KR20220026463A - 휨 모멘트를 결정하기 위한 측정장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 현재 상태에서 중공 원통형 몸체(210)에 작용하는 휨 모멘트(230)를 결정하기 위한 측정 장치(200) 및 이러한 측정 장치(200)의 작동 방법에 관한 것이다. 측정 장치(200)는 센서 지지 구조물(222), 센서(224a,224b)를 갖는 센서 장치(224), 및 처리 시스템(690)을 포함할 수 있다. 처리 시스템(690)은 초기 변형되지 않은 상태에 있는 동안 측정된 거리(410,420)와 비교하여 현재 상태에서 측정된 거리(410,420)에 기초하여 센서(224a,224b)에 대한 중공 원통형 몸체(210)의 내부 표면(212)의 변위를 결정하고, 그리고 변위에 기초하여 중공 원통형 몸체(210)에 작용하는 휨 모멘트(230)를 결정할 수 있다.
Description
본 발명은 중공 원통형 몸체에 작용하는 휨 모멘트를 측정하기 위한 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초기 변형되지 않은 상태와 비교하여 현재 상태에서 중공 원통형 몸체에 작용하는 휨 모멘트를 측정하기 위한 측정 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 측정 장치를 작동시키는 방법에 관한 것이다.
회전 높이 축(즉, 원통형 몸체의 원형 기준에 수직인 축)을 중심으로 회전하는 중공 원통형 몸체는 다양한 응용 분야에서 찾을 수 있다. 예를 들어, 이러한 중공 원통형 몸체는 헬리콥터 또는 다른 유형의 회전익기의 로터 샤프트, 프로펠러 항공기의 프로펠러 샤프트, 풍력 터빈의 회전 샤프트, 또는 휠이 있는 중공 축으로 사용된다.
이러한 모든 적용 분야에서, 중공 원통형 몸체는 일측 단부에서 지지되거나 고정되고 타측 단부에서는 자유롭다. 자유 단부에 장착된 몸체(예를 들어, 회전 블레이드 또는 휠)는 휨 모멘트를 포함하여 중공 원통형 몸체에 다양한 하중을 유도한다.
예를 들어, 로터 헤드의 비 분절 구조에서, 로터 블레이드의 회전은 높은 휨 모멘트를 로터 샤프트로 전달할 수 있다. 휨 모멘트가 너무 높으면, 로터 샤프트의 조기 피로 또는 변속기 부품 손상으로 이어질 수 있다. 따라서, 비행 운전 중 로터 샤프트에 작용하는 휨 모멘트를 모니터링 하기 위해 파일럿이 필요할 수 있다. 이를 위해, 휨 모멘트 또는 최대 허용 휨 모멘트의 일부가 일반적으로 회전익기의 조종석에 표시된다. 작동 시 고정 경계 값을 초과하면, 종종 유지 보수 작업으로 이어지므로 피해야 한다.
통상적으로, 로터 샤프트의 휨 모멘트는 스트레인 게이지를 사용하는 스트레인 측정을 통해 측정된다. 이러한 스트레인 게이지는 일반적으로 로터 샤프트의 상부에 접착, 납땜 및/또는 접합된다. 그러나, 작동 시 스트레인 게이지와 로터 샤프트 내부의 연결부는 동적 부하와 변동하는 주변 조건(예를 들어, 온도, 진동 및 습기)에 노출되어 높은 스트레스를 받는다.
스트레인 게이지는 주로 복잡한 결합, 납땜 및/또는 접합 공정을 이용하여 로터 샤프트 내부에 설치되기 때문에, 이러한 스트레인 게이지의 유지 보수 및 수리는 종종 로터 시스템의 완전한 분해와 로터 샤프트의 제거를 필요로 하는데, 이는 비용과 시간이 많이 소요되어 관련 회전익기의 지상 시간이 길어진다.
특허문헌 EP 2 060 785 A1 및 EP1 646 786 A1에서는 중공 원통형 샤프트 외부에 장착되는 센서를 가진 측정 장치에 대해서 기재하고 있다. 그러나, 중공 원통형 몸체가 회전하기 때문에, 이러한 중공 원통형 몸체의 휨 모멘트를 측정하는 측정 장비는 중공 원통형 몸체 자체에 쉽게 장착될 수 없다. 또한, 회전 부품으로 인해 중공 원통형 몸체 근처에 측정 장비를 외부에 장착하지 못할 수 있다.
특허문헌 EP 2 182 337 A2에서는 중공 원통형 몸체에 작용하는 힘 및/또는 모멘트를 비 접촉식으로 결정하기 위한 방법 및 장치에 대해서 기재하고 있는데, 여기서 광 방사선은 광원을 통해 중공 원통형 몸체 내에서 생성되고; 측정 신호는 광전자 센서에 의해 기록되고; 광전자 센서에 의해 기록된 측정 신호는 신호 처리 유닛에 공급되고; 신호 처리 유닛은 중공 원통형 몸체의 초기 변형되지 않은 상태에 대응하는, 교정(calibration)에 의해 미리 결정된 초기 상태에 대한 측정 신호의 변화를 검출 및 출력하고; 그리고 중공 원통형 몸체의 기계적 변형이 존재하는 경우, 교정 기능 또는 교정 규칙에 따라 신호 처리 장치는 중공 원통형 몸체의 기계적 변형을 유발하는 힘 및/또는 모멘트를 설명하는 출력 신호를 출력한다.
특허문헌 DE 10 2009 021 557 A1에서는 카메라 기반 광학 측정 시스템을 이용하고, 측정 시스템에 의해 기준 패턴을 수신하는 방법에 대해서 기재하고 있다. 측정 시스템에 의해 기록된 이미지는, 선형 운동량이 샤프트의 변형 중에 기준 패턴의 유휴 위치 및/또는 카메라 이미지에서 기준 패턴의 위치로부터 결정되도록 처리 및/또는 평가된다. 기준 패턴은 기준 패턴의 중심이 회전 가능한 샤프트의 회전 축에 놓이도록 샤프트의 중심에 배열된다. 이 특허문헌에서는 또한 회전 가능한 샤프트의 움직임을 검사 및/또는 모니터링 하기 위한 샤프트 검사 및/또는 모니터링 장치에 대해서 기재하고 있다.
위의 두 특허문헌에서는 정교한 센서, 신호 전송 및 신호 처리 전자 장치, 센서 설치 등에 대한 비용을 포함하여 특수 측정 장비에 많은 비용을 발생시키는 솔루션에 대해 기재하고 있다. 더욱이, 각 샤프트는 종종 심각한 진동 부하, 온도 및 습기의 변화, 오일의 존재 등이 있는 열악한 환경에서 작동하며, 이는 관련 측정 장치의 신뢰성에 악영향을 미칠 수 있다.
특허문헌 EP 2 104 843 A2에서는 스탠드 파이프, 제1 자석, 제2 자석 및 센서를 포함하는 홀 효과(Hall effect) 헬리콥터 마스트 토크 미터에 대해서 기재하고 있다. 스탠드 파이프는 마스트의 상단에 연결되어 스탠드 파이프가 마스트와 동일한 속도로 회전한다. 제1 자석은 마스트의 상단과 작동 가능하게 결합된 스탠드 파이프와 작동 가능하게 결합된다. 제2 자석은 마스트의 바닥과 작동 가능하게 연결된다. 센서는 제1 자석과 제2 자석의 자기장을 감지한다.
그러나, 설명된 마스트 토크 미터는 토크 모멘트를 결정하기 위해 차동 비틀림(differential torsion)을 측정한다. 또한, 마스트 토크 미터는 마스트와 동일한 속도로 회전하는 스탠드 파이프를 사용한다.
특허문헌 EP 1 317 663 A1은 자기 토크 센서 시스템에 대해서 기재하고 있다. 축에 대해 토크를 받는 샤프트에는 축 보어가 있다. 샤프트의 영역은 저장된 자화를 가지며, 영역은 축을 중심으로 원주 방향 자화 또는 종 방향 자화 고리로 영구 자화된다. 저장된 자화는 토크-의존 자기장을 보어 내부로 발산한다. 자기장 센서 장치는 토크 의존 신호를 생성하기 위해 보어에 배치된다. 이 특허문헌에서는 또한 샤프트 벽 두께와 관련된 영역에서 영구 자화의 반경 방향 깊이 사이의 관계에 대해서 기재하고 있다. 자기 센서 배치에는 센서 쌍의 축 또는 오프셋 배열이 포함된다. 감지할 자기장의 특성에 따라 센서는 축에 대해 축 방향, 방사형 또는 접선 방향으로 배치될 수 있다. 특허문헌 US 2010095788이 인용되었다.
