WO2011061567A1 - Dispositivo reductor de vibraciones en la silla de los pilotos de helicópteros - Google Patents

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Camilo Rojas Gallego
Jonathan Maya Tellez
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La Nacion, Ministerio De Defensa, Fuerza Aerea Colombiana
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Definitions

  • the present invention relates to a device for reducing the vibrations that occur in the seat of helicopter pilots due to the movement of the blades of said aircraft.
  • the chairs, the cyclic, the collective, the pedals and the control mechanisms transmit the vibrations directly to the pilot's body, which experiences endless sensations that can put the safety of the flight at risk, and that later with time, they cause health problems in the pilots, especially of the spine and back, which requires the investment of large amounts of money in physical treatments and in some cases the early withdrawal of flight personnel.
  • the present invention provides a device that is based on a pneumatic system of low weight and cost, which counteracts the vibrations suffered by the pilot, since it neutralizes the movement of the chassis or the chair causing the vibration to be absorbed by a pneumatic ball and not transmitted to the body of the pilot.
  • the helicopters have a considerable number of vibrations generated by various sources, ranging from simple vibrations caused by the effect of aerodynamic forces during the flight, such as aeroelastic and aeromechanical instabilities, to those of greater range generated by the engine and rotor .
  • the effects caused by vibration are subdivided into two categories: effects produced by aerodynamic causes and effects produced by mechanical causes. All these effects bring repercussions in different classes, such as comfort and efficiency of the crew, fatigue of dynamic components and the structure of the device or the accuracy and efficiency of electronic equipment.
  • the main rotor of the helicopter produces vibrations in ranges from 3 to 12 Hz and the frequency depends on the number of blades. This range is much smaller than that produced by the tail rotor, which induces vibrations between 20 and 25 Hz.
  • the vibrations produced travel through the fuselage of the aircraft in the form of low frequency vibrations and adversely affect the controls of the helicopter, subsystem of operations and the comfort of the crew, especially in aircraft with two-rotor rotors, such as the UH-1 H helicopter.
  • Vibrations can be defined as the oscillatory movements of solid body particles around their equilibrium point. Technologically it is almost impossible to build a machine that moves energy from one place to another without the operation being accompanied by vibrations of some kind. The larger the moving parts, the more likely there are to be vibrations that are usually accompanied by noise.
  • the seat increased the peak of the amplitude of the vibration, that is, the seat has a clear negative effect on the pilot It occupies it.
  • the Austrian Army reduced the maximum flight speed of the Bell 212 to 90 knots.
  • the vibration frequencies in the pilot's chair are different and are related to the number of rotor blades, for example, the estimated value for a two-seater helicopter such as UH-1 H is 12 Hz.
  • EP 1659309 discloses a damping device to reduce the vibrations that are produced by the movement of the rotors in a helicopter, where said apparatus includes a piston that moves in a hydraulic fluid within a damping chamber, the which resists the movement of the piston by means of the pressure of said fluid, which provides damping forces that act to oppose the movement of the piston thus reducing or canceling the vibrations produced by the rotors of the aircraft.
  • the main disadvantage presented by the invention described in said document is based on the complexity of the damping system, since it is necessary to include a hydraulic fluid whose use is not advisable for a helicopter, since the chamber containing said fluid can suffer blows that can crack it by letting out the fluid and causing problems in the helicopter rotor.
  • FIGURES DESCRIPTION OF THE FIGURES
  • the invention can be understood in a better way by means of the figures, where each of the elements that make up the vibration reduction system in the pilot's chair are shown. of helicopters that you want to protect.
  • the figures show the reference numbers assigned to each of the elements that make up that system.
  • Figure 1 corresponds to a general view of the vibration reducing device of the present invention coupled to the chair seat of the aircraft.
  • Figure 2 corresponds to a general front view of the vibration reducing device of the present invention coupled to the chair seat of the aircraft.
  • Figure 3 corresponds to a general view of the pilot's chair without the vibration reducing device.
  • Figure 4 corresponds to the pneumatic plane of the vibration reducing device.
  • Figure 5 corresponds to a general scheme of the helicopter, the configuration of the transmission rotors and the vibrations to the pilot's chair.
  • Figure 6 corresponds to the graph of recommendation of the maximum time to which a pilot should be exposed according to ISO 2631-1978.
  • Figure 7 corresponds to a detailed view of the concentric cylinders of the chair adaptation mechanism of the device of the invention.
  • Figure 8a corresponds to a top view of the bellows support structure to the helicopter chair.
  • Figure 8b corresponds to a front view of the support structure of Figure 8a.
  • Figure 9 corresponds to a general view of the safety and anchoring mechanism of the device of the invention for fixing the chair to the floor of the aircraft.
  • Figure 10 corresponds to a detailed view of the safety and anchoring mechanism and the support structure of the bellows to the chair when said mechanism has not been activated.
  • Figure 11 corresponds to a detailed view of the safety and anchoring mechanism and the support structure of the bellows to the chair when said mechanism has been activated.
  • Figure 12 corresponds to a rear perspective view of the aircraft cabin with the vibration reduction device implemented without the pilot and copilot chairs.
  • Figure 13 corresponds to a rear perspective view of the aircraft cabin with the vibration reduction device including the pilot and copilot chairs.
  • the purpose of the vibration reduction device of the present invention is to isolate the pilot's seat of a helicopter from the ground of said aircraft, so that the rails on which the chair travels cease to behave as if they did part of the helicopter floor.
  • a redesign of these rails is necessary so that they allow adapting a damping mechanism that does not limit the horizontal movement of the chair and does not interfere with the aircraft's control mechanisms, especially with the collective , which is located very close to the base structure of the chair.
  • the vibration reduction device on the chairs of helicopter pilots comprises the following elements or parts:
  • a pneumatic bellows (1) located under the structure of the helicopter chair, which acts as a damping system for the chair and lifts it on the floor of the aircraft, in order to counteract the vibrations generated by the rotors of the helicopter.
  • a non-return valve (2) which ensures that the air in the bellows (1) is not returned, ensuring that the pressure of the bellows is maintained and the vibrations of the helicopter are canceled and are not transmitted to the pilot's chair.
