Автореферат (1090421), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Такое нарушение может воз-11никать из-за разности ТКЛР соединяемых деталей, даже если они были изготовлены из материала одной марки.Эта проблема весьма актуальна для лазерной гироскопии, поскольку основным конструкционным материалом для датчиков ЛГ служит оптический ситалл СО-115М – материал снеоднородными свойствами. Его среднее значение ТКЛР отличается весьма заметно от партии к партии и лежит в интервале от 0,02·10-7 до 5,08·10-7 1/°С в для интересующего нас диапазона температур от 20°С до 180°С.Для оценки допустимой разницы ТКЛР соединяемых деталей, например, плоских зеркал (h1 = 4 мм, d1 = 30 мм, d2 = 18 мм, d3 = 50 мм), по условию прочности отрыва построенаупрощенная модель, схема которой показана на рис. 3.Рис. 3.
Упрощенная модель соединения «зеркало – корпус» методом ОК.Была рассчитана допустимая прочность соединения в зависимости от разности ТКЛРсопрягаемых деталей (рис. 4).Рис. 4. Зависимость допустимой прочности ОК отразности ТКЛР соединяемых деталей.12Из приведенного графика видно, что минимальная прочность ОК для ситаллаСО-115М (≈ 0,6 МПа), полученная в результате проведенных экспериментов, является достаточной для обеспечения надежного соединения при разности в ТКЛР соединяемых деталей,равной 3,5·10-7 1/°С.
Но при наибольшей зарегистрированной нами разнице в ТКЛР 5,08·10-71/°С прочность ОК недостаточна, поэтому для создания надежного соединения необходимоувеличивать ее величину.Для ситалла Clearceram из различных партийвследствие малой разницы в ТКЛР-7(< 1,0·10 1/°С) необходимая прочность сборки составляет 0,2 МПа.
Этот фактор, а такжезарегистрированное нами увеличение прочности соединения в случае использованияClearceram по сравнению с ситаллом СО-115М ≈ на 35 % позволили полностью избежатьнарушения соединений на операции термовакуумной обработки: процент выхода годных резонаторов ЛГ на этой операции достиг 100 %.В третьей главе рассмотрено температурное расширение конструкционного материаларазличных марок, используемого при изготовлении лазерного гироскопа, и его влияние наизменение оптического периметра кольцевого лазера. Предложен эффективный способ компенсации теплового изменения оптического периметра лазерного гироскопа во всем интервале рабочих температур (минус 60 ...
90°С).В результате проведенных нами исследований ситалла СО-115М (13 различных партий) был установлен диапазон возможных значений интересующего нас параметра. Результаты исследований представлены на рис. 5.Рис. 5. Диапазон возможных значений ТКЛР ситалла СО-115М.13Отметим, что все исследованные нами температурные зависимости лежат в показанномна рис. 5 интервале, эквидистантно кривым, обозначающим границы интервала. Результатполностью согласуется с исследованиями, проводимыми в работах [5, 6], где указано, чтодля ситаллов литиевоалюмосиликатной системы, к каким относится ситалл СО-115М, зависимость dL (а, следовательно, и α) от температуры можно представить кривой одного вида,перемещаемой вдоль оси абсцисс при колебаниях состава и режима термообработки.Важная для ОК разность ТКЛР в температурном интервале от 20 до 180°С для крайнихслучаев составляет 5,06·10-7 1/°С. Как показали расчеты методом конечных элементов, например, для плоских зеркал (Ø30 мм, h = 4 мм) такая разница будет допустимой при прочности ОК оптических деталей ЛГ ≥ 0,85 МПа.Кроме того, такой большой диапазон возможных значений точки изменения знакаТКЛР материала (от минус 60 до 80°С) негативно влияет на время непрерывной работы ЛГ.Нами также исследовалось влияние на ТКЛР ситалла наличия в материале напряжений,напряженных свилей, а также цветовой интенсивности материала.
В результате проведеннойработы, в которой были также учтены статистические данные прохождения технологическихопераций различными резонаторами, было установлено, что все вышеперечисленные факторы лишь незначительно влияют на величину ТКЛР.Тем не менее, непостоянство параметров от партии к партии используемого в настоящее время ситалла СО-115М, сравнительно большое значение ТКЛР, его аномальное поведение в интервале рабочих температур ЛГ и наличие свилей, недопустимых при изготовлении плоских зеркал, определили необходимость поиска нового конструкционного материаладля производства лазерных гироскопов.Помимо ключевой характеристики стеклокерамических материалов - ТКЛР, оценивалась также величина газопроницаемости, микротвердости, химической стойкости, пропускания и др.
В результате анализа рынка предлагаемых материалов нами был выбран стеклокристаллический материал Clearceram-Z Regular, производимый фирмой OHARA (Япония).Далее на рис. 6 представлены графики изменения длины оптического периметра лазерного гироскопа, изготовленного из исследуемых материалов. Видно, что максимальное изменение периметра для ситалла СО-115М в рабочем интервале температур ЛГ составило ≈3,3 мкм, в то же время для ситалла Clearceram подобное приращение периметра составило ≈2,5 мкм. Отметим, что использовался график температурной зависимости ТКЛР для усредненного ситалла, согласующийся с данными [6].Помимо этого, изменение периметра в случае использования японского материала происходит практически линейно, что дает возможность создать эффективную пассивную ком14пенсацию тепловых приращений периметра с целью увеличения времени непрерывной работы датчика.Рис. 6.
