Дудник В.В. - Конструкция вертолетов - 2005. В. В. Дудник конструкция вертолетов
 Скачать 3.33 Mb.
|
|
Система крепления главного редуктора связывает глав- ный редуктор с фюзеляжем вертолета. Одним из распространенных вариантов крепления редук- торов несущих винтов к фюзеляжу является подредукторная рама (рисунок 61), в которой все нагрузки передаются через восемь прямолинейных стержней. Существует еще несколько способов крепления главного редуктора. Один из вариантов - это крепление не с помощью единой рамы, а с помощью от- дельных стержней. Тогда их количество может быть другим, например, равно семи. Системы крепления главного редуктора передают на фю- 84 Рисунок 60. Схема «классического» (а), сверхкритическо- го (б) и упругого сверхкритического (в) трансмиссионного вала. 1 – отрезок вала, 2 – опора вала, 3 – гаситель колебаний, 4 – электромагнитный подшипник. зеляж вибрационные колебания несущего винта и редуктора. Высокие уровни вибрации лишают комфорта пассажиров, увеличивают усталость экипажа, понижают надежность и долговечность оборудования. Работа над методами снижения этой вибрации велась вертолетостроителями разных стран мира. В результате был разработан целый ряд способов креп- ления редукторов с использованием средств активной или пассивной виброизоляции. Например, в узлах крепления под- 85 редукторной рамы к фюзеляжу могут быть установлены не- большие резиновые амортизаторы. Более эффективным спо- собом защиты от колебаний является установка главного ре- дуктора на виброизоляторы и демпферы (рисунок 62). Однако вибрационная защита с помощью пассивных средств оказыва- ется малоэффективной при возбуждении колебаний в области низких частот, а также при действии вибрации с широким спектром. Самым эффективным средством снижения вибрации на борту, на сегодняшний день, является использование систем активных опор. В этом случае для крепления главного редук- тора используются стержни, которые могут изменять свою длину под действием электрического тока (рисунок 63). Такая система крепления редуктора, кроме стержней, содержит чув- ствительные элементы и управляющие устройства. В качестве чувствительных элементов используются датчики, регистри- рующие вибрационные параметры, - акселерометры. Сигналы датчиков используются для формирования сигналов управле- ния. Управляющий алгоритм обрабатывает их и рассчитывает приложение управляющих усилий. После усиления сигналы подаются в активные опоры, создающие управляющее воз- действие, например, поднимающие или опускающие редуктор в зависимости от вида и фазы колебаний. Таким образом, ак- тивные опоры сами трясут главный редуктор. В результате взаимодействия вибрации, индуцирован- ной опорой, с той, которая передалась от несущего винта, ко- лебания фюзеляжа уменьшаются (рисунок 64). Такая система опор позволяет гасить вибрацию на нескольких гармониках в широком спектре частот. Однако недостатками ее являются значительная сложность конструкции опор и высокая стои- мость. Более простым вариантом активной системы вибропо- нижения является система снижения шума. Наибольшие шу- мы также приходят внутрь вертолета от редуктора и несущего винта в виде высокочастотной вибрации (1-3 кГц) через опо- ры редуктора. 86 Рисунок 61. Подредукторная рама. Рисунок 62. Крепление главного редуктора с помощью системы виброизоляторов и демпферов. 87 Рисунок 63. – Разрез одной из активных опор главного редуктора вертолета ЕН101. Рисунок 64. – Вертикальные виброускорения вертолета ЕН101 с включенным виброгасителем и без. 1 – выключенная система виброгашения, 2 – включенная сис- тема виброгашения, 3 – зарубежные военные требования, 4 – величина, рекомендованная для современных гражданских вертолетов. 