Экспериментальный стенд бесконтактного контроля целостности лопастей вертолёта

Несущий винт является важнейшим узлом вертолёта. Он обеспечивает, как подъемную силу, так и полетные качества вертолёта. Несущий винт в своем составе имеет втулку несущего винта, шарниры и лопасти. Именно от исправности этих деталей и механизмов зависит во многом работоспособность и целостность всего вертолёта.

Проанализировав существующие методы контроля целостности лопастей вертолёта, на Международной молодежной научной конференции «XII Королевские чтения», был предложен бесконтактный способ контроля целостности лопастей вертолёта [1].

Принципы, положенные в основу вышеуказанного способа, реализация аппаратурных блоков и устройств подробно представлены в [2]. Суть метода заключается в облучении лопастей зондирующим СВЧ сигналом и последующем анализе отраженного сигнала, а именно: в измерении его длительности, амплитуды, а также измерение временных интервалов между отраженными и принятыми потоками излучения от лопастей, преобразованными в импульсные сигналы. Приемо-передающий модуль устанавливается неподвижно в корпусе вертолёта на хвостовой балке. Схема расположения модуля представлена на рис. 1.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД

Для изучения особенностей и возможностей предложенного метода был разработан и изготовлен экспериментальный стенд (рис. 2).

Рис. 1. Схема расположения приемо-передающего модуля на хвостовой балке вертолёта

Экспериментальный стенд позволяет имитировать вращение лопастей и получать информационный сигнал, определяемый отраженным СВЧ излучением от движущейся лопасти характеризующий взаимодействие зондирующего потока с поверхностью лопасти, а также позволяет регистрировать временное представление полученных электрических сигналов. На стенде предусмотрена установка двух бесконтактных преобразователей с возможностью регулировки расстояния до объекта контроля (высоты их расположения). Для этого в стенде предусмотрены два посадочных места в установочных механизмах 1 и 2. Установочные механизмы предназначены для регулировки расстояния от датчика до объекта исследования. В данном случае, в экспериментальном стенде установлены два СВЧ-преобразователя. Для последующей синхронизации функционирования измерительных устройств, отображения сигнала и контроля скорости вращения электродвигателя предусмотрен индуктивный бесконтактный датчик типа AR-LMF1-3005NA, реагирующий на оборотную метку в виде штыря, установленную на роторе электродвигателя. В качестве объекта контроля, в данном случае, на стенде установлена модель лопасти воздушного винта, выполненная в виде плоской металлической пластины. Для проведения измерений на различных частотах вращения ротора в блоке управления электродвигателем предусмотрено формирование трех фиксированных скоростей (40,3 Гц; 43,1 Гц; 44,64 Гц).

Рис. 2. Экспериментальный стенд для бесконтактного контроля целостности лопастей вертолёта: 1 – первый установочный механизм, 2 – блок управления электродвигателем,

3 – первый СВЧ-преобразователь, 4 – модель лопасть, 5 – электродвигатель, 6 – оборотный датчик,

7 – второй СВЧ-преобразователь, 8 – второй установочный механизм

Также необходимо отметить, что на самой модели лопасти возможна установка тензометрических и оптоволоконных Брэгговских датчиков.

ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Для проверки предложенного метода [1] и возможностей имитационного стенда использованы два типа СВЧ-преобразователей: отечественный МГТЭ-12 производства НИИ «ЭКРАН» г. Самара и зарубежный HB 100. Выход каждого из преобразователей подключен к цифровому осциллографу для визуального отображения и последующего анализа параметров выходного сигнала. Информационная составляющая содержится в длительности отраженного сигнала и его амплитуде, что было теоретически показано в работе [3]. Длительность сигнала зависит от диаграммы направленности СВЧ-преобразователя, поперечных размеров модели лопасти и от расстояния между преобразователем и моделью.

Амплитуда сигнала напрямую зависит от параметров СВЧ-преобразователя, углов установки лопастей, а также от расстояния между преобразователем и моделью. Таким образом, в результате эксперимента необходимо было проверить основные положения метода [1] и теоретические результаты работы [3]. Для этого были экспериментально получены амплитудные и временные зависимости от расстояния между приемо-передающим элементом СВЧ-преобразователей и объектом контроля – моделью лопасти.

