СИСТЕМА СБОРА ДАННЫХ, КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АГРЕГАТОВ ПРИВОДА ВИНТОВ ВЕРТОЛЕТА И ЭЛЕКТРОННЫЙ БЛОК
SYSTEM FOR DATA COLLECTION, CONTROL AND DIAGNOSTICS OF HELICOPTER ROTOR DRIVE UNITS AND ELECTRONIC UNIT

Изобретение касается системы сбора данных, контроля и диагностики технического состояния агрегатов привода винтов вертолета по вибрации деталей, узлов и агрегатов при работающих двигателях вертолета (виброконтроль и вибродиагностика).
Под техническим состоянием здесь понимается фактическое (полетное) техническое состояние (а не рассчетная оценка технического состояния по статистическим данным) агрегатов привода винтов работающего вертолета в текущем полете.
Известно использование при создании систем диагностики авиадвигателей внутреннего сгорания датчиков, содержащих информацию о вибрациях двигателя, штатного агрегат-генератора. Снимаемое с датчика напряжение подвергают спектральному анализу с выделением гармонических составляющих, соответствующих появившемуся или развивающемуся дефекту (патент РФ №2287142, опубл. 2006 г.).
Известен ГОСТ 26382-84. Двигатели газотурбинные гражданской  авиации. Допустимые уровни вибрации и общие требования к контролю вибрации. Согласно указанному ГОСТу измеряют и регистрируют вибрацию двигателя и его элементов и частоту вращения роторов в виде амплитудно-частотного спектра гармонических составляющих. По превышению допустимого уровня частоты первой роторной гармоники судят о наличии дефектов и принадлежности к определенным элементам двигателя.
Известен способ диагностики технического состояния элементов авиадвигателя, при котором по приборам измеряют и регистрируют вибрацию двигателя и его элементов и частоту вращения роторов в виде амплитудно-частотного спектра гармонических составляющих (патент РФ №2380670, опубл. 2010 г.). В этом спектре выделяют частоту первой роторной гармоники и определяют наличие дефектов определенных элементов, при этом делают вывод о наличии касания валов по появлению расщепления гармонических составляющих спектра на частотах первых роторных гармоник.
Известно устройство для контроля авиадвигателя (патент РФ №2249119, опубл. 2005, F02C 9/2, G01L 23/22 54), которое может быть использовано для бортового контроля авиадвигателя, преимущественно газотурбинного. Устройство содержит бортовой вычислитель и командный блок. На вход бортового вычислителя поступают текущие значения контролируемых параметров, а на вход командного блока - текущие значения предельных и опасных параметров авиадвигателя. В командном блоке сравнивают текущие значения этих параметров, соответственно, с текущими значениями предельных и опасных величин, и при выходе значений параметров за границы предельных или опасных величин формируют предельные и опасные команды и передают их в аварийную систему самолета и в бортовой вычислитель.
Известные технические решения обладают невысокой эффективностью контроля и диагностики технического состояния, т.к. не содержат средств для осуществления мониторинга (контроля) вибраций узлов, деталей, агрегатов привода винтов вертолета, которые являются жизненно важными показателями, отражающими фактическое техническое состояние машины.
Постоянный контроль этих вибраций позволяет предсказать проблемы вертолета до того, как они принесут серьезный ущерб, предотвратить повреждение оборудования и непредвиденных отказов, в том числе аварийных.
Известно устройство для диагностики технического состояния деталей, узлов и приводных агрегатов газотурбинного двигателя (ГТД), например, вертолета (патент РФ №2379645, опубл. 2010 г.). Устройство содержит последовательно соединенные средства измерения вибросигналов в виде лазерного вибропреобразователя с измерительной головкой, объективом и электронным блоком и средства обработки вибросигналов в виде регистратора-анализатора с возможностью цифровой обработки вибросигналов. Регистратор-анализатор может содержать энергонезависимую память и обрабатывать вибросигнал в диапазоне частот от 0,5 Гц до 30 кГц в широком амплитудном диапазоне.
