一种直升机旋翼平衡实时监测与调整装置的制作方法

1.本发明属于直升机试验领域，特别涉及一种直升机旋翼平衡实时监测与调 整装置。


背景技术：

2.由于直升机旋翼以及其他旋转部件的工作特点，振动成为直升机的固有特 性，基于现有技术无法完全消除直升机的振动，而降低振动的方式主要有三种： 后缘调整片调节、桨毂配重调节和旋翼锥体调节。
3.后缘调整片调节是通过调整桨叶上的后缘调整片来降低振动的方法。该方 法可以实现实时调节，但由于该方式后缘调整片形状较小，在实际运行中发现， 某些桨叶的调整片并不敏感，即使将后缘调整片调整到最大角度，动平衡值仍 然不发生变化，或变化非常小。
4.桨毂配重调节是通过调节每片桨叶的桨毂配重来降低振动的方法，但每个 桨毂支臂上用于添加配重的位置对于添加配重的量值有限制，在一定条件下， 可能出现经计算，在桨毂支臂上配重加满的情况下，还需要在此支臂再增加配 重的情况。
5.旋翼锥体调节是通过调节旋翼锥体状态来降低振动的方法。传统基于旋翼 平衡维护方式无法实现实时调整，仍然需要地面停机后通过人工调整变距拉杆 的方式实现平衡调整，且调整后仍然需要再次启动验证调整效果，无法覆盖直 升机使用全周期和全部飞行状态，而且调整也是局部状态下振动水平的折衷。
6.然而当前却没有一种具备较强调节能力、且实时调节能力覆盖直升机使用 全周期和全部飞行状态的直升机动平衡调节方法。


