CC BY
238
СИСТЕМНЫМ АНАЛИЗ И ЕГО ПРИЛОЖЕНИЯ
-25 Гц 50 Гц 100 Гц 200 Гц 300 Гц
0 10 20 40 100
Величина несимижегрии фазных токов двигателя,%
Рис. 15. График зависимости амплитуд виброскорости на характерных частотах проявления дефекта от величины несимметрии фазных токов двигателя в тангенциальном направлении под нагрузкой
Выводы:
1. Определены и описаны силы электрической природы, создающие вибрацию в асинхронном двигателе.
2. Экспериментально выявлено, что при увеличении несимметрии фазных токов в асинхронных электродвигателях возрастает уровень их вибрации, в частности при несимметрии составляющей 16% ( средний уровень несимметрии вспомогательных машин электровозов) общий уровень их вибрации возрастает в среднем на 40 %, а в тангенциальном и радиально-горизонтальном направлении более чем в 2 раза.
3. Основная вибрационная мощность асинхронного электродвигателя передается на частоте действия электромагнитных сил 100 Гц, как в горизонтальном так и в тангенциальном направле-
ниях. С увеличением величины несимметрии фазных токов амплитудные значения виброскорости на частоте 100 Гц стабильно увеличиваются, при значении несимметрии 16 % амплитудные значения на этой частоте увеличиваются в 3-4 раза, по сравнению с симметричной системой токов ста-торной обмотки.
4. При работе электродвигателя под нагрузкой при несимметрии несколько снижается как общее значение СКЗ виброскорости, так и амплитуды на характерных частотах проявления дефекта в горизонтальном и тангенциальном направлениях (направлениях максимальной вибрации), при этом оставаясь на уровне выше допустимого согласно стандартам УБ1 2056 и ГОСТ ИСО - 10816-3-99. 5. Действующие в настоящее время стандарты по ограничению максимальной вибрации электромашин и точкам измерения вибрации базируются на разработках УБ1 2056, которые не предусматривают измерения и контроль вибрации в тангенциальном направлении. На основании проведённых исследований необходимо скорректировать существующие стандарты (ГОСТы), для точек контроля дефектов электромагнитной природы.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Лукьянов А. В. Классификатор вибродиагностических признаков дефектов роторных машин. Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 1999. 228 с.
2. Шубов И. Г. Шум и вибрация электрических машин. 2-е изд., перераб. и доп. Л. : Энерго-атомиздат, Ленингр. отд-ние, 1986. 208 с.
Говердовский В. Н., Зобов А. В. УДК 62-752
СОСТОЯНИЕ И МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ВИБРОЗАЩИТЫ ВЕРТОЛЕТА
ВВЕДЕНИЕ
По числу выпущенных машин вертолет Ми-8 не имеет аналогов среди летательных аппаратов своего класса. По живучести, суммарной полезной нагрузке, числу модификаций и степени распространения в мире Ми-8 превосходит все известные вертолеты. Поэтому Ми-8 является одним из наи-
более вероятных прототипов вертолета следующего поколения. На ОКБ им. Миля возложены задачи обеспечения оперативной модернизации выпускаемых вертолетов под современные требования и создания перспективных машин на основе передовых технологий. Цель - повышение конкуренте-
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
способности машины на бурно развивающемся вертолетостроительном рынке [1].
Наряду с преимуществами, Ми-8 имеет ряд недостатков, один из основных - повышенные вибрации фюзеляжа, оказывающие вредные и опасные воздействия на экипаж, пассажиров, бортовое оборудование и перевозимые грузы [2-4].
В эксплуатации вертолета наиболее интенсивны вибрации фюзеляжа на частотах, которые можно объединить в несколько дискретных диапазонов. Вертолет Ми-8 (см. рис. 1) генерирует вибрации на частотах упругих колебаний, соответствующих частотам вращения несущего и рулевого винтов: 3,15-3,17 и 18,73 Гц, - и на частотах, кратных числу лопастей винтов: 15,75-15,85 и 56,19 Гц. Возбуждаются траекторные колебания, изгиб-ные колебания лопастей на частотах 1-4 Гц. В диапазоне инфранизких частот, например, вследствие изменения т.н. «конуса винта» и работы автопилота генерируются также вибрации с частотами 8; 10; 12,5; 45 Гц и др.