Известно устройство для диагностики технического состояния деталей, узлов и приводных агрегатов газотурбинного двигателя (патент РФ на полезную модель №70005, опубл. 2008 г.), которое может быть использовано для бесконтактной диагностики авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и приводных агрегатов (ПА). Устройство содержит последовательно соединенные средство измерения вибросигналов (ВС) в виде лазерного вибропреобразователя с измерительной головкой, объективом и электронным блоком, а также средство обработки ВС в виде регистратора-анализатора с возможностью цифровой обработки ВС, выполненного с возможностью определения оборотов первичного вала при отсутствии тахосигнала по соотношениям характерных частот путем выбора участков ВС во временной реализации ВС при стационарных оборотах, спектрального анализа ВС, осуществления процедуры сглаживания спектра вибрации (СВ), совмещения исходного и сглаженного СВ, удаления из исходного СВ дискретных составляющих, сопоставления выделенных дискретных составляющих с расчетными значениями характерных частот, определяемых по кинематическим характеристикам диагностируемых узлов.
Известен способ и устройство мониторинга состояния и работоспособности транспортного средства, например, вертолета (заявка США №2009/0216398), позволяющие контролировать состояние и/или работопригодность одного или более его компонентов. Используется множество вариантов расположения беспроводных датчиков вибраций, чтобы по вибрациям во время работы транспортного средства контролировать один или более элементов транспортного средства и передавать полученные данные в пункт доступа данных с переключением режимов сбора и накопления. Пункт доступа данных может передать данные в реальном времени или доступ к данным может быть получен позже.
Известна система для мониторинга состояния и работопригодности транспортного средства, такого как вертолет, содержащая, по меньшей мере, один свободный беспроводной датчик (патент Великобритании 2457789, опубл. 2009 г). Общее количество датчиков, которые контролируют транспортное средство, и вес транспортного средства, таким образом, уменьшены. Такие беспроводные датчики могут использоваться вместе с другими датчиками. Свободный беспроводной датчик размещают в одном месте на транспортном средстве, проводят мониторинг при работающем транспортном средстве, затем этот беспроводный датчик демонтируют и помещают в другое место. Датчик может быть временно помещен в одно положение, чтобы контролировать один или более компонентов транспортного средства, и затем перемещен в другое положение, чтобы контролировать один или более других компонентов транспортного средства.
Известна также система и способ мониторинга состояния и работоспособности транспортного средства, например, вертолета (патент Великобритании №2457795, опубл. 2009 г.). Множество беспроводных датчиков виброускорения (акселерометров) активируются посредством вибраций транспортного средства и настраиваются так, чтобы контролировать один или более компонентов транспортного средства и сообщать в пункт доступа данных. Пункт доступа может передать данные в реальном времени оператору и/или обеспечить доступ к данным позже. Датчики при контроле вертолета размещают на важнейших узлах вертолета, таких как главный редуктор, хвостовая трансмиссия, промежуточный редуктор, хвостовой редуктор.
В некоторых вариантах исполнения, по крайней мере, один беспроводной датчик сконфигурирован так, что при определенной вибрации на первой рабочей частоте вертолета он переключается из режима ожидания в режим сбора. Датчики переключаются из режима ожидания в активное состояние получения и накопления данных, если, по крайней мере, активна первая рабочая частота вибрации вертолета или вторая рабочая частота вибрации вертолета.
Однако мониторинг с перемещением беспроводных датчиков из одной позиции в другую не позволяет одновременно получить пространство признаков достаточной полноты. Беспроводные датчики, составляющие основу указанных систем, не обладают достаточной точностью при использовании на изделии в эксплуатации, не универсальны, не имеют широкого диапазона по частоте и амплитуде, достаточного для мониторинга работающих узлов, деталей, агрегатов привода винтов вертолета. Все это снижает информативность собранных данных и эффективность контроля и диагностики технического состояния, прогнозирования отказов и предотказного состояния. Кроме этого, беспроводные системы сложны и дороги в эксплуатации.
В основу изобретения положена задача создать эффективную систему сбора данных, контроля и диагностики технического состояния агрегатов привода винтов вертолета по вибрациям деталей, узлов и агрегатов при работающих двигателях вертолета, стабильную, простую и недорогостоящую в эксплуатации.
Техническим результатом является повышение эффективности сбора данных, информативности контроля и диагностики технического состояния агрегатов привода винтов работающего вертолета. Техническим результатом является также доступность монтажа и демонтажа датчиков вибраций и кронштейнов, а также снижение стоимости обслуживания вертолета.