종래 기술의 한계 및 결점에 기초하여, 본 발명의 목적은 중공 원통형 몸체에 작용하는 휨 모멘트의 비 접촉 측정을 위한 측정 장치를 제공하는 데 있다. 측정 장치는 온도, 진동 및 요동과 같은 주변 조건에 비해 결함 민감도가 낮고, 상대적으로 간단하고 가벼우며 구입 및 유지 관리 비용이 낮아야 한다. 측정 장치는 쉽게 접근하고 교체할 수 있어야 하며, 비 접촉 측정을 수행해야 하며, 전자기 간섭에 민감하지 않아야 한다.
이러한 본 발명의 목적은 청구항 1의 특징을 포함하는 측정 장치에 의해 달성된다. 보다 구체적으로, 내부 표면을 갖는 중공 원통형 몸체에 작용하는 휨 모멘트를 결정하기 위한 측정 장치는, 내부 표면과 접촉하지 않고 중공 원통형 몸체 내부에 있는 센서 지지 구조물; 센서 지지 구조물에 장착되고, 제1 및 제2 센서와 내부 표면과의 사이의 제1 및 제2 방향으로 제1 및 제2 거리를 측정하는 적어도 제1 및 제2 센서를 포함하는 센서 장치; 및 초기 변형되지 않은 상태에 있는 동안 측정된 제1 및 제2 거리와 비교하여 현재 상태에서 측정된 제1 및 제2 거리에 기초하여 제1 및 제2 센서에 대한 내부 표면의 제1 및 제2 변위를 결정하고, 그리고 제1 및 제2 변위를 기반으로 중공 원통형 몸체에 작용하는 휨 모멘트를 결정하는 처리 시스템을 포함할 수 있다.
따라서, 중공 원통형 몸체에 작용하는 휨 모멘트는 중공 원통형 몸체 일부의 실제 굽힘 변위를 측정함으로써 결정된다. 굽힘 변위는 유도형 센서로 측정할 수 있다. 원하는 경우, 유도형 센서는 기존의 기성품 유도형 센서일 수 있다. 유도 센서는 중공 원통형 몸체 내에 장착될 수 있다.
예를 들어, 중공 원통형 몸체가 회전익기의 로터 샤프트인 시나리오를 고려해 본다. 이 시나리오에서, 센서는 기어박스의 비 회전 부분에 장착될 수 있다. 센서는 장착 튜브를 사용하여 로터 샤프트 내에 위치할 수 있다. 필요에 따라, 적어도 2개의 센서를 사용할 수 있다. 적어도 2개의 센서를 사용하면 방향 측정이 가능할 수 있다. 이에 따라 휨 모멘트의 크기와 각도 방향을 결정할 수 있다.
비 회전 시스템에서 센서를 사용한 비 접촉 측정으로 인해 무선 신호 전송 전자 장치가 필요하지 않다. 대신 와이어가 센서에서 처리 시스템으로 신호를 전송할 수 있다. 처리 시스템은 기본적인 신호 처리 장비를 포함할 수 있다.
무선 신호 전송 장비와 결합된 스트레인 게이지 대신에 단순화 된 전자 회로와 함께 유도형 센서를 사용하면, 측정 장치의 신뢰성이 향상되고 기존 측정 장치에 비해 비용이 절감된다.
이러한 측정 장치의 비용은 저장 회로, 산술 논리 유닛이 있는 처리 회로, 디스플레이, 및 경보 시스템을 포함하는 상이한 기능을 통합하는 처리 시스템으로 더욱 감소될 수 있다.
더욱이, 회전익기에 사용될 때, 측정 시스템의 유지 보수성이 용이해진다. 로터 샤프트의 설치 제거 및/또는 전문 인력의 수리를 요구하는 대신, 본 발명의 측정 장치는 플러그-앤-플레이(plug-and-play) 방식을 사용하여 용이하게 교체할 수 있다. 실제로, 본 측정 장치의 센서 지지 구조는 기어박스의 비 회전부 내에 설치될 수 있는 스탠드를 가질 수 있다. 필요에 따라, 기존의 회전익기를 본 발명의 측정 장치로 개조할 수 있다.
더욱이, 센서와 처리 시스템 간의 신호가 슬립 링 또는 유사한 솔루션을 통한 전송 또는 무선 신호 전송을 통한 전송을 필요로 하는 종래 기술의 솔루션과 달리, 본 발명의 측정 시스템에서 센서와 처리 시스템 간의 신호는 전선으로 직접 전달된다. 따라서, 기존 측정 시스템은 무선 신호 전송으로 인한 것이므로 본 발명의 측정 시스템은 무선 간섭에 덜 민감하다.
일 양태에 따르면, 처리 시스템은 초기 변형되지 않은 상태에 있는 동안 측정된 제1 및 제2 거리를 저장하는 저장 회로; 및 제1 및 제2 변위를 결정하기 위해 저장 회로로부터 제1 및 제2 거리를 검색하는 처리 회로를 포함한다.
일 양태에 따르면, 처리 회로는 제1 변위를 결정하기 위해 현재 상태에서 측정된 제1 거리와 초기 변형되지 않은 상태에 있는 동안 측정된 제1 거리 사이의 제1 차이를 계산하는 산술 논리 유닛을 더 포함할 수 있다.
일 양태에 따르면, 처리 회로는 시스템 자체 테스트 기능, 영점 기준 또는 신호 스케일링 계수를 설정하도록 조정된 교정 기능, 또는 아날로그 또는 디지털 출력 신호를 제공하는 사이에 선택하도록 조정된 출력 기능 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
일 양태에 따르면, 처리 시스템은 휨 모멘트의 크기 및 각도를 결정할 수 있다.
일 양태에 따르면, 처리 시스템은 휨 모멘트의 크기 및 각도를 표시하는 디스플레이를 더 포함할 수 있다.
일 양태에 따르면, 처리 시스템은 휨 모멘트의 크기가 미리 결정된 임계 값보다 클 때 시각적 경보 또는 청각적 경보 중 적어도 하나를 제공하는 경보 시스템을 더 포함할 수 있다.
필요에 따라, 처리 시스템은 휨 모멘트의 크기가 미리 결정된 임계 값보다 큰 기간을 결정하기 위한 수단을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 처리 시스템은 휨 모멘트의 크기가 미리 결정된 임계 값을 초과하기 시작할 때의 제1 타임 스탬프 및 휨 모멘트의 크기가 미리 결정된 임계 값을 초과하지 않고 제1 타임 스탬프와 제2 타임 스탬프 사이의 기간을 결정할 때의 제2 타임 스탬프를 기록하는 수단을 포함할 수 있다.
필요에 따라, 처리 시스템은 휨 모멘트의 측정된 크기 및/또는 휨 모멘트의 각도를 휨이 발생한 시간과 연관시키는 수단을 포함할 수 있다. 처리 시스템은 측정된 휨 모멘트의 크기 및/또는 휨 모멘트의 각도를 휨이 발생한 시간과 연관시키는 정보를 기록하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 처리 시스템은 추가 처리를 위해 기록된 정보를 제공할 수 있다.
일 예로서, 처리 시스템은 유지 보수 중에 기록된 정보를 유지 보수 장치에 제공할 수 있다. 다른 예로서, 처리 시스템은 시간에 따라 기록된 휨 모멘트의 크기 및 각도를 나타내는 차트를 제공할 수 있다.
일 양태에 따르면, 제1 방향, 제2 방향 및 회전 높이 축은 서로 수직이다.
일 양태에 따르면, 측정 장치는 센서 지지 구조물을 중공 원통형 몸체의 외부에 비 회전식으로 부착하는 스탠드를 더 포함할 수 있다.
일 양태에 따르면, 센서 지지 구조물은 적어도 제1 및 제2 센서와 스탠드 사이에서 케이블을 배선(route)하는 케이블 가이드를 더 포함할 수 있다.
일 양태에 따르면, 센서 지지 구조물은 강철, 알루미늄 또는 복합재 중 적어도 하나를 포함한다.
일 양태에 따르면, 적어도 제1 및 제2 센서는 유도성 센서, 광학 센서 및 초음파 센서로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
또한, 로터는 내부 표면을 갖는 중공 원통형 몸체를 갖는 로터 샤프트; 및 전술한 바와 같이 로터 샤프트의 중공 원통형 몸체에 작용하는 휨 모멘트를 결정하기 위한 측정 장치를 포함할 수 있다.
