毛海濤，景 堃，周圣林

(海軍裝備研究院航空所，上海 200436)

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基于UDT的旋翼錐體測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

毛海濤，景 堃，周圣林

(海軍裝備研究院航空所，上海 200436)

旋翼錐體測(cè)量是直升機(jī)一項(xiàng)重要的常規(guī)視情檢查項(xiàng)目，由于旋翼錐體直接影響直升機(jī)的振動(dòng), 而且使用頻度較大, 所以旋翼錐體測(cè)量方法是直升機(jī)研究的一個(gè)重要內(nèi)容。研究了一種基于UDT設(shè)備的旋翼錐體測(cè)量方法，分析了其工作原理及錐體的計(jì)算方法，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套具有綜合測(cè)量、實(shí)時(shí)處理和故障診斷能力的直升機(jī)旋翼錐體測(cè)量系統(tǒng)。

UDT；直升機(jī)；旋翼錐體測(cè)量

0 引言

直升機(jī)旋翼槳尖的運(yùn)動(dòng)軌跡習(xí)慣上稱為旋翼錐體。如果希望降低直升機(jī)振動(dòng)水平(1Ω)，改善直升機(jī)振動(dòng)環(huán)境，確保旋翼工作在正常狀態(tài)，就必需精確測(cè)量旋翼的錐體，對(duì)錐體狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

直升機(jī)在飛行時(shí), 旋翼工作在復(fù)雜的氣動(dòng)環(huán)境中, 旋翼槳葉運(yùn)動(dòng)及其所承受的載荷都比較復(fù)雜，影響因數(shù)很多, 造成了旋翼槳尖運(yùn)動(dòng)軌跡的復(fù)雜性[1]。在進(jìn)行直升機(jī)旋翼槳尖運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量時(shí)，不僅要測(cè)量槳葉的揮舞運(yùn)動(dòng)，還要測(cè)量槳葉的擺動(dòng)，這些參數(shù)將對(duì)旋翼的正常工作產(chǎn)生很大的影響[2]。

由于旋翼錐體在直升機(jī)維護(hù)工作中占有相當(dāng)?shù)谋壤?，?duì)于精確測(cè)量旋翼錐體的方法也在不斷進(jìn)行改進(jìn)和發(fā)展[3-5]。圖1是幾種常規(guī)的旋翼錐體測(cè)量方法及其基本特點(diǎn)。在國內(nèi)，目前直8直升機(jī)采用的是打紙筒法，直9和直11直升機(jī)采用的是頻閃儀法，都普遍存在測(cè)量精度低、易受到環(huán)節(jié)條件制約等不足。而自動(dòng)槳葉軌跡儀法是一種省時(shí)、省力且高精度的測(cè)量方法，國外已經(jīng)推廣使用，而國內(nèi)關(guān)于該技術(shù)的應(yīng)用研究還比較有限。本文將圍繞該技術(shù)的研究和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)開展相關(guān)研究工作。

圖1 常規(guī)旋翼錐體測(cè)量方法和基本特點(diǎn)

1 基于UDT的旋翼錐體測(cè)量方法和原理

1.1 UDT的工作原理

通用軌跡設(shè)備(UTD，Universal Track Device)是美國Signal Processing System(SPS)公司(現(xiàn)被GE公司收購)研制的一種專用的測(cè)量旋翼軌跡的光電傳感器。其工作原理如圖2所示，在UTD上有兩個(gè)安裝角為11°的光電感應(yīng)器，當(dāng)某片槳葉掃過時(shí)，UDT輸出三個(gè)電脈沖信號(hào)。對(duì)于某一片槳葉來說，在UTD可感受的兩個(gè)夾角為11°的區(qū)域內(nèi)，當(dāng)槳葉前沿與第一束光線相交時(shí)，UTD輸出第一個(gè)脈沖，當(dāng)槳葉前沿與第二束光線相交時(shí)，UTD輸出第二個(gè)脈沖，當(dāng)槳葉后沿與第二束光線相交時(shí)，UTD輸出第三個(gè)脈沖，即每片槳葉輸出三個(gè)脈沖。依次類推，其它槳葉也輸出三個(gè)脈沖，為了區(qū)別不同的槳葉，還需一個(gè)方位傳感器來確定究竟是哪片槳葉。方位傳感器一般采用轉(zhuǎn)速傳感器，有磁電傳感器和光電傳感器兩種。

