DE69811434T2 - Verfahren zur Überwachung eines Fahrzeuggetriebes mit Beschleunigungsaufnehmern, insbesondere für Hubschrauber - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Übertragungs- Anordnung eines mit Beschleunigungssensoren versehenen Fahrzeugs, insbesondere eines Hubschraubers.
• Es ist bekannt, daß Hubschrauber-Übertragungselemente kontinuierlich überwacht werden müssen, um jeglichen Fehler oder beginnende Fehlfunktionszustände zu erfassen und so ein Versagen während des Flugs auszuschließen.
• Zu diesem Zweck ist die Übertragungseinrichtung mit Beschleunigungssensoren versehen, deren Signale so verarbeitet werden, daß sie alle auftretenden Fehler in der Übertragungseinrichtung ermittelt. Beispiele für Verfahren zur Überwachung von Übertragungs-Anordnungen unter Verwendung von Signalverarbeitungsverfahren, sind aus der US 5 365 787 A oder WO 96/05486 entnehmbar. Die bisher angewandten Verfahren zur Verarbeitung der Sensorsignale der Fehlererfassung sind jedoch nicht hinreichend empfindlich, um eine Fehlererfassung rechtzeitig vor Auftreten eines katastrophalen Fehlers sicherzustellen.
• Es ist Gegenstand der Erfindung, ein Überwachungsverfahren anzugeben, welches eine zuverlässige frühzeitige Ermittlung jeder Art von Fehlern oder Fehlfunktionsbedingungen, welche zu einem Versagen führen können, sicherstellt.
• Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Überwachung einer Übertragungsanordnung eines mit Beschleunigungssensoren versehenen Fahrzeugs, insbesondere eines Hubschraubers, vorgesehen, welches die Schritte umfaßt:
• a) Erfassen eines Signals von einem Beschleunigungssensor;
• b) Berechnen der Hilbert-Transformierten des Signals;
• c) Bestimmen eines komplexen Signals, wobei das Signal der Realteil ist und die Hilbert-Transformierte des Signals der Imaginärteil ist;
• d) Berechnen der Differenz zwischen der Phase des komplexen Signals und einer Referenzphase zum Erzeugen eines Phasensignals;
• e) Berechnen der Variabilität des besagten Phasensignals zum Erzeugen eines Variabilitätssignals; und
• f) Vergleichen des Variabilitätssignals mit wenigstens einem vorgegebenen Schwellenwert.
• Eine Anzahl von nicht beschränkenden Ausführungsbeispielen der Erfindung werden nachstehend in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben, und zwar zeigt bzw. zeigen:
• Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Hubschrauber, in welchem die Hubschrauber-Übertragungsanordnung schematisch veranschaulicht ist;
• Fig. 2 ein vereinfachtes Diagramm der Hubschrauber- Übertragungsanordnung und der Anordnung verschiedener Sensoren für Übertragungselemente; und
• Fig. 3 bis 5 Flußdiagramme der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Fig. 1 und 2 zeigen schematisch die für die vorliegende Erfindung wesentlichen Bauteile eines Hubschraubers 100. Insbesondere weist der Hubschrauber 100 eine erste Antriebsmaschine 101, eine zweite Antriebsmaschine 102 und eine dritte Antriebsmaschine 103 auf; die erste Antriebsmaschine 101 ist über einen ersten Übertragungszug 104 mit einem ersten, zweiten und dritten Untersetzungsgetriebe 105 bis 107 an eine Eingangs-Getriebestufe 108 einer Hauptgetriebeanordnung 109 angeschlossen; die zweite Antriebsmaschine 102 ist über einen zweiten Übertragungszug 111 mit vierten, fünften und sechsten Untersetzungsgetrieben 112 bis 114 an einer Eingangsgetriebestufe 108 angeschlossen; und die dritte Antriebsmaschine 103 ist an die Eingangsgetriebestufe 108 über einen dritten Übertragungszug 116 mit siebten, achten und neunten Untersetzungsgetrieben 117 bis 119 angeschlossen.
