СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМЫ ПРИВОДА СООСНЫХ НЕСУЩИХ ВИНТОВ ВЕРТОЛЕТА

Полезная модель относится к авиационной испытательной технике, а именно к стендам для ресурсных испытаний элементов трансмиссии вертолета, например, главного редуктора и главных валов, при комбинированных и повышенных нагрузках.
Элементы конструкции системы привода несущих винтов и механических передач вертолета находятся в эксплуатации под сложным воздействием переменного кручения, растяжения и изгиба в процессе вращения, поэтому их стендовые испытания необходимо проводить при совместном действии этих факторов по величине и в последовательности изменения, соответствующих эсплуатационным условиям и режимам полета.
Известен стенд для динамических испытаний элементов воздушного винта летательного аппарата (патент РФ N2137108, кл. G 01 N 3/32, G 01 М 7/00 1998), содержащий станину с направляющей опорой на которой крепятся силовые гидроцилиндры, предназначенные для статического растяжения образца и соединенные через траверсу и подвижную каретку с первым шарнирным узлом крепления образца обеспечивающим возможность его изгиба в заданной плоскости и вторым шарнирным узлом, соединенным с рычагом компенсатора изменения осевой нагрузки, ось которого установлена на подшипниках качения в корпусе вращения на силовом полу или раме стенда. Между осью второго шарнирного узла крепления образца и образцом может быть установлен осевой шарнир для имитации действия на образец крутящего момента.
Однако возможность дополнительного нагружения образца крутящим моментом от соответствующего привода в конструкции этого стенда не реализована.
Наиболее близким техническим решением является принятая в качестве прототипа конструкция стенда фирмы Schenck для испытания образцов на сложное переменное воздействие изгиба и кручения при вращении («Испытательная техника», Справочник в 2-х книгах под ред. В.В.Клюева. - Москва, «Машиностроение» 1982 г. Книга 1, стр.179, рис.36, а).
Стенд состоит из станины, привода (приводной машины) для вращения испытываемого образца, устройства нагружения образца крутящим моментом, выполненного в виде поворотного гидроцилиндра, соединенного через статор, вращающийся барабан, цилиндрическую вставку и закрепленную на ее торце диафрагму с одним узлом крепления образца и соединенного через вал ротора и динамометр с другим узлом крепления образца, причем статор поворотного гидроцилиндра связан с валом приводной машины, устройства нагружения образца изгибающим моментом в осевой плоскости, выполненного в виде маятникового коромысла, соединенного через подшипники с цапфой, установленной на торце цилиндрической вставки и шарнирно связанного через поступательный гидроцилиндр со станиной, причем ось подвеса коромысла пересекает центр образца.
Однако конструкцией этого стенда не предусмотрена возможность привода двух соосных образцов и одновременного нагружения каждого образца осевой растягивающей силой, поперечной силой и возможность поворота плоскости действия поперечной силы и изгибающего момента относительно продольной оси образца.
Предлагаемая полезная модель решает задачу проведения стендовых испытаний образца (системы привода соосных несущих винтов вертолета),
например, главного редуктора, выходные соосные валы которого являются приводными валами несущих винтов, выходные валы коробки приводов являются приводными валами установленных на редукторе вертолетных агрегатов, и входных (главных) валов, связывающих редуктор с двигателями вертолета, при воздействии на испытываемый образец многокомпонентных внешних силовых нагрузок, адекватных аэродинамическим нагрузкам на несущие винты и нагрузкам на вертолетные агрегаты по величине, соотношению и повторяемости.
Полезная модель позволяет, также, проводить исследования работоспособности элементов системы привода несущих винтов при перегрузках по тяге, крутящему моменту и при имитации режимов авторотации, которые технически невозможно воспроизвести на натурном наземном стенде (вертолете на привязи) в связи с ограничениями режимов эксплуатации (летной годности) двигателей и несущих винтов, влиянием земли и зависимости режимов испытаний от внешней среды.