88 Применение активных «антишумовых» опор позволя- ет, например, пассажирам использовать мобильные телефоны без специальных наушников. Работы по внедрению таких систем ведутся во многих странах мира. Этому способствует не только простота, но и возможность устанавливать систему на уже существующий вертолет, без изменения его конст- рукции. Система представляет собой комплекс измерителя вибрации, устройства и активатора (рисунок 65а). Активатор подавляет колебания путем приложения управляющих сило- вых воздействий, используя для формирования управления результаты измерения вибрации в опоре. При этом активато- ры обычно выполняются в виде тонкостенных пластин пьезо- элементов, приклеенных на типовые опоры главного редук- тора (рисунок 65б). Пластинки вызывают микроперемещения в опорах (порядка 0,5 мкм), что является достаточным для снижения шума, проходящего от главного редуктора и несу- щего винта. Например, на вертолете ВК117 опоры понижают пиковую звуковую частоту на 11 дБ. Рисунок 65. Схема бортовой активной системы сниже- ния шума вертолета (а) и сечение опоры с активатором (б). 1 – трехкомпонентный акселерометр, 2 – управляющий блок, 3 – активаторы, 4 – пьезоэлектрические пластины, 5 – клеевой слой, 6 – металлический стержень опоры главного редуктора. 89 5.3. Диагностирование элементов трансмиссии Трансмиссия является наиболее дорогим и ответствен- ным агрегатом вертолета, разрушение которого в полете часто приводит к гибели воздушного судна. Раннее выявление де- фектов элементов повышает безопасность полетов и снижает стоимость эксплуатации, за счет удлинения срока их исполь- зования, поэтому в состав трансмиссии современных вертоле- тов часто вводят бортовые средства диагностики. Основные поломки трансмиссии происходят в зубчатых передачах и подшипниках. Наиболее распространенной формой поломок редукто- ров является разрушение зубьев в зацеплениях. Обычно по- ломки зуба возникают из малых дефектов в корне зуба (рису- нок 66), которые, в свою очередь, приводят к потере большего куска зуба. Влияние таких дефектов снижает изгибную жест- кость зуба. Жесткость всего зубчатого зацепления изменяется во времени, в зависимости от различных параметров, таких как количество зубьев, участвующих в зацеплении, размер линии контакта и других. Изменение параметров является основным источником вибрации зубчатого зацепления. Мо- дель зубчатого зацепления показана на рисунке 67. До начала работы центры зубчатых колес находятся в точках 1 и 2. По- сле начала, вследствие упругого взаимодействия, происходит деформация валов и центры колес отодвигаются друг от друга на некоторое расстояние, оказываясь в точках 1 ′ и 2 ′ . Так как упругие свойства нормальных зубьев примерно равны, во вре- мя работы центры находятся в этих точках постоянно. В мо- мент зацепления зуба имеющего трещину, но еще могущего нести нагрузку, происходит резкое уменьшение жесткости контакта, и валы, на некоторый момент времени, сдвигаются в обратном направлении, к точкам 1 и 2. Естественно, такое резкое перемещение значительных масс металла может быть зафиксировано датчиками ускорений в виде вибрационных всплесков. На рисунке 68а показана запись вибрации, подшипника опоры вала зубчатого колеса содержащего 24 зуба. На рисун- 90 ке 68б показана запись вибрации этого же колеса, но с искус- ственной трещиной корня одного из зубьев. На диаграмме хорошо видно, что в момент зацепления зуба с измененной жесткостью наблюдается усиленный колебательный процесс, вызванный изменением деформации вала, которая передалась на опору с датчиком. Своевременный анализ вибрационных процессов бор- товыми средствами диагностики позволяет выявить неболь- шие дефекты еще до разрушения зубьев. Рисунок 66. Возникновение трещины в корне зуба. Рисунок 67. Схема зубчатого зацепления. 91 Рисунок 68. Запись виброускорения, в зависимости от но- мера зуба зацепления, не имеющего дефектов (а), и с того же зацепления, но с трещиной одного зуба (б). Еще одним опасным видом разрушений является поломка подшипников качения. Как и в случае с зацеплениями, спектр и форма сигнала вибрации содержит информацию о харак- терных дефектах подшипников. Например, если на внешней дорожке присутствует какой-нибудь недостаток – раковина или посторонний предмет, через некоторое время этот дефект 92 вызовет износ и деградацию элементов качения, а затем пере- дастся и внутренней дорожке подшипника. Характерные час- тоты кратны количеству ударов за один оборот вала, возни- кающих вследствие наличия определенного