• Das Eingangs-Zahnrad 108 ist mit einem Rotor 121 des Hubschraubers 100 über ein epizyklisches Untersetzungsgetriebe 122 angeschlossen, welches Teil der Hauptgetriebeanordnung 109 bildet und sechs Planetenräder 123 und ein Sonnenrad 124 umfaßt; außerdem ist die Eingangsgetriebestufe 108 über einen vierten Übertragungszug 125 auch am ersten Übertragungszug 104 an eine schematisch mit 126 bezeichnetes Hilfsgetriebe angeschlossen und außerdem über einen fünften Übertragungszug 130 mit einem Heckrotor 134 verbunden, welcher ein Leistungs-Start-Zahnrad 131, zwischengeschaltete Kupplungen 135 bis 137, ein Zwischengetriebe 139 und ein Heckgetriebe 140 aufweist.
• Fig. 2 zeigt fünfzehn Beschleunigungssensoren 1 bis 15 und zwei Azimut- Sensoren 16, 17, welche jeweils in der in der nachstehenden Tabelle I veranschaulichten Weise in der Nachbarschaft der Untersetzungsstufen angeordnet sind. TABELLE 1
• Der Hubschrauber 100 weist auch eine mit den Sensoren 1 bis 17 über eine Interface-Einheit 150 verbundene Datenverarbeitungseinrichtung 150 zur Abtastung und Digitalisierung der Sensorsignale und einen Datenspeicher 152, einen Ereignisspeicher 153 und einen mathematischen Prozessor 154 auf.
• Das nachstehend beschriebene Überwachungsverfahren ermöglicht durch Analyse der von den Sensoren 1 bis 7, 12 und 13 gelieferten Signale die Feststellung von sich während des Flugs entwickelnden Problemen, insbesondere mechanischen Problemen, Probleme in der Drehmomentübertragung, strukturellen, zu Rissen führenden Problemen und Signal-Phasenmodulationsproblemen, bei welchen in allen Fällen wenigstens eines der analysierten Signale einen durch das beschriebene Verfahren ermittelbaren Spitzenwert aufweist.
• Das Überwachungsverfahren sieht die Verarbeitung eines Signals s(t) vor, welches von einem beliebigen betrachteten Beschleunigungssensor 1 bis 7, 12 und 13 geliefert wird, wobei ein Signal s(t) von dem an einer Welle des vom jeweiligen Sensor überwachten Reduktionsgetriebes vorgesehenen Azimut-Sensor verwendet wird (Azimut-Sensor 16 für die Beschleunigungssensoren 1 bis 7 und Azimut-Sensor 17 für die Beschleunigungssensoren 12, 13). Das Signal s(t) ist ein Schwingungssignal (welches von der Rotationsfrequenz der dem in Frage stehenden Sensor zugeordneten Welle erzeugt wird) und wird sowohl durch statistisches Rauschen als auch durch von anderen in der Nähe befindlichen rotierenden Bauelementen erzeugten Störungen beeinflußt.
• Insbesondere und unter Bezugnahme auf Fig. 3 umfaßt das Verfahren einen Anfangsschritt, bei welchem eine Variable F (welche später in Verbindung mit Fig. 5 erläutert wird), auf einen ersten vorgegebenen Wert, z. B. Null (Block 20) gesetzt wird.
