基于UDT的旋翼锥体测量系统的设计与实现

毛海涛，景 堃，周圣林

(海军装备研究院航空所，上海 200436)



基于UDT的旋翼锥体测量系统的设计与实现

毛海涛，景 堃，周圣林

(海军装备研究院航空所，上海 200436)

旋翼锥体测量是直升机一项重要的常规视情检查项目，由于旋翼锥体直接影响直升机的振动, 而且使用频度较大, 所以旋翼锥体测量方法是直升机研究的一个重要内容。研究了一种基于UDT设备的旋翼锥体测量方法，分析了其工作原理及锥体的计算方法，并在此基础上设计实现了一套具有综合测量、实时处理和故障诊断能力的直升机旋翼锥体测量系统。

UDT；直升机；旋翼锥体测量

0 引言

直升机旋翼桨尖的运动轨迹习惯上称为旋翼锥体。如果希望降低直升机振动水平(1Ω)，改善直升机振动环境，确保旋翼工作在正常状态，就必需精确测量旋翼的锥体，对锥体状况进行实时监测。

直升机在飞行时, 旋翼工作在复杂的气动环境中, 旋翼桨叶运动及其所承受的载荷都比较复杂，影响因数很多, 造成了旋翼桨尖运动轨迹的复杂性[1]。在进行直升机旋翼桨尖运动轨迹测量时，不仅要测量桨叶的挥舞运动，还要测量桨叶的摆动，这些参数将对旋翼的正常工作产生很大的影响[2]。

由于旋翼锥体在直升机维护工作中占有相当的比例，对于精确测量旋翼锥体的方法也在不断进行改进和发展[3-5]。图1是几种常规的旋翼锥体测量方法及其基本特点。在国内，目前直8直升机采用的是打纸筒法，直9和直11直升机采用的是频闪仪法，都普遍存在测量精度低、易受到环节条件制约等不足。而自动桨叶轨迹仪法是一种省时、省力且高精度的测量方法，国外已经推广使用，而国内关于该技术的应用研究还比较有限。本文将围绕该技术的研究和应用实现开展相关研究工作。

图1 常规旋翼锥体测量方法和基本特点

1 基于UDT的旋翼锥体测量方法和原理

1.1 UDT的工作原理

通用轨迹设备(UTD，Universal Track Device)是美国Signal Processing System(SPS)公司(现被GE公司收购)研制的一种专用的测量旋翼轨迹的光电传感器。其工作原理如图2所示，在UTD上有两个安装角为11°的光电感应器，当某片桨叶扫过时，UDT输出三个电脉冲信号。对于某一片桨叶来说，在UTD可感受的两个夹角为11°的区域内，当桨叶前沿与第一束光线相交时，UTD输出第一个脉冲，当桨叶前沿与第二束光线相交时，UTD输出第二个脉冲，当桨叶后沿与第二束光线相交时，UTD输出第三个脉冲，即每片桨叶输出三个脉冲。依次类推，其它桨叶也输出三个脉冲，为了区别不同的桨叶，还需一个方位传感器来确定究竟是哪片桨叶。方位传感器一般采用转速传感器，有磁电传感器和光电传感器两种。

图2中，UTD输出脉冲信号的时间参数T1、T2、T3和T4与桨叶的位置关系如下：T1表示桨叶与第一区域相交的时刻；T2表示桨叶与第二区域相交的时刻；T3表示桨叶离开第二区域的时刻；T4表示桨叶与第一区域相交的时刻。

图2 UTD的工作原理

通过分析，可以得出下面三个时间参数：

T1-T2：桨叶扫过UTD两个夹角为11°的区域的时间。当桨叶升高时，该时间增长；当桨叶降低时，该时间缩短。该参数反应了桨叶的挥舞高度(桨叶的绝对挥舞量)，将其与基准桨叶进行比较，可以得出旋翼的锥体数据。

T2-T3：桨叶的弦向宽度扫过UTD第二区域的时间。桨叶的弦向宽度是已知的，可以用来检查UTD的安装参数是否合适，如UTD的安装角度等。

T1-T4：相邻两片桨叶到达UTD第一区域的时间，对应于各片桨叶的摆动大小，因此使用UTD可以测量桨叶在旋转平面内的摆动量，这是频闪仪无法测量的参数。

1.2 锥体的计算方法

UDT采用三角法测量原理进行测量，其原理如图3所示，图中给出了UTD 的安装参数和旋翼锥体数据计算的几何图形。其中O点为UTD安装位置，B点是旋翼主轴的中心，D点为桨叶靶标(通用锥体的标准点)，A点为UTD感受的桨叶位置。