Поставленная задача решается тем, что система сбора данных, контроля и диагностики технического состояния агрегатов привода винтов работающего вертолета включает пьезоэлектрические датчики вибрации, которые установлены на корпусе, по меньшей мере, одного из агрегатов привода винтов вертолета и расположены так, что получают данные с полнотой, достаточной для диагностики технического состояния деталей, узлов, по меньшей мере, одного агрегата привода винтов работающего вертолета, и бортовой электронный блок, который связан с выходами указанных датчиков вибраций и выполнен с возможностью цифровой обработки вибросигналов, управления и осуществления сбора, первичной обработки и оценки параметров сигналов отдельных датчиков и/или их комбинаций, накопления данных датчиков и сохранения их на внешних и/иди съемных носителях, пригодных для считывания компьютером и вторичной обработки в наземных условиях.
Целесообразно, чтобы установка датчиков на корпусах агрегатов была выполнена с помощью крепежа, который был бы приспособлен непосредственно под место установки каждого датчика на агрегатах привода винтов вертолета и выполнен в виде кронштейнов, болтов и шпилек.
Выгодно, чтобы крепление датчиков было выполнено в технологических отверстиях, приспособленных непосредственно под датчик.
Крайне целесообразно, чтобы на вертолете Ми-8 и его модификациях, в частности Ми-8МТВ, система включала множество пьезоэлектрических датчиков вибрации, которые установлены на корпусах агрегатов привода винтов вертолета и расположены так, что получают данные с полнотой, достаточной для диагностики технического состояния деталей, узлов и агрегатов привода винтов работающего вертолета, причем датчики были установлены следующим образом: однокомпонентные датчики вибрации закреплены на кронштейнах или шпильках в технологических отверстиях на левой стороне фланца переднего пояса крепления левого (датчик 1) и правого (датчик 2) двигателей, на передней крышке главного редуктора с левой (датчики 3 и 5) и с правой стороны (датчики 4 и 6), на крышке привода карданного вала вентилятора (датчик 7), на заднем правом технологическом отверстии на верхней крышке (датчик 8) и в правом технологическом отверстии на задней лапе крепления (датчик 9) главного редуктора на шпильке крепления корпуса тормоза несущего винта (датчик 10), на хвостовой трансмиссии на шести местах крепления опор хвостового вала вместо штатных передних по полету болтов крепления болтом вниз (датчики 11-16), в нижнем отверстии крепления промежуточного редуктора (датчик 17), на месте задней, нижней по горизонтальной оси, гайки крышки редуктора рулевого винта (датчик 18), трехкомпонентные датчики вибраций для контроля дисбаланса несущего винта закреплены на кронштейнах, например, в кабине экипажа под правым блистером и на полке за левым пилотом, в редукторном отсеке на вертикальной панели за главным редуктором и на корпусе токосъемника рулевого винта.
Система включает датчик фазы несущего винта и прерыватель (индуктор) магнитного потока, закрепленный на кронштейнах на автомате перекоса, датчик фазы рулевого винта, закрепленный на кронштейнах на корпусе его токосъемника, и прерыватель магнитного потока, закрепленный на кронштейне провода токосъемника.
Кронштейны для трехкомпонентного датчика вибрации для контроля дисбаланса несущего винта выбраны из ряда кронштейнов, показанного на фиг.3, а кронштейны для других датчиков вибрации выбраны из ряда кронштейнов, которые показаны на фиг.2.