1. НОРМИРОВАНИЕ ВИБРАЦИЙ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ЭКИПАЖ
Вибрации в инфра- и низкочастотном спектрах оказывают наиболее вредное воздействие на самочувствие и работоспособность человека. Признаки дискомфорта объясняются тем, что амплитуды колебаний тела человека и его внутренних органов достигают опасного максимума, в основном, в диапазоне частот 1-20 Гц [5, 6].
Превышение норм и длительности воздействия таких вибраций на вертолет приводит к опасным изменениям состояния здоровья членов экипажа и увеличению риска возникновения нештатных летных ситуаций. Неслучайно международный стандарт ISO 2631 разработан «...по результатам изучения, прежде всего, условий работы пилотов вертолетов...» [6]. Принимая во внимание длительность полета вертолета, ограничиваемую объемами топлива в собственных и подвесных баках, границы допустимых вибрационных нагрузок на экипаж и пассажиров можно представить следующим образом (рис. 2).
Рис. 1. Основные источники повышенных вибраций фюзеляжа вертолета
Таким образом, вертолет является источником инфра- и низкочастотных вибраций, которые наиболее вредны и опасны для жизнедеятельности человека (пилотов и пассажиров) [5], а также нормальной работы бортового оборудования и сохранности перевозимых грузов.
В связи с этим, в статье рассматриваются вопросы нормирования вибрационного воздействия на экипаж Ми-8 как одного из наиболее перспективных типов вертолетов. Анализируется эффективность современных методов диагностики, контроля и управления уровнями вибраций, действующих на фюзеляж. Обсуждаются перспективы применения индивидуальных виброзащитных систем (ВЗС) с механизмами «отрицательной» жесткости в ходе их сравнительных летных испытаний с традиционными системами подавления ин-фра- и низкочастотных вибраций вертолетов.
Рис. 2. Нормирование вертикальных (-) и горизонтальных (—) уровней вибрационного воздействия на пилотов вертолета, при различном времени экспозиции вибраций
Допускается превышение указанных норм вибраций в 1,18 раза в диапазоне частот 8,0-31,5 Гц для двух скоростей полета, включая максимальную величину и (или) 0,3-0,4 от максимальной величины. Такое превышение должно быть компенсировано снижением уровней виброускорений на других скоростях таким образом, чтобы средние значения на всех скоростях полета не превышали допустимых значений [7].
2. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И СНИЖЕНИЯ УРОВНЕЙ ВИБРАЦИИ ВЕРТОЛЕТА
Разработчики используют различные методы подавления вибраций, генерируемых самим вертолетом. Интересен метод создания "встречной" вибрации. Идея заключается в том, что асси-метричный воздушный поток от несущего винта генерирует "встречные" вибрации, которые могут снизить до 90% вредные вибрации, действующие на фюзеляж [8]. Вертолетостроительные компании уделяют много внимания разработке вибро- и шу-мопоглощающих панелей фюзеляжа [9].
2.1. Динамическое гашение вибраций.
Однако преимущество сохраняется за методами подавления вибраций с помощью динамических гасителей. В частности, системы с пассивным и активным управлением типа DAVI для подавления вибраций втулки несущего винта. Подобные устройства способны снижать вибрации фюзеляжа в 2-4 раза в узкой полосе частот 16-25 Гц [10].
В вертолетах МИ-8 всех основных модификаций, устанавливают маятниковые гасители вибраций [1]. Прежде всего, это - маятниковый гаситель вибрации типа 8АТ-1250-000, который устанавливают на втулке несущего винта. Он предназначен для подавления вибраций втулки в плоскости вращения (см. рис. 3).
Рис. 3. Маятниковый гаситель вибраций втулки несущего винта вертолета Ми-8: 1 - кронштейн ступицы, 2 - ступица с пятью рукавами, 3 - пять маятников, 4 - бифилярные подвески, для соединения маятников с рукавами ступицы.
Каждая бифилярная подвеска представляет собой роликовые связи, свободно посаженные в отверстия втулок маятников и ступицы. При отсутствии вибраций втулки, маятники, под действием центробежной силы, устанавливаются в нейтральное положение. При вибрациях маятники начинают раскачиваться и перемещаться поступа-
тельно в противофазе с вибрациями втулки, тем самым подавляя (демпфируя) вибрации втулки.