  • An solenoid valve or solenoid valve (3) is an solenoid valve or solenoid valve (3).
  • a pump or compressor (5) to supply air to the bellows (1) through the non-return valve (2) and the pressure regulating valve (4).
  • This pump or compressor (5) is controlled by means of the pressure regulating valve (4) in order to supply the bellows (1) with enough air to lift the chair depending on the weight and physical constitution of the pilot.
  • a chair adaptation mechanism (6) that allows the vibration reduction device to be installed in the lower part of the pilot's chair, specifically with the chair attached to the rails (602).
  • a safety mechanism (7) and anchorage to the floor which insulates the chair so that it does not rest directly on the ground of the aircraft in case of a sudden loss of air pressure in the bellows (1), which prevents the blow for said loss of pressure passes directly to the pilot's column through the chair.
  • the vibration reducing device has a maximum height of 10 cm, since this is the distance from the floor of the cabin to the minimum height of the chair.
  • the device must also withstand a minimum force of 1583.77 N, which is equivalent to the force exerted by the weight of the pilot and the chair.
  • the vibration reducing device works with pressures not greater than 0.8 MPa, which is the maximum pressure resisted by the bellows (1).
  • pressures not greater than 0.8 MPa, which is the maximum pressure resisted by the bellows (1).
  • polyurethane hoses for pneumatic connections that withstand up to 1.2 MPa of pressure.
  • These hoses have different outside diameter gauges and are made with very light synthetic materials and must be flexible to allow the formation of curvatures that do not affect the air flow, thus facilitating installation within the aircraft.
  • the pneumatic bellows (1) is a simple round damping mechanism whose size varies according to the necessary specifications of the system to be damped.
  • This type of bellows (1) has a weight that is between 800 and 1000g, preferably 900g and has two fixing surfaces, one upper (101) and one lower (102) preferably made of galvanized steel and an air inlet ( 103) to which the non-return valve (2) is connected, which prevents the fluid from being directed in the opposite direction, ensuring that the pneumatic bellows (1) has no air loss due to the force applied to it.
  • the valve (2) is an unlocked non-return valve (2) that leaves open the possibility of suppressing the blockage by means of a pilot, ensuring that the device can be adjusted to the conditions of each pilot.
  • These valves normally work with 8 mm diameter pipe, which would require a 1 ⁇ 4 quick fitting, so that the valve adapts to the desired pipe.
  • the non-return valve (2) normally has flow at its inlet to allow air access to the bellows (1), but at the time of releasing its pressure in order to adjust the system to a lower pressure, It must have flow only by unlocking. This necessitates the use of valves (3) operated by pilot solenoids, with return by the action of a spring, 3/2 normally closed, which fulfill the function of the pneumatic control over the non-return valve (2).
  • electrovalves or mechanically operated valves (3) can be used, which generate greater reliability and allow subsequent automation for other types of applications that are desired in the aircraft.
  • solenoid valves (3) can be supplied with 24V, which is the voltage that the helicopter handles, the signal they emit enters the device through a simple and easy-to-operate actuator. Thus, it is required to control the direction of the air flow by the action of the non-return valve (2) in order to ensure that the bellows system (1) is stabilized at the desired pressure.
  • Figure 4 shows how the valves (3) interact with the valve (2) and with the bellows (1). As can be seen, each of the solenoid valves (3) controls the air inlets towards the bellows (1) and is installed in such a way that one valve (3) controls the unlocking and the other controls the supply.
  • the solenoid valve (3) When the solenoid valve (3) is activated, the air is allowed to reach the non-return valve (2), but not until it is unlocked, which causes the bellows (1) to reach equilibrium at the desired pressure, achieving system stability When performing the flight, the system does not interfere with any of the control controls of the aircraft and its installation is simple. If the bellows (1) are reset again at a lower pressure, only the valve (3) that controls the release of the anti-return (2) is activated, thereby releasing air from the bellows (1) To the environment.
  • the system is powered by a pump or compressor (5), which is portable and handles pressures up to 2.07 MPa.
  • a pump or compressor (5) which is portable and handles pressures up to 2.07 MPa.
  • an accumulator that is incorporated in the compressor is normally used, which is responsible for compensating the oscillations of the pressure and serves as a reservoir that is used to cover compressed air consumption peaks, which It makes them suitable when it is necessary to have enough compressed air to feed the actuators that work by running fast cycles, such as the bellows (1) to be used in the damping mechanism.
  • the bellows (1) When the bellows (1) are running at 0.8 MPa pressure, which is the maximum pressure allowed for their operation, they have a maximum volume of 0.8 L, so the use of a 5 L accumulator is preferred for supply the system without using the compressor (5), which achieves autonomy when the compressor (5) fails.
  • the air flow entering the bellows (1) must be controlled by an electric pressure regulating valve (4), so that the air flow to the bellows (1) can be increased or decreased according to the requirements
  • the vibration reducing device has a mechanism that allows to adjust the pressure of the air inlet towards the valves, which can be visualized with a pressure gauge.
  • the implementation of the bellows (1) in the pilot's chair requires a modification of the rails that the support, which is achieved through a mechanism of adaptation to the chair (6).
  • Said adaptation mechanism (6) is shown in Figures 8a and 8b and has four round cylinders (601) as a guide having a height between 2.5 and 3.5 cm, preferably 2.9 cm. These cylinders are manufactured in the same material as the chair and are connected directly to the rails (602) that support the pilot's chair ensuring its movement in the horizontal axis.
  • cylinders (601) allow free movement of the chair on the safety and anchoring mechanism (7), as seen in Figure 10, on the vertical axis, but limit movement on any of the other axes and have accident insurance (7) that guarantees the stability of the chair in case of a possible collision.
  • the rails (602) remain stable thanks to a structure formed by four cylinders (601), connected to four rods (606) located in an X-shape and connected by a central platform (607) to which the bellows (1 ) by two perforations (608) that work with bolts and similarly do not interfere with the connection of the non-return valves (2).
  • the bellows (1) is located just in the middle of the vertices that dominate the rails and when it is in its maximum expansion, it separates the chair from the ground approximately 1.8 cm.