• Das Signal s(t) und das Signal s1(t) werden dann erfaßt (Block 21) und eine Abtastfrequenz FS wird durch Multiplizieren der Frequenz des Azimut-Sensorsignals s1(t) mit einem gespeicherten Koeffizienten KT berechnet, der gleich dem Verhältnis zwischen zwei ganzzahligen Primzahlen ist und insbesondere zu dem Übertragungsverhältnis zwischen der Azimut-Sensor-Welle und der durch den betrachteten Sensor überwachten Welle in Beziehung steht, so daß die resultierende Abtastfrequenz FS zu der Frequenz des Azimut-Sensors in Beziehung steht, und daß sie genau NJ-Signalpunkte s(t) für jede Umdrehung der betrachteten Welle liefert (wobei NJ eine Potenz von 2 ist). Das Signal s(t) wird dann bei der Frequenz FS abgetastet und durch die Schnittstelleneinheit 151 gefiltert, um das statistische Rauschen und nicht synchrone periodische Komponenten (Block 22) herauszufiltern und ein gefiltertes Signal TIm(i) zu erhalten, das durch eine Anzahl von durch "i" indizierte Abtastwerte gebildet wird. Das Signal s(t) wird vorzugsweise durch die in Fig. 4 gezeigten und später beschriebene Abfolge von Schritten abgetastet und gefiltert.
• Das Signal TIm(i) wird außerdem durch einen Bandfilter gefiltert, der auf die Zahnrad-Eingriffsfrequenz zentriert ist, um ein gefiltertes mittleres Signal T'Im(i) (Block 24) zu erhalten.
• Dann wird die Hilbert-Transformierte H[T'Im(i)] des Signals T'Im(i) berechnet (Block 25); und ein komplexes Signal CIm(i), das zu dem Signal T'Im(i) in Beziehung steht, wird nach der Gleichung berechnet (Block 26):
• CIm(i) = T'Im(i) + jH[T'Im(i)]
• Die anfängliche Phase P&sub0; des Signals CIm(i) wird dann bestimmt und gespeichert (Block 27); und Augenblickswerte der Phasen P(i) werden nach der Gleichung bestimmt und gespeichert (Block 28):
• wobei Z für die Anzahl der Zähne des Zahnrades steht.
• Dann wird die Phase FC(i) des komplexen Signals CIm(i) nach der Gleichung berechnet (Block 29):
• FC(i) = arg[CIm(i)] - P(i) - P&sub0;
• wobei arg[CIm(i)] das Argument der komplexen Zahl CIm(i) ist, definiert durch arctg{T'Im(i)/H[T'Im(i)]}, und P(i) und P&sub0; die vorher berechneten Phasenwerte sind.
• Die Varianz V des Signals FC(i) wird dann berechnet (Block 30); der resultierende Wert V wird dann durch die zentrale Verarbeitungseinheit 150 mit den zwei Schwellenwerten TH1, TH2 (wobei TH1 ≤ TH2) verglichen, um, wenn erforderlich, Alarmsignale (Block 31) gemäß dem Verfahren zu erzeugen, das später detailliert unter Bezug auf Fig. 5 beschrieben wird; und Block 31 kehrt dann zurück zu Block 21, um die Überwachung mit dem nächsten Anteil des Signals s(t) fortzusetzen.
• Die Abtastung und Filterung in Block 22 werden in geeigneter Weise unter Verwendung des Verfahrens durchgeführt, das unten unter Bezug auf Fig. 4 beschrieben wird.
• Zuerst wird ein Umdrehungszähler I auf 1 gesetzt (Block 41); und das Signal s(t) wird mit der vorher festgelegten Frequenz FS abgetastet, um NJ-Punkte oder Abtastwerte TI(i) zu erhalten, die eine synchrone Schwingungszeitreihe bezüglich des betrachteten Sensors für die jeweilige Welle und jede I-te Umdrehung darstellen (Block 42).
• Der Wert des Zählers I wird bestimmt (Block 43), insbesondere ob dieser kleiner oder gleich einem vorher festgelegten Wert KI ist; und, wenn der Zähler I kleiner oder gleich KI ist (Ausführung von weniger als KI Iterationen, entsprechend den Umdrehungen der betrachteten Welle-JA-Ausgabe von Block 43) wird die Verfügbarkeit des Signales durch die Berechnung (Block 47) der Summe Δd der Abtastwerte bestimmt, die bei der I-ten Umdrehung erfaßt wurden, nach der Gleichung:
• Δd = TKI(i)
• Dann wird ein Grenzwert ΔI (Block 48) nach der Gleichung berechnet;
• Δ1 = K2 · FSV · NJ