圖2中，UTD輸出脈沖信號(hào)的時(shí)間參數(shù)T1、T2、T3和T4與槳葉的位置關(guān)系如下：T1表示槳葉與第一區(qū)域相交的時(shí)刻；T2表示槳葉與第二區(qū)域相交的時(shí)刻；T3表示槳葉離開第二區(qū)域的時(shí)刻；T4表示槳葉與第一區(qū)域相交的時(shí)刻。

圖2 UTD的工作原理

通過分析，可以得出下面三個(gè)時(shí)間參數(shù)：

T1-T2：槳葉掃過UTD兩個(gè)夾角為11°的區(qū)域的時(shí)間。當(dāng)槳葉升高時(shí)，該時(shí)間增長；當(dāng)槳葉降低時(shí)，該時(shí)間縮短。該參數(shù)反應(yīng)了槳葉的揮舞高度(槳葉的絕對(duì)揮舞量)，將其與基準(zhǔn)槳葉進(jìn)行比較，可以得出旋翼的錐體數(shù)據(jù)。

T2-T3：槳葉的弦向?qū)挾葤哌^UTD第二區(qū)域的時(shí)間。槳葉的弦向?qū)挾仁且阎?，可以用來檢查UTD的安裝參數(shù)是否合適，如UTD的安裝角度等。

T1-T4：相鄰兩片槳葉到達(dá)UTD第一區(qū)域的時(shí)間，對(duì)應(yīng)于各片槳葉的擺動(dòng)大小，因此使用UTD可以測(cè)量槳葉在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的擺動(dòng)量，這是頻閃儀無法測(cè)量的參數(shù)。

1.2 錐體的計(jì)算方法

UDT采用三角法測(cè)量原理進(jìn)行測(cè)量，其原理如圖3所示，圖中給出了UTD 的安裝參數(shù)和旋翼錐體數(shù)據(jù)計(jì)算的幾何圖形。其中O點(diǎn)為UTD安裝位置，B點(diǎn)是旋翼主軸的中心，D點(diǎn)為槳葉靶標(biāo)(通用錐體的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn))，A點(diǎn)為UTD感受的槳葉位置。

圖3 UTD的三角測(cè)量原理

已知的安裝參數(shù)包括：α為UTD安裝角，11°為UTD中兩個(gè)光學(xué)傳感器的的夾角，L0為UTD安裝位置到旋翼主軸的水平距離，L2為沿槳葉方向從槳轂到槳葉靶標(biāo)的距離，W為UTD感受的槳葉處的翼弦寬度。需要通過測(cè)量系統(tǒng)獲得的參數(shù)包括：Tn為第n片槳葉掃過UTD兩個(gè)感受區(qū)域的時(shí)間(即T1-T2)；TWn為第n片槳葉翼弦全部通過第二感受區(qū)域的時(shí)間(即T2-T3)； TLn為第n片槳葉與第n+1片槳葉通過UTD傳感器的時(shí)間間隔(即T1-T4)；Ω為旋翼轉(zhuǎn)速。

為了便于說明，下面論述中使用T、TW和TL來代替Tn、TWn和TLn。

1.2.1 槳葉揮舞值的計(jì)算

在圖3右側(cè)三角形中根據(jù)余弦定理，有：

而圖3左側(cè)圖形中有：

由式(1)、(2)得：

式中L為槳葉掃過UTD感受區(qū)域的弦長，槳葉與兩個(gè)區(qū)域的交點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)中心構(gòu)成一個(gè)三角形，槳葉掃過角度是ωT。設(shè)槳轂中心到三角形對(duì)邊的距離為L1，有：

圖3左側(cè)圖形中有：

將式(5)代入式(4)得：

根據(jù)式(3)和式(6)，有等式：

上述方程求解可得：

因此：

通過上述計(jì)算可求得槳葉的絕對(duì)揮舞值H，將某片槳葉作為基準(zhǔn)槳葉，其它各片槳葉的絕對(duì)揮舞值與其做減法，就可以得出直升機(jī)旋翼錐體數(shù)據(jù)。

1.2.2 槳葉擺動(dòng)值的計(jì)算

由于時(shí)間參數(shù)TL是相鄰兩片槳葉通過同一位置的時(shí)間間隔，而旋翼的轉(zhuǎn)速是Ω，旋轉(zhuǎn)角速度ω=Ωπ/30，因此這兩片槳葉的夾角φ=TL×ω=TL×Ωπ/30。由此可以計(jì)算出各片槳葉的相鄰?qiáng)A角，如取一槳葉為標(biāo)準(zhǔn)槳葉，各片槳葉按照槳葉旋轉(zhuǎn)方向依次編號(hào)，則各片槳葉與標(biāo)準(zhǔn)槳葉的實(shí)際夾角可以計(jì)算出來。