Поставленная задача решена благодаря тому, что стенд для испытаний системы привода соосных несущих винтов вертолета, содержащий станину, приводную машину, устройство нагружения крутящим моментом, устройство нагружения изгибающим моментом в осевой плоскости, соединенные с испытуемым образцом, снабжен второй приводной машиной, вторым устройством нагружения крутящим моментом, вторым устройством нагружения изгибающим моментом в осевой плоскости и механизмом поворота устройств нагружения изгибающим моментом, соединенные с испытуемым образцом, приводные машины соединены с двумя входными валами испытываемого образца через мультипликаторы, соединительные валы и измерители крутящих моментов, причем соединительные валы установлены на промежуточных опорах и соединены с мультипликаторами пластинчатыми муфтами, два устройства нагружения крутящим моментом соединены с двумя выходными соосными валами испытываемого образца,
каждое устройство состоит из нагрузочной машины, которая через соединительный вал с измерителем крутящего момента, раздаточный редуктор, две пластинчатые муфты, связанные промежуточным валом, и шлицевую обойму соединена с соответствующим выходными соосным валом, два устройства нагружения изгибающим моментом соединены с двумя выходными соосными валами испытываемого образца с возможностью нагружения каждого вала действующими в осевой плоскости вертикальными, горизонтальной силами и изгибающим моментом, каждое устройство выполнено поворотным относительно оси вала и состоит из двух горизонтальных рычагов коромысла, радиально закрепленных на цилиндрической вставке с цапфой, соединенной через радиально-упорный подшипник с монтажной плитой под закрепленным на ней раздаточным редуктором, втулки, связанной радиально-упорными подшипниками со шлицевой обоймой, закрепленной на соответствующем выходном соосном валу образца, двух закрепленных на втулке симметрично относительно ее осевой плоскости горизонтальных двуплечих рычагов, двух гидроцилиндров вертикальных нагрузок и одного гидроцилиндра горизонтальной нагрузки, проушины корпусов гидроцилиндров шарнирно связаны с рычагами втулки, проушины штоков гидроцилиндров шарнирно связаны с рычагами коромысла, а шток каждого гидроцилиндра связан с его проушиной через датчик усилий, причем оси гидроцилиндров вертикальных нагрузок параллельны и симметричны относительно оси цапфы, ось гидроцилиндра горизонтальной нагрузки пересекает ось выходного соосного вала образца и расположена в плоскости вращения соответствующего несущего винта вертолета, на горизонтальных рычагах коромысла верхнего, соединенного с валом верхнего винта, и нижнего, соединенного с валом нижнего винта, устройств нагружений вертикальными, горизонтальной силами и изгибающим моментом, симметрично относительно оси цапфы установлены вертикальные стойки с закрепленными на их нижних концах опорными
роликами, а на концах двух вертикальных стоек, установленных на горизонтальных рычагах коромысла со стороны гидроцилиндров горизонтальной нагрузки, закреплены вертикальные цилиндрические поводки, причем поводок верхнего устройства закреплен на ее нижнем конце, а поводок нижнего устройства закреплен на ее верхнем конце, механизм поворота устройств нагружений вертикальными, горизонтальными силами и изгибающим моментом соединен с указанными устройствами с возможностью поворота их в заданном диапазоне углов относительно оси валов несущих винтов и состоит из горизонтального винтового вала с приводной ручкой, установленного на закрепленных кронштейнами к монтажной плите опорных втулках, связанной с ним винтовой муфты с равноплечими горизонтальными рычагами, оси которых перпендикулярны оси горизонтального винтового вала, а противоположные концы связаны с цилиндрическими поводками верхнего и нижнего устройств нагружений перекрещивающимися шарнирными тягами равной длины с возможностью вращения горизонтального винтового вала и поворота указанных устройств на равные углы в противоположных направлениях от исходного рабочего положения, при котором плоскости симметрии устройств нагружений совпадают с плоскостью симметрии вертолета, причем при вращении горизонтального винтового вала в обратном направлении, устройства нагружений поворачиваются из исходного рабочего и устанавливаются в монтажное положение, при котором две вертикальные стойки верхнего устройства через ролики опираются на подставки, закрепленные на монтажной плите нижнего раздаточного редуктора, а две вертикальные стойки нижнего устройства через ролики опираются на подставки, закрепленные на подредукторной плите испытываемого образца с возможностью передачи нагрузки от веса монтажных плит с закрепленными на них раздаточными редукторами и устройствами нагружений через вертикальные стойки с опорными роликами и подставки на подредукторную
плиту в процессе сборки до установки и крепления монтажных и подредукторной плит к опорным кронштейнам станины стенда, подредукторная плита закреплена на силовом каркасе подвижной фермы, четыре колеса которой установлены на направляющих рельсах фундамента, оси колес закреплены на нижних концах двух соосных пар качалок, установленных на силовом каркасе шарнирно с левой и правой стороны, верхние концы качалок попарно связаны продольными шарнирными горизонтальными тягами равной длины, на одной из пар соосных качалок закреплены два параллельных рычага, верхние концы которых связаны рукояткой, а нижние концы при крайнем верхнем положении силового каркаса ставятся на закрепленные на нем упоры с возможностью перемещения подвижной фермы на колесах по рельсам фундамента из монтажной зоны в рабочую зону стенда, опускания силового каркаса при повороте рукоятки с рычагами в верхнее положение с последующей установкой и креплением монтажных и подредукторной плит к опорным кронштейнам станины стенда, нагрузочные машины, выполненные как генераторы постоянного или переменного тока, при имитации авторотации переводятся в двигательный режим работы.