• wobei FSV der untere Skalenwert und K2 eine festgelegte Konstante mit einem Wert viel kleiner als 1 ist; und eine Prüfung wird durchgeführt (Block 49), um zu bestimmen, ob die berechnete Summe Δd kleiner als der Grenzwert ΔI ist. In dem Falle einer negativen Antwort (NEIN-Ausgabe von Block 49) wird das Signal als vorhanden angenommen, der Zähler I wird erhöht (Block 50) und Block 50 kehrt zurück zu Block 42, um weitere NJ-Punkte für die nächste Umdrehung zu erfassen. Anderenfalls (JA-Ausgabe von Block 49) wird das Signal als nicht vorhanden angenommen und ein Alarmsignal erzeugt (Block 51); eine Prüfung wird durchgeführt (Block 52) um das Vorhandensein eines Ersatzsensors (z. B. Sensor 6 für die Sensoren 4 und 5) zu bestimmen; im Falle einer positiven Antwort (JA-Ausgabe von Block 52) kehrt der Block 52 zurück zu Block 21 in Fig. 3, um das Verfahren mit dem Ersatzsensor zu wiederholen; wenn kein Ersatzsensor vorhanden ist oder wenn auch mit dem Ersatzsensor keine Konvergenz erzielt wird (NEIN-Ausgabe von Block 52), wird der Vorgang unterbrochen.
• Ist anderenfalls der Zähler I größer als K1 (Ausführung von mehr als K1 Iterationen, entsprechend den Umdrehungen der betrachteten Welle-NEIN-Ausgabe von Block 43) kehrt Block 43 zurück zu Block 55, der die mittlere kontinuierliche synchrone Zeitreihe TIm(i) berechnet, die das in Block 22 berechnete gefilterte Signal bestimmt, gemäß der Gleichung:
• d. h., der mittlere Wert jedes Abtastwertes TI(i) über die I betrachteten Umdrehungen wird berechnet,
• Die Konvergenz des Mittelungsprozesses wird dann durch Berechnen eines Konvergenzwertes Δ bestimmt, der durch die Summe der absoluten Werte der Differenzen zwischen dem Ist-Mittelwert jedes Abtastwertes und dem im vorigen Umlauf (bei einem Abstand von 4) berechneten Mittelwert, geteilt durch die Summe der mittleren Abtastwerte in der vorherigen betrachteten Umdrehung (bei einem Abstand von 4) gegeben ist, gemäß der Gleichung:
• wobei TIm(i) den i-ten Abtastwert von der I-ten Iteration darstellt und TIm-4(i) den i- ten Abtastwert der I-4-ten Iteration (Block 56) darstellt.
• Anschließend wird eine Prüfung durchgeführt, um zu bestimmen, ob der berechnete Konvergenzwert kleiner oder gleich einem festgelegten, zulässigen minimalen Konvergenzwert Δc ist (Block 57). Im Falle einer positiven Antwort (JA- Ausgabe) wird der Konvergenzprozeß unterbrochen und Block 57 kehrt zu dem Hauptprogramm (Block 23 in Fig. 3) zurück. Anderenfalls wird eine Prüfung durchgeführt, um zu bestimmen, ob der Mittelungsprozeß schon eine festgelegte maximale Anzahl von L Malen (Block 59) durchgeführt wurde. Wenn der Iterations-(Umdrehungs)-Zähler I kleiner als L (NEIN-Ausgabe) ist, wird der Zähler erhöht (Block 50) und der oben beschriebene Vorgang wird wiederholt. Anderenfalls (JA-Ausgabe) wird die Prozedur zur Erzeugung eines Alarmsignales wiederholt und möglicherweise die Prozedur mit einem Ersatzsensor, wie unter Bezug auf die Blöcke 51-52 beschrieben, wiederholt.
• Der Schwellenwert-Vergleich und alarmerzeugende Schritte in Block 31 der Fig. 3 werden in geeigneter Weise wie unten unter Bezug auf Fig. 5 beschrieben, durchgeführt.