  • the X structure is constructed with defined inclination angles such that when the bellows (1) is in its maximum expansion position the chair rises from the ground an approximate height of 1 cm. This elevation allows the chair to be detached from the ground for as long as possible, which reduces vibrations significantly.
  • the cylinders (601) must allow maximum vertical movement of the chair, which will be subsequently controlled with the bellows (1) but must ensure that when the aircraft makes turns or varies its center of gravity, the cylinders (601) do not they lock with the guides, avoiding vertical displacement.
  • a flexible bushing system is implemented, which is composed of two cylinders, one inside (603) and one outside (604) of the same length but of different diameters, located concentrically and With its matching ends. These cylinders (603, 604) are joined together by means of a third elastic rubber cylinder (605), which allows the inner cylinder (603) to have slight degrees of mobility in the three axes, thus preventing the System locks with guides.
  • the outer cylinder (604) contains inside an elastomer cylinder (605) which allows a slight deformation in any of the directions. From these cylinders that make up the cylinder (601), the structure that houses the bellows is fastened, which is composed of four aluminum rods (606) located in the form of X, which are shown in Figures 8a and 8b.
  • the safety mechanism (7) consists of basically four parts that are: a guide rail cylinder (705), which houses the rest of the elements inside it, the bolt support cylinder (706), which maintains the pin (701) in position ensuring that it triggers if the situation warrants, the pin (701) and the guide cylinder cover (703).
  • the guide rail of the rails (705) is made of the same material as the rails and is responsible for ensuring that the chair does not suffer large longitudinal displacements.
  • This guide cylinder (705) is attached to the floor of the cabin of the aircraft by means of four bolts that fix the entire structure to the helicopter.
  • the cylinder (706) Inside the guide cylinder (705) must be placed the cylinder (706) whose main is to keep the pin (701) in the position indicated for its correct performance, for this reason it must have a height between 35 and 40 mm, preferably 38 mm.
  • the bolt is divided into two parts, the pin (701) and its housing (703), which also corresponds to the cylinder cover (705, 706).
  • the housing (703) can be seen in Figure 7 and is responsible for ensuring that the pin (701) is always ready to fire and to limit its movement only in one direction.
  • the housing (703) in its rear part has a small vertical wall, which serves as a support point for the platelet that supports the pin (701), thus ensuring that the spring (702) that it has, works like a spring compression helical with a static load.
  • This wall allows the spring (702) to have a maximum stroke between 12 and 18 mm, preferably 15 mm, which is equivalent to when the safety is activated by removing the pin (701).
  • the safety mechanism (7) consists of a simple mechanism based on a pin (701) and a spring (702) like the one used in the door plates, which is located inside each of the guide cylinders (705, 706) of the rails of the structure of the pilot's chair.
  • Figures 12 and 13 show the final installation of all the components of the vibration reduction device located under the pilot and co-pilot chairs, distributing the elements in such a way that they do not interfere with the fixed parts of the aircraft as are the cyclic (11), the collective (12) and the instrument panel (13).
  • the bellows (1) can be filled with a fluid other than air, which can be another gas or a liquid substance.

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Abstract

La presente invención se refiere a un dispositivo para reducir las vibraciones que se producen en la silla de los pilotos de helicópteros debido al movimiento de las aspas de dicha aeronave. Dicho dispositivo se basa en un sistema neumático de bajo peso y costo, que contrarresta las vibraciones sufridas por el piloto, toda vez que neutraliza el movimiento de la estructura de la silla haciendo que la vibración sea absorbida por un balón neumático y no sea transmitida al cuerpo del piloto. Adicionalmente, el dispositivo cuenta con una estructura de soporte acoplada a un mecanismo de seguridad y anclaje, la cual descansa sobre el fuelle neumático y se desplaza verticalmente sobre las guías del mecanismo de seguridad amortiguando y aislando las vibraciones producidas por los rotores de la aeronave.

Description

DISPOSITIVO REDUCTOR DE VIBRACIONES EN LA SILLA DE LOS PILOTOS DE
HELICOPTEROS
CAMPO TECNOLOGICO
La presente invención se refiere a un dispositivo para reducir las vibraciones que se producen en la silla de los pilotos de helicópteros debido al movimiento de las aspas de dicha aeronave. Durante el vuelo, las sillas, el cíclico, el colectivo, los pedales y los mecanismos de control trasmiten las vibraciones directamente al cuerpo del piloto, el cual experimenta un sinfín de sensaciones que pueden llegar a poner en riesgo la seguridad del vuelo, y que posteriormente con el tiempo, ocasionan problemas de salud en los pilotos, especialmente de columna y espalda, lo que demanda la inversión de grandes cantidades de dinero en tratamientos físicos y en algunos casos el retiro temprano del personal de vuelo. Con el fin de reducir las vibraciones producidas por los diferentes elementos o componentes que entran en contacto directo con el piloto del helicóptero, la presente invención suministra un dispositivo que se basa en un sistema neumático de bajo peso y costo, que contrarresta las vibraciones sufridas por el piloto, toda vez que neutraliza el movimiento del chasis o de la silla haciendo que la vibración sea absorbida por un balón neumático y no sea transmitida al cuerpo del piloto.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
Los helicópteros cuentan con un número considerable de vibraciones generadas por diversas fuentes, que van desde vibraciones simples originadas por efecto de fuerzas aerodinámicas durante el vuelo, como lo son las inestabilidades aeroelásticas y aeromecánicas, hasta las de mayor rango generadas por el motor y el rotor. Al analizar el comportamiento del helicóptero, se puede observar que la intensidad de las vibraciones se hace mayor durante el despegue y el aterrizaje. Los efectos causados por la vibración se subdividen en dos categorías: efectos producidos por causas aerodinámicas y efectos producidos por causas mecánicas. Todos estos efectos traen consigo repercusiones en distintas clases, como son el confort y eficiencia de la tripulación, la fatiga de componentes dinámicos y de la estructura del aparato o la exactitud y grado de eficiencia del equipo electrónico.
