CN106595958B - 一种基于惯导系统的旋翼动平衡监控方法及系统 - Google Patents

一种基于惯导系统的旋翼动平衡监控方法及系统 Download PDF

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    • G01M1/00—Testing static or dynamic balance of machines or structures
    • G01M1/14—Determining unbalance
    • G01M1/16—Determining unbalance by oscillating or rotating the body to be tested

Abstract

本发明提供了一种基于惯导系统的旋翼动平衡方法及系统，属于直升机飞行安全领域及旋翼动平衡领域，包括：惯导系统，除用于导航外，同时作为旋翼动平衡传感器，用于获取关于旋翼转速1Ω振动(旋翼动平衡)原始数据；综合显示处理机，至少包含有一个动平衡数据处理模块，用于接收惯导系统发来的数据，对接收到的数据进行分析并与安全门槛值进行对比；显示模块，将旋翼转动平衡时的振动幅值、相位以及超限告警能实时显示给座舱人员。本发明提供了一种基于惯导系统的旋翼动平衡方法及系统，利用直升机惯导系统，通过机载计算机对惯导系统数据进行数学变换获取相应旋翼动平衡振动值，并可以直接显示给飞行员，提升飞行安全。

Description

一种基于惯导系统的旋翼动平衡监控方法及系统
技术领域
本发明属于直升机旋翼动平衡领域及飞行安全领域，具体涉及一种基于惯导系统的旋翼动平衡方法及系统。
背景技术
目前控制直升机旋翼工作状态的主要参数是旋翼桨尖的运动轨迹，习惯称之为旋翼锥体、旋翼的动平衡和直升机的振动。旋翼在制造阶段虽然对其所使用的各种材料、工装、工艺过程等进行了严格控制，并且在桨叶制造完成后，还需要进行质量控制和动平衡检查。但在旋翼装机以后还是难以保证数片桨叶各种特性的一致，这种不一致导致直升机的振动环境变坏，而且随着飞行状态的不同影响情况也不一致。在高速飞行时情况更为严重，现在一般直升机的不可超越速度是由桨叶承受的交变载荷和直升机的振动水平限制的。可以这样认为，如果希望降低直升机的振动水平，改善直升机的振动环境，首先需要精确测量旋翼的锥体和动平衡，只有取得确切的锥体和动平衡数据。才有可能实施最佳的调整和其它降振措施，旋翼锥体及动平衡测量是直升机生产、使用过程中必须经常检查的重要项目、也是新型直升机研制过程中的重要研究参数。
动平衡测量采用安装振动传感器及采集设备，测量指定部位的振动速度，例如旋翼锥体，然后进行傅立叶变换，获取旋翼1Ω振动速度。现有技术中，不仅因为旋翼锥体测量设备由于进口等原因导致数量不足，从而使直升机在使用中，旋翼、尾桨的动平衡检查也常因缺少测量设备被省略，很难将直升机调整到最佳技术状态，不但降低了直升机的飞行性能，给直升机的飞行安全增添了隐患，而且由于采用测量设备，需要配备更多的辅助设备，增加了直升机负载。
发明内容
为解决上述问题，本发明首先提出了一种基于惯导系统的旋翼动平衡监控方法，包括：
S1、以直升机机载惯导系统作为信号源，获取惯导系统数据法向加速度时域，利用机载总线输入到综合显示处理机；
S2、在综合显示处理机设置分析模块，用以接收来自机载惯导系统的法向加速度数据，并对数据进行分析，主要包括以下步骤：
S201、参数设置，根据旋转部件转速，输入信号采样率、分析旋转部件中心频率f0、转速波动Δf、时长、加窗类型，重叠率参数，并设置告警门槛值；
S202、时频转换，根据步骤S201设置的参数，进行快速FFT变换获取不同频率对应振动加速度幅值和相位；
S203、根据旋翼转速频率、提取对应旋翼转速1Ω时的振动及相位，所述旋翼转速1Ω即旋翼动平衡状态；
S204、根据步骤S203计算所述旋翼振动速度，并与所述告警门槛值进行对比，当振动值大于所述告警门槛值时，输出告警信号；
S3、利用数据总线将步骤S204中告警信号输出。
优选的是，在所述S1中，以惯导系统振动加速度传感器作为振动分析数据源。
上述方案中优选的是，在所述S201中，所述参数设置至少包括信号采样率及分析旋转部件中心频率的参数设置，所述分析旋转部件中心频率既能够提供旋翼各阶转速，也能够提供包括旋转轴在内的其它动部件的各阶转速。
上述方案中优选的是，所述信号采样率至少大于分析旋转部件中心频率3倍。
上述方案中优选的是，在所述S202中，进行时频转换，包括采用硬件或软件的方法将接收到的时域数据转换至频域。
