УДК 622 - Горный

Министерство образования Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В.Плеханова
(технический университет)
В.А.ГОЛОВАНОВ
ГИРОСКОПИЧЕСКОЕ
ОРИЕНТИРОВАНИЕ
Допущено Учебно-методическим объединением
вузов Российской Федерации по образованию
в области горного дела в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по специальности «Маркшейдерское дело»
направления подготовки дипломированных специалистов
«Горное дело»
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2004
1
УДК 622.1:528.022.62 + 528.526 (075.80)
ББК 33.12
Г61
В учебном пособии рассмотрены вопросы, касающиеся устройства и
принципа действия маркшейдерских гирокомпасов. Представлена краткая история
развития гироскопических приборов. Приведена методика работы с гирокомпасами
МВТ2 и МВГ1 по определению дирекционных углов сторон маркшейдерской сети.
Даны все необходимые допуски, приведены примеры заполнения журналов гироскопического ориентирования. Изложена методика проведения необходимых регламентных работ с маркшейдерскими гирокомпасами. Дано краткое описание гироскопических приборов фирмы «WILD»
Учебное пособие предназначено для студентов специальности 090100
«Маркшейдерское дело» и слушателей факультета повышения квалификации. Оно
может быть также полезно для практической деятельности маркшейдеров горных
предприятий, занимающихся гироскопическим ориентированием.
Рецензенты: кафедра маркшейдерского дела Уральской государственной
горно-геологической академии, г.Екатеринбург; зав. лабораторией гироскопического ориентирования ВНИМИ к.т.н. Ю.С. Луковатый
Голованов В.А.
Г61. Гироскопическое ориентирование: Учеб. пособие / В.А. Голованов.
Санкт-Петербургский государственный горный институт. СПб, 2004. 92 с.
ISBN 5-94211-227-4
УДК 622.1:528.022.62 + 528.526 (075.80)
ББК 33.12
ISBN 5-94211-227-4
2
 Санкт-Петербургский горный
институт им. Г.В.Плеханова, 2004 г.
Введение
Создание и внедрение в производство маркшейдерских гироскопических приборов для ориентирования сторон подземных
маркшейдерских сетей явилось важнейшим этапом развития маркшейдерского дела. Никакие другие методы и приборы не оказали
столь значительного влияния на совершенствование методики подземных маркшейдерских сетей, как гироскопическое ориентирование. Если XIX в. прошел под знаком внедрения в подземные
съемки теодолитов, то XX в. можно по праву считать эпохой гироскопических приборов.
Совершенствование технологии добычи полезных ископаемых, увеличение размеров шахтных полей и глубины разработки
требуют повышения точности и надежности построения плановой
подземной маркшейдерской опорной сети. Известно, что этого можно добиться двумя способами:
 увеличением точности угловых измерений;
 гироскопическим ориентированием отдельных сторон сети.
Внедрение в практику маркшейдерских работ малогабаритных гирокомпасов позволяет значительно повысить точность
планового положения пунктов подземной опорной сети и решить
проблему ориентирования горных выработок на глубоких горизонтах. Геометрическим ориентированием решить эту задачу для
стволов глубиной 800-2000 м при требуемой точности просто невозможно. Тем более что, согласно инструкции [5], геометрическое ориентирование через один вертикальный ствол может применяться для стволов глубиной до 500 м. Применение гироскопического ориентирования обязательно при вскрытии месторождений наклонными стволами [5].
3
Этой же инструкцией
установлено, что средняя квадратическая погрешность по3,0
ложения наиболее удаленных
пунктов опорной сети относиб
2,0
тельно исходных пунктов на
плане не должна превышать
0,4 мм. Для обеспечения укав
1,0
занной точности инструкция
г
требует производить гирокомпасом независимые определе0
1
2
3
4
5 L, км
ния дирекционных углов стоРис.1. Зависимость ошибки конечной точки
рон через 20-30 углов. Расповытянутого хода М от его длины L при: а – ложение и число гиросторон
отсутствии гироскопических определений;
часто определяют заранее,
б – гироскопическом ориентировании копри составлении проекта сонечной стороны; в – разделении хода на две
здания опорных сетей.
секции; г – гироскопических определениях
через 1 км
Зависимости ошибки М
конечной точки вытянутого
полигона от его длины L (рис.1) при различном расположении сторон свидетельствуют о высокой эффективности применения гироскопического ориентирования при создании подземных маркшейдерских сетей. В анализируемой сети принималась следующая точность измерений:
М, м
а
m = 20;  = 0,001;  = 0,00005; m = 20.
Разработка глубоких горизонтов на шахтах Донбасса выявила
ряд проблем. Так, при создании опорного обоснования в шахте контрольный угол и расстояния между исходными пунктами сохранялись,
а дирекционный угол при этом изменялся на 16-20'. Такая грубая
ошибка может привести к серьезным последствиям, а быстро обнаружить и исправить ее можно только гироскопическим ориентированием.
Осуществить сбойку Евротоннеля под проливом Ла-Манш
длиной 50 км без применения гирокомпасов было бы невозможно.
Еще несколько лет назад гироскопическое ориентирование
имело немаловажное значение и в геодезии. В частности, при по4
строении геодезических сетей на пунктах Лапласа вместо дорогостоящих астрономических наблюдений применяли гироскопическое
ориентирование.
Все вышеприведенные факты свидетельствуют о важности
применения гироскопического ориентирования, которое дает следующие преимущества:
 сокращается объем работ при создании опорных сетей, так
как гиростороны надежно контролируют угловые измерения и, благодаря этому, исключается необходимость прокладки повторных
(контрольных) ходов;
 снижается требование к точности измерения горизонтальных углов, что также повышает производительность труда при прокладке полигонометрических ходов;
 уменьшается влияние случайных ошибок угловых измерений, в результате чего значительно повышается точность планового
положения пунктов сети.
Основными производителями маркшейдерско-геодезических
гироскопических приборов в ХХ в. были Россия, Швейцария, Германия, Канада, Венгрия, Япония, Китай и др.
В нашей стране разработкой и изготовлением маркшейдерских
гироприборов занимаются лаборатория гироскопических приборов и
опытно-экспериментальный завод ВНИМИ (Санкт-Петербург). За более чем полувековую историю здесь была создана целая гамма
маркшейдерских гирокомпасов, начиная с жидкостного гирокомпаса
с электромагнитным центрированием М-1 (масса комплекта 500 кг)
и заканчивая МВГ1 (масса переносимого комплекта 25 кг).
Внедрению гироскопических приборов в практику маркшейдерско-геодезических измерений в значительной степени способствовали своими работами отечественные ученые В.Н. Лавров,
И.Б. Житомирский, Ю.С. Луковатый, В.М. Назаров, А.И. Макаров,
Н.Н. Воронков, Ф.А. Сумишин, П.А. Ильин,
В.В. Кутырев,
В.А. Синицын, В.Ю. Торочков, В.Г. Куммерман и др. Из зарубежных
ученых, внесших весомый вклад в теорию и практику гироскопического ориентирования, следует отметить М. Шулера, О. Релленсмана,
Ф. Халмоши, Г.Р. Швенденера, Д. Людерера, Ю. Меркеля, Ф. Пустаи,
К. Штира, К. Нейберта, А. Тарци-Хорноха и др.
5
1. КРАТКИЕ ИСТОРИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
О РАЗВИТИИ ГИРОСКОПИЧЕСКОГО
ОРИЕНТИРОВАНИЯ
Разработка и применение в геодезии и маркшейдерском деле
гироскопического метода ориентирования были бы невозможны без
создания гироскопических приборов, отвечающих требованиям геодезического и маркшейдерского производства. Суть этих требований обычно сводится к точности и времени однократного определения азимута, надежности и удобству прибора в эксплуатации. Современный гирокомпас представляет собой сложный прибор, и для
его создания потребовались многие десятилетия упорной работы.
Поэтому небезынтересно бросить взгляд назад и, хотя бы коротко,
проследить этот путь, тем более что многие сведения, связанные с
отдельными этапами развития гирокомпаса, помогут нам в дальнейшем понять принцип работы современных приборов гироскопического ориентирования.
Первые попытки создания подобных приборов были направлены на разработку гироскопического компаса, удовлетворяющего
требованиям маркшейдерского производства, где проблемы ориентирования подземных съемок стояли наиболее остро, при этом основное внимание уделялось достижению заданной точности прибора. Ограничение по времени определения азимута в первые годы
создания этих приборов не накладывалось.
Прототип современного гирокомпаса создан в Германии (запатентован в 1908 г.) и в США (Э. Сперри, патент 1911 г.). Правда,
это были гирокомпасы для кораблей. Но многие идеи и конструктивные решения, примененные в них, использовались на первых порах и в наземных приборах гироскопического ориентирования.
Конструктором первого наземного гирокомпаса является
немецкий ученый-механик Максимилиан Шулер – сотрудник фирмы
«Аншютц». В 1919-1921 годах эта фирма изготовила гирокомпас,
масса которого составила 350 кг, а время измерения одного азимута
– 6 ч. В 1924-1925 годах в Германии разрабатывается более совершенная модель прибора, известная под названием «гирокомпас Шулера – Лемана» [3].
6
В этом гирокомпасе
(рис.2), предназначенном для
маркшейдерских ориентировок,
была применена плавающая си6
стема подвески чувствительного
элемента (ЧЭ). На опорной плите установлена подковообразная
7
обойма 2, к которой прикреплен
5
сосуд 5 с ртутью (на рис.2 изображены только задняя половина
и верхнее сечение обоймы). В
8
этом сосуде плавает полый шар,
к которому при помощи двух 4
обойм 7 подвешен кожух с ги3
ромотором. Плавающая система
центрируется
посредством
2
9
шпильки 6. Одна фаза тока подводится через эту же шпильку, 1
вторая – через сосуд с ртутью, а
Рис.2. Гирокомпас фирмы «Аншютц»
третья – через контактный
штифт 9. Все три фазы переда- 1 – опорная плита; 2 – нижняя подковообразная
ются от обойм 7 к кожуху гиро- обойма; 3 – зеркало ЧЭ; 4 – окно для наблюдения за ЧЭ; 5 – сосуд с ртутью; 6 – центрируюскопа через скользящие кон- щая шпилька; 7 – верхняя обойма; 8 – кожух
с гиромотором; 9 – контактный штифт
тактные щетки. Большая метацентрическая высота плавающей системы обеспечивает очень точное горизонтальное положение
оси гиромотора и небольшой период азимутальных колебаний. Для
отсчета показаний на кожухе укреплено зеркало 3. Для исключения
коллимационной ошибки, возникающей от неправильной юстировки
зеркала на оси фигуры, кожух вместе с гироскопом поворачивался
вокруг оси фигуры точно на 180. Весь прибор был заключен в воздухонепроницаемую камеру. Имеющееся в этой камере окно 4, которое также поворачивалось на 180, позволяло производить отсчет
показаний на зеркале.
Однако результат испытания как первой, так и второй модели не дали положительных результатов, что послужило причиной
7
временного прекращения исследований в этой области. Возобновили работы в тридцатые годы ХХ в., но направление исследований
изменилось коренным образом. Теперь они были направлены на
разработку артиллерийских приборов – гиробуссолей.
О необходимости создания маркшейдерского гирокомпаса
говорил русский ученый Д.В. Фрост в 1913 г. на Всероссийском
маркшейдерском съезде. Однако к практическому осуществлению
его предложения в нашей стране смогли приступить лишь в 30-х
годах ХХ в. В связи с созданием новых типов навигационных приборов – гироскопических компасов (гирокомпасов) – возникла острая необходимость подготовки высококвалифицированных специалистов как в области теории, так и в вопросах проектирования и
производства таких приборов. Однако таких специалистов в те годы
в вузах страны не готовили. Поэтому в 1934 г. рядом приборостроительных предприятий и организаций в ВСНХ было внесено предложение о подготовке в Ленинградском институте точной механики и
оптики (ЛИТМО) инженеров по специальности «Навигационные
приборы». Летом 1936 г. было принято решение об организации в
ЛИТМО на факультете точной механики двух новых кафедр: кафедры навигационных приборов и кафедры счетно-решающих
приборов. На этих кафедрах с 1936/37 учебного года началась подготовка инженеров по этим специальностям. В разработке профиля
кафедры навигационных приборов принимали участие видные
ученые и специалисты промышленности, в том числе академик
А.Н. Крылов, профессора Я.И. Кудревич, К.С. Ухов и многие другие. Профилирующими для кафедры были такие дисциплины, как
«Гироскопические приборы», «Приборы скорости и пройденного
пути», «Измерители глубины и высоты», «Прокладочные и астрономические инструменты». В 1940 г. кафедра уже выпустила
первую группу инженеров по навигационным приборам. Впоследствии сотрудники кафедры принимали активное участие в создании маркшейдерских гирокомпасов.
В 1932-1935 годах в Центральном научно-исследовательском
маркшейдерском бюро, позднее реорганизованном во Всесоюзный
научно-исследовательский маркшейдерский институт (ВНИМИ),
проводились поисковые исследования по маркшейдерской гироско8
пии. Этими работами руководил проф. И.М. Бахурин. В 1934 г. он
писал: «Усилия техники должны быть направлены к созданию более
портативных конструкций и увеличению точности отсчитывания по
жироскоп-компасу. … Промышленности и технике нашего Союза
совершенно необходимо разрешить поставленную задачу, так как
разрешение этой задачи увеличит точность маркшейдерских планов
и даст значительную экономию при производстве маркшейдерских
работ». Эти строки позволяют судить, насколько далеко предвидел
И.М. Бахурин значение гироскопического ориентирования в практике
маркшейдерских съемок. В 1936-1937 годах были созданы два макетных образца маркшейдерского гирокомпаса. Конструкция одного из
них была предложена В.Г. Бекком, другого – М.Л. Рудаковым. Однако
результаты испытаний макетов этих приборов не увенчались успехом.
В 1937 г. фирмой «Аншютц» была изготовлена первая модель артиллерийской буссоли [1]. В 1942-1943 годах фирмой «Крайзельгерэте» была создана другая модель – гиробуссоль «Ландкомпас». Обе эти модели не получили практического применения главным образом из-за низкой точности (ошибки в азимутах составляли
около 10') и малой надежности в работе.
Таким образом, предпринятые в предвоенные годы попытки
создать гироскопический компас, пригодный для маркшейдерскогеодезических целей, окончились неудачей. Объяснялось это главным образом недостаточным уровнем гироскопического приборостроения в те годы.
В первые 10 послевоенных лет усилия ученых и конструкторов
вновь были сосредоточены на создании маркшейдерских гирокомпасов. Причем, как и раньше, эти исследования велись лишь в нашей
стране и ФРГ. У нас эти работы были сосредоточены во ВНИМИ, в них
участвовали и специалисты ЛИТМО. Возглавляли и руководили исследованиями Б.И. Никифоров и В.Н. Лавров. Оба являлись выпускниками Ленинградского горного института по специальности «Маркшейдерское дело». Научным руководителем работы был заведующий лабораторией навигационных приборов ЛИТМО проф. П.А. Ильин. В ФРГ

