СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ ЛОПАСТЕЙ НЕСУЩЕГО ВИНТА ВЕРТОЛЕТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF HELICOPTER ROTOR BLADES INTEGRITY MONITORING AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение предназначено для контроля целостности лопастей несущего винта вертолета посредством контроля изменений угловых расстояний между соседними лопастями и определения параметров колебательного движения лопастей.
Известна полезная модель - система контроля целостности лопастей винта вертолета, основанная на контроле давления внутри лонжерона винта вертолета (Родзевич Г.В., Екименков Л.Н. и др. Система контроля целостности лопастей винта вертолета. Свидетельство на полезную модель №10682, В64С 27/46, B64D 45/00, опубл. 16.08.1999). Для реализации этой полезной модели используют встроенные в полость лонжерона лопасти, датчики давления с электрическим выходом, информация с которых поступает по оптическому (в инфракрасном (ИК) диапазоне) каналу передачи в устройство обработки, уменьшение давления внутри лонжерона лопасти позволяет судить о возникновении и развитии дефектов в лонжероне каждой отдельной лопасти.
Недостатками изобретения являются: внесение в конструкцию лопастей дополнительных элементов, изменяющих прочностные свойства лопастей, условия их оптимального обтекания воздушным потоком и низкая помехозащищенность ИК-канала передачи информации.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ измерения несоконусности лопастей несущего винта вертолета и устройство для его реализации (Борисов Ю.А. Способ измерения несоконусности лопастей несущего винта вертолета и устройство для его осуществления. Патент №2415053, B64F 5/00, опубл. 27.03.2011). Для реализации способа используют фотоприемное устройство, которое записывает изображение лопасти на фоне неба за промежуток не менее одного оборота винта, из записанных кадров формируется усредненный (опорный) кадр, на основе сформированного кадра определяются максимальное отклонение от среднего значения, полученные данные записываются в течение нескольких оборотов и усредняются. По разности между усредненным сигналом и текущим значением сигнала определяют отклонение лопасти и, соответственно, несоконусность установки лопастей.
Известный способ осуществляется устройством для измерения несоконусности лопастей вращающегося несущего винта вертолета (Борисов Ю.А. Способ измерения несоконусности лопастей несущего винта вертолета и устройство для его осуществления. Патент №2415053, B64F5/00, опубл. 27.03.2011), содержащим фотоприемник с объективом, формирователь разностного сигнала, записывающее устройство, формирователь усредненного кадра, детектор, компаратор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блоки индикации, накопления и обработки информации, блок измерения временных интервалов.
Недостатками этого способа и устройства, его реализующего, являются недостаточная точность и достоверность измерений, связанные с использованием источника оптического излучения в виде рассеянного солнечного светового потока, параметры которого сильно зависят от погодных условий, времени суток, оптической плотности среды, помех, возникающих от посторонних источников излучения.
В основу изобретения поставлена задача увеличения точности и достоверности контроля целостности лопастей несущего винта вертолета и измерения параметров колебательных движений лопастей. Увеличение точности измерения колебательных параметров движения лопастей вертолета в предлагаемом способе и устройстве, его реализующем, достигается за счет контроля межлопастного углового расстояния и амплитуды маховых колебаний лопастей посредством определения информационных параметров отраженного от лопастей вертолета зондирующего излучения сверхвысокой частоты (СВЧ). Использование зондирующего СВЧ-излучения позволяет использовать устройство в любое время суток вне зависимости от погодных условий и изменения интенсивности потока солнечного излучения.
