Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

по предмету «Физико-технические эффекты»

Тема: Механические эффекты: гироскопический эффект, центробежная сила

2014

Содержание

1. Механические эффекты

2. Гироскопический эффект

3. Гироскопические измерительные устройства

4. Центробежная сила

5. Центробежное литьё

Источники (литература)

1. Механические эффекты

Механика -- наука о механическом движении материальных тел и происходящих при этом взаимодействиях между телами. Под механическим движением понимают изменение с течением времени взаимного положения тел или их частиц в пространстве. Рассматриваемые в механике взаимодействия представляют собой те действия тел друг на друга, результатом которых являются изменения механического движения этих тел. К механическим эффектам относятся гироскопический эффект и центробежная сила. механика гироскопический центробежный измерительный

2. Гироскопический эффект

Входы: сила, направление.

Выходы: перемещение, скорость.

Гироскоп -- быстровращающееся твердое тело, ось вращения которого может изменять свое направление в пространстве. На свойствах гироскопа основаны разнообразные устройства или приборы, широко применяемые в современной технике для автоматического управления движением самолетов, морских судов, ракет, торпед и других объектов, для определения горизонта или географического меридиана, для измерения поступательных или угловых скоростей движущихся объектов (например, ракет). Свойства гироскопа проявляются при выполнении двух условий:

1) ось вращения гироскопа должна иметь возможность изменять свое направление в пространстве;

2) угловая скорость вращения гироскопа вокруг своей оси должна быть очень велика по сравнению с той угловой скоростью, которую будет иметь сама ось при изменении своего направления.

3. Гироскопические измерительные устройства

Под гироскопом понимается техническое устройство представляющее собой быстро вращающееся тело с одной неподвижной точкой - ротор гироскопа с рамками подвеса. Ротор гироскопа вращается со скоростью от 22000 об/мин. и более.

Рис. 1. Гироскоп в кардановом подвесе: 1 - ротор гироскопа; 2 - внутренняя рамка карданова подвеса; 3 - наружная рамка карданова подвеса; 4 - подставка; щ_е - вектор переносной угловой скорости; Щ_z - собственная угловая скорость вращения ротора гироскопа

Рамки подвеса (кардановый подвес) обеспечивает гироскопу дополнительные степени свободы, помимо вращения вокруг оси ротора. Различают гироскопы с двумя степенями свободы - двухстепенные и тремя степенями свободы - трехстепенные. Гироскоп с тремя степенями свободы (см. рис. 1), имеет кардановый подвес, состоящий из внутренней 2 и внешней (наружной) 3 рамок, подвижных относительно основания 4. Точка пересечения всех трех осей является неподвижной точкой гироскопа. У гироскопов с двумя степенями свободы нет внешней рамки. Внутренняя рамка гироскопов в явном виде обычно отсутствует, ее роль выполняет кожух (корпус) ротора. Кожух с заключенным в нем ротором образует гироузел.

Идеальный трехстепенной гироскоп, на который не действуют никакие внешние моменты, принято называть свободным. Реализация такого гироскопа требует, во-первых, точного совмещения центра масс гироскопа (как системы, включающей ротор и рамки подвеса) с точкой пересечения осей ротора и подвеса, чтобы исключить воздействие на гироскоп моментов сил тяготения и инерционных сил. Во-вторых, должно отсутствовать трение в опорах подвеса.

Поведение трехстепенного гироскопа при воздействии внешних моментов существенно отличается от движения невращающегося твердого тела. При Щ_z = 0 поворот основания 4 вокруг оси внешней рамки вызовет соответствующий поворот рамок с ротором вследствие трения в опорах оси внешней рами. Приложения момента к одной из рамок вызовет ускоренное вращение вокруг оси этой рамки. Удар по рамке (импульс момента) также приведет к ее вращению.

Если же ротор вращается с достаточно большой скоростью Щ_z, то поворот основания, а также удар не вызовут заметного изменения положения рамок и оси вращения ротора. Приложение момента М к одной из рамок обусловит вращение гироскопа вокруг оси другой рамки. Это специфическое для гироскопа движение называется прецессией.