Поставленная задача решается также тем, что электронный блок, предназначенный для сбора, предварительной обработки и накопления измеряемой информации системы сбора данных, контроля и диагностики технического состояния агрегатов привода винтов работающего вертолета, включает, по меньшей мере, один модуль аналого-цифрового преобразования аналоговых сигналов от, по меньшей мере, одного пьезоэлектрического датчика вибрации в цифровую форму, по меньшей мере, один процессор для цифровой обработки сигналов, по меньшей мере, одну программируемую логическую матрицу для обработки оцифрованных сигналов, средства записи на энергонезависимые носители накопленной информации датчиков и управляющий компьютер с установленным системным программным обеспечением, содержащим алгоритм осуществления сбора, первичной обработки и оценки параметров сигналов отдельных датчиков и/или их комбинаций, накопления данных и сохранения на внешних носителях, пригодных для считывания компьютером и вторичной обработки в наземных условиях.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием и фигурами, где:
на фиг.1 представлена структурная схема агрегатов приводов винтов вертолета и системы их контроля и диагностики согласно изобретению (вид сбоку и сверху),
на фиг.2 представлены варианты воплощения кронштейнов однокомпонентных датчиков вибрации приспособленных непосредственно под место установки на агрегатах привода винтов вертолета,
на фиг.3 представлены варианты воплощения кронштейнов трехкомпонентных датчиков вибрации, приспособленных непосредственно под место установки на агрегатах привода винтов вертолета,
на фиг.4 и фиг.5 представлена технологическая установка однокомпонентного пьезоэлектрического датчика вибрации с креплением кронштейном на двигателе вертолета,
на фиг.6 и фиг.7 представлена технологическая установка однокомпонентных пьезоэлектрических датчиков вибрации с креплением кронштейном на шпильке передней крышки главного редуктора вертолета.
Лучший вариант системы контроля и диагностики агрегатов привода винтов вертолетов согласно изобретению содержит, как показано на фиг.1, восемнадцать пьезоэлектрических датчиков 1-18 вибрации и электронный блок 23, который установлен на борту вертолета (бортовой электронный блок) и связан с выходами указанных датчиков вибраций.
Каждый датчик 1-18 связан с электронным блоком 23.
К контролируемым агрегатам привода винтов относятся двигатели, главный редуктор, привод карданного вала вентилятора, несущий вал, хвостовая трансмиссия с хвостовым валом, промежуточный редуктор и редуктор рулевого винта. Контролируемыми могут быть иные агрегаты, если такое необходимо для полноты информации в зависимости от типа вертолета. Система контроля согласно изобретению может иметь исполнение для контроля определенных агрегатов вертолета, например, главных редукторов вертолета.
Для различных типов вертолетов возможно количество датчиков, отличное от 18. Их число определено полнотой, достаточной для диагностики технического состояния деталей, узлов и агрегатов привода винтов работающего вертолета определенного типа.
Каждый датчик 1-18 может быть связан с электронным блоком 23 через собственный согласующий усилитель 24. Усилитель 24 может быть встроен в датчик или разъем кабеля датчика.
Агрегаты привода винтов вертолета имеют суровые условия эксплуатации, приземления и взлета на различных площадках.
Пьезоэлектрические датчики могут быть устойчивыми для повреждений в результате сильных ударов и вибрации, иметь защиту от грязи, масла и большинства химических сред. Пьезоэлектрический элемент датчика производит сигнал, пропорциональный ускорению.
Пьезоэлектрические датчики, составляющие основу системы согласно изобретению, простые, обладают достаточной точностью при использовании на изделии в эксплуатации, универсальны, имеют широкий диапазон по частоте и амплитуде, достаточный для мониторинга работающих узлов, деталей, агрегатов привода винтов вертолета. Важная проблема состоит в их установке на корпусах агрегатов привода винтов вертолета и расположении так, чтобы получить данные с достаточной полнотой для диагностики технического состояния деталей, узлов и агрегатов привода винтов работающего вертолета.
Для решения этого пьезоэлектрические датчики (в лучшем варианте, датчики 1-18 на фиг.1) установлены на корпусах агрегатов привода винтов вертолета, таких как главный редуктор, хвостовая трансмиссия, промежуточный редуктор, хвостовой редуктор, в определенных местах, на специальных кронштейнах, выбранных из ряда кронштейнов 26-33, показанных на фиг.2, приспособленных непосредственно под место установки однокомпонентных датчиков вибрации на агрегатах привода винтов вертолета, и кронштейнов 34-36, показанных на фиг.3, приспособленных непосредственно под место установки трехкомпонентных датчиков вибрации и/или на шпильках.
Эти кронштейны приспособлены непосредственно под место установки и выполнены так, как показано на фиг.2 и на фиг.3, и пригодны для использования варианта исполнения системы.