дефекта. Дефекты подшипников, которые можно распознать с по- мощью вибрационного анализа, включают в себя: дефекты внутренней и внешней дорожек качения, дефекты элементов качения, дефекты сепаратора, ослабление посадки подшипни- ка, увеличенный внутренний зазор, проворачивание внутрен- него кольца на валу, перекос подшипника и дефекты смазки. Подшипник с дефектом на внешней дорожке может прослу- жить дольше, чем с дефектом на внутренней. Штатные системы диагностики современных вертолетов обеспечивают запись вибрационных характеристик редукто- ров, подшипников опор на частотах 4-20000 Гц и регистра- цию режимов полета. Обычно после каждого полета эти дан- ные передаются на наземный комплекс, который, обрабаты- вая полученную информацию, выдает сведения о возможных проблемах в работе трансмиссии в будущем. Кроме того, дан- ные на каждый летательный аппарат заносятся в базу данных позволяющую эксплуатантам централизованно контролиро- вать состояние техники. 93 6. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ 6.1. Конструктивно-кинематические схемы управления вертолётом Для создания сил и моментов, необходимых для заданного движения вертолета, используется система управления. Система управления вертолета состоит из четырех основ- ных каналов. Они разделяются на управление общим шагом (управление подъёмной силой по вертикальной оси), цикли- ческим шагом несущего винта (продольное и поперечное управление) и путевое управление (поворот относительно вертикальной оси). Управление общим шагом лётчик осуществляет при по- мощи рычага, расположенного слева от него. Управление циклическим шагом несущего винта производится с помощью ручки управления, установленной в кабине. Непосредственно лопасти несущего винта меняют свои углы установки при по- мощи кинематического механизма автомата перекоса. Путе- вое управление производится с помощью педалей. На верто- лёте одновинтовой схемы путевое управление предназначено для изменения общего шага рулевого винта. Часто вертолеты имеют сдвоенное управление, то есть управление командира воздушного судна и второго пилота механически взаимосвязаны. На большинстве существующих вертолётов применяется механическая система управления. Такие системы обладают высокой надежностью, но обладают большой массой, значи- тельным количеством деталей, сложной регулировкой резо- нансных характеристик и рядом других недостатков. На но- вых летательных аппаратах чаще используются электриче- ские дистанционные системы. Такие системы лишены многих недостатков. Долгое время они не внедрялись, вследствие не очень высокого уровня надежности. В настоящее время уро- вень надежности доведен до приемлемого состояния. Типовая схема механической системы управления одно- винтового вертолета показана на рисунке 69. Для управления двигателями, тормозом несущего винта, остановом двигате- 94 лей и пожарными кранами в кабине размещаются ручки вспомогательного управления. В каналах управления вертолетом могут быть установле- ны гидроусилители, загрузочные и триммерные механизмы. Гидроусилители управления несущего винта устанавливают- ся, как правило, на главном редукторе. Таким образом, обес- печивается большая жесткость узлов крепления усилителей, которая необходима для исключения явления резонансов в системе управления. Рисунок 69. Типовая схема механической системы управ- ления одновинтового вертолета. 1 – педали, 2, 3 – ручки управления циклическим шагом и тормоза несущего винта, 4 – рукоятки управления остановом двигателей, 5, 6 – тросовая проводка управления рулевым винтом и стабилизатором, 7 – гидроусилители системы управления несущим и рулевым винтом, 8 – тросовая провод- ка тормоза несущего винта, 9 – дифференциальный механизм, 10 – раздвижная тяга, 11 – ручки раздельного управления дви- гателями, 12 – рычаг управления общим шагом, 13 – рукоятки управления пожарными кранами. Если в системе управления используется тросовая про- водка, то она может быть дублирована, что повышает ее на- дежность. 