Трехосный гироскопический блок

Полезная модель относится к области навигационной техники, а именно к гироскопической аппаратуре миниатюрного исполнения для контроля ориентации скважин в нефтегазовой промышленности, в навигационных системах самолетов, кораблей, космических аппаратов. Трехосный гироскопический блок бортовой инерциальной навигационной системы содержит вакуумируемый металлический корпус 1, выполненный путем герметичной пайки или лазерной сварки из трех сборочных единиц: корпуса 2 с цилиндрическим хвостовиком 3 и вакуумным каналом 4, несущей рамы 5 с центрирующими поясками 6 и стыковочным фланцем 7 со сквозными отверстиями и цилиндрического стакана 8, имеющие посадочные гнезда, в которых герметично установлены соответственно газопоглотитель 10, три одноосных твердотельных волновых гироскопа 11 и электрический разъем 12, при этом твердотельные волновые гироскопы расположены на несущей раме 5 ортогонально и последовательно один за другим, а каждый гироскоп 11 содержит полусферический резонатор 13 с центральным держателем стержневого типа 14 из кварцевого стекла, установленную на основании внутри резонатора с зазором относительно внутренней поверхности его полусферы плату управления 16, выполненную в форме шарового сегмента, снабженного электродами, используемыми для возбуждения резонатора и регистрации его колебаний, а размещенные на основании 15 электрические выводы 17 связаны посредством проводников в стеклянной или керамической изоляции с электрическим разъемом 12, установленном на днище 9 цилиндрического стакана 8. Патентуемая конструкция позволяет существенно упростить технологию изготовления вакуумируемого корпуса и снизить трудоемкость работ за счет выполнения корпуса из трех простых в изготовлении сборочных единиц, повысить надежность за счет меньшего по сравнению с прототипом количества герметичных соединений и гермовводов, повысить стабильность точностных параметров ТВГ и упростить ремонтоспособность в случае проведения ремонтных работ. Один п. фор-лы., 6 илл.

Полезная модель относится к области навигационной техники, а именно к гироскопической аппаратуре миниатюрного исполнения, для контроля ориентации скважин в нефтегазовой промышленности, в навигационных системах самолетов, кораблей, космических аппаратов.

Известен трехосный гироскопический блок [1], содержащий вакуумируемый металлический корпус цилиндрической конфигурации с соответствующими установочно-присоединительными элементами и три герметично встроенных в него с последовательным расположением один за другим и непараллельной, в частности, ортогональной ориентацией по отношению друг к другу, одноосных твердотельных волновых гироскопа (далее ТВГ), каждый из которых выполнен из двух изготовленных из кварцевого стекла и скрепленных между собой деталей, одной из которых является снабженный центральным держателем стержневого типа полусферический резонатор, а другой - располагаемая с зазором внутри последнего электромеханическая плата, примыкающий к внутренней поверхности полусферы фрагмент которой сформирован в виде шарового сегмента с центральной выборкой и восемью электродами круглой, трапециевидной или иной формы, используемыми для возбуждения резонатора и регистрации его колебаний и снабжен соответствующими гермовыводами и токоподводами для подсоединения к обслуживающему гироскопы блоку электроники вышеупомянутой системы, при этом в нем вакуумируемый корпус выполнен в виде односекционной монолитной детали стержневого типа, в теле которой сформированы четыре последовательно расположенные одно за другим и сообщенные между собой общим вакуумируемым каналом посадочные гнезда, три из которых непараллельно, и в частности, ортогонально ориентированные по отношению друг к другу, предназначены для размещения твердотельных волновых гироскопов, а четвертое - под единый для всех вакуумируемых полостей газопоглотитель с поглощающей способностью, рассчитанной на весь срок эксплуатации блока, причем с одной из торцевых сторон вакуумируемый объем ограничен телом продольно ориентированного гироскопа, а с другой - используемым для откачки воздуха и обезгаживания ниппелем, наружная и торцевая поверхности полусфер резонаторов каждого из гироскопов металлизированы для формирования рабочей емкости между резонаторами и соответствующими электромеханическими платами, резонаторы и электромеханические платы каждого из гироскопов жестко сочленены друг с другом напрямую посредством клеевого соединения или методом пайки, без использования каких-либо промежуточных деталей, и в таком виде через прикрепленные к ним металлические стыковочные крышки, снабженные развитыми кольцевидными присоединительными буртиками, подвешены на опорно-установочных поверхностях посадочных гнезд корпуса с ориентацией полусферами резонаторов в сторону донной части гнезд и жестким закреплением и герметизацией по месту монтажа посредством сварки, причем поперечно ориентированные гироскопы заглублены в гнезда заподлицо с внешними обводами цилиндрической поверхности корпуса, а продольно ориентированный - экранирован снаружи присоединяемым к торцевой части последнего защитным хвостовиком, используемые для соединения электродов плат гироскопов с блоком обслуживающей их электроники инерциальной навигационной системы, гермовыводы размещены на стыковочных крышках, для прокладки токоподводов в корпусе сформированы монтажные пазы, а сама прокладка их при этом выполнена по кратчайшим трассам с дискретным закреплением в пазах при помощи соответствующей мастики или герметика.