В системе согласно изобретению могут быть применены, например, контактные пьезоэлектрические вибрационные датчики марки МВ-04-4. Они обладают высокой долгосрочной стабильностью, универсальны, имеют широкий рабочий частотный диапазон, большой динамический диапазон, достаточный для измерения вибраций работающих узлов, деталей, агрегатов привода винтов вертолета, дают выход, пропорциональный абсолютному ускорению в месте крепления датчика. Кроме того, они просты в эксплуатации и недорогостоящие.
Расположение указанных датчиков определяется с учетом следующих факторов:
- положением относительно оцениваемой детали (направление измерительной оси и кратчайшее расстояние до деталей, учет направления сил, возбуждающих вибрации при работе редуктора);
- удобством монтажа и демонтажа датчика вибраций и кронштейна;
- возможностью контровки кронштейна относительно корпуса редуктора и датчика относительно кронштейна;
- возможностью установки кронштейна и датчика без демонтажа штатных деталей редуктора;
- возможностью обеспечения требований состояния контактирующих поверхностей редуктора-кронштейна и кронштейна-датчика.
Наиболее целесообразно, чтобы в системе для вертолетов, в частности Ми-8 и его модификаций, например, Ми-8МТВ, датчики 1-18 были установлены следующим образом: однокомпонентные датчики вибрации закреплены на кронштейнах или шпильках в технологических отверстиях на левой стороне фланца переднего пояса крепления левого (датчик 1) и правого (датчик 2) двигателей, на передней крышке главного редуктора с левой (датчики 3 и 5) и с правой стороны (датчики 4 и 6), на крышке привода карданного вала вентилятора (датчик 7), на заднем правом технологическом отверстии на верхней крышке (датчик 8) и в правом технологическом отверстии на задней лапе крепления (датчик 9) главного редуктора, на шпильке крепления корпуса тормоза несущего винта (датчик 10), на хвостовой трансмиссии на шести местах крепления опор хвостового вала вместо штатных передних по полету болтов крепления болтом вниз (датчики 11-16), в нижнем отверстии крепления промежуточного редуктора (датчик 17), на месте задней, нижней по горизонтальной оси, гайки крышки редуктора рулевого винта (датчик 18).
Для обеспечения качественного крепления датчики 1-18 установлены на специальных кронштейнах, выбранных из ряда кронштейнов, приспособленных непосредственно под место установки, и показанных на фиг.2. Датчики могут быть установлены в технологических отверстиях корпусов и соединений, приспособленных непосредственно под датчик (на фигурах не показаны).
Система также содержит трехкомпонентные датчики вибраций для контроля дисбаланса несущего винта. Датчики могут располагаться в кабине экипажа под правым блистером и на полке за левым пилотом, в редукторном отсеке на вертикальной панели за главным редуктором, на корпусе токосъемника рулевого винта (не показаны). Трехкомпонентные датчики также закреплены на кронштейнах, приспособленных непосредственно под место установки, которые выбирают из ряда кронштейнов, показанных на фиг.3.
Кроме того, система может быть снабжена датчиком фазы несущего винта и прерывателем (индуктор) магнитного потока, закрепленными на кронштейнах на автомате перекоса, датчиком фазы рулевого винта, закрепленным на кронштейнах на корпусе его токосъемника, и прерывателем магнитного потока, закрепленным на кронштейне провода токосъемника (не показаны).
На фиг.4 на фиг.5 представлена технологическая установка однокомпонентных пьезоэлектрических датчиков вибрации в технологическом отверстии на левой стороне фланца переднего пояса крепления левого двигателя (датчик 1, с креплением кронштейном 27, выбранным из ряда кронштейнов на фиг.4), и в технологическом отверстии на левой стороне фланца переднего пояса крепления правого двигателя (датчик 2, фиг.5) с креплением кронштейном 27, выбранным из ряда кронштейнов на фиг.2.
На фиг.6 и фиг.7 представлена технологическая установка однокомпонентных пьезоэлектрических датчиков вибрации на главном редукторе: на передней крышке с левой стороны датчики 3 и 5 (фиг.6) с креплением кронштейном 26, выбранным из ряда кронштейнов на фиг.2, на передней крышке с правой стороны датчики 4 и 6 (фиг.7) с креплением кронштейном 26, выбранным из ряда кронштейнов на фиг.2.
