基于UDT的旋翼錐體測量系統的設計與實現

毛海濤，景 堃，周圣林

(海軍裝備研究院航空所，上海 200436)

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基于UDT的旋翼錐體測量系統的設計與實現

毛海濤，景 堃，周圣林

(海軍裝備研究院航空所，上海 200436)

旋翼錐體測量是直升機一項重要的常規視情檢查項目，由于旋翼錐體直接影響直升機的振動, 而且使用頻度較大, 所以旋翼錐體測量方法是直升機研究的一個重要內容。研究了一種基于UDT設備的旋翼錐體測量方法，分析了其工作原理及錐體的計算方法，并在此基礎上設計實現了一套具有綜合測量、實時處理和故障診斷能力的直升機旋翼錐體測量系統。

UDT；直升機；旋翼錐體測量

0 引言

直升機旋翼槳尖的運動軌跡習慣上稱為旋翼錐體。如果希望降低直升機振動水平(1Ω)，改善直升機振動環境，確保旋翼工作在正常狀態，就必需精確測量旋翼的錐體，對錐體狀況進行實時監測。

直升機在飛行時, 旋翼工作在復雜的氣動環境中, 旋翼槳葉運動及其所承受的載荷都比較復雜，影響因數很多, 造成了旋翼槳尖運動軌跡的復雜性[1]。在進行直升機旋翼槳尖運動軌跡測量時，不僅要測量槳葉的揮舞運動，還要測量槳葉的擺動，這些參數將對旋翼的正常工作產生很大的影響[2]。

由于旋翼錐體在直升機維護工作中占有相當的比例，對于精確測量旋翼錐體的方法也在不斷進行改進和發展[3-5]。圖1是幾種常規的旋翼錐體測量方法及其基本特點。在國內，目前直8直升機采用的是打紙筒法，直9和直11直升機采用的是頻閃儀法，都普遍存在測量精度低、易受到環節條件制約等不足。而自動槳葉軌跡儀法是一種省時、省力且高精度的測量方法，國外已經推廣使用，而國內關于該技術的應用研究還比較有限。本文將圍繞該技術的研究和應用實現開展相關研究工作。

圖1 常規旋翼錐體測量方法和基本特點

1 基于UDT的旋翼錐體測量方法和原理

1.1 UDT的工作原理

通用軌跡設備(UTD，Universal Track Device)是美國Signal Processing System(SPS)公司(現被GE公司收購)研制的一種專用的測量旋翼軌跡的光電傳感器。其工作原理如圖2所示，在UTD上有兩個安裝角為11°的光電感應器，當某片槳葉掃過時，UDT輸出三個電脈沖信號。對于某一片槳葉來說，在UTD可感受的兩個夾角為11°的區域內，當槳葉前沿與第一束光線相交時，UTD輸出第一個脈沖，當槳葉前沿與第二束光線相交時，UTD輸出第二個脈沖，當槳葉后沿與第二束光線相交時，UTD輸出第三個脈沖，即每片槳葉輸出三個脈沖。依次類推，其它槳葉也輸出三個脈沖，為了區別不同的槳葉，還需一個方位傳感器來確定究竟是哪片槳葉。方位傳感器一般采用轉速傳感器，有磁電傳感器和光電傳感器兩種。

圖2中，UTD輸出脈沖信號的時間參數T1、T2、T3和T4與槳葉的位置關系如下：T1表示槳葉與第一區域相交的時刻；T2表示槳葉與第二區域相交的時刻；T3表示槳葉離開第二區域的時刻；T4表示槳葉與第一區域相交的時刻。

圖2 UTD的工作原理

通過分析，可以得出下面三個時間參數：

T1-T2：槳葉掃過UTD兩個夾角為11°的區域的時間。當槳葉升高時，該時間增長；當槳葉降低時，該時間縮短。該參數反應了槳葉的揮舞高度(槳葉的絕對揮舞量)，將其與基準槳葉進行比較，可以得出旋翼的錐體數據。

T2-T3：槳葉的弦向寬度掃過UTD第二區域的時間。槳葉的弦向寬度是已知的，可以用來檢查UTD的安裝參數是否合適，如UTD的安裝角度等。

T1-T4：相鄰兩片槳葉到達UTD第一區域的時間，對應于各片槳葉的擺動大小，因此使用UTD可以測量槳葉在旋轉平面內的擺動量，這是頻閃儀無法測量的參數。

1.2 錐體的計算方法

UDT采用三角法測量原理進行測量，其原理如圖3所示，圖中給出了UTD 的安裝參數和旋翼錐體數據計算的幾何圖形。其中O點為UTD安裝位置，B點是旋翼主軸的中心，D點為槳葉靶標(通用錐體的標準點)，A點為UTD感受的槳葉位置。