Правило прецессии формулируется следующим образом: под действием внешнего момента М гироскоп движется (прецессирует) с угловой скоростью щ, стремясь совместить по кратчайшему расстоянию ось ротора (вектор Щ_z) с вектором М.

Гироскопические измерительные устройства по принципу действия делятся на следующие основные группы: гироскопы с двумя и тремя степенями свободы, курсовые гироскопические системы, гироскопические стабилизаторы, гироскопические датчики направления истинной вертикали и инерциальные системы.

Основным свойством трехстепенного гироскопа является свойство сохранять неизменным направление своей главной оси в мировом пространстве, а основным свойством двухстепенного гироскопа является свойство совмещать по кратчайшему пути вектор собственного вращения гироскопа с вектором вынужденного вращения - свойство прецессии.

Для достижения максимальной точности измерения с помощью гироскопических измерительные устройства их установка на подвижные объекты производится в местах близким к характерным точкам подвижных объектов, а именно - центру масс или аэродинамическому фокусу (точке пересечения аэродинамических сил, действующих на самолет).

Определение положения подвижного объекта относительно горизонтальной плоскости или относительно направления истинной вертикали является сложной проблемой. Так как направление истинной вертикали совпадает с вектором силы тяжести G, для определения этого направления можно использовать маятник. Однако на летающем подвижном объекте, полет, которого практически всегда происходит с ускорениями, поставленная цель не будет достигнута, так как маятник будет стремиться устанавливаться по равнодействующей сил тяжести G и инерции F_и, то есть по направлению так называемой кажущейся вертикали.

В качестве указателя направления вертикали можно использовать также свободный трехстепенной гироскоп, точность которого не зависит от ускорений объекта. Однако такой гироскоп сохраняет положение ротора неизменным не относительно Земли, а в абсолютной (инерциальной) системе координат, практически точной моделью, которой является система, связанная со звездами. Так как, по отношению к такой системе координат, а, следовательно, и к гироскопу направление вертикали перемещается из-за вращения Земли и движения объекта относительно Земли, то наблюдатель на движущемся объекте, наоборот, будет отмечать нарастающее во времени отклонение оси ротора от вертикали (если ротор первоначально был установлен по ее направлению). Отклонения от вертикали реального гироскопа будут дополнительно вызываться уходами (прецессией) из-за моментов сил трения и разбалансировки.

По указанным причинам гироскоп как указатель направления вертикали может быть использован на летающем подвижном объекте лишь кратковременно.

Поэтому целесообразно построить системы, в которых используются положительные свойства гироскопа (повышенная “инерционность” по отношению к внешним воздействиям) и маятника (способность устанавливаться по истинной вертикали при отсутствии ускорений). Такими системами являются гировертикали, представляющие собой гироскопы с маятниковой коррекцией их положения. Гировертикали с указателем положения летающего подвижного объекта относительно плоскости горизонта называются авиагоризонтами.

Гировертикали служат для измерения углов крена и тангажа летающего подвижного объекта. Углом тангажа х называется угол между горизонтальной плоскостью х'Оz' и продольной осью x самолета.

Угол крена г определяется как угол между вертикальной плоскостью, проходящей через продольную ось х, и плоскостью симметрии самолета xОу. Таким образом, углы тангажа изменяются при вращении самолета относительно горизонтальной оси z', перпендикулярной продольной оси самолета, а углы крена - относительно продольной оси самолета. Измерительное устройство для определения углового положения самолета по крену и тангажу с индикацией данных членам экипажа и является авиагоризонтом.

Принцип построения авиагоризонтов наиболее простой кинематической схемы для маломаневренных самолетов и вертолетов поясняется на рис. 3. Ось внешней рамки 1 располагается параллельно продольной оси самолета. В нижней части гироузла 2 имеется маятниковое устройство 3, сигналы которого при отклонениях оси ротора от вертикали подаются на моментные двухфазные асинхронные электродвигатели Д₁ и Д₂ поперечной и продольной коррекции соответственно. Корректирующие моменты M₁ и М₂ этих электродвигателей, прикладываемые к гироскопу, обеспечивают его восстановление к вертикали. В результате ось гироузла (внутренней рамки) удерживается в горизонтальной плоскости и является осью измерения углов тангажа х. Осью измерения углов крена г служит ось внешней рамки.