На фиг.1 представлен общий вид стенда; на фиг.2 - вид справа на подвижную ферму стенда; на фиг.3 - кинематическая схема стенда; на фиг.4 - схема работы механизма поворота.
Стенд для испытаний системы привода соосных несущих винтов вертолета содержит две приводные машины 1, 2 для соединения с двумя входными валами 3, 4 испытываемого образца 5 через мультипликаторы 6, 7, соединительные валы 8, 9 и измерители крутящих моментов 10, 11, причем соединительные валы установлены на промежуточных опорах 12, 13 и связаны с мультипликаторами 6, 7 пластинчатыми муфтами 14, 15.
Два устройства нагружения крутящим моментом соединены с двумя выходными соосными валами 16, 17 испытываемого образца. Каждое устройство состоит из нагрузочной машины 18, которая через соединительный вал 19, измеритель крутящего момента 20, раздаточный редуктор 21, две пластинчатые муфты 22, 23, связанные промежуточным валом 24, и шлицевую обойму 25 соединена с соответствующим выходным соосным валом.
Два устройства нагружения валов несущих винтов изгибающими моментами соединены с двумя выходными соосными валами 16, 17 испытываемого образца с возможностью нагружения каждого вала вертикальными, горизонтальной силами и изгибающим моментом в осевой плоскости. Каждое устройство выполнено поворотным относительно оси вала и состоит из двух горизонтальных рычагов 26, 27 коромысла, радиально закрепленных на цилиндрической вставке с цапфой 28, соединенной через упорный подшипник 29 с монтажной плитой 30 под закрепленным на ней раздаточным редуктором 21. Втулка 31 каждого устройства связана радиально-упорными подшипниками со шлицевой обоймой 25, закрепленной на соответствующем выходном валу образца. На втулке 31, симметрично относительно ее осевой плоскости, закреплены два горизонтальных двуплечих рычага 32, 33. Два гидроцилиндра вертикальных нагрузок 34, 35 и один гидроцилиндр горизонтальной нагрузки 36 проушинами корпусов 37 шарнирно связаны с горизонтальными двуплечими рычагами 32, 33 втулки 31, проушинами штоков 38 шарнирно связаны с горизонтальными рычагами 26, 27 коромысла, а шток каждого гидроцилиндра связан с его проушиной через датчик усилий 39. Оси гидроцилиндров вертикальных нагрузок 34, 35 параллельны и симметричны относительно оси цапфы 28, а ось гидроцилиндра горизонтальной нагрузки 36 пересекает ось выходных соосных валов 16, 17 и расположена в плоскости вращения соответствующего несущего винта вертолета. На горизонтальных рычагах коромысла верхнего,
соединенного с выходным соосным валом 16, и нижнего, соединенного с выходным соосным валом 17, устройств нагружений вертикальными, горизонтальной силами и изгибающим моментом, симметрично относительно оси цапфы 28 установлены вертикальные стойки 40 с закрепленными на нижних концах опорными роликами 41, а на концах двух вертикальных стоек 40, установленных на горизонтальных рычагах 27 коромысла со стороны гидроцилиндров горизонтальной нагрузки 36, закреплены вертикальные цилиндрические поводки 42, 43, причем цилиндрический поводок 42 верхнего устройства закреплен на нижнем конце стойки, а цилиндрический поводок 43 нижнего устройства закреплен на верхнем конце стойки.