圖3 UTD的三角測量原理

已知的安裝參數包括：α為UTD安裝角，11°為UTD中兩個光學傳感器的的夾角，L0為UTD安裝位置到旋翼主軸的水平距離，L2為沿槳葉方向從槳轂到槳葉靶標的距離，W為UTD感受的槳葉處的翼弦寬度。需要通過測量系統獲得的參數包括：Tn為第n片槳葉掃過UTD兩個感受區域的時間(即T1-T2)；TWn為第n片槳葉翼弦全部通過第二感受區域的時間(即T2-T3)； TLn為第n片槳葉與第n+1片槳葉通過UTD傳感器的時間間隔(即T1-T4)；Ω為旋翼轉速。

為了便于說明，下面論述中使用T、TW和TL來代替Tn、TWn和TLn。

1.2.1 槳葉揮舞值的計算

在圖3右側三角形中根據余弦定理，有：

而圖3左側圖形中有：

由式(1)、(2)得：

式中L為槳葉掃過UTD感受區域的弦長，槳葉與兩個區域的交點和旋轉中心構成一個三角形，槳葉掃過角度是ωT。設槳轂中心到三角形對邊的距離為L1，有：

圖3左側圖形中有：

將式(5)代入式(4)得：

根據式(3)和式(6)，有等式：

上述方程求解可得：

因此：

通過上述計算可求得槳葉的絕對揮舞值H，將某片槳葉作為基準槳葉，其它各片槳葉的絕對揮舞值與其做減法，就可以得出直升機旋翼錐體數據。

1.2.2 槳葉擺動值的計算

由于時間參數TL是相鄰兩片槳葉通過同一位置的時間間隔，而旋翼的轉速是Ω，旋轉角速度ω=Ωπ/30，因此這兩片槳葉的夾角φ=TL×ω=TL×Ωπ/30。由此可以計算出各片槳葉的相鄰夾角，如取一槳葉為標準槳葉，各片槳葉按照槳葉旋轉方向依次編號，則各片槳葉與標準槳葉的實際夾角可以計算出來。

假設被測量直升機的槳葉數量為K，則第i片槳葉與標準槳葉的夾角為θi=2π/K×(i-1)。通過將各片槳葉的實測夾角與標準夾角相減，得出偏差角度，然后根據槳葉靶標位置參數L2，可求出槳葉在靶標處的實際偏差距離，也就是槳葉擺動值。擺動值的正或負，反映了槳葉超前或滯后。

2 旋翼錐體測量系統的設計

本文開發實現了一套具有綜合測量、實時處理和故障診斷能力的直升機旋翼錐體測量系統。其原理結構框圖及各傳感器安裝位置如圖4、圖5所示。 其中PC104嵌入式計算機是采集設備的核心，負責管理、協調錐體采集等工作；安裝在直升機前部的UTD，可監測槳葉的揮舞和擺動情況；安裝在旋翼主軸附近的磁性轉速傳感器負責測量旋翼的轉速，從而確定各片槳葉的位置。根據UTD和旋翼轉速傳感器測得的數據，可以計算出旋翼的錐體數據，結合當前的飛行狀態進行存儲，可供機上監測和地面分析。

圖4 旋翼錐體測量系統框圖

圖5 旋翼錐體測量系統在直升機上的布置

2.1 系統功能

直升機旋翼錐體測量系統可對旋翼錐體在地面和空中各種飛行狀態下進行測量和監測。飛行狀態包括懸停(有地效和無地效)、爬升、俯沖、下滑、小速度平飛(140km/h)、大速度平飛(260km/h)、VNE(不可超越速度)和盤旋等。同時系統可對這些飛行狀態的旋翼錐體情況進行分類測量存儲， 在地面對所存儲的各飛行狀態錐體數據進行綜合分析，得出錐體最佳調整方法，并據此對直升機的旋翼錐體進行調整。系統具體功能包括：