上述方案中优选的是，在所述S203中，考虑旋翼及其它动部件的转速波动Δf，设置频率偏差，采用最大值法提取分析旋转部件中心频率对应幅值及相位。
上述方案中优选的是，在所述S204中，进行单位换算，根据公式V＝a/(2*Pi*f0)转换成所述旋翼振动速度，其中a为旋翼计算度。
上述方案中优选的是，在所述S3中，旋翼转速1Ω振动幅值、相位以及超限告警能实时显示给座舱人员。
本发明另一方面提供了一种基于惯导系统的旋翼动平衡监控系统，包括：
惯导系统，除用以导航外，同时作为振动分析传感器，用于获取关于动部件振动原始数据；
综合显示处理机，至少包含有一个动平衡数据处理模块，用于接收惯导系统发来的数据，对接收到的数据进行分析并与告警门槛值进行对比；
显示模块，将旋翼动平衡振动幅值、相位以及超限告警实时显示给座舱人员。
优选的是，还包含信息分析模块，通过机载计算机接收来自机载惯导系统的法向加速度时域数据，并对法向加速度数据进行分析。
本发明提供的基于惯导系统的旋翼动平衡方法及系统，属于直升机飞行安全领域及旋翼动平衡领域，利用直升机惯导系统，通过机载计算机对惯导系统数据进行数学变换获取相应旋翼动平衡振动值，并可以直接显示给飞行员，提升飞行安全。
附图说明
图1为本发明基于惯导系统的旋翼动平衡方法及系统的一优选实施例的系统原理图。
图2为本发明图1所示实施例的直升机机体横轴加速度时域曲线示意图。
图3为本发明图1所示实施例的直升机机体纵轴加速度时域曲线示意图。
图4为本发明图1所示实施例的直升机机体法向加速度时域曲线示意图。
图5为本发明图1所示实施例的直升机机体法向加速度频域幅值曲线示意图。
图6为本发明图1所示实施例的直升机机体法向加速度相位曲线示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
本发明提供了一种基于惯导系统的旋翼动平衡方法及系统，属于直升机飞行安全领域及旋翼动平衡领域，包括：惯导系统，除用于导航外，同时作为旋翼动平衡传感器，用于获取关于旋翼转速1Ω振动(旋翼动平衡)原始数据；综合显示处理机或其它处理机，至少包含有一个动平衡数据处理模块，用于接收惯导系统发来的数据，对接收到的数据进行分析并与安全门槛值进行对比；显示模块，将旋翼转速1Ω(旋翼动平衡)振动幅值、相位以及超限告警能实时显示给座舱人员。本发明提供了一种基于惯导系统的旋翼动平衡方法及系统，利用直升机惯导系统，通过机载计算机对惯导系统数据进行数学变换获取相应旋翼动平衡振动值，并可以直接显示给飞行员，提升飞行安全。
如图1所示，为本发明基于惯导系统的旋翼动平衡监控系统，主要包括：
惯导系统，除用以导航外，同时作为振动分析传感器，用于获取关于动部件振动原始数据；
综合显示处理机，至少包含有一个动平衡数据处理模块，用于接收惯导系统发来的数据，对接收到的数据进行分析并与告警门槛值进行对比；
显示模块，将旋翼动平衡振动幅值、相位以及超限告警实时显示给座舱人员。
本实施例中，还包含信息分析模块，通过机载计算机接收来自机载惯导系统的法向加速度时域数据，并对法向加速度数据进行分析。
基于上述系统，本发明提供的基于惯导系统的旋翼动平衡监控方法，主要包括：
S1、以直升机机载惯导系统作为信号源，对获取惯导系统数据法向加速度时域，利用机载总线输入到综合显示处理机；
S2、在综合显示处理机新增分析模块，用以接收来自机载惯导系统的法向加速度加速度数据，并对数据进行分析，分析步骤包括步骤S3、S4、S5、S6；
S3、参数设置，根据旋转部件转速，输入信号采样率、分析旋转部件中心频率f0(对应旋翼转速1Ω)、转速波动Δf，分析时长、加窗类型，重叠率等参数；另外为方便步骤对比分析，设置告警门槛值；
S4、时频转换，根据步骤S3设置的参数，进行快速FFT变换获取不同频率对应振动加速度幅值和相位；
S5、根据旋翼转速频率、提取对应旋翼转速1Ω(旋翼动平衡)振动及相位；
S6、单位换算，根据公式V＝a/(2*pi*f0)转换成振动速度，当加速度的单位g，需乘以9800/25.4转换成IPS，并与门槛值进行对比，当振动值大于门槛值，输出告警信号；
S7、利用数据总线将步骤S6和告警信号转换后的数据输出到综合显示端。
下面以某型直升机为例，阐述具体实施方式：
首先，直升机或其它飞行器均安装有惯导系统用以导航，惯导系统利用三轴振动传感器测量各向过载，即直升机机体各向加速度，包括法向加速度时域数据——Z(t)、机体横轴加速度时域数据——Y(t)、纵向加速度时域数据——X(t)。本例相应曲线见附图2、附图3、附图4。
惯导系统自带采集器，并通过机载数据总线将Z(t)、Y(t)、X(t)接入计算机(中央处理器)。通过对比法向加速度、机体横轴加速度、纵向加速度旋翼转速1Ω(旋翼动平衡)振动大小，确定法向加速度对旋翼动平衡水平更为灵敏，本专利采用法向加速度数据作为旋翼动平衡数据源。
