ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 185
Скачиваний: 2
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
УДК 629.12.053—83(075.3)
Электронавигационные приборы. Изд. 3-е. Н е ч а е в П. А., К у д р е в и ч Н. Б. Изд-во «Транспорт» 1974, стр. 1—400.
Третье издание учебника подготовлено в соответствии с програм мой курса «Электронавигационные приборы» для судоводительской специальности мореходных училищ Министерства морского флота.
В учебнике изложены элементы теории, конструкции и правила эксплуатации современных гирокомпасов, гидродинамических ла гов и эхолотов, использующихся на судах Министерства морского флота.
При подготовке учебника материал предыдущего издания (1965 г.) значительно переработан и дополнен новыми данными, отражающими существенные изменения, которые произошли за этот период в области морского приборостроения и оснащения судов морского флота электронавигационными приборами.
Помимо основного назначения, книга может быть использована в качестве пособия для самостоятельного изучения теории и прак тики электронавигационных приборов учащимися заочных отделе ний, а также штурманским составом и радиоспециалистами судов морского и рыбопромыслового флотов.
Рис. 217, табл. 16, библ. 14.
Введение и первая часть учебника написаны П. А. Нечаевым, вторая и третья — Н. Б. Кудревич, глава V — В. Я. Ходыревым.
4? |
\ |
Гоп. |
п бличкпя |
| |
|
иаччио-тс, :;и-| ►;кая |
| |
||||
бпблио |
ена |
■ Р |
|
ЭКЗЕМПЛЯР
ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА
14- Ж ! о
31806-277
Ы049/01/—74 277—74
©Издательство «Транспорт» 1974 г., с изменениями и дополнениями
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.
Г и д р а в л и ч е с к и е |
и и н д у к ц и о н н ы е л а г и |
слу |
жат для измерения скорости судна и пройденного расстояния. |
|
|
Забортные вертушечные |
лаги, используемые в настоящее |
время |
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
Большие заслуги в деле разработки и внедрения на морском флоте электронавигационных приборов принадлежат замечательному ученому академику А. Н. Крылову, заслуженному деятелю науки и техники профессору Б. И. Кудревичу, доктору технических наук В. Н. Тюлину и другим советским ученым, имена которых тесно связаны с ис торией отечественного морского приборостроения.
Поставив в качестве главной задачи девятой пятилетки значитель ный подъем благосостояния советского народа, XXIV съезд КПСС указал, что эта задача должна решаться путем повышения эффектив ности общественного производства, его последовательной интенсифи кации на основе достижений современной научно-технической револю ции. Важные задачи поставлены и перед морским флотом. Только в де вятой пятилетке его грузооборот возрастет на 40%, что будет достиг нуто не только за счет увеличения тоннажа флота, но и за счет роста производительности труда во всех звеньях морского транспорта.
В связи с этим перед штурманским составом судов стоит важная задача — освоить и грамотно, с максимальной эффективностью, экс плуатировать технические средства судовождения, содействуя таким образом успешному решению поставленных перед морским флотом задач.
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.
Цапфы |
внутреннего кольца входят в подшипники вертикального |
|
кольца 2, |
определяя г о р и з о н т а л ь н у ю о с ь г и р о с к о п а |
|
(ось Y — Y). Вокруг этой оси ротор гироскопа может поворачиваться |
||
вместе с внутренним кольцом. |
|
|
Цапфы |
вертикального кольца входят |
в подшипники наружного |
кольца 4, |
укрепленного на подставке 5. |
В наружном кольце ротор |
гироскопа может поворачиваться вместе с внутренним и вертикальным
кольцами вокруг в е р т и к а л ь н о й |
о с и (ось Z — Z). |
называемой |
|
Все три оси гироскопа пересекаются в одной |
точке, |
||
т о ч к о й п о д в е с а р о т о р а |
гироскопа, |
причем |
ось Y — Y |
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
вокруг трех осей, то он называется г и р о с к о п о м |
с т р е м я с т е |
|||||||||||||
п е н я м и |
с в о б о д ы . |
Если лишить гироскоп возможности повора |
||||||||||||
чиваться вокруг одной |
из осей Y — Y или Z — Z, то г и р о с к о п |
|||||||||||||
б у д е т |
с |
д в у м я |
с т е п е н я м и |
с в о б о д ы . |
Такой гироскоп |
|||||||||
называют также |
с в я з а н н ы м |
|
|
|
|
|||||||||
г и р о с к о п о м . |
Лишив |
гироскоп |
|
|
|
|
||||||||
возможности |
поворачиваться |
во |
|
|
|
|
||||||||
круг обеих |
осей |
У — Y и Z — Z, |
|
|
|
|
||||||||
получим г и р о с к о п |
с о д н о й |
|
|
|
|
|||||||||
с т е п е н ь ю с в о б о д ы . |
|
|
|
|
|
|||||||||
Гироскоп |
с |
тремя |
степенями |
|
|
|
|
|||||||
свободы, центр тяжести которого |
|
|
|
|
||||||||||
совмещен с точкой |
подвеса, назы |
|
|
|
|
|||||||||
вается |
уравновешенным |
гироско |
|
|
|
|
||||||||
пом. |
Ротор |
|
уравновешенного |
ги |
|
|
|
|
||||||
роскопа |
находится |
в |
|
состоянии |
|
|
|
|
||||||
безразличного равновесия при лю |
|
|
|
|
||||||||||
бом |
положении |
его главной |
оси, |
|
|
|
|
|||||||
так |
как |
в этом случае сила тяже |
|
|
|
|
||||||||
сти |
гироскопа |
уравновешивается |
|
|
|
|
||||||||
реакцией опоры. |
|
|
|
компасах |
|
|
|
|
||||||
В |
гироскопических |
|
Рис. |
Лабораторный |
гироскоп: |
|||||||||
гироскоп заключают в специаль |
||||||||||||||
- ротор; |
2 — вертикальное |
кольцо; 3 - |
||||||||||||
ную |
камеру, |
которая |
выполняет внутреннее |
кольцо; |
4 — наружное кольцо; |
|||||||||
роль внутреннего кольца лабора |
|
5 — подставка |
|
|||||||||||
торного гироскопа. Эта камера |
к а м е р о й (гирокамерой). |
|||||||||||||
называется |
г и р о с к о п и ч е с к о й |
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
Рис. 2. Вектор угловой скорости |
Z — Z, то Q будет изменять и свою |
|
ротора |
длину, и свое направление |
в про |
|
странстве. Чтобы и в этом |
случае |
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
- d f = v ’ |
|
|
dQ |
— |
t. |
где символом — обозначена производная |
вектора Q по времени |
|
dt |
|
|
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