더욱이, 회전익기는 내부 표면을 갖는 중공 원통형 몸체를 갖는 로터 샤프트가 있는 로터, 및 전술한 바와 같이 로터의 로터 샤프트의 중공 원통형 몸체에 작용하는 휨 모멘트를 결정하기 위한 측정 장치를 포함할 수 있다.
내부 표면을 갖는 중공 원통형 몸체에 작용하는 휨 모멘트를 결정하기 위한 상술한 측정 장치를 작동하는 방법은, 초기 변형되지 않은 상태에 있는 동안 및 현재 상태에서 제1 센서와 내부 표면 사이에서 제1 방향으로 제1 거리를 결정하기 위해 측정 장치의 제1 센서를 사용하는 단계; 초기 변형되지 않은 상태에 있는 동안 및 현재 상태에서 제2 센서와 내부 표면 사이에서 제2 방향으로 제2 거리를 결정하기 위해 측정 장치의 제2 센서를 사용하는 단계; 초기 변형되지 않은 상태에 있는 동안 측정된 제1 및 제2 거리와 비교하여, 현재 상태에서 측정된 제1 및 제2 거리에 기초하여 제1 및 제2 센서에 대한 내부 표면의 제1 및 제2 변위를 결정하기 위해 처리 시스템을 사용하는 단계; 및 제1 및 제2 변위에 기초하여 중공 원통형 몸체에 작용하는 휨 모멘트를 결정하기 위해 처리 시스템을 사용하는 단계를 포함한다.
실시형태들은 첨부 도면을 참조하여 다음의 설명에서 예로서 개략적으로 설명된다. 이러한 첨부 도면에서, 동일하거나 동일하게 작동하는 구성 성분 또는 요소는 동일한 참조 번호 및 문자로 표시되며, 결과적으로 다음 설명에서 한 번만 설명된다.
도 1은 일부 실시형태에 따라 로터 샤프트가 있는 로터를 갖는 예시적인 회전익 항공기의 다이어그램이다.
도 2는 일부 실시형태에 따라 중공 원통형 몸체에 작용하는 휨 모멘트를 결정하기 위한 예시적인 중공 원통형 몸체 및 측정 장치의 다이어그램이다.
도 3은 일부 실시형태에 따라 센서 지지 구조물 및 센서 장치를 갖는 예시적인 측정 장치의 다이어그램이다.
도 4는 일부 실시형태에 따른 중공 원통형 몸체 내부의 예시적인 측정 장치의 다이어그램이다.
도 5는 일부 실시형태에 따른 도 4의 예시적인 측정 장치의 일부에 대한 다이어그램이다.
도 6a는 일부 실시형태에 따른 예시적인 측정 시스템의 예시적인 처리 시스템의 다이어그램이다.
도 6b는 일부 실시형태에 따라 통합된 구성 요소를 갖는 예시적인 처리 시스템의 다이어그램이다.
도 7은 일부 실시형태에 따라 중공 원통형 몸체에 작용하는 휨 모멘트를 결정하기 위해 측정 장치가 수행할 수 있는 예시적인 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 일부 실시형태에 따라 중공 원통형 몸체에 작용하는 휨 모멘트를 결정하기 위한 예시적인 중공 원통형 몸체 및 측정 장치의 다이어그램이다.
도 3은 일부 실시형태에 따라 센서 지지 구조물 및 센서 장치를 갖는 예시적인 측정 장치의 다이어그램이다.
도 4는 일부 실시형태에 따른 중공 원통형 몸체 내부의 예시적인 측정 장치의 다이어그램이다.
도 5는 일부 실시형태에 따른 도 4의 예시적인 측정 장치의 일부에 대한 다이어그램이다.
도 6a는 일부 실시형태에 따른 예시적인 측정 시스템의 예시적인 처리 시스템의 다이어그램이다.
도 6b는 일부 실시형태에 따라 통합된 구성 요소를 갖는 예시적인 처리 시스템의 다이어그램이다.
도 7은 일부 실시형태에 따라 중공 원통형 몸체에 작용하는 휨 모멘트를 결정하기 위해 측정 장치가 수행할 수 있는 예시적인 동작을 나타내는 흐름도이다.
측정 장치의 예시적인 실시형태는 초기 변형되지 않은 상태와 비교하여 현재 상태에서 임의의 중공 원통형 몸체에 작용하는 휨 모멘트를 결정할 수 있다. 예를 들어, 중공 원통형 몸체가 회전축을 중심으로 회전하는 현재 상태에서 중공 원통형 몸체는 휨 모멘트를 받을 수 있다. 이러한 휨 모멘트는 현재 상태와 중공 원통형 몸체가 정지한 초기 변형되지 않은 상태의 비교에 기초하여 결정될 수 있다.
회전 높이 축(즉, 원통형 몸체의 원형 기준에 수직인 축)을 중심으로 회전하는 중공 원통형 몸체는 다양한 다른 응용 분야에서 찾을 수 있다. 예를 들어, 이러한 중공 원통형 몸체는 헬리콥터의 로터 샤프트 또는 기타 유형의 회전익기, 프로펠러 항공기의 프로펠러 샤프트 또는 풍력 터빈의 회전 샤프트로서 사용된다.
본 실시형태는 회전하는 중공 원통형 몸체로 제한되지 않는다는 점에 유의해야 한다. 대신에, 휨 모멘트를 받는 어떠한 중공 원통형 몸체도 마찬가지로 고려된다. 예를 들어, 본 실시형태는 휨 모멘트를 받는 중공 원통형 몸체를 갖는 임의의 파일론, 폴, 또는 마스트에 적용할 수 있고, 휨 모멘트의 모니터링은 파일론, 폴, 또는 마스트에의 구조적 손상을 방지하는 데 중요하다.
도 1은 로터 샤프트(115)가 있는 적어도 하나의 로터(110)를 갖는 예시적인 회전익 항공기(100)의 다이어그램이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 때때로 회전익기(100)라고도 지칭되는 회전익 항공기(100)는 예시적으로 헬리콥터로 도시되어 있다. 따라서, 단순함과 명료함을 위해, 회전익기(100)는 이하 "헬리콥터"(100)로 지칭된다.
예시적으로, 헬리콥터(100)는 헬리콥터(100)의 기체를 형성하는 동체(120)를 가질 수 있다. 동체(120)는 적절한 랜딩 기어에 연결되며, 예시적으로 조종석(123) 및 후방 동체(127)를 형성한다. 후방 동체(127)는 테일 붐(130)에 연결된다.
예를 들어, 헬리콥터(100)는 작동 중에 역 토크를 제공하도록, 즉 요(yaw)에 대해 헬리콥터(100)의 균형을 맞추기 위해 적어도 하나의 로터(110)의 회전에 의해 생성된 토크에 대응하도록 구성된 적어도 하나의 역 토크 장치(140)를 포함할 수 있다. 필요에 따라, 역 토크 장치(140)는 가려질 수 있다. 적어도 하나의 역 토크 장치(140)는 예시적으로 테일 붐(130)의 후미 섹션에 제공되고 테일 로터(145)를 가질 수 있다. 테일 붐(130)의 후방 섹션은 핀(150)을 포함할 수 있다. 예시적으로, 테일 붐(130)에는 적절한 수평 안정기(135)가 제공될 수 있다.
예시적으로, 헬리콥터(100)는 작동 중에 리프트 및 전방 또는 후방 추력을 제공하기 위해 예시적으로 다중 블레이드 로터(110)로서 제공되는 적어도 하나의 로터(110)를 가질 수 있다. 적어도 하나의 다중 블레이드 로터(110)는 연관된 로터 헤드(114)에서 로터 샤프트(115)에 장착된 복수의 로터 블레이드(112,113)를 포함하며, 이는 헬리콥터(100)의 작동 시 로터 평면(119)에서 연관된 로터 축(117)을 중심으로 회전한다. 로터 샤프트(115)는 로터 블레이드(112, 113)가 로터 축(117)을 중심으로 회전할 때 현재 상태에 있을 수 있다. 현재 상태는 로터 블레이드(112,113)가 가만히 있을 때의 초기 상태와 비교할 수 있다. 초기 상태는 로터 샤프트(115)의 초기 변형되지 않은 상태에 대응하여 미리 결정될 수 있다.
로터 샤프트(115)는 제1 및 제2 단부를 갖는 중공 원통형 몸체일 수 있다. 로터 블레이드(112,113)는 로터 샤프트(115)의 제1 단부에 부착될 수 있다. 로터 샤프트(115)의 제2 단부는 기어박스 내에 설치될 수 있다.