1)自檢測功能。開機后首先進行自檢，當出現故障時儀器給出警告提示，并禁止對有故障的信號進行采集，以避免得到錯誤的信息；

2)直升機旋翼錐體測量。給出旋翼錐體的實際測量數據，對數據進行存儲，建立測量數據庫；

3)旋翼錐體調整。依據旋翼錐體測量結果對旋翼錐體進行調整，給出初步的調整意見；

4)旋翼系統的故障監測。在沒有機組人員干預的情況下能自動進行旋翼錐體數據的采集記錄，能對直升機旋翼系統的工作狀態進行趨勢分析，并根據所給定的超限值進行監測，一旦數據超限，能立刻給出報警信號，以便機組人員采取相應措施。

2.2 系統指標

1)測量參數

① 旋翼錐體，包括相對和絕對揮舞值；

② 槳葉擺動值；

③ 旋翼槳葉和尾槳葉的方位角及轉速。

2)測量范圍

① 旋翼片數 2 至 6片；

② 旋翼轉速范圍：25 至 6000 rpm；

③ 尾槳轉速范圍：25 至 6000 rpm。

3)測量精度

① 槳葉揮舞值測量誤差不大于2 mm；

② 槳葉擺動值測量誤差不大于2 mm。

4)數據處理能力

① 各種測量結果可以進行自動存儲，可以保存100次以上的飛行測量結果和一定數量的采集的原始信號，特別是能將異常情況的原始信號進行存儲，以便直升機著陸后用地面站數據處理系統做進一步的分析；

② 系統具有小結功能，可以給出錐體參數的時間歷程，進行趨勢分析并與預先給出的限制值進行對比，并能夠發出警告提示。

2.3 錐體參數用于旋翼故障監測和診斷

在飛行中對旋翼進行故障監測，對直升機的使用、維護、飛行安全等具有重要的意義。故障監測是為了故障診斷，直升機旋翼故障診斷工作量十分巨大，在診斷原理、診斷技術等方面有許多需要研究和解決的問題[6]。本文在旋翼錐體測量系統的設計研制過程中，針對旋翼故障監測與診斷的方法和技術開展了部分研究工作。

1)旋翼錐體測量系統具有自動測量監測功能，在直升機使用過程中，連續不間斷地監測旋翼錐體情況， 每1～5分鐘提供一組旋翼錐體測量數據。因不同飛行狀態下故障的超限值是不同的，所以這些數據要與一些直升機的主要飛行參數進行同時采集存儲，如飛行姿態、飛行速度、飛行高度、旋翼轉速、總距值、發動機功率等。計算機對所測量的數據按照飛行狀態進行分組采集存儲，然后進行趨勢分析，一旦出現反常現象，就說明旋翼錐體可能出現了故障，及時給出告警提示。

2)旋翼絕對揮舞量是反映旋翼錐體的參數，當出現不正常的絕對揮舞值時，旋翼系統可能出現了故障。

3)在進行旋翼調整時，如測量得到的旋翼錐體數據不符合所給定的調整規律，出現反常現象，則說明旋翼系統可能出現了故障。

3 結束語

本文從直升機維護保障需求出發，設計實現了一套基于UTD的設備，具有綜合測量、實時處理和故障診斷功能的旋翼錐體測量系統，研究內容為國內新型直升機HUMS系統(Health and Usage Monitoring System，直升機健康與使用監控系統)的設計、研制和加裝積累了有益的實踐經驗。

隨著現代測量、傳感器和計算機等多領域新技術的不斷涌現，旋翼錐體測量方法將不斷進步，如采用視覺傳感器和圖像自動處理技術實現對旋翼錐體的測量與監測；另一方面隨著專家庫的積累完善，旋翼錐體故障的監測與診斷功能會越來越強，這些都需要開展進一步的深入研究和實踐。

[1] 豫 章. 直升機發展概述[J]. 直升機技術,2003(4):35-41.

[2] 桑雨生, 李德增. 關于直升機旋翼揮舞問題的探討[J]. 直升機技術,1999(3):9-13.

[3] 董 良，等. 旋翼軌跡測試與動平衡測量方案[Z].直升機數據采集初步方案,2002.

[4] 陳圣斌, 宋永磊. 直升機故障分析與管理系統的設計與實現[J].直升機技術,2011(1):49-54.

[5] 薛偉松,邢士喜,鄭 牧，等.直升機旋翼錐體及動平衡設備校驗系統的研究[J].測控技術,2006,25(3):4-7.

[6] 羅 錦, 孟 晨，蘇振中. 故障診斷技術的發展和展望[J].自動化與儀器儀表,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

毛海濤 (1980-)，男，江蘇靖江人，碩士，工程師，主要研究方向：航空綜合保障。

1673-1220(2015)02-038-05

TP306；V267

A