El rotor principal del helicóptero produce vibraciones en rangos de 3 a 12 Hz y la frecuencia depende del número de palas. Este rango es mucho menor al producido por el rotor de cola, el cual induce vibraciones entre 20 y 25 Hz. Las vibraciones producidas viajan por el fuselaje de la aeronave en forma de vibraciones de baja frecuencia y afectan adversamente a los controles del helicóptero, al subsistema de operaciones y al confort de la tripulación, sobre todo en aeronaves con rotores bipalas, como el del helicóptero UH-1 H.
Las vibraciones se pueden definir como los movimientos oscilatorios de las partículas de los cuerpos sólidos alrededor de su punto de equilibrio. Tecnológicamente es casi imposible construir una máquina que mueva energía de un lugar a otro sin que la operación esté acompañada de vibraciones de alguna clase. Cuanto más grandes son las partes móviles, más posibilidades hay de que se produzcan vibraciones que generalmente van acompañadas de ruido.
El efecto de la vibración en el cuerpo humano depende de la amplitud y la duración. Debido a la relación de posibles efectos adversos sobre el cuerpo humano, las vibraciones de baja frecuencia (rangos 1-100 Hz) resultan las más perjudiciales para la tripulación. Al estudiar el comportamiento de las vibraciones es importante tener en cuenta cuatro aspectos: la magnitud, la frecuencia, la dirección y la duración.
Así las cosas, unos de los mayores problemas que se presentan con el manejo de helicópteros es que tanto el rotor principal como el rotor de cola, generan vibraciones que son transmitidas directamente al personal de vuelo, especialmente pilotos y copilotos, toda vez que las sillas de estos tripulantes se encuentran unidas directamente a las vigas de los mencionados rotores, las cuales son parte del chasis de la aeronave. En este sentido, cada vez que el piloto maneja el helicóptero, el movimiento de las aspas se va a transmitir directamente a su silla y por ende a su cuerpo, lo cual conlleva a serios problemas de salud a futuro.
Debido a este tipo de situación, los centros médicos especializados en medicina aeroespacial realizan un seguimiento continuo a la salud e integridad física de los pilotos, haciendo énfasis en los pilotos de helicóptero, quienes se ven sometidos, en mayor medida, a la exposición de vibraciones perjudiciales. Las principales consecuencias observadas en este grupo de personas se encuentran generalmente reflejadas en problemas lumbares en un 63% y de ellos un alto porcentaje de casos se agravan con la exposición continua a las vibraciones producidas por la aeronave, causando incluso daños irreversibles. Además de influir en la zona lumbar del piloto, las vibraciones afectan también la agudeza visual, la motricidad y la orientación, creando riesgos durante la operación de la aeronave.
Del mismo modo, en el mundo de la aviación con rotor y en el campo de la medicina aeroespacial, se ha dado un especial interés al estudio de las vibraciones del helicóptero y a los efectos que éstas causan sobre el cuerpo de los pilotos. La medicina aeroespacial enfoca sus esfuerzos en lograr concientizar a los pilotos de la importancia de mantener una buena postura durante el vuelo y en mantener actualizadas a diario las bases de datos de los tripulantes que sufren dolencias causadas por las vibraciones. Mientras en otro nivel, el del diseño y el desarrollo de tecnología, los esfuerzos se han enfocado a medidas que buscan minimizar al máximo las vibraciones producidas por el yugo del motor y se han reformado los diseños de las aeronaves para proporcionar vuelos más placenteros.
Según el Colegio Oficial de Pilotos de la Aviación Comercial (COPAC), una investigación del Ejército Austríaco se centró principalmente en los asientos del helicóptero, teniendo en cuenta los parámetros de la Organización Internacional para la Estandarización, ISO 2631 , guía para la evaluación de la exposición humana de la vibración total del cuerpo. Se comprobó, por ejemplo, que el modelo Bell 212, muy habitual en las zonas de costa, las vibraciones en el piso debajo del asiento llegan a los 12 Hz volando a 100 nudos.
Al entrar a hacer el análisis de la aeronave en vuelo real y de los transductores en el panel del asiento, se observó que el asiento aumentó el pico de la amplitud de la vibración, es decir, el asiento tiene un claro efecto negativo sobre el piloto que lo ocupa. Para corregirlo, el Ejército Austríaco redujo la velocidad máxima de vuelo del Bell 212 a 90 nudos. Para cada helicóptero, las frecuencias de vibración en la silla del piloto son diferentes y están relacionadas con el numero de palas del rotor, por ejemplo, el valor estimado para un helicóptero bipala como el UH-1 H, es de 12 Hz. En un estudio publicado en la revista Aviador, el Instituto Acústico Danés realizó en septiembre de 1986 un estudio sobre los efectos fisiológicos de la exposición profesional a las vibraciones de cuerpo completo, con 10 pilotos de Bell 212 y AS332 Súper Puma que son helicópteros medianos de rasgos cercanamente comparables con los UH-1 H; en vuelos cuya duración diaria es de entre 3 y 6 horas, dio como resultado que la vibración del helicóptero, medida con un filtro de carga de acuerdo con ISO 2631 , es muy cercana a una exposición pura sinusoidal con la frecuencia de giro de las palas, en el caso del Bell 212 esto es 11 Hz, lo cual produce molestias corporales en los pilotos". De igual forma, en una inspección realizada entre 802 pilotos de la Armada norteamericana (US Navy), 72,8% experimentaron uno o más episodios de molestias de espalda mientras volaban helicópteros. De acuerdo a los datos obtenidos en los estudios mencionados anteriormente las vibraciones producen una gran variedad de síntomas, ya que se ve que los datos muestran que debe existir una exposición mínima a la duración del vuelo antes de que se experimente dolor de espalda. Como resultado, se determina que existen dos factores fundamentales para tener en cuenta a la hora de desarrollar el diseño de las nuevas sillas para aeronaves y que estos dos factores están directamente implicados en la mayoría de los casos de dolor de espalda en pilotos de helicóptero, los cuales son la postura del piloto en vuelo y la exposición a las vibraciones transmitidas por la silla, el cíclico y los pedales.