Маятниковое устройство, вертикальное сечение которого показано на рис. 4, представляет собой жидкостный маятник, называемый также электролитическим переключателем коррекции.

Медный герметичный корпус 1 заполнен проводящей жидкостью-электролитом 2. Роль маятника выполняет воздушный пузырек 5. В крышку 3 корпуса впрессованы четыре симметрично расположенных контакта 4, изолированные от корпуса. На рис. 13.4,а показано включение контактов, расположенных по оси x внешней рамки, в коррекции с короткозамкнутым ротором. Обмотка возбуждения W₃, питается напряжением U₂, сдвинутым по фазе на 90° по отношению к напряжению U₁, подводимому к корпусу и общей точке обмоток W₁ и W₂. Таким же образом включены два других контакта цепи поперечной коррекции.

Если гироузел вертикален, пузырек занимает центральное положение, так что поверхности соприкосновения всех контактов 4 с жидкостью одинаковы. Следовательно, одинаковы и сопротивления между каждым из этих контактов и корпусом. Поэтому магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ включенных встречно обмоток W₁ и W₂ будут равны, а результирующий момент двигателя будет равен нулю.

При продольных отклонениях гироскопа от вертикали пузырек сместится вдоль оси х, вследствие чего площади соприкосновения с жидкостью двух контактов, расположенных вдоль этой оси, станут неодинаковыми. В результате неравенства потоков Ф₁ и Ф₂ возникнет корректирующий момент двигателя Д₂, под действием которого гироскоп будет прецессировать к вертикали. Аналогично работает и цепь поперечной коррекции. Скорости коррекции авиагоризонтов обычно не превышают 5-6 град/мин.

Гироскопы разного назначения (навигационные, силовые) выпускаются разных типоразмеров в зависимости от условий работы и требуемой точности. В гироскопических приборах диаметр ротора составляет 4-20 см, причем меньшее значение относится к авиационно-космическим приборам. Диаметры же роторов судовых гиростабилизаторов измеряются метрами.

Почти каждое морское судно дальнего плавания снабжено гирокомпасом для ручного или автоматического управления судном, некоторые оборудованы гиростабилизаторами. В системах управления огнем корабельной артиллерии много дополнительных гироскопов, обеспечивающих стабильную систему отсчета или измеряющих угловые скорости. Без гироскопов невозможно автоматическое управление торпедами.

Самолеты и вертолеты оборудуются гироскопическими приборами, которые дают надежную информацию для систем стабилизации и навигации. К таким приборам относятся авиагоризонт, гировертикаль, гироскопический указатель крена и поворота. Гироскопы могут быть как указывающими приборами, так и датчиками автопилота. На многих самолетах предусматриваются гиростабилизированные магнитные компасы и другое оборудование - навигационные визиры, фотоаппараты с гироскопом, гиросекстанты. В военной авиации гироскопы применяются также в прицелах воздушной стрельбы и бомбометания.

4. Центробежная сила

Входы: угловая скорость, вращательное движение.

Выходы: давление, сила. Центробежная сила -- сила, с которой движущаяся материальная точка действует на тело (связь), стесняющее свободу движения точки и вынуждающее ее двигаться криволинейно

Центробежная сила и центростремительная сила численно равны друг другу и направлены вдоль одной прямой в противоположные стороны, но приложены к разным телам -- как силы действия и противодействия. Например, при вращении в горизонтальной плоскости привязанного к веревке груза центростремительная сила действует со стороны веревки на груз, вынуждая его двигаться по окружности, а центробежная сила действует со стороны груза на веревку, натягивает ее и при достаточно большой скорости движения может оборвать. Центробежная сила направлена по главной нормали к траектории от центра кривизны (от центра окружности при движении точки по окружности).

