水平軸Xv交點(diǎn)到MIMU的距離,H為橫斷面到水平面的距離。
圖3描述了由于彈丸錐形運(yùn)動(dòng)引起的過MIMU且與半捷聯(lián)系統(tǒng)軸垂直的橫截面圍繞速度軸Xv的“抬頭低頭”運(yùn)動(dòng)。當(dāng)彈丸自身軸Xt繞彈丸速度軸Xv轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),過MIMU且垂直于彈丸自身軸Xt的橫截面會(huì)圍繞彈丸速度軸Xv轉(zhuǎn)動(dòng),從彈丸的速度軸Xv反方向看過去,此截面在垂直于速度軸Xv的橫斷面內(nèi)的夾角值會(huì)呈現(xiàn)正余弦變化規(guī)律,截面的面積在橫斷面內(nèi)投影會(huì)發(fā)生周期性變化,把橫斷面的這種運(yùn)動(dòng)叫做“抬頭低頭”運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)彈丸做錐形運(yùn)動(dòng)時(shí),在考慮過MIMU的半捷聯(lián)系統(tǒng)橫截面面積的情況下,該橫截面與水平面的夾角會(huì)隨轉(zhuǎn)速發(fā)生變化;從速度的反方向看過去,半捷聯(lián)系統(tǒng)的橫截面會(huì)做周期性的“抬頭低頭”運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)橫截面與水平面的夾角體現(xiàn)為俯仰角,俯仰角的變化可由(2)式表示:
(2)
由于彈丸軸圍繞速度軸做錐形運(yùn)動(dòng),使得實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定平臺(tái)與彈丸連接的軸承也會(huì)做錐形運(yùn)動(dòng),因此軸承會(huì)產(chǎn)生離心力,與這一部分離心力相對(duì)應(yīng)的向心力由軸承外套圈的支持力F1提供。軸承運(yùn)動(dòng)軌跡在過軸承且垂直于速度方向的面內(nèi)投影為圓形,如圖4所示。
軸承以角速率ω圍繞速度軸Xv做勻速圓周運(yùn)動(dòng),與豎直軸間夾角為ωt. 向心力沿軸承運(yùn)動(dòng)軌跡的徑向且指向圓心,由軸承外套圈支持力F1提供,重力方向豎直向下,F(xiàn)p為軸承所受總支持力。根據(jù)三角形余弦定理可知:
F1=mω2L.
(3)
由上述分析可知,彈丸錐形運(yùn)動(dòng)的情況下軸承支持力等于F1和重力兩部分的矢量和,如果考慮到半捷聯(lián)系統(tǒng)橫截面圍繞速度軸的“抬頭低頭”運(yùn)動(dòng),那么軸承的徑向壓力Fr和軸向壓力Fa可以由(4)式[8-9]表示:
(4)
將(2)式、(3)式、(4)式代入SKF軸承摩擦力矩算法內(nèi),可得到彈丸錐形運(yùn)動(dòng)下的軸承摩擦力矩隨時(shí)間的變化規(guī)律。SKF軸承摩擦力矩算法[10-11]為
Mf=Grr(υn)0.6+μslGsl,
(5)
式中:Grr為滾動(dòng)摩擦變量;Gsl為滑動(dòng)摩擦變量,二者具體表達(dá)式與軸承類型有關(guān);υ為潤滑劑工作溫度的運(yùn)動(dòng)黏度;μsl為滑動(dòng)摩擦系數(shù);n為軸承轉(zhuǎn)速。
與SKF軸承摩擦力矩算法相對(duì)比而言,存在軸承摩擦力矩的一般算法。軸承摩擦力矩的一般算法是將軸承摩擦力矩分為不受負(fù)荷影響的力矩M0和受負(fù)荷影響的力矩M1,總的摩擦力矩為二者之和。但是如果不僅考慮負(fù)荷因素,還要考慮導(dǎo)致摩擦力矩產(chǎn)生的根本原因,那么可以給出更為精確的軸承摩擦力矩算法即SKF軸承摩擦力矩算法。該算法比軸承摩擦力矩一般算法更加細(xì)化且計(jì)算精準(zhǔn),尤其體現(xiàn)在滾動(dòng)項(xiàng)摩擦系數(shù)Grr與滑動(dòng)項(xiàng)摩擦系數(shù)Gsl上,詳見文獻(xiàn)[11]。以采用開式深溝球軸承6200為例,(5)式中變量可表示為