假設(shè)被測(cè)量直升機(jī)的槳葉數(shù)量為K，則第i片槳葉與標(biāo)準(zhǔn)槳葉的夾角為θi=2π/K×(i-1)。通過將各片槳葉的實(shí)測(cè)夾角與標(biāo)準(zhǔn)夾角相減，得出偏差角度，然后根據(jù)槳葉靶標(biāo)位置參數(shù)L2，可求出槳葉在靶標(biāo)處的實(shí)際偏差距離，也就是槳葉擺動(dòng)值。擺動(dòng)值的正或負(fù)，反映了槳葉超前或滯后。

2 旋翼錐體測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文開發(fā)實(shí)現(xiàn)了一套具有綜合測(cè)量、實(shí)時(shí)處理和故障診斷能力的直升機(jī)旋翼錐體測(cè)量系統(tǒng)。其原理結(jié)構(gòu)框圖及各傳感器安裝位置如圖4、圖5所示。 其中PC104嵌入式計(jì)算機(jī)是采集設(shè)備的核心，負(fù)責(zé)管理、協(xié)調(diào)錐體采集等工作；安裝在直升機(jī)前部的UTD，可監(jiān)測(cè)槳葉的揮舞和擺動(dòng)情況；安裝在旋翼主軸附近的磁性轉(zhuǎn)速傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量旋翼的轉(zhuǎn)速，從而確定各片槳葉的位置。根據(jù)UTD和旋翼轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出旋翼的錐體數(shù)據(jù)，結(jié)合當(dāng)前的飛行狀態(tài)進(jìn)行存儲(chǔ)，可供機(jī)上監(jiān)測(cè)和地面分析。

圖4 旋翼錐體測(cè)量系統(tǒng)框圖

圖5 旋翼錐體測(cè)量系統(tǒng)在直升機(jī)上的布置

2.1 系統(tǒng)功能

直升機(jī)旋翼錐體測(cè)量系統(tǒng)可對(duì)旋翼錐體在地面和空中各種飛行狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)測(cè)。飛行狀態(tài)包括懸停(有地效和無地效)、爬升、俯沖、下滑、小速度平飛(140km/h)、大速度平飛(260km/h)、VNE(不可超越速度)和盤旋等。同時(shí)系統(tǒng)可對(duì)這些飛行狀態(tài)的旋翼錐體情況進(jìn)行分類測(cè)量存儲(chǔ)， 在地面對(duì)所存儲(chǔ)的各飛行狀態(tài)錐體數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，得出錐體最佳調(diào)整方法，并據(jù)此對(duì)直升機(jī)的旋翼錐體進(jìn)行調(diào)整。系統(tǒng)具體功能包括：

1)自檢測(cè)功能。開機(jī)后首先進(jìn)行自檢，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)儀器給出警告提示，并禁止對(duì)有故障的信號(hào)進(jìn)行采集，以避免得到錯(cuò)誤的信息；

2)直升機(jī)旋翼錐體測(cè)量。給出旋翼錐體的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，建立測(cè)量數(shù)據(jù)庫；

3)旋翼錐體調(diào)整。依據(jù)旋翼錐體測(cè)量結(jié)果對(duì)旋翼錐體進(jìn)行調(diào)整，給出初步的調(diào)整意見；

4)旋翼系統(tǒng)的故障監(jiān)測(cè)。在沒有機(jī)組人員干預(yù)的情況下能自動(dòng)進(jìn)行旋翼錐體數(shù)據(jù)的采集記錄，能對(duì)直升機(jī)旋翼系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行趨勢(shì)分析，并根據(jù)所給定的超限值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦數(shù)據(jù)超限，能立刻給出報(bào)警信號(hào)，以便機(jī)組人員采取相應(yīng)措施。

2.2 系統(tǒng)指標(biāo)

1)測(cè)量參數(shù)

① 旋翼錐體，包括相對(duì)和絕對(duì)揮舞值；

② 槳葉擺動(dòng)值；

③ 旋翼槳葉和尾槳葉的方位角及轉(zhuǎn)速。

2)測(cè)量范圍

① 旋翼片數(shù) 2 至 6片；

② 旋翼轉(zhuǎn)速范圍：25 至 6000 rpm；

③ 尾槳轉(zhuǎn)速范圍：25 至 6000 rpm。

3)測(cè)量精度

① 槳葉揮舞值測(cè)量誤差不大于2 mm；

② 槳葉擺動(dòng)值測(cè)量誤差不大于2 mm。

4)數(shù)據(jù)處理能力

① 各種測(cè)量結(jié)果可以進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)，可以保存100次以上的飛行測(cè)量結(jié)果和一定數(shù)量的采集的原始信號(hào)，特別是能將異常情況的原始信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，以便直升機(jī)著陸后用地面站數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)做進(jìn)一步的分析；