Косвенную оценку эффективности метода динамического гашения вибраций можно сделать, используя также результаты сравнительных летных испытаний индивидуальных ВЗС пилотов группы вертолетов Ми-8 (см. рис. 4).
85
1 2 4 8 10 16 31,5 63 Частоты, Гц
Рис. 4. Эффективность маятникового гасителя типа 8АТ-1250-000 вибраций втулки несущего винта вертолета [11]: вертикальные вибрации на подушках
сидений пилотов вертолетов с гасителем (_) и без
гасителя (_ ) вибраций
Как следует из рис. 4, маятниковый гаситель типа 8АТ-1250-000 способствует снижению вибрации на частоте 10 Гц. Однако на частотах 1631,5 Гц гаситель либо не дает желаемого эффекта, либо несколько ухудшает вибрационное состояние пилота. Заметная разница вибраций на частотах 1 Гц и 63 Гц не является причиной применения гасителя вибраций [11].
2.2. Диагностика, контроль и устранение вибрации в ее источнике.
Средства виброзащиты фюзеляжа вертолета Ми-8 непрерывно совершенствуются. В частности, вертолет оснащается компонентами бортовой системы диагностики и контроля БСКД и системой балансировки Rotabs-3 [12]. Цели модернизации:
• диагностика и контроль уровней вибраций главного, промежуточного и хвостового редукторов, а также опор трансмиссии;
• резервирование штатной системы диагностики и контроля вибраций двигателей в расширенном частотном диапазоне, с учетом их совместной работы с редукторами, опорами трансмиссии и несущей системой;
• контроль дисбалансов несущего и рулевого винтов, балансировка несущего винта, а в дальнейшем и рулевого винта;
• выявление неисправностей и отказов двигателей, редукторов, опор трансмиссии и несущей
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
системы, получение данных для прогнозирования их работоспособности и повышения безопасности полетов, в перспективе - эксплуатация "по состоянию" агрегатов.
Схематика системы Яо1аЬ8-3 показана на рис. 5. Система реагирует на технологические отличия размеров и масс лопастей несущего винта от номинальных значений, вызывающие дополнительные аэродинамические и инерционные силы на валах винтов. Силы передаются на фюзеляж, вызывая его вибрации.
В режиме «висения», вибрации генерируются только на частоте вращения несущего винта. Однако, независимо от количества используемых датчиков виброускорений, информации на этой частоте недостаточно для определения влияния лопастей и необходимых регулировок каждой из лопастей. В горизонтальном полете, каждая лопасть генерирует вибрации на гармониках частоты вращения винта. При сбалансированных лопастях, сигнал отсутствует на всех частотах, кроме частоты вращения лопастей и ее гармоник.
Если лопасти не сбалансированы, то вибрацию каждой лопасти анализируют для определения оптимальных значений регулировок и последующей балансировки.
Для балансировки основного винта используют шесть каналов измерения вибраций, для балансировки хвостового винта - два канала. Один из них ориентирован параллельно оси винта, а другой - перпендикулярно к ней. Кроме того, два датчика фазы используют для синхронизации измеряемых сигналов вибрации.
Измеренные линейные и угловые компонен-
Интерфейс кабины экипажа //
ты вибраций обрабатываются методами спектрального анализа. Кроме того, Яо1аЬ8-3 анализирует полученные результаты и выдает рекомендации возможных видов и количественных значений параметров регулировок лопастей (весовая, шарнирная, угловая). Эти значения - результаты решения оптимизационных задач для каждой из лопастей винта Яо1аЬ8-3 с помощью бортового компьютера. Результаты поступают на дисплей компьютера (в экспериментальном варианте системы - ноутбук). Интерфейсный блок Яо1аЬ8-3 имеет систему встроенного контроля вибраций.
3. ВОЗМОЖНОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ВЗС С МЕХАНИЗМАМИ «ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ» ЖЕСТКОСТИ
Разработчики вертолетов изучали возможности создания и применения индивидуальных ВЗС, в частности, для пилотов. Это, прежде всего, специальные сиденья (кресла) с виброзащитой. Анализ технических предложений показал, что сиденья, используемые в наземных транспортных и технологических машинах, непригодны для применения на вертолетах. Прежде всего, - из-за низкого качества виброзащиты в диапазоне ин-франизких частот, а также громоздкости и значительной массы. Кроме того, требовалось активное управление работой ВЗС сидений и, соответственно, дополнительные источники воздуха и электроэнергии. Это существенно влияло на летные характеристики вертолета и безопасность полетов.