Несмотря на очевидные достоинства, указанному устройству присущи следующие недостатки: нетехнологичность конструкции, и, соответственно, высокая стоимость в изготовлении и ремонте.

Известен также трехосный гироскопический блок [2] бортовой инерциальной навигационной системы, содержащий вакуумируемый металлический корпус в виде односекционного монолитного стержня, в посадочных гнездах которого герметично установлены газопоглотитель и три одноосных твердотельных волновых гироскопа (ТВГ), каждый из которых содержит полусферический резонатор с центральным держателем стержневого типа, выполненный из кварцевого стекла, и установленную внутри резонатора с зазором к внутренней поверхности его полусферы электромеханическую плату, выполненную в форме шарового сегмента с центральной выборкой и специальными электродами, используемыми для возбуждения резонатора и регистрации его колебаний, и с соответствующими гермовыводами и токоподводами для пристыковки к блоку электроники, обслуживающему ТВГ и состоящему из трех каналов электроники, установленных на общем основании треугольного сечения параллельно продольной оси корпуса с ТВГ, при этом сформированые в теле корпуса посадочные гнезда последовательно и ортогонально расположены одно за другим и сообщены между собой общим вакуумируемым каналом, а соединенные между собой установочно-присоединительными элементами блок электроники и гироскопический блок размещены в защитном кожухе и зафиксированы в нем амортизационными кольцами, выполненными из пластичного материала, например полиуретана.

Газопоглотитель указанного трехосного гироскопического блока снабжен корпусом, внутри которого находится активное вещество и нагревательный элемент, например спираль, при этом активное вещество выполнено из сплавов металлов таких, например, как титан, алюминий, цирконий, ванадий, способных при их нагревании активно поглощать молекулы воздуха: азот, водород, аргон и др., а электрическая связь с нагревательным элементом осуществляется через гермоввод.

Газопоглотитель может быть выполнен в виде металлического кольца из сплавов активных металлов, например, таких как титан, алюминий, цирконий, ванадий, способных при их нагревании активно поглощать молекулы воздуха: азота, водорода, аргона и др., и прикреплен к крышке, к которой снаружи подводится тепло, позволяющее активировать процесс поглощения молекул воздуха.