必须在综合显示处理机或其它信号分析处理器，加入相应的数据读取脚本，读取法向加速度实时数据取作为直升机旋翼动平衡振动分析源数据，新增分析模块，编写相应代码用以分析，具体分析方法见以下步骤。
第三步S3为参数设置，根据本例直升机转速212Rpm，旋翼为6片桨叶，惯导系统振动传感器信号采样率为32Hz、分析旋转部件中心频率f0＝3.5Hz(对应旋翼转速1Ω)、转速波动Δf＝0.25Hz，考虑到及时行，分析时长5s、加窗类型为汉宁窗，重叠率设置为80％等；另外为当旋翼动平衡变差时及时告警，设置告警门槛值0.3IPS。
第四步S4，时频分析，根据步骤S3设置的参数，进行快速FFT变换获取不同频率对应振动加速度幅值和相位；快速FFT变换属于常规方法，在这里不做具体，在图5、图6绘出了起始时间120s的FFT变换结果。
第五步S5，根据旋翼转速频率212Rpm、6片桨叶，对应旋翼转速1Ω为3.5Hz,考虑转速偏差0.25Hz采用公式求取[3.5Hz-0.25Hz3.5+0.25Hz])的最大值，并根据对应关系提取对应的相位。
第六步S6根据公式V＝a/(2*pi*f)转换成振动速度，a为Z(t)FFT变换后加速度频域幅值，单位g，f0为分析旋转部件中心频率，单位Hz，V为速度，单位m/s；需乘以9800/25.4转换成旋翼动平衡常用单位IPS(英寸/秒)。
下表给出了起始时间120s，连续10s动平衡结果
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于惯导系统的旋翼动平衡监控方法，其特征在于，包括：
S1、以直升机机载惯导系统作为信号源，获取惯导系统数据法向加速度时域，利用机载总线输入到综合显示处理机；
S2、在综合显示处理机设置分析模块，用以接收来自机载惯导系统的法向加速度数据，并对数据进行分析，主要包括以下步骤：
S201、参数设置，根据旋转部件转速，输入信号采样率、分析旋转部件中心频率f0、转速波动Δf、时长、加窗类型，重叠率参数，并设置告警门槛值；
S202、时频转换，根据步骤S201设置的参数，进行快速FFT变换获取不同频率对应振动加速度幅值和相位；
S203、根据旋翼转速频率、提取对应旋翼转速1Ω时的振动及相位，所述旋翼转速1Ω即旋翼动平衡状态；
S204、根据步骤S203计算所述旋翼振动速度，并与所述告警门槛值进行对比，当振动值大于所述告警门槛值时，输出告警信号；
S3、利用数据总线将步骤S204中告警信号输出。
2.如权利要求1所述的基于惯导系统的旋翼动平衡监控方法，其特征在于，在所述S1中，以惯导系统振动加速度传感器作为振动分析数据源。
3.如权利要求1所述的基于惯导系统的旋翼动平衡监控方法，其特征在于，在所述S201中，所述参数设置至少包括信号采样率及分析旋转部件中心频率的参数设置，所述分析旋转部件中心频率既能够提供旋翼各阶转速，也能够提供包括旋转轴在内的其它动部件的各阶转速。
4.如权利要求2所述的基于惯导系统的旋翼动平衡监控方法，其特征在于，所述信号采样率至少大于分析旋转部件中心频率3倍。
5.如权利要求1所述的基于惯导系统的旋翼动平衡监控方法，其特征在于，在所述S202中，进行时频转换，包括采用硬件或软件的方法将接收到的时域数据转换至频域。
6.如权利要求1所述的基于惯导系统的旋翼动平衡监控方法，其特征在于，在所述S203中，考虑旋翼及其它动部件的转速波动Δf，设置频率偏差，采用最大值法提取分析旋转部件中心频率对应幅值及相位。
7.如权利要求1所述的基于惯导系统的旋翼动平衡监控方法，其特征在于，在所述S204中，进行单位换算，根据公式V＝a/(2*Pi*f0)转换成所述旋翼振动速度，其中a为旋翼计算度。
8.如权利要求1所述的基于惯导系统的旋翼动平衡监控方法，其特征在于，在所述S3中，旋翼转速1Ω振动幅值、相位以及超限告警能实时显示给座舱人员。
9.一种基于惯导系统的旋翼动平衡监控系统，其特征在于，包括：
惯导系统，除用以导航外，同时作为振动分析传感器，用于获取关于动部件振动原始数据；
综合显示处理机，至少包含有一个动平衡数据处理模块，用于接收惯导系统发来的数据，对接收到的数据进行分析并与告警门槛值进行对比；
显示模块，将旋翼动平衡振动幅值、相位以及超限告警实时显示给座舱人员；
还包含信息分析模块，通过机载计算机接收来自机载惯导系统的法向加速度时域数据，并对法向加速度数据进行分析。
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