Бахурин И.М. Задачи, стоящие перед маркшейдерским делом // Зап. ЛГИ.
1934. Т.7. С.89.
9
аналогичные изыскания проводились в Кляустальской горной академии под руководством проф. О. Релленсмана (Rellensmann).
В 1950 г. ВНИМИ закончил разработку и испытал в производственных условиях маркшейдерский гирокомпас М-1. Примерно
к этому времени в ФРГ был создан образец подобного прибора –
указатель меридиана MW1 (Meridian Weiser). В основу конструкции
обоих приборов были положены однотипные навигационные судовые гирокомпасы «Курс» и «Аншютц». Поэтому гирокомпасы М-1 и
MW1 имели между собой много общего, хотя работы проводились
независимо друг от друга. Созданием этих первых действующих образцов маркшейдерских гирокомпасов по существу было открыто
новое направление в гироскопическом приборостроении, а производственное применение гирокомпаса М-1 в маркшейдерском деле
явилось началом практического использования в геодезии и маркшейдерском деле метода гироскопического ориентирования.
С помощью М-1 было выполнено более 50 ориентировок.
Силами специальных бригад ВНИМИ и «Союзмаркштреста» началось гироскопическое ориентирование шахт в Донбассе, Кривом
Роге и Кузбассе. Это имело важное значение для завоевания доверия
и признания нового способа. За создание маркшейдерского гирокомпаса М-1 коллектив сотрудников ВНИМИ и ЛИТМО получили
Государственную премию СССР.
Совершенствуя гирокомпас М-1, ВНИМИ в 1952-1954 годах
создал и испытал несколько новых моделей, две из которых (М-3 и
МУГ-2) нашли производственное применение (табл.1). В 1952-1957 годах
с помощью гирокомпасов было выполнено более 500 ориентировок,
в процессе проведения которых выявлены ошибки от 5' до 1° в ориентировках некоторых шахт, произведенных ранее геометрическим
способом. В ФРГ к этому времени также было изготовлено несколько усовершенствованных моделей меридианоуказателя. Практическое применение получила модель MW2B.
Первые производственные работы подтвердили достаточную
точность (1-2') и перспективность применения гирокомпасов в маркшейдерском деле. Вместе с тем они вскрыли крупные недостатки
приборов, сконструированных на базе гироузлов от судовых гирокомпасов, в первую очередь, это громоздкость и большая потребляемая
10
Таблица 1
Основные технические характеристики первых маркшейдерских
гирокомпасов
Модель гирокомпаса и год разработки
Показатель
М-3
1954
МУГ-2
1953
МГ
1956
МВ1
1957
МВ2
1963
Кинетический момент гирокомпаса, кгм2/с
11,0
3,0
0,37
2,5
1,1
Направляющий момент гирокомпаса (на широте 60), г/см
4,2
1,1
0,13
1,0
–
Частота вращения ротора,
об/мин.
20000
30000
22000
22800
22000
Период колебаний (на широте 60) мин.
30
29
18
15
15
Точность ориентирования
(среднее значение)
115
130
200
045
035
Продолжительность работ
на точке установки, ч
5
4-4,5
1
1
1
Форма ЧЭ
Сферическая
Цилиндрическая
Электромагнитный
На шпиле
Способ центрирования ЧЭ
Подвес ЧЭ
Жидкостный
Масса основного прибора
(без футляра), кг
Масса комплекта, кг
65
32
10
26
–
500
250
30
166
175
Масса аккумуляторной батареи, кг
–
–
50
67
–
______________________
*Масса
с платформой.
мощность. Например, масса комплекта гирокомпаса М-3 – около
500 кг, а комплекта меридианоуказателя MW2BB – 650 кг.
На этом закончился первый этап создания гироскопических
приборов. Последующие работы СССР и ФРГ по созданию маркшейдерских гирокомпасов велись в разных направлениях.
Разработки ВНИМИ были направлены на создание малогабаритных и взрывобезопасных жидкостных гирокомпасов, пригод11
ных для работы в шахтах, опасных по газу и пыли. В 1956 г. был создан маркшейдерский гирокомпас совершенно нового типа МГ (малый горный) с массой основного прибора всего лишь 10 кг. Чувствительный элемент гирокомпаса МГ имел цилиндрическую форму
и центрировался на шпиле. Он был погружен в жидкость, через которую к нему подводился электрический ток. Эта модель явилась
основой для создания более совершенных гирокомпасов. В 1957 г.
ВНИМИ завершил разработку первой модели прибора во взрывобезопасном исполнении – маркшейдерский гирокомпас МВ1 (затем
– МВ2). По такой же схеме был разработан и переносной взрывобезопасный маркшейдерский гирокомпас МВ2М с полупроводниковым
преобразователем.
В Кляустальской горной академии в то же самое время начались работы по созданию гирокомпасов с торсионным подвесом ЧЭ.
Этот тип гирокомпасов оказался перспективным, так как обеспечивал более высокие точность и производительность определения гироскопических азимутов при меньших массе, габаритах и потреблении энергии. В 1957 г. была завершена разработка первой модели
маркшейдерского гирокомпаса с торсионным подвесом MW4. В
1958 г. фирмой «Феннель» выпущен торсионный гиротеодолит КТ-1
(Kreiseltheodolit), а в дальнейшем усовершенствованные модели КТ-2,
MW10, MW7, MW50, MW77 и гиронасадки TK-4, TK-5 [1].
В нашей стране первый торсионный гирокомпас МТ1 был
создан в 1963 г., что способствовало достижению более высокой
точности определения гироазимутов. В 1967 г. завершились работы
над малогабаритным гирокомпасом МВТ2, представляющим собой
первый образец взрывобезопасного маркшейдерского гирокомпаса с
торсионным подвесом чувствительного элемента. Прибор прошел
государственные испытания и был рекомендован для серийного
производства. Впоследствии он выпускался более двух десятков лет
и стал самым массовым маркшейдерским гирокомпасом.
Продолжая совершенствование переносных гирокомпасов с
торсионным подвесом, ученые создали гирокомпас МВТ4 (1970 г.) и
гиробуссоль МВБ4 (1975 г.), в которых впервые в отечественных
приборах гироскопического ориентирования все необходимые для
работы блоки (гироблок, измерительный блок и блок питания) были
12
объединены в одном приборе. В качестве измерительного блока в
гирокомпасе МВТ4, как и во всех предшествующих приборах, использован серийный теодолит с автоколлимационной трубой, в гиробуссоли МВБ4 – специальное оптико-механическое отсчетновизирное устройство, состоящее из многогранной зеркальной призмы на чувствительном элементе и двухканальной зрительной трубы,
имеющей общий окуляр и сетку нитей. Автоколлимационный канал
трубы используется для наблюдений свободных и прецессионных
колебаний, визирный – для примыкания к стороне.
Положительный опыт разработки и практического применения первых маркшейдерских гирокомпасов в СССР и ФРГ привлек к
этим исследованиям внимание широкого круга специалистов геодезического производства. В 1959 г. на базе маркшейдерского гирокомпаса МГ в нашей стране создается первый образец надежно действующего наземного артиллерийского гирокомпаса, получившего
шифр АГ, и налаживается его серийное производство. В этом же году
на основе маркшейдерского гирокомпаса МВ1 разработана первая
модель геодезического гирокомпаса – гиротеодолит ГТ-1. В отличие
от маркшейдерских гирокомпасов, гиротеодолит ГТ-1 и гирокомпас
АГ позволяли определять азимуты в широком диапазоне температур
окружающего воздуха с точностью соответственно 0,5 и 1′. Выпуск
малой серии гиротеодолитов ГТ-1, их всесторонние исследования и
испытания в сложных полевых условиях позволили отработать основы принятой сейчас методики гироскопического ориентирования.
Были более полно обоснованы тактико-технические требования к
конструкции гиротеодолитов, предназначенных для инженерногеодезического производства. На основе этих требований, в частности, велось конструирование гиротеодолита ГТ-2, а также гиротеодолитов в Венгрии.
Разработка гиротеодолитов в Венгрии и организация их серийного производства на Венгерском оптико-механическом комбинате (МОМ) в г. Будапеште были выполнены при поддержке и помощи наших специалистов. В 1962 г. здесь в короткий срок была
создана одна из лучших для того времени моделей – гиротеодолит
Gi-B1 и с 1963 г. организовано серийное производство этого прибора. В 1965 г. были разработаны новые модели: гиронасадки Gi-C1,
13
Gi-C2 и гирокомпас Gi-B2, в конструкции которых учтены многие
предложения наших специалистов, сделанные ими на основании результатов всесторонних испытаний опытных образцов этих приборов, а также производственного применения гиротеодолита Gi-B1.
На базе гиротеодолита Gi-B2 в 1973 г. был сконструирован гиротеодолит Gi-B21, имеющий автоматическую фиксацию и высвечивающий на световом табло результаты измерений, а в 1978 г. – гиротеодолит Gi-B2М.
Из других стран, освоивших выпуск гиротеодолитов, следует
выделить ГДР, где в 1963 г. Народным предприятием точной механики совместно с Фрайбергской горной академией был сконструирован маркшейдерский гирокомпас, названный гироскопическим
указателем меридиана МRК1. В дальнейшем предприятие выпустило усовершенствованную модель – указатель меридиана МRК2.
Разработка гиротеодолитов в ведущих капиталистических
странах во многом базировалась на опыте в этой области ФРГ. Фирма «Аншютц» создала артиллерийский гирокомпас, модель которого
«Girolit II» нашла применение в армиях некоторых западно-европейских стран. Фирма «Бодензееверк» сконструировала в 1973 г. быстродействующий маятниковый меридианоуказатель МК-10 (Meridiankreisel). Направление на север определяется по электрическому сигналу, вырабатываемому датчиком моментов и пропорциональному
отклонению оси гироскопа от плоскости меридиана. Фирма
«Тельдикс» 1974 г. сконструировала автоматический гирокомпас
NSK (North Suchen Kreisel), названный искателем севера. В качестве датчика направления плоскости меридиана здесь использован двухстепенный гироскоп в газостатическом подвесе. Вертикализация прибора осуществляется автоматически с помощью
маятникового датчика.
В 1958-1960 годах отделения фирмы «Лир-Сиглер» в США и
ФРГ сконструировали гиротеодолит, названный искателем севера
(North seeking gyroscope). Одна из его моделей известна под шифром
Lear LМК 604. В последующие годы фирма «Лир-Сиглер» продолжала работать над совершенствованием гироориентатора типа
«Эйбл» в соответствии с требованиями полевой артиллерии армии
США. Первый образец такого прибора («Able Miniatur») был изго14
товлен в середине 60-х годов, однако он не удовлетворял требованиям войск. Разработка второго поколения таких приборов была завершена в 1969 г. созданием легкого геодезического гиротеодолита,
получившего название «Алинэ». Испытания этого гиротеодолита
закончились в 1972 г., а с 1977 г. началось серийное производство.
Точность прибора ±25. Разрабатываются гиротеодолиты с точностью ±5 и прибор, объединяющий искатель меридиана и лазерный
дальномер.
В середине 60-х годов английской фирмой «Инглиш электрик авиэйшн» разработан гирокомпас PIM, принятый на вооружение в английской армии. Затем был разработан «Mini PIM». В качестве датчика направления меридиана используется двухстепенной
высокоскоростной гироскоп. В Швейцарии фирмой «Wild» с середины 60-х годов изготавливалась гироскопическая насадки GAK1 и
гиробуссоли ARK1 и ARC2.
Канадская фирма «Джимо» («Gymo») в 1975 г. модифицировала венгерский гиротеодолит Gi-B1, автоматизировав снятие
информации. При этом был использован временной способ определения положения прецессионных колебаний чувствительного
элемента.
В конце 80-х годов ХХ в. ВНИМИ выполнены разработки
маркшейдерских гирокомпасов «Меридиан-1» и МВЦ4, базирующиеся
на синхронном гистерезисном гиромоторе (ГМ) с перевозбуждением,
который является наиболее экономичным по энергопотреблению из
всех, ранее применявшихся. На торцевых поверхностях гиромотора
расположены оптические зеркальные поверхности, изготовленные по
специальной технологии. Такой ГМ позволяет наблюдать прецессионное движение чувствительного элемента гирокомпаса по этой поверхности, что дает возможность исключить приборную поправку гирокомпаса. При этом существенно повышается производительность работ
по гироскопическому ориентированию.
Гирокомпас «Меридиан-1» является прибором, в котором объединены гироблок, угломерная часть, поворотное устройство и подставка. Гироблок включает маятниковый ЧЭ с системами торсионного
подвеса и ленточного токоподвода, арретирования и магнитного экранирования. Во взрывобезопасном корпусе гироблока установлен блок
15
питания, включающий электронный преобразователь и аккумуляторную
батарею. Поворотное устройство позволяет осуществлять разворот
гирокомпаса вокруг вертикальной оси с помощью ручного привода.
Угломерная часть гирокомпаса состоит из зрительной трубы, блока
призм, поворотного зеркала и отсчетного устройства. Автоколлимационный канал угломерной части дает возможность наблюдать прецессионное движение ЧЭ по зеркальной торцевой поверхности ротора. Визирный канал, включающий зрительную трубу, блок призм и поворотное зеркало, обеспечивает привязку на пункты исходной и ориентируемой сторон в пределах ±20° от плоскости горизонта.
Маркшейдерский гирокомпас МВЦ4 является первым отечественным цифровым взрывобезопасным гирокомпасом, в котором автоматизирован процесс определения гироскопического азимута ориентируемой стороны. Гирокомпас состоит из основного прибора и блока
питания. Основной прибор устанавливается на стандартном теодолитном штативе и состоит из гироблока и измерительного блока. Гироблок
включает маятниковый ЧЭ на безмоментном торсионном подвесе специальной конструкции. Подвод питания к гиромотору ГСМ-0.8 осуществляется через торсионный подвес. Корпус гироблока является
взрывобезопасным. Измерительный блок включает зрительную трубу
для визирования на пункт ориентируемой стороны, цифровую угломерную часть, цифровой оптоэлектронный датчик угла, вычислительное
устройство и цифровое табло.
Вычисление гироскопического азимута в гирокомпасе производится автоматически по сигналам от цифрового датчика угла в течение
одного периода прецессионных колебаний. Результат вычисления гироскопического азимута стороны выводится на цифровое табло. К сожалению, нужно отметить, что гирокомпасы МВЦ4 и «Меридиан-1» не
выпускались даже небольшими сериями.
Пути дальнейшего совершенствования и развития маркшейдерских гирокомпасов заключаются в создании высокоточных цифровых
гирокомпасов, не требующих регулярного определения приборной
поправки, с одной стороны, и разработке гироприборов технической
точности, небольших размеров, отличающихся простотой изготовления и эксплуатации, с другой.
16
В разработке цифровых гирокомпасов намечается использовать современную элементную базу: синхронный гистерезисный
гиромотор с торцевой зеркальной поверхностью; микропроцессор
для обработки измерительной информации; цифровой угломер и др.
Гирокомпас не должен уступать по точности существующим, обладать малой продолжительностью измерительного процесса и отличаться простотой в обслуживании.
Создание приборов технической точности со средней квадратической погрешностью определения азимута стороны 2-3' связано,
прежде всего, с расширением области применения гироскопического
ориентирования. В сложных горно-геологических условиях резкое проявление горного давления не позволяет обеспечить неподвижность и
длительную сохранность пунктов опорных и съемочных сетей. В этих
случаях перед выполнением детальной съемки производится гироскопическое ориентирование любой сохранившейся стороны теодолитного
хода или стороны, опирающейся на два любых сохранившихся пункта
теодолитной съемки. Гироприборы технической точности могут также
применяться при ориентировании подэтажных выработок.
В настоящее время наиболее совершенные модели гироскопических приборов для ориентирования подземных сетей выпускают в Германии и Японии. Гиротеодолит GYROMAT-2000 немецкой
фирмы DMT является полностью автоматизированным прибором,
обладающим превосходными характеристиками:
Способ измерения
А
В
С
Погрешность определения гироазимута
3
16
32
Время измерения, мин
9
5
2
Количество определений от одной зарядки аккумуляторных батарей
20
30
40
Диапазон работы, C
От –20 до +50
Масса с электронным теодолитом, кг
16
Масса штатива, кг
9
С помощью этого прибора с высокой точностью была
осуществлена сбойка Евротоннеля между Англией и Францией
длиной 50 км.
17
В Японии фирма «SOKKIA» выпускает гиронасадку GP1-2A,
которая определяет гироскопический азимут с погрешностью 20.
Масса гироприставки, которая устанавливается сверху на электронный теодолит, составляет 3,8 кг.
В нашей стране во ВНИМИ закончена разработка гироприставки МГП. Средняя квадратическая погрешность определения гироазимута составляет 1, продолжительность пуска на широте 60 –
10 мин. Приставка может быть использована совместно с любым
стандартным теодолитом. Масса комплекта МГП – всего 8 кг.
Общее число различных моделей гиротеодолитов и наземных гирокомпасов, разработанных к середине 80-х годов прошлого
века в различных странах мира, превысило полусотню. Научные работы в этой области активно продолжались до начала 90-х годов.
С началом внедрения спутниковых методов определения
координат на земной поверхности (GPS) для гироскопической
науки наступили «черные дни». Военные во всем мире быстро
оценили преимущества спутниковых методов и переключили
свои исследования в этом направлении. Это повлекло остановку
производства гироскопических приборов для военных целей, что
сказалось и на гражданских разработках. Многие гироскопические приборы были предназначены для топографических работ на
поверхности, поэтому на них быстро упал спрос. Заводы прекратили их выпуск.
Но в маркшейдерских работах в подземных горных выработках гироскопический способ ориентирования остается единственным надежным средством, обеспечивающим необходимую точность
и надежность опорных и съемочных сетей. Поэтому разработки новых маркшейдерских гироскопических приборов несомненно будут
развиваться и в будущем на основе новых достижений в области физики и электроники.
18
2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИБОРОВ
ГИРОСКОПИЧЕСКОГО ОРИЕНТИРОВАНИЯ
Слово «гироскоп», введено в обращение в 1852 г. французским физиком Леоном Фуко. Получив медицинское образование,
Жан Бернар Леон Фуко (1819-1886) увлекся экспериментальной физикой и достиг в этой области немалых успехов (токи Фуко, маятник
Фуко, гироскоп). Слово «гироскоп», придуманное Л. Фуко, состоит
из двух греческих слов: «гирос»- вращение и «скопео»- наблюдать,
смотреть. Л. Фуко, создавая свой лабораторный гироскоп, хотел с
его помощью наблюдать вращение Земли относительно абсолютного пространства. Основной частью прибора Л. Фуко был быстровращающийся маховик – ротор. Действие своего прибора он продемонстрировал членам Парижской академии наук 27 сентября 1852 г.
Сейчас этот термин применяют в более широком смысле для обозначения любого технического устройства, которое позволяет обнаружить (измерить) повороты своего основания в пространстве. При
этом совсем необязательно, чтобы прибор имел в своем составе
быстровращающийся ротор. Примерами подобных устройств могут
служить вибрационные, лазерные и ядерные гироскопы. А всего к
настоящему времени установлены десятки различных физических
явлений и принципов, на основе которых может вестись разработка
гироскопических приборов и систем, в том числе приборов гироскопического ориентирования для маркшейдерского дела.
Маркшейдерско-геодезические приборы, предназначенные
для определения ориентирных углов на земной поверхности и в горных выработках, в нашей стране чаще всего называют гирокомпасами, гиробуссолями и гиронасадками. В других странах приборы этого рода называют: указателями или индикаторами меридиана, гиротеодолитами, искателями севера, гироориентаторами. За исключением терминов «гиротеодолит», «гиробуссоль» и «гиронасадка»
признать удачными остальные названия нельзя, так как они не позволяют отличать подобные приборы от навигационных гирокомпасов, работающих в условиях подвижного основания. Кроме этого,
термин «гирокомпас» прочно связан с понятием судовых навигационных приборов, которые были разработаны в начале ХХ в., т.е. задолго до маркшейдерско-геодезических.
19
И дело даже не в приоритете названия, а в том, что достаточно полно существо маркшейдерско-геодезического гироскопического прибора отражает название «гиротеодолит» – как комбинация
теодолита и гироскопического датчика направления географического меридиана. Для работы в сочетании с гироскопической частью
теодолиты в этих приборах подвергаются небольшим конструктивным изменениям. Этого названия, с самого начала выпуска приборов в 1962 г., придерживался венгерский оптический завод (МОМ).
Отечественные гироскопические приборы МВ2М, МВТ2, МВТ4,
МВГ1 – это классические гиротеодолиты. Но, к сожалению, термин
«гирокомпас» прочно вошел в обиход отечественных маркшейдеров.
Термин «гиробуссоль» применяется для гироскопических
приборов в однокорпусном исполнении, в конструкции которых в
качестве угломерного прибора полностью отсутствует теодолит в
каком бы то ни было виде. Примерами таких приборов служат
МВБ4 (Россия); ARK1, ARK2 (WILD). В отечественной литературе
также прочно утвердился термин «гиронасадка». Эти приборы служат для определения гироскопических азимутов в комбинации с
теодолитами. Последние применяются для этих целей без какихлибо конструктивных изменений. Примерами гиронасадок могут
служить: МГП (Россия), GAK1 фирма «WILD»; Gi-C1, Gi-C2
(МОМ); GP1-2A (Япония); JT15 (Китай).
3. МАРКШЕЙДЕРСКИЕ ГИРОКОМПАСЫ
3.1. ЖИДКОСТНЫЕ ГИРОКОМПАСЫ
С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ЦЕНТРИРОВАНИЕМ ЧЭ
Гирокомпасы этого типа (М-3, МУГ-2 выпуска 1952-1954 годов)
имели одинаковое устройство и, в основном, отличались друг от
друга габаритами. Конструкцию таких гирокомпасов рассмотрим на
примере гирокомпаса МУГ-2 (рис.3). Основными узлами этого гирокомпаса являются: чувствительный элемент 11, электродная сфера 12, резервуар со столом, угломерная часть 6 и штатив.
Чувствительный элемент имел форму шара (диаметр ЧЭ гирокомпаса М-3 – 252 мм, гирокомпаса МУГ-2 – 190 мм) и состоял из
20
6
7
8
5
4
9
10
11
3
12
2
1
Рис.3. Гирокомпас МУГ-2
1 – резервуар с поддерживающей жидкостью; 2 – маятниковый груз; 3 – катушки
электромагнитного дутья; 4 – змеевик системы охлаждения; 5 – кран-регулятор;
6 – теодолит; 7 – автоколлимационная труба; 8 – термометр; 9 – держатель электродной
сферы; 10 – гиромотор; 11 – чувствительный элемент; 12 – электродная сфера
21
двух герметически соединенных латунных сегментов. Для уменьшения трения и увеличения частоты вращения гиромотора, улучшения
теплообмена гиросфера наполнялась водородом.
Внутри гиросферы, несколько ниже ее геометрического центра, жестко закреплен гиромотор 10. Для увеличения маятникового
момента в нижней части гиросферы прикреплены свинцовые грузы 2. В верхней и нижней частях полусфер ЧЭ помещены две катушки электромагнитного дутья 3 (у М-3 одна нижняя катушка).
Внешняя поверхность гиросферы покрыта электроизолирующим слоем, а электроды – токопроводящим слоем с большим содержанием графита. На верхнем полюсе ЧЭ находится зеркало, с
помощью которого наблюдают за колебаниями ЧЭ. Электродная
сфера, внутри которой помещается ЧЭ, служит для подвода электропитания и центрирования ЧЭ и состоит из двух алюминиевых
сегментов и пояса. Диаметр электродной сферы на 10-12 мм больше
диаметра гиросферы. Электроды на сегментах и на поясе покрыты
токопроводящим слоем, остальная поверхность сегментов и пояса –
электроизолирующим.
Сегменты и пояс соединены между собой и жестко скреплены со столом гирокомпаса с помощью держателей 9. Электродная
сфера вместе с ЧЭ помещается в резервуар, заполненный поддерживающей жидкостью, состоящей из дистиллированной воды и глицерина. Плотность жидкости подбирается такой, чтобы при рабочей
температуре +39 С ЧЭ гирокомпаса МУГ-2 имел нулевую плавучесть, а М-3 – отрицательную плавучесть 30-40 г. Между электродной сферой и внутренней поверхностью резервуара расположен
магнитный экран, защищающий ЧЭ от влияния внешнего магнитного поля. При помощи бандажа с приливами и подъемных винтов резервуар устанавливается на штативе и горизонтируется. Резервуар
сверху закрыт столом, на котором помещается угломерная часть 6 и
подводится электропитание.
Трехфазный ток от преобразователя по кабелю поступает на
электроды электронной сферы и затем через поддерживающую жидкость, в которой для электроводности растворено небольшое количество салициловой кислоты или буры, на соответствующие элек22
троды ЧЭ. Внутри ЧЭ ток от электродов по проводникам поступает
на гиромотор и катушки электромагнитного дутья.
Сущность электромагнитного способа центрирования заключается в следующем: переменный ток, проходя по катушке, вызывает появление вокруг нее переменного электромагнитного поля,
которое, пересекая алюминиевый корпус электродной сферы, индуктирует в ней вихревые токи Фуко, вызывающие электромагнитное поле, имеющее противоположное первому полю направление.
Эти электромагнитные поля и поддерживают ЧЭ во взвешенном состоянии внутри электродной сферы.
Стабильность положения ЧЭ зависит от температуры поддерживающей жидкости, которая может повышаться при работе гироскопа из-за междуфазовой утечки тока при передаче его через
жидкость. Для охлаждения жидкости через подающий шланг непрерывно в змеевик 4 поступает холодная вода, которая охлаждает поддерживающую жидкость и уходит через отводящий шланг. Непрерывная циркуляция воды по системе охлаждения осуществляется
помпой, регулирование и контроль температуры – краном и термометром.
Угломерная часть гирокомпаса представляет собой теодолит
6 с перископической автоколлимационной трубой 7.
Питание гирокомпаса осуществляется от постоянного тока
шахтной сети через преобразователь, трансформирующий постоянный ток в трехфазный ток повышенной частоты. Преобразователь
представляет собой агрегат, состоящий из электродвигателя и генератора, расположенных на одном валу.
Гирокомпас и все необходимое оборудование для его работы
размещались на специальной платформе, которая перемещалась по
рельсовым путям.
Даже такое краткое описание устройства жидкостных гирокомпасов с электромагнитным центрированием позволяет сделать
вывод, что приборы этого типа были чрезвычайно громоздки и
сложны в эксплуатации. Но это был первый шаг по пути развития
гироскопического ориентирования в маркшейдерском деле.
23
3.2. ЖИДКОСТНЫЕ ГИРОКОМПАСЫ
С ЦЕНТРИРОВАНИЕМ ЧЭ НА ШПИЛЕ
Следующим этапом в развитии маркшейдерско-геодезических гирокомпасов было создание приборов, в которых ЧЭ был погружен в токопроводящую жидкость и центрировался на шпиле. В
лаборатории ВНИМИ было создано пять типов таких гирокомпасов:
МГ, МВ1, МВ2, МВ2М и МВШ3.
Рассмотрим конструктивные особенности данного типа
гирокомпасов на примере МВ1. Гирокомпас МВ1 был разработан
и изготовлен ВНИМИ в 1957 г. и имел значительные преимущества перед гирокомпасами М-3 и МУГ-2. За три года эксплуатации гирокомпасом МВ1 было
4
выполнено более 200 производственных ориентировок и на основе этого опыта в дальнейшем
5
разработан более совершенный
3
гирокомпас МВ2.
Маятниковый гирокомпас МВ1 имел жидкостный подвес и центрирование на верхнем
шпиле за счет небольшой плавучести ЧЭ.
Внутри чувствительного
2
6
элемента 3 (рис.4) цилиндрической формы помещался гиромотор 1. Гиромотор закреплен на
массивном основании, которое
имело юстировочные приспособления: для регулирования поло1
7
жения центра тяжести, изменения
угла наклона оси вращения гиромотора и размера плавучести.
Рис.4. Схема ЧЭ гирокомпаса типа МВ1
После юстировки ЧЭ основание
1 – гиромотор; 2 – токоподводящие электроды;
ГМ при помощи закрепительных
3 – ЧЭ; 4 – подпятник; 5 – центрирующий
винтов и пайки жестко и гермешпиль; 6 – токоподводящие электроды; 7 –
резервуар
тично соединялось с цилиндриче24
ской частью ЧЭ. Подвод трехфазного тока внутрь ЧЭ к гиромотору
производился через электроды 2, расположенные на внешней поверхности ЧЭ.
На верхней торцовой грани ЧЭ в опоре были закреплены
центрирующий шпиль 5 и зеркало для наблюдений за гармоническими колебаниями ЧЭ. Положение шпиля относительно корпуса
ЧЭ при помощи юстировочных винтов регулировалось таким образом, чтобы головка шпиля была совмещена с осью симметрии ЧЭ.
Снижение центра тяжести ЧЭ относительно центра объема достигалось за счет массивного нижнего основания и гиромотора, что обеспечивало появление маятникового эффекта.
Чувствительный элемент помещался в трехслойном резервуаре 7. Наружный слой резервуара – легкий немагнитный сплав,
средний – магнитный экран, внутренний – изолирующее покрытие.
Резервуар заполнен поддерживающей жидкостью – дистиллированной водой. Для придания электропроводности в воде растворяется
небольшое количество буры. Между внутренней поверхностью резервуара и ЧЭ, соответственно электродам ЧЭ, расположены токоподводящие электроды 6.
Резервуар сверху закрыт столом. В боковой стенке стола была сферическая линза, позволяющая в диапазоне 60 выполнять
наблюдения за колебаниями ЧЭ. В резервуаре помещался термометр, арретир и подпятник 4. В торцевой части шейки имелось посадочное гнездо для установки угломерной части гирокомпаса.
Угломерная часть гирокомпаса представляла собой теодолит,
с алидадой которого при помощи кронштейна жестко связана автоколлимационная труба. В отличие от подобных оптических систем,
объектив трубы имел компенсационную линзу, а между объективом
и окуляром расположено зеркало. Компенсационная линза рассчитана таким образом, чтобы обеспечивалась параллельность прямого
пучка лучей в воде и отраженного в воздухе после сферической линзы. Подсветка производилась через призму лампочкой от батарейки,
установленной в патроне. Гирокомпас подъемными винтами устанавливался на штатив и закреплялся винтами.
Постоянный ток напряжением 26 В, получаемый от аккумуляторной батареи, трансформировался преобразователем в перемен25
ный трехфазный напряжением 36 В, частотой 400 Гц, кабелем через
взрывобезопасную штепсельную муфту подводился к токоподводящим электродам и через поддерживающую жидкость и электроды
ЧЭ поступал в обмотку статора ГМ.
Стабильность работы гирокомпаса обеспечивалась при соблюдении четырех основных условий:
 плавучесть ЧЭ в рабочем диапазоне температур должна
быть не менее 5 г и не более 22 г;
 точка центрирования ЧЭ должна быть совмещена с осью
симметрии;
 центр тяжести гиромотора и корпуса ЧЭ должен быть совмещен с осью симметрии ЧЭ;
 ось гиромотора перпендикулярна оси симметрии ЧЭ.
Гирокомпас МВ2 разработан во ВНИМИ в 1962-1963 годах
на основе опыта эксплуатации гирокомпаса МВ1. Гирокомпас МВ2
имел ряд отличий конструктивного характера, направленных на повышение эксплуатационных качеств, стабильности и надежности
показаний. Чувствительный элемент гирокомпаса МВ2 состоял из
поплавка и вакуумной гирокамеры, что при том же периоде колебаний позволяло уменьшить объем ЧЭ и производить замену отработавшего срок службы ГМ без участия завода-изготовителя (гирокамера заменялась запасной). В конструкцию гирокомпаса был введен
двойной магнитный экран, термоизоляционный корпус и искусственный подогрев. За счет введения вакуумной гирокамеры, рационального выбора площади, материала и расстояний между одноименными и разноименными электродами в 3 раза, сравнительно с
гирокомпасом МВ1, уменьшена мощность тока, потребляемого гирокомпасом МВ2.
Среди жидкостных гирокомпасов с центрированием на шпиле наибольшее распространение и применение в свое время нашел
гирокомпас МВ2М. Основной прибор – гирокомпас состоял из трех
основных узлов:
 чувствительного элемента;
 резервуара с токоподводами;
 угломерной части.
26
Основные части и узлы гирокомпаса не отличались существенно от предшествующих моделей. Для снижения трения в верхний конец стержня был вставлен агатовый наконечник. Для регулирования положения центра тяжести на верхней крышке чувствительного элемента имелись балансировочные грузы. Резервуар был
изготовлен из легкого немагнитного сплава. По внутренней поверхности резервуара, покрытой изолирующим слоем, расположен магнитный экран. Между экраном и ЧЭ расположены токоподводящие
электроды, жестко связанные с резервуаром. Расстояние между
электродами ЧЭ и резервуаром 3-4 мм.
На внутренней стороне крышки резервуара был закреплен
сапфировый подпятник. Погруженный в жидкость ЧЭ имел небольшую положительную плавучесть, поэтому прижимался шпилем к
подпятнику. Давление шпиля на подпятник, от которой зависит трение, имело важное значение для нормальной работы прибора и лежало в пределах от 0,01 до 0,15 Н, что соответствует изменению
температуры жидкости от +5 до +40 С.
Угломерная часть гирокомпаса представляла собой оптический теодолит ТБ1, с алидадой которого была жестко связана
автоколлимационная труба, предназначенная для наблюдения за
движением ЧЭ.
Жидкостные гирокомпасы с центрированием на шпиле нашли
в свое время широкое распространение. Однако возможности уменьшения габаритов и массы жидкостных гирокомпасов с центрированием ЧЭ на шпиле на том этапе были исчерпаны. Задача создания малогабаритных и взрывобезопасных гирокомпасов высокой точности
могла быть решена только при торсионной подвеске ЧЭ.
3.3. ГИРОКОМПАСЫ С ТОРСИОННЫМ ЦЕНТРИРОВАНИЕМ ЧЭ
Как уже отмечалось, гирокомпасы с торсионным подвесом ЧЭ
являются самыми распространенными геодезическими приборами. В
лаборатории гироскопического ориентирования ВНИМИ были созданы следующие приборы с данным типом подвеса ЧЭ: МТ1, МВТ2,
МВТ4, МВТ8, МВБ4, МВЦ4, «Меридиан-1», МВГ1 и МГП. Технические характеристики некоторых из них представлены в табл.2.
27
Таблица 2
Технические характеристики торсионных гироскопических приборов
Показатель
МВТ2
МВТ4
МВБ4
Среднеквадратическая погрешность определения гироазимута, с
30
30
90
0,11
0,2
0,027
Добротность
15
15
5
Продолжительность определения гироазимута
стороны, мин
20
20
15
Энергетический ресурс, пусков
14
8
12
Комплектность, мест
3
2
1
Масса комплекта, кг
33
28
19
9,5
10
13,5
12
–
16
8
–
11
Кинетический момент,
кгм2/с
В том числе:
гирокомпаса
блока питания
футляра и штатива
______________________
Примечание. Исполнение РВ.
Несмотря на то, что по различным объективным и субъективным причинам к разработке торсионных гирокомпасов в нашей
стране приступили позже, чем в Германии, к середине 60-х годов
ХХ в. у нас был создан прекрасный образец гирокомпаса этого типа.
Это гирокомпас МВТ2 (маркшейдерский, взрывобезопасный, торсионный), который является самым распространенным прибором в
нашей стране.
3.4. ГИРОКОМПАС МВТ2
Гирокомпас МВТ2 был разработан в 1965-1967 годах. Конструкция торсионных гирокомпасов оказалась более сложной по
сравнению с жидкостными. Разработчикам нового гирокомпаса
пришлось преодолеть много трудностей. В результате была создана
удачная конструкция нового торсионного гирокомпаса, который
28
выпускался на протяжении
двух десятков лет. МВТ2
представляет собой маятни7
ковый гирокомпас с подвесом и центрированием чув6
ствительного элемента на
торсионном
подвесе.
Устройство торсионных ги8
рокомпасов будет рассмот5
рено на примере гирокомпа9
сов МВТ2 и МВГ1.
4
10
Комплект МВТ2 состоит из основного прибора –
3
11
гирокомпаса в футляре, блока электропитания и штатива.
Основной прибор состоит из
подставки 8 (рис.5), установ2
ленной на ней угломерной
части 7 и вставляемой снизу
12
1
гироприставки 12. Отличительной особенностью гирокомпаса МВТ2 является
Рис.5. Гирокомпас МВТ2
расположение гиропристав1 – штатив; 2 – рукоятка арретирного устройства;
ки под теодолитом, что поз3 – подъемные винты подставки; 4 – рукоятка
волило повысить устойчи- ручного привода; 5 – призма автоколлимационной
системы; 6 – окуляр автоколлимационной системы;
вость прибора.
7 – угломерная часть; 8 – подставка; 9 – шкала
Подставка предна- подставки; 10 – закрепительный винт подставки;
11 – кабель питания; 12 – гироприставка
значена для установки и горизонтирования МВТ2 на
штативе. С ее помощью осуществляется и соединение гироприставки с угломерной частью.
Подставка гиротеодолита МВТ2 состоит из двух частей:
 поворотного корпуса;
 неподвижного основания.
Поворотный корпус подставки представляет собой полый
цилиндр, вращающийся вокруг вертикальной оси. Вращение корпу29
са производится наблюдателем с помощью рукояток ручного привода 4. Сверху корпус имеет гнездо для крепления хвостовика теодолита (угломерной части) и отверстие для фиксирующего штифта. В
средней части корпуса размещены три коллекторных кольца (по одному кольцу на каждую фазу), соединенные проводами с колодкой
штепсельного разъема. Такой способ передачи электропитания позволяет поворачивать гироприставку на 360.
Снаружи жестко с корпусом соединена призма 5, обеспечивающая возможность наблюдения за движением ЧЭ с помощью угломерной части. При вращении поворотного корпуса с помощью
рукояток ручного привода вместе с ним поворачивается угломерная
часть и гироприставка. Поворотный корпус может быть закреплен
неподвижно относительно основания подставки с помощью закрепительного винта 9.
Неподвижный корпус подставки устанавливается на подвижном кольце головки штатива, предназначенном для центрирования гиротеодолита на точке, горизонтируется подъемными винтами и крепится к штативу накидными гайками. Внутри неподвижного
корпуса расположен червяк ручного привода и щетки коллектора, а
снаружи – ввод кабеля 11 и шкала 9 с ценой деления 2, используемая во время приведения оси гиромотора в меридиан и при регламентных работах.
Угломерная часть гирокомпаса предназначена для наблюдения точек реверсии свободных и прецессионных колебаний ЧЭ,
привязки к исходным и ориентируемым сторонам. Угломерная часть
МВТ2 состоит из теодолита и автоколлимационной трубы, жестко
связанной с алидадой и размещенной в стойке теодолита.
Оптическая схема автоколлимационной системы (рис.6) позволяет с помощью угломерной части производить необходимые
наблюдения. Она состоит из автоколлимационной трубы, зеркала на
ЧЭ 11, взрывозащитного стекла с зеркальным покрытием 1 и ромбической призмы 2 на подставке.
Автоколлимационная труба состоит из окуляра 5, стеклянной
пластинки с сеткой нитей и шкалой 4, двух прямоугольных призм 3
и объектива. Подсветка лимба теодолита и поля зрения автоколлимационной трубы производится при помощи лампочки 6 или зерка30
ла. Лампочка прикрыта взры6
возащитными стеклами. Пучок
лучей от лампочки освещает
лимб теодолита и одновременно попадает на стеклянную
пластинку с сеткой нитей и 5
шкалой. Лучи проходят верхнюю часть пластинки (через
бифилярный штрих), две пря4
моугольные призмы и объек3
тив. Затем с помощью ромби7
ческой призмы через защитное
8
стекло параллельный пучок
9
2
лучей попадает на зеркала на
корпусе и на ЧЭ гироблока.
10
Отражаясь от них, пучок лучей
1
проходит через нижнюю часть
11
пластинки, где нанесена шкала,
Рис.6. Схема автоколлимационной
и поступает в окуляр.
системы МВТ2
Важной особенностью
зеркало на защитном стекле; 2 – призма;
автоколлиматора гирокомпаса 31––призмы;
4 – стеклянная пластинка с бифиМВТ2 является наличие втолярным штрихом и шкалой; 5 – окуляр; 6 –
рого отражающего зеркала 1, лампочка подсветки; 7 – хвостовик угломерной
части; 8 – подвижная часть подставки; 9 –
роль которого играет верхняя
верхний зажим торсионного подвеса; 10 –
торсионный подвес; 11 – зеркало на ЧЭ
посеребренная половина защитного стекла на корпусе
гироприставки. Таким образом, изображение бифилярных штрихов отражается одновременно от зеркала на ЧЭ и зеркала корпуса.
Наблюдатель в поле зрения автоколлимационной трубы видит
шкалу (рис.7) и два бифилярных штриха –
30
20
10
0
80
70
60
50
движущийся 2, отраженный от зеркала на ЧЭ, и
2
неподвижный 1,
отра1
женный от зеркала на
Рис.7. Поле зрения автоколлимационной системы
корпусе гироблока.
1 – неподвижный штрих; 2 – подвижный штрих
31
Наличие зеркала на корпусе гироприставки позволяет фиксировать («привязывать») положение гироприставки в пуске относительно лимба угломерной части. Для этого достаточно поворотом
алидады ввести центральный штрих шкалы в неподвижный бифилярный штрих (это положение показано на рис.7) и взять отсчет по
лимбу Nк. Перемещения штрихов в поле зрения автоколлимационной трубы происходят независимо друг от друга и определяются
изменением взаимного положения оси автоколлиматора и соответствующего зеркала. Поэтому при наблюдении колебаний ЧЭ через
неподвижный автоколлиматор в поле зрения виден движущийся
штрих чувствительного элемента и неподвижный – корпуса. Перемещение последнего наблюдается при вращении алидады, что приводит к изменению взаимного положения оси автоколлиматора и
зеркала корпуса.
Визирные оси зрительной трубы (ЗТ) теодолита и автоколлимационной трубы (АТ) составляют между собой некоторый горизонтальный угол, называемый конструктивной постоянной угломерной части. Угол τ – наименьший горизонтальный угол, отсчитываемый от положительного направления визирной оси АТ до положительного направления визирной оси ЗТ, при этом окуляр ЗТ должен
находиться справа от окуляра АТ. В гирокомпасах МВТ2 угол τ отрицательный, близкий к 90. Точное значение угла приводится в
паспорте каждого прибора и его постоянство должно периодически
контролироваться.
Гироблок (рис.8) служит для определения направления меридиана и состоит из следующих основных узлов: корпуса 11, 12, 14, ЧЭ, арретирного устройства, магнитного экрана 13,
торсионного подвеса 6 и трех токоподводов 5.
Корпус гироприставки служит для размещения всех узлов
гироблока и для его защиты от пыли и механических повреждений.
В верхней части корпуса размещены регулировочное устройство
торсионного подвеса 7 и вилка штепсельного разъема 8. С помощью
вилки обеспечивается электрическая связь гироприставки с поворотным корпусом подставки. Соединение штырей вилки с контактными колодками внутри гироприставки выполнено обычной мягкой
проводкой.
32
При установке прибора
гироприставка вставляется снизу в
поворотный корпус и закрепляется затвором. Через взрывозащитное плоскопараллельное стекло
ведутся наблюдения за колебаниями ЧЭ.
В средней части корпуса
размещены контактные колодки
токоподводов, связанные с вилкой штепсельного разъема проводами. Токоподводы выполнены из специальных сплавов, выдерживающих высокую плотность тока, и обеспечивают
непосредственный подвод питания к гиромотору без потерь, но
с увеличением общего момента
кручения подвеса. Момент кручения токоподвода, как и подвеса, зависит от площади поперечного сечения и длины проводников, а также от их расположения
и закрепления относительно
подвеса. Каждая фаза тока подводится к ЧЭ раздельно с помощью двух токоподводов.
Поперечное сечение проводника определяется допустимой плотностью тока. Из-за
нагрева и деформации проводников при прохождении тока
момент кручения токоподвода
изменяется и является наиболее
нестабильной частью общего
момента кручения подвеса. Для
7
8
9
6
10
5
11
4
12
13
3
14
2
1
Рис.8. Гироблок МВТ2
1 – балансировочные винты; 2 – гиромотор;
3 – фиксатор арретирного устройства; 4 –
рукоятка арретира; 5 – токоподводы; 6 –
торсионный подвес; 7 – регулирующее
устройство торсионного подвеса; 8 –
штепсельный разъем; 9 – зеркало ЧЭ;
10 – ловитель ЧЭ; 11 – верхняя крышка
корпуса; 12 – корпус; 13 – магнитный
экран; 14 – нижняя крышка корпуса
33
повышения стабильности момента кручения токоподвода необходимо на заводе до постановки его в прибор произвести отжиг проводников при силе тока, близкой к предельной.
В маркшейдерских гирокомпасах токоподвод состоит из
трех-шести ленточных растяжек из магниевой бронзы (по одной-две
в каждой фазе) длиной 35-40 мм. Ленточные растяжки расположены
горизонтально (на различной высоте) в виде полуокружностей таким
образом, чтобы момент кручения токоподвода одной фазы по возможности компенсировал момент кручения другой. Внешний конец
растяжки закреплен на корпусе прибора, внутренний – на ЧЭ, как
можно ближе к торсиону (для снижения момента кручения).
В нижней части корпуса расположены арретирное устройство и магнитный экран 13, а снаружи – скоба для закрепления отвеса при центрировании гирокомпаса над точкой.
Чувствительный элемент представляет собой полую штангу,
в нижней части которой закреплен гиромотор 2, а в верхней – плоское зеркало 9 для наблюдений за колебаниями ЧЭ. Гиромотор прикрывается крышкой, имеющей четыре балансировочных винта 1.
Зеркало закреплено параллельно оси гиромотора, т.е. повернуто на
90 на запад относительно оси гиромотора. Это сделано для того,
чтобы уменьшить колебания отраженного штриха в поле зрения автоколлиматора.
Гиромотор, несомненно, является основным узлом любого
ЧЭ. Он представляет собой специальный электрический двигатель,
предназначенный для использования в качестве носителя кинетического момента.
Наибольшее распространение в маркшейдерских гирокомпасах получили трехфазные асинхронные электродвигатели обращенного типа (статор внутри ротора). Такое расположение статора относительно ротора позволяет получить достаточно большой кинетический момент при малых габаритах. Особенностями рабочего процесса асинхронного двигателя являются:
 использование в нем вращающегося магнитного поля, создаваемого обмоткой статора, присоединенного к источнику переменного тока;
34
 отсутствие механического и электрического соединения
между неподвижной обмоткой статора и подвижной обмоткой ротора.
Статорную обмотку асинхронного ГМ упрощенно можно
представить в виде трех плоских катушек, расположенных под углом
120° друг к другу и соединенных «звездой». По катушкам пропускают
переменный электрический ток, значение силы тока которого поочередно возрастает и уменьшается в каждой катушке. В результате
напряженность магнитного поля, создаваемого каждой катушкой,
также поочередно возрастает и уменьшается. Создается иллюзия
вращения волны магнитного поля, которое пересекает короткозамкнутую обмотку, размещенную на роторе. В результате в обмотке
ротора возникают электродвижущие силы и электрический ток.
Итак, статор создает вращающееся магнитное поле. Оно пересекает короткозамкнутую обмотку, размещенную на роторе. В
результате в обмотке ротора возникают электродвижущие силы и
электрический ток. Последний, взаимодействуя с магнитным полем
статора, создает момент, приводящий ротор во вращение. Следовательно, необходимым условием возникновения вращающего момента является пересечение обмотки ротора магнитным полем статора. А
это возможно лишь в том случае, если магнитное поле статора будет
вращаться хотя бы немного быстрее, чем ротор, т.е. волна магнитного поля статора как бы обегает вращающийся ротор. Этот принципиальный факт отражен в названии двигателя – асинхронный, что в переводе на русский язык значит «неодновременный», т.е. частоты
вращения ротора и магнитного поля статора не равные.
Из принципа действия асинхронного двигателя следует, что
частота вращения ротора зависит от частоты вращения магнитного поля статора. А частота вращения магнитного поля статора, определяемую частотой питающего тока, можно получать достаточно высокой. В
общем случае число оборотов двухполюсного магнитного поля за
минуту можно подсчитать по формуле
nc = 60f,
где f – частота трехфазного переменного тока, Гц.
Обязательное отставание частоты вращения ротора nр от частоты вращающегося магнитного поля называется скольжением S.
35
Скольжение асинхронного двигателя характеризуют разностью скоростей пс и np и измеряют в долях синхронной скорости:
S  (nc  nр ) / nc .
Скольжение тем больше, чем выше момент сопротивления,
препятствующий вращению ротора.
Таким образом, частота вращения гиромотора Ω зависит от
частоты питающего тока и скольжения:

2nр
60
 2f (1  S ) .
Основной характеристикой любого ГМ является его кинетический момент Н. Кинетический момент равен произведению момента инерции Iz всех вращающихся деталей (маховика, диафрагмы,
вала, колец подшипников и т.д.), взятого относительно оси вращения, на угловую частоту их вращения Ω, Н = IzΩ. Момент инерции Iz – величина, характеризующая массу вращающегося тела и
размещение этой массы относительно оси вращения. Если маховик
ГМ упрощенно представить как пустотелый цилиндр, то относительно оси вращения его момент инерции
Iz  m
R2  r 2
,
2
где R и r – соответственно наружный и внутренний радиусы цилиндра; m – его масса.
Таким образом, чем больше частота вращения и наружный
радиус маховика, а также его масса, тем выше кинетический момент
и тем сильнее проявляются гироскопические эффекты.
Чтобы, не увеличивая размеров ГМ, увеличить его кинетический момент, электродвигатель размещают внутри маховика и выполняют его по так называемой обращенной схеме: статор внутри
ротора, – а не наоборот, как это делается в двигателях общетехнического назначения.
Другие резервы повышения Н при малых габаритах гиромотора состоят в увеличении частоты вращения маховика и его массы
36
(табл.3). Последнее достигается изготовлением маховика из тяжелых сплавов, получаемых методом порошковой металлургии на основе вольфрама. Плотность таких сплавов примерно в 2 раза больше, чем сталей.
Таблица 3
Технические характеристики гиромоторов,
используемых в маркшейдерских гирокомпасах
Показатель
Модель гирокомпаса
ГМА-2,5
МВТ2
Тип электропривода
Кинетический момент,
кгм2/с
МВГ1
ГУА-2Д
ГМА-0,4ТМ
ГСМ-0,8
МВТ4
МВБ4
«Меридиан»
Асинхронный
Синхронный
0,11
0,06
0,2
0,027
0,08
33
420
18
250
30
400
18
280
11
250
Частота вращения,
об/мин
12200
7000
11500
10500
7500
Потребляемая мощность, Вт
2,8
2,0
2,5
1,5
0,8
Масса, г
310
310
620
120
270
Диаметр, мм
46
46
47
32
54
Электропитание
Напряжение, В
Частота, Гц
Практика эксплуатации гироприборов показала, что очень
сильно увеличивать частоту вращения маховика и его наружный радиус нельзя, так как в этом случае возникают отрицательные явления, которые превалируют над положительными.
Злейший враг всех быстровращающихся устройств – вибрация. Если не принимать мер для ее снижения, то она, разрушая опоры и раскачивая конструкцию в целом, быстро выводит механизм из
строя. Основная причина появления вибрации быстровращающихся
тел – несимметричность распределения масс этих тел относительно
оси вращения, или, как говорят специалисты, динамическая неуравновешенность вращающегося тела.
37
Для поддержания частоты вращения маховика вращающий
момент двигателя должен быть равен моменту сил сопротивления
вращению маховика, а в режиме разгона ротора значительно превосходить его. По сравнению с двигателями общетехнического
назначения, ротор ГМ вращается с очень высокой скоростью, что
порождает момент сопротивления воздуха (аэродинамический момент). Момент этот достаточно большой, для его преодоления гиромотор потребляет значительную электрическую мощность, сильно
нагревается, ротор теряет скорость.
Аэродинамический момент – это в основном результат турбулентного движения воздуха, вызываемого вращением маховика.
Чтобы снизить аэродинамический момент, нужно создать ламинарное (плавное) течение воздуха у поверхности вращающегося маховика. Для этого маховику придают наиболее обтекаемую форму, все
наружные поверхности обрабатывают с высоким классом чистоты и
все острые кромки на поверхности маховика закругляют. В некоторых случаях сам маховик заключают в гирокамеру.
Для улучшения отвода тепла, выделяемого статором двигателя, в крышках гирокамеры иногда делают круглые вентиляционные отверстия. Применение гирокамеры оказалось полезным во
многих отношениях, в частности, ее стали использовать в качестве
внутреннего кольца карданова подвеса.
Слабым звеном в конструкции ГМ был и остается шариковый подшипник. Это объясняется тем, что подшипник в гиромоторе
работает в исключительно тяжелых условиях: высокая частота вращения, вызванные ею интенсивные вибрационные нагрузки и сильный нагрев подшипника, значительные осевые и радиальные
нагрузки, обусловленные ускорениями объекта, на котором установлен ГМ. В результате подшипник разрушается. Полвека пришлось затратить ученым, инженерам и технологам на то, чтобы значительно усовершенствовать скоростные шарикоподшипниковые
опоры ГМ. Но и сегодня проблему нельзя считать решенной окончательно. В современных гиромоторах от шариковых подшипников
требуется не только выстоять определенное время, сохранив работоспособность, но и обеспечить еще целый ряд показателей, важней-
38
шим среди которых является ста4
бильность положения центра масс
ГМ.
Рассмотрим
устройство
5
асинхронного гиромотора с открытым ротором (рис.9). Пакет статора 5, выполненный из тонких листов электротехнической стали,
3
6
жестко крепится на оси 3. В пазах
пакета статора уложена трехфаз2
ная обмотка 2 статора, соединен1
ная в «звезду». Провода 6 обмотки
статора выводятся наружу через
Рис.9. Гиромотор
отверстие в оси.
1 – обод ротора; 2 и 4 – обмотки статора
Ротор ГМ состоит из тяжеи ротора; 3 – ось; 5 – пакет статора; 6 –
провода обмотки статора;
лого обода (маховика) 1, обмотки
ротора 4 («беличье колесо») и
внутренних колец шарикоподшипниковых опор. Беличье колесо
представляет собой пакет пластин электротехнической стали, залитых алюминиевым сплавом, образующим короткозамкнутые витки
роторной обмотки. Наружные кольца подшипников ротора установлены во втулках, напрессованных на неподвижную ось гиромотора.
В этих втулках также размещаются специальные шайбы и прокладки, с помощью которых обеспечивается смазка шарикоподшипников, регулировка осевого люфта ротора и постоянство осевого давления в подшипниках при температурной деформации гиромотора.
Точность работы гироскопических приборов зависит от постоянства частоты вращения маховика ГМ, вернее, от стабильности
кинетического момента его ротора. Асинхронные двигатели могут
обеспечить постоянство частоты вращения маховика лишь с точностью 0,5-1 %. Для многих современных гироскопических приборов и
систем этого уже недостаточно. Высокую точность могут обеспечить синхронные двигатели переменного тока. Как следует из
названия двигателя, его ротор вращается с такой же скоростью, с
какой вращается магнитное поле, создаваемое статором, т.е. вращение поля и ротора одновременное (синхронное). Следовательно,
39
чтобы обеспечить постоянство частоты вращения маховика, нужно
обеспечить постоянство частоты вращения магнитного поля. А эта
задача для современной техники вполне по силам.
Первый гиромотор с синхронным двигателем был создан советским инженером Б.А. Талалаем еще в 1926 г. Однако практического применения он не нашел, так как в то время особой потребности в таких ГМ не было, да и сам двигатель по многим показателям
уступал асинхронным.
С конца 50-х годов в гиромоторах находят широкое применение синхронные гистерезисные двигатели. Статор его аналогичен статору асинхронного ГМ, а вот ротор представляет собою
кольцо, изготовленное из магнитотвердого материала, т.е. из материала, пригодного для изготовления постоянных магнитов. Такие
магнитотвердые материалы были созданы только в конце 50-х годов.
Включенный в трехфазную электросеть, статор создает вращающееся магнитное поле, которое намагничивает ротор. В результате на роторе возникают северный и южный магнитные полюса.
Теперь ротор очень напоминает стрелку магнитного компаса, а,
как известно, на стрелку действует момент, который стремится
совместить ее ось с направлением силовых линий магнитного поля Земли.
В гистерезисном двигателе роль направляющего магнитного
поля играет вращающееся магнитное поле статора. Магнитная ось
ротора, стремясь совместиться с волной вращающегося магнитного
поля, устремляется вслед за ней. Вращаясь, ротор преодолевает моменты сопротивления, поэтому догнать волну магнитного поля статора магнитная ось ротора не может, но через некоторое время,
называемое временем входа в синхронизм, ротор приобретает так
называемую синхронную частоту вращения, равную частоте вращения волны магнитного поля статора.
В дальнейшем среднее значение синхронной частоты ротора
выдерживается с высокой точностью. Теперь задача состоит в том,
чтобы обеспечить высокую стабильность вращения самого магнитного поля статора. Эта задача решается с помощью специальных
электронных источников питания гиромотора, так называемых ста-
40
тических преобразователей, имеющих очень высокую стабильность
частоты выходного напряжения.
Арретирное устройство обеспечивает полную неподвижность ЧЭ после арретирования при одновременной неизменности
натяжения торсиона, что очень важно для сохранения его физикомеханических свойств.
Арретирное устройство состоит из конической шестерни,
входящей в зацепление с двумя гайками арретирного механизма,
имеющими резьбу разных направлений. Коническую шестерню
наблюдатель вращает при помощи рукоятки 4 (см. рис.8). При этом
гайки, вращаясь в разные стороны, перемещаются поступательно
вверх-вниз и в зависимости от направления вращения надежно блокируют или, наоборот, плавно освобождают ЧЭ. Действие их
настолько синхронно, что при арретировании не происходит заметного изменения положения ЧЭ по высоте, и натяжение торсиона сохраняется прежним. Для предотвращения случайного поворота рукоятки арретирного устройства она блокируется фиксатором 3
(рис.8).
В верхней части арретирного устройства расположены два
ловителя ЧЭ 10 (рис.8), обеспечивающие при арретировании установку ЧЭ в горизонтальной плоскости так, чтобы неподвижный и
движущийся штрихи были расположены в пределах десяти делений
шкалы автоколлимационной трубы. В дезарретированном положении ловители обеспечивают свободу колебаний ЧЭ в пределах 10.
Блок питания гиротеодолита МВТ2 состоит из полупроводникового преобразователя и аккумуляторной батареи, заключенных
в общий взрывобезопасный корпус. Если с момента создания МВТ2
сам прибор не подвергался каким-либо принципиальным изменениям (менялась марка теодолита угломерной части: ОТШ, Т5, 2Т5К),
то блок питания за эти годы совершенствовался неоднократно. Это
было связано, во-первых, с изменением ассортимента выпускаемых
промышленностью аккумуляторов, а во-вторых, – с совершенствованием схемы электронных преобразователей. С помощью преобразователя постоянный ток батарей преобразуется в трехфазный,
напряжением 30-36 В и частотой около 410 Гц.
41
Постоянный ток от аккумуляторных батарей первоначально поступает на стабилизатор постоянного напряжения,
который подает на преобразоваПуск
тель стабилизированное (т.е. поРабота
Выключено
стоянное по величине) напряжение батарей. Благодаря этому
создается постоянство условий
электропитания преобразователя,
а тем самым и ста- бильность
частоты трехфазного тока. Это, в
свою очередь, обеспечивает поРис.10. Панель блока питания МВТ-2
стоянную частоту вращения ротора ГМ, что имеет большое значение для точности работы гиротеодолита. При падении напряжения ниже рабочего уровня защитное
реле отключает блок питания. При этом гаснет контрольная лампочка или светодиод на верхней крышке
блока питания.
Управление преобразователем производится с помощью переключателя режимов работы, имеющего три положения: «Выключено», «Пуск», «Работа» (рис.10). В положении «Выключено» питание от батареи на преобразователь не подается. В положении
«Пуск» на гиромотор подается нестабилизированное напряжение с
повышенной силой тока в фазах, что обеспечивает быстрый разгон
ГМ. В режиме «Работа» на гиромотор подается стабилизированное
напряжение.
В блоках питания в зависимости от срока изготовления
приборов были установлены различные типы аккумуляторных
батарей. Так, в первых приборах использовалась аккумуляторная
батарея 10НКГ-3,5Д, состоящая из 10 последовательно соединенных герметичных никелево-кадмиевых аккумуляторов типа НКР,
предназначенных для применения в шахтах, опасных по газу и
пыли. Напряжение заряженной батареи 12,5 В, разряженной
10,5 В. Номинальная емкость батареи 3,5 Ач обеспечивается при
температуре от +15 до +25 С. При температуре от +15 до 0 С и
42
от +25 до +45 С емкость батареи понижается примерно на 10 %
от номинальной.
В более поздних выпусках приборов использовалась аккумуляторная батарея 6НКГК-1Д, состоящая из 6 последовательно соединенных герметичных никелево-кадмиевых аккумуляторов типа
НКГК. Напряжение заряженной батареи составляет 7,8 В, разряженной – 6 В. Номинальная емкость батареи 1 Ач.
Контроль режима электропитания гиромотора в блоках старого выпуска осуществлялся сигнальной лампочкой и по вольтметру-амперметру. Вольтметр-амперметр позволял контролировать
наличие тока в каждой фазе.
В блоках более позднего выпуска имеется только контрольный светодиод, который лишь сигнализирует о работе преобразователя, но не о возможных разрывах в цепях отдельных фаз. При работе с такими блоками питания нужно постоянно контролировать период колебаний ЧЭ при включенном гиромоторе.
4. ПРИВЕДЕНИЕ ОСИ ГИРОМОТОРА
В ПЛОСКОСТЬ МЕРИДИАНА
Как известно, в маркшейдерских гирокомпасах приведение
ЧЭ в меридиан осуществляется в период разгона ротора гиромотора.
Разгон ротора по заданному предварительно рассчитанному закону
обеспечивает существенное уменьшение амплитуды установившихся прецизионных колебаний ЧЭ (Ауст). Заданный режим разгона ротора реализуется специальным электроприводом.
Проведенные исследования влияния возмущений, действующих в процессе измерений на ЧЭ гирокомпаса, показывают, что
точность определения положения равновесия повышается с уменьшением начального отклонения ЧЭ в азимутальной плоскости, или
амплитуды Ауст. При работе с маркшейдерскими гирокомпасами,
имеющими, как правило, визуальный отсчет показаний, положение
равновесия в пуске определяется амплитудными способами, при использовании которых погрешность в определении положения равновесия прямо пропорциональна величине Ауст.
43
Для получения максимально
возможной для данного
Нmax
прибора точности необходимо
обеспечить малую амплитуду
установившихся прецессионных
Н(tп)
колебаний чувствительного элемента и малые углы закручивания
t0
tп
tк
t
подвеса. Для этого при работе с
прибором необходимо выполнить
Рис.11. Программа изменения
кинетического момента гиромотора
операцию предварительного ориентирования, т.е. необходимо
главную ось ГМ привести из произвольных (в общем случае) начальных условий, в зону, близкую к плоскости меридиана.
В основу функционирования маркшейдерских гирокомпасов
положено использование специального режима работы – режима
ускоренного приведения в меридиан. Этот режим работы реализуется с помощью момента инерционных сил – момента реакции статора
ГМ, возникающего в процессе изменения частоты вращения ротора.
Кинетический момент H(t) изменяется в процессе разгона
ротора ГМ по закону, представленному на рис.11. Такое его изменение достигается тем, что в начальный период разгона на асинхронный ГМ подается пониженное напряжение питания, а через время tп,
называемого временем переключения, напряжение повышается до
номинального значения. Время переключения выбирается таким образом, чтобы после окончания разгона ротора ГМ главная ось ЧЭ
находилась вблизи положения меридиана (рис.12). При этом амплитуда последующих прецессионных колебаний ЧЭ должна быть минимальной. Через время tк