Для достижения поставленной цели в способе контроля целостности лопастей несущего винта вертолета, согласно изобретению, на роторе несущего винта вертолета устанавливают возбудитель оборотной метки, на неподвижной части корпуса вертолета напротив траектории движения оборотной метки устанавливают неподвижный бесконтактный оборотный датчик, регистрируют электрические импульсы, полученные в результате взаимодействия возбудителя оборотной метки с оборотным датчиком, из электрических импульсов, поступающих с оборотного датчика формируют оборотные прямоугольные импульсы, измеряют временные интервалы между оборотными прямоугольными импульсами, получают информацию о периоде вращения ротора несущего винта вертолета, устанавливают на неподвижной части корпуса вертолета излучающую антенну с диаграммой направленности, ширина которой сравнима с угловой видимостью ширины лопасти и исключает возможность одновременного облучения двух соседних лопастей, в непосредственной близости от излучающей антенны устанавливают приемную антенну так, чтобы ширина диаграммы направленности антенны позволяла обеспечивать уверенный прием отраженного поочередно от каждой лопасти зондирующего сигнала, антенны располагают таким образом, чтобы конструктивные элементы корпуса вертолета не попадали в зону их диаграмм направленностей, формируют в диапазоне сверхвысоких частот зондирующее излучение и направляют его посредством излучающей антенны в сторону контролируемых лопастей, частично принимают отраженное от лопастей зондирующее излучение приемной антенной, детектируют принятый сигнал и усиливают его огибающую, на основе усиленного и продетектированного сигнала формируют лопастные прямоугольные импульсы, определяют временные интервалы между лопастными прямоугольными импульсами, идентифицируют номера лопастей несущего винта вертолета посредством сравнения временного положения импульсов от оборотного датчика и импульсов, полученных после обработки потоков, отраженных от лопастей вертолета, измеряют амплитуду сигнала, полученного при отражении зондирующего излучения от поверхности каждой лопасти, определяют относительные значения временных интервалов для каждого межлопастного интервала путем вычисления отношения между полученным текущим межлопастным временным интервалом и периодом вращения винта вертолета, сравнивают полученные относительные временные интервалы и амплитуды отраженных от лопастей сигналов с эталонными относительными временными интервалами и значениями амплитуд, записанными в памяти бортовой электронно-вычислительной машины, эталонные значения определяются при работе с заведомо исправными лопастями, полученными, например, за сто полных оборотов несущего винта вертолета на всех рабочих режимах при максимальном и минимальном возможных углах атаки лопастей и максимальном приближении и удалении лопастей от хвостовой балки, при этом определяются минимальные и максимальные возможные амплитуды сигнала и временных интервалов для каждой лопасти и для каждого межлопастного интервала, при обнаружении отклонения текущих значений измеренных временных интервалов или амплитуд от заданных эталонных значений формируется сигнал о неисправности конкретной лопасти или ее крепления.
Для реализации способа в известное устройство, содержащее детектор, компаратор первый, аналогово-цифровой преобразователь, согласно изобретению дополнительно введены генератор СВЧ-сигнала, приемная и передающая антенно-фидерные системы, усилитель, бортовая электронно-вычислительная машина, счетчики: счетчик определения частоты вращения ротора несущего винта вертолета и счетчик определения межлопастных временных интервалов, штатный оборотный датчик, оборотный датчик, ключ, генератор тактовых импульсов, формирователь опорного напряжения, цифроаналоговый преобразователь, второй компаратор, соединенные следующим образом: выход генератора сигнала сверхвысокой частоты подключен к входу излучающей антенно-фидерной системы; выход приемной антенно-фидерной системы подключен к входу детектора, выход которого соединен с входом усилителя, выход усилителя подключен к первому входу первого компаратора и соединен с информационным входом аналогово-цифрового преобразователя, выходные разряды которого соединены, соответственно, с третьей частью разрядов входного интерфейса бортовой электронно-вычислительной машины; выход первого компаратора подключен к первому входу счетчика определения межлопастных временных интервалов, выходные разряды, которого соединены, соответственно, с первой частью разрядов входного интерфейса бортовой электронно-вычислительной машины; оборотный датчик, выход которого подключен к первому входу ключа; штатный оборотный датчик, выход которого соединен со вторым входом ключа, а выход ключа подключен к входу второго компаратора, выход которого соединен с первым входом счетчика определения частоты вращения ротора несущего винта вертолета, выходные разряды которого соединены, соответственно, со второй частью разрядов входного интерфейса бортовой электронно-вычислительной машины; генератор тактовых импульсов, выход которого подключен ко второму входу счетчика определения межлопастных временных интервалов и ко второму входу счетчика определения частоты вращения ротора несущего винта вертолета; цифроаналоговый преобразователь, входные разряды которого соединены, соответственно, с первой частью разрядов выходного интерфейса бортовой электронно-вычислительной машины, выход цифроаналогового преобразователя подключен к входу формирователя опорного напряжения, а выход формирователя опорного напряжения соединен со вторым входом первого компаратора; бортовая электронно-вычислительная машина является выходным блоком, формирующим и отображающим выходные сигналы устройства.
Предлагаемое техническое решение обладает новизной, т.к. авторам не известны признаки, фигурирующие в предлагаемом изобретении в качестве отличительных.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующего предложенный способ; на фиг. 2 приведены временные эпюры, поясняющие работу устройства; на фиг. 3 показаны возможные угловые отклонения лопасти относительно исходного состояния в горизонтальной плоскости на рабочем режиме.
