DE69811432T2

DE69811432T2 - Verfahren zur Überwachung eines Fahrzeuggetriebes mit Beschleunigungsaufnehmern, insbesondere für Hubschrauber

Info

Publication number: DE69811432T2
Application number: DE69811432T
Authority: DE
Inventors: Alberto Bellazzi; Bruno Maino
Original assignee: Agusta SpA
Current assignee: Agusta SpA
Priority date: 1997-07-04
Filing date: 1998-07-03
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2018-07-04
Also published as: JPH11124097A; EP0889314A2; EP0889314A3; IT1293408B1; DE69811432D1; EP0889314B1; ITTO970590A1; US6029930A; JP4080602B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Übertragungs- Anordnung eines mit Beschleunigungssensoren versehenen Fahrzeugs, insbesondere eines Hubschraubers.
Es ist bekannt, daß Hubschrauber-Übertragungselemente kontinuierlich überwacht werden müssen, um jeglichen Fehler oder beginnende Fehlfunktionszustände zu erfassen und so ein Versagen während des Flugs auszuschließen.
Zu diesem Zweck ist die Übertragungseinrichtung mit Beschleunigungssensoren versehen, deren Signale so verarbeitet werden, daß sie alle auftretenden Fehler in der Übertragungseinrichtung ermittelt. Beispiele für Verfahren zur Messung von Drehschwingungen in rotierenden Wellen, bei welchen spezielle Signalverarbeitungstechniken angewandt werden, sind aus der WO 96/05486 oder der US 5 365 787 A entnehmbar. Die bisher angewandten Verfahren zur Verarbeitung der Sensorsignale der Fehlererfassung sind jedoch nicht hinreichend empfindlich, um eine Fehlererfassung rechtzeitig vor Auftreten eines katastrophalen Fehlers sicherzustellen. Die derzeit verwendeten Verfahren zur Verarbeitung der Fehlerkennungs-Sensorsignale sind jedoch nicht empfindlich genug, um eine Fehlerkennung deutlich von dem Auftreten eines katastrophalen Fehlers sicherzustellen.
Es ist Gegenstand der Erfindung, ein Überwachungsverfahren anzugeben, welches eine zuverlässige frühzeitige Ermittlung jeder Art von Fehlern oder Fehlfunktionsbedingungen, welche zu einem Versagen führen können, sicherstellt.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Überwachung einer Übertragungsanordnung eines mit Beschleunigungssensoren versehenen Fahrzeugs, insbesondere eines Hubschraubers, zur Verfügung gestellt, enthaltend die Schritte:
a) Erfassen eines Signals von einem Beschleunigungssensor;
b) Berechnen einer Transformierten des genannten Signals im Frequenzbereich zur Gewinnung einer Folge von Abtastwerten;
c) Erfassen eines Abtastwerts der genannten Abtastwert-Folge;
d) Berechnen eines Amplituden-Istwerts des erfaßten Abtastwertes;
e) Berechnen einer relativen Abweichung zwischen dem Amplituden-Istwert und einem Amplituden-Referenzwert; und
f) Vergleichen der genannten relativen Abweichungen mit wenigstens einem ersten vorgegebenen Schwellenwert.
Eine Anzahl von nicht beschränkenden Ausführungsbeispielen der Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben, und zwar zeigt bzw. zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Hubschrauber, in welchem die Hubschrauber-Übertragungsanordnung schematisch veranschaulicht ist;
Fig. 2 ein vereinfachtes Diagramm der Hubschrauber- Übertragungsanordnung und der Anordnung verschiedener Sensoren für Übertragungselemente; und
Fig. 3-5 Flußdiagramme der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Fig. 1 und 2 zeigen schematisch die für die vorliegende Erfindung wesentlichen Bauteile eines Hubschraubers 100. Insbesondere weist der Hubschrauber 100 eine erste Antriebsmaschine 101, eine zweite Antriebsmaschine 102 und eine dritte Antriebsmaschine 103 auf; die erste Antriebsmaschine 101 ist über einen ersten Übertragungszug 104 mit einem ersten, zweiten und dritten Untersetzungsgetriebe 105 bis 107 an eine Eingangs-Getriebestufe 108 einer Hauptgetriebeanordnung 109 angeschlossen; die zweite Antriebsmaschine 102 ist über einen zweiten Übertragungszug 111 mit vierten, fünften und sechsten Untersetzungsgetrieben 112 bis 114 an einer Eingangsgetriebestufe 108 angeschlossen; und die dritte Antriebsmaschine 103 ist an die Eingangsgetriebestufe 108 über einen dritten Übertragungszug 116 mit siebten, achten und neunten Untersetzungsgetrieben 117 bis 119 angeschlossen.