Несмотря на очевидные достоинства, указанная конструкция имеет следующие недостатки:

- единый цельный корпус прототипа - сложная и трудоемкая в изготовлении деталь. Изготовление внутренних полостей корпуса с конусной поверхностью под каждый ТВГ требует специализированного режущего и измерительного инструмента;

- в конструкции для каждого из трех твердотельных волновых гироскопов используется крышка с гермовыводами - сложная и трудоемкая в изготовлении деталь. Технология спекания стеклянных гермовыводов с металлической крышкой в водородной среде при высокой температуре является опасной операцией и требует специального помещения и аттестации;

- крышка с гермовыводами обладает меньшей надежностью по сравнению со стандартными герметичными разъемами в условиях повышенных температурных и ударных воздействий. В случае выхода из строя хотя бы одного из гермовыводов в процессе монтажа или эксплуатации происходит разгерметизация всего трехосного гироскопического блока с потерей точностных параметров;

- в случае разрегметизации и выхода из строя гироскопического блока требуется извлечение из общего корпуса всех чувствительных элементов для последующей их проверки и принятия решения относительно возможности их дальнейшего использования. Разборка осуществляется путем разрезки сварного соединения проходящего по периметру крышки каждого ТВГ. Вследствие того, что при этой операции происходит утонение сварной кромки, максимальное допустимое количество извлечений ТВГ из единого корпуса может быть не более 3-х. Однако даже при первой разрезке существует риск утонения сварной кромки до недопустимой величины. В этом случае повторное использование ТВГ становится невозможным, и он подлежит полной разборке с потерей точностных параметров;

- вследствие близости места герметичного соединения крышки ТВГ с корпусом гироскопического блока, при его разборке при ремонте посредством разрезки сварного шва, проходящего по периметру крышки каждого ТВГ, существует большой риск попадания частиц грязи на поверхность резонатора, и соответственно, потери точностных параметров ТВГ;

- любая сварка, в том числе лазерная, используемая при соединении крышки с корпусом, является источником механических напряжений. Кварцевый резонатор ТВГ жестко крепится к плате съема-управления, которая в свою очередь жестко фиксируется на крышке с гермовыводами, привариваемой к корпусу трехосного ТВГ. Возникающие в непосредственной близости от места крепления кварцевого резонатора механические напряжения передаются на резонатор, что приводит к ухудшению его акустических свойств и потере точностных параметров гироскопа.

- каждая индивидуальная крышка с г/в ТВГ герметично соединяется с корпусом посредством лазерной сварки. Наличие трех крышек означает большую общую длину герметичного сварного шва, что увеличивает риск разгерметизации в условиях эксплуатации, характеризуемых высокими ударными и температурными воздействиями, и соответственно уменьшает вероятность безотказной работы.

Несмотря на отмеченные недостатки, указанное техническое решение можно принять за прототип, как наиболее близкий аналог.

Задачей предлагаемой полезной модели является достижение технического результата, направленного на устранение недостатков прототипа и создание конструкции с улучшенными точностными характеристиками, повышенной вибрационной и ударной прочностью, увеличенным ресурсом работы.

Этот технический результат согласно предлагаемой заявке на полезную модель достигается тем, что трехосный гироскопический блок бортовой инерциальной навигационной системы содержит вакуумируемый металлический корпус, выполненный путем герметичной пайки или лазерной сварки из трех сборочных единиц: корпуса с цилиндрическим хвостовиком и вакуумным каналом, несущей рамы с центрирующими поясками и стыковочным фланцем и цилиндрического стакана, имеющие посадочные гнезда, в которых герметично установлены соответственно газопоглотитель, три одноосных твердотельных волновых гироскопа и электрический разъем, при этом твердотельные волновые гироскопы расположены на несущей раме ортогонально и последовательно один за другим, а каждый гироскоп содержит полусферический резонатор с центральным держателем стержневого типа из кварцевого стекла, установленную на основании внутри резонатора с зазором относительно внутренней поверхности его полусферы плату управления, выполненную в форме шарового сегмента, снабженного электродами, используемыми для возбуждения резонатора и регистрации его колебаний, а размещенные на основании электрические выводы связаны посредством проводников в стеклянной или керамической изоляции с электрическим разъемом, установленном на днище цилиндрического стакана.

Патентуемая конструкция позволяет существенно упростить технологию изготовления вакуумируемого корпуса и снизить трудоемкость работ за счет выполнения корпуса из трех простых в изготовлении сборочных единиц, повысить надежность за счет меньшего по сравнению с прототипом количества герметичных соединений и гермовводов, повысить стабильность точностных параметров ТВГ и упростить ремонтоспособность в случае проведения ремонтных работ.

Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, где изображены:

на Фиг.1 - показан общий вид трехосного гироскопического блока, собранного путем сварки или пайки из трех сборок: корпуса с цилиндрическим хвостовиком и газопоглотителем, рамы с тремя твердотельными волновыми гироскопами, цилиндрического стакана с электрическим разъемом;

на Фиг.2 - изображен корпус с газопоглотителем;

на Фиг.3 - показана несущая рама с установленными на ней тремя твердотельными волновыми гироскопами;

на Фиг.4 - изображен выносной элемент А на Фиг.1 (место стыка корпуса с несущей рамой;

на Фиг.5 - изображено сечение Б-Б на Фиг.1;

на Фиг.6 - изображен выносной элемент В на Фиг.1 (место стыка корпуса с цилиндрическим стаканом с герметично установленным на его днище электрическим разъемом.

Конструктивно трехосный гироскопический блок бортовой инерциальной навигационной системы (Фиг.1) содержит металлический вакуумируемый корпус 1, выполненный путем герметичной пайки или лазерной сварки из трех сборочных единиц: корпуса 2 (Фиг.2) с цилиндрическим хвостовиком 3 и вакуумным каналом 4, несущей рамы 5 (Фиг.3) с центрирующими поясками 6 и стыковочным фланцем 7 и цилиндрического стакана 8 (Фиг.1), которые снабжены посадочными гнездами (позициями на чертежах не обозначены).

В посадочные гнезда корпуса 2, несущей рамы 5 и днища 9 цилиндрического стакана 8 герметично установлены соответственно газопоглотитель 10, три одноосных твердотельных волновых гироскопа 11 и электрический разъем 12. Твердотельные волновые гироскопы 11 расположены на несущей раме 5 ортогонально и последовательно один за другим. Каждый ТВГ 11 (Фиг.1) содержит полусферический резонатор 13 с центральным держателем стержневого типа 14 (ножкой), выполненный из кварцевого стекла. Внутри резонатора с зазором к внутренней поверхности его полусферы на основании 15 установлена плата управления 16, выполненная в форме шарового сегмента, снабженного электродами (на чертежах не показаны), используемыми для возбуждения резонатора 13 и регистрации его колебаний. Установленные на основании 15 электрические выводы 17, связанными с электрическим разъемом 12, установленном на днище 9 цилиндрического стакана 5 посредством проводников (на чертежах не показаны) в стеклянной или керамической изоляции, жестко закрепленных на корпусе 2 и раме 5.

Несущая рама 5 выполнена в виде единой детали, обеспечивающей жесткость конструкции и, следовательно стабильность взаимного положения осей чувствительности трех твердотельных гироскопов. Герметичное соединение корпуса 2 с несущей рамой 5 в стыке 18 (Фиг.4) и с цилиндрическим стаканом 8 в стыке 19 (Фиг.6) выполняется посредством пайки или лазерной сварки.

В патентуемой конструкции по аналогии с прототипом может быть использован газопоглотитель 10, активным элементом которого является металлическое кольцо, выполненное из сплавов активных металлов (таких как титан, алюминий, ванадий, цирконий и др.), способных при их нагревании активно поглощать молекулы воздуха: азот, водород, аргон и др. Активация газопоглотителя осуществляется путем контактного нагрева указанного выше металлического кольца до температуры порядка 300°С после проведения вакуумирования внутренней полости корпуса 1 через канал 4 и сквозные отверстия на стыковочном фланце 7 (на чертеже позицией не обозначены).

Работа патентуемой конструкции может быть проиллюстрирована на примере использования инклинометров, которые при бурении нефтегазовых скважин опускаются в скважину на кабеле.

