Об одном способе экспериментального определения гидродинамических параметров поплавкового маятникового акселерометра
Об одном способе экспериментального определения гидродинамических параметров поплавкового маятникового акселерометра с электростатическим подвесом
Васюков С. А.
В поплавковых маятниковых акселерометрах, работающих в компенсационном режиме, подвижная система содержит два цилиндрических поплавка, которые служат для обеспечения гидростатической разгрузки. Поверхности поплавков могут быть использованы в качестве роторов электростатических подвесов, выполняющих роль дополнительных прецизионных элементов центрирования подвижной системы.
В отличие от вакуумных подвесов, в поплавковых физическое демпфирование реализуется посредством вязкой жидкости, что облегчает достижение устойчивого взвешивания. Подвижная система, охваченная обратной связью по измерительной оси, практически не совершает разворотов вокруг этой оси. Конечно, и в этом случае имеет место воздействие электростатического подвеса на точностные характеристики прибора через возмущающий момент на измерительной оси, однако возможность высококачественного изготовления цилиндрического ротора подвеса существенно снижает влияние этого момента и делает его вклад в уравнения движения вокруг этой оси пренебрежимо малым.
Задача по определению гидродинамических сил и моментов, которые действуют на цилиндрический поплавок при его движении в вязкой жидкости, наиболее полно исследована в работе Никитина Е. А. [1]. Математическая модель, рассмотренная в [1], представляла собой связанную задачу гидродинамики, включающую в себя задачу гидродинамики в цилиндрической щели и две разные задачи гидродинамики в торцевых щелях, состоящие из уравнений Навье-Стокса и неразрывности. К ним добавлялись условия согласования давления и расхода жидкости при переходе из цилиндрической щели в торцевую щель и соответствующие граничные условия.
Известно, что гидродинамическую силу можно представить в виде
(1)
где
и
присоединенная масса и коэффициент
линейного демпфирования. В [1] были
получены аналитические выражения для
осевого (2) и радиального (3) движений
поплавка
(2)
(3)
где
- динамическая вязкость,
- плотность жидкости,
,
,
,
- размеры поплавкового узла, рис. 1.
Экспериментальные исследования на опытных образцах приборов с электростатическими подвесами показали, что времена центрирования (всплытия с упоров) поплавковых узлов значительно меньше, чем расчетные с использованием выражений (2) и (3). Это можно объяснить завышенными расчетными значениями коэффициентов демпфирования.
Попытка уточнения коэффициентов демпфирования, присоединенных масс и моментов инерции для конструкций с малыми (порядка 50 мкм) зазорами была предпринята в работе [2]. Однако в этом случае расчетные соотношения отличались от экспериментальных значений в 2 – 3 раза в меньшую сторону.
В ряде работ С. А. Анциферова и Л. И. Могилевича, в частности в [3] произведено уточнение значений гидродинамических сил за счет учета несимметричного истечения жидкости в торцевые щели.
Чем же можно объяснить значительное расхождение теоретических и экспериментальных результатов. Очевидно тем, что в расчетных моделях рассматривалось идеализированное движение цилиндрического поплавка в цилиндрической камере, и было невозможно учесть сложность конкретных конструкций поплавковых узлов и наличие дополнительных каналов перетекания жидкости.
В связи с этим, более достоверными оказываются данные об этих параметрах, полученные при испытаниях опытных образцов приборов. Ниже предлагается способ экспериментального определения коэффициентов углового и линейного демпфирования при воздействии принудительной знакопеременной силы в электростатическом подвесе.
Пусть система электродов цилиндрического электростатического подвеса ориентирована относительно правой ортогональной системы координат, как показано на рис. 1.
Введем
неподвижную систему координат
,
жестко скрепленную с корпусом прибора,
начало которой помещено в центре подвеса,
и подвижную
,
скрепленную с поплавком. Тогда уравнения
движения цилиндрического ротора,
взвешенного в жидкости, с учетом
допущений, продиктованных условиями
работы поплавковых маятниковых приборов,
примут вид:
Рис. 1
а) для горизонтального положения оси прибора
(4)
б) для вертикального положения оси прибора
(5)
где
- силы и моменты электростатического
подвеса,
- гидродинамические силы и моменты,
- возмущающие силы и моменты,
- архимедова сила,
- момент маятника,
- момент дифферента,
- момент, создаваемый системой обратной
связи вокруг измерительной оси прибора.
