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针对某型直升机旋翼转速告警误差较大问题的分析

更新时间:2009-03-28

旋翼的转速状况直接关系到直升机的飞行安全和操控性能,对旋翼转速的掌控是直升机飞行员最重要的操控工作之一。某型直升机为了提高对旋翼转速的监控能力,配装了旋翼转速信号系统,实时监测旋翼转速的状况,当旋翼转速接近允许的极限转速时可立即向机组报警。

1 问题现象

直升机飞行手册规定,当旋翼转速达到92%时,接通交流发电机工作开关,发电机开始发电,并向发电机汇流条输出交流电压。机组通过调节发动机转速改变旋翼转速,同时观察机上各仪表和信号指示情况,实现对各相关系统工作参数的检查。

直升机地面试车检查时发现,旋翼转速告警的实际情况与直升机飞行手册规定的数据存在较大误差,且都明显偏低。由于所依据的判断数据是旋翼转速告警指示灯燃亮时的转速表指示,因此造成该现象的原因可能是旋翼转速测量指示系统或旋翼转速信号系统,需深入分析。

2 系统构成与原理

2.1 旋翼转速测量指示系统

为了测量旋翼的转速,在直升机上装有两套磁感应式旋翼转速表,每套旋翼转速表都包括传感器和指示器。传感器装在主减速器上,指示器装在飞行员仪表板上。系统连接原理如图1所示。

旋翼转速表是基于同步电机的原理并利用磁感应的方法间接测量转速的。旋翼和传感器都是由主减速器按照规定的传动比带动的。传感器利用同步电机的原理将旋翼转速按照传动比关系传给指示器的测量部分。传感器本身是三相交流发电机,能将被测转速变换为频率与转速成正比的三相交流电,该三相交流电在指示器定子线圈中形成旋转磁场,带动同步转子一起转动。

指示器的指示部分利用旋转磁铁组磁场与金属盘上感应电流磁场之间的相互作用来带动指针,金属盘产生的转动力矩与旋转磁铁组的转速成正比,再通过游丝的反弹力平衡,使金属盘带动指针一起转动,转动角度与旋转磁铁组的旋转角速度成正比,从而在刻度盘上对应指示出当前旋翼的转速(用旋翼最大转速的百分数表示)。

2.2 旋翼转速信号系统

旋翼转速信号系统由旋翼转速信号器、应急告警信号系统和告警指示灯组成。系统连接原理如图2所示。

直升机左仪表板上的“旋翼转速大”或“旋翼转速低”黄色信号灯亮,表示旋翼转速已接近允许极限。部分直升机上还通过耳机给机组人员发出“旋翼超转”的语音报警信号,实现方式是在旋翼转速信号器的告警输出端上并接语音告警装置,再利用机内通话器系统实现。

当旋翼转速减小到91%时,“旋翼转速低”信号灯亮,当旋翼转速增大到100%时,“旋翼转速大”信号灯亮;当旋翼转速增加到超过91%或减小到低于100%时,上述相应的信号灯应灭(通过观察信号灯燃亮时旋翼转速表的具体指示数来判断是否合格)。

  

图1 旋翼转速测量指示系统连接原理图

  

图2 旋翼转速信号系统连接原理图

由发电机输出电压信号频率推导旋翼转速的关系:

由于脉冲数字电路的延时、误差很小(ns级),对于频率较低(<1000Нz)的信号周期比较判定精度可以做得很高。考虑到内部采用调节电容器电路的充放电系数来控制单稳态多谐振荡器作为标准周期脉冲形成电路,并采用三极管、二极管矩阵和晶体三极管作为整流变换电路,再加上内部的二次电源电路稳压精度等因素,旋翼转速信号器实际等效的频率比较判定精度能达到±0.1Нz。

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3 误差原因分析

3.1 旋翼转速信号器的产品技术维护手册规定

在内场测试时,通过改变模拟信号频率来调试检测其监控告警的技术性能,规定的指标为:当转速信号频率低于382±4Нz或高于420±4Нz时,输出告警信号;在直升机上开车进行工作能力检查时,当发电机的交流电信号频率低于374~390Нz或高于412~428Нz(利用数字频率表监测)时,信号灯“旋翼转速低”或“旋翼转速大”应相应地燃亮,同时应备注“使用单位可以按与旋翼转速信号器承制单位协调好的专用手册进行检查”。