Механизм поворота устройств нагружений вертикальными, горизонтальными силами и изгибающим моментом соединен с указанными устройствами с возможностью поворота их в заданном диапазоне углов относительно оси выходных соосных валов 16, 17 и состоит из горизонтального винтового вала 44 с приводной ручкой 45, установленного на закрепленных кронштейнами к монтажной плите 46 опорных втулках 47, 48, связанной с ним винтовой муфты 49 с равноплечими горизонтальными рычагами 50, 51, оси которых перпендикулярны оси винтового вала, а противоположные концы связаны с цилиндрическими поводками 42, 43 перекрещивающимися шарнирными тягами 52, 53 равной длины.
При вращении горизонтального винтового вала 44, устройства нагружений поворачиваются относительно оси выходных соосных валов 16, 17 на равные углы в противоположных направлениях от исходного рабочего положения, при котором плоскости симметрии устройств нагружений совпадают с плоскостью симметрии вертолета XY, а при вращении приводной ручки 45 в обратном направлении устройства нагружений поворачиваются из исходного рабочего и устанавливаются в
монтажное положение, при котором две вертикальные стойки 40 верхнего устройства через опорные ролики 41 опираются на подставки 54, 55, закрепленные на монтажной плите 46 раздаточного редуктора 21, а две вертикальные стойки 40 нижнего устройства нагружений через ролики 41 опираются на подставки 56, 57, закрепленные на подредукторной плите 58 испытываемого образца 5, причем продольные оси перекрещивающихся шарнирных тяг 52, 53 не пересекают ось вращения выходных соосных валов 16, 17, исключая нейтральное положение механизма поворота.
В указанном монтажном положении нагрузки от веса монтажных плит 30 и 46 с закрепленными на них раздаточными редукторами 21 и устройствами нагружений через вертикальные стойки 40 с опорными роликами 41 и подставки 54, 55, 56, 57 передаются на подредукторную плиту 58, разгружая выходные соосные валы 16, 17 в процессе сборки до установки и крепления монтажных 30, 46 и подредукторной 58 плит к опорным кронштейнам 59, 60, 61, станины 62 стенда.
Подредукторная плита 58 закреплена на силовом каркасе 63 подвижной фермы 64, четыре колеса 65 которой установлены на направляющих рельсах 66 фундамента стенда 67, оси колес 65 закреплены на нижних концах двух пар соосных качалок 68, установленных на силовом каркасе 63 шарнирно с левой и правой стороны, верхние концы соосных качалок 68 попарно связаны продольными шарнирными горизонтальными тягами 69 равной длины. На одной из пар соосных качалок 68 закреплены два параллельных рычага 70, верхние концы которых связаны рукояткой 71, а нижние концы в крайнем нижнем положении рукоятки 71 устанавливаются на закрепленные к силовому каркасу 63 упоры 72 с возможностью ограничения поворота соосных качалок 68 под действием веса подвижной фермы 64 и перемещения ее на колесах 65 по направляющим рельсам 66 фундамента стенда 67 из монтажной зоны в рабочую зону стенда, опускания силового каркаса 63 при повороте рукоятки 71 с параллельными
рычагами 70 в верхнее положение с последующей установкой и креплением монтажных 30, 46 и подредукторной 58 плит к опорным кронштейнам 59, 60, 61, станины 62 стенда.
Стенд работает следующим образом
Приводные машины 1, 2 и две нагрузочные машины 18 устройств нагружения крутящими моментами являются электромеханическими и выполнены на базе электрических машин, включенных по схеме взаимного нагружения. При этом приводные машины 1, 2, соединенные механически с входными валами 3, 4 испытываемого образца 5 через мультипликаторы 6, 7, соединительные валы 8, 9, установленные на промежуточных опорах 12, 13, измерители крутящих моментов 10, 11 и пластинчатые муфты 14, 15 работают в режиме двигателей, а нагрузочные машины 18, соединенные с двумя выходными соосными валами 16, 17 испытываемого образца через соединительные валы 19, измерители крутящих моментов 20, раздаточные редукторы 21, пластинчатые муфты 22, 23, связанные промежуточными валами 24, и шлицевые обоймы 25, работают в режиме электрических генераторов, питающих приводные машины 1, 2. Шлицевые обоймы 25 установлены на выходные соосные валы 16, 17 вместо втулок несущих винтов вертолета (см. фиг.1, 2, 3).