Устройство контроля целостности лопастей несущего винта вертолета (фиг. 1) содержит генератор 1 СВЧ-сигнала, выход которого подключен к входу излучающей антенно-фидерной системы 2 (АФС), выход приемной АФС 3 подключен к входу детектора 4, выход которого соединен с входом усилителя 5, выход которого подключен к первому входу первого компаратора 6, выход усилителя 5 соединен также с информационным входом АЦП 7; выход первого компаратора 6 соединен с первым входом счетчика определения межлопастных временных интервалов 8, выходные разряды которого подключены к первой части разрядов входного интерфейса БЭВМ 9; оборотный датчик (ОД) 10, выход которого подключен к первому входу ключа 11; штатный оборотный датчик 12 (ШОД), выход которого соединен со вторым входом ключа 11, второй компаратор 13, вход которого соединен с выходом ключа 11; счетчик определения частоты вращения ротора несущего винта вертолета 14, первый вход которого подключен к выходу второго компаратора 13, а выходные разряды счетчика 14 соединены со второй частью разрядов входного интерфейса БЭВМ 9, генератор 15 тактовых импульсов, выход которого подключен ко второму входу счетчика 8 определения межлопастных временных интервалов и ко второму входу счетчика 14 определения частоты вращения ротора несущего винта вертолета; АЦП 7, выход которого соединен с третьей частью разрядов входного интерфейса БЭВМ 9, цифроаналоговый преобразователь 16 (ЦАП), входные разряды которого соединены, соответственно, с первой частью разрядов выходного интерфейса БЭВМ 9, выход ЦАП 16 подключен к входу формирователя опорного напряжения 17, выход формирователя опорного напряжения 17 подключен ко второму входу первого компаратора 6, БЭВМ 9 является выходным блоком, формирующим и отображающим выходные сигналы устройства.
Контроль целостности лопастей вращающегося несущего винта по предложенному способу осуществляется следующим образом.
На роторе несущего винта вертолета устанавливают возбудитель оборотной метки, например штырь. На неподвижной части корпуса вертолета напротив траектории движения оборотной метки (ОМ) устанавливают бесконтактный оборотный датчик (Фиг. 1), например вихретоковый, и регистрируют электрические импульсы (Фиг. 2 эпюра 1), полученные в результате взаимодействия возбудителя ОМ с оборотным датчиком, либо используют выходные сигналы штатного оборотного датчика системы определения частоты вращения ротора несущего винта вертолета, формируют из электрических импульсов ОД, либо выходных сигналов ШОД, оборотные прямоугольные импульсы (Фиг. 2 эпюра 2), измеряют временные интервалы между импульсами ОД, например, по переднему фронту оборотного прямоугольного импульса (Фиг. 2 эпюра 6), получают информацию о периоде вращения ротора несущего винта вертолета. Устанавливают на неподвижной части корпуса вертолета, например на хвостовой балке вертолета, излучающую антенну, например, на основе рупорной антенны (Драбкин А.Л., Зузенко В.Л. Антенно-фидерные устройства. М.: Советское Радио, 1961, 814 с.), с относительно узкой диаграммой направленности, ширина которой исключает возможность одновременного зондирующего облучения двух соседних лопастей. В непосредственной близости от излучающей антенны устанавливают приемную антенну таким образом, чтобы ширина диаграммы направленности приемной антенны позволяла обеспечивать уверенный прием отраженного поочередно от каждой лопасти зондирующего излучения при любом отклонении и угле атаки лопасти. Обе антенны устанавливаются исходя из таких условий, чтобы конструктивные элементы корпуса вертолета не попадали в зону их диаграмм направленностей.
Формируют с помощью СВЧ-генератора зондирующее излучение и направляют его посредством излучающей антенны в сторону траектории движения контролируемых лопастей. Принимают отраженный от лопастей сигнал приемной АФС (Фиг. 1). Детектируют и усиливают полученную огибающую сигнала (Фиг. 2 эпюра 3), формируют из электрических импульсов, поступающих с усилителя, лопастные прямоугольные импульсы (Фиг. 2 эпюра 4), измеряют межлопастные временные интервалы, например, по переднему фронту лопастного прямоугольного импульса (Фиг. 2 эпюра 7). Идентифицируют лопасти несущего винта вертолета посредством сравнения временного положения оборотного и лопастных прямоугольных импульсов (Фиг. 2 эпюра 2,4). Находят относительные значения временных интервалов для каждого межлопастного интервала путем вычисления отношения между полученным текущим межлопастным временным интервалом и периодом вращения винта вертолета. Записывают измеренные значения в памяти БЭВМ. Измеряют амплитуду сигнала, полученного при отражении зондирующего излучения от поверхности каждой лопасти, например, посредством оцифровки при помощи АЦП продетектированного сигнала и выделения максимального значения в БЭВМ. Записывают максимальные (амплитудные) измеренные значения в памяти БЭВМ. Получают эталонные относительные временные интервалы и значения амплитуд посредством выделения максимальных и минимальных значений межлопастных временных интервалов и амплитуд сигналов, которые определяются при работе с заведомо исправными лопастями, полученными, например, за сто полных оборотов несущего винта вертолета на всех рабочих режимах при максимальном и минимальном возможных углах атаки лопастей, максимальном приближении и удалении лопастей от хвостовой балки. Находят минимальные и максимальные возможные значения временных интервалов для каждого межлопастного интервала с учетом возможных вариаций отработки демпферной системой крепления лопастей несущего винта вертолета (Фиг. 3). Определяют минимальные и максимальные возможные значения амплитуды сигнала для каждой лопасти. Записывают полученные значения в памяти БЭВМ. Сравнивают после каждого оборота винта вертолета текущие и записанные в памяти БЭВМ эталонные относительные временные интервалы и значения амплитуд. Определяют отклонение текущих значений межлопастных временных интервалов и амплитуд сигналов за границы эталонных параметров. По отклонению текущих значений измеренных временных интервалов и амплитуд от эталонных параметров судят о целостности лопастей несущего винта вертолета.