② 系統(tǒng)具有小結(jié)功能，可以給出錐體參數(shù)的時(shí)間歷程，進(jìn)行趨勢(shì)分析并與預(yù)先給出的限制值進(jìn)行對(duì)比，并能夠發(fā)出警告提示。

2.3 錐體參數(shù)用于旋翼故障監(jiān)測(cè)和診斷

在飛行中對(duì)旋翼進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)，對(duì)直升機(jī)的使用、維護(hù)、飛行安全等具有重要的意義。故障監(jiān)測(cè)是為了故障診斷，直升機(jī)旋翼故障診斷工作量十分巨大，在診斷原理、診斷技術(shù)等方面有許多需要研究和解決的問題[6]。本文在旋翼錐體測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研制過程中，針對(duì)旋翼故障監(jiān)測(cè)與診斷的方法和技術(shù)開展了部分研究工作。

1)旋翼錐體測(cè)量系統(tǒng)具有自動(dòng)測(cè)量監(jiān)測(cè)功能，在直升機(jī)使用過程中，連續(xù)不間斷地監(jiān)測(cè)旋翼錐體情況， 每1～5分鐘提供一組旋翼錐體測(cè)量數(shù)據(jù)。因不同飛行狀態(tài)下故障的超限值是不同的，所以這些數(shù)據(jù)要與一些直升機(jī)的主要飛行參數(shù)進(jìn)行同時(shí)采集存儲(chǔ)，如飛行姿態(tài)、飛行速度、飛行高度、旋翼轉(zhuǎn)速、總距值、發(fā)動(dòng)機(jī)功率等。計(jì)算機(jī)對(duì)所測(cè)量的數(shù)據(jù)按照飛行狀態(tài)進(jìn)行分組采集存儲(chǔ)，然后進(jìn)行趨勢(shì)分析，一旦出現(xiàn)反?，F(xiàn)象，就說明旋翼錐體可能出現(xiàn)了故障，及時(shí)給出告警提示。

2)旋翼絕對(duì)揮舞量是反映旋翼錐體的參數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)不正常的絕對(duì)揮舞值時(shí)，旋翼系統(tǒng)可能出現(xiàn)了故障。

3)在進(jìn)行旋翼調(diào)整時(shí)，如測(cè)量得到的旋翼錐體數(shù)據(jù)不符合所給定的調(diào)整規(guī)律，出現(xiàn)反?，F(xiàn)象，則說明旋翼系統(tǒng)可能出現(xiàn)了故障。

3 結(jié)束語

本文從直升機(jī)維護(hù)保障需求出發(fā)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套基于UTD的設(shè)備，具有綜合測(cè)量、實(shí)時(shí)處理和故障診斷功能的旋翼錐體測(cè)量系統(tǒng)，研究?jī)?nèi)容為國內(nèi)新型直升機(jī)HUMS系統(tǒng)(Health and Usage Monitoring System，直升機(jī)健康與使用監(jiān)控系統(tǒng))的設(shè)計(jì)、研制和加裝積累了有益的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

隨著現(xiàn)代測(cè)量、傳感器和計(jì)算機(jī)等多領(lǐng)域新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，旋翼錐體測(cè)量方法將不斷進(jìn)步，如采用視覺傳感器和圖像自動(dòng)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)旋翼錐體的測(cè)量與監(jiān)測(cè)；另一方面隨著專家?guī)斓姆e累完善，旋翼錐體故障的監(jiān)測(cè)與診斷功能會(huì)越來越強(qiáng)，這些都需要開展進(jìn)一步的深入研究和實(shí)踐。

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Design and Implementation of Rotor Track Measuring System Based on UDT

MAO Haitao，JING Kun，ZHOU Shenglin

(Institute of Aviation Equipment, Naval Academy of Armament，Shanghai 200436，China)

Rotor track measuring is a general and important maintenance work of helicopter. Rotor track directly effects vibration of helicopter and checking rotor track in high frequency, so the way of measuring rotor track is an important research direction. This paper mainly introduced the principle of a measuring method based on UDT. A rotor track measuring system with the ability of comprehensive measurement, real time processing and fault diagnosis was designed and implemented.

UDT；helicopter；measuring rotor track

2014-11-15

毛海濤 (1980-)，男，江蘇靖江人，碩士，工程師，主要研究方向：航空綜合保障。

1673-1220(2015)02-038-05

TP306；V267

A