Das Eingangs-Zahnrad 108 ist mit einem Rotor 121 des Hubschraubers 100 über ein epizyklisches Untersetzungsgetriebe 122 angeschlossen, welches einen Teil der Hauptgetriebeanordnung 109 bildet und sechs Planetenräder 123 und ein Sonnenrad 124 umfaßt; außerdem ist die Eingangsgetriebestufe 108, über einen vierten Übertragungszug 125 der auch mit dem ersten Übertragungszug 104 verbunden ist, an eine schematisch mit 126 bezeichnetes Hilfsgetriebe angeschlossen und außerdem über einen fünften Übertragungszug 130 mit einem Heckrotor 134 verbunden, welcher ein Leistungs-Start-Zahnrad 131, zwischengeschaltete Kupplungen 135 bis 137, ein Zwischengetriebe 139 und ein Heckgetriebe 140 aufweist.
Fig. 2 zeigt fünfzehn Beschleunigungssensoren 1 bis 15 und zwei Azimut- Sensoren 16, 17, welche jeweils in der in der nachstehenden Tabelle I veranschaulichten Weise nahe den Untersetzungsstufen angeordnet sind. TABELLE I
Der Hubschrauber 100 weist auch eine mit den Sensoren 1 bis 17 über eine Interface-Einheit 151 verbundene Datenverarbeitungseinheit 150 zur Abtastung und Digitalisierung der Sensorsignale und einen Datenspeicher 152, einen Ereignisspeicher 153 und einen mathematischen Prozessor 154 auf.
Das nachstehend beschriebene Überwachungsverfahren dient zur Feststellung von entstehenden und sich beim Flug schnell entwickelnden Problemen und kann vorteilhaft auf der Grundlage der von den Beschleunigungssensoren 1 bis 7 und 12 bis 15 bereitgestellten Signale zur Feststellung von an den äußeren und inneren Wellen entstehenden Problemen angewandt werden.
Das Überwachungsverfahren sieht die Verarbeitung eines Signals s(t) vor, das von jeweils einem beliebigen der betrachteten Beschleunigungssensoren 1 bis 7 oder 12 bis 15 zur Verfügung gestellt wird, wobei ein Signal s1(t) verwendet wird, das von dem an einer Welle des vom jeweiligen Sensor überwachten Reduktionsgetriebe befindlichen Azimut-Sensor bereitgestellt wird (Azimut-Sensor 16 für die Beschleunigungssensoren 1 bis 7 und Azimut-Sensor 17 für die Beschleunigungssensoren 12 bis 15). Das Signal s(t) ist ein Schwingungssignal (welches zu der Rotationsfrequenz der Welle in Beziehung steht, die dem betreffenden Sensor zugeordnet ist) und wird sowohl durch statistisches Rauschen als auch durch Störungen beeinflußt, die von anderen in der Nähe befindlichen rotierenden Bauelementen erzeugt werden.
Unter Bezug auf Fig. 3 umfaßt das Verfahren insbesondere einen Anfangsschritt, bei welchem eine Variable F (welche später in Verbindung mit Fig. 5 erläutert wird) auf einen ersten vorgegebenen Wert, z. B. 0 (Block 20), gesetzt wird.
Das Signal s(t) und das Signal s1(t) werden anschließend erfaßt (Block 21) und eine Abtastfrequenz FS wird berechnet, indem die Frequenz des Azimut- Sensorsignals s1(t) mit einem gespeicherten Koeffizienten KT, der gleich dem Verhältnis zwischen zwei ganzzahligen Primzahlen ist und insbesondere zu dem Übertragungsverhältnis zwischen der Welle des Azimut-Sensors und der durch den jeweiligen Sensor überwachten Welle in Beziehung steht, so daß die resultierende Abtastfrequenz FS in Beziehung zu der Frequenz des Azimut-Sensors steht und damit genau NJ-Punkte (wobei NJ eine Potenz von zwei ist) des Signals s(t) für jede Umdrehung der überwachten Welle liefert.
Das Signal s(t) wird dann abgetastet und durch die Schnittstelleneinheit 151 gefiltert, um das statistische Rauschen und nicht-synchrone periodische Komponenten (Block 22) zu entfernen und ein gefiltertes Signal TIm(i) zu erhalten, das durch eine Anzahl von Abtastwerten bestimmt ist. Das Signal s(t) wird vorzugsweise unter Verwendung des Signals s1(t) und der Abfolge der in Fig. 4 gezeigten Schritte abgetastet und gefiltert, die später detailliert beschrieben werden.