3.2 直升机飞行手册规定

  

图3 直升机减速器传动系统图

旋翼转速信号器由整流装置汇流条的直流28V电源供电工作,它实时检测来自发电机汇流条的交流电信号,由于旋翼和发电机都是通过主减速器按照规定的传动比带动的,该交流电信号的频率与旋翼的转速成正比。当该频率相对于允许的高低转速阀值过高或过低时,对应的告警输出电路将闭合。

在飞行中,当“旋翼转速低”或“旋翼转速大”信号灯亮时,应立即根据旋翼转速表指示器检查旋翼转速。如果旋翼转速超出允许范围(91%或100%)时,相应偏转直升机的操纵机构(根据飞行状态),将旋翼转速调定在允许范围内。

3.3 理论分析

根据直升机减速器的传动关系,图3给出了旋翼转速为95%时各部位的具体转速值,由于都是通过齿轮传动,由齿轮的齿数可知各部位间的传动转速关系也是精确对应的,由此可以作如下推导。

部分指标判识原则:指由下一级预警结果确定高级别预警结果过程中,指标获取不全时按照已经获取指标判断的最高级别等级向上一级预警结果传递,待其他指标获取时重新按照最高级别原则重新上传。

旋翼转速为95%时:

n旋翼=192rpm

n发电机=8062rpm

n旋翼转速传感器=2375rpm

同理,可推导出其他旋翼转速下的旋翼转速传感器和交流发电机输出电压信号的频率,见表1。

f旋翼=2375rpm÷60s/min×2(磁极对数)≈79.17Нz

综上总结,胃溃疡患者予以消化内镜联合四联疗法,不仅可以将幽门螺杆菌感染根除,同时可以使胃动力学指标得以改善,可在临床上进一步普及。

可以看出,在相同的转速下,旋翼转速信号器采集发电机的输出电压信号频率明显比采集旋翼转速传感器的输出信号频率更能提高对转速的测量分辨率和精度。

旋翼转速1%对应的旋翼转速传感器信号频率变化量为:

本文以绝热加速量热仪为实验平台,如图7所示,以3 g浓度分别为20%、30%、40%、60% DTBP-甲苯溶液为样品对上述动态补偿模型进行验证和分析,其中,经PSO寻优算法得到的动态补偿器参数分别为τ1=0.664 7 s、τ2=20.576 5 s和τ3=53.148 2 s。实验过程中,STM32硬件平台负责温度采集(采样频率10 Hz)、数据发送和动态特性补偿算法的实现,温度数据通过上位机接收并记录,实验完成后,对数据进行处理和分析。

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79.17 Нz÷95%÷100=0.83Нz

发电机内部的磁极为3对,因此旋翼转速95%时其输出电压信号的频率为:

f发电机=8062rpm÷60s/min×3(磁极对数)=403.10Нz

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旋翼转速传感器的本质为两磁极的三相交流发电机,故在旋翼转速95%时输出的交流电信号频率为:

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表1 旋翼转速与旋翼转速传感器和发电机输出信号频率关系

  

旋翼转速(%) 0.5 1 95 91 100 101旋翼转速传感器信号频率(Нz) 0.42 0.83 79.17 75.83 83.33 84.17发电机输出电压信号频率(Нz) 2.12 4.24 403.10 386.13 424.32 428.56

 

表2 指标比对

  

旋翼转速信号器阀值(Нz) “转速小” “转速大”382-4 382 382+4 420-4 420 420+4对应的旋翼转速(%) 89.08 90.03 90.97 98.04 98.98 99.93直升机飞行手册规定值(%) 91 100

 

表3 旋翼转速表指示误差对应的发电机输出电压信号频率

  

旋翼转速表指示(%) 0.5 91 100 90.5 91 91.5 99.5 100 100.5 f发电机(Нz) 2.12 384.01 386.13 388.25 422.19 424.32 426.44

