Исследование динамических возможностей привода механизма поворота вертолётного подвеса

УДК628.352.3

А. В. Охотников, М. В. Шалагин, С. Я. Алибеков,

С. В. Сластихина, И. М. Охотникова, Е. В. Соловьева,

Р. А. Шарафутдинов

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРИВОДА МЕХАНИЗМА ПОВОРОТА ВЕРТОЛЁТНОГО ПОДВЕСА

Ключевые слова: вертолетный подвес, колебания груза, демпфирование колебаний.

Авторами статьи предлагается способ и устройство для демпфирования колебаний груза в системе внешней подвески вертолета, при котором демпфирование колебаний осуществляется путем круговых перемещений точки подвеса в плоскости, перпендикулярной вертикальной оси. Устройство для демпфирования содержит поворотную штангу, приводимую в круговое движение относительно фюзеляжа при помощи следящего электропривода, несущего лебедку, позволяющую контролировать длину разматываемого троса и транспортируемый груз (укладку). Также приведен математический расчет стабилизации маятниковых колебаний груза на внешней подвеске.

Keywords: helicopter hanger, cargo fluctuations, vibration damping.

The authors proposed a method and a device for damping the oscillation of the load in the external suspension system of the helicopter, whereby vibration damping performed by rotary movement of the suspension point in a plane perpendicular to the vertical axis. Device for damping comprises a rotatable rod, driven in a circular motion relative to the fuselage using the tracking actuator bearing spinning reel, which allows to control the length of the tether unwound and transported goods (stacking). Also given is a mathematical calculation of the stabilization of pendulum oscillation external load.

Для перевозки груза с помощью вертолетов используют вертолетный подвес. Перед началом работы с вертолетным подвесом необходимо, чтобы как минимум два человека пристегнули стальные тросы к системе внешней подвески. Это весьма ответственная операция - подвес должен отстегнуться по дистанционной команде, чтобы вертолет смог уйти, как только груз будет доставлен. Также это занимает довольно продолжительное время. Поэтому для эффективной и безопасной работы необходимо исключить человека из этой операции.

Для решения этой проблемы была разработана конструкция вертолётного подвеса с возможность складывания и уборки стальных тросов внутрь фюзеляжа вертолета [1].

На основании полученных результатов по анализу динамических возможностей следящего привода при гармоническом законе движения выходного вала привода механизма поворота вертолётного подвеса, предлагается кинематическая схема конструкции манипулятора для складывания вертолётного подвеса (рис.1).

В результате воздействия атмосферной турбулентности, аэродинамической несимметрии груза, непреднамеренных действий летчика или по иной причине, возможно появление колебаний груза относительно точки подвеса на вертолете. Это могут быть поперечные колебания, продольные колебания, вращательные колебания (вокруг оси троса, вызывающие его закручивание), сочетание данных видов колебаний [2].

Неконтролируемое раскачивание груза может вызвать возникновение особой ситуации в полете, которая при неблагоприятном развитии может привести к авиационному происшествию. Наибольшую опасность представляют продольно-

поперечные колебания. Методы борьбы с продольно-поперечным раскачиванием груза известны и применяются на практике: снижение скорости полета, создание вертикальных и горизонтальных ускорений вертолета (т.е. точки подвеса груза на вертолете).

Рис. 1 - Кинематическая схема конструкции манипулятора для складывания вертолётного подвеса

Анализируя результаты вычислительных экспериментов и учитывая, что колебания груза на внешней подвеске вертолёта в поперечной плоскости являются симметричными относительно серединной плоскости, а колебания груза в продольной плоскости являются асимметричными,

что объясняется влиянием постоянно действующей аэродинамической силы, можно сказать, что законов изменения нагрузки на выходном звене механизма поворота вертолётного подвеса имеет гармонический закон и адекватно отражает физические процессы, происходящие в полёте вертолёта с постоянной скоростью с грузом на внешней подвеске.

Для разработки алгоритма работы механизма поворота вертолётного подвеса упростим трехмерную математическую модель колебаний груза и будем рассматривать колебания груза в одной плоскости. Перемещения точки подвеса будут происходить тоже только в этой плоскости. Дополнительно введем следующие допущения:

— трос подвески является абсолютно жестким;

— шарнир в точке подвеса груза является идеальным;

— аэродинамическое демпфирование колебаний отсутствует;

— груз по форме представляет собой шар, радиус которого значительно меньше длины троса;

— трос крепится к грузу в его центре масс.

Схема исследуемой колебательной системы показана на рис.2.

У '

'"К

Рис. 2 - Схема колебательной системы

При неподвижной точке подвеса получим уравнение собственных колебаний физического

маятника:

114- ткдг^зШ я = 0

где I - момент инерции груза относительно точки подвеса; е - угол отклонения троса от вертикали (е >

О, если трос отклоняется вправо); S = - угловое

ускорение; m - масса груза; g - ускорение свободного падения; Yt - длина троса (i't>0).