Приводные машины 1, 2 обеспечивают заданную частоту вращения выходных соосных валов несущих винтов, соответствующую всем режимам полета - от малого газа до авторотации.
Нагрузочные машины 18 создают на выходных соосных валах 16, 17 крутящие моменты, соответствующие режимам работы двигателей при взлете, горизонтальном полете, виражах и разворотах относительно вертикальной оси (дифференциальный момент).
Устройства нагружения крутящими моментами воспроизводят, также, двухдвигательный и однодвигательный режимы работы системы привода
соосных несущих винтов вертолета (испытываемого редуктора с выходными, входными валами и приводами вертолетных агрегатов).
Устройства нагружения выходных соосных валов 16, 17 вертикальными (силами тяги), горизонтальной силами и изгибающими моментами в осевой плоскости валов, имитирующими нагрузки от нижнего и верхнего несущих винтов вертолета - гидромеханические.
Гидроцилиндры вертикальных нагрузок 34, 35 при их совместной симметричной работе создают через горизонтальные рычаги 26, 27 коромысла, втулку 31 с горизонтальными двуплечими рычагами 32, 33 и шлицевую обойму 25 на каждом выходном соосном валу 16, 17 вертикальную нагрузку Т (тягу винта, 2×0,5Т), и изгибающий момент (N×h) от дифференциальных сил N, действующих на плече h в осевой плоскости выходных соосных валов 16, 17 (см. фиг.3).
HB
BB
1
1
2
2
Гидроцилиндры горизонтальной нагрузки 36 создают через рычаги 26, 27 коромысла, втулку 31 с горизонтальными двуплечими рычагами 32, 33 и шлицевую обойму 25 горизонтальные (поперечные) нагрузки F на выходной вал 16 и F на выходной вал 17, расположенные в плоскости вращения соответствующего несущего винта вертолета (плоскость XZ для верхнего винта и плоскость XZ для нижнего винта).
Схема работы стендовых устройств нагружений валов несущих винтов крутящими, изгибающими моментами, вертикальными силами (силами тяги) и горизонтальными (поперечными) силами, адекватными аэродинамическим нагрузкам, учитывает особенность работы соосных несущих винтов вертолета в условиях реального полета, а именно:
- устройства нагружения каждого вала вертикальными, горизонтальной силами и изгибающим моментом в осевой плоскости имеют возможность поворота на упорных подшипниках 29, связывающих монтажные плиты 30, 46 с цапфами 28, в заданном рабочем диапазоне углов ±α (от 0 до ±45°) относительно плоскости симметрии
вертолета XY, соответствующих изменению направления действия поперечных сил и изгибающих моментов при различных маневрах вертолета - при взлете, висении, виражах, скольжении и установившихся режимах горизонтального полета;
- при взлете и висении вертолета плоскости действия горизонтальных сил и изгибающих моментов совпадают или составляют относительно плоскости симметрии вертолета XY близкий к нулю угол α;
- при виражах и скольжении угол α приближается к предельному значению (±45°);
- при установившихся режимах горизонтального полета по прямой угол α составляет ~27,5°.
Поворот и фиксация устройств нагружений в заданном диапазоне углов поворота ±α осуществляется механизмом поворота при вращении горизонтального винтового вала 44 от приводной ручки 45, перемещении винтовой муфты 49 с равноплечими горизонтальными рычагами 50, 51 вдоль горизонтального винтового вала 44 на расстояние (ход) а и повороте перекрещивающихся шарнирных тяг 52, 53, связанных с поводками 42, 43 верхнего и нижнего устройств нагружений.