Die Fourier-Transformierte F(k) des Signals TIm(i) wird dann vorzugsweise unter Verwendung des mathematischen Prozessors 154 berechnet (Block 23); die zweite Spektralkomponente F(2) des transformierten Signals, die einen Realteil R2 und einen Imaginärteil 12 aufweist, wird erfaßt (Block 24); und die Amplitude (Energie) C2 der Schwingung wird berechnet (Block 25) gemäß der Gleichung:
C2 = (1)
Wenn die oben aufgeführten Schritte (Blöcke 21-25) zum ersten Mal durchgeführt werden (JA-Ausgabe von Block 28) so wird der unter Verwendung von Gleichung (1) berechnete Wert C2 in dem Datenspeicher 152 gespeichert, um einen Referenzwert C2ref (Block 29) zu bestimmen, der im Verlauf des gleichen Fluges bei den nachfolgenden Iterationen verwendet wird.
Wenn im Gegensatz dazu mindestens eine Erfassung bereits durchgeführt wurde (NEIN-Ausgabe von Block 28), so wird ein Parameter RC2 der relativen Abweichung berechnet (Block 30) entsprechend der Gleichung:
wobei C2ref der oben bestimmte Referenzwert ist.
Die zentrale Verarbeitungseinheit 150 vergleicht dann RC2 mit den zwei Schwellenwerten TH1, TH2 (wobei TH1 < TH2) um, wenn erforderlich, Alarmsignale (Block 31) zu erzeugen, entsprechend dem Vorgang der später detaillierter unter Bezug auf Fig. 5 beschrieben wird, und dann kehrt Block 31 zurück zu Block 21, um die Überwachung mit dem nächsten Anteil des Signals s(t) fortzusetzen.
Abtastung und Filterung in Block 22 werden zweckdienlich durch das Verfahren durchgeführt, welches unten unter Bezug auf Fig. 4 beschrieben wird.
Zunächst wird ein Umdrehungszähler I auf 1 gesetzt (Block 41); das Signal s(t) wird bei einer Frequenz FS abgetastet, um NJ-Punkte oder -Abtastwerte TI(i) zu erhalten, die eine synchrone Schwingungszeitfolge bezüglich des jeweiligen Sensors, der jeweiligen Welle und jeder I-ten Umdrehung (Block 42); der Wert des Zählers I wird bestimmt (Block 43), insbesondere ob dieser kleiner oder gleich einem festgelegten Wert K1 ist; und, wenn der Zähler I kleiner oder gleich K1 ist (die Durchführung von weniger als K1 Iterationen, entsprechend den Umdrehungen der überwachten Welle, JA-Ausgabe von Block 43), so wird die Verfügbarkeit des Signals durch die Berechnung (Block 47) der Summe Δd der aus der I-ten Umdrehung erfaßten Abtastwerte berechnet, gemäß der Gleichung:
Δd = TKI(i)
Ein Grenzwert ΔI wird dann berechnet (Block 48) gemäß der Gleichung:
ΔI = K2 · FSV · NJ
wobei FSV der Unterbereichswert ist und K2 eine festgelegte Konstante mit einem wesentlich geringeren Wert als 1; und eine Prüfung durchgeführt wird (Block 49), um zu bestimmen, ob die berechnete Summe Δd kleiner ist als der Grenzwert ΔI. Im Falle einer negativen Antwort (NEIN-Ausgabe von Block 49) wird das Signal als existent angenommen, der Zähler/wird erhöht (Block 50) und Block 50 kehrt zurück zu Block 42, um weitere NJ-Punkte zu der nächsten Umdrehung zu erfassen. Anderenfalls (JA-Ausgabe von Block 49) wird das Signal als nicht- existent angenommen und ein Alarmsignal wird erzeugt (Block 51); eine Überprüfung wird durchgeführt (Block 52), um das Vorhandensein eines Ersatzsensors (z. B. Sensor 6 für die Sensoren 4 und 5) zu bestimmen; im Falle einer positiven Antwort (JA-Ausgabe von Block 52) kehrt Block 52 zu Block 21 in Fig. 3 zurück, um den Vorgang an den Ersatzsensor zu wiederholen; und, wenn kein Ersatzsensor vorhanden ist oder auch mit dem Ersatzsensor keine Konvergenz erreicht wird (NEIN-Ausgabe von Block 52) wird der Vorgang unterbrochen.
Wenn anderenfalls der Zähler I größer ist als K1 (die Durchführung von mehr als K1-Iterationen entspricht den Umdrehungen der überwachten Welle, NO-Ausgabe von Block 43) setzt Block 43 mit Block 55 fort, welcher die zusammenhängende Mittelwert-Zeitfolge TIm(i) berechnet, welche das in Block 22 gefilterte Signal berechnet, gemäß der Gleichung:
d. h., den mittleren Wert jedes Abtastwertes TI(i) über die I-betrachteten Umdrehungen wird berechnet.
Die Konvergenz des Mittlungsprozesses wird dann durch Berechnung eines Konvergenzwertes Δ bestimmt, der durch die Summe über alle Abtastwerte von dem absoluten Wert die Differenz zwischen dem Ist-Mittelwert jedes Abtastwertes und dem berechneten Mittelwert in eine vorangegangenen Umdrehung (mit Abstand 4) geteilt durch die Summe der mittleren Abtastwerte in der vorangegangenen betrachteten Umdrehung (mit Abstand 4), entsprechend der Gleichung:
wobei TIm(i) den I-ten Abtastwert der I-ten Iteration darstellt und TIm-4(i) den I-ten Abtastwert der I-4-ten Iteration (Block 56) darstellt.
Anschließend wird eine Prüfung ausgeführt, um zu bestimmen, ob der berechnete Konvergenzwert Δ nicht größer als ein festgelegter zulässiger minimaler Konvergenzwert Δc, (Block 57) ist. Im Falle einer positiven Antwort (JA-Ausgabe) wird der Konvergenzprozeß unterbrochen und Block 57 kehrt zu dem Hauptprogramm (Block 23 in Fig. 3) zurück. Anderenfalls wird eine Prüfung ausgeführt, um zu bestimmen, ob der Mittelungsprozeß bereits eine festgelegte maximale Anzahl von Durchgängen L (Block 59) durchgeführt wurde. Wenn der Iterations- (Umdrehungs)-Zähler I kleiner als L (NEIN-Ausgabe) ist, wird der Zähler erhöht (Block 50) und die oben beschriebenen Vorgänge werden wiederholt. Anderenfalls (JA-Ausgabe) wird der Vorgang zur Erzeugung eines Alarmsignals wiederholt und möglicherweise der Ablauf mit einem Ersatzsensor wiederholt, wie unter Verweis auf die Blöcke 51-52 beschrieben.
Der Vergleich der Schwellenwerte und der Schritt der Alarmerzeugung in Block 31 von Fig. 3 wird zweckmäßig so durchgeführt, wie unten unter Verweis auf Fig. 5 beschrieben.
Zuerst wird RC2 mit dem ersten Schwellenwert TH1 (Block 60) verglichen; wenn RC2 < TH1 (JA-Ausgabe) ist, kehrt Block 60 zurück zu Block 21 in Fig. 3, um die Überwachung mit der nächsten Gruppe von Abtastwerten fortzusetzen; wenn anderenfalls der Schwellenwert TH1 überschritten wurde (NEIN-Ausgabe von Block 60) wird dieses Ereignis in dem Ereignisspeicher 153 (Block 62) gespeichert und RC2 wird mit dem zweiten Schwellenwert TH2 (Block 64) verglichen. Wenn RC2 < TH2 (JA-Ausgabe von Block 64) ist, so wird die Variable F (in Block 20 von Fig. 3 initialisiert, um zu speichern, ob der Schwellenwert TH2 bereits überschritten wurde) auf den ersten festgelegten Wert gesetzt (oder dort bestätigt), welcher in dem gezeigten Beispiel (Block 66) 0 ist, und Block 66 kehrt zu Block 21 von Fig. 3 zurück, um die Überwachung mit der nächsten Gruppe von Abtastwerten fortzusetzen. Anderenfalls (NEIN-Ausgabe von Block 64) wird das Ereignis in dem Ereignisspeicher 153 (Block 68) gespeichert und der Wert der Variable F wird bestimmt (Block 70). Wenn die Variable F einen ersten festgelegten Wert hat (JA-Ausgabe), wird insbesondere F auf einen zweiten festgelegten Wert, z. B. 1 (Block 72) gesetzt und Block 72 kehrt zu Block 21 aus Fig. 3 zurück, um die Überwachung mit der nächsten Gruppe von Abtastwerten fortzusetzen. Wenn anderenfalls die Variable F den zweiten festgelegten Wert aufweist, z. B. der Schwellenwert TH2 bereits überschritten wurde (NEIN-Ausgabe von Block 70), wird ein Piloten-Alarmsignal erzeugt (Block 74), die Variable F wird wieder auf den ersten festgelegten Wert gesetzt (Block 76) und Block 76 kehrt zu Block 21 in Fig. 3 zurück, um die Überwachung mit den nächsten Abtastwerten fortzusetzen.
Nun werden die Vorteile des dargestellten Verfahrens beschrieben. Insbesondere ermöglicht das Verfahren die Anzeige eines Ungleichgewichtszustands, der zu starken Schwingungen führt, welche wiederum die Wellen stark beanspruchen und früher oder später zu einer Störung der überwachten Welle führen können. Ferner ermöglicht das Verfahren die Unterscheidung der nützlichen Komponenten der Überwachung von statistischem Rauschen und Störungen, die von anderen bewegten Teilen in der Nähe erzeugt werden, und ist daher besonders geeignet Probleme anzuzeigen, die während eines Fluges auftreten und sich rasch entwickeln.
Natürlich können an dem Verfahren, wie es hier beschrieben und dargestellt wurde, Änderungen vorgenommen werden, ohne jedoch von dem Erfindungsge danken, der nur durch den Wortlaut der angefügten Ansprüche begrenzt wird, abzuweichen. Insbesondere können die Filterungsverfahren und Mittelungsverfahren und die Alarmerzeugungsverfahren von dem Beschriebenen abweichen.

