Развитие геодезии и маркшейдерского дела неразрывно связано с появлением новых и совершенствованием существующих маркшейдерско-геодезических приборов и инструментов. Эволюция этих приборов всегда определяла направление развития методических и нормативных документов, регламентирующих требования к исполнению и качеству выполняемых инженерных задач.
В мировой и отечественной практике появление новых серий маркшейдерско-геодезических приборов постепенно вытесняет уже существующие образцы как в области практического применения, так и их методологического и научного обеспечения. Фактически единственным исключением из этого правила оказался класс гироскопических приборов.
В основу работы маркшейдерского гирокомпаса положено свойство несвободного гироскопа совершать прецессионные колебания вокруг меридиана. Благодаря этому становится возможным непосредственное определение дирекционных углов в произвольных точках подземного полигона [1].
Первые модели маркшейдерских гирокомпасов были сконструированы еще в первой половине XX века и нашли широкое применение при создании опорных сетей в подземных горных выработках. Конструктивно это был целый комплекс оборудования, масса которого могла достигать величин порядка 600 кг. В дальнейшем совершенствованием отечественных гирокомпасов занималась лаборатория ВНИМИ под руководством Б.И. Никифорова и В.Н. Лаврова. Благодаря изменению конструкции чувствительного элемента гирокомпаса и переходу к торсионному подвесу гиромотора удалось достичь существенного уменьшения габаритов и массы прибора.
Наиболее распространенным отечественным гирокомпасом является модель МВТ-2 (маркшейдерский взрывобезопасный торсионный) (рисунок 1). Разработанный в 1967 году данный прибор выпускался на экспериментальном заводе ВНИМИ на протяжении двух десятков лет, за которые было собрано порядка 200 образцов.
Рисунок 1 – Маркшейдерский гирокомпас МВТ-2
Погрешность определения гироскопического азимута гирокомпасом МВТ-2 в среднем достигла 30”, что в совокупности с взрывобезопасным исполнением отвечало требованиям, установленными министерством угольной промышленности к данному виду приборов.
Следует отметить, что работы по разработке малогабаритных гирокомпасов велись и в других странах (Германии, Венгрии, Японии и пр.). Погрешности определения азимутов в некоторых моделях приборов достигали 15”, благодаря чему они нашли свое применение не только в маркшейдерском деле, но и инженерной геодезии, в которой активно использовались до внедрения в практику спутниковых GNSS систем.
Конструктивная сложность гирокомпасов на всем этапе их существования делала их производство проблематичным, из-за чего их количество всегда было весьма ограниченным. Появление и внедрение спутниковых GNSS систем исключило целесообразность их применения в геодезии, в связи с чем разработка новых моделей гирокомпасов была практически полностью свернута.
На сегодняшний день, производством современных гироскопических приборов активно занимаются только две компании: японская фирма Sokkia, производящая гиронасадки на свои электронные тахеометры Giro1X и GP-1X, и немецкая фирма DMT, выпускающая самый точный гирокомпас в мире GYROMAT. Одним из недостатков этих моделей приборов является отсутствие взрывобезопасного исполнения, что делает невозможным их применение на угольных шахтах опасных по взрыву газа и пыли [2].
Таким образом, использование маркшейдерского гирокомпаса МВТ-2 остается практически безальтернативным для условий отечественной горной промышленности. Хотя многолетняя практика использования рассматриваемых приборов подтверждает усредненную заявленную погрешность, возросшие на предприятиях требования к производству маркшейдерских изысканий и их математической обработке, обосновывают актуальность уточнения метрологических свойств гирокомпасов.
За двадцать лет своего производства конструкция моделей МВТ-2 модернизировалась и изменялась, что в совокупности с ручным изготовлением и сборкой делает каждый отдельный экземпляр прибора, в определенной степени, уникальным.
В связи с этим каждый выпускаемый ВНИМИ гирокомпас проходил контрольные заводские испытания, имеющие целью проверить основные технические характеристики (точность, производительность, потребляемую мощность тока и др.) и установить выявленные недостатки.
Испытания проводились в лабораторных условиях. С каждым гирокомпасом в рабочем диапазоне температур проводилось около 20 определений гироскопического азимута стороны при температурах 0ºC, +20ºC и +40ºC с приведением оси гирокомпаса в меридиан с углами 0º, 10º и 20º. Для получения температуры 0ºC наблюдения проводились или в ночное время, или приборы охлаждались до нуля в холодильной камере. Температура +20ºC – нормальная температура окружающей среды. При температуре +40ºC наблюдения проводились в термокамере.
Погрешность гирокомпаса в рабочем диапазоне температур mt определялась по внутренней сходимости результатов с использованием формулы Бесселя по отклонениям единичных значений гироскопических азимутов – Гi от среднего арифметического из всех – Гср [3]:
. (1)В классической методике расчета гироскопического азимута среднее значение положения нуля подвеса торсиона и среднее положение из точек реверсии рассчитывается как среднее арифметическое из двух промежуточно вычисляемых значений, определяемых по формулам вида:
, (2).gif){kind=small}
, (3)
.gif){kind=small}
. (4)
Легко видно, что при подобной методике расчета ошибки в определении промежуточных точек реверсии (второй и третьей) утраиваются, что искажает окончательное значение рассчитанного гироскопического азимута.
Из курса теории ошибок измерений известно, что наилучшей оценкой нормально распределенной случайной величины является среднее арифметическое значение, вычисленное из всех ее реализаций. Таким образом, при вычислении гироскопического азимута целесообразнее заменить вычисления по формулам (2) – (4) на вычисления вида:
.gif){kind=small}
. (5)В исследовании было выполнено сравнение погрешности определения гироскопического азимута для 16 различных гирокомпасов, вычисляемого по классической и предлагаемой методике. Полученные результаты представлены в виде гистограммы на рисунке 2.
Рисунок 2 – Погрешность определениея гироазимута рассчитанного по классической и предлагаемой методике
Из рисунка 2 видно, что в большинстве случаев точность полученнных гироазимутов возрастает при расчете точек реверсии через среднее арифметическое по формуле (5).
Принимая сравнительно небольшое количество пусков, выполненных во время контрольных заводских испытаний, значение среднеквадратической погрешности, вычисляемой по формуле (1), определяется с собственной ошибкой, чем можно объяснить противоречие в рассматриваемой гипотезе для некоторых гирокомпасов.
Проведенное исследование позволяет сформулировать следующие выводы:
- Погрешность определения гироскопического азимута может существенно различаться у разных образцов гирокомпаса, и находиться в пределе от 15” до 45”.
- Вычисления гироскопических азимутов по предлагаемой методике позволяет повысить точнотсь результатов на величину порядка 5% относительно классической методики.
Библиографический список
- Воронков Н.Н, Гироскопическое ориентирование / Н.Н. Воронков, В.В. Кутырев, Н.М. Ашимов. – М. Недра, 1980, 296 с.
- Голованов В.А. Гироскопическое ориентирование: Учеб. пособие В.А. Голованов. – СПб, Санкт-Петербургский государственный горный институт, 2004, 92 с.
- Гудков В.М. Математическая обработка маркшейдерско-геодезических измерений: Учебник для вузов / В.М. Гудков, А.В. Хлебников. – М.: Недра, 1990. – 335 с.
Количество просмотров публикации: Please wait