В исходном положении патентуемый трехосный гироскопический блок и блок электроники, обслуживающий гироскопы, соединяются между собой с помощью установочно-присоединительных элементов, монтируются соосно и последовательно друг за другом в защитном (охранном) кожухе, обеспечивающем вибрационную и ударную прочность и выполненном преимущественно в виде металлической трубы с поясами амортизирующих колец из пластичного материала (описываемые элементы за исключением блока 1 на чертежах не показаны).

Трехосный гироскопический блок 1, входящий в состав инклинометра, является одним из функциональных звеньев буровой колонны, и позволяет, не нарушая процесса бурения, определять угловую ориентацию скважины. Трехосный гироскопический блок измеряет и передает наверх информацию об угловых параметрах скважины во время спуска/подъема его на кабеле в процессе бурения скважины.

Патентуемая конструкция позволяет существенно упростить технологию изготовления корпуса и снизить трудоемкость за счет разбивки корпуса на три простых в изготовлении сборки. Повысить надежность за счет уменьшения в конструкции количества герметичных соединений и исключения крышки с гермовыводами, повысить стабильность точностных параметров ТВГ за счет исключения передачи механических напряжений на резонатор. Применение в конструкции единого универсального герметичного разъема позволило исключить из техпроцесса применение взрывоопасной технологии спекания крышки с гермовыводами в водородной среде. В случае проведения ремонта, благодаря исключению крышки из конструкции ТВГ и перенесению сварных швов на корпусные детали, исключается необходимость разборки ТВГ и, следовательно, возможность потери его точностных параметров. Удаление разрезаемой сварной кромки от любого из трех резонаторов ТВГ позволяет уменьшить вероятность попадания частиц грязи на резонатор ТВГ, и, следовательно, уменьшить риск потери точностных параметров ТВГ.

Источники информации:

1.Патент RU 2344287, кл. МПК Е21В 47/022, G01C 9/00 (2006.01). Трехосный гироскопический блок. Приоритет от 9.01.2007 г.

2. Патент RU 91177, кл. МПК G01N 29/04 (2006.01). Трехосный гироскопический блок. Приоритет от 30.09.2009 г.

3. Патент RU 2207512, кл. МПК G01C 21/12, F17D 5/06, G01N 27/86. Навигационно-топографический внутритрубный инспектирующий снаряд. Приоритет от 08.01.2002 г.

4. Патент RU 2206871, кл. МПК G01D 17/02, G01N 29/04. Способ определения локационных смещений магистральных трубопроводов. Приоритет от 14.08.2001 г.

5. Патент RU 2193654, кл. МПК Е21В 47/022. Комплекс инклинометрической скважинной аппаратуры и способ определения траектории скважин. Приоритет от 13.01.2000 г.

6. Патент RU 2169903, кл. МПК G01C 21/12. Гироскопическая навигационная система. Приоритет от 12.10.2000 г.

7. Патент RU 2095563, кл. МПК Е21В 47/022, G01C 19/00. Гироскопический инклинометр. Приоритет от 13.07.1995 г.

Трехосный гироскопический блок, характеризующийся тем, что он содержит вакуумируемый металлический корпус, выполненный путем герметичной пайки или лазерной сварки из трех сборочных единиц: корпуса с цилиндрическим хвостовиком и вакуумным каналом, несущей рамы с центрирующими поясками и стыковочным фланцем со сквозными отверстиями и цилиндрического стакана, имеющих посадочные гнезда, в которых герметично установлены соответственно газопоглотитель, три одноосных твердотельных волновых гироскопа и электрический разъем, при этом твердотельные волновые гироскопы расположены на несущей раме ортогонально и последовательно один за другим, а каждый гироскоп содержит полусферический резонатор с центральным держателем стержневого типа из кварцевого стекла, установленную на основании внутри резонатора с зазором относительно внутренней поверхности его полусферы плату управления, выполненную в форме шарового сегмента, снабженного электродами, используемыми для возбуждения резонатора и регистрации его колебаний, а размещенные на основании электрические выводы связаны посредством проводников в стеклянной или керамической изоляции с электрическим разъемом, установленным на днище цилиндрического стакана.