95 На рисунке 70 показана схема управления соосного верто- лета. Системы продольного и поперечного управлений связы- вают ручку циклического шага с автоматами перекоса. Сис- тема путевого управления соединяет педали путевого управ- ления с лопастями несущего винта и рулями направления хвостового оперения, при этом поворот осуществляется изме- нением углов установки верхнего и нижнего несущих винтов. Рисунок 70. Система управления соосного вертолета Ка – 26. 1, 2, 3, 5 – гидроусилители поперечного и продольного управления, управления общим и дифференциальным шагом; 4 – тросовая проводка управления рулями вертикального опе- рения. 6.2. Управление циклическим шагом несущего винта Управление циклическим шагом состоит из колонки управления, системы тяг и качалок, гидроусилителя и автома- та перекоса. Одна линия проводки предназначена для про- дольного управления, вторая – для поперечного управления (рисунок 71). Колонка управления циклическим шагом выполняется в виде отдельного агрегата и крепится к каркасу пола кабины летчика. Кинематика колонки должна обеспечивать макси- 96 мальную независимость продольного и поперечного переме- щений ручки управления (рисунок 72). Рисунок 71. Схема управления циклическим шагом несу- щего винта. 1 – ручка управления, 2, 4 – электромеханизмы, 3, 5 – пру- жинный механизм загрузки продельного и поперечного управления, соответственно, 6, 7 – тяга продольного и попе- речного управления, 8, 9 - гидроусилитель продольного и поперечного управления. Существенно отличается от вышеописанной только сис- тема циклического управления, применяемая на некоторых вертолетах американской фирмы Каман. Она подразумевает управление подвижными закрылками, установленными на лопастях. Вдоль каждой лопасти проходят тяги, кинематиче- ски соединенные с колонкой управления, которые и приводят в действие закрылок. 97 Рисунок 72. Схема колонки циклического управления 1 – вращающееся основание колонки управления, 2 - тяга продольного управления, 3 - качалка продольного управле- ния, кронштейн поперечного управления. 6.3. Управление общим шагом несущего винта и двигателями Управление общим шагом несущего винта и двигателя (рисунок 73) на вертолете осуществляется рычагом общего шага, который кинематически связан с ползуном автомата перекоса при помощи рычага и одновременно с рычагами то- пливных агрегатов, расположенных на двигателях. Изменение общего шага связано с управлением мощно- стью двигателей вертолета либо посредством механической кинематической связи или автоматически через стабилизатор частоты вращения. В обоих случаях оно обеспечивается под- держанием заданной частоты вращения несущего винта при изменении общего шага, так как одновременно, соответствен- но, изменяется мощность двигателя. В случае механической связи шага с газом ручка имеет специальную поворотную ру- коятку коррекции, соединенную с дросселем (рычагом подачи топлива) двигателя. При помощи этой рукоятки летчик может изменить частоту вращения несущего винта в допустимых пределах, независимо от его шага. 98 Рисунок 73. Схема управления общим шагом и двигателя- ми вертолета с включенным по дифференциальной схеме ав- топилотом. 1 – рычаг «шаг-газ», 2 – рычаги раздельного управления двигателями, 3 – дифференциальные рычаги, 4 – рулевая ма- шина, 5 – электромагнитная муфта, 6 – пружинная тяга, 7 – рычаг общего шага, 8 - рычаги управления двигателями, 9 – гидроусилитель общего шага. На оси вращения рычага общего шага обычно устанавли- вается специальное фрикционное устройство с механическим 99 или гидравлическим растормаживанием, позволяющее пилоту устанавливать и фиксировать рычаг в любом положении. Для фрикциона необходимо, чтобы при его растормаживании на оси вращения рычага управления оставалось некоторое тре- ние, которое в сумме с трением в проводке превышало бы примерно в два раза величину трения в гидроусилителе. На- рушение этого условия приводит к вождению и «подергива- нию» рычага общего шага при его смещении. На вертолетах, имеющих два и более двигателей, кроме системы «шаг-газ», устанавливается система раздельного управления мощностью двигателей. Раздельное включение двигателей в кабине производится с помощью рукоятки управления кранами