로터 샤프트(115)가 현재 상태일 때, 휨 모멘트가 로터 샤프트(115)에 작용할 수 있다. 휨 모멘트는 로터 축(117)을 중심으로 한 로터 블레이드(112,113)의 회전에 의해 야기될 수 있다. 로터 샤프트(115)에 작용하는 휨 모멘트는 로터 축(117)에 수직인 방향으로 로터 샤프트(115)의 변위로 이어질 수 있다. 로터 샤프트(115)의 변위는 기어박스 내부에 설치된 로터 샤프트(115)의 제2 단부로부터의 거리에 따라 증가할 수 있다.
로터 샤프트(115)의 제2 단부로부터 주어진 거리에 대해, 로터 축(117)에 수직인 방향으로의 로터 샤프트(115)의 변위 크기는 로터 샤프트(115)에 작용하는 휨 모멘트의 크기에 따라 달라질 수 있으며. 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 변위의 크기와 휨 모멘트 크기 사이의 관계는 측정 장치를 교정하는 데 사용될 수 있다.
예를 들어, 로터 샤프트(115)에 작용하는 휨 모멘트의 크기와 로터 축(117)에 수직인 방향으로의 로터 샤프트(115) 변위의 크기는 서로 선형 의존성을 가질 수 있다.
따라서, 로터 샤프트(115)에 작용하는 휨 모멘트를 결정하는 측정 장치는, 로터 축(117)에 수직인 방향으로의 로터 샤프트(115)의 변위를 측정하고, 측정된 로터 샤프트(115)의 변위로부터 로터 샤프트(115)의 휨 모멘트를 도출할 수 있다. 그러나, 측정 장치는 로터 샤프트(115)의 변위가 측정 장치로부터의 로터 샤프트(115)의 거리보다 작은 경우에만 작동할 수 있다. 그렇지 않으면, 로터 샤프트(115)가 측정 장치와 접촉하여 측정 장치를 잠재적으로 손상시킬 수 있다. 따라서, 측정 장치는 로터 샤프트(115)와 측정 장치의 센서 사이의 접촉을 방지하는 방식으로 설치될 수 있다.
필요에 따라, 로터 샤프트(115)에 작용하는 휨 모멘트를 측정하는 측정 장치가 로터 샤프트(115) 내부에 설치될 수 있다. 도 2는 로터 샤프트(210)의 휨 모멘트를 측정하기 위한 측정 장치(200)를 갖는 예시적인 로터 샤프트(210)를 도시한다.
그러나, 이러한 측정 장치(200)는 로터 샤프트(210)에 작용하는 휨 모멘트를 측정하는 것에 제한되지 않는다는 점에 유의해야 한다. 대신에, 본 측정 장치(200)는 (예를 들어, 회전하는 로터 블레이드에 의해 야기되는) 휨 모멘트가 적용되는 축 방향 및 반경 방향으로 지지된 단부, 자유 단부를 갖는 임의의 중공 원통형 몸체(210) 내에 사용될 수 있다.
이러한 중공 원통형 몸체(210)의 예는 헬리콥터(100) 또는 임의의 다른 회전익기(100)의 로터(110)의 로터 샤프트(115), 테일 로터의 로터 샤프트, 프로펠러 구동 항공기의 프로펠러 샤프트, 풍력 터빈의 회전 샤프트를 포함한다. 그러나, 단순함과 간결함을 위해, 본 측정 장치(200)는 이하 도 1의 헬리콥터(100)의 로터(110)의 로터 샤프트(115)와 같은 회전익기 로터의 로터 샤프트에 작용하는 휨 모멘트를 측정하는데 사용되는 것으로 설명된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 로터 샤프트(210)는 내부 표면(212)을 갖는 중공 원통형 몸체(210)일 수 있다. 로터 샤프트(210)는 회전 높이 축(215)을 중심으로 회전할 수 있다.
로터 샤프트(210)가 회전 높이 축(215)을 중심으로 회전할 때, 로터 샤프트(210)는 때때로 동적 상태 또는 현재 상태에 있는 것으로도 지칭된다. 로터 샤프트(210)가 정지되어 있을 때(즉, 로터 샤프트(210)가 회전하지 않을 때), 로터 샤프트(210)는 때때로 정적 상태에 있는 것으로도 언급된다. 로터 샤프트(210)가 정지되어 있고 로터 샤프트(210)에 휨 모멘트가 작용하지 않는 경우, 로터 샤프트(210)는 때때로 초기 변형되지 않은 상태에 있는 것으로도 지칭된다.
예시적으로, 로터 샤프트(210)는 부착된 단부 및 자유 단부를 가질 수 있다. 로터 샤프트(210)의 부착된 단부는 기어박스(250) 내에 설치될 수 있다. 예를 들어, 로터 샤프트(210)는 상부 및 하부 베어링(253,255)에서 기어 박스(250)에 회전 가능하게 부착될 수 있다.
예로서, 도 1의 로터 블레이드(112,113)와 같은 로터 블레이드는 로터 샤프트(210)의 자유 단부에 부착될 수 있다. 작동 시, 로터 샤프트(210)는 회전 높이 축(215)을 중심으로 회전할 수 있다. 회전 블레이드는 로터 샤프트(210)에 다양한 다른 부하를 유도할 수 있다. 예를 들어, 선형 하중(235) 또는 휨 모멘트(230)가 로터 샤프트(210)로 유도될 수 있다.
필요에 따라, 로터 샤프트를 형성하는 중공 원통형 몸체(210)에 작용하는 휨 모멘트(230)를 결정하기 위해 측정 장치(200)가 제공될 수 있다. 측정 장치(200)는 중공 원통형 몸체(210)의 내부 표면(212)과 접촉하지 않고 중공 원통형 몸체(210) 내부에 배치되는 센서 지지 구조물(222)을 포함할 수 있다.
센서 장치(224)가 센서 지지 구조물(222)에 장착될 수 있다. 센서 장치(224)는 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있다. 단 하나의 센서를 갖는 센서 장치(224)는 미리 결정된 방향으로 중공 원통형 몸체(210)에 작용하는 휨 모멘트를 결정할 수 있다.
예를 들어, 센서는 초기 변형되지 않은 상태 및 현재 상태에 있는 동안 중공 원통형 몸체(210)의 내부 표면(212)과 센서 장치(224)의 센서 사이의 각 거리를 측정할 수 있다.
필요에 따라, 센서 장치(224)는 중공 원통형 몸체(210)의 내부 표면(212)과 적어도 2개의 센서 사이에서 적어도 2개의 상이한 방향으로 적어도 2개의 변위를 측정하는 적어도 2개의 센서를 포함할 수 있다.
예를 들어, 적어도 2개의 센서는 초기 변형되지 않은 상태에 있는 동안 센서 장치(224)의 센서와 중공 원통형 몸체(210)의 내부 표면(212) 사이의 각 거리 및 현재 상태에서 센서와 중공 원통형 몸체(210)의 내부 표면(212) 사이의 각 거리를 측정할 수 있다.
측정 장치(200)는 도 6a 및 6b에 더 상세히 설명된 바와 같은 처리 시스템을 포함할 수 있다. 처리 시스템은 초기 변형되지 않은 상태에 있는 동안 측정된 거리와 비교하여 현재 상태에서 측정된 거리에 기초하여 적어도 2개의 센서에 대한 내부 표면(212)의 각 변위(237)를 결정할 수 있다. 처리 시스템은, 필요하다면 각각의 변위(237)에 기초하여 중공 원통형 몸체(210)에 작용하는 휨 모멘트를 결정할 수 있다.
예시적으로, 측정 장치(200)는 기어박스 커버(251)와 연결된 스탠드를 포함할 수 있다. 필요에 따라, 기어박스 커버(251)는 측정 장치(200)의 스탠드 역할을 할 수 있다. 스탠드는 중공 원통형 몸체(210) 외부에 센서 지지 구조물(222)을 비 회전식으로(예를 들어, 고정적으로) 부착할 수 있다.
필요에 따라, 센서 지지 구조물(222)은 센서 장치(224)와 기어 박스 커버(251) 사이에서 케이블을 배선하는 케이블 가이드(226)를 포함할 수 있다. 예시적으로, 측정 장치(200)는 처리 시스템(예를 들어, 도 6a 및 6b의 처리 시스템(690))을 포함할 수 있다. 케이블은 케이블 가이드(226)를 통해 센서 장치(224)의 센서를 처리 시스템과 연결할 수 있다.