Для дальнейшего анализа уравнений движения необходимо представить силы и моменты в правых частях уравнений (4) и (5) в форме, раскрывающей их зависимость от линейных и угловых координат.
Для оценки величины линейного демпфирования рассмотрим уравнение движения поплавка по оси y только под действием электростатической силы и остаточного веса:
(6)
где
- полная (с учетом присоединенной) масса,
-
остаточный вес (неплавучесть).
Перед началом
эксперимента проведем центрирование
в электростатическом подвесе так, чтобы
выставить в среднее положение цапфы
поплавков в камниевых опорах, рис. 1.
Другими словами, с помощью подвеса
обеспечивается одинаковый зазор
между поверхностью цапфы и верхним и
нижним камниевым упором. Введем в канал
y подвеса низкочастотный периодический
сигнал, заставляющий поплавок совершать
принудительные движения от верхнего
упора к нижнему упору и наоборот. Как
видно из рис. 2, при движении в одном
направлении сила подвеса складывается
с силой остаточного веса,
а при движении в другом направлении вычитается.
Рис. 2
Так как полный
ход цапфы от упора до упора
мал (порядка 5 мкм), то можно считать
силу, создаваемую подвесом на всем
участке принудительного движения
постоянной, и в этом случае решение
уравнения (6) принимает вид
(7)
Пренебрегая
малой постоянной времени
,
запишем
(8)
На рис. 3
схематично показано принужденное
движение поплавка от нижнего упора к
верхнему за время
и в обратном направлении за время
.
Полный ход при этом равен
.
Рис. 3
Из (8) при соответствующих начальных условиях можно найти
(9)
Уравнения (9)
могут быть разрешены или относительно
,
или относительно
.
(10)
Методики
определения остаточного веса для
температуры при которой проводился
эксперимент (при известной температуре
балансировки подвижной системы) хорошо
известны. Следовательно, измеряя времена
и
,
можно вычислить
.
Вычисления
возможны также, если рассчитать силу
подвеса
.
Так, для импульсного электростатического
подвеса с опорным напряжением на
электродах
,
измерения
через
остаточную неплавучесть при
,
дали результат,
А вычисления через силу подвеса показали
При измерениях демпфирования по оси x (не весовая ось) при
,
что дает хорошее совпадение результатов.
Измерения, проведенные для осевого канала z, при выставке оси z как весовой, показали
Если же ось z
не весовая, то
Для нахождения
углового демпфирования ось подвеса z
устанавливается в вертикальное положение
и к поплавку прикладывается знакопеременный
принуждающий электростатический момент.
Здесь, так же как и в предыдущем случае,
устанавливается разность интервалов
времени
и
,
причем в интервале
момент электростатических сил складывается
с моментом маятника, а в интервале
их
величины вычитаются
где
и
- момент маятника и угловой люфт цапфы
поплавка.
Переходные процессы, вычисленные по уравнениям движения с учетом демпфирований, определенных по вышеприведенной методике, с хорошей степенью точности (порядка 10%) совпадают с экспериментальными результатами. Это позволяет сделать вывод о возможности и правомерности применения данной методики при исследовании динамики поплавковых приборов.
Список литературы
1. Никитин Е. А., Пилюгина Н. Н. Гидродинамические силы и моменты, действующие на поплавок при его движении относительно поплавковой камеры. Труды МВТУ им. Н. Э. Баумана. – 1982. - № 372.-С. 4-25.
2. Васюков С. А., Грибова С. Н., Дробышев Г. Ф. Наклономер с электростатическими опорами. Труды МВТУ им. Н. Э. Баумана. – 1985. - № 485.-С. 82.
3. Анциферов С. А., Могилевич Л. И. Гидродинамические силы, действующие на поплавок маятникового акселерометра при несимметричном истечении жидкости. Авиакосмическое приборостроение.-2003.-№11.-С.19-26.
Для подготовки данной применялись материалы сети Интернет из общего доступа