Система контролирует дисбалансы винтов и при наличии датчика фазы несущего винта производит динамическую балансировку несущего винта. Индукционные датчики частот (например, с датчиками вращения свободных турбин двигателей вертолета) и датчики фазы несущего винта являются штатными (не показаны).
Электронный блок 23, предназначенный для сбора, предварительной обработки и накопления измеряемой информации системы сбора данных, контроля и диагностики технического состояния агрегатов вертолета, включает, по меньшей мере, один модуль аналого-цифрового преобразования аналоговых сигналов датчиков в цифровую форму, по меньшей мере, один процессор для цифровой обработки сигналов, по меньшей мере, одну программируемую логическую матрицу для обработки оцифрованного сигнала, средства записи на энергонезависимые носители накопленной информации датчиков и управляющий компьютер с установленным системным программным обеспечением, содержащим алгоритм осуществления сбора, первичной обработки и диагностической оценки параметров сигналов отдельных датчиков и/или их комбинаций, накопления данных датчиков и сохранения на внешних носителях, пригодных для считывания компьютером и вторичной обработки в наземных условиях.
Электронный блок 23 может быть снабжен бортовым пультом 25 дистанционного управления с дисплеем, с помощью которого возможно управление сбором и накоплением информации. Возможны варианты исполнения пульта со съемными модулями памяти. Выходы датчиков вибрации 1-18 (см. фиг.1) через согласующие усилители 24 связаны с электронным блоком. Вход электронного блока может быть также связан со штатными индукционными датчиками частот (например, с датчиками вращения свободных турбин двигателей вертолета) и датчиками фазы несущего винта (не показаны).
Электронный блок 23 выполнен с возможностью сбора и накопления сигналов вибраций в широком частотном и динамическом диапазонах, включая уровень шумов, а также, в результате обработки этих сигналов методами синхронного следящего анализа, получения на рабочих режимах параметров вибраций каждого отдельного вала и его деталей, включая зубчатые колеса и подшипники, двигателей, многопоточных редукторов, коробок приводов агрегатов. Параметры вибраций оцениваются блоком на информативных частотах, включая частоты форм собственных колебаний этих деталей и зубцовые составляющие дифференциальных рядов. Также электронный блок может быть выполнен с возможностью контроля и диагностики изменения дисбалансов и дефектов деталей, включая развитие трещин в тонкостенных диафрагмах зубчатых колес с использованием данных датчиков частот и фаз несущего винта.
Электронный блок может иметь модуль обмена информацией со штатными бортовыми системами вертолета.
Электронный блок может быть снабжен бортовым пультом дистанционного управления с дисплеем.
Система контроля и диагностики агрегатов приводов винтов вертолетов также может включать рабочую станцию для наземной обработки сигналов вибраций.
Система работает следующим образом.
При работающем вертолете электрические сигналы с выхода всех датчиков вибраций, частот вращения и фаз поступают на вход электронного блока, где преобразуются в цифровую форму, и с помощью управляющего компьютера с установленным системным программным обеспечением, содержащим алгоритм осуществления сбора, первичной обработки и оценки параметров сигналов с отдельных датчиков и/или их комбинаций, обрабатываются, оценивая как отдельные параметры сигналов, так и их комбинаций. При этом в памяти электронного блока накапливаются и сохраняются2 как сами преобразованные сигналы, так и результаты их предварительной обработки, включая оценки параметров с привязкой ко времени выполнения измерения. Электронный блок сохраняет всю информацию на съемных энергонезависимых носителях для вторичной обработки в наземных условиях. Контроль уровней вибрации в процессе работы вертолета позволяет заранее предсказать отказы и поломки агрегатов вертолета до того, как они принесут серьезный ущерб. Он позволяет предотвратить повреждение оборудования и непредвиденных отказов, в том числе аварийных. Если проблемы обнаруживаются рано, имеется возможность планировать техническое обслуживание, сократить время простоя и повысить экономическую эффективность. Анализ вибрационных процессов, сопровождающих работу вертолета, наряду с другими видами анализа позволяет определить состояние машины и конкретную неисправность, ее местоположение. Это снижает аварийность, ускоряет ремонт и минимизирует затраты.
Изобретение может быть использовано в системах сбора данных, контроля и диагностики технического состояния агрегатов привода винтов вертолета различных модификаций.