센서 지지 구조물(222)은 온도, 진동 및 요동과 같은 주변 조건에 비해 낮은 결함 감수성을 제공하는 임의의 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 센서 지지 구조물(222)은 강철로 제조될 수 있다. 다른 예로서, 센서 지지 구조물(222)은 알루미늄으로 제조될 수 있다. 또 다른 예로서, 센서 지지 구조물(222)은 복합 재료로 제조될 수 있다. 필요에 따라, 센서 지지 구조물(222)은 강철, 알루미늄 또는 복합 재료 중 적어도 하나를 포함하는 재료의 조합으로 제조될 수 있다.
도 3은 일부 실시형태에 따라 센서 지지 구조물(222) 및 센서 장치(224)를 갖는 예시적인 측정 장치(200)의 다이어그램이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 센서 지지 구조물(222)에 장착된 센서 장치(224)는 적어도 제1 및 제2 센서(224a,224b)를 포함할 수 있다.
어도 제1 및 제2 센서(224a,224b)는 제1 및 제2 방향으로 중공 원통형 몸체의 내부 표면(예를 들어, 도 2의 중공 원통형 몸체(210)의 내부 표면(212))으로부터 제1 및 제2 거리를 측정할 수 있다. 제1 및 제2 방향은 필요에 따라 중공 원통형 몸체의 회전 높이 축과 서로 수직일 수 있다.
예시적으로, 측정 장치(200)는 스탠드(321)를 포함할 수 있다. 스탠드(321)는 센서 지지 구조물(222)을 중공 원통형 몸체 외부에 비 회전식으로 부착할 수 있다. 예를 들어, 스탠드(321)는 센서 지지 구조물(222)을 기어박스 커버(251)에 부착할 수 있다. 따라서, 센서 지지 구조물(222) 및 센서 장치(224)는 기어박스 커버(251)와 함께 제거 및 재 설치될 수 있다.
예를 들어, 센서 지지 구조물(222)은 케이블 가이드(226)를 포함할 수 있다. 케이블 가이드(226)는 제1 및 제2 센서(224a,224b)와 스탠드(321) 사이에서 케이블을 배선할 수 있다. 필요에 따라, 케이블은 처리 시스템(예를 들어, 도 6a 또는 도 6b의 처리 시스템(690))과 연결될 수 있다. 예를 들어, 처리 시스템은 스탠드(321)에 설치될 수 있다. 다른 예로서, 처리 시스템은 센서 지지 구조물(222) 및 스탠드(321)와 별도로 설치될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 센서 지지 구조물(222)은 센서 장치(224)의 영역에서 2차 프로파일을 갖는 원통형 형상을 가질 수 있다. 그러나, 센서 지지 구조물(222)은 측정 장치가 휨 모멘트를 결정하는 중공 원통형 몸체 내부에 센서(224a,224b)를 배치하도록 구성된 임의의 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 센서 지지 구조물(222)은 원뿔형, 원통형, 다면체형, I-빔 프로파일 형상, T-빔 프로파일 형상, U-빔 프로파일 형상, 또는 이들의 임의의 조합을 가질 수 있다.
센서 지지 구조물(222)은 변화하는 온도, 진동 및 요동을 특징으로 하는 환경에서 내성이 있는 임의의 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 센서 지지 구조물(222)은 강철 또는 알루미늄과 같은 금속으로, 탄소 섬유와 같은 복합 재료로, 또는 이들의 임의의 조합으로 제조될 수 있다. 바람직하게는, 고온 적용에 사용되는 센서 지지 구조물(222)은 강철 또는 알루미늄과 같은 금속을 적어도 포함할 수 있다.
도 4는 일부 실시형태에 따른 중공 원통형 모체(210) 내부의 예시적인 측정 장치(200)의 다이어그램이다. 중공 원통형 몸체(210)는 내부 표면(212) 및 미리 결정된 두께를 가질 수 있다.
중공 원통형 몸체(210)는 현재 상태에서 회전 높이 축(215)을 중심으로 회전할 수 있다. 중공 원통형 몸체(210)는 초기 변형되지 않은 상태에서 회전하지 않을 수 있다. 중공 원통형 몸체(210)는 휨 모멘트를 받을 수 있다. 휨 모멘트는 회전 높이 축(215)에 수직일 수 있다.
측정 장치(200)는 중공 원통형 몸체(210)에 작용하는 휨 모멘트를 결정하도록 구성될 수 있다. 예시적으로, 측정 장치(200)는 센서 지지 구조물(222)을 포함할 수 있다. 센서 지지 구조물(222)은 내부 표면(212)과 접촉하지 않고 중공 원통형 몸체(210) 내부에 있을 수 있다. 센서 지지 구조물(222)은 비 회전적으로 설치될 수 있으며, 중공 원통형 몸체(210)는 센서 지지 구조물(222)을 중심으로 회전할 수 있다.
예로서, 측정 장치(200)는 센서 장치(224)를 포함할 수 있다. 센서 장치(224)는 센서 지지 구조물(222)에 장착될 수 있다.
예시적으로, 센서 장치(224)는 적어도 제1 및 제2 센서(224a,224b)를 포함할 수 있다. 필요에 따라, 중공 원통형 몸체(210)가 자기장과 상호 작용하는 금속으로 만들어지면 적어도 제1 및 제2 센서(224a,224b)는 유도성 센서일 수 있다.
대안적으로, 적어도 제1 및 제2 센서(224a,224b)는 유도성 센서일 수 있고, 중공 원통형 몸체(210)는 적어도 제1 및 제2 센서(224a,224b)의 적어도 부근에서 자기장과 상호 작용하는 금속으로 코팅될 수 있고, 그 결과 제1 및 제2 센서(224a,224b)와 내부 표면(212)과의 사이의 제1 및 제2 거리(410,420)의 변화가 유도성 센서에 의해 감지될 수 있다.
제1 및 제2 센서(224a,224b)는 제1 및 제2 센서(224a,224b)와 내부 표면(212)과의 사이의 제1 및 제2 방향(430,440)에서 제1 및 제2 거리(410,420)를 측정할 수 있다. 제1 방향(430), 제2 방향(440) 및 회전 높이 축(215)은 서로 수직일 수 있다.
초기 변형되지 않은 상태에 있는 동안 측정된 제1 및 제2 거리(410,420)와 비교하여 현재 상태에서 측정된 제1 및 제2 거리(410,420)의 변화는, 제1 및 제2 센서(224a,224b)에 대한 내부 표면(212)의 제1 및 제2 변위에 대응할 수 있다.
중공 원통형 몸체(210)가 휨 모멘트를 받는 경우, 제1 및 제2 센서(224a,224b) 사이의 제1 및 제2 거리(410,420)는 휨 모멘트에 의한 제1 및 제2 변위의 방향에 따라 증가 또는 감소한다.
제1 및 제2 방향(430,440)에서 적어도 2개의 센서(224a,224b)가 제1 및 제2 변위를 결정하는 데 사용되고 또 제1 및 제2 방향(430,440)이 서로에 대해 그리고 회전 높이 축(215)에 대해 직교하는 경우, 휨 모멘트의 크기 및 각도 방향은 제1 및 제2 변위에 기초하여(예를 들어, 벡터 추가에 기초하여) 결정될 수 있다.
필요에 따라, 센서 장치(224)는 2개 이상의 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서 장치(224)는 4개의 센서(224a,224b,224c,224d)를 포함할 수 있다. 4개의 센서(224a,224b,224c,224d)는 각각의 센서와 중공 원통형 몸체(210)의 내부 표면(212) 사이의 거리를 서로 다른 방향으로 측정할 수 있다.
도 5는 도 4의 예시적인 측정 장치의 일부에 대한 다이어그램이다. 사실, 케이블 가이드(226)를 갖는 센서 지지 구조물(222), 도 4의 센서 장치(224)의 센서(224b) 및 중공 원통형 몸체(210)의 일부만이 도 5에 도시되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 센서(224b)가 센서(224b)와 중공 원통형 몸체(210) 사이에서 측정하는 거리(즉, 측정된 거리(510))는 중공 원통형 몸체(210)로부터 센서(224b)의 실제 거리(520)와 다를 수 있다. 따라서, 측정된 거리(510) 및 이에 따른 센서 출력 신호는 센서(224b)와 중공 원통형 모체(210) 사이의 공칭 거리, 센서 폭 및 중공 원통형 몸체(210)의 형상에 따라 달라질 수 있다.
예를 들어, 측정된 거리(510)는 센서(224b)와 중공 원통형 몸체(210) 사이의 최단 거리일 수 있고, 실제 거리(520)는 센서(224b)의 중간과 중공 원통형 몸체(210) 사이의 거리일 수 있다. 즉, 실제 거리(520) 및 공칭 거리(510)는 서로 떨어져 센서 폭(530)의 약 절반인 센서(224b) 상의 2개의 상이한 지점에서 측정될 수 있다.