Por lo tanto, se hace necesario contar con un dispositivo o sistema que permita reducir las vibraciones que se generan por el rotor principal y el rotor de cola de un helicóptero, sin necesidad de modificar ninguno de estos dos componentes principales de la aeronave. En este sentido, en el estado de la técnica existen varios tipos de sistemas reductores de vibraciones para instalación en la silla del piloto de un helicóptero. Uno de éstos se encuentra en el documento EP 1392987, el cual se refiere a un dispositivo de amortiguación para reducir la vibración en helicópteros y que comprende un dispositivo conversor de energía mecánica en energía eléctrica. Éste se monta en una placa base unida a la estructura de la aeronave y su efecto amortiguador se basa en el uso de un circuito magnético suspendido en al menos un resorte, donde todo el dispositivo es instalado en el rotor principal del helicóptero. Una de las principales desventajas que se presenta con la aplicación de la invención descrita en el documento anterior es que el sistema de reducción de vibraciones se instala en la parte externa de la aeronave, específicamente en el rotor principal, lo cual hace que dicho dispositivo tenga unos costos elevados de instalación y mantenimiento. Además, se corre el riesgo que afecte el comportamiento de las aspas puesto que se hace necesario la inclusión de un dispositivo externo a la aeronave.
De otra parte, el documento EP 1659309 divulga un aparato amortiguador para reducir las vibraciones que se producen por el movimiento de los rotores en un helicóptero, donde dicho aparato incluye un pistón que se mueve en un fluido hidráulico dentro de una cámara de amortiguación, el cual resiste el movimiento del pistón por medio de la presión de dicho fluido, lo que suministra fuerzas de amortiguación que actúan para oponerse al movimiento del pistón reduciendo o cancelando así las vibraciones producidas por los rotores de la aeronave. La principal desventaja que presenta la invención descrita en dicho documento se basa en la complejidad del sistema de amortiguación, toda vez que se hace necesario la inclusión de un fluido hidráulico cuyo uso no es aconsejable para un helicóptero, toda vez que la cámara que contiene dicho fluido puede sufrir golpes que la puedan agrietar dejando salir el fluido y provocando problemas en el rotor del helicóptero.
Considerando la información anterior es evidente que existía en el estado de la técnica la necesidad de diseñar e implementar un dispositivo para reducir las vibraciones producidas por los rotores de un helicóptero y que se transmiten directamente al piloto por medio de su silla, donde dicho aparato no interfiera con los mecanismos de vuelo, que no afecte la comodidad del piloto, que sea de fácil instalación y mantenimiento y que además, sea económico, portátil y que pueda ser instalado en cualquier tipo de helicóptero y para cualquier piloto, sin importar su peso o constitución física.
DESCRIPCION DE LAS FIGURAS La invención puede ser entendida de una mejor forma por medio de las figuras, donde se muestran cada uno de los elementos que componen el sistema reductor de vibraciones en la silla de pilotos de helicópteros que se desea proteger. Además, las figuras muestran los números de referencia asignados a cada uno de los elementos que conforman dicho sistema.
La figura 1 corresponde a una vista general del dispositivo reductor de vibraciones de la presente invención acoplado al soporte de la silla de la aeronave.
La figura 2 corresponde a una vista frontal general del dispositivo reductor de vibraciones de la presente invención acoplado al soporte de la silla de la aeronave. La figura 3 corresponde a una vista general de la silla del piloto sin el dispositivo reductor de vibraciones.
La figura 4 corresponde al plano neumático del dispositivo reductor de vibraciones. La figura 5 corresponde a un esquema general del helicóptero, de la configuración de los rotores de la transmisión y de las vibraciones a la silla del piloto.
La figura 6 corresponde a la gráfica de recomendación del tiempo máximo al que debe estar expuesto un piloto de acuerdo a la norma ISO 2631-1978.
La figura 7 corresponde a una vista en detalle de los cilindros concéntricos del mecanismo de adaptación a la silla del dispositivo de la invención.
La figura 8a corresponde a una vista superior de la estructura de soporte del fuelle a la silla del helicóptero.
La figura 8b corresponde a una vista frontal de la estructura de soporte de la figura 8a.
La figura 9 corresponde a una vista general del mecanismo de seguridad y anclaje del dispositivo de la invención para fijar la silla al suelo de la aeronave. La figura 10 corresponde a una vista en detalle del mecanismo de seguridad y anclaje y la estructura de soporte del fuelle a la silla cuando dicho mecanismo no ha sido activado.
La figura 11 corresponde a una vista en detalle del mecanismo de seguridad y anclaje y la estructura de soporte del fuelle a la silla cuando dicho mecanismo ha sido activado.
La figura 12 corresponde a una vista en perspectiva posterior de la cabina de la aeronave con el dispositivo reductor de vibraciones implementado sin las sillas del piloto y copiloto. La figura 13 corresponde a una vista en perspectiva posterior de la cabina de la aeronave con el dispositivo reductor de vibraciones incluyendo las sillas del piloto y copiloto.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION El dispositivo reductor de vibraciones de la presente invención tiene como objetivo aislar la silla del piloto de un helicóptero del suelo de dicha aeronave, con el fin que los rieles sobre los que se desplaza la silla dejen de comportarse como si hicieran parte del piso del helicóptero. Al levantar la silla del suelo, se hace necesario un rediseño de dichos rieles para que éstos permitan adaptar un mecanismo de amortiguación que no limite el movimiento horizontal de la silla y que no interfiera con los mecanismos de mando de la aeronave, especialmente con el colectivo, el cual se encuentra ubicado muy cerca a la estructura base de la silla.
El dispositivo reductor de vibraciones en las sillas de los pilotos de helicóptero comprende los siguientes elementos o partes:
• Un fuelle neumático (1) ubicado debajo de la estructura de la silla del helicóptero, el cual actúa como sistema de amortiguación para la silla y la eleva sobre el piso de la aeronave, con el fin de contrarrestar las vibraciones generadas por los rotores del helicóptero. · Una válvula anti-retorno (2), que asegura que el aire del fuelle (1) no se devuelva, garantizando que la presión de éste se mantenga y las vibraciones del helicóptero sean anuladas y no se transmitan a la silla del piloto. • Una electroválvula o válvula solenoide (3).