В результате, разработчики серийных вертолетов ограничились совершенствованием дизайна
Выпрямитель и пред-усилитель сигнала
Устройство передачи данных
Датчики виброскоростей и виброускорений
Выпрямитель и пред-усилитель сигнала
Датчики виброскорости и виброускорения
Управляющий компьютер
Рис. 5. Структурная и функциональная схемы системы Ко1аЬз-3.
СИСТЕМНЫМ АНАЛИЗ И ЕГО ПРИЛОЖЕНИЯ
посадочных мест для членов экипажа: удобное мягкое кресло, дополнительные опции, повышающие эргономические характеристики рабочего места пилота [1, 9, 11].
Однако известные эластичные материалы, используемые для конструирования элементов посадочных мест, прежде всего, мягких спинок и подушек сидений, способны подавлять вибрации в диапазоне частот 20-40 Гц и выше. Поэтому вопрос инфрачастотной виброзащиты вертолета остается открытым в настоящее время.
В этой связи, особый интерес вызывает разработка и применение ВЗС с механизмами «отрицательной» жесткости. Это - специальный класс механизмов, присоединение которых к ВЗС любого типа [13] дает возможность управлять жесткостью ее упругих связей по заданному алгоритму. В результате, можно получить высокое качество виброзащиты в любом диапазоне частот, начиная с инфрачастот 0,1-0,2 Гц и менее. Так обеспечивается неподвижность объекта защиты в инерциаль-ном пространстве. Созданию и исследованию систем с «отрицательной» жесткостью посвящена обширная литература, в частности, [14-16].
Управление движением ВЗС с механизмами «отрицательной» жесткости при вибрациях в диапазоне инфрачастот и импульсных нагрузках, в условиях гравитации, существенно отличается от методов управления с помощью вязких жидкостных демпферов. Стратегия управления основана на поддержании заданной величины жесткости упругих связей ВЗС и организации переменной структуры демпфирования. Задача управления не требует знания характеристик внешнего возмущения, ее решение должно быть сосредоточено на обеспечении стабилизации ВЗС и безударной посадки на упор в связи с действием упругих связей с «отрицательной» жесткостью [11].
В середине 1990х, впервые на пилотируемых летательных аппаратах, был поставлен эксперимент по применению индивидуальных ВЗС с механизмами «отрицательной» жесткости для пилотов вертолетов. В ходе эксперимента, выполнена серия полетов вертолетов Ми-8 различных модификаций, вышедших из планового ремонта и готовых к дальнейшей эксплуатации. Цели испытаний:
• сравнение качества виброзащиты штатных сидений и экспериментального сиденья, к подвеске которого присоединен механизм с «отрицательной» жесткостью (см. рис. 6);
• определение соответствия качества виброзащиты сидений нормам согласно ISO 2631.
2
4
Рис. 6. Структурная схема и общий вид подвески экспериментального сиденья: 1 - рычажный направляющий механизм, 2 - устройство присоединения механизма с пружинами 4 «отрицательной» жесткости к подвеске с несущими пружинами 3
Экспериментальное сиденье устанавливалось вместо штатного сиденья второго пилота, на рабочем месте первого пилота - штатное сиденье. Монтаж сидений осуществлялся согласно требованиям обеспечения безопасности полетов. Компоновка рабочих мест первого и второго пилотов, а также схема размещения датчиков виброускорений ВЗС пилотов показана на рис. 7.
Рис. 7. Схема расположения сидений пилотов и датчиков виброускорений: 1 - штатное сиденье первого пилота, 2 - штатное посадочное место второго пилота, 3 - подвеска с «отрицательной» жесткостью для сиденья второго пилота, 4 - механизмы регулирования, 5-7 - переходные пластины креплений, 8 - места установки датчиков, 9 - силовой пол
Методика проведения и результаты эксперимента подробно изложены в [11]. На рис. 8 показаны сравнительные показатели эффективности индивидуальных ВЗС первого и второго пилотов.
3
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
И
ч
а.