技术实现要素：

7.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种直升机旋翼平衡实时监 测与调整装置，可实时调整旋翼锥体高度且调节能力覆盖直升机使用全周期和 全部飞行状。
8.一种直升机旋翼平衡实时监测与调整装置，包含智能变距拉杆、数据采集 单元、信息处理模块、机载控制模块和集流环；
9.智能变距拉杆安装在直升机的每一片浆叶上；
10.数据采集单元用于实时采集锥体的高度和旋翼的振动信号，通过线缆传递 到信息处理模块；
11.信息处理模块将采集到的原始锥体的高度和旋翼的振动信号进行解算和滤 波，并将处理后的锥体高度和振动信号通过线缆发送到机载控制模块；
12.机载控制模块将锥体高度和振动信号输入到控制模型，将控制模型输出的 智能变距拉杆的驱动力矩通过集流环传递至智能变距拉杆调节行程拉杆的伸缩 量。
13.优选地，数据采集单元包括锥体高度测量仪与振动测量传感器，锥体高度 测量仪安装于直升机前部风挡与电子舱上部交界处，并应保证锥体高度测量仪 的测量光路无遮
挡,该锥体高度测量仪使用光学测量方式无线测量，基于桨叶通 过测量光路的时间差值，计算出桨叶的高度差值，指定其中一片桨叶为基准桨 叶，其余桨叶与该基准桨叶的差值为反映该旋翼系统的不同锥程度；
14.振动测量传感器安装在桨毂上测量旋翼的振动信号，基于3个振动传感器 分别测量x,y,z三个方向的振动值，其中x向为直升机运行方向，y向为旋翼平 面与x向垂直方向，z向为旋翼垂直方向。
15.优选地，信息处理模块还将处理后的锥体高度和振动信号使用无线传输的 方式传递至地面站。
16.优选地，控制模型是先通过归纳智能变距拉杆的行程拉杆的伸缩量值与对 应机型旋翼锥体调整规律，再通过神经网络进行训练，得出智能变距拉杆的控 制模型。
17.优选地，使用旋翼振动的幅值和相位、旋翼锥体的高度测量值、智能变距 拉杆的伸缩量值作为神经网络的训练数据，在地面站离线训练得出智能变距拉 杆的控制模型；在飞行过程中，该控制模型将飞行实时监测到的旋翼振动幅值 和相位，锥体值和转速信号作为模型输入，控制模型将得到的信号与控制期望 作差，得出当前时刻误差，再根据误差解算出智能变距拉杆的驱动力矩。
18.优选地，集流环通过线缆连接机载控制模块，无线方式与控制智能变距拉 杆的电机及行星减速器组件交互，将接收到的智能变距拉杆的驱动力矩传递智 能变距拉杆的电机及行星减速器组件；集流环通过内部刷丝和沟槽的接触，实 现旋转部件与静止部件之间信号的传输，起到连接作用。
19.优选地，智能变矩拉杆包含轴承支座7、力矩限制器8、电机及行星减速器 组件9、杆端10、行程拉杆11、行星滚柱丝杠丝母12、角度编码器13和杆端 轴承14；轴承支座7通过杆端轴承14固定在桨毂上，杆端10连接到桨叶的桨 根部；电机及行星减速器组件9接收到驱动力矩后，输出旋转力矩带动行程拉 杆11实施伸缩运动来实现旋翼的变距调节，行星滚柱丝杠丝母12随行程拉杆 11移动而移动，角度编码器13通过监测行星滚柱丝杠丝母12的旋转角度计算 行程拉杆11的移动距离，判断行程拉杆11是否作动到给定位置，力矩限制器8 用于限制行程拉杆11的伸缩范围。
20.本发明与现有技术相比，其显著优点：本发明实时调节能力覆盖直升机使 用全周期和全部飞行状态，使用智能变距拉杆调节桨叶高度，相比较后缘调整 片调节具有更高调节能力。使用智能变距拉杆实时调节的方式调整旋翼动平衡， 通过锥体的变化所造成的力臂变化与桨毂添加配重的方式进行动平衡调整具有 相似之处，但可以克服桨毂添加配重调节方式需要停机调节的缺点，大大降低 直升机的启动次数。
附图说明
21.图1为旋翼锥体情况示意图。
22.图2为直升机旋翼平衡实时调整方法机载闭环控制图。
23.图3为直升机旋翼平衡实时监测与调整装置图。
24.其中：
‑‑‑‑
代表无线连接，＝代表电连接，≡代表机械连接。
25.图4为智能变距拉杆结构图。
具体实施方式
26.为使本发明实施的目的、技术方案和优点更为清楚，下面将结合实施例和 附图对本发明进行更加详细的描述。
27.参见图1显示，当直升机的桨尖处于同一平面时，该情况称为同锥，此时 桨叶处于同一平面，所以在该状态下旋翼的振动最小，当直升机的桨尖不处于 同一平面时，该情况称为不同锥，该状态下旋翼的振动较大。本实施例所示的 一种直升机旋翼平衡实时监测与调整装置，对旋翼锥体高度以及振动进行实时 监控，并在旋翼锥体不同锥情况较大，即其产生的振动幅值大于0.2ips时进行 调整。参见图2所示，直升机旋翼平衡实时监测与调整装置包含智能变距拉杆、 集流环、机载控制模块、地面站、数据采集单元和信息处理模块等，其中，智 能变距拉杆和数据采集单元配置在机身外部，集流环、机载控制模块和信息处 理模块配置在机身内部。
