Кардашинский-Брауде Л.А. - Повышение динамической устойчивости показаний судовых магнитных компасов при горизонтальных ускорениях

Опубликовано 22 Сентября 2002 года в 02:03:45
Просмотров: 2938

Магнитные компасы должны измерять и индицировать курс судна с заданной точностью при воздействии на них значительных ускорений, вызванных судовыми вибрациями, качкой, а также изменениями скорости движения судна [1].

Вопросы уменьшения погрешностей компасов при качке рассмотрены в работах [2, 5, 6], при вибрации – в [3, 4].

Однако, устойчивость азимутального положения чувствительных магнитных элементов (МЧЭ) при воздействии на них горизонтальных ускорений нарушается также при изменениях скорости и ударах корпуса судна о волны или лед.

Вопросы уменьшения погрешности компасов при указанных воздействиях в отечественной литературе не рассматривались.

Ниже предлагается метод, повышающий динамическую устойчивость МЧЭ при воздействии горизонтальных ускорений, а также анализируется предложение, впервые изложенное в работе [7].

Рассмотрим схему расположения сил, действующих на МЧЭ в статических условиях, изображенную на Рис.1.

На Рис.1 обозначены:
qQ - сила вытеснения МЧЭ жидкостью;
(q – ускорение силы тяжести;
Q – масса жидкости в объеме, равном объему МЧЭ);
Zп – координата положения центра плавучести относительно точки опоры МЧЭ 0;
Zм – координата положения центра массы МЧЭ относительно 0;
Н – горизонтальная составляющая индукции магнитного поля Земли;
qP – вес МЧЭ в воздухе (Р масса МЧЭ);
М – магнитный момент кольцевого магнита или магнитной системы МЧЭ.

Вес МЧЭ в жидкости Рж определяется по закону Архимеда формулой
Рж = q (P – Q) = q (P - Vrж), (1)
где V – объем жидкости, вытесняемый МЧЭ;
rж - плотность жидкости.

Заметим, что при расчете МЧЭ значения Р и V выбирают такими, чтобы значение Рж было не менее 5Ч10-3 Н при максимальной плотности жидкости, соответствующей минимальной температуре окружающей среды. Указанная сила приложена к МЧЭ в точке 0 и обеспечивает отсутствие зазора между лункой подпятника и сферой острия керна опорного устройства МЧЭ.

Рассмотрим далее схему расположения сил, действующих на МЧЭ при горизонтальном ускорении а. В первом приближении будем считать котелок неподвижным, поскольку его наклон на угол, равны arctg a/q; при отношениях не сказывается на положении МЧЭ. Схема изображена на Рис.2.

Будем принимать, в первом приближении, значение а постоянным, тогда сопротивлением жидкости перемещению МЧЭ можно пренебречь.

Составим уравнение равновесия МЧЭ, учитывая равенство кренящих и восстанавливающих моментов:
аQZпCosa + MZCosa = -aPZмCosa + MHSina +q (PZм – QZп)Sina (2)

Преобразуем (2)
[a(QZп + РZм) + МZ] Сosa = [q(PZм – QZп) + МН] Sina (3)

Из (3)
tg a=a=a(QZп+PZм)/q(PZм-QZп)+MH (4)

Наклон a МЧЭ вызывает появление проекции DН вертикальной составляющей индукции Z на плоскость кольцевого магнита или магнитной системы МЧЭ
DН = ZSinaSinK, (5)
где К – магнитный курс.

Вследствие этого, возникает погрешность измерения и индикации курса DК, в предельном случае равная
DK=arctg Zsina/H , (6)

Выполним расчет значения DК при следующих условиях и ориентировочных значениях параметров МЧЭ (компаса КМ 115):
а = 1 мЧс-2;
q = 9,8 мЧс-2;
Р = 6Ч10-2 кг;
Q = 5,5Ч10-2 кг;
Zм = 10-2 м;
Zп = -10-2 м;
Н = 10Ч10-6 Тл; Z = 50Ч10-6 Тл (условия Баренцева моря);
М = 2АЧм2 = 2HM/Tл.

После подстановки указанных значений в (4), получим
tga = 0,0133, a = 0,8°.

По (6) DК = 3,8°

Реальное значение DК меньше рассчитанного вследствие ограниченного времени действия ускорения при изменении скорости. Тем не менее, вполне рациональным предложением, направленным на уменьшение DК, является реализация в конструкции МЧЭ равенства
QZп – PZм = 0, (7)

Для реализации этого равенства необходимо на основании детального расчета значений Q, P и Zп получить значение Zм уточнить размещение в МЧЭ кольцевого магнита по высоте (по ориентировочным данным Zм должно быть не 10-2 м, а 9Ч10-3 м, т.е. на 1 мм выше, чем сейчас).

Другим предложением, изложенным в работе (7), применительно к минимизации погрешности МЧЭ при воздействии качки, является горизонтирование МЧЭ при размагниченном состоянии кольцевого магнита. В настоящее время по действующей конструкторской документации МЧЭ горизонтируют с допуском ±1° путем перемещения его центра массы от вертикали для компенсации асимметрии объема вытесняемой жидкости и кренящего момента МZ с помощью грузика на основании МЧЭ. Масса грузика вызывает появление DК как при качке и вибрации, так и при линейных горизонтальных ускорениях. При реализации указанного выше равенства (7) и намагничивания магнита после горизонтирования МЧЭ значение приращения угла a в условиях Баренцева моря Da будет:
Da = arctg 0,009 = 0,5°

В тех же условиях DК = 2,5о и в соответствии с (5), эта погрешность войдет в полукруговую девиацию и будет уничтожена вместе с ней.

Выводы

Для минимизации погрешности измерения и индикации магнитного курса при воздействии на компас горизонтальных ускорений следует:

  1. Реализовать в конструкции МЧЭ равенство (7)
  2. Реализовать в конструкторской документации и в производстве предложение, состоящее в горизонтировании МЧЭ при размагниченном магните и последующем его намагничивании

Литература

  1. Правила оборудования судов Морского Регистра судоходства РФ, Санкт-Петербург, 1999 г
  2. Кардашинский-Брауде Л.А. Современные судовые магнитные компасы, Санкт-Петербург, ЦНИИ "Электроприбор", 1999 г.
  3. Рыбалтовский Н.Ю. Магнитно-компасное дело, Москва, Водтрансиздат, 1952 г.
  4. Дегтерев Н.Д. Стрелочные магнитные компасы. Ленинград, ЦНИИ "Румб", 1986 г.
  5. Терехов И.Н. Основы динамики картушки магнитного компаса. Л, В "Записках по гидрографии № 3, 1939 г.
  6. Кардашинский-Брауде Л.А. Динамически устойчивая картушка морского магнитного компаса, Ленинград, ЛВИМУ, Сб. Судостроение, 1967 г.
  7. Крылов А.Н. О возмущениях показаний компасов, происходящих при качке корабля на волнении, Москва, Изд. АН СССР, в кн. Избранные труды академика А.Н.Крылова, 1950 г.
  8. Приложение

    Схема расположения сил, действующих на МЧЭ в статических условиях
    Рисунок 1

    Схема расположения сил, действующих на МЧЭ при горизонтальном ускорении а
    Рисунок 2