• Una válvula reguladora de presión (4).
• Una bomba o compresor (5) para suministrar aire al fuelle (1) a través de la válvula antiretorno (2) y la válvula reguladora de presión (4). Esta bomba o compresor (5) es controlada por medio de la válvula reguladora de presión (4) con el fin de suministrar al fuelle (1) la cantidad de aire suficiente para la levantar la silla dependiendo del peso y constitución física del piloto.
• Un mecanismo de adaptación a la silla (6) que permite que el dispositivo reductor de vibraciones pueda ser instalado en la parte inferior de la silla del piloto, específicamente con la silla acoplada a los rieles (602).
• Un mecanismo de seguridad (7) y anclaje al piso, que aisla la silla para que no se apoye directamente sobre el suelo de la aeronave en caso de una pérdida repentina de presión de aire en el fuelle (1), lo que evita que el golpe por dicha pérdida de presión pase directamente a la columna del piloto a través de la silla.
En una modalidad de la invención, el dispositivo reductor de vibraciones tiene una altura máxima de 10 cm, ya que esta es la distancia desde el suelo de la cabina hasta la altura mínima de la silla. El dispositivo también debe soportar una fuerza mínima de 1583.77 N, la cual equivale a la fuerza ejercida por el peso del piloto y la silla.
El dispositivo reductor de vibraciones trabaja con presiones no mayores a 0.8 MPa, la cual es la presión máxima resistida por el fuelle (1). Para llevar a cabo las conexiones entre el fuelle (1) y la válvula anti-retorno (2), se hace necesario el uso de unas mangueras de poliuretano para conexiones neumáticas que resista hasta 1.2 MPa de presión. Estas mangueras tienen diferentes calibres de diámetro exterior y están hechas con materiales sintéticos muy livianos y deben ser flexibles para permitir la formación de curvaturas que no afecten el caudal de aire, logrando así facilitar la instalación dentro de la aeronave. Para conseguir estas condiciones se trabaja con un diámetro exterior de tubería entre 4 y 8 mm, preferiblemente 6 mm, que es el diámetro del tubo de acceso hacia los fuelles (1).
El fuelle neumático (1) es un mecanismo de amortiguación simple redondo cuyo tamaño varía según las especificaciones necesarias del sistema a amortiguar. Este tipo de fuelle (1) tiene un peso que se encuentra entre 800 y 1000g, preferiblemente 900g y cuenta con dos superficies de fijación, una superior (101) y una inferior (102) fabricadas preferiblemente en acero cincado y una entrada de aire (103) a la cual se conecta la válvula anti-retorno (2), que evita que el fluido se dirija en sentido contrario, asegurando que el fuelle neumático (1) no tenga pérdidas de aire debido a la fuerza que se le aplica.
Preferiblemente, la válvula (2) es una válvula anti-retorno desbloqueare (2) que deja abierta la posibilidad de suprimir el bloqueo por medio de un pilotaje, garantizando que el dispositivo se pueda graduar a las condiciones de cada piloto. Estas válvulas normalmente trabajan con tubería de 8 mm de diámetro, lo que exigiría un racor rápido de ¼, para que la válvula se adapte a la tubería deseada.
La válvula anti-retorno (2) tiene normalmente flujo en su entrada para que permita el acceso del aire al fuelle (1), pero en el momento de liberar la presión de éste con el fin de graduar el sistema a una presión menor, se debe tener flujo únicamente por el desbloqueo. Esto hace necesario el uso de válvulas (3) actuadas por solenoides piloto, con retorno por la acción de un resorte, 3/2 normalmente cerradas, las cuales cumplen la función del mando neumático sobre la válvula antiretorno (2). Para el control del flujo de aire a través del sistema, se pueden utilizar electroválvulas o válvulas de accionamiento mecánico (3), las cuales generan mayor confiabilidad y permiten una automatización posterior para otro tipo de aplicaciones que se deseen en la aeronave. Estas electroválvulas (3) pueden ser alimentadas con 24V, que es el voltaje que maneja el helicóptero, la señal que ellas emiten ingresa al dispositivo por medio de un actuador sencillo y de fácil operación. Así las cosas, se requiere controlar la dirección del flujo de aire por la acción de la válvula anti-retorno (2) con el fin de garantizar que el sistema del fuelle (1) se estabilice a la presión deseada. En la figura 4 se muestra como interactúan las válvulas (3) con la válvula (2) y con el fuelle (1). Como se puede observar, cada una de las válvulas solenoides (3) controla las entradas de aire hacia los fuelles (1) y se instalan de tal forma que una válvula (3) controla el desbloqueo y la otra controla la alimentación. Al activar la válvula solenoide (3) de alimentación se permite que el aire llegue hasta la válvula anti-retorno (2), pero no hasta su desbloqueo, lo que hace que los fuelles (1) alcancen el equilibrio a la presión deseada logrando la estabilidad del sistema. Al realizar el vuelo, el sistema no interfiere con ninguno de los controles de mando de la aeronave y su instalación es sencilla. Ante la necesidad de graduar de nuevo los fuelles (1) a una presión menor, se activa únicamente la válvula (3) que controla el desbloqueo de la anti-retorno (2), con lo que se libera aire de los fuelles (1 ) al ambiente.
El sistema se alimenta por medio de una bomba o compresor (5), el cual es portátil y maneja presiones hasta de 2.07 MPa. Para lograr la estabilidad de los sistemas neumáticos se utiliza normalmente un acumulador que está incorporado en el compresor, el cual se encarga de compensar las oscilaciones de la presión y sirve como depósito al que se recurre para cubrir picos de consumo de aire comprimido, lo que los hace adecuados cuando se requiere disponer de suficiente aire comprimido como para alimentar los actuadores que funcionan ejecutando ciclos rápidos, como los fuelles (1) que se van a usar en el mecanismo de amortiguación. Cuando los fuelles (1) se encuentran funcionando a 0.8 MPa de presión, la cual es la máxima presión permitida para su operación, tienen un volumen máximo de 0,8 L, por lo que se prefiere el uso de un acumulador de 5 L para abastecer el sistema sin necesidad de usar el compresor (5), con lo que se logra autonomía cuando el compresor (5) falla. De otra parte, el flujo de aire que ingresa al fuelle (1) debe ser controlado por una válvula eléctrica reguladora de presión (4), de tal forma que se logre aumentar o disminuir el flujo de aire hacia el fuelle (1) según los requerimientos. El dispositivo reductor de vibraciones tiene un mecanismo que permite graduar la presión de la entrada del aire hacia las válvulas, la cual se puede visualizar con un manómetro.