(6)
式中:R1、R2、S1、S2為軸承摩擦力矩幾何常數(shù);dm為軸承的平均直徑;αF為接觸角。詳見軸承型錄。
以深溝球軸承6200為例,將(2)式~(6)式代入(5)式,得到彈丸做錐形運(yùn)動(dòng)情況下的軸承摩擦力矩隨時(shí)間變化規(guī)律,計(jì)算所需參數(shù)見表1,結(jié)果如圖5所示。
表1 仿真所需參數(shù)
假設(shè)彈丸圍繞速度軸滾轉(zhuǎn)角速率為700 r/min時(shí),綜合考慮由于錐形運(yùn)動(dòng)引起的“抬頭低頭”運(yùn)動(dòng)以及軸承支持力變化對(duì)軸承摩擦力矩的影響,得到軸承摩擦力矩隨時(shí)間的變化曲線如圖5(a)所示;對(duì)軸承摩擦力矩進(jìn)行頻譜分析圖如圖5(b)所示,摩擦力矩中主頻為11.76 Hz,接近彈丸繞速度軸的滾轉(zhuǎn)角速率頻率。
根據(jù)復(fù)擺運(yùn)動(dòng)原理可知,當(dāng)軸承摩擦力矩為恒定值時(shí),穩(wěn)定平臺(tái)重心在軸承摩擦力矩與重力回復(fù)力矩的力矩平衡位置附近做鐘擺運(yùn)動(dòng),此時(shí)穩(wěn)定平臺(tái)擺動(dòng)角速率呈現(xiàn)正余弦變化規(guī)律,且擺動(dòng)頻率固定[12-13]。若軸承摩擦力矩呈現(xiàn)周期性變化時(shí),使得軸承摩擦力矩與重力回復(fù)力矩的平衡位置發(fā)生周期變化,那么穩(wěn)定平臺(tái)擺動(dòng)角速率會(huì)存在兩個(gè)固定頻率的波動(dòng)。
為了對(duì)上述理論分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,將半捷聯(lián)慣性測(cè)量系統(tǒng)安裝在高精度數(shù)控車床上,如圖6所示。控制車床軸與系統(tǒng)軸間夾角即彈丸錐形運(yùn)動(dòng)時(shí)的半錐角恒定且以恒定角速率轉(zhuǎn)動(dòng)。通過對(duì)半捷聯(lián)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可得到彈丸錐形運(yùn)動(dòng)情況下的半捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)擺動(dòng)角速率變化規(guī)律。將半捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)擺動(dòng)角速率理論仿真結(jié)果與實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)比,可實(shí)現(xiàn)對(duì)理論分析結(jié)果的驗(yàn)證。
考慮彈丸錐形運(yùn)動(dòng)對(duì)軸承摩擦力矩的影響,借助4階、5階龍格- 庫塔自適步長法,對(duì)(1)式進(jìn)行仿真,將(1)式重寫為1階方程的形式:
(7)
圖7(a)表示彈丸錐形運(yùn)動(dòng)情況下,半捷聯(lián)系統(tǒng)滾轉(zhuǎn)角速率理論輸出。圖7(b)中對(duì)滾轉(zhuǎn)角速率理論輸出進(jìn)行頻譜分析,可知存在與軸承摩擦力矩相近的頻段,頻率為11.780 Hz.