останова, а для аварийного выключения двигателей (в случае пожара) летчик дополнительно может прекратить подачу топлива в двигатели при помощи пожар- ных кранов. Для улучшения балансировочных характеристик одновин- товых вертолетов управление общим шагом несущего винта иногда связывают со стабилизатором. В некоторых случаях стабилизатор управляется электронными устройствами и на режиме висения отклоняется вниз для того, чтобы не умень- шать эффективность несущего винта (рисунок 74). Рисунок 74. Положение стабилизатора в горизонтальном полете (1) и на режиме висения (2), используемое на некото- рых типах вертолетов. 100 6.4. Путевое управление Для осуществления путевого управления педали летчика кинематически связываются с механизмом изменения шага рулевого винта. Такая связь может осуществляться как жест- кой, так и гибкой (тросовой) проводкой управления, типовые схемы которых представлены на рисунке 75. Рисунок 75. Схема гибкой (а) и жёсткой (б) проводки сис- темы путевого управления. 1 – тяги управления, 2 – педали ножного управления опе- ратора, 3 – демпфер, 4 – механизм загрузки, 5 − педали нож- ного управления лётчика, 6 – гидроусилитель, 7 – синхрони- зирующая тяга, 8 – сектор, 9 – трос, 10 – тандеры, 11 – цепь, 12 – хвостовой редуктор. Командным рычагом путевого управления являются педа- ли. Чаще всего педали устанавливаются по схеме параллело- грамма (рисунок 76). При такой схеме перемещение одной педали вперед приводит к обратному движению второй. При этом педали остаются параллельны друг другу, а установлен- ный сбоку кронштейн обеспечивает перемещение системы управления. На одновинтовом вертолете путевое управление осуществляется при помощи рулевого винта, размещенного 101 на конце хвостовой балки фюзеляжа. Шаг рулевого винта из- меняется в больших пределах (обычно от –10 ° до +25 ° ). На режиме висения шаг рулевого винта близок к максимальному (особенно при боковом ветре), на режиме авторотации – к минимальному, на крейсерской скорости – к нулевому. Рисунок 76. Параллелограмная схема педалей путевого управления. Применяют два способа управления шагом рулевого вин- та. Первый осуществляется прямым воздействием управ- ляющих элементов на шарнир, соединяющийся с лопастями рулевого винта. Как правило, воздействие идет от жесткой системы тяг и качалок (рисунок 77а) или от системы тросов. На некоторых сверхлегких вертолетах применяют одинарный трос (рисунок 77б), причем иногда его размещают в гибком канале. Перемещаясь, трос поворачивает сектор или рычаг, механически связанный с лопастями рулевого винта. Воз- вратные движения, в этом случае, могут выполняться пружи- ной. Второй способ предполагает управление через внутренний шток (рисунок 77в). Тросовая проводка, вращая винтовой ме- 102 ханизм, заставляет шток перемещаться внутри полого вала рулевого винта и изменять углы установки лопастей. Педали ножного управления соединяются с механизмом загрузки и триммерным устройством. Работа электромеха- низма загрузки ножного управления может осуществляться нажатием носком ноги на гашетки, которые монтируются на опорных площадках педалей. Рисунок 77. Виды управления рулевым винтом. а) прямой привод с жесткой проводкой, б) прямой привод с одинарной тросовой проводкой, в) винтовой привод 1 – тяга, 2 – качалка, 3 – вал, 4 – хвостовой редуктор, 5 – упорный подшипник, 6 – поводок, 7 – лопасти рулевого вин- та, 8 – трос, 9 – винтовой механизм, 10 - пружина. 103 Часто системы путевого управления имеют устройства, демпфирующие их скорость перемещения. Это связано с тем, что чрезмерно быстрое изменение угла установки лопастей рулевого винта может привести к недопустимо большим на- грузкам в хвостовой балке и ее разрушению. Критические углы установки лопастей рулевого винта, превышение которых приводит к срыву потока, зависят от высоты полета. Соответственно, для того, чтобы не превысить этих значений, педали обычно имеют подвижные упоры, ко- торые ограничивают ход органов управления в зависимости от высоты полета. Такие упоры имеют барометрический ме- ханизм и перемещаются при изменении статического давле- ния воздуха. |