Устройства нагружений поворачиваются при этом относительно оси валов несущих винтов на равные углы в противоположных направлениях от исходного рабочего положения, соответствующего взлетному режиму и висению. Значения крутящих, изгибающих моментов, горизонтальных, поперечных сил и углов α связаны между собой определенной зависимостью, задаваемой режимами полета и программой испытаний.
Вращением приводной ручки 45 обеспечивается поворот устройств нагружений на заданный угол и установка их в фиксированное положение до включения приводных машин 1, 2 перед проведением отдельных циклов испытаний за этап, определяемый программой испытаний и режимом полета. При необходимости имитации различных маневров вертолета в процессе
выполнения заданных этапов испытаний, т.е. при непрерывной работе приводных машин, вместо ручного привода винтового вала может быть установлена вспомогательная приводная машина.
При вращении приводной ручки 45 в обратном направлении, винтовая муфта 49 перемещается вдоль вала на величину хода b, устройства нагружений поворачиваются на угол β из исходного рабочего в монтажное положение, при котором две вертикальные стойки 40 верхнего устройства через опорные ролики 41 опираются на подставки 54, 55, закрепленные на монтажной плите 46 раздаточного редуктора 21 нижнего выходного соосного вала 17, а две вертикальные стойки 40 нижнего устройства через опорные ролики 41 опираются на подставки 56, 57, закрепленные на подредукторной плите 58 испытываемого образца. Полный диапазон углов поворота устройств нагружений α+β обеспечивается при общем ходе l винтовой муфты 49 (см. фиг.3, 4).
Для удобства монтажа агрегатов на выходные соосные валы 16, 17, сборки соединительных валов 8, 9 с измерителями крутящих моментов 10, 11 и установки их на промежуточные опоры 12, 13, стенд оборудован подвижной фермой 64, перемещаемой при помощи рукоятки 71 на четырех колесах 65 по направляющим рельсам 66 из рабочей в монтажную зону стенда. При монтаже агрегатов рукоятка 71 находится в крайнем нижнем положении, а соосные качалки 68 с колесами 65, связанные попарно двумя продольными шарнирными горизонтальными тягами 69 и двумя параллельными рычагами 70, находятся в устойчивом положении на упорах 72 под действием веса силового каркаса 63 с устанавливаемыми стендовыми агрегатами и испытываемым образцом 5.
На фиг.2 показана подвижная ферма 64 с установленными агрегатами до монтажа их на опорные кронштейны 59, 60, 61 станины 62 стенда. Показанные на фиг.2 раздаточные редукторы 21 условно развернуты в плоскость чертежа.
После перемещения тележки по рельсам в рабочую зону стенда, рукоятка 71 поднимается, параллельные рычаги 70, закрепленные на двух соосных качалках 68, отходят от упоров 72 силового каркаса 63 и поворачиваются на угол φ, при этом четыре колеса 65 подвижной фермы 64 поднимаются в крайнее верхнее положение, а силовой каркас 63 с установленными агрегатами стенда и испытываемого образца опускается на величину хода Δ до момента касания двумя монтажными 30, 46 и подредукторной 58 плитами плоскостей А, В, С опорных кронштейнов 59, 60, 61 станины 62 стенда (см. фиг.3). После крепления монтажных 30, 46 и подредукторной 58 плит к опорным кронштейнам 59, 60, 61 станины 62 стенда, производится соединение и сборка мультипликаторов 6, 7 с соединительными валами 8, 9 и нагрузочных машин 18 с раздаточными редукторами 21.
Энергия, вырабатываемая генераторами, инвертируется в заводскую сеть посредством статических преобразователей. Каждый генератор снабжен системой автоматического регулирования мощности.
Нагрузочные машины, выполненные как генераторы постоянного или переменного тока, при имитации авторотации переводятся в двигательный режим работы.
Стенд оборудован, также, устройствами нагружения установленных на испытываемом образце вертолетных агрегатов, например, генератора, гидронасоса, компрессора и вентилятора.
Стендовые устройства нагружения вертолетных агрегатов (генератора, гидронасоса,  компрессора, вентилятора) и агрегаты стендовых систем (маслосистем, систем охлаждения, электросистем) не показаны.
В качестве нагрузочного устройства гидронасосов используются гидроаккумуляторы, компрессор нагружен на рессивер.