Con el fin de garantizar el funcionamiento del sistema de amortiguación neumática, la implementación de los fuelles (1) en la silla del piloto exige una modificación de los rieles que la soportan, lo cual se logra por medio de un mecanismo de adaptación a la silla (6). Dicho mecanismo de adaptación (6) se muestra en las figuras 8a y 8b y cuenta con cuatro cilindros redondos (601) a manera de guía que tienen una altura entre 2,5 y 3,5 cm, preferiblemente 2,9 cm. Estos cilindros son fabricados en el mismo material de la silla y se conectan directamente en los rieles (602) que soportan la silla del piloto asegurando su movimiento en el eje horizontal. Estos cilindros (601) permiten el movimiento libre de la silla sobre el mecanismo de seguridad y anclaje (7), tal como se observa en la figura 10, en el eje vertical, pero limitan el movimiento en cualquiera de los otros ejes y cuentan con un seguro contra accidentes (7) que garantiza la estabilidad de la silla en caso de una posible colisión. Los rieles (602) se mantienen estables gracias a una estructura conformada por cuatro cilindros (601), unidos a cuatro varillas (606) ubicadas en forma de X y unidas mediante una plataforma central (607) a la cual se conecta el fuelle (1) mediante dos perforaciones (608) que trabajan con pernos y de igual manera no interfieren con la conexión de las válvulas anti-retorno (2). Siendo así, el fuelle (1) queda ubicado justo en la mitad de los vértices que dominan los rieles y cuando se encuentra en su expansión máxima, separa la silla del suelo aproximadamente 1 ,8 cm.
La estructura en X es construida con unos ángulos de inclinación definidos de tal manera que cuando el fuelle (1) se encuentra en su posición de expansión máxima la silla se eleve del suelo una altura aproximada de 1 cm. Esta elevación permite mantener la silla despegada del suelo el mayor tiempo posible, lo que reduce las vibraciones de manera notoria.
Los cilindros (601) tienen que permitir al máximo el movimiento vertical de la silla, el cual será controlado posteriormente con el fuelle (1) pero debe asegurar que cuando la aeronave realice virajes o varíe su centro de gravedad, los cilindros (601) no se traben con las guías, evitando el desplazamiento vertical. Con el fin de garantizar este movimiento, se implanta un sistema a manera de buje flexible, el cual está compuesto por dos cilindros, uno interior (603) y uno exterior (604) del mismo largo pero de diferentes diámetros, ubicados de manera concéntrica y con sus extremos coincidentes. Estos cilindros (603, 604) se unen entre sí por medio de un tercer cilindro de caucho elástico (605), el cual permite que el cilindro interior (603) tenga grados leves de movilidad en los tres ejes, evitando de esta manera que el sistema se trabe con las guías.
El cilindro externo (604) contiene en su interior un cilindro de elastómero (605) el cual permite una deformación leve en cualquiera de las direcciones. Desde estos cilindros que conforman el cilindro (601), se sujeta la estructura que aloja el fuelle, la cual se compone de cuatro varillas de aluminio (606) ubicadas en forma de X, las cuales son mostradas en las figuras 8a y 8b.
A medida que la presión del fuelle (1) va disminuyendo, su altura relativa también lo hace y esto ocasiona que el riel se acerque levemente al suelo hasta llegar a alcanzar su altura mínima, la cual se encuentra entre 4 y 6 cm, preferiblemente 5 cm. Al alcanzar esta altura se activa el mecanismo de seguridad (7), que se encarga de fijar de nuevo la silla al suelo de la aeronave cuando se alcanza el nivel de la altura mínima. El mecanismo de seguridad (7) se compone de básicamente cuatro partes que son: un cilindro guía de los rieles (705), el cual aloja en su interior el resto de elementos, el cilindro de soporte del cerrojo (706), el cual mantiene el pasador (701) en su posición asegurando para que se dispare si la situación lo amerita, el pasador (701) y la tapa del cilindro guía (703). El cilindro guía de los rieles (705) se fabrica en el mismo material de los rieles y es el encargado de que la silla no sufra grandes desplazamientos longitudinales. Este cilindro guía (705) se sujeta al suelo de la cabina de la aeronave por medio de cuatro pernos que fijan toda la estructura al helicóptero.
Al interior del cilindro guía (705) debe ponerse el cilindro (706) cuya principal es mantener el pasador (701) en la posición indicada para su correcto desempeño, por esta razón debe tener una altura entre 35 y 40 mm, preferiblemente 38 mm. Al insertar el pasador (701) al interior del cilindro guía (705), éste coincide perfectamente por la apertura (704) de salida del pasador (701). El cerrojo se divide en dos partes, el pasador (701) y su alojamiento (703), el cual también corresponde a la tapa de los cilindros (705, 706). El alojamiento (703) se puede observar en la figura 7 y es el encargado de asegurar que el pasador (701) se encuentre siempre listo para dispararse y de limitar su movimiento únicamente en una dirección. El alojamiento (703) en su parte trasera tiene una pequeña pared vertical, la cual sirve de punto de apoyo para la plaqueta que sostiene al pasador (701), así se asegura que el resorte (702) que éste tiene, trabaje como un resorte helicoidal de compresión con una carga estática. Esta pared permite que el resorte (702) tenga una carrera máxima entre 12 y 18 mm, preferiblemente 15 mm, que equivale a cuando el seguro se activa sacando el pasador (701). El mecanismo de seguridad (7) consiste en un sencillo mecanismo basado en un pasador (701) y un resorte (702) como el utilizado en las chapas de las puertas, el cual se ubica dentro de cada uno de los cilindros guías (705, 706) de los rieles de la estructura de la silla del piloto. La instalación de este mecanismo se puede observar en las figuras 9, 10 y 11 , en donde se observa que el mecanismo de seguridad (7) garantiza que cuando los rieles (602) bajen hasta una altura crítica, inferior al nivel donde se encuentra el pasador (701), éste se proyecte a través del agujero o apertura (704) y se dispare bloqueando el movimiento vertical del cilindro (601) y con ello el movimiento vertical de la silla. El mecanismo de seguridad (7) puede ser nuevamente activado retrayendo manualmente el pasador (701) hacia dentro de los cilindros guías (705, 706), con lo que el cilindro (601) queda liberado para desplazarse sobre la guía (705).