кинетический момент станет величиной постоянной,
а амплитуда колебаний ЧЭ –
минимальной.
В асинхронных ГМ
2Ауст
t
характерной
особенностью
t0
tп
tк
режима питания является
Рис.12. Азимутальное движение ЧЭ
скачкообразный переход от
Н(t)
при приведении в меридиан
44
МВТ4
пониженного напряжения tп, c
на первой ступени разгона к
повышенному на второй
МВТ2
ступени, а также постоян70
ство частоты напряжения
МВБ4
питания в период разгона
ротора. Применяя асинхронный привод с жесткой
50
программой
изменения
напряжения питания ГМ,
нельзя не учитывать, что
даже высокая стабильность
20
0
20
40
60 
параметров источника питания сама по себе не может
обеспечить в полной мере Рис.13. Зависимость времени переключения tп
для различных гиростабильность механической от широты места работы
приборов
характеристики
разгона
Ω(t).
При изменении внешней температуры изменяется момент
трения в подшипниках ГМ, что приводит к нестабильности характеристики Ω(t). Температурная нестабильность приводит к отклонению
режима разгона от заданной программы. Следствием этого является
понижение точности приведения ЧЭ гирокомпаса в меридиан (точность приведения ЧЭ в меридиан оценивается по амплитуде Ауст установившихся после окончания разгона ГМ прецессионных колебаний).
Для малых ГМ, у которых момент трения в подшипниках
является преобладающим в общем моменте сопротивления, при
номинальном режиме питания снижение температуры внешней
среды приводит к уменьшению скорости разгона ротора. В практике применения гирокомпасов МВТ2 известны случаи, когда при
низких температурах и пониженном напряжении питания ротор
ГМ не разгонялся.
Точность и время приведения ЧЭ в меридиан зависят от широты φ места установки прибора. Чтобы уменьшить влияние изменения широты на точность приведения, необходимо с изменением
широты откорректировать время переключения tп блока питания ГМ
45
с режима «Пуск» на режим «Работа» (рис.13). Корректировка tп
должна обеспечить минимальное для данной широты значение Ауст.
Поскольку Ауст зависит также от качества балансировки ЧЭ, при изменении широты наряду с корректировкой tп следует изменить и балансировку ЧЭ.
5. СИСТЕМА МАГНИТНОЙ ЗАЩИТЫ
И ВЛИЯНИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
НА ПОЛОЖЕНИЕ ЧЭ
Гиротеодолиты, работающие как на земной поверхности, так
и в горных выработках, подвергаются воздействию магнитного поля
Земли, магнитных аномалий, электромагнитных волн вокруг силовых кабелей и линий. Влияние магнитного поля на показания гиротеодолита объясняется намагничиванием ферромагнитных деталей
ЧЭ, гироблока, а также электромагнитной индукцией.
Чувствительный элемент и гироблок прибора содержат некоторые детали, изготовленные из ферромагнитных материалов.
Большинство из них сосредоточено в гиромоторе. Детали из магнитожестких материалов, например из легированных сталей, попадая
первый раз в магнитное поле, намагничиваются, после чего в дальнейшем сохраняют свои магнитные свойства, обладая постоянным
по величине и направлению магнитным моментом. Детали же, изготовленные из мягких в магнитном отношении материалов (железо,
железоникелевые и железокремниевые сплавы), не обладают постоянной намагниченностью. Но каждый раз, попадая в магнитное поле, они намагничиваются, приобретая магнитный момент, значение
которого пропорционально напряженности этого поля.
Таким образом, ось гирокомпаса отклоняется от направления
меридиана, т.е. возникает погрешность. Причем в переменном магнитном поле она меньше, чем в постоянном.
К магнитным моментам, обусловленным намагничиванием
ферромагнитных деталей ЧЭ, добавляется момент, возникающий в
теле вращающегося ротора ГМ из-за электромагнитной индукции. В
результате взаимодействия указанных магнитных полей с остаточным внешним магнитным полем под экраном гироблока возникает
результирующий магнитный момент, приложенный к ЧЭ. Под воз46
действием этого момента будет определяться положение равновесия
свободных колебаний ЧЭ, зависящее от степени намагниченности
деталей гироблока и гиромотора. В связи с тем, что намагниченность зависит от ряда случайных факторов, положение равновесия
ЧЭ (ноль подвеса) меняется от пуска к пуску.
При прецессионных колебаниях магнитные воздействия на
ЧЭ будут несколько иными, чем при свободных колебаниях, поскольку будут иными значения и направления магнитных полей, а также
намагниченность отдельных деталей гироблока. Результирующий
магнитный момент, возникающий при прецессионных колебаниях
ЧЭ, складывается из моментов, обусловленных остаточной намагниченностью ЧЭ и деталей гироблока. Он искажает как свободные, так и
прецессионные колебания ЧЭ, а момент, создаваемый индуктивным
магнитным полем, – лишь прецессионные колебания.
Наиболее просто и надежно влияние внешнего магнитного
поля на показания гиротеодолита ослабляется до значения, практически не отражающегося на точности измеряемых азимутов, защитой ЧЭ магнитным экраном 13 (см. рис.8).
Под магнитным экранированием какой-либо области пространства понимается ослабление магнитного поля внутри этой области экраном, изготовленным из магнитомягких материалов. Экранирующее действие такой оболочки объясняется тем, что магнитный
поток внешнего поля, стремясь пройти по пути с наименьшим магнитным сопротивлением, концентрируется внутри стенок экрана,
почти не проникая во внутреннюю область.
Защитные качества экрана зависят от магнитной проницаемости материала, из которого изготовлен экран, от его формы и размеров, от числа экранирующих слоев. В качестве материала для изготовления магнитных экранов используются железоникелевые
сплавы – пермаллой марок 79НМ и 80НХС, который обладает высокими защитными качествами. К недостаткам пермаллоевых экранов следует отнести их особую чувствительность к ударам. Кроме того, с течением времени возможна потеря защитных качеств пермаллоевого
экрана в результате постепенной потери проницаемости при структурных изменениях, которые наблюдаются в железоникелевых сплавах.
47
Основной характеристикой защитных качеств магнитного
экрана является коэффициент экранирования, под которым понимается отношение напряженности внешнего поля к напряженности магнитного поля под экраном. Расчет магнитных экранов обычно ведется
исходя из условия, что максимально возможные в процессе эксплуатации гиротеодолита изменения внешнего магнитного поля не оказывают практически заметного влияния на точность измерения азимутов. В качестве исходной для расчета служит зависимость между изменением напряженности внешнего поля и показаниями гиротеодолита с неэкранированным чувствительным элементом.
Такую зависимость получают из специальных исследований
макетного образца прибора на установке, которая по конструкции аналогична кольцам Гельмгольца. Так, для гиротеодолитов типа Gi-B1
(Н = 0,4 (кгм2)/с) было установлено, что изменение напряженности
внешнего горизонтального магнитного потока на 0,1 Э искажает
азимут положения динамического равновесия неэкранированного
чувствительного элемента до 5'. Таким образом, если погрешности
этого рода ограничить 3-5 и вести расчет только на ослабление
влияний аномалий земного магнитного поля, то магнитные экраны в
приборах этого типа должны обладать коэффициентами экранирования, равными 2000-1200.
При уменьшении массы и габаритов гирокомпасов влияние
магнитного поля становится более существенным. Это объясняется
главным образом тем, что совершенствование маркшейдерских гирокомпасов неизбежно требует уменьшение кинетического момента
гиромотора, что ведет к увеличению магнитных погрешностей до
20 и более (табл.4).
Таблица 4
Магнитные погрешности неэкранированных маркшейдерских гирокомпасов
Показатель
Кинетический момент,
кгм2/с
48
М-3
МВ1
МВ2М
МВТ2
МВТ4
МВБ4
11
2,5
1,1
0,11
0,2
0,027
Максимальная магнитная
погрешность при напряженности магнитного поля
240 А/м, град.
2,3
8,0
9,1
21,9
12,4
21,0
Напряженность магнитного поля Земли в районе магнитных
аномалий может составлять 120 А/м и более. Еще большие значения
на шахтах имеют аномальные магнитные поля, вызванные технологическим процессом добычи полезного ископаемого. Здесь могут
быть зафиксированы значения 240-320 А/м.
6. ТОРСИОННЫЙ ПОДВЕС
Основой торсионных гирокомпасов является торсионный
подвес ЧЭ 6 (см. рис.8), состоящий из ленточек сплава К40НХМВТ
или 40КНХМВ, сложенных широкой гранью. Толщина ленты составляет 0,01 мм, ширина – 0,1 мм. Концы лент закреплены в двух
зажимах – верхнем и нижнем. Нижний зажим стопорным винтом
жестко крепится в верхней части ЧЭ, а верхний зажим закреплен в
регулировочном устройстве подвеса 7 (рис.8), расположенном в
верхней части корпуса гироблока.
Торсионный подвес состоит обычно из трех ленточек и обладает двухкратным запасом прочности (сопротивление на разрыв приблизительно 3,3 ГПа). Тем не менее, он очень чувствителен к резким динамическим ударам. Его обрыв происходит в дезарретированном состоянии при любом движении корпуса гиротеодолита. Это является, пожалуй, единственным недостатком торсионных гироприборов. При работе с ними нужно проявлять большую осторожность и внимание. В нерабочем положении прибор должен быть всегда арретирован.
7. ГИРОСКОПИЧЕСКОЕ ОРИЕНТИРОВАНИЕ.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИРОСКОПИЧЕСКОГО АЗИМУТА ГИРОКОМПАСОМ МВТ2
Определение гироскопического азимута состоит из трех основных операций:
 подготовка гирокомпаса к работе;
49
 определение гироскопического азимута исходной или ориентируемой стороны;
 подготовка гирокомпаса к транспортировке на новое место работы.
Для подготовки гирокомпаса МВТ2 к измерению необходимо:
1. Установить штатив для гирокомпаса на требуемую высоту, центрировать головку штатива нитяным отвесом относительно
точки, где выполняется центрирование. Вдавить ножки штатива и
отрегулировать высоту ножек так, чтобы плоскость головки штатива
расположилась горизонтально. Эту операция необходимо выполнять
с особой тщательностью, так как гирокомпас на штативе имеет небольшой диапазон перемещений.
2. Установить подставку гирокомпаса с угломерной частью
на штатив, закрепив его тремя накидными гайками.
3. Вынуть из футляра гироблок, вставить его в гнездо подставки так, чтобы защитное стекло гироблока находилось против
призмы на подставке, ввести выступы на гироблоке в байонетный
паз подставки, развернуть гироблок против хода часовой стрелки
(смотря сверху) и, дослав его вверх, закрепить гайкой соединительного устройства, повернув ее против хода часовой стрелки.
4. Отпустив закрепительный винт подставки, развернуть гироблок рукояткой ручного привода 4 (см. рис.5) так, чтобы призма 5
была направлена на запад с точностью 20°.
5. Подключить гироблок к блоку электропитания, вставив
вилку соединительного кабеля в розетку блока электропитания. Переключатель режима работы установить в положение «Ток фаз».
6. Горизонтировать прибор и произвести окончательное центрирование гирокомпаса при помощи подвижного кольца штатива,
которое затем следует зафиксировать закрепительными винтами.
Определение гироскопического азимута состоит из следующих последовательно выполняемых операций:
1) определение нулевого положения торсионного подвеса;
2) приведение оси гиромотора в плоскость меридиана;
3) определение положения равновесия ЧЭ и измерение примычного и ориентирного направлений;
50
4) вычисление гироскопического азимута ориентируемой
стороны.
Определение нуля торсионного подвеса производится из
наблюдений свободных колебаний ЧЭ (при невращающемся гиромоторе) следующим образом:
1. Наблюдая в окуляр 6 автоколлимационной системы (рис.5)
и вращая угломерную часть гирокомпаса, найти в поле зрения шкалы автоколлимационной трубки подвижный и неподвижный биссекторы (см. рис.7). Наводящим винтом угломерной части совместить
неподвижный биссектор с положением шкалы «40».
2. Освободить арретир чувствительного элемента поворотом
рукоятки арретира 2 (рис.5) по часовой стрелке таким образом, чтобы подвижный биссектор не выходил за пределы шкалы. Если подвижный биссектор выходит за пределы шкалы, необходимо в момент реверсии (остановки) ЧЭ совместить вращением рукоятки ручного привода подвижный и неподвижный биссекторы.
3. Определить нулевое положение торсионного подвеса n0.
Для этого еще раз уточняют положение шкалы «40» в неподвижном
биссекторе и наблюдают при помощи автоколлимационной системы
четыре последовательные точки реверсии колебаний движущегося
биссектора. Отсчет определяется с точность 0,1 деления шкалы. При
движении подвижного биссектора вправо отсчет в точке реверсии
берется по правому штриху (на рис.7 отсчет n равен 5,4), при движении влево – по левому. Отсчеты записываются в журнал наблюдений гироскопического ориентирования (табл.5).
Подсчитывают промежуточные значения отсчетов и, если
расхождение между ними не превышает 1, вычисляют среднее:
n0  (n1  2n2  n3 ) / 4 ; n0  (n2  2n3  n4 ) / 4 ; n0  (n0  n0 ) / 2 ,
где n1-n4 – отсчеты по шкале в точках реверсии.
Для приведения оси гиромотора в плоскость меридиана
необходимо:
1. Снять по лимбу 9 (рис.5) подставки начальный отсчет и
записать его значение в журнал.
2. Включить блок электропитания, повернув ключ, вставленный в переключатель режима работы, в положение «Пуск». Запу51
стить одновременно секундомер. Под стеклом электроизмерительного прибора должна загореться лампочка (в блоках питания первого выпуска). Если лампочка гаснет, необходимо заменить аккумуляторную батарею в блоке питания.
ВНИМАНИЕ! При включении запрещается, минуя положение «Пуск», ставить ключ в положение «Работа».
3. Поворачивая рукоятку ручного привода 4 (рис.5), непрерывно
отслеживать движущийся биссектор таким образом, чтобы его положение на шкале не отличалось от нуля торсиона более чем на 10 делений.
Таблица 5
ПУСК № 4
Гирокомпас № 056
Точка установки: 21
Точка визирования: 22
Дата: 9 июля 2004 г.
Наблюдал: Павлов С.П.
Вычислял: Хлебников А.В.
Начальный отсчет: 124 6
Конечный отсчет: 130
Положение равновесия ЧЭ
Номер
точки
реверсии
Время
1
0 мин 00 с
2
3
31
863100
84 47 12
3
4
5
6
7
10
00
30
86 30 24
84 47 06
Отсчеты
N1, N2, N3, N4
Место нуля подвеса
Промежуточные средние
N0, N0
N
48
40
30
40
42
40
36
853857
85 38 46
3,1
32,5
61,2
4,1
32,4
48
N
48
n0 = 32,4
40
54
41
00
40
57
52
32,4
Nк
854212
т
Примычное
направление
N = 484046
Гироскопический
азимут
Поправка за закручивание
n0
средние n0 , n 0
62,5
N0 = 85 38 52
48
Промежуточные
Отсчеты
n1, n2, n3, n4,
–0736
N
484046
85 42 12
к
+03 20
N0
85 38 52
–7,6
Nк
Nк
85 42 12
N – N0
323 01 54
N0
85 38 52
т +  к
D
–04 16
1
16,8
–00 00 15
к
+03 20