圖8描述為取軸承摩擦力矩為恒定值0.315 N/m2時(shí),結(jié)合(1)式用龍格- 庫塔自適步長法仿真得到穩(wěn)定平臺(tái)擺動(dòng)角速率的理論輸出。
由圖7與圖8對(duì)比發(fā)現(xiàn),當(dāng)軸承摩擦力矩為恒定值時(shí),穩(wěn)定平臺(tái)僅存在一個(gè)低頻段的角速率。若軸承摩擦力矩發(fā)生變化,那么穩(wěn)定平臺(tái)的角速率也會(huì)疊加與軸承摩擦力矩同頻變化的角速率。
為了對(duì)錐形運(yùn)動(dòng)下半捷聯(lián)滾轉(zhuǎn)角速率理論值進(jìn)行驗(yàn)證,將半捷聯(lián)系統(tǒng)安裝在高精度數(shù)控車床上,并將半捷聯(lián)系統(tǒng)滾轉(zhuǎn)軸與車床軸間夾角控制在1°左右,控制車床以700 r/min轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)半捷聯(lián)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算分析[15-16],得到當(dāng)車床轉(zhuǎn)速為700 r/min時(shí)滾轉(zhuǎn)角速率輸出波形,如圖9所示。
圖7和圖9分別表示當(dāng)彈丸滾轉(zhuǎn)角速率為700 r/min時(shí),半捷聯(lián)系統(tǒng)滾轉(zhuǎn)角速率理論仿真數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的頻譜分析,經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)角速率理論輸出與實(shí)際輸出都存在高低頻段,低頻段滾轉(zhuǎn)角速率的頻率在2 Hz左右,高頻段滾轉(zhuǎn)角速率的頻率為11.790 Hz且與高精度車床轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相近。由于在地面半物理仿真試驗(yàn)時(shí),高精度數(shù)控車床與半捷聯(lián)系統(tǒng)間夾角不能嚴(yán)格地控制在1°,以及半捷聯(lián)系統(tǒng)軸向安裝誤差角的存在,使得半捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)實(shí)際角速率輸出幅值與理論仿真值之間有所差異,理論輸出和實(shí)際輸出波形基本符合。圖7和圖9中低頻段表示錐形運(yùn)動(dòng)的半錐角固定不變且產(chǎn)生的軸承摩擦力矩為恒定值時(shí),穩(wěn)定平臺(tái)擺動(dòng)的角速率;高頻段表示因車床轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致軸承摩擦力矩周期性變化,進(jìn)而引發(fā)穩(wěn)定平臺(tái)擺動(dòng)角速率的周期性變化,且變化頻率與車床轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相同。得到滾轉(zhuǎn)角速率的高頻段輸出是由于彈丸在錐形運(yùn)動(dòng)時(shí),導(dǎo)致軸承摩擦力矩產(chǎn)生周期性變化引起半捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)累加的角速率;在此高頻段角速率的作用下,半捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)擺動(dòng)角速率增大。
本文將半捷聯(lián)系統(tǒng)安裝在高精度數(shù)控車床上,控制半捷聯(lián)系統(tǒng)滾轉(zhuǎn)軸與車床軸間夾角,作為彈丸錐形運(yùn)動(dòng)時(shí)的半錐角,進(jìn)行地面半物理仿真試驗(yàn)。驗(yàn)證了由于彈丸錐形運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致軸承摩擦力矩周期性的變化,使得穩(wěn)定平臺(tái)滾轉(zhuǎn)角速率疊加一個(gè)隨彈丸滾轉(zhuǎn)角速率同頻變化的角速率,在此疊加角速率的作用下使得半捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)整體擺動(dòng)角速率增大。合理解釋了彈丸錐形運(yùn)動(dòng)情況下半捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)擺動(dòng)角速率增大的原因;從彈丸在錐形運(yùn)動(dòng)時(shí)作用在半捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)上的動(dòng)力學(xué)模型入手,結(jié)合SKF軸承摩擦力矩算法得到在“抬頭低頭”運(yùn)動(dòng)及軸承徑向支持力共同作用下的軸承摩擦力矩變化規(guī)律;得到半捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)由于彈丸錐形運(yùn)動(dòng)下擺動(dòng)角速率增大的原因,為半捷聯(lián)慣性測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了理論參考依據(jù)。
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