• Zuerst wird V mit dem ersten Schwellenwert TH1 (Block 60) verglichen. Wenn V < TH1 (JA-Ausgabe) geht Block 60 zurück zu Block 21 in Fig. 3, um die Überwachung mit der nächsten Gruppe von Abtastwerten fortzusetzen. Ande renfalls, wenn der Schwellenwert TH1 überschritten wurde (NEIN-Ausgabe von Block 60), wird dieses Ereignis in dem Ereignisspeicher 153 gespeichert (Block 62) und V wird mit dem zweiten Schwellenwert TH2 verglichen (Block 64). Wenn V kleiner TH2 (JA-Ausgabe von Block 64) wird die Variable F (in Block 20 aus Fig. 3 dazu initialisiert, um zu speichern ob der Schwellenwert TH2 bereits überschritten wurde) auf den ersten festgelegten Wert gesetzt (oder dort bestätigt), in dem dargestellten Beispiel auf 0 (Block 66), und Block 66 kehrt zurück zu Block 21 in Fig. 3, um die Überwachung mit der nächsten Gruppe von Abtastwerten fortzusetzen. Anderenfalls (NEIN-Ausgabe von Block 64) wird das Ereignis in dem Ereignisspeicher 153 gespeichert (Block 68) und der Wert der Variable F wird bestimmt (Block 70). Wenn insbesondere die Variable F den ersten festgelegten Wert hat (JA-Ausgabe), so wird F auf einen zweiten festgelegten Wert, z. B. 1, gesetzt (Block 72) und Block 72 kehrt zurück zu Block 21 aus Fig. 3, um die Überwachung mit der nächsten Gruppe von Abtastwerten fortzusetzen. Wenn anderenfalls die Variable F den zweiten festgelegten Wert hat, z. B. Schwellenwert TH2 bereits überschritten wurde (NEIN-Ausgabe von Block 70), so wird ein Piloten-Alarmsignal erzeugt (Block 74) die Variable F wird wieder auf den ersten festgelegten Wert gesetzt (Block 76) und Block 76 kehrt zurück zu Block 21 aus Fig. 3, um die Überwachung mit den nächsten Abtastwerten fortzusetzen.
• Die Vorteile des beschriebenen Verfahrens sind die Folgenden. Insbesondere ermöglicht die gleichzeitige Kontrolle der verschiedenen installierten Sensoren eine Überwachung von verschiedenen strukturellen Teilen des Hubschraubers in jedem Moment und die Erkennung einsetzender mechanischer Probleme, die durch die Abnutzung der Rotationsteile der Übertragung verursacht werden. Auf der strukturellen Ebene wiederum ermöglicht das beschriebene Verfahren die Erkennung von Rissen in stark beanspruchten Teilen des Hubschraubers, die zu einem plötzlichen Versagen führen können.
• Auf der Ebene der Signalverarbeitung ermöglicht das Verfahren schließlich die Erkennung von allen Problemen, die bei der Modulation der Sensorsignale entstehen können.
• Natürlich können an dem hier beschriebenen und dargestellten Verfahren Veränderungen vorgenommen werden, ohne jedoch von dem Gültigkeitsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen, der lediglich durch die Worte der angefügten Ansprüche beschränkt wird. Insbesondere können die Vorgänge der Filterung und Mittelung und der Alarmerzeugung von den beschriebenen abweichen.

Claims (9)

1. Verfahren zur Überwachung einer Übertragungsanordnung eines mit Beschleunigungssensoren versehenen Fahrzeugs, insbesondere eines Hubschraubers, welches die Schritte aufweist:

a) Erfassen eines Signals (s(t)) von einem Beschleunigungssensor;

b) Berechnen der Hilbert-Transformierten (H[T'1m(i)]) des Signals;

c) Bestimmen eines komplexen Signals (C1m(i)), wobei das Signal der Realteil ist und die Hilbert-Transformierte des Signals der Imaginärteil ist;

d) Berechnen der Differenz zwischen der Phase des komplexen Signals und einer Referenzphase zum Erzeugen eines Phasensignals (FC(i));

e) Berechnen der Variabilität des besagten Phasensignals zum Erzeugen eines Variabilitätssignals (V); und

f) Vergleichen des Variabilitätssignals (V) mit wenigstens einem vorgegebenen Schwellenwert (TH1, TH2).

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Variabilitätssignal die Varianz des besagten Phasensignals ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Schritte a