–00 15

Г
nк
40
n0 – nк
t
т = – 0736
323 01 39
4. Не прекращая отслеживания движущегося биссектора, по
истечении времени замедленного разгона tп переключить ключ блока электропитания в положение «Работа». Время переключения tп
указано в паспорте прибора. Паспортное значение tп необходимо откорректировать в зависимости от широты места работы (см. рис.13).
5. Общее время наблюдения движущегося биссектора tк = 2 мин.
По истечении этого времени прекратить отслеживание и закрепить
винт подставки.
6. Снять по лимбу подставки конечный отсчет и записать его
значение в журнал. Вычислить угол приведения как разность
начального и конечного отсчетов. Если значение угла приведения
превышает по абсолютной величине 20, арретировать ЧЭ и уточнить ориентирование гирокомпаса.
Если значение угла приведения в норме, положение равновесия ЧЭ определяют из наблюдений колебаний ЧЭ (с включенным
гиромотором). Эта операция совмещается по времени с измерением
примычного и ориентирного направлений и выполняется в следующем порядке:
1. Вращая алидаду угломерной части от руки, а перед точкой
реверсии – наводящим винтом, следят за движением ЧЭ, вводя
средний штрих шкалы «40» в движущийся биссектор.
2. В момент реверсии ЧЭ, когда движущейся биссектор останавливается, наводящим винтом угломерной части устанавливают
штрих шкалы «40» точно в середину биссектора. По секундомеру
фиксируют момент реверсии ЧЭ и берут отсчет по горизонтальному
кругу.
3. Записывают в журнал наблюдений (табл.5) время и отсчет
N1, соответствующие первой точке реверсии. Прибавляя к времени
первой точки полпериода (на широте Петербурга период колебаний
ЧЭ равен 7 мин), определяют приблизительное время второй точки
53
реверсии. Это время необходимо для того, чтобы заранее подготовится к наблюдению следующей точки реверсии.
4. После первой точки реверсии дважды измеряют и записывают в журнал ориентирное направление Nк – отсчет по горизонтальному кругу угломерной части, соответствующий положению
визирной оси зрительной трубы, при котором средний штрих шкалы
«40» совмещен с неподвижным биссектором. Расхождение между
этими отсчетами не должно превышать 6.
5. Не позднее чем за 40 с до начала второй точки реверсии
начинают отслеживать ЧЭ наводящим винтом теодолита (см.
пункты 1-2).
6. После второй точки реверсии N2 необходимо убедиться в
том, что значение угла к по абсолютной величине не превышает 2°:
к = Nк – Ncр,
где N к  N к  N к  / 2 ; N ср  N1  N 2  / 2 .
Если к  2, необходимо развернуть в соответствующую
сторону корпус гироприставки рукояткой ручного привода и взять
последующие четыре точки реверсии ЧЭ.
7. После третьей N3 и четвертой N4 точек реверсии измеряют
и записывают в журнал примычное направление на второй пункт
стороны. Примычное направление измеряется дважды при двух положениях трубы. Примычное направление может быть измерено и
после окончания наблюдений точек реверсий.
8. По ходу наблюдений производят необходимые вычисления и сравнивают с установленными допусками. Допустимые значения параметров и разностей двух направлений следующие:
54
Угол отклонения нулевого положения подвеса, деления шкалы
40
Разность промежуточных средних (при определении нуля торсиона), деления шкалы
1
Максимальный угол приведения оси гирокомпаса, град
20
Ориентирный угол к, град.
2
Наибольший размах (двойная амплитуда) гармонических колебаний ЧЭ, град.
6
Разность двух промежуточных средних (при определении поло-
30
жения равновесия ЧЭ), с
Разность двух определений гироскопического азимута стороны
Разность двух измерений примычного направления, с
3mг
30
9. Во всех случаях пропуска одной из четырех последовательных точек реверсий ЧЭ необходимо наблюдать дополнительно лишь одну – пятую точку, так как независимо от нарушения
последовательности четыре точки реверсии позволяют вычислить
два значения отсчета положения динамического равновесия (см.
приложение).
10. Убедившись, что полученные результаты соответствуют установленным допускам, арретируют ЧЭ, повернув рукоятку
арретира против часовой стрелки до срабатывания фиксатора.
Выключают блок электропитания, повернув ключ в положение
«Отключено».
8. ВЫЧИСЛЕНИЕ ГИРОСКОПИЧЕСКОГО АЗИМУТА
СТОРОНЫ
Все записи и вычисления при гироскопическом ориентировании выполняют в специальном журнале (табл.5).
1. Положение равновесия ЧЭ (при включенном гиромоторе)
вычисляют по формулам
N 0  N1  2 N 2  N 3  / 4 ; N 0  N 2  2 N 3  N 4  / 4 ;
N 0  N 0  N 0  / 2 ,
(1)
где N1 – N4 – отсчеты по угломерной части в точках реверсии ЧЭ.
2. Определяют поправку за закручивание подвеса