필요에 따라, 측정 장치(200)는 처리 시스템을 포함할 수 있다. 처리 시스템은 측정된 거리(510)에 기초하여 실제 거리(520)를 결정할 수 있다. 예를 들어, 중공 원통형 몸체(210)가 회전 높이 축(215)과 내부 표면(212) 사이에 반경(r)을 갖는 시나리오를 고려한다. 또한, w는 센서 폭(530)의 절반이고, m은 측정된 거리이고, a는 실제 거리라는 것을 고려하여야 한다. 이 시나리오에서, 실제 거리는 a = r + m - sqrt(r2-w2)로 결정될 수 있다.
도 6a는 일부 실시형태에 따른 예시적인 측정 시스템(200)의 예시적인 처리 시스템(690)의 다이어그램이다. 처리 시스템(690)은 센서(224a,224b)와 연결될 수 있다. 예를 들어, 처리 시스템(690)은 케이블을 통해 센서(224a,224b)와 연결될 수 있다. 다른 예로서, 처리 시스템(690)은 센서(224a,224b)와 무선으로 연결될 수 있다. 필요에 따라, 센서(224a,224b) 및 처리 시스템(690)은 유선 및 무선으로 연결될 수 있다. 예시적으로, 처리 시스템(690)은 센서(224a,224b)에 전력을 공급할 수 있다.
센서(224a,224b)는 중공 원통형 몸체(예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이) 내부에 배치될 수 있고, 중공 원통형 몸체의 내부 표면으로부터의 거리를 측정할 수 있다. 센서(224a,224b)는 측정된 거리(610,620)를 처리 시스템(690)으로 전송할 수 있다.
예를 들어, 센서(224a)는 중공 원통형 몸체가 초기 변형되지 않은 상태(예를 들어, 정지 상태)에 있을 때 중공 원통형 몸체의 내부 표면으로부터 제1 방향으로 제1 거리(예를 들어, 도 4의 거리(410))를 측정하고, 측정된 거리(610)를 처리 시스템(690)으로 전송할 수 있다.
유사하게, 센서(224b)는 중공 원통형 몸체가 초기 변형되지 않은 상태(예를 들어, 정지 상태)에 있을 때 중공 원통형 몸체의 내부 표면으로부터 제1 방향과 다른 제2 방향으로 제2 거리(예를 들어, 도 4의 거리(420))를 측정하고, 측정된 거리(620)를 처리 시스템(690)으로 전송할 수 있다.
필요에 따라, 제1 및 제2 거리(610,620)는 처리 시스템(690)의 교정 동안 측정될 수 있다. 처리 시스템(690)의 교정은 필요한 경우 영점 기준 또는 신호 스케일링 계수의 설정을 포함할 수 있다.
처리 시스템(690)은 저장 회로(630)를 포함할 수 있다. 저장 회로(630)는 초기 변형되지 않은 상태에 있는 동안 측정된 거리(610,620)를 저장할 수 있다.
예시적으로, 처리 시스템(690)은 처리 회로(640)를 포함할 수 있다. 처리 회로(640)는 저장 회로(630)로부터 데이터(660)를 검색할 수 있다. 예를 들어, 처리 회로(640)는 저장 회로(630)로부터 초기 변형되지 않은 상태에 있는 동안 측정된 제1 및 제2 거리를 검색할 수 있다.
필요에 따라, 처리 회로(640)는 초기 변형되지 않은 상태에서 측정된 제1 및 제2 거리에 기초하여 제1 및 제2 변위를 결정할 수 있다. 예를 들어, 처리 회로(640)는 산술 논리 유닛(ALU)(645)을 포함할 수 있다. 센서(224a,224b)는 중공 원통형 몸체가 현재 상태에 있을 때(즉, 도 4의 회전 높이 축(215)과 같은 회전 축을 중심으로 회전) 중공 원통형 몸체의 내부 표면으로부터 제1 및 제2 방향으로 제1 및 제2 거리(예를 들어, 도 4의 거리(410,420))를 측정하고, 측정된 거리(610,620)를 처리 회로(640)로 전송할 수 있다.
산술 논리 유닛(645)은 현재 상태에서 측정된 제1 거리(610)와 초기 변형되지 않은 상태에서 측정되고 저장 회로(630)로부터 검색된 제1 거리와의 사이의 제1 차이를 계산하여 제1 변위를 결정할 수 있다. 필요에 따라, 산술 논리 유닛(645)은 현재 상태에서 측정된 제2 거리(620)와 초기 변형되지 않은 상태에 있는 동안에 측정되고 제2 변위를 결정하기 위해 저장 회로(630)로부터 검색된 제2 거리 사이의 제2 차이를 계산할 수 있다.
예시적으로, 처리 시스템(690)은 휨 모멘트의 크기(670) 및 각도(680)를 결정할 수 있다. 예를 들어, 처리 회로(640)는 제1 및 제2 변위에 기초하여 휨 모멘트의 크기(670) 및 각도(680)를 결정할 수 있다.
예를 들어, 저장 회로(630)는 제1 및 제2 변위에 따라 달라지는 휨 모멘트 크기 및 각도를 갖는 룩업 테이블을 저장할 수 있으며, 처리 회로(640)는 결정된 제1 및 제2 변위에 대응하는 휨 모멘트 크기 및 각도를 검색하기 위해 룩업 테이블을 사용할 수 있다.
다른 예로서, 처리 회로(640)는 휨 모멘트와 제1 및 제2 변위 사이의 기능적 관계(예를 들어, 측정 장치의 교정 동안 결정된 기능적 관계)에 기초하여 휨 모멘트의 크기 및 각도를 계산하기 위해 산술 논리 유닛(645)을 사용할 수 있다.
예시적으로, 처리 시스템(690)은 디스플레이(650)를 포함할 수 있다. 디스플레이(650)는 휨 모멘트의 크기(670) 및 각도(680)를 디스플레이 할 수 있다. 필요에 따라, 처리 시스템(690)은 경보 시스템(655)을 포함할 수 있다. 경보 시스템은 휨 모멘트의 크기(670)가 미리 결정된 임계 값보다 큰 경우 시각적 경보 또는 청각적 경보 중 적어도 하나를 제공할 수 있다. 예를 들어, 경보 시스템(655)은 사이렌을 울리거나 명확한 음성 안내를 할 수 있다. 다른 예로서, 경보 시스템(655)은 화면을 깜박이거나 화면에 메시지를 표시할 수 있다.
예를 들어, 처리 시스템(690)은, 휨 모멘트의 크기가 미리 결정된 임계 값을 초과하기 시작할 때의 제1 타임 스탬프 및 휨 모멘트의 크기가 미리 결정된 임계 값을 초과하는 것을 중단할 때의 제2 타임 스탬프를 기록할 수 있다. 처리 회로(640)는 저장 회로(630)로부터 제1 및 제2 타임 스탬프를 검색하고, (예를 들어, 산술 논리 유닛(645)을 사용하여) 제1 및 제2 타임 스탬프 사이의 기간을 결정할 수 있다.
필요에 따라, 처리 회로(640)는 기록된 정보를 더 처리하고 분석할 수 있다. 예를 들어, 처리 회로(640)는 제1 타임 스탬프와 제2 타임 스탬프 사이의 기간 동안 미리 결정된 범위에서 휨 모멘트의 크기(670)를 샘플링 할 수 있다. 디스플레이(650)는 시간에 따라 달라지는 휨 모멘트 크기(670)의 소정 범위를 표시할 수 있다.
필요에 따라, 처리 시스템(690)은 추가 처리를 위해 저장 회로(630)로부터 기록된 정보를 제공할 수 있다. 예를 들어, 처리 시스템(690)은 유지 보수 중에 기록된 정보를 유지 보수 장치에 제공할 수 있다. 다른 예로서, 처리 시스템(690)은 시간에 따라 달라지는 기록된 휨 모멘트의 크기 및 각도를 보여주는 차트를 제공할 수 있다.
필요에 따라, 처리 회로(640)는 시스템 자체 테스트 기능, 영점 기준 또는 신호 스케일링 계수를 설정하는 데 적합한 교정 기능, 또는 아날로그 또는 디지털 출력 신호를 제공하는 사이에 선택하는 데 적합한 출력 기능 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
처리 시스템(690)은 상이한 개별 구성 요소를 사용하여 구현될 수 있다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 개별 구성 요소는 저장 회로(630), 처리 회로(640), 디스플레이(650) 및 경보 시스템(655)을 포함할 수 있다.