En las figuras 12 y 13 se muestra la instalación final de todos los componentes del dispositivo de reducción de vibraciones ubicado debajo de las sillas del piloto y copiloto, haciendo la distribución de los elementos de tal modo que no interfieren con las partes fijas de la aeronave como lo son el cíclico (11), el colectivo (12) y el panel de instrumentos (13). Mediante estas figuras de la instalación del dispositivo reductor de vibraciones en puntos específicos de la aeronave se comprueba la sencillez de su montaje, el poco espacio requerido, en comparación con los sistemas existentes en el estado de la técnica y el reducido peso que este dispositivo aporta al peso total de la aeronave. En una alternativa de la invención, el fuelle (1) puede ser llenado con un fluido diferente al aire, el cual puede ser otro gas o una sustancia líquida.

Claims

REIVINDICACIONES
Un dispositivo reductor de vibraciones para las sillas de los pilotos de helicópteros, caracterizado porque comprende:
• un fuelle neumático (1) ubicado bajo la estructura de la silla del helicóptero, el cual corresponde al sistema de amortiguación de dicha silla y la eleva sobre el piso de la aeronave;
• una válvula anti-retorno
(2) que permite que el aire del fuelle (1) no se devuelva y asegura que la presión de éste se mantenga;
• una electroválvula o válvula solenoide
(3), que controla la dirección del fluido en la válvula anti-retorno (2);
• una válvula reguladora de presión (4) que controla la presión de aire que suministra la bomba o compresor (5);
• una bomba o compresor (5) para suministrar aire al fuelle (1) a través de la válvula reguladora de presión (4) y la válvula anti-retorno (2);
• un mecanismo de adaptación a la silla (6) que permite que el dispositivo reductor de vibraciones pueda ser adaptado a la parte inferior de la silla del piloto mediante un par de rieles (602); y
• cuatro mecanismos de seguridad y anclaje (7) al piso que evita que la silla toque el suelo de la aeronave en caso de una pérdida repentina de la presión de aire en el fuelle (1), dicho mecanismo (7) se ancla al suelo y se conecta a cada uno de los extremos del mecanismo de adaptación (6).
El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el fuelle neumático (1) es un sistema de amortiguación simple redondo cuyo tamaño varía según las especificaciones necesarias del sistema a amortiguar, este fuelle (1) se ubica en la parte inferior de la silla y cuenta con dos superficies de fijación, una superior (101) y una inferior (102) y una entrada de aire (103), la cual se conecta con la válvula (2).
El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el mecanismo de adaptación (6) cuenta con cuatro cilindros redondos (601) conectados a dos rieles (602) estabilizados mediante la estructura formada, los cilindros (601) unidos a cuatro varillas (606) ubicadas en forma de X y unidas mediante una plataforma central (607), la cual a su vez comprende dos perforaciones (608) para la fijación del fuelle (1).
4. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque el mecanismo de adaptación (6) está diseñado como un sistema de buje flexible, el cual está compuesto por dos cilindros, uno interior (603) y uno exterior (604) del mismo largo pero de diferentes diámetros, ubicados de manera concéntrica y con sus extremos coincidentes, este par de cilindros (603, 604) se unen entre sí por medio de un tercer cilindro de caucho elástico (605) que permite que el cilindro interior (603) tenga grados leves de movilidad en los tres ejes.
5. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el mecanismo de seguridad (7) consta de un pasador (701), un resorte (702), una corredera o tapa (703) y una apertura (704), donde dicho pasador (701) con el resorte (702) se ubican dentro de cada uno de los cilindros guías (705, 706) de los rieles.
6. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque en el interior del cilindro guía (705) se ubica el cilindro (706) que mantiene el pasador (701) en la posición requerida para su paso a través de la abertura (704) en caso de una pérdida de presión de aire en el fuelle (1) y posee una altura entre 35 y 40 mm, preferiblemente 38 mm.
7. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque el cilindro guía (705) aloja en su interior el resto de los elementos, se fabrica en el mismo material de los rieles y se sujeta al suelo de la cabina de la aeronave por medio de pernos que fijan toda la estructura al helicóptero.
8. El dispositivo de conformidad con las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque los cilindros redondos (601) tienen una altura entre 2,5 y 3,5 cm, preferiblemente 2,9 cm y se acoplan a la guía (705) evitando la expansión del resorte (702) y con la salida del fijador (701) por la abertura (704).
9. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque las conexiones entre los fuelles (1) y las válvulas anti-retorno (2) se realiza por medio de unas mangueras que resisten hasta 1.2 MPa de presión, las cuales tienen un diámetro exterior de 4 a 8 mm, preferiblemente 6 mm y manejan espesores de hasta de 2 mm.
10. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque la válvula anti- 5 retorno (2) es una válvula desbloqueare.
11. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque las electroválvulas (3) son actuadas por solenoides piloto, con retorno por la acción de un resorte, 3/2 normalmente cerradas y cumplen la función del mando neumático.
o
12. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque la bomba o compresor (5) es portátil, maneja presiones hasta de 2.07 MPa y cuenta con un acumulador, el cual se encarga de compensar las oscilaciones de la presión y sirve como depósito para alimentar los fuelles (1) que funcionan ejecutando ciclos rápidos.
5
13. El dispositivo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el dispositivo reductor de vibraciones tiene una altura máxima de 10 cm y soporta una fuerza mínima de 1583.77 N.
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