 т  к
,
D
(2)

mг – средняя квадратическая погрешность единичного определения гироскопического азимута.
55
где ψ т – отклонение нулевого положения подвеса от начального
положения корпуса; ψ к – ориентирный угол; D – добротность гирокомпаса.
Отклонение нулевого положения подвеса от начального положения корпуса
Ψт = t(n0 – nк),
(3)
где t – цена деления шкалы, устанавливается по паспорту прибора; n0 –
нулевое положение торсионного подвеса; nк – отсчет по шкале автоколлимационной системы, соответствующий положению неподвижного биссектора при определении нуля торсиона (обычно nк = 40).
Ориентирный угол
Ψк = Nк – N0,
где Nк – отсчет по лимбу угломерной части гирокомпаса, соответствующий положению визирной оси зрительной трубы, при котором
средний штрих («40») шкалы в поле зрения автоколлимационной
трубы совмещен с неподвижным биссектором, N к  N к  N к  / 2 .
3. Определяют гироскопический азимут стороны по формуле
Г = N – N0 + ,
(4)
где N – примычное направление; N0 – положение равновесия ЧЭ;  –
поправка за закручивание.
9. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИРЕКЦИОННОГО УГЛА СТОРОНЫ
ПОДЗЕМНОГО ПОЛИГОНА ГИРОКОМПАСОМ МВТ2
Гироскопическое ориентирование начинается с определения
«местной» поправки гирокомпаса. Для этого определяют гироскопический азимут стороны с известным дирекционным углом. Согласно инструкции [5], минимальная длина такой стороны должна
быть не менее 250 м. Эта поправка может быть определена двумя
способами.
В том случае, если ориентирование производится каждый раз
на новом месте, поправку определяют дважды перед спуском в шах56
ту и один раз – после выполнения гироскопического ориентирования горных выработок. Если все три значения гироскопического
азимута не отличаются друг от друга более чем 2', выводится среднее значение гироскопического азимута исходной стороны Г0. Поправка гирокомпаса вычисляется по формуле
м = 0 – Г0,
(5)
где 0 – дирекционый угол исходной стороны.
Второй способ определения поправки применяют, как правило, при сравнительно большом объеме разовых работ на одном
объекте. Поправку определяют методом скользящего среднего – как
среднее арифметическое из четырех определений, включая контрольные, часть из которых непосредственно предшествовала ориентированию стороны, а другая часть получена после выполнения
ориентирования. При первичном определении текущей поправки
два-три определения производят до определения азимутов ориентируемых сторон и одно-два – после.
В дальнейшем после каждого этапа работ проводят одно
контрольное определение, а значение текущей поправки вычисляют как среднее из четырех последних определений, включая последнее контрольное к. Пример вычисления текущей поправки
приведен в табл.6.
Таблица 6
Ведомость вычисления текущей поправки
Исходная сторона – XI-XII, 0 = 240 05 07
Дата
Номер пуска
Г0
к = 0 – Г0
т
11.07.04
15
2411054
–10547
–
12.07.04
16
241 11 40
–1 06 33
–
14.07.04
18
241 11 03
–1 05 56
–
16.07.04
19
241 11 50
–1 06 43
–10615
19.07.04
23
241 11 20
–1 06 13
–1 06 21
03.09.04
27
241 11 34
–1 06 27
–1 06 20
57
При вычислении разовой или текущих поправок может быть
использована только такая серия единичных определений поправки,
в которой разность значений любых двух единичных поправок не
превышает 3mг.
При несоблюдении установленного допуска при определении разовой поправки гироскопические азимуты исходной и всех
ориентируемых сторон в шахте определяются заново.
При несоблюдении установленного допуска при определении текущей поправки сразу после контрольного определения производят два дополнительных определения. Если дополнительные
контрольные определения вместе с ранее полученными значениями
поправки будут соответствовать установленному допуску, то определение, вышедшее за пределы допуска, при вычислении текущей
поправки не учитывают. Если дополнительные контрольные определения вместе с ранее полученными значениями поправки не будут
соответствовать установленному допуску, то пуски на ориентируемых сторонах, выполненные после предыдущего определения, в
расчет не принимают.
В горных выработках гироскопический азимут определяемой
стороны вычисляют 2 раза. Минимальная длина определяемой стороны должна быть не менее 50 м. Значение дирекционного угла стороны вычисляется по формуле
 = Г + м + у,
(6)
где у – поправка за разность сближения меридианов.
Порядок вычисления дирекционных углов сторон подземного полигона приведен в примере.
1. Вычисляют и записывают в формуляр поправку гирокомпаса МВТ2 № 056 на стороне 21-22:
58
Г0
13°0140
Журнал 3, с. 4, 5
Г0
13 01 34
Журнал 3, с. 10
Г0
13 01 37
0
11 27 52
Г0
13 01 37
Исходные данные
м
–1 33 45
Здесь Г 0 – средний гироскопический азимут исходной стороны, определенный до спуска в шахту; Г 0 – гироскопический азимут стороны, определенный после работ в горных выработках; Г0 –
среднее значение гироскопического азимута исходной стороны,
Г0 = ( Г 0 + Г 0 )/2;
(7)
0 – дирекционный угол исходной стороны; δм – поправка гирокомпаса, δм = α0  Г0.
2. Определяют поправки за разность сближения меридианов δγ:
Пункт
Y0, км
Y, км
Y0 – Y, м


22-31
22-YI
4,6
5,2
–0,6
4,4
+0,2
53,6
–032
+011
Здесь Y0 и Y – ординаты точек установки гирокомпаса соответственно на исходной и определяемой стороне; μ = 32,23tgφ; φ –
широта местности.
Тогда
δγ = μ(Y0 – Y).
(8)
3. Вычисляют дирекционные углы сторон подземной маркшейдерской сети
Сторона
Г
Г
Г
м
Г + м


М
31-32
17°4411
17 44 45
17 44 28
–1 33 45
16 10 43
–0 00 32
16 10 11
YI-YII
339°04'12
339 03 42
339 03 57
–1 33 45
337 30 12
+0 00 11
337 30 23
0 00 17
0 00 15
59
Здесь Г и Г гироскопические азимуты ориентируемых сторон; Г – среднее значение гироскопического азимута сторон,
Г = (Г + Г)/2;
(9)
 – дирекционный угол ориентируемой стороны; М – погрешность
определения дирекционного угла,
1
d 02  d 2 ;
2
d0 = Г 0 – Г 0 ; d = Г – Г.
M  
(10)
(11)
10. МАРКШЕЙДЕРСКИЙ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНЫЙ
ГИРОКОМПАС МВГ1
В 1991 г. на горных предприятиях нашей страны появился гирокомпас МВГ1 – результат совместной работы ВНИМИ и венгерского предприятия «МОМ». Гирокомпас МВГ1 имеет современный дизайн и рациональную компоновку узлов и блоков (рис.14), обладает
хорошими характеристиками для приборов этого класса 2:
Средняя квадратическая погрешность измерения горизонтального угла теодолитом ТеЕ6, с, не более
7
Увеличение зрительной трубы, крат
18
Средняя квадратическая погрешность определения азимута,
с, не более
30
Продолжительность пуска гирокомпаса (на широте 60), при
четырех точках реверсии, мин, не более
15
Количество пусков от заряженной аккумуляторной батареи,
не менее
12
Продолжительность измерения нулевого положения подвеса
при четырех точках реверсии, мин, не более
4
Период свободных колебаний, с, не менее
90
Период прецессионных колебаний на широте 60, мин
2,9
Условия эксплуатации:
Температура окружающей среды, С
Широта места установки, град, не выше
60
От 10 до 35
70
Относительная влажность воздуха (с конденсацией
влаги), 
982
Допускаемая концентрация метана, , не более
Уровень защиты блока
2
РВ1В
Масса, кг, не более:
гироблока
гироблока в футляре
угломерной части
угломерной части в футляре с принадлежностями
штатива
9
12
3
6
6
61
Гирокомпас МВГ1 выполнен в виде двух конструктивных
модулей:
гироблока 14
9
(рис.14) и угломера 9, каждый из
8
которых при транспортировке
размещается в отдельном футля7
10
ре. В комплект гирокомпаса вхо11
6
дят также оптический центрир
12
типа К814 и стандартный штатив
для теодолита.
13
Гироблок состоит из двух
14
частей: взрывобезопасного поворотного корпуса 14 и неподвиж5
ной подставки 1 (рис.14), кото4
рые связаны между собой меха15
низмом ручного привода. Гра16
ница раздела между этими дву3
мя частями проходит по шкале 3
2
17
с ценой деления 5 (сама шкала
1
находится на подставке). Кор18
пус поворачивается вокруг вертикальной оси на 360 наблюдаРис.14. Гирокомпас МВГ1
телем с помощью двух рукояток
2 – рукоятка ручного привода;
ручного привода 2. Разворот по- 13 –– подставка;
шкала подставки; 4 – включатель блока
воротного корпуса относительно питания; 5 – блок светодиодов; 6 – закрепинеподвижного
может
быть тельный винт угломерной части; 7 – барабан
микрометра; 8 – переключатель
определен по круговой шкале с оптического
оптического микрометра; 9 – угломерная
точностью 1-2. После выпол- часть; 10 – зеркало подсветки; 11 – наводящий винт угломерной части; 12 – блокиронения операции приведения оси вочный
винт; 13 – защитное стекло гироблока;
гиромотора в плоскость мериди- 14 – гироскопическая часть (внешний корана поворотный корпус фикси- пус); 15 – соединительное кольцо; 16 – рукоарретирного устройства; 17 – закрепируется с помощью закрепитель- ятка
тельный винт подставки; 18 – подъемные
ного винта 17. Подставка уставинты подставки
навливается на головке штатива,
закрепляется становым винтом и горизонтируется с помощью
трех подъемных винтов 18.
62
В состав гироблока
также
входят:
арретирное
7
11
устройство, электронный преобразователь, аккумуляторная
6
батарея, магнитный экран, бло1
кировочный ключ 12 (рис.14),
5
призма 15 (рис.15), блок светодиодов 5 (см. рис.14), включа12
тель питания 4.
4
13
Для
регулирования
14
«Места нуля» подвеса, балансировки ЧЭ и других работ
15
3
наружный корпус гироблока 14 (рис.14) может быть
2
16
снят. Для этого необходимо
снять рукоятку арретира, от1
вернуть соединительное кольцо 15, осторожно приподнять
корпус и отсоединить разъем
Рис.15. Оптическая схема МВГ1
электрического кабеля.
1 – защитное стекло; 2 – торсионный подвес;
Арретирное устройство
3 – верхний узел крепления торсионного подвеса; 4 – шариковый опорный подшипник осевой
предназначено для жесткого
системы; 5 – объектив теодолита; 6 – фокусирусоединения ЧЭ с корпусом и
ющая линза; 7 – блок призм подсветки шкалы
состоит из арретирных втулок,
автоколлиматора; 8 – шкала; 9 – окуляр; 10 –
сетка нитей; 11 – блок призм автоколлимационконического колеса и рукоятки
ной системы в ЗТ; 12 – подсветка теодолита;
арретира с конической шесте13 – блок призм автоколлимационной системы
в хвостовике теодолита; 14 – зеркало, связанное
ренкой. Арретирные втулки
с корпусом; 15 – трапециевидная призма АК;
соединены с коническим коле16 – зеркало на ЧЭ
сом и перемещаются поступательно вверх и вниз, надежно фиксируя ЧЭ при вращении колеса вокруг вертикальной оси. Коническое колесо наблюдатель вращает рукояткой арретира 16 (рис.14). На верхней арретирной втулке расположены два ограничителя, обеспечивающие при арретировании установку ЧЭ в горизонтальной плоскости так, чтобы одноименные
штрихи неподвижной и движущейся шкал были смещены не более
чем на 20 делений (аналогичное устройство описано в гирокомпасе
8
9
10
63
МВТ2). При освобождении арретирного устройства ограничители
обеспечивают свободу колебаний ЧЭ с амплитудой 10.
При хранении и транспортировании МВГ1 блокировочный
ключ 12 должен находиться в наружном корпусе гироблока. После
установки угломерной части на гироблок ее закрепляют поворотом
блокировочного ключа, а ключ вынимают и вставляют в рукоятку
арретира, которая не может повернуться до разворота блокировочного ключа. После разворота ключа рукоятку арретира поворачивают и освобождают арретирное устройство. По окончании работы
операция повторяется в обратном порядке.
Внутри поворотного корпуса по его вертикальной оси с помощью торсионного подвеса 2 (рис.15) закреплен гироскопический
маятниковый чувствительный элемент, представляющий собой полую штангу, в нижней части которой закреплен гиромотор, а в верхней – зеркало 16 (рис.15) для наблюдения за колебаниями ЧЭ. Для
исключения влияния внешних магнитных полей внутри корпуса
установлен магнитный экран из пермаллоя.
Торсионный подвес состоит из трех лент, сложенных широкой гранью и обеспечивающих подвешивание и центрирование ЧЭ.
Концы лент закреплены в двух зажимах. Нижний зажим жестко
крепится в верхней части ЧЭ, а верхний – закреплен в регулировочном устройстве подвеса 3 (рис.15), расположенном в верхней
части корпуса.
Электрическая связь блока питания с ЧЭ осуществляется через шесть маломоментных ленточных токоподводов (по две ленты
на фазу), изогнутых в виде полуокружностей. Внутри штанги расположены провода, подводящие электропитание от ленточных токоподводов непосредственно к гиромотору. В ЧЭ установлен асинхронный ГМ, развивающий скорость около 7000 об/мин.
Блок питания МВГ1 вмонтирован в гироблок, что исключает
внешнее кабельное соединение (источник многих неполадок при
работе с гирокомпасом МВТ2), и состоит из электронного преобразователя и аккумуляторной батареи типа 2НКГК-11Д. Электронный
преобразователь представляет собой единый модуль, состоящий из
двух печатных плат, закрепленных на съемном корпусе. Он включает в себя преобразователь постоянного напряжения и статический
64
преобразователь. Преобразователь постоянного напряжения повышает напряжение аккумуляторной батареи с 2,5-2,12 до 30-24 В, а
статический преобразователь преобразует его в трехфазное (18 В,
250 Гц) и обеспечивает разгон ротора гиромотора по заданной программе для ускоренного приведения оси ГМ в меридиан и питание
ГМ в установившемся режиме работы. Сила постоянного тока, потребляемого от батареи в установившемся режиме работы, не превышает 2 А, а при разгоне гиромотора – 3,8 А.
Управление блоком питания осуществляется включателем 4
(рис.14), расположенным в наружном корпусе гироблока. Контроль
за работой блока питания выполняется с помощью блока светодиодов 5. Он расположен в наружном корпусе и состоит из прозрачной
втулки с двумя светодиодами. При включении блока питания должен загореться зеленый светодиод, сигнализирующий о нормальной
работе; при уменьшении напряжения аккумуляторной батареи ниже
2,1 В загорается красный светодиод.
В комплект МВГ1 входит разрядно-зарядное устройство. Зарядка аккумуляторной батареи осуществляется через кабельный
разъем, находящийся с противоположной стороны от включателя и
закрытый специальной заглушкой. Для заряда аккумуляторов необходимо подключить кабель устройства к разъему, разрядить их до
напряжения 2 В (при достижении батареей напряжения 2 В устройство отключается автоматически), а затем переключить устройство
на заряд. Через 12 ч батарея будет автоматически отключена от зарядного устройства и готова к работе.
Программное регулирование выходного напряжения, требуемого для реализации режима ускоренного приведения оси гиромотора в меридиан, осуществляется с помощью электронных систем
регулирования. При изменении напряжения аккумуляторной батареи (не ниже минимального значения) или колебаниях тока нагрузки
его питание регулируется с помощью компаратора, введенного в
схему блока питания. В случае падения напряжения батареи ниже
минимального значения схема контроля разряда отключает блок питания. Неопытные наблюдатели могут не заметить этого, поэтому в
процессе наблюдения точек реверсии ЧЭ необходимо контролировать период прецессионных колебаний. Его отклонение от паспорт65
ного значения будет свидетельствовать о том, что ГМ не развивает
рабочих оборотов. Причина этого может быть и в неисправности
самого блока питания.
Переключение преобразователя из режима «Пуск» в режим «Работа» производится автоматически по таймеру. Это создает дополнительные удобства, так как оператор может работать
с гирокомпасом без помощника. Изменение времени переключения выполняется при изменении места работы по широте более
чем на 2.
Угломером гирокомпаса является специально приспособленный для этой цели теодолит ТеЕ6 фирмы «МОМ». В конструкцию
теодолита были добавлены автоколлимационный окуляр и 90градусная призма 13 (рис.15) в хвостовике. При работе теодолита с
гироблоком его хвостовик устанавливают в гнездо наружного корпуса гироблока и закрепляют с помощью блокировочного ключа 12
(рис.14). Однозначность установки теодолита обеспечивается штифтовым соединением.
Автоколлимационный окуляр позволяет осуществлять визирование на местности, а также наблюдение за свободными и прецессионными колебаниями ЧЭ. Автоколлимационный окуляр работает
следующим образом. При установке зрительной трубы в вертикальное положение световые лучи, пройдя через осветительную систему 12 (рис.15) и блок призм подсветки 7, проходят через шкалу 8.
Далее они попадают на полупрозрачную призму 11, изменяют свое
направление на 90, проходят через объектив 5, защитное стекло 1 и
поворотную призму в хвостовике теодолита 13. Часть лучей, попав
на неподвижное зеркало 14, отразится от него и будет видна оператору в окуляре 9 в виде неподвижной шкалы 3 (рис.16). Другая часть
лучей пройдет через призму 15 (см. рис.15) и попадет на зеркало 16
на ЧЭ. Для наблюдателя они будут представлены в виде подвижной
шкалы 1 (рис.16). При этом всегда будет наблюдаться и вертикальная сетка нитей 2. Стеклянная пластинка с сеткой нитей 10 (рис.15)
находится между окуляром 9 и поворотной призмой.
При проведении работ по ориентированию гироблок устанавливают на одной из точек ориентируемой стороны на стандартном штативе теодолита. Центрирование гироблока над точкой осу66
1
2
+3 +2+1+0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9
3
99 + 8 + 7 + 6 + 5 + 4 + 3 + 2 + 1 + 0 - 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7 - 8 - 9
Рис.16. Автоколлимационные шкалы
1 – подвижная шкала; 2 – сетка нитей зрительной трубы; 3 – неподвижная шкала
ществляется с помощью шнурового отвеса, а под точкой – с помощью оптического отвеса К814.
Оптический отвес с цилиндрическим уровнем является независимой конструкцией, устанавливаемой в верхней части гироблока
в гнезде со стандартными размерами. После центрирования и горизонтирования гироблока в это гнездо вместо оптического отвеса
устанавливают хвостовик теодолита.
Точное визирование зрительной трубой теодолита производят с помощью бесконечного наводящего винта горизонтального
круга 11 (рис.14), горизонтальный круг закрепляют закрепительным
винтом 6.
Считывание информации с лимбов производится с помощью
оптического одностороннего микрометра. Для снятия отсчета с горизонтального лимба переключатель 8 (рис.14) необходимо установить в горизонтальное положение, а при снятии с вертикального
лимба – в вертикальное. При работе на поверхности лимбы и автоколлимационную шкалу освещают с помощью зеркала подсветки 10
(рис.14), в шахтных условиях необходимо использовать шахтерскую
лампу. Отсчетная система горизонтального круга включает оптический микрометр, с внешнего барабана 2 (рис.17) которого можно
считывать минуты и секунды углового отсчета после совмещения