5. Центробежное литьё

При получении отливок со свободной параболической поверхностью при вращении формы вокруг вертикальной оси (рис. 2) расплав из ковша 1 заливают в форму 2, закрепленную на шпинделе 3, приводимом во вращение электродвигателем 4. Расплав 5 под действием центробежных и гравитационных сил распределяется по стенкам формы и затвердевает, после чего вращение формы прекращают и извлекают из нее затвердевшую отливку 6.

Рис. 2. Схема получения отливок при вращении формы вокруг вертикальной оси: 1 - ковш; 2 - форма; 3 - шпиндель; 4 - электродвигатель; 5 - расплав; 6 - отливка

Отливки с внутренней поверхностью сложной конфигурации получают с использованием стержней (рис. 9, а) в формах с вертикальной осью вращения. Так отливают, например, венцы зубчатых колес. Расплав из ковша через заливочное отверстие и стояк 1 поступает в центральную полость формы 2, выполненную стержнями 3 и 4, а затем под действием центробежных сил через щелевые питатели - в рабочую полость формы. При этом избыток металла в центральной полости формы 5 выполняет роль прибыли, обеспечивая питание отливки при затвердевании.

Мелкие фасонные отливки можно получать центробежным литьем в песчаные формы. Части формы 1 и 2 устанавливают на центробежный стол и крепят на нем. При необходимости используют стержни 4. Рабочие полости 3 должны располагаться симметрично относительно оси вращения для обеспечения балансировки формы. Расплав заливают через центральный стояк, из которого по радиальным каналам он попадает в полости формы. Технологический выход годного при таком способе литья приближается к выходу годного при литье в песчаные формы. При центробежном литье можно использовать песчаные, металлические, оболочковые и объемные керамические, а также комбинированные формы.

Особенности формирования отливки при центробежном литье сопряжены как с большими преимуществами, так и с недостатками. К преимуществами этого способа можно отнести:

· возможность улучшения заполняемости форм расплавом под действием давления, развиваемого центробежными силами;

· повышение плотности отливок вследствие уменьшения количества усадочных пор, раковин, газовых, шлаковых и неметаллических включений;

· уменьшение расхода металла и повышение выхода годного, благодаря отсутствию литниковой системы при изготовлении отливок типа труб, колец, втулок или уменьшению массы литников при изготовлений фасонных отливок;

· исключение затрат на стержни при изготовлении отливок типа втулок и труб.

Недостатками способа являются: трудности получения отливок из сплавов, склонных к ликвации; загрязнение свободной поверхности отливок неметаллическими включениями; неточность размеров и необходимость повышенных припусков на обработку свободных поверхностей отливок, вызванная скоплением неметаллических включений в материале отливки вблизи этой поверхности и отклонениями точности дозы расплава, заливаемого в форму.

Наивысшие технико-экономические показатели центробежного способа литья достигаются при получении пустотелых цилиндрических отливок с различными размерами и массой (длиной до нескольких метров и массой до нескольких тонн): труб разного назначения из чугуна, стали, цветных и специальных сплавов; втулок и гильз для стационарных и транспортных дизелей; колец подшипников качения и др. Большое распространение получило центробежное литье для изготовления биметаллических изделий, изделий из сплавов с низкой жидкотекучестью и высоким поверхностным натяжением, при необходимости получения тонкостенных отливок со сложной геометрией и микрорельефом поверхности. К ним относятся, например, турбинные диски с лопатками, отливки художественного и ювелирного назначения.

Источники (литература)

1. В.А. Панов Автоматизация проектирования средств и систем управления. Физико-технические эффекты. Издательство ПГТУ, 2008.

2. В. Шарапов, Е. Полищук Датчики. Издательство Техносфера, 2012.

3. ДАТЧИКИ АВІОНІКИ: Конспект лекцій/Уклад.: С.Г. Єгоров, М.А.Бєлов,.- К.: НАУ, 2006. - 58 с.

4. http://uas.su/books/spesialmethodsforcasting/61/razdel61.php

Размещено на Allbest.ru