28.数据采集单元包括锥体高度测量仪与振动测量传感器，其中锥体高度测量 仪安装于直升机前部风挡与电子舱上部交界处，并应保证其测量光路无遮挡,使 用支架固定，该测量仪使用光学测量方式无线测量，基于桨叶通过测量光路的 时间差值，计算出桨叶的高度差值，指定其中一片桨叶为基准桨叶，其余桨叶 与该基准桨叶的差值为反映该旋翼系统的不同锥程度。振动测量传感器安装在 桨毂上测量旋翼的振动信号，基于3个振动传感器分别测量x,y,z三个方向的 振动值，其中x向为直升机运行方向，y向为旋翼平面与x向垂直方向，z向为 旋翼垂直方向。振动测量传感器采集的振动信号以及椎体高度测量仪采集的锥 体高度信号通过线缆传递到信息处理模块。
29.信息处理模块将采集到的原始高度和振动信号进行解算和滤波，并将处理 后的信号通过线缆发送到机载控制模块，同时使用无线传输的方式将相同的信 号传递至地面站。
30.机载控制模块为计算机程序模块，将锥体高度和振动信号作为模型输入， 输入控制模型，将控制模型输出的智能变距拉杆的驱动力矩通过集流环传递至 智能变距拉杆完成拉杆的作动调节。
31.控制模型是基于数据驱动建立直升机旋翼锥体平衡调整的模型，先通过归 纳智能变距拉杆的拉杆伸缩量值与对应机型旋翼锥体调整规律，再通过神经网 络等智能算法进行训练，得出智能变距拉杆的控制模型。
32.优选地，使用旋翼振动的幅值和相位、旋翼锥体的高度测量值、智能变距 拉杆的伸缩量值作为神经网络的训练数据，在地面站离线训练得出智能变距拉 杆的控制模型。将训练好的控制模型预置在机载设备中，在飞行过程中，该控 制模型将飞行实时监测到的旋翼振动幅值和相位，锥体值和转速信号作为模型 输入，控制模型将得到的信号与控制期望(同锥)作差，得出当前时刻误差， 再根据误差实时解算出智能变距拉杆的驱动力矩，该驱动力矩通过集流环传递。
33.集流环通过线缆连接机载控制模块，无线方式与控制智能变距拉杆的电动 机交互，将接收到的智能变距拉杆的驱动力矩传递智能变距拉杆的电机及行星 减速器组件。集流环通过内部刷丝和沟槽的接触，实现旋转部件与静止部件之 间信号的传输，起到连接作用。
34.参见图4所示智能变矩拉杆，包含轴承支座7、力矩限制器8、电机及行星 减速器组
件9、杆端10、行程拉杆11、行星滚柱丝杠丝母12、角度编码器13、 杆端轴承14。电机及行星减速器组件9接收到拉杆的驱动力矩后，输出旋转力 矩带动行程拉杆11实施伸缩运动来实现旋翼的变距调节。行星滚柱丝杠丝母12 随行程拉杆11移动而移动。角度编码器13通过监测行星滚柱丝杠丝母12的旋 转角度计算智能变距拉杆的移动距离，判断智能变距拉杆是否作动到给定位置。 为了防止运动过程中可能出现的隐患，力矩限制器8防止输出力矩过大而损坏 拉杆。其中轴承支座7、杆端10提供刚性支撑，将轴承支座7通过杆端轴承14 固定在桨毂上，另一侧的杆端10连接到桨叶的桨根部。根据直升机桨叶数量的 不同，每片桨叶均安装一个智能变距拉杆，来实现旋翼平衡的调节。
35.本实施例所示的直升机旋翼平衡实时监测与调整装置的调整方法如下：
36.首先通过调整智能变距拉杆，改变桨叶拉力恢复同锥的程度，归纳行程拉 杆11的伸缩量值与对应机型旋翼锥体调整规律。该过程数据通过数据采集单元 采集。通过多次重复试验，形成详尽数据库，覆盖大多数可能出现情况。
37.将归纳出的控制率更新到机载控制模块，完成机载控制模块的初始化，并 参与直升机旋翼实时动平衡调整。
38.在飞行状态下基于数据采集单元监测并收集旋翼锥体的振动信号及是否同 锥情况，数据采集基于安装在桨毂上的振动测量传感器，传感器信号基于线缆 传输。在检测到旋翼不同锥时，通过信号处理单元处理该信号，并传递给机载 控制模块。
39.机载控制模块实时解算控制输出，通过线缆将控制信号传递至集流环，集 流环通过建立的信号通道将控制信号传递到智能变距拉杆，智能变距拉杆移动 并改变桨叶位置，旋翼状态改变，数据采集单元继续监测和采集旋翼状态信息， 将其采集信号经信号处理模块处理后传递到机载控制模块完成控制，同时将该 信号通过无线方式发送到地面站。
40.继续重复上述步骤，实现直升机旋翼动平衡的实时动态调节。
41.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到 的变换或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围 应以所述权利要求的保护范围为准。