Зависимости изменения длины периметра резонатора dL от температуры:1 - ситалл СО-115М; 2 – Clearceram.Для такой пассивной компенсации помимо выбора материала с ультранизким ТКЛРмогут быть использованы сами пьезокорректирующие устройства. Например, в работе [7]было предложено использование дополнительного элемента, а именно, диска из материаласо сравнительно большим значением ТКЛР, закрепленного на одном из пьезокерамическихэлементов, для компенсации температурных изменений периметра резонатора лазерного гироскопа.
Такой способ позволяет приблизить параметры пьезокорректирующих устройств,исполнительными элементов которых являются блоки пьезоэлектрические, к идеальным.Схематично подобное решение представлено на рис. 7, а, б.б)а)Рис. 7. Направление хода блока пьезоэлектрического при нагревании:а – стандартная конструкция; б – конструкция с термокомпенсацией.После проведения теоретических изысканий нами было изготовлено несколько датчиков, в которых были реализованы идеи создания пассивной термокомпенсации.
Наиболее15ярко использование подобной компенсации тепловых изменений периметра иллюстрируюттемпературные зависимости напряжения, подаваемого системой регулировки периметра.На рис. 8 представлены зависимости управляющего напряжения для датчиков, изготовленных из ситалла Clearceram, с использованием стандартных и термокомпенсирующих блоков пьезоэлектрических.Рис. 8.
Температурная зависимость изменения управляющего напряжения:1 – для датчика с термокомпенсирующими блоками пьезоэлектрическими;2 – для датчика со стандартными блоками пьезоэлектрическими.Из графиков видно, что для датчика со стандартными блоками пьезоэлектрическимидля компенсации температурных приращений периметра ЛГ потребовалась величина управляющего напряжения ∆U=185 В, а для датчика с термокомпенсирующими блоками пьезоэлектрическими необходимая величина такого напряжения составила всего ∆U = 59 В. Такаякомпенсация оказалась возможной из-за практически линейного расширения периметра резонатора при использовании материала Clearceram.Это впервые позволило добиться режима работы датчика на одной моде во всем интервале рабочих температур. Результат говорит о том, что данный датчик может работать неограниченное время при любом изменении рабочих температур без потери информации о сигнале вращения.
В настоящее время этот материал рекомендован для использования на предприятии при изготовлении ЛГ.16Кроме того, на Лыткаринском заводе оптического стекла была поставлена и успешнозавершена работа с бюджетным финансированием по разработке нового стеклокристаллического материала, оптимального для задач современной лазерной гироскопии.Основные результаты работы1.Исследованы и определены параметры технологических процессов и характе-ристики сопрягаемых оптических поверхностей для обеспечения необходимой прочностиОК при изготовлении резонаторов ЛГ.2.При использовании ситалла Clearceram-Z Regular для производства оптическихдеталей ЛГ из-за малой разницы в ТКЛР материала из различных партий (< 1,0·10-7 1/°С) иувеличения прочности сборки (≈ на 30 %) процент выхода годных на операции термовакуумной обработки повысился ≈ на 20...40 % и составил 100 %.3.Сформированы требования к входному контролю ситалла по параметру свиль-ности.
Показано, что использование материала, обладающего параллельными свилями с напряжениями до 12 нм/см, является допустимым при производстве оптических элементов ЛГ.4.Установлены верхние допустимые значения температуры отжига для снятиявнутренних напряжений для основного конструкционного материала лазерного гироскопа:для ситалла СО-115М такая температура составляет 700°С, для перспективного ситаллаClearceram-Z Regular - 800°С.5.Для резонатора, изготовленного из ситалла Clearceram-Z Regular, впервые дос-тигнута работа лазерного гироскопа на одной моде в интервале температур от минус 60 до90°С без переключения на соседнюю моду генерации.6.Проведены успешные типовые испытания альтернативного материала для про-изводства лазерных гироскопов - ситалла Clearceram-Z Regular. Новый материал рекомендован к использованию в лазерных гироскопах в качестве конструкционного.7.С целью создания материала, наилучшим образом удовлетворяющего требова-ниям лазерной гироскопии и не уступающего по своим свойствам зарубежным аналогам, наЛыткаринском заводе оптического стекла была поставлена и успешно выполнена ОКР сбюджетным финансированием.Список цитированной литературы1.Привалов В.Е.
Газоразрядные лазеры в судостроительных измерительных ком-плексах // Изд-во «Судостроение». Л. 1977. 152 с.2.Barbour N.M. Inertial Navigation Sensors // Advances in Navigation Sensors and In-tegration Technology. 2004. P.2-1 – 2-22.173.Белов А.В., Соловьева Т.И. Инновационные прикладная магистерская про-грамма «Интеллектуальные лазерные навигационные системы» в МИЭМ НИУ ВШЭ дляподготовки специалистов для обновляемых отечественных высокотехнологичных предприятий // Сетевой электронный научный журнал "Системотехника". 2012.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