Центрирование МВГ1 под точкой может быть выполнено и традиционным способом – с помощью шнурового отвеса.
67
прямого и обратного изобра1
жений лимба 1. Эти изображе2
ния перемещаются в противоположных направлениях с помощью барабана оптического
микрометра, в результате чего
в пределах одного деления
Рис.17. Отсчетная система
совпадение штрихов происхо1
–
поле
зрения окуляра отсчетной системы;
дит через каждые 10', поэтому
2 – барабан оптического микрометра
видимый в поле зрения шаг
Отсчет: 1240  0619  124619
шкалы составляет 10'.
Считывание выполняется по главным попарно оцифрованным делениям, появляющимся в средней части поля зрения. Из
главных делений над разделительной линией, значения которых
возрастают слева направо, выбирают то, обратное изображение которого (под разделительной линией) располагается справа от него;
это деление – отсчет в градусах. Количество десятков минут считывают над разделительной линией между выбранным главным делением и его обратным изображением, а отсчет в минутах и секундах –
по барабану микрометра. Десятиминутному делению изображения
на барабане микрометра соответствует 10 главных оцифрованных
делений, каждое из которых имеет шесть делений. Таким образом, с
микрометра непосредственно считывают минуты, десятки секунд, а
с визуальной оценкой – и секунды.
При установке зрительной трубы в вертикальное положение
можно определить следующие величины:
 нуль-пункт ЧЭ;
 положение равновесия прецессионных колебаний ЧЭ;
 постоянную поправку угломерной части гирокомпаса.
Теодолит может быть использован без гироблока для измерения углов. Для этой цели в комплекте имеется стандартная
подставка.
Методика определения гироскопического азимута гирокомпасом МВГ1 ничем не отличается от МВТ2. Кинематическая схема
МВГ1 позволяет обеспечить прецессионные колебания ЧЭ с амплитудой не более 3 даже при 20-градусной погрешности предвари68
тельного ориентирования. При проведении измерений используют
шкалы (цена деления t = 30) в поле зрения автоколлимационного
окуляра зрительной трубы теодолита. Подвижная шкала дает возможность определить отсчет n0, а неподвижная шкала – отсчет nк,
соответствующий положению угломера относительно корпуса гироблока.
Приведение оси гиромотора в плоскость меридиана осуществляется с помощью специального режима, который предполагает ускоренный разгон ротора гиромотора. При отклонении оси вращения ротора от меридиана на угол не более 20 обеспечивается автоматический приход ЧЭ в меридиан с точностью 2. Время ускоренного приведения ЧЭ и разгона ротора до номинальной частоты
вращения не превышает 2 мин.
11. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИРОСКОПИЧЕСКОГО АЗИМУТА
ГИРОКОМПАСОМ МВГ1
Выполнение пуска на точке установки включает следующие
основные операции:
 установку гирокомпаса на определяемой точке;
 определение нулевого положения торсионного подвеса;
 приведение оси гиромотора в плоскость меридиана;
 определение положения равновесия прецессионных колебаний ЧЭ;
 измерение примычного направления и ориентирного
направления;
 вычисление гироскопического азимута стороны;
 подготовку гирокомпаса к транспортировке.
При работе с гирокомпасом МВГ1 следует соблюдать допустимые значения величин:
Разность «Места нуля» подвеса и «Места нуля корпуса» (по шкале)
nк – п0, дел. шкалы
60
Разность двух промежуточных средних определения «Места нуля»
подвеса n0 – n0 , дел. шкалы
2
69
Угол приведения Ан – Ак, град., не более
20
Двойная амплитуда прецессионных колебаний N1 – N2, град., не более
6
Разность двух измерений «Места корпуса» N к – N к , с
20
Разность двух промежуточных средних при определении положения
равновесия прецессионных колебаний ЧЭ N 0 – N 0 , с
30
Угол закручивания подвеса к, град.
2
Разность двух измерений примычного направления при «Круге слева» N 0 – N 0 , с
30
Разность двух определений гироскопического азимута стороны Г – Г
3mг
11.1. УСТАНОВКА ГИРОКОМПАСА
Установку гирокомпаса необходимо производить в следующем порядке:
1. Установить штатив над (под) точкой стоянки таким образом, чтобы середина головки штатива приблизительно находилась
над точкой, а сама головка занимала горизонтальное положение.
При выборе высоты установки МВГ1 следует учитывать, что
окуляр теодолита располагается от головки штатива на расстоянии
60-65 см, и наблюдать колебания ЧЭ необходимо через зрительную
трубу теодолита, расположенную в вертикальном положении.
2. При нижнем центрировании вынуть из футляра и вставить
в становой винт крючок для шнурового отвеса и повесить отвес.
3. Извлечь из футляра гироблок, установить его на штатив и
закрепить становым винтом.
4. При центрировании под точкой можно использовать оптический центрир.
5. Горизонтировать гироблок с помощью уровня оптического
отвеса, слегка отвернув становой винт штатива, одновременно перемещая гироблок до тех пор, пока центр оптического центрира не
совпадет с точкой. После этого затянуть становой винт штатива и
снять оптический отвес с гироблока.
6. Вынуть теодолит из футляра, вставить его хвостовик в
гнездо гироблока и, вращая теодолит, добиться совмещения ориен70
тирующего штифта с отверстием в теодолите. Закрепить теодолит,
повернув блокировочный ключ до упора.
7. Произвести окончательное центрирование и горизонтирование гирокомпаса по уровню на алидаде теодолита.
8. Проверить фокусировку зрительной трубы. Для этого
установить зрительную трубу на светлый фон и вращением окуляра добиться четкого изображения сетки нитей. После этого
навести зрительную трубу на предмет с отчетливым контуром и
вращением фокусирующего кольца получить его четкое изображение на сетке нитей.
9. Произвести ориентирование гирокомпаса, для чего, установив трубу в вертикальное положение, разворотом алидады найти в
поле зрения автоколлимационное изображение шкал, закрепить алидаду и рукояткой ручного привода развернуть зрительную трубу при
«Круге слева» на север (рукоятка включения преобразователя при
этом направлена на юг).
11.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НУЛЕВОГО ПОЛОЖЕНИЯ
ТОРСИОННОГО ПОДВЕСА
Определение нулевого положения подвеса необходимо производить в следующем порядке:
1. Установить зрительную трубу строго в вертикальное положение, вращая теодолит вокруг вертикальной оси, найти изображения шкал и с помощью наводящего винта теодолита совместить вертикальную сетку нитей со штрихом «0» неподвижной
шкалы (см. рис.16).
2. Вынуть блокировочный ключ из гнезда на корпусе гироблока, вставить в гнездо на рукоятке арретира и развернуть ключ
против часовой стрелки до упора. Наблюдая в зрительную трубу,
освободить арретирное устройство ЧЭ, плавно поворачивая рукоятку арретира по часовой стрелке до упора.
3. Подвижная шкала должна колебаться в пределах вертикального штриха сетки нитей. Если этого не наблюдается, необходимо уменьшить амплитуду колебания подвижной шкалы. Этого
можно добиться, совместив в момент точки реверсии одноименные
71
штрихи подвижной и неподвижной шкал с помощью рукоятки ручного привода.
4. Наблюдать за движением подвижной шкалы и записать в
журнал наблюдений (табл.7) отсчеты n1, n2, n3, n4, соответствующие
четырем последовательным точкам реверсии. Отсчеты берут с точностью до десятых долей шкалы (на рис.16 отсчет n = 58,0). Взять
также отсчет nк по неподвижной шкале (обычно nк = 0).
Таблица 7
Вычисление гироскопического азимута
Точка установки: 15
Наблюдатель: К.М. Лебедев
Дата: 8 июня 2004 г.
Гирокомпас: МВГ1 № 35
Точка визирования: 17
Вычислитель: Ю.И. Орлов
Начальный отсчет Ан = 12
Конечный отсчет Ак = 19
Угол приведения: 7
Положение равновесия ЧЭ
Нуль торсиона
Номер
точки
реверсии
Время,
мин, с
1
00 00
8
34
45
2
02 55
10
10
00
092230
–24,0
+11,8
3
05 50
08
35
15
09 22 34
+47,0
+11,6
4
08 45
10
09
45
Промежуточные средние
Отсчеты
N1, N2, N3, N4
N 0 , N 0
N0
Отсчеты n1,
n2, n3, n4
Промежуточные средние
n1 , n1
+48,0
–23,5
n0
092232
+11,7
Примычное направление
N = 243755
N = 243745
N = 243750
Гироскопический
азимут
Поправка за закручивание
nк
0
N к
100135
т
–551
N
243750
n0
+11,7
N к
10 01 31
к
+39 01
N0
9 22 32
nк – n0
–11,7
Nк
10 01 33 т + к
+33 10
N – N0
15 15 18
t
30
N0
9 22 32
D
6,1

+05 25
т
–0551
к
+39 01

+05 26
Г
15 20 44
72
Если разность nк – n0 будет превышать по шкале 60 делений,
необходимо исправить место нуля.
5. Вычислить положение равновесия свободных колебаний
по той же самой формуле, что и при работе с МВТ2.
Если разность двух промежуточных средних n0 – n0 при
определении места нуля подвеса будет более двух делений шкалы,
следует дополнительно наблюдать точки реверсии свободных колебаний и вычислить место нуля подвеса по четырем последовательным точкам реверсии, в которых ( n0 – n0 ) < 2 делений.
11.3 ПРИВЕДЕНИЕ ОСИ ГИРОМОТРА В ПЛОСКОСТЬ МЕРИДИАНА
Приведение ЧЭ в меридиан необходимо производить в следующем порядке:
1. Записать в журнал наблюдений отсчет по шкале подставки Ан.
2. Включить электропитание преобразователя, повернув выключатель против часовой стрелки до упора, при этом должен загореться зеленый светодиод.
Для контроля времени разгона гиромотора, равного 2 мин, одновременно с включением электропитания включается секундомер.
3. Отслеживать в течение времени разгона ГМ (2 мин) движение ЧЭ разворотом корпуса гироблока, совмещая штрих «nк»
подвижной шкалы со штрихом сетки. По окончании времени приведения прекратить отслеживание и закрепить механизм ручного
привода при помощи закрепительного винта. Записать в журнал
наблюдений отсчет по шкале подставки Ак. Значение угла приведения (Ан – Ак) не должно превышать 20.
Если угол приведения будет более 20, а размах прецессионных колебаний не более 6, следует продолжить пуск; если размах
прецессионных колебаний будет превышать 6, следует выключить
прибор, уточнить ориентирование и повторить пуск.
73
11.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАВНОВЕСИЯ
КОЛЕБАНИЙ ЧЭ
Методика определения положения равновесия прецессионных колебаний ЧЭ гирокомпаса МВГ1 ничем не отличается от аналогичной методики гирокомпаса МВТ2. Разница заключается в том,
что определение точек реверсии выполняется с помощью подвижной шкалы и вертикальной сетки нитей зрительной трубы. В момент
остановки подвижной шкалы необходимо совместить разворотом
алидады вертикальный штрих сетки нитей со штрихом «0». Для вычисления положения равновесия ЧЭ необходимо определить четыре
точки реверсии.
Второе отличие в методике определения гироазимута гирокомпасом МВГ1 касается измерения примычного направления.
Примычное направление измеряется дважды при одном положении
вертикального круга.
12. ВЫЧИСЛЕНИЕ ГИРОСКОПИЧЕСКОГО АЗИМУТА
Все записи и вычисления при гироскопическом ориентировании делают в специальном журнале. Форма журнала и порядок его заполнения идентичен заполнению журнала ориентирования с помощью МВТ2 (см. табл.5). Лишь отклонение нулевого
положения подвеса от начального положения корпуса определяется иначе:
т = t(nк – n0),
где t – цена деления шкалы (30); nк – отсчет по неподвижной
шкале, соответствующий положению сетки нитей при наблюдении колебаний ЧЭ (обычно nк = 0); n0 – положение равновесия ЧЭ
(нуль подвеса).
74
13. ПРОВЕРКИ, ЮСТИРОВКИ
И РЕГЛАМЕНТНЫЕ РАБОТЫ
В процессе работы с гирокомпасами необходимо периодически выполнять регламентные работы и юстировки. Только при их
правильном и своевременном выполнении гироскопические приборы работают надежно и с достаточной точностью. Регламентные
работы должны выполнять самостоятельно специалисты, эксплуатирующие данные приборы.
13.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОБРОТНОСТИ ГИРОКОМПАСА
Добротностью гирокомпаса D на данной широте называется
отношение максимального направляющего момента Мн к моменту
кручения торсионного подвеса и токоподводов гирокомпаса mкр, закрученного на угол, равный 1 рад:
D  M н ( max ) / mкр .
Добротность торсионного подвеса гирокомпаса МВТ2, состоящего из трех ленточек К40НХМВТ или 40КНХМВ, колеблется
от 13 до 22. Так называемые «жесткие подвесы» могут иметь добротность приблизительно 4-6. Чтобы вычислить поправку за закручивание торсионного подвеса, добротность необходимо определять
для каждого прибора индивидуально по формуле (2).
Для определения значения добротности гирокомпаса необходимо выполнить следующие операции:
1. Установить гирокомпас на штатив, выполнить его горизонтирование и ориентирование, подключить блок питания.
2. Отпустив закрепительный винт подставки, развернуть гироприставку рукояткой ручного привода таким образом, чтобы
смотровое окно автоколлимационной системы на подставки было
направлено на запад с точностью около 20.
3. Привести ось гиромотора в плоскость меридиана (в течение 2 мин, по методике, принятой при гироскопическом ориентировании).
75
4. Определить положение равновесия ЧЭ при повороте гироприставки. Для этого необходимо выполнить следующие операции:
 плавно повернуть гироприставку рукоятками ручного привода по часовой стрелке на 5 (по шкале подставки) и закрепить закрепительный винт;
 определить три последовательные точки реверсии ЧЭ (N1,
N2, N3) и вычислить по ним промежуточное среднее N 0 :
N 0 
N1  2 N 2  N 3
;
4
(12)
 измерить направление N1 на примычную точку;
 отпустив закрепительный винт подставки, плавно повернуть гироприставку на 10 против часовой стрелки и зафиксировать
закрепительный винт;
 определить еще три последовательные точки реверсии
и аналогичным образом определить по ним положение равновесия ЧЭ N 0 ;
 арретировать ЧЭ, выключить блок питания;
 измерить направление N2 на ту же самую примычную точку.
Вычислить по результатам наблюдений в первом пуске добротность D1:
D1 
N 0  N 0
.
N1  N 2  N 0  N 0
(13)
Аналогично произвести второй пуск и определить добротность D2, при этом после приведения ЧЭ в меридиан, в отличие от
первого пуска, повернуть гироприставку вначале на 5 против часовой стрелки, а затем на 10 – по часовой стрелке. Вычислить добротность D2 из наблюдений во втором пуске по формуле (13). Допустимое расхождение между D1 и D2 определяется по формуле
(D1 – D2)  0,05D.
При допустимом расхождении D1 и D2 вычислить среднее
значение D.
76
Определение добротности необходимо производить:
 для контроля (не реже одного раза в три месяца);
 после выполнения балансировки ЧЭ;
 после замены подвеса или токоподводов;
 при изменении места работы;
 после замены гиромотора, ремонта преобразователя.
В первом случае добротность (Dн) необходимо определить
один раз и сравнить со старым (Dс) значением.
Если разность (Dн – Dс)  0,03D за окончательное значение
следует принять вновь полученное.
Если разность (Dн – Dс)  0,03D произвести второе определение добротности и за окончательное значение принять среднее из
двух последних определений.
13.2. ПРОВЕРКА РЕЖИМА ПРИВЕДЕНИЯ ЧЭ В МЕРИДИАН
Проверку режима приведения ЧЭ в меридиан необходимо
производить на стороне с известным дирекционным углом или гироскопическим азимутом. Это поможет точно выполнить ориентирование окуляра автоколлимационной системы в нужном направлении. Для проверки нужно выполнить следующие операции:
1. Ориентировать гирокомпас, пользуясь известными значениями дирекционного или гироскопического азимутов сторон.
2. Повернуть рукояткой ручного привода гироблок на 20 по
часовой стрелке (поворот фиксируется по шкале подставки).
3. Включить гирокомпас, привести ЧЭ в плоскость меридиана (по обычной методике, принятой при гироскопическом ориентировании) и по трем точкам реверсии определить установившуюся
амплитуду Ауст прецессионных колебаний (время переключения
блока питания должно соответствовать паспортным значениям для
данной широты),
Ауст = (А1+А2)/2,
(14)
где А1 = (N1 – N2)/2, А2 = (N2 – N3)/2.
77
4. Арретировать ЧЭ и выключить гирокомпас. Через 10 мин
развернуть его рукояткой ручного привода на 20 против часовой
стрелки относительно точного ориентирования и аналогично определить Ауст.
5. Если Ауст при приведении справа или слева превышает 3,
то причиной этого может быть:
 разбалансировка ЧЭ ;
 неправильно выбранное время переключения с режима
«Пуск» на режим «Работа».
В первую очередь необходимо проверить балансировку ЧЭ
и, если она соответствует допуску, увеличивая или уменьшая на
2-3 с время переключения, выяснить возможность уменьшения
амплитуды до 3.
Проверку режима приведения ЧЭ в меридиан выполняют,
если при приведении с углов 20 установившаяся амплитуда в пуске более 3.
13.3. ПРОВЕРКА БАЛАНСИРОВКИ ОСИ ГИРОКОМПАСА
Рассматривая влияние балансировки ЧЭ на азимутальное положение динамического равновесия прецессионных колебаний, приведем требования, которые стремятся выдержать при изготовлении
гиротеодолитов. Суть их сводится к тому, чтобы точка подвеса и
центр масс были совмещены с вертикальной осью симметрии ЧЭ, а
ось вращения ротора гиромотора (главная ось) составляла с этой
осью прямой угол. Таким образом главная ось ГМ будет параллельна плоскости горизонта.
Изготовление деталей, сборка и балансировка ЧЭ неизбежно
сопровождаются ошибками, которые приводят к наклону главной
оси гиромотора относительно плоскости горизонта. Кроме этого,
балансировка ЧЭ изменяется в процессе работы гирокомпасов. Поэтому необходимо проводить проверку балансировки при значениях
установившейся амплитуды Ауст в пуске больших 3, а также после
замены подвеса, токоподводов или ГМ.
78
Качество балансировки ЧЭ можно оценить по амплитуде Ауст
прецессионных колебаний оси гирокомпаса, установленной в плоскости меридиана с погрешностью 5. Для проверки балансировки
необходимо выполнить следующие операции:
1. Установить гирокомпас на штатив (консоль) и определить гироскопический азимут стороны Г (по обычной методике).
Можно установить гирокомпас на сторону, где гироазимут был измерен заранее.
2. Через 5-7 мин после выключения ГМ освободить арретирное устройство ЧЭ и определить положение равновесия свободных
колебаний (n0). Необходимо, чтобы амплитуда свободных колебаний
была небольшой и составляла 4-6 делений шкалы. Чтобы добиться
этого, необходимо в момент остановки ЧЭ в точке реверсии совместить поворотом рукоятки ручного привода подвижный бифилярный штрих со знанием нуля подвеса торсиона (n0).
3. Наводящим винтом теодолита совместить центральный
штрих шкалы «40» (у МВГ1 – сетка нитей) с положением равновесия свободных колебаний ЧЭ.
4. Взять отсчет по теодолиту (Nсв), соответствующий этому
положению.
5. Измерить примычное направление N  на точку, по которой
был определен гироскопический азимут (Г) стороны.
6. Вычислить примычное направление Nм, при котором ось
ГМ находится в плоскости меридиана:
Nм = Nсв + Г.
7. Наводящим винтом теодолита установить отсчет по угломерной части, равный
(N + Nм)/2.
При этом сетка нитей «уйдет» с примычной точки.
8. Рукояткой ручного привода навести сетку нитей зрительной трубы на примычную точку и тут же, освободив закрепительный винт, повернуть угломерную часть и, наблюдая в окуляр автоколлимационной системы, найти движущийся бифилярный штрих.
79
9. В момент первой точки реверсии остановить ЧЭ, совместив рукояткой ручного привода движущийся штрих с местом нуля
подвеса (n0) торсиона.
10. Вновь измерить примычное направление N . Если разность Nм – N   5, повторить операции, описанные в п.4-10 до тех
пор, пока разница Nм – N будет меньше 5.
11. Включить блок питания гирокомпаса, при этом запомнить
направление движения ЧЭ («первый толчок»), взять последовательные три точки реверсии прецезионных колебаний ЧЭ (N1, N2, N3).
12. Арретировать ЧЭ и выключить блок питания гирокомпаса. По формуле (14) вычислить значение установившейся амлитуды
колебаний.
Если значение установившейся аплитуды больше 24, необходимо выполнить балансировку чувствительного элемента. Балансировка ЧЭ производится за счет смещения балансировочных грузиков, изменяющих положение центра тяжести ЧЭ.
Балансировка выполняется в следующем порядке:
 После выбега гиромотора (5-7 мин) отвернуть крышку корпуса, предварительно освободив фиксирующий винт.
ВНИМАНИЕ! Снимая крышку корпуса, одновременно поддерживайте магнитный экран, не допуская его падения.
Если ЧЭ двигался влево (в сторону больших отсчетов), сместить часовой отверткой балансировочные винты 1 (см. рис.8) в
направлении северного конца оси гиромотора, если ЧЭ двигался
вправо – балансировочные винты сместить в противоположном
направлении.
ВНИМАНИЕ! Необходимо смещать все четыре регулировочных винта.
Повторить балансировку до тех пор, пока установившаяся
амплитуда колебаний не будет превосходить 24.
80
13.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛА τ
Согласно инструкции по эксплуатации гирокомпаса МВТ2,
до начала работ по гироскопическому ориентированию необходимо
измерить угол между визирными осями зрительной и автоколлимационной трубы. Этот угол называют конструктивной постоянной
угломерной части.
Как было сказано в разделе 3.4, угол τ – наименьший горизонтальный угол, отсчитываемый в обе стороны от положительного
конца визирной оси автоколлимационной трубы до положительного
конца визирной оси зрительной трубы, при этом окуляр зрительной
трубы должен находиться справа от окуляра автоколлимационной
трубы (круг лево).
Угол τ принимается положительным, если отсчитывание
происходит по часовой стрелке, и отрицательным – если против. За
положительные концы визирных осей принимаются концы осей,
выходящие из объективов труб. В гирокомпасе МВТ2 угол τ всегда
будет отрицательным, близким к 90. Точное значение угла τ определяется на заводе и записывается в паспорт прибора.
Угол τ может быть измерен на удаленный, четко видимый
предмет, на который возможно визирование автоколлимационной
трубой. Для этого наводят на выбранный предмет сначала автоколлимационную, а затем зрительную трубу и берут отсчеты Nак и Nзр,
соответствующие положению их визирных осей. Тогда
τ = Nак – Nзр.
Измерения повторяют 3 раза. Разность среднего и любого из
измерений не должна превышать 45. Среднее значение угла сравнивают с паспортным. Неизменное значение угла τ свидетельствует о том,
что в оптической схеме гирокомпаса не произошло никаких изменений.
13.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ КВАДРАТИЧЕСКОЙ ПОГРЕШНОСТИ
ИЗМЕРЕНИЯ ГИРОСКОПИЧЕСКОГО АЗИМУТА
Согласно действующей инструкции по производству маркшейдерских работ [5], разность двух определений гироскопического
азимута одной стороны не должна превышать 3mг (где mг – средняя
81
квадратическая погрешность единичного определения гироскопического азимута). Таким образом, значение mг должно быть определено для каждого гирокомпаса.
Среднюю квадратическую погрешность можно определить
[4] двумя способами:
 по многократным измерениям гироскопического азимута
одной и той же стороны:
mг  
[( xi  x )]
,
n 1
где x1, x2, … xn – результаты измерений одной и той же величины;
xср – среднее значение гироазимута; n – число измерений;
 по разности двойных измерений d [4]:
mг  
[dd ]
.
2n
(15)
Поскольку гироскопический азимут стороны всегда измеряется для контроля дважды, накапливается большой объем информации, который может быть использован для определения mг. Поэтому
целесообразнее для определения mг применять второй способ.
Истинные значения разностей должны быть равны нулю, так
как результаты безошибочных измерений одной и той же величины
равны между собой. Поэтому отличные от нуля разности di – истинные погрешности. Поскольку di – истинные значения, для них при
большом числе разностей (n  20) справедливо равенство [d]/n = 0.
Если эти значения будут отличаться от нуля, то можно сделать вывод о наличии в измерениях систематической погрешности. Для получения случайной составляющей средней квадратической погрешности вычисляют исправленные значения по формуле
d i  d i 
[d ]
.
n
Тогда случайная составляющая средней квадратической погрешности определяется по формуле Бесселя
82
m mг  
[d d ]
.
2(n  1)
(16)
В этом случае при безошибочных вычислениях всегда
[d] = 0.
Следует отметить, что при оценке точности по формулам
(15) и (16) могут получаться заниженные значения средних погрешностей m, поскольку часто двойные измерения производятся при
одинаковых условиях, например при одной установке прибора.
Пример вычисления средней квадратической погрешности
одного измерения гироазимута приведен в табл.8. Для условий табл.8
mг 
[dd ]
11417

