HUMS典型傳感器支架的設計

胡 堅，李開成，馬子生,楊 月

(航空工業直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

1 HUMS的定義及功能

直升機狀態與使用監測系統(healthy and usage monitoring systems, HUMS)用于檢測直升機運行的相關信息，評估零部件剩余安全壽命，判斷是否存在故障以及分析故障原因和部位，并做出相應決策[1]。HUMS主要包含機載數據采集系統、地面監測系統和通信系統3部分[2]。HUMS的運用對推動直升機從“事后維修”、“定時維修”向“視情維修”轉變具有十分重要的意義，是提高直升機可靠性、維修性和保障性的必然手段[3]。

HUMS運用振動傳感器對直升機的三大動部件(旋翼系統、發動機、傳動系統)及機體的振動進行監測，實現超限告警功能，利用旋翼軌跡傳感器實現對旋翼軌跡的測量及動平衡分析功能并給出調整建議；為地面監測系統提供旋轉部件的使用狀態信息，對旋翼、尾槳等重要關鍵部件的損傷累積分析提供數據；為直升機的使用監測、健康監測、故障診斷、壽命監測、故障定位等艦基和陸基的保障提供數據支撐；為飛行安全保障及日常使用維護提供數據支撐[4]。

2 HUMS傳感器支架的設計原則

HUMS中的傳感器需要安裝在支架上，因此支架設計得好壞對能否獲取準確可靠的監測數據具有重要意義。HUMS中典型的傳感器有振動傳感器(單軸或三軸)、高溫振動傳感器、轉速傳感器(光電或磁電)和旋翼軌跡傳感器，如圖1所示。

振動傳感器安裝在傳動系統和機體上，可根據監測需要選用單軸傳感器或三軸傳感器，高溫振動傳感器安裝在發動機處，轉速傳感器安裝在主旋翼和尾槳處，旋翼軌跡傳感器安裝在駕駛艙。

圖1 HUMS典型傳感器

HUMS中的傳感器較多。需要安裝多少個傳感器、傳感器具體安裝在什么位置才能夠真實反映機體或者三大動部件等的振動情況，是首先要解決的問題。原直升機機體和發動機在設計時沒有為這些傳感器預留適當的安裝接口，安裝空間也不足。不同傳感器的安裝位置以及安裝方式不盡相同，因此需根據不同的安裝要求，經地面半實物仿真試驗，通過對大量試驗數據的分析確定各傳感器的安裝位置和安裝方式，同時盡量借用機上結構設計合適的安裝支架，以滿足傳感器的安裝需要，從而保證測量數據的精準度。

傳感器支架的安裝不得影響飛行員的視線、操作和活動，不破壞直升機總體氣動外形，方便線纜走線。此外支架不得與機體部件發生干涉，尤其與動部件要留有足夠的安全距離，防止飛行過程中因機體振動發生干涉，產生不可預料的后果。支架應安裝、拆卸方便，留有足夠的操作空間。設計過程中還需選擇合適的材料和加工方法，并根據需要選用合理的熱處理工藝和表面處理方法。

傳感器支架設計需要從安裝協調、使用維護、結構強度及模態和加工工藝等方面進行綜合考量，支架初步設計完成后需要在機上試裝和測試，根據監測數據調整支架的設計、安裝，直到獲得準確可靠的數據。傳感器支架設計是HUMS設計中的重要環節，是直升機數據采集和狀態監測的關鍵步驟，應引起相關技術人員的重視。

3 傳感器支架設計應用舉例

3.1 主減速器振動傳感器支架的設計

根據系統對主減速器的振動監測方向要求(軸向或徑向)和其他技術指標，設計相應的振動傳感器支架，如圖2所示。傳感器支架借用主減速器的安裝螺栓進行固定，取消螺栓處的墊圈以保證螺母出扣，然后將保險絲穿入螺釘和支架上的保險孔中防止螺母松動。安裝過程中，根據相應的擰緊力矩要求來擰緊螺栓，防止在振動過程中連接松動。

圖2 主減速器振動傳感器支架

支架1安裝在主減速器輸入端，選用的材料為30CrMnSiA合金鋼，其抗拉強度為σb=1 080MPa，傳感器質量為40g。根據支架安裝約束條件用ABAQUS軟件對支架進行強度校核[5]，仿真結果表明支架應力最大值為0.25MPa，強度滿足要求。對傳感器支架進行模態分析，得到支架前4階振型，其前4階固有頻率分別為1 218.1Hz、2 354.1Hz、3 812.0Hz和5 706.0Hz，如圖3所示。經過理論計算主減速器輸入端齒輪嚙合頻率為3 234.8Hz，因此不會產生共振現象，滿足振動監測要求。