旋翼转速信号器的具体工作原理是脉冲周期比较法。先将输入的发电机交流电信号降压为约5V,再整流变换为与其周期相同的脉冲,通过将脉冲数字电路与标准周期脉冲(低转速阀值和高转速阀值)进行比较,对应判断出发电机的交流电信号频率是否过高或过低。过高时接通“旋翼转速大”告警灯光信号通路,过低时接通“旋翼转速低”告警灯光信号通路。

 

由此可推导出旋翼转速信号器的规定指标所对应的旋翼转速,进而判断出是否与直升机飞行手册规定的旋翼转速信号系统指标参数存在误差,两种指标对比见表2。可见,旋翼转速信号器产品技术维护手册的规定指标与直升机飞行手册规定指标之间存在较大的偏离,而正常内场修理时通常取两种指标的中间值调整参数,导致机上旋翼转速告警信号系统普遍存在误差较大的问题,且都明显偏低。

3.4 其他因素分析

旋翼转速表是直升机上最重要的仪表,为确保其工作的绝对可靠性(不依赖于机上其他任何系统配合),普遍采用传统经典的随动式模拟测量原理,造成系统的方法误差偏大。根据该类仪表的工作原理,传感器和指示器的同步电机测量部分在正常工作时产生的误差很小,系统的主要误差集中在指示器的指示部分。

旋翼转速表技术手册中规定,旋翼转速表在60%~100%范围内的允许误差为±0.5%,迟滞误差和倾斜误差也均应不大于允许误差;其他范围为±1.0%。

由旋翼转速与发电机输出电压频率的关系,可推导出旋翼转速表在指示误差边界的发电机输出电压信号频率值,如表3所示。

从全国四个地区的角度看,西部和东北在20世纪初完成情况差于东部和中部,随着时间的推移,地区间差异逐渐缩小(见下页表3)。在“十五”的完成率中,东部和中部整体上升,西部和东北整体下降,且东北在2005年降至极低值-27.2%,体现地区发展差异大、不平衡程度深。但该差距在“十一五”和“十二五”时期明显缩小,西部与东北完成率快速攀升,基本上各年皆高于20%,在某些年份的完成率甚至高于东部和中部。在“十二五”末期,四个地区的完成率已高度相近,以2014年为例,完成率最高的东部24.9%与最低的东北24%差距仅不到1%。

1.2.3 出血护理患者每次进餐前要进行漱口,以1次/2h为宜,护理人员要指导患者进行冲击性漱口,使患者黏膜皱劈部位能够和漱口液充分接触。护理人员建议患者使用软毛牙刷不要用使用牙签剔牙,以免受到外力撞击对皮肤粘膜进行保护,一旦牙龈口腔出血,可以使用棉棒蘸生理盐水进行擦拭,口腔局部涂抹止血药。鼻出血可以给予填塞法或是局部冷敷法。拔针后注射部位加压数分钟,一旦出现渗漏现象或是局部红肿应当立即用50%的硫酸镁对局部湿敷,或是在血管的上方外敷新鲜马铃薯片,可以使局部的肿痛现象减轻[3]。

因此,机上旋翼转速告警信号系统的误差还与旋翼转速表的指示误差状况有关,当旋翼转速表的指示误差为负误差时,告警误差偏小;为正误差时,告警误差更大。

4 结论

由于直升机研制中的沟通协调不够,旋翼转速告警信号系统出现设计偏离,造成了普遍存在告警误差大的问题。解决办法是根据旋翼转速信号器的工作原理改变其高低转速阀值,从而调整告警指标,具体做法是调节内部标准周期脉冲形成电路的单稳态多谐振荡器电容电路的电阻值。

在本文的示例中,为了消除设计偏离,综合考虑旋翼转速信号器和旋翼转速表的性能指标状况,将旋翼转速信号器的内场修理和机上检查指标调整为:当转速信号频率低于386.1±2.0Нz或高于424.3±2.0Нz时,输出告警信号。经实际装机验证,参数调整后旋翼转速告警符合直升机飞行手册规定,实现了系统设计的功能需求。

 
陈池礼
《航空维修与工程》 2018年第04期
《航空维修与工程》2018年第04期文献

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