УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ БАЛАНСИРОВКИ НЕСУЩЕГО ВИНТА ВЕРТОЛЕТА

Полезная модель относится к оптико-электронной измерительной технике, и может быть использована для динамической балансировки несущего винта вертолета.
Вибрации винта вертолета могут быть вызваны как несоконусностью лопастей, так весовой разбалансировкой их. Целью балансировки несущего винта является достижение такого распределения веса лопастей, которое обеспечивает нормальную работу в рабочих режимах.
Известно «Устройство для балансировки лопастей винтов вертолетов», патент №2138790, 1995 г., патентообладатель: Юнайтид Текнолоджиз Копэрейшн (US). Устройство обеспечивает как поперечную, так и продольную балансировку лопастей вертолетных винтов. Устройство включает в себя станину, на которой установлено четверо весов, которые расположены вблизи четырех углов лопасти и составляют четыре взаимосвязанные пары, предназначенные для измерения фактической продольной и поперечной уравновешенности лопасти. Весы функционально связаны с микропроцессором, в который заложены данные о заданных балансировочных параметрах балансируемой лопасти. Балансировочные параметры изменяют путем целенаправленного добавления веса на соответствующие точки поверхностей лопасти либо целенаправленного удаления веса. Недостатком данного решения являются громоздкость конструкции и высокая трудоемкость измерений. Кроме того, это решение применимо только для статической балансировки лопастей винта вертолета.
Наиболее близким к заявленному решению, взятым за прототип является устройство для измерения несоконусности лопастей несущего винта вертолета, описанное в патенте №93777, 2009 г., патентообладатель Борисов Ю.А. Устройство содержит оптическую головку, включающую объектив, оптически связанное с ним фотоприемное устройство и аналого-цифровой преобразователь, узел обработки видеосигнала, содержащий компаратор, формирователь межкадровой разности, формирователь усредненного кадра изображения, амплитудный детектор, блок выделения координат законцовок лопастей, блок усреднения координат законцовок лопастей, формирователь изображения лопастей и блок распознавания первой лопасти и блок вывода информации. Заявленное решение позволяет определить соконусность вращения лопастей несущего винта не только при опробовании на земле, но и на режиме висения, и на всех полетных режимах. Это позволяет отрегулировать соконусность вращения лопастей в полете с целью уменьшения вибрации вертолета и сокращения расхода топлива.
Отсутствие канала для виброизмерений не дает возможности точно оценить вибрацию, на устранение которой, и направлено уменьшение несоконусности лопастей. Часто даже при сведенном конусе вибрация вертолета на оборотной частоте остается высокой. И тогда нужна дополнительная динамическая регулировка по устранению дисбаланса лопастей.
Задачей заявленного решения является повышение точности и надежности динамической балансировки несущего винта вертолета и повышение удобства измерений.
Поставленная цель достигается за счет того, что известное устройство, содержащее оптическую головку, узел обработки видеосигнала, содержащий блок предварительной обработки, блок выделения координат законцовок лопастей, блок усреднения координат законцовок лопастей, блок измерения временных интервалов, формирователь изображения лопастей и блок распознавания первой лопасти, и узел вывода информации, включающий блок накопления информации и блок индикации, дополнительно содержит датчик ускорения и узел обработки сигнала датчика ускорения, состоящий из аналогово-цифрового преобразователя, буфера-накопителя, адаптивного фильтра, блока анализа разбалансировки, полосового фильтра и блока быстрого преобразования Фурье, при этом выход датчика ускорения через аналогово-цифровой преобразователь соединен с буфером-накопителем, который накапливает сигнал датчика ускорения в течении одного оборота винта, а выходы буфера-накопителя соединены с блоком накопления информации, с блоком индикации, с входом адаптивного фильтра и с входом полосового фильтра, выход адаптивного фильтра соединен с входом блока анализа разбалансировки и с входом блока индикации, а выход полосового фильтра соединен с входом блока индикации и с входом блока быстрого преобразования Фурье, выход которого соединен с входом блока индикации, при этом выход блока распознавания первой лопасти соединен с входом буфера-накопителя, с входом адаптивного фильтра и с входом блока анализа разбалансировки.
Технический результат, получаемый при реализации предложенного решения, состоит в том, что помимо регулировки лопастей несущего винта, имеющей целью уменьшение разлета траекторий законцовок лопастей на разных режимах и приводящей к уменьшению вибрации вертолета, заявленное устройство позволяет определить степень и направление смещения центра тяжести относительно оси несущего винта и выдает информацию о весовой коррекции - массе требуемого балансировочного груза и месте расположения его, т.е. обеспечивает возможность производить полную балансировку несущего винта вертолета.
Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет того, что устройство содержит датчик ускорения, который устанавливается рядом с балансируемым винтом, а в качестве сигнала отметчика оборотов используется сигнал, вырабатываемый устройством определения несоконусности лопастей несущего винта в момент появления отмаркированной лопасти в поле зрения видеокамеры. Однострочная камера, направленная на законцовки лопастей, сканирует изображение на высокой частоте (например 2 кГц), что позволяет даже при высоких оборотах несущего винта (4 об/сек) получить 500 изображений за один оборот винта, т.е. появление в поле зрения камеры первой лопасти, относительно которой будет вестись отсчет, фиксируется с точностью выше 1 градуса, этого обычно достаточно для работы по балансировке. Узел обработки сигнала оптической головки формирует отметку первой лопасти. В устройстве использован принцип фильтрации движущихся объектов на фоне неподвижных. Одновременно с камерой работает канал ввода сигнала от датчика ускорения. В узле обработки сигнала датчика ускорения сигнал с датчика связывается с отметкой первой лопасти. Из полученного сигнала датчика ускорения выделяется основная гармоника частоты оборота винта. Блок анализа разбалансировки по амплитуде этой гармоники и фазе относительно отметки первой лопасти определяет точку дисбаланса на несущем винте, в которой необходимо провести коррекцию массы.
Вместо отметчика первой лопасти, которым обычно комплектуется подобное устройство, отметку первой лопасти получают с устройства определения несоконусности. Оно не столь критично к месту установки на вертолете, что позволяет более оперативно разворачивать систему на борту, не используя специальных креплений снаружи корпуса вертолета. При этом решается и задача полной видеозаписи событий (поведения лопастей в разных режимах) дополненная сопутствующей записью вибрации на вертолете. Это позволяет производить обработку результатов отдельно от режима испытаний, полностью восстанавливая картину испытаний путем воспроизведения записанного цифрового потока с носителя информации вместо потока данных от измерительных блоков.
В заявленном устройстве использован полностью цифровой канал без аналоговых элементов обработки, что позволяет применить современные высокоинтегрированные цифровые микросхемы и весь канал обработки разместить в минимальном количестве корпусов микросхем, что позволяет сократить габариты и вес устройства, повысить надежность работы, уменьшить потребление энергии, включить в одно устройство возможность переключения настройки на разные типы винтокрылых машин с разным количеством лопастей, кроме этого в цифровом канале каждый обрабатываемый пиксел фотоприемного устройства имеет свой физический адрес, что позволяет после проведения калибровки измерять расстояния между законцовками лопастей количеством элементов фотоприемника, разделяющим изображения траекторий законцовок лопастей. Таким образом, цифровой канал позволяет сохранить геометрическую привязку объектов к номерам элементов ПЗС, в которых они были обнаружены и, соответственно, точность измерения относительного положения объектов определяется расстоянием между объектами, переданными двумя соседними элементами ПЗС. Цифровой поток также можно напрямую записывать на носитель информации, и таким образом получить полную видеозапись событий, обработку которой произвести отдельно от режима испытаний.
Заявленная совокупность признаков неизвестна заявителю из доступных источников информации, на основании чего можно сделать вывод о том, что заявленное решение является новым.
Анализ известных решений показывает, что заявленное решение позволяет осуществить процесс динамической балансировки несущего винта вертолета не применявшимся ранее устройством.
Заявленное решение поясняется чертежами, где:
На фиг.1 представлена блок-схема устройства;
Блок-схема устройства содержит оптическую головку 1, узел обработки сигнала оптической головки 8, узел для хранения и отображения информации 11, датчик ускорения 12 и узел обработки сигнала датчика ускорения 19. Узел сохранения и отображения информации 11 состоит из блока накопления информации 9 и блока индикации 10.
Узел обработки сигнала 8 содержит блок предварительной обработки сигнала 2, блок выделения координат законцовок лопастей 3, блок измерения временных интервалов 4, блок усреднения координат законцовок лопастей 5, формирователь изображения лопастей 7 и блок распознавания первой лопасти 6. Выход блока предварительной обработки сигнала 2 соединен с входом блока выделения координат законцовок лопастей 3, с входом блока измерения временных интервалов 4 и с входом формирователя изображения лопастей 7. Выход блока выделения координат законцовок лопастей 3 соединен с входом блока усреднения координат законцовок лопастей 5 и с входом формирователя изображения лопастей 7. Выход блока измерения временных интервалов 4 соединен с входом блока усреднения координат законцовок лопастей 5, с входом блока распознавания первой лопасти 6, с входом блока накопления информации 9 и с входом блока индикации 10. На вход блока распознавания первой лопасти 6 поступает также сигнал с блока усреднения координат законцовок лопастей 5 и с выхода формирователя изображения лопастей 7. С выхода блока распознавания первой лопасти 6 сигнал поступает на вход блока накопления информации 9 и вход блока индикации 10, а также на вход буфера-накопителя 14 узла обработки сигнала датчика ускорения 19, на вход адаптивного фильтра 15 и на вход блока анализа разбалансировки 16.
Узел обработки сигнала датчика ускорения 19 содержит аналогово-цифровой преобразователь 13 (АЦП), буфер-накопитель 14, адаптивный фильтр 15, блок анализа разбалансировки 16, полосовой фильтр 17, блок быстрого преобразования Фурье (БПФ) 18, при этом выход датчика ускорения 12 через аналогово-цифровой преобразователь 13 соединен с буфером-накопителем 14, а выходы буфера-накопителя 14 соединены с блоком накопления информации 9, с блоком индикации 10, с входом адаптивного фильтра 15 и с входом полосового фильтра 17, выход адаптивного фильтра 15 соединен с входом блока анализа разбалансировки 16 и с входом блока индикации 10, а выход полосового фильтра 17 соединен с входом блока индикации 10 и с входом блока быстрого преобразования Фурье 18, выход которого соединен с входом блока индикации 10.
Перед началом измерений производят маркировку базовой лопасти и задают необходимые параметры испытуемого вертолета (количество лопастей, расстояние от объектива до законцовки лопасти и т.д.). Датчик ускорения 12 присоединяется к неподвижным частям корпуса вертолета с заведомо определенной для него ориентацией по осям X, Y и Z относительно корпуса вертолета.
Оптическая головка 1 на основе однострочного прибора с зарядовой связью (ПЗС) с количеством фоточувствительных элементов в строке 2048 формирует изображение неба, периодически перекрываемое лопастями. Ориентирована оптическая головка 1 так, что при пересечении лопастью ее оптической оси строка ПЗС должна быть развернута в плоскости фокусировки изображения от законцовки лопасти к оси несущего винта и захватывать область изображения за законцовкой лопасти и часть лопасти. Скорость генерации кадров изображения такова, что за время прохождения очередной лопасти оптическая головка 1 сформирует несколько однострочных кадров изображения, в которых будет присутствовать сигнал лопасти. Сигнал с оптической головки 1 подается на блок предварительной обработки сигнала 2 узла обработки видеосигнала 8. Он формирует сигнал межкадровой разности, не содержащий фоновой составляющей в области изображения, свободной от лопастей, и анализируя амплитуду этого сигнала находит кадры, содержащие изображение лопасти, по которым блок выделения координат законцовок лопастей 3 определяет минимальную координату законцовки лопасти, которая и считается искомой. Для повышения достоверности измерений в условиях вибрации летательного аппарата, приводящей к погрешности измерения координат законцовок лопастей, маневрирования и ветра, вызывающих покачивания лопастей, применен блок усреднения координат законцовок лопастей 5, в котором координата законцовки каждой лопасти усредняется по заданному количеству оборотов несущего винта. Блок измерения временных интервалов 4 фиксирует периодичность появления серий кадров с признаком наличия сигнала лопасти, усредняет ее и вычисляет реальную скорость вращения несущего винта, кроме этого он прогнозирует временные границы ожидания пролета следующей лопасти перед объективом с учетом инерции несущего винта и в случае их нарушения, например, из-за направления ФПУ против солнца или выхода законцовки лопасти за край области отображения, вырабатывает признак сбоя синхронизации лопастей, вызывающий перезапуск процедуры усреднения координат лопастей. Формирователь изображения лопастей 7 содержит массив памяти, разделенный на сегменты, количество которых соответствует количеству лопастей несущего винта вертолета, а количество строк в сегментах заведомо больше, чем однострочных кадров, на которые проецируется одна пролетающая лопасть при самой медленной рабочей скорости вращения несущего винта. Текущий видеосигнал межкадровой разности с выхода блока предварительной обработки сигнала 2 запоминается в строки текущего сегмента памяти, для подряд идущих кадров, в которых найден сигнал от лопасти, затем выбирается следующий сегмент памяти и запись повторяется при тех же условиях и так далее, пока не заполнятся все сегменты. Таким образом, из общего потока кадров выбираются только содержащие изображение лопасти, что резко уменьшает объем информации, необходимый для дальнейшей обработки. Получается двумерный массив, в котором по 2048 элементов в строках, а в столбцах - количество строк в сегменте, умноженное на количество сегментов. Блок распознавания первой лопасти 6 получает картинку лопастей от формирователя 7, и адрес начала лопасти в каждом сегменте от блока 5 и запускает алгоритм поиска окрашенного пятна на одной из лопастей. После нахождения пятна производится нумерация лопастей от окрашенной базовой.
Сигнал с датчика ускорения 12 поступает на вход АЦП 13 узла обработки сигнала датчика ускорения 19. АЦП 13 оцифровывает сигнал и передает его в буфер-накопитель 14, который накапливает сигнал датчика ускорения 12 в течение одного оборота винта (виброграмма), чтобы передать эту информацию в устройство накопления информации 9 одновременно с кадром изображения лопастей, полученным за этот период времени. С блока распознавания первой лопасти 6 на вход буфер-накопителя 14 поступает информация о времени появления первой лопасти. С выхода буфера-накопителя 14 сигнал вибрации за полный оборот винта поступает в блок накопления информации 9, одновременно с видеокадром лопастей, переданным формирователем изображения лопастей 7.
С выхода буфер-накопителя 14 на вход блока индикации 10 поступает также полный сигнал вибрации в точке крепления датчика ускорения в рабочей полосе частот датчика (например, от 0 до 400 Гц).
С выхода буфер-накопителя 14 сигнал поступает также на вход полосового фильтра 17. Переключением полос фильтра 17 выделяют для анализа отдельные составляющие сигнала вибрации, вызванные разными узлами вертолета - рулевым винтом, несущим винтом, лопастями и т.д. С выхода полосового фильтра 17 сигнал поступает на вход блока индикации 10 для визуального анализа. Этот же сигнал с выхода полосового фильтра 17 поступает на вход блока индикации 10 через блок БПФ (быстрого преобразования Фурье) 18, который раскладывает сигнал на гармонические составляющие, позволяя оценить вклад в общий сигнал вибрации отдельных узлов вертолета и внешних факторов (воздушные ямы, турбулентные потоки и т.д.)
С буфера-накопителя 14 сигнал поступает также на вход адаптивного фильтра 15, на вход которого поступает также сигнал с выхода блока распознавания первой лопасти 6. Адаптивный фильтр 15 автоматически настраивается на выделение основной (1-ой) гармоники оборотной частоты (той частоты, с которой вращается несущий винт вертолета). С выхода адаптивного фильтра 15 сигнал подается на вход блока индикации 10 для визуальной оценки. При правильной балансировке - амплитуда сигнала будет минимальна, увеличение амплитуды свидетельствует о разбалансировке винта либо несоконусности лопастей.
С выхода адаптивного фильтра 15 основная гармоника оборотной частоты несущего винта подается на вход блока анализа разбалансировки 16, на который подается также информация о расположении первой лопасти с блока распознавания первой лопасти 6. С учетом этой информации, блок 16 определяет степень и направление смещения центра тяжести относительно оси несущего винта и выдает информацию о весовой коррекции - массе требуемого балансировочного груза и месте расположения его.
Блок накопления информации 9 позволяет сохранять в произвольные моменты времени измеренные значения вибрации и взаимного расположения траекторий законцовок лопастей, скорость несущего винта, а также вести видеозапись фрагментами или постоянно поведения законцовок лопастей на разных испытательных режимах с последующим воспроизведением записи. Блок индикации 10 визуально отображает график зависимости амплитуды сигнала вибрации от времени в точке крепления датчика ускорения в рабочей полосе частот датчика, отфильтрованные составляющие сигнала вибрации в разных частотных полосах, частотный спектр сигнала вибрации в полном частотном диапазоне датчика или в отдельных полосах, амплитуду и фазу основной (1-ой) гармоники оборотной частоты несущего винта вертолета, в случае проведения балансировки расчетное расположение и вес балансировочных грузов для установки на несущем винте, взаимное расположение законцовок лопастей в вертикальной плоскости, относительное смещение траекторий законцовок в миллиметрах, нумерацию лопастей, скорость вращения несущего винта и другие параметры. Технически блоки 6, 9, 10, 15, 16, 17 и 18 выполнены в виде ноутбука с соответствующим программным обеспечением.
Компьютер блока обработки оснащен программным обеспечением для анализа полученной информации об испытаниях и выработки рекомендаций по регулировке. Вся полученная при испытаниях информация сохраняется в компьютерной базе данных и может быть использована для дальнейшей обработки. Аппаратура легко перенастраивается для различных типов вертолетов, имеющих разную длину и ширину лопастей, и их количество.