图3 UTD的三角测量原理

已知的安装参数包括：α为UTD安装角，11°为UTD中两个光学传感器的的夹角，L0为UTD安装位置到旋翼主轴的水平距离，L2为沿桨叶方向从桨毂到桨叶靶标的距离，W为UTD感受的桨叶处的翼弦宽度。需要通过测量系统获得的参数包括：Tn为第n片桨叶扫过UTD两个感受区域的时间(即T1-T2)；TWn为第n片桨叶翼弦全部通过第二感受区域的时间(即T2-T3)； TLn为第n片桨叶与第n+1片桨叶通过UTD传感器的时间间隔(即T1-T4)；Ω为旋翼转速。

为了便于说明，下面论述中使用T、TW和TL来代替Tn、TWn和TLn。

1.2.1 桨叶挥舞值的计算

在图3右侧三角形中根据余弦定理，有：

而图3左侧图形中有：

由式(1)、(2)得：

式中L为桨叶扫过UTD感受区域的弦长，桨叶与两个区域的交点和旋转中心构成一个三角形，桨叶扫过角度是ωT。设桨毂中心到三角形对边的距离为L1，有：

图3左侧图形中有：

将式(5)代入式(4)得：

根据式(3)和式(6)，有等式：

上述方程求解可得：

因此：

通过上述计算可求得桨叶的绝对挥舞值H，将某片桨叶作为基准桨叶，其它各片桨叶的绝对挥舞值与其做减法，就可以得出直升机旋翼锥体数据。

1.2.2 桨叶摆动值的计算

由于时间参数TL是相邻两片桨叶通过同一位置的时间间隔，而旋翼的转速是Ω，旋转角速度ω=Ωπ/30，因此这两片桨叶的夹角φ=TL×ω=TL×Ωπ/30。由此可以计算出各片桨叶的相邻夹角，如取一桨叶为标准桨叶，各片桨叶按照桨叶旋转方向依次编号，则各片桨叶与标准桨叶的实际夹角可以计算出来。

假设被测量直升机的桨叶数量为K，则第i片桨叶与标准桨叶的夹角为θi=2π/K×(i-1)。通过将各片桨叶的实测夹角与标准夹角相减，得出偏差角度，然后根据桨叶靶标位置参数L2，可求出桨叶在靶标处的实际偏差距离，也就是桨叶摆动值。摆动值的正或负，反映了桨叶超前或滞后。

2 旋翼锥体测量系统的设计

本文开发实现了一套具有综合测量、实时处理和故障诊断能力的直升机旋翼锥体测量系统。其原理结构框图及各传感器安装位置如图4、图5所示。 其中PC104嵌入式计算机是采集设备的核心，负责管理、协调锥体采集等工作；安装在直升机前部的UTD，可监测桨叶的挥舞和摆动情况；安装在旋翼主轴附近的磁性转速传感器负责测量旋翼的转速，从而确定各片桨叶的位置。根据UTD和旋翼转速传感器测得的数据，可以计算出旋翼的锥体数据，结合当前的飞行状态进行存储，可供机上监测和地面分析。

图4 旋翼锥体测量系统框图

图5 旋翼锥体测量系统在直升机上的布置

2.1 系统功能

直升机旋翼锥体测量系统可对旋翼锥体在地面和空中各种飞行状态下进行测量和监测。飞行状态包括悬停(有地效和无地效)、爬升、俯冲、下滑、小速度平飞(140km/h)、大速度平飞(260km/h)、VNE(不可超越速度)和盘旋等。同时系统可对这些飞行状态的旋翼锥体情况进行分类测量存储， 在地面对所存储的各飞行状态锥体数据进行综合分析，得出锥体最佳调整方法，并据此对直升机的旋翼锥体进行调整。系统具体功能包括：

1)自检测功能。开机后首先进行自检，当出现故障时仪器给出警告提示，并禁止对有故障的信号进行采集，以避免得到错误的信息；

2)直升机旋翼锥体测量。给出旋翼锥体的实际测量数据，对数据进行存储，建立测量数据库；

3)旋翼锥体调整。依据旋翼锥体测量结果对旋翼锥体进行调整，给出初步的调整意见；

4)旋翼系统的故障监测。在没有机组人员干预的情况下能自动进行旋翼锥体数据的采集记录，能对直升机旋翼系统的工作状态进行趋势分析，并根据所给定的超限值进行监测，一旦数据超限，能立刻给出报警信号，以便机组人员采取相应措施。