<о =
И
9080-
70-
50-
40
Нормы вибрационного воздействия при 4х (4h) часовом полете
2 4 8 10 16 Частоты, Гц
31.5
63
Рис. 8. Динамические характеристики ВЗС сидений пилотов вертолетов Ми-8: верхние границы затененных ординат - вибрации на подушке сиденья первого пилота, нижние границы затененных ординат - вибрации на подушке сиденья второго пилота
Как следует из рис. 8, подвеска с механизмом «отрицательной» жесткости экспериментального сиденья обеспечивает виброзащиту пилота во всем диапазоне наиболее вредных и опасных ин-фрачастот 1-10 Гц. Вместе с тем, при длительности полета 4 часа и более, включая время промежуточных посадок определенной длительности [17], штатное сиденье неспособно обеспечить виброзащиту пилота в диапазоне инфрачастот 1-10 Гц. На более высоких частотах виброзащита обеспечивается, главным образом, за счет вибропог-лощающих свойств подушки сиденья.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Метод динамического гашения вибраций, традиционно применяемый на вертолетах, и метод диагностики и снижения вибраций в их источнике (балансировка), внедряемый на вертолетах ближайшей перспективы, не могут в полной мере обеспечить защиту человека (пилотов и пассажиров), а также бортового оборудования и перевозимых грузов от вибраций в диапазоне наиболее вредных и опасных инфрачастот.
Метод, заключающийся в разработке и применении индивидуальных ВЗС с механизмами «отрицательной» жесткости, позволяет решить проблему инфрачастотной виброзащиты человека и техники. Комплектный эксперимент, выполненный на вертолетах Ми-8, подтвердил обоснованность такого прогноза. В частности, результаты эксперимента показывают, что подобные ВЗС для пилотов и пассажиров вертолетов способны снизить вибрации во всем диапазоне частот, включая инфрачастоты, до уровней вибрационного воздей-
ствия, соответствующих санитарно-гигиеническим
нормам высшей категории качества: "снижение
порога комфорта", - согласно ISO 2631.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. URL : http://mi-helicopter.ru/.
2. Вибрации в технике : справ. : в 6 т. М. : Машиностроение, 1980. Т. 3 : Колебания машин, конструкций и их элементов.
3. Брамвелл А. Р. С. Динамика вертолетов : пер. с англ. М. : Машиностроение, 1982. URL :
4. www.aviapromservice.ru.
5. Griffin M. J., Handbook of Human Vibration. London : Academic Press Ltd., 1990.
6. ISO 2631: 1997. Evaluation of human exposure to whole-body vibration.
7. Инструкция по уменьшению уровня вибрации на вертолете Ми-8 : бюл. М2234-БР. 1986.
8. URL : http://mmz-vpered.ru/.
9. Loewy R. G., Helicopter Vibrations: a Technological Perspective // Journal of the American Helicopter Society. 1984. N 29. P. 4-30.
10. Recent advances in Eurocopter's passive and active vibration control / Konstanzer P., Enenkl B., Anbourg P.-A., Cranga P. // Proceedings the 64th Annual Forum of the American Helicopter Society . Montreal, Canada, 2008. - P. 75-93.
11. Говердовский В. Н. Развитие теории и методов проектирования машин с системами инфрачас-тотной виброзащиты : дис. ...д-ра техн. наук. М. : МАДИ (ГТУ), 2006.
12. URL : www.aviashelf.avia.ru.
13. Пат. 214335 RU, МКЛ B 60 N 2/50. Способ регулирования жесткости виброизолирующего устройства компактного сиденья для человека-оператора транспортно-технологической машины / Говердовский В. Н., Ли Ч. М., 2003.
14. Ungar E. E., Pirsons K. S. New Constant Force Spring Systems // Product Engineering. 1961. N 27. P. 32-34.
15. Алабужев П. М., Мигиренко Г. С., Ким Л. И. Виброзащитные системы с квазинулевой жесткостью. Л. : Машиностроение, 1986.
16. Rivin E.I., Passive Vibration Isolation, Tay-lor&Francis, NY, 2003.
17. ГОСТ 23718-93. Самолеты и вертолеты пассажирские и транспортные. Допустимые уровни вибрации в салонах и кабинах экипажа. Методы измерения вибрации.
1