При ускоренном перемещении точки подвеса в центре масс груза будут возникать силы инерции, которые будут влиять на колебания маятника. В связи с этим уравнение колебаний маятника с подвижной точкой подвеса можно записать следующим образом:

+ sin ? = -WLífjJp соз ? - mrrj^ sin г (2),

ГДе ixi )y - ускорения точки подвеса вдоль

соответствующих осей системы координат.

Собственный момент инерции шара (выше принято допущение, что груз имеет именно такую форму) вокруг оси, перпендикулярной плоскости колебаний груза, значительно меньше момента инерции груза относительно точки подвеса груза на вертолете, поэтому уравнение (2) можно упростить следующим образом, разделив его на массу груза m и длину троса rt:

£Э1п ?= -¿t COSP-jijrSlnF

Из уравнения (3) видно, что при определенных условиях с помощью целенаправленного изменения во времени ускорений )х и ¡у можно погасить возникшее по

тем или иным причинам раскачивание груза. Ускоренное перемещение точки подвеса маятника вдоль вертикальной оси Oy очень слабо влияет на качество переходного процесса [2]. Это связано, по-видимому, с тем, что вертикальное ускорение }у,

если так можно выразиться, используется неэффективно. Ускорение ¡у входит в формулу

умноженным на синус угла отклонения троса от вертикали. Колебания маятника проходят в достаточно узком диапазоне углов вокруг нулевого

угла. При этом синус угла будет мал, а значит, и все слагаемое ly sin в будет невелико. Чтобы участие

этого слагаемого было значительным, нужны большие вертикальные ускорения, но при этом возникнут такие инерционные нагрузки, которые подвеска груза к вертолету просто не выдержит. Либо угол отклонения груза должен быть очень большим (45° и более), хотя при таких углах отклонения груз может быть аварийно сброшен.

Условие целенаправленного изменения во времени iOS£, позволяющее погасить возникшие колебания за короткий промежуток времени, необходимо выполнить с помощью механизма поворота вертолётного подвеса.

Выводы

В настоящей работе рассмотрено влияние груза на внешней подвеске вертолета. Была

разработана трехмерная модель колебаний груза, дающее условие ios s) целенаправленного

изменения во времени, позволяющее погасить возникшее по тем или иным причинам раскачивание груза от силы натяжения центрального троса ВП в зависимости от параметров груза и параметров полета. Изменение во времени ускорений /х и ¡у, в

зависимости от угла отклонения троса от вертикали, возможно механизмом поворота вертолетного подвеса. Таким образом, предлагаемый способ и устройство для демпфирования колебаний груза решает проблему транспортирования груза на внешней подвеске вертолета.

Литература

1. Путов, В.В., Кривочкин, Р.В., Козлов, Ю. К., Лебедев,

B.В., Демпфирование колебаний подвешенных грузов, транспортируемых подвижными объектами // Мехатроника, автоматизация, управление. 2002. - №6. -

C. 8-13.

2. Ефимов, В.В. Исследование колебаний физического маятника с подвижной точкой подвеса как упрощенной модели груза на внешней подвеске вертолета. // Научный Вестник МГТУ, серия Аэромеханика и прочность, №138, 2009. - С.126-133.

3. Патент на полезную модель №95638.Вертолетный подвес. /Кудрявцев И. А., Щепин В.Д., Охотников А.В.

Заявка: 2010108632/22, 09.03.2010. Опубликовано: 10.07.2010.

4. Патент на полезную модель №115756.Вертолетный подвес. /Кудрявцев И. А., Щепин В.Д., Охотников А.В. Заявка: 2011148307/11, 28.11.2011. Опубликовано: 10.05.2012.

5. Фирсова, Ю.А. Влияние геометрических параметров на эффективность работы кольцевых сборных камер центробежных компрессоров. // Вестник КГТУ. 2014. -№12. - С. 123-125.

6. Аль Аззави Аус, Перухин М.Ю., Мустафин Т.Н. Построение сетки роторов винтового компрессора. // Вестник КГТУ. - 2014. - №11. С. 163-165.

© А. В. Охотников - аспирант каф. ТТМ Поволжского государственного технологического университета (ПГТУ), u_alekseya@mail.ru; М. В. Шалагин - аспирант каф. МиМ, ПГТУ, websvarka-pro@yandex.ru; С. Я. Алибеков - д.т.н., профессор кафедры МиМ ПГТУ; С. В. Сластихина - асп. той же кафедры; И. М. Охотникова - магистрант той же кафедры; Е. В. Соловьева - асп. той же кафедры; Р. А. Шарафутдинов - доцент каф. физики КНИТУ.

© A. V. Hunters - Student cafes TTM Volga State University of Technology (PGTU), u_alekseya@mail.ru; M. V. Shalagin - Student cafes. Mime, PGTU, websvarka-pro@yandex.ru; C. Ya. Alibek - Ph.D., professor of MiM, PGTU; S. V. Slastihina - graduate student MiM, PGTU; 1 M. Okhotnikov - undergraduate in the same department; E. V. Solovyov - Student in the same department; R. A. Sharafutdinov - Associate Professor kaf. fiziki KNRTU.