圖3 主減速器振動傳感器支架1模態分析

3.2 主旋翼轉速傳感器支架的設計

該主旋翼轉速傳感器為磁電傳感器，傳感器和支架安裝在不動環防扭臂上，磁條安裝在動環扭力臂上，如圖4所示，磁條在隨動環旋轉過程中切割傳感器產生磁場，從而記錄轉速信號。因此在設計時磁條應采用磁性材料，故選用的材料為30CrMnSiA合金鋼。為了避免對傳感器信號產生干擾，傳感器支架選用7075鋁合金，且使傳感器盡量遠離其他磁性材料。由于傳感器支架安裝在動部件上，為防止支架受到較大振動而松動，需利用不動環防扭臂的兩個螺栓進行安裝固定。設計完成后對傳感器支架、磁條和自動傾斜器進行運動仿真，以避免發生干涉。對傳感器支架進行模態分析，傳感器支架的前4階固有頻率分別為81.3Hz、150.4Hz、387.0Hz和1 359.0Hz，如圖5所示，而經過計算主減速器旋翼軸輸出端齒輪嚙合頻率為472.35Hz，表明支架設計符合性能要求。傳感器及支架裝機后，需要在機上進行盤槳操作，確保不會與機上其他部件發生干涉。監測傳感器接收到的脈沖信號，若脈沖信號不能精確反映轉速大小，則需要查找原因并進行改進。

圖4 主旋翼轉速傳感器支架安裝

圖5 主旋翼轉速傳感器支架模態分析

3.3 旋翼軌跡傳感器支架的設計

直升機旋翼軌跡測量方法主要有標桿法、頻閃儀法、高速攝像法和通用軌跡測量儀法，其中通用軌跡測量儀法作為一種省時省力和高精度的測量方法被廣泛應用于各型號直升機旋翼軌跡測量中。UTD(universal track device)傳感器是一種專用的旋翼軌跡光電傳感器，在傳感器中裝有2個安裝角為11°的光電感應器件，當槳葉掃過傳感器時，它的光學器件感受光的強弱變化而產生不同的電脈沖信號，對各脈沖的時間間隔進行精確測定，以此來確定槳尖的運動軌跡。旋翼軌跡傳感器的工作原理見文獻[6]。

UTD傳感器對安裝位置及安裝角度要求較高，不同的安裝位置和角度對測量精度影響較大[7]。在槳葉揮舞下限處，傳感器發出的光束不能被槳葉調整片擋住；在槳葉揮舞上限處，傳感器發出的光束需照射到槳葉0.9R的范圍內，如圖6所示。故傳感器的安裝位置及安裝角度必須符合上述要求。

圖6 旋翼軌跡傳感器的照射范圍

確定旋翼軌跡傳感器的安裝位置及角度后，需要根據機上實際情況設計支架。以某型直升機為例，傳感器安裝在駕駛艙內，支架固定在駕駛艙壁框上，如圖7所示。在試飛過程中，槳葉掃過夾角為11°的區域，傳感器實時采集槳葉掃過該區域的時間信號，通過多次平均獲得每片槳葉的揮舞高度，并求得旋翼的共錐度值。在此過程中需要調整變距拉桿來保證旋翼的共錐度值在合理范圍內。

圖7 旋翼軌跡傳感器支架

4 試驗結果分析

將傳感器和傳感器支架裝機進行試驗，在試飛中采集相關數據，采樣頻率為4kHz。該型號直升機有5片主槳葉，主槳轉頻為4.2Hz，采集的數據如圖8所示。根據監測數據可知，主減速器輸入端振動信號平穩，最高振動水平為10g左右，符合實際情況。根據主旋翼轉速傳感器測得的脈沖信號，計算得到旋翼旋轉一周所需的時間為T=976/4 096=0.238 3s，從而得到主旋翼的轉頻為f=1/T=4.196Hz，與該型號直升機實際主槳轉頻4.2Hz很接近，說明傳感器測得的數據準確。通過反復調節變距拉桿伸長量并根據旋翼軌跡傳感器測得的數據進行計算，得到旋翼共錐度值為4mm，小于靶標高度的1/2，表明旋翼錐體調整正確。

圖8 3個傳感器采集的數據

5 結束語

本文設計的傳感器支架裝機使用后，從傳感器獲得的監測數據穩定可靠，能夠實時正確地反映直升機部件的狀態，滿足HUMS功能需求。在科技人員的不懈努力下，HUMS應用技術越來越成熟，HUMS已經成為國產直升機的必備系統，大大提高了直升機的安全性，降低了使用和維護成本。為了安裝維護方便，今后在直升機的設計過程中，應考慮為HUMS傳感器預留相應的安裝接口。

參考文獻：

[1] 高亞東, 張曾鋁. 直升機HUMS技術現狀與發展[C]// 第二十三屆全國直升機年會學術論文集.成都：中國航空學會直升機分會，2007:24-31.

[2] 劉本紀. 直升機狀態與使用監控系統體系結構設計[J]. 航空與航天, 2015, 7(2):8-10.

[3] 金小強, 李新民, 孫偉. 直升機健康狀態與使用監測系統(HUMS)發展綜述[C]//第三十屆全國直升機年會學術論文集. 哈爾濱：中國航空學會直升機分會，2014：81-86.

[4] 謝曉明. HUMS在某型直升機上的應用[J]. 中國科技信息, 2013(14): 83.

[5] 馬曉峰. ABAQUS 6.11有限元分析從入門到精通[M]. 北京：清華大學出版社, 2013.

[6] 孫兵, 李戈楊, 張麗. HRMS系統用直升機旋翼軌跡傳感器的研制[J]. 中國電子科學研究院學報, 2007, 2(4):402-406.

[7] 李新民, 彭海鑫, 黃建萍, 等. 利用通用軌跡設備(UTD)測量旋翼錐體[J]. 直升機技術, 2007(1):50-54.