Claims

1. Ein Verfahren zur Überwachung einer Übertragungsanordnung eines mit Beschleunigungssensoren ausgestatteten Fahrzeugs, insbesondere eines Hubschraubers, enthaltend die Schritte:

a) Erfassen eines Signals von einem Beschleunigungssensor;

b) Berechnen einer Transformierten des genannten Signals im Frequenzbereich zur Gewinnung einer Folge von Abtastwerten;

c) Erfassen eines Abtastwerts der genannten Abtastwert-Folge;

d) Berechnen eines Amplituden-Istwerts des erfaßten Abtastwertes;

e) Berechnen einer relativen Abweichung zwischen dem Amplituden-Istwert und einem Amplituden-Referenzwert; und

f) Vergleichen der genannten relativen Abweichungen mit wenigstens einem ersten vorgegebenen Schwellenwert (TH1, TH2).

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Transformierte eine Fourier-Transformierte ist.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schritt des Erfassens eines Abtastwerts das Gewinnen eines zweiten Abtastwerts der genannten Abtastwert-Folge umfaßt.

4. Ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schritt der Berechnung einer relativen Abweichung das Berechnen einer Größe RC2 entsprechend der folgenden Gleichung umfaßt:

wobei C2 der Amplituden-Istwert und C2ref der Amplituden-Referenzwert ist.

5. Ein Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Schritte a) bis f) für eine An zahl von Iterationen wiederholt werden; und der Amplituden-Referenzwert gleich dem in einer ersten Iteration berechneten Amplituden-Istwert ist.

6. Ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dem Schritt des Berechnens einer Transformierten ein Schritt des Abtastens und Filterns des Signals vorausgeht.

7. Ein Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Abtastens und Filterns die folgenden Schritte enthält:

- Gewinnen einer Anzahl von synchronen Abtastungen TI(i) bei jeder Umdrehung einer dem genannten Beschleunigungssensor zugeordneten Welle; und

- Berechnen einer Mittelwert-Zeitfolge TIm(i) nach der Gleichung:

wobei TI(i) die genannten synchronen Abtastungen darstellt und I ein Wert eines Zählers zum Zählen der Zahl von Umdrehungen der genannten Welle ist.

8. Ein Verfahren nach Anspruch 7, wobei dem genannten Schritt des Berechnens einer Mittelwert-Zeitfolge ein Schritt des Bestimmens des Vorhandenseins signifikanter Signalwerte vorausgeht.

9. Ein Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei dem Schritt des Berechnens einer Mittelwert-Zeitfolge ein Schritt des Bestimmens einer Konvergenz der Mittelwert-Zeitfolge nachfolgt.

10. Ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Vergleichens der relativen Abweichung auch den Schritt des Vergleichens der relativen Abweichung mit einem zweiten Schwellenwert enthält.

11. Ein Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Vergleichens der relativen Abweichung die Schritte des Speicherns einer ersten Schwellenwert Überquerungs-Information bei Überschreiten des ersten Schwellenwerts und ein Erzeugen eines Alarmsignals enthält, wenn der zweite Schwellenwert in zwei aufeinanderfolgenden Iterationen überschritten wird.