Устройство, реализующее предложенный способ контроля целостности лопастей несущего винта вертолета, работает следующим образом.
Бесконтактный оборотный датчик 10, например вихретокового типа, генерирует электрические импульсы, полученные в результате взаимодействия возбудителя 18 с оборотным датчиком 10, либо используют выходные сигналы штатной системы 12 определения частоты вращения ротора несущего винта вертолета, производя необходимую коммутацию при помощи ключа 11 (Фиг. 1). Полученные оборотные импульсы подаются на второй компаратор 13, на выходе которого формируются прямоугольные оборотные импульсы (Фиг. 2 эпюра 1). Сформированные прямоугольные оборотные импульсы поступают на вход счетчика 14 определения частоты вращения ротора несущего винта вертолета. Генератор 1 СВЧ-сигнала формирует электромагнитный поток, который посредством излучающей АФС 2 излучается в направлении плоскости вращения несущего винта вертолета. Излученный поток отражается от лопасти и частично попадает на приемную АФС 3. Электрические СВЧ-импульсы с приемной АФС 3, полученные от каждой лопасти, детектируются при помощи детектора 4, затем усиливаются посредством усилителя 5 и поступают на первый компаратор 6. Первый компаратор 6 формирует прямоугольные лопастные импульсы (Фиг. 2 эпюра 3), которые поступают на счетчик 8 определения межлопастных временных интервалов. Усиленный сигнал с усилителя 5 также поступает на АЦП 7. С АЦП 7 цифровой сигнал подается на вход БЭВМ 9 (Фиг. 1), в программе работы которой реализован алгоритм определения максимума оцифрованного сигнала. На основе цифровой информации о максимуме лопастного импульса посредством ЦАП 16 и формирователя опорного напряжения 17 задается и устанавливается опорный уровень первого компаратора 6. В привязке к оборотному прямоугольному импульсу (Фиг. 2 эпюра 2), как импульсу синхронизации всей работы устройства, программа БЭВМ 9 реализует следующий алгоритм работы. В начале работы устройства формируется эталонная (базовая) информация. В этом режиме для всех лопастей несущего винта вертолета измеряются длительности межлопастных и оборотных импульсов (по которым определяется период вращения ротора несущего винта вертолета), например, по переднему фронту прямоугольных импульсов (Фиг. 2 эпюра 6,7), затем находятся относительные значения временных интервалов путем вычисления отношения межлопастных временных интервалов к периоду вращения ротора несущего винта вертолета. Эталонные временные интервалы и значения амплитуд, которые определяются при работе с заведомо исправными лопастями, полученными, например, за сто полных оборотов несущего винта вертолета на всех рабочих режимах при максимальном и минимальном возможных углах атаки лопастей, максимальном приближении и удалении лопастей от хвостовой балки, при этом определяются минимальные и максимальные возможные амплитуды сигнала и временных интервалов для каждой лопасти и каждого межлопастного интервала. Полученные для каждой лопасти и каждого межлопастного временного интервала эталонные относительные величины запоминаются в памяти БЭВМ 9 (Фиг. 1). Далее, в эксплуатационном режиме работы в БЭВМ 9 измеряются текущие длительности межлопастных интервалов и амплитуды сигналов, измеряется текущий период вращения ротора несущего винта вертолета и вычисляются отношения измеренных текущих длительностей лопастных импульсов к текущему периоду вращения ротора, после этого сравниваются с хранящимися в памяти БЭВМ 9 эталонными (базовыми) величинами. При отклонении текущих значений измеренных относительных временных интервалов и амплитуд от относительных эталонных параметров делают заключение о целостности лопастей несущего винта вертолета. Результат сравнения отображается, например, на экране монитора БЭВМ 9.