На рис. 3 представлен внешний вид первого СВЧ-преобразователя – МГТЭ-12 и его антеннофидерная система.

На рис. 4 показана осциллограмма сигналов, полученных при детектировании отраженного от лопастей зондирующего СВЧ-сигнала.

СВЧ-преобразователь МГТЭ-12 помимо приемо-передающего модуля с термостабилизацией содержит амплитудный детектор. Напряжения питания модуля составляет 15 В ± 1%, частота

Рис. 3. Волноводная часть

СВЧ-преобразователя МГТЭ-12

Рис. 4. Осциллограмма сигнала с МГТЭ-12

генерируемого сигнала – 12 ГГц, а выходная мощность - 40 мкВт. Разделение излучаемого и принимаемого сигналов осуществляется за счет микрополоскового циркулятора.

Второй СВЧ-преобразователь представляет собой доплеровский радар - HB 100. СВЧ-преобразователь HB 100 содержит приемную и передающую антенны, генератор и смеситель. Структурная схема и диаграмма направленности СВЧ-преобразователя представлены на рис. 5.

СВЧ-преобразователь HB 100 имеет выходную мощность 20 мВт, рабочее напряжение питания: 5 В ± 0.25 В и частоту генерируемого сигнала 10,5 ГГц. Пример осциллограммы выходного доплеровского сигнала в привязке к импульсу с оборотного датчика представлен на рис. 6.

В результате проведения эксперимента и обработки полученных результатов измерения были построены зависимости длительности принятого сигнала от расстояния до модели лопасти (рис. 7).

Полученные временные зависимости в обоих случаях показывают, что по мере увеличения расстояния от датчика до объекта контроля, увеличивается и длительность принятого сигнала. Увеличение длительности сигнала определяется шириной диаграммы направленности излучателей и полностью согласуется с видом диаграммы направленности и характером её изменения.

Кроме этого проведены эксперименты по определению зависимости амплитуды принятого сигнала от расстояния до лопасти для каждого СВЧ-преобразователя (рис. 8, 9).

Анализ графиков представленных на рис. 8 и 9 показывает, что существует периодичность изменения амплитудной характеристики, определяемой строением самих СВЧ-преобразователей. Периодичность изменения амплитудной характеристики в СВЧ-преобразователе HB100 связана с методом выделения доплеровского сигнала, за счет нелинейных преобразований принятого и опорного сигналов в смесителе. Для

Рис. 5. Структурная схема и диаграмма направленности СВЧ-преобразователя HB 100

Рис. 6. Осциллограмма сигнала с выхода СВЧ-преобразователя HB 100

СВЧ-преобразователя МГТЭ-12, приведенный вид амплитудной характеристики получается из-за особенностей строения антенно-фидерной системы (АФС). АФС у МГТЭ-12 имеет общий канал для излучения и приема отраженного сигналов.

Также необходимо отметить, что в обоих случаях амплитуда выходного сигнала экспоненциально убывает.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработан и изготовлен экспериментальный стенд, позволяющий имитировать вращательное движение лопастей и формировать информационные импульсные сигналы, определяемые

Рис. 7. Длительность принятого сигнала при использовании HB100 (а) и МГТЭ (б)

Рис. 8. Зависимость амплитуды принятого сигнала от расстояния до лопасти (HB100)

Рис. 9. Зависимость амплитуды принятого сигнала от расстояния до лопасти (МГТЭ-12)

отраженным СВЧ излучением от вращающейся модели лопасти. Анализируя, полученные на экспериментальном стенде данные, можно сделать вывод о хорошей корреляции результатов эксперимента и теоретических положений и, соответственно, о работоспособности способа и устройства контроля целостности лопастей несущего винта вертолёта [1,2], а также о состоятельности математической модели сигналов, получаемых путем преобразования, отраженного зондирующего СВЧ излучения от контролируемых лопастей винта вертолета [3].