 22 .
2n
24
Таблица 8
Определение средней квадратической погрешности
измерения гироазимута
Номер пары
измерений
li
li
d = li – li
dd
1
3151805
3161846
–41
1681
2
201 44 05
201 44 33
–28
784
3
53 04 47
53 05 19
–32
1024
4
272 39 50
272 39 31
29
841
5
24 51 14
24 51 43
–29
841
6
132 32 52
132 32 27
25
625
7
118 15 21
118 15 54
–33
1089
8
2 19 29
2 19 00
29
841
9
299 32 32
299 32 04
28
784
10
77 26 31
77 26 02
29
841
11
45 47 47
45 47 18
29
841
12
203 34 05
203 34 40
–35
1225
_________________________
[dd] = 11417
83
При многократных независимых определениях одной величины возможны результаты, по численному значению отличающиеся от
остальных. Иногда это отличие настолько значительно, что сомнений
в наличии грубой ошибки нет. Такое измерение бракуется. Однако
часто уверенно отбраковать измерения невозможно и возникает необходимость установить, находится ли подозреваемое значение в пределах изменений, допускаемых законом нормального распределения,
или оно должно относиться к разряду грубых промахов. Иными словами, необходимо объективно оценить качество получаемых результатов. Во-первых, субъективное отбрасывание экстремальных значений может привести к искажению опытных данных, во-вторых, необоснованно отброшенное значение может отражать новые свойства.
Методика отбраковки результатов приведена в учебнике [4].
14. МАРКШЕЙДЕРСКО-ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ
ГИРОСКОПИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ФИРМЫ «WILD»
Среди зарубежных фирм, занимающихся выпуском маркшейдерско-геодезических приборов гироскопического ориентирования, швейцарская фирма «WILD» занимает особое место. Одной из
первых она освоила массовое производство приборов данного типа.
Как и все прочие приборы этой фирмы, гироприборы отличает высокая надежность, качество и удобство в работе.
Еще в 1964 г. фирма «WILD», используя предложение
проф. О. Релленсмана из Кляустальской горной академии, начала
выпуск гироскопической насадки GAK1. Конструкция ее была
настолько удачной, что насадку выпускали без изменений на протяжении десятков лет. Чуть позже были разработаны гиробуссоли
ARK1 и ARK2. На заводах «WILD» было выпущено несколько тысяч таких приборов, их можно встретить во многих странах мира.
14.1. ГИРОНАСАДКА GAK1
Гиронасадка GAK1 состоит из трех основных частей: гироблока, блока питания и адаптера 16 (рис.18). С помощью адаптера она может быть установлена на теодолиты Т1, Т2, Т16 той же фирмы, а также
84
на последние модели электронных теодолитов и тахеометров
Т1600 и др. Применение электронных приборов позволяет повысить точность и производительность при производстве гироскопического ориентирования.
8
Кожух 11 (рис.18) гиромотора GAK-1 имеет внизу
7
демпфирующую плату 2, а
вверху – трубчатую стойку 6, в
6
верхней части которой крепится
нижний зажим торсиона 7. Все
10
вместе это составляет чувстви5
тельный элемент гиронасадки.
В стойке расположены оптиче11
ская система и индекс 5 ЧЭ ги12
роскопа. Верхний зажим 9 тор13
4
сиона с помощью винтов может
3
разворачиваться для юстировки
2
положения нуль-пункта торсиона. Арретирование ЧЭ гиро14
блока производится путем при15
1
жима штифтов 3 демпфирую16
щей платы к выступам 4 за счет
Рис.18. Гиронасадка GAK1 фирмы «WILD» вращения винтового штока 1.
Через смотровое окно можно
1 – шток арретира; 2 – демпфирующая плата;
3 – штифт; 4 – выступ; 5 – светящийся индекс; определить положение гиро6 – трубчатая стойка; 7 – нижний зажим торси- скопа: арретирован он или нет.
она; 8 – торсионный подвес; 9 – верхний зажим
торсиона; 10 – токоподвод; 11 – кожух гиромо- Крепление гиронасадки к теодолиту осуществляется с потора; 12 – шкала; 13 – окуляр системы для
наблюдения ЧЭ; 14 – пружина; 15 – накидная
мощью адаптера 16 и накидной
гайка; 16 - адаптер
гайки 15. Сам адаптер крепится
с помощью винтов на стойке теодолита. Благодаря центрирующей
опоре, состоящей из трех точек, GAK1 занимает всегда одно и то же
положение относительно оси визирования зрительной трубы теодо9
85
лита. Гиронасадка, установленная на теодолит, не мешает свободному вращению трубы вокруг горизонтальной оси.
Гиромотор имеет частоту вращения 22000 об/мин и питается
трехфазным током напряжением 115 В и частотой 400 Гц через токоподводы 10. Светящийся индекс 5, связанный с ЧЭ, проецируется
без параллакса на шкалу 12, на которой имеется центральный индекс в форме «V», соответствующий положению «0». По этой шкале
наблюдаются колебания ЧЭ с помощью микроскопа. Ориентирование ЧЭ по отношению к теодолиту выполняется таким образом, чтобы ось вращения гиромотора и ось визирования теодолита находились в одной вертикальной плоскости, т.е. светящийся индекс находился в положении «0» шкалы. Подсветка следящей системы осуществляется с помощью лампочки.
Разгон и торможение гиромотора выполняются в арретированном положении. После освобождения арретирного устройства ЧЭ совершает колебания около положения равновесия, соответствующего
направлению меридиана, проходящего через данную точку. Амплитуда
колебаний ЧЭ должна быть небольшой (в пределах шкалы), что осуществляется за счет трения пружинного пальца 14 арретира о штифты
демпфирующей платы. После установления необходимой амплитуды
колебаний пружинный палец штоком арретира опускается вниз.
Электропитание к гиронасадке передается от блока питания
по кабелю через штеккерный разъем. Блок питания GAK1 состоит из
двух металлических корпусов, соединенных с помощью четырех защелок. В верхнем корпусе находится электронный преобразователь, в
нижнем – аккумуляторная батарея напряжением 12 В. Технические
характеристики гиронасадки и блока питания GAK1 следующие:
Гиронасадка GAK1
Среднеквадратическая погрешность определения
азимута, с, не более
20
Широта места установки, град, не выше
75
Температура работы, С
Торсионный подвес
Сечение, мм
Сопротивление на разрыв, ГПа
86
От 40 до +50
Nivaflex
0,4  0,02
1,2
Perkin-Elmer,
тип 831
22000
Гиромотор:
Частота вращения, об/мин
Кинематический момент, см2гс–1
Время разгона, мин
Время торможения, с
Полупериод колебания на средней широте, мин
1,86  106
1,5
50
4
Размеры, мм:
Высота
Диаметр
340
85
Масса, кг, не более:
гиронасадки
металлического корпуса для GAK1
1,8
2,0
Преобразователь питания
Напряжение батарей, В
12
Напряжение на выходе преобразователя, В
115
Частота тока на выходе преобразователя, Гц
400
Ток потребления, А:
в пуске
4
в работе и при торможении
1
260  170  225
Размер корпуса, мм
Масса, кг (включая кабель 3 м для соединения с гиронасадкой)
5,3
Батареи
Количество CdNi аккумуляторов, шт.
Емкость, А/ч
Число пусков (зависит от температуры)
Продолжительность зарядки, ч
10
7
15-20
12
Размер корпуса, мм (прикрепляется снизу к преобразователю)
260  170  90
Масса, кг
4
87
14.2. ГИРОБУССОЛЬ ARK1
Гиробуссоль ARK1 представляет собой комбинацию угломерного и гироскопического приборов. Конструктивно ARK1 выполнен в одном корпусе (рис.19). Блок питания применяется от гироприставки GAK1. Если сравнить рис.18 и 19, то в конструкции обоих
приборов можно обнаружить
много общего. Гироскопическая часть АRК1 – это практи4
чески гироприставка GAK1.
Изменения коснулись (рис.19):
 лупы 5 для наблюдения колебаний ЧЭ;
 управления арретирным устройством;
 размера шкалы для
3
наблюдения колебаний ЧЭ
(ARK1 имеет 25 делений, GAK1
– 15).
Существенные отличия
ARK1 от GAK1 касаются угломерной части гиробуссоли. Зри5
тельная труба имеет прямое
2
изображение, увеличение 5 крат,
угол поля зрения 10. Все это
6
создает удобства при визировании на объекты, располо7
8
женные на небольшом расстоянии. Наклон линии визирова9
ния осуществляется поворотом
1
зеркала 2 от +40 до 20.
Отсчеты по стеклянному лимбу берутся с помо- Рис.19. Гиробуссоль ARK1 фирмы «WILD»
1 – подставка; 2 – зеркало; 3 – электрическая
щью шкалового микроскопа 7
лампочка; 4 – марка; 5 – окуляр системы для
с точностью 18. Имеется наблюдения за ЧЭ; 6 – окуляр зрительной трубы;
7 – окуляр отсчетной системы; 8 – лимб; 9 –
винт 9 для перестановки круга,
винт перестановки лимба
88
с помощью которого можно установить нуль или любое другое значение в направлении меридиана. Для поворота подвижной гироскопической части предназначен наводящий винт с бесконечной резьбой.
Две электрические лампочки 3 освещают все необходимые
элементы наблюдения: горизонтальный круг, уровень, сетку нитей,
буссоль, индекс ЧЭ и шкалу. Яркость подсветки регулируется реостатом. В верхней части ARK1 имеется стеклянная марка 4 с лампочкой,
включаемой при визировании на гиробуссоль с другой точки.
Техническая характеристика ARK1 следующая:
Среднеквадратическая погрешность определения
азимута, с
Зрительная труба
Увеличение, крат
Поле зрения на 1000 м, м
Наклон линии визирования, град.
Отсчетное устройство
Горизонтальный круг:
Диаметр, мм
Цена деления, мин
Точность взятия отсчета, с
Масса, кг:
ARK1
футляра
50
Прямое
изображение
5
177
От –20 до +40
Шкаловый
микроскоп
Стеклянный
69
30
18
5,5
6,9
_____________________
Примечание. Характеристики ЧЭ и блока питания идентичны GAK1.
89
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Воронков Н.Н. Гироскопическое ориентирование / Н.Н.Воронков,
В.В.Кутырев, Н.М.Ашимов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1980. 296 с.
2. Голованов В.А. Применение гирокомпаса МВГ1 в маркшейдерских работах: Учебное пособие / Санкт-Петербургский горный институт. СПб, 1997. 30 с.
3. Граммель Р. Гироскоп, его теория и применения. М.: Изд-во иностранной литературы, 1952. Т.2. 312 с.
4. Гудков В.М. Математическая обработка маркшейдерско-геодезических
измерений: Учеб. для вузов / В.М.Гудков, А.В.Хлебников. М.: Недра, 1990. 335 с.
5. Охрана недр и геолого-маркшейдерский контроль: Инструкция по производству маркшейдерских работ (РД07-603-03). Серия 07. Вып.15 / ГУП «Научнотехнический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России».
М., 2003. 120 с.
90
ПРИЛОЖЕНИЕ
Сводка формул для обработки результатов измерений
в пусках с пропущенными точками реверсий [1]
Номер пропущенной точки реверсий
Вторая (N2)
Формулы для вычисления положений равновесия ЧЭ
N1 
N 2 
N3  N 4 N3  N 2
;

2
4
1  N3  N 4 N 4  N5 


;
2
2
2

N ср 
Третья (N3)
N1 
N1  N 2 N 2  N 4
;

2
4
N 2 
N 4  N5 N 4  N 2
;

2
4
N ср 
Четвертая (N4)
1
( N1  N 2)
2
1
( N1  N 2)
2
1  N  N 2 N 2  N3 
N1   1

;
2
2
2

N 2 
N 2  N3 N3  N5
;

2
4
N ср 
1
( N1  N 2)
2
91
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ....................................................................................................................
3
1. КРАТКИЕ ИСТОРИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О РАЗВИТИИ ГИРОСКОПИЧЕСКОГО ОРИЕНТИРОВАНИЯ ...........................................................................
6
2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИБОРОВ ГИРОСКОПИЧЕСКОГО ОРИЕНТИРОВАНИЯ .................................................................................................................
19
3. МАРКШЕЙДЕРСКИЕ ГИРОКОМПАСЫ..........................................................
20
3.1. Жидкостные гирокомпасы с электромагнитным центрированием ЧЭ .....
20
3.2. Жидкостные гирокомпасы с центрированием ЧЭ на шпиле ................
24
3.3. Гирокомпасы с торсионным центрированием ЧЭ .................................
27
3.4. Гирокомпас МВТ2....................................................................................
28
4. ПРИВЕДЕНИЕ ОСИ ГИРОМОТОРА В ПЛОСКОСТЬ МЕРИДИАНА .........
43
5. СИСТЕМА МАГНИТНОЙ ЗАЩИТЫ И ВЛИЯНИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
НА ПОЛОЖЕНИЕ ЧЭ..............................................................................................
46
6. ТОРСИОННЫЙ ПОДВЕС ...................................................................................
49
7. ГИРОСКОПИЧЕСКОЕ ОРИЕНТИРОВАНИЕ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИРОСКОПИЧЕСКОГО АЗИМУТА ГИРОКОМПАСОМ МВТ2 .........................................
49
8. ВЫЧИСЛЕНИЕ ГИРОСКОПИЧЕСКОГО АЗИМУТА СТОРОНЫ .................
55
9. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИРЕКЦИОННОГО УГЛА СТОРОНЫ ПОДЗЕМНОГО
ПОЛИГОНА ГИРОКОМПАСОМ МВТ2 ...............................................................
56
10. МАРКШЕЙДЕРСКИЙ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНЫЙ ГИРОКОМПАС МВГ1 ...
60
11. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИРОСКОПИЧЕСКОГО АЗИМУТА ГИРОКОМПАСОМ МВГ1..........................................................................................................
68
11.1. Установка гирокомпаса .........................................................................
69
11.2. Определение нулевого положения торсионного подвеса ...................
70
11.3. Приведение оси гиромотора в плоскость меридиана ..........................
72
11.4. Определение положения равновесия колебаний ЧЭ ...........................
73
12. ВЫЧИСЛЕНИЕ ГИРОСКОПИЧЕСКОГО АЗИМУТА ...................................
73
13. ПРОВЕРКИ, ЮСТИРОВКИ И РЕГЛАМЕНТНЫЕ РАБОТЫ ........................
74
13.1. Определение добротности гирокомпаса...............................................
74
13.2. Проверка режима приведения ЧЭ в меридиан .....................................
76
92
13.3. Проверка балансировки оси гирокомпаса ............................................
77
13.4. Определение угла τ ................................................................................
80
13.5. Определение средней квадратической погрешности измерения гироскопического азимута .....................................................................................
80
14. МАРКШЕЙДЕРСКО-ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ ГИРОСКОПИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
ФИРМЫ «WILD» .....................................................................................................
83
14.1. Гиронасадка GAK1 .................................................................................
83
14.2. Гиробуссоль ARK1 .................................................................................
87
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .....................................................................
89
ПРИЛОЖЕНИЕ. Сводка формул для обработки результатов измерений
в пусках с пропущенными точками реверсий ........................................................
90
Учебное издание
ГОЛОВАНОВ Виктор Афанасьевич
ГИРОСКОПИЧЕСКОЕ ОРИЕНТИРОВАНИЕ
Учебное пособие
Редактор И.В.Неверова
Корректор Н.И.Сочивко
Компьютерная верстка Н.Н.Высоцкой
Обложка Н.Н.Седых
Лицензия ИД № 06517 от 09.01.2002
Сдано в набор 26.05.2002.
Сдано в набор 19.02.04. Подписано к печати 29.04.04.
Формат 60  84/16. Бум. для копировальной техники.
Отпечатано на ризографе. Гарнитура «Таймс».
Усл.печ.л. 5,35. Усл.кр.-отт.5,35. Уч.-изд.л. 5.
Тираж 200 экз. Заказ 201. С 68.
Санкт-Петербургский государственный горный институт им.Г.В.Плеханова
РИЦ Санкт-Петербургского государственного горного института
Адрес института и РИЦ: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, 2
93