필요에 따라, 도 6a의 일부 또는 모든 개별 구성 요소는 단일 구성 요소 내부에 결합 및 통합될 수 있다. 예를 들어, 경보 시스템(655)은 스피커가 있는 디스플레이(650)에 통합될 수 있다. 다른 예로서, 처리 회로(640)는 매립된 메모리 회로를 가질 수 있고, 이에 의해 처리 회로(640)와 저장 회로(630)를 결합할 수 있다. 도 6b는 모든 구성 요소가 처리 시스템(690) 내부에 통합된 예시적인 처리 시스템(690)의 다이어그램이다.
도 7은 도 2 내지 도 6b의 측정 장치(200)와 같은 측정 장치가 중공 원통형 몸체에 작용하는 휨 모멘트를 결정하기 위해 수행할 수 있는 예시적인 동작을 나타내는 흐름도(700)이다. 중공 원통형 몸체는 내부 표면을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 4의 중공 원통형 몸체(210)는 내부 표면(212)을 가질 수 있다.
동작(710) 동안, 측정 장치는 초기 변형되지 않은 상태 및 현재 상태에서 제1 센서와 내면 사이의 제1 방향의 제1 거리를 결정하기 위해 측정 장치의 제1 센서를 사용할 수 있다.
예를 들어, 도 4의 측정 장치(200)는, 초기 변형되지 않은 상태 및 현재 상태에서 측정 장치(200)의 제1 센서(224a)를 사용하여 제1 센서(224a)와 내부 표면(212) 사이의 제1 방향(430)으로의 제1 거리(410)를 결정할 수 있다. 예시적으로, 측정 장치(200)는, 중공 원통형 몸체(210)가 정지 상태일 때 제1 거리(410)를 결정하고, 중공 원통형 몸체(210)가 회전 높이 축(215)을 중심으로 회전할 때 또 다른 제1 거리(410)를 결정할 수 있다. 필요에 따라, 측정 시스템(200)의 처리 시스템(690)은 중공 원통형 몸체가 저장 회로(630)에서 정지되어 있을 때 측정된 제1 거리(410)를 저장할 수 있다.
동작(720) 중에, 측정 장치는 초기 변형되지 않은 상태 및 현재 상태에서 제2 센서와 내부 표면 사이의 제2 방향의 제2 거리를 결정하기 위해 측정 장치의 제2 센서를 이용할 수 있다.
예를 들어, 도 4의 측정 장치(200)는 측정 장치(200)의 제2 센서(224b)를 사용하여 초기 변형되지 않은 상태와 현재 상태에서 제2 센서(224b)와 내부 표면(212) 사이의 제2 방향(440)으로 제2 거리(420)를 결정할 수 있다. 예시적으로, 측정 장치(200)는 중공 원통형 몸체(210)가 정지 상태일 때의 제2 거리(420)를 결정하고, 중공 원통형 몸체(210)가 회전 높이 축(215)을 중심으로 회전할 때의 또 다른 제2 거리(420)를 결정할 수 있다. 필요에 따라, 측정 시스템(200)의 처리 시스템(690)은 중공 원통형 몸체가 저장 회로(630)에 정지할 때 측정된 제2 거리(420)를 저장할 수 있다.
동작(730) 중에, 측정 장치는, 초기 변형되지 않은 상태에서 측정된 제1 및 제2 센서와 비교하여, 현재 상태에서 측정된 제1 및 제2 거리에 기초하여 제1 및 제2 센서에 대한 내부 표면의 제1 및 제2 변위를 결정하기 위해 처리 시스템을 이용할 수 있다.
예를 들어, 도 4의 측정 장치(200)는, 초기 변형되지 않은 상태에서 측정된 제1 및 제2 거리(410,420)와 비교하여, 현재 상태에서 측정된 제1 및 제2 거리(410,420)에 기초하여 제1 및 제2 센서에 대해 내부 표면(212)의 제1 및 제2 변위를 결정하기 위해 도 6a 또는 6b의 처리 시스템(690)을 이용할 수 있다. 예를 들어, 처리 시스템(690)은 저장 회로(630)로부터 초기 변형되지 않은 상태에서 측정된 제1 및 제2 거리(410,420)를 검색하고, 현재 상태에서 측정된 제1 및 제2 거리(410,420)로부터 검색된 제1 및 제2 거리(410,420)를 감산하여 제1 및 제2 변위를 결정할 수 있다.
동작(740) 중에, 측정 장치는 제1 및 제2 변위에 기초하여 중공 원통형 몸체에 작용하는 휨 모멘트를 결정하기 위해 처리 시스템을 이용할 수 있다.
예를 들어, 도 2의 측정 장치(200)는 제1 및 제2 변위에 기초하여 중공 원통형 몸체(210)에 작용하는 휨 모멘트(230)를 결정하기 위해 도 6a 또는 6b의 처리 시스템(690)을 이용할 수 있다. 예를 들어, 처리 시스템(690)은 변위와 휨 모멘트 사이의 관계를 갖는 룩업 테이블(예를 들어, 교정으로부터 측정 값을 갖는 테이블)을 저장하고 주어진 변위와 관련된 휨 모멘트를 검색할 수 있다. 다른 예로서, 처리 시스템(690)은 휨 모멘트와 변위 사이의 기능적 관계를 포함하고, 주어진 변위와 관련된 휨 모멘트를 계산할 수 있다.
필요에 따라, 추가적인 선택적 동작 중에, 측정 장치는 상이한 휨 모멘트 범위에서 소요된 시간과 휨 모멘트를 기록하기 위해 처리 시스템을 이용할 수 있다.
예를 들어, 도 2의 측정 시스템(200)은 저장 회로(630)의 상이한 휨 모멘트 범위에서 소요되는 시간 및 휨 모멘트를 기록하기 위해 도 6a의 처리 시스템(690)을 이용할 수 있다.
또한, 또 다른 추가의 선택적 작동 중에, 측정 장치는 휨 모멘트의 현재 크기, 휨 모멘트의 현재 각도 및/또는 현재 휨 모멘트의 현재 지속 시간을 표시하기 위해 디스플레이를 이용할 수 있다.
예를 들어, 도 2의 측정 시스템(200)은 도 6a 또는 6b의 처리 시스템(690)을 이용하여 디스플레이(650) 상에 휨 모멘트의 현재 크기, 휨 모멘트의 현재 각도, 및/또는 현재 범위에서 휨 모멘트의 현재 지속 시간을 나타낼 수 있다.
더욱이, 또 다른 추가의 선택적 동작 중에, 측정 장치는 휨 모멘트의 현재 크기가 미리 결정된 임계 값을 초과할 때 시각적 및/또는 청각적 경보를 제공하기 위해 경보 시스템을 이용할 수 있다.
예를 들어, 도 2의 측정 시스템(200)은 휨 모멘트의 현재 크기가 미리 결정된 임계 값을 초과할 때 시각적 및/또는 청각적 경보를 제공하기 위해 도 6a의 처리 시스템(690)의 경보 시스템(655)을 이용할 수 있다.
전술한 실시형태는 본 발명의 가능한 실시형태를 예시하기 위해 설명하는 것일 뿐, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의해야 한다. 그 대신, 상기 설명된 실시형태의 다수의 수정 및 변형이 가능하고, 따라서 본 발명의 일부인 것으로 간주되어야 한다.
예를 들어, 도 2 내지도 6b에서 상술한 측정 장치는 중공 원통형 몸체의 휨 모멘트를 측정한다. 그러나 몸체는 몸체의 전체 길이에 걸쳐 동일한 직경을 가진 완전히 원통형일 필요는 없다. 대신에, 제1 및 제2 방향의 변위와 휨 모멘트 사이의 관계가 실험적으로 이전에 결정되었거나 처리 시스템이 변위에 기초하여 휨 모멘트를 결정할 수 있도록 알려진 한, 몸체의 직경이 변경될 수 있다.
또한, 도 5의 측정된 거리(510)는 센서와 중공 원통형 몸체의 내부 표면 사이의 최단 거리로 도시되어 있다. 따라서 측정된 거리는 센서의 모양에 따라 달라질 수 있으며, 이는 도 5에 표시된 것과 다를 수 있다. 또한, 센서와 중공 원통형 몸체의 내부 표면 사이의 측정 거리는 센서 유형에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 측정된 거리는 센서의 중앙에서 결정될 수 있다.
100 : 회전익 항공기, 회전익기, 헬리콥터
110 : 다중 블레이드 로터 112,113 : 로터 블레이드
114 : 로터 헤드 115 : 로터 샤프트
117 : 로터 축 119 : 로터 평면
120 : 동체 123 : 캐빈
127 : 후방 동체 130 : 테일 붐
135 : 수평 안정기 140 : 역 토크 장치
145 : 테일 로터 150 : 핀
200 : 측정 장치
210 : 로터 샤프트, 로터 마스트, 중공 원통형 몸체
212 : 내부 표면 215 : 회전 높이 축
222 : 센서 지지 구조 224 : 센서 장치
224a,224b, 224c, 224d : 센서 226 : 케이블 가이드
230 : 휨 모멘트 235 : 선형 부하
237 : 변위 250 : 기어박스
251 : 기어박스 커버 253 : 상부 베어링
255 : 하부 베어링 321 : 스탠드
410,420 : 거리 430, 440 : 방향
510 : 측정 거리 520 : 실제 거리
530 : 센서 너비의 절반 610,620 : 측정된 거리
630 : 저장 회로 640 : 처리 회로
645 : 산술 논리 유닛 650 : 디스플레이
655 : 경보 시스템 660 : 검색된 데이터
670 : 휨 모멘트 크기 680 : 휨 모멘트 각도
690 : 처리 시스템 700 : 순서도
710, 720, 730, 740 : 동작
110 : 다중 블레이드 로터 112,113 : 로터 블레이드
114 : 로터 헤드 115 : 로터 샤프트
117 : 로터 축 119 : 로터 평면
120 : 동체 123 : 캐빈
127 : 후방 동체 130 : 테일 붐
135 : 수평 안정기 140 : 역 토크 장치
145 : 테일 로터 150 : 핀
200 : 측정 장치
210 : 로터 샤프트, 로터 마스트, 중공 원통형 몸체
212 : 내부 표면 215 : 회전 높이 축
222 : 센서 지지 구조 224 : 센서 장치
224a,224b, 224c, 224d : 센서 226 : 케이블 가이드
230 : 휨 모멘트 235 : 선형 부하
237 : 변위 250 : 기어박스
251 : 기어박스 커버 253 : 상부 베어링
255 : 하부 베어링 321 : 스탠드
410,420 : 거리 430, 440 : 방향
510 : 측정 거리 520 : 실제 거리
530 : 센서 너비의 절반 610,620 : 측정된 거리
630 : 저장 회로 640 : 처리 회로
645 : 산술 논리 유닛 650 : 디스플레이
655 : 경보 시스템 660 : 검색된 데이터
670 : 휨 모멘트 크기 680 : 휨 모멘트 각도
690 : 처리 시스템 700 : 순서도
710, 720, 730, 740 : 동작
Claims (15)
- 내부 표면(212)을 갖는 중공 원통형 몸체(210)에 작용하는 휨 모멘트(230)를 결정하기 위한 측정 장치(200)로서,
내부 표면(212)과 접촉하지 않고 중공 원통형 몸체(210) 내부에 있는 센서 지지 구조물(222);
센서 지지 구조물(222)에 장착되고, 제1 및 제2 센서(224a,224b)와 내부 표면(212)과의 사이의 제1 및 제2 방향(430,440)으로 제1 및 제2 거리(410,420)를 측정하는 적어도 제1 및 제2 센서(224a,224b)를 포함하는 센서 장치(224); 및
초기 변형되지 않은 상태에 있는 동안 측정된 제1 및 제2 거리(410,420)와 비교하여, 현재 상태에서 측정된 제1 및 제2 거리(410,420)에 기초하여 제1 및 제2 센서(224a,224b)에 대한 내부 표면(212)의 제1 및 제2 변위를 결정하고, 그리고 제1 및 제2 변위를 기초로 중공 원통형 몸체(210)에 작용하는 휨 모멘트(230)를 결정하는 처리 시스템(690);을 포함하는 휨 모멘트 측정장치(200). - 제 1 항에 있어서,
상기 처리 시스템(690)은,
초기 변형되지 않은 상태에 있는 동안 측정된 제1 및 제2 거리(410,420)를 저장하는 저장 회로(630); 및
제1 및 제2 변위를 결정하기 위해 저장 회로로부터 제1 및 제2 거리(410,420)를 검색하는 처리 회로(640)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휨 모멘트 측정 장치(200). - 제 2 항에 있어서,
상기 처리 회로(640)는,
현재 상태에서 측정된 제1 거리(410)와 초기 변형되지 않은 상태에서 측정된 제1 거리(410) 사이의 제1 차이를 계산하여 제1 변위를 결정하는 산술 논리 유닛(645)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휨 모멘트 측정 장치(200). - 제 2 항에 있어서,
상기 처리 회로(640)는 시스템 자체 테스트 기능, 영점 기준 또는 신호 스케일링 계수를 설정하도록 조정되는 교정 기능, 또는 아날로그 또는 디지털 출력 신호를 제공하는 사이에 선택하도록 조정되는 출력 기능 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휨 모멘트 측정 장치(200). - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 처리 시스템(690)은 휨 모멘트(230)의 크기(670) 및 각도(680)를 결정하는 것을 특징으로 하는 휨 모멘트 측정 장치(200). - 제 5 항에 있어서,
상기 처리 시스템(690)은 휨 모멘트(230)의 크기(670) 및 각도(680)를 표시하는 디스플레이(650)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휨 모멘트 측정 장치(200). - 제 5 항에 있어서,
상기 처리 시스템(690)은 휨 모멘트(230)의 크기(670)가 미리 결정된 임계 값 보다 클 때 시각적 경보 또는 청각적 경보 중 적어도 하나를 제공하는 경보 시스템(655)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휨 모멘트 측정 장치(200). - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 방향(430), 제2 방향(440) 및 회전 높이 축(215)은 서로 수직인 것을 특징으로 하는 휨 모멘트 측정 장치(200). - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
센서 지지 구조물(222)을 중공 원통형 몸체 외부에 비 회전식으로 부착하는 스탠드(321)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휨 모멘트 측정 장치(200). - 제 9 항에 있어서,
상기 센서 지지 구조물(222)은 적어도 제1 및 제2 센서(224a,224b)와 스탠드(321) 사이에 케이블을 배선하는 케이블 가이드(226)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휨 모멘트 측정 장치(200). - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 센서 지지 구조물(222)은 강철, 알루미늄 또는 복합재 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 휨 모멘트 측정 장치(200). - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 제1 및 제2 센서(224a,224b)는 유도성 센서, 광학 센서 및 초음파 센서로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 휨 모멘트 측정 장치(200). - 내부 표면(212)이 있는 중공 원통형 몸체(210)를 갖는 로터 샤프트(115, 210); 및
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항의 로터 샤프트(115,210)의 중공 원통형 몸체(210)에 작용하는 휨 모멘트를 결정하기 위한 측정 장치(200)를 포함하는 로터(110). - 내부 표면(212)이 있는 중공 원통형 몸체(210)를 갖는 로터 샤프트(115,210)를 갖는 로터(110); 및
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항의 로터(110)의 로터 샤프트(115,210)의 중공 원통형 몸체(210)에 작용하는 휨 모멘트를 측정하기 위한 측정 장치(200)를 포함하는 회전익기(100). - 내부 표면(212)을 갖는 중공 원통형 몸체(210)에 작용하는 휨 모멘트를 결정하기 위한 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 측정 장치(200)를 작동하는 방법(700)으로서,
초기 변형되지 않은 상태에 있는 동안 및 현재 상태에서 제1 센서(224a)와 내부 표면(212) 사이에서 제1 방향(430)으로 제1 거리(410)를 결정하기 위해 측정 장치(200)의 제1 센서(224a)를 사용하는 동작(710) 단계;
초기 변형되지 않은 상태에 있는 동안 및 현재 상태에서 제2 센서(224b)와 내부 표면(212) 사이에서 제2 방향(440)으로 제2 거리(420)를 결정하기 위해 측정 장치(200)의 제2 센서(224b)를 사용하는 동작(720) 단계;
초기 변형되지 않은 상태에 있는 동안 측정된 제1 및 제2 거리(410,420)와 비교하여, 현재 상태에서 측정된 제1 및 제2 거리(410,420)에 기초하여 제1 및 제2 센서(224a,224b)에 대한 내부 표면(212)의 제1 및 제2 변위를 결정하기 위해 처리 시스템(690)을 사용하는 동작(730) 단계; 및
제1 및 제2 변위에 기초하여 중공 원통형 몸체(210)에 작용하는 휨 모멘트(230)를 결정하기 위해 처리 시스템(690)을 사용하는 동작(740)단계를 포함하는 측정 장치(200)의 작동 방법(700).
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