2.2 系统指标

1)测量参数

① 旋翼锥体，包括相对和绝对挥舞值；

② 桨叶摆动值；

③ 旋翼桨叶和尾桨叶的方位角及转速。

2)测量范围

① 旋翼片数 2 至 6片；

② 旋翼转速范围：25 至 6000 rpm；

③ 尾桨转速范围：25 至 6000 rpm。

3)测量精度

① 桨叶挥舞值测量误差不大于2 mm；

② 桨叶摆动值测量误差不大于2 mm。

4)数据处理能力

① 各种测量结果可以进行自动存储，可以保存100次以上的飞行测量结果和一定数量的采集的原始信号，特别是能将异常情况的原始信号进行存储，以便直升机着陆后用地面站数据处理系统做进一步的分析；

② 系统具有小结功能，可以给出锥体参数的时间历程，进行趋势分析并与预先给出的限制值进行对比，并能够发出警告提示。

2.3 锥体参数用于旋翼故障监测和诊断

在飞行中对旋翼进行故障监测，对直升机的使用、维护、飞行安全等具有重要的意义。故障监测是为了故障诊断，直升机旋翼故障诊断工作量十分巨大，在诊断原理、诊断技术等方面有许多需要研究和解决的问题[6]。本文在旋翼锥体测量系统的设计研制过程中，针对旋翼故障监测与诊断的方法和技术开展了部分研究工作。

1)旋翼锥体测量系统具有自动测量监测功能，在直升机使用过程中，连续不间断地监测旋翼锥体情况， 每1～5分钟提供一组旋翼锥体测量数据。因不同飞行状态下故障的超限值是不同的，所以这些数据要与一些直升机的主要飞行参数进行同时采集存储，如飞行姿态、飞行速度、飞行高度、旋翼转速、总距值、发动机功率等。计算机对所测量的数据按照飞行状态进行分组采集存储，然后进行趋势分析，一旦出现反常现象，就说明旋翼锥体可能出现了故障，及时给出告警提示。

2)旋翼绝对挥舞量是反映旋翼锥体的参数，当出现不正常的绝对挥舞值时，旋翼系统可能出现了故障。

3)在进行旋翼调整时，如测量得到的旋翼锥体数据不符合所给定的调整规律，出现反常现象，则说明旋翼系统可能出现了故障。

3 结束语

本文从直升机维护保障需求出发，设计实现了一套基于UTD的设备，具有综合测量、实时处理和故障诊断功能的旋翼锥体测量系统，研究内容为国内新型直升机HUMS系统(Health and Usage Monitoring System，直升机健康与使用监控系统)的设计、研制和加装积累了有益的实践经验。

随着现代测量、传感器和计算机等多领域新技术的不断涌现，旋翼锥体测量方法将不断进步，如采用视觉传感器和图像自动处理技术实现对旋翼锥体的测量与监测；另一方面随着专家库的积累完善，旋翼锥体故障的监测与诊断功能会越来越强，这些都需要开展进一步的深入研究和实践。

[1] 豫 章. 直升机发展概述[J]. 直升机技术,2003(4):35-41.

[2] 桑雨生, 李德增. 关于直升机旋翼挥舞问题的探讨[J]. 直升机技术,1999(3):9-13.

[3] 董 良，等. 旋翼轨迹测试与动平衡测量方案[Z].直升机数据采集初步方案,2002.

[4] 陈圣斌, 宋永磊. 直升机故障分析与管理系统的设计与实现[J].直升机技术,2011(1):49-54.

[5] 薛伟松,邢士喜,郑 牧，等.直升机旋翼锥体及动平衡设备校验系统的研究[J].测控技术,2006,25(3):4-7.

[6] 罗 锦, 孟 晨，苏振中. 故障诊断技术的发展和展望[J].自动化与仪器仪表,2003(2):79-86.

Design and Implementation of Rotor Track Measuring System Based on UDT

MAO Haitao，JING Kun，ZHOU Shenglin

(Institute of Aviation Equipment, Naval Academy of Armament，Shanghai 200436，China)

Rotor track measuring is a general and important maintenance work of helicopter. Rotor track directly effects vibration of helicopter and checking rotor track in high frequency, so the way of measuring rotor track is an important research direction. This paper mainly introduced the principle of a measuring method based on UDT. A rotor track measuring system with the ability of comprehensive measurement, real time processing and fault diagnosis was designed and implemented.

UDT；helicopter；measuring rotor track

2014-11-15

毛海涛 (1980-)，男，江苏靖江人，硕士，工程师，主要研究方向：航空综合保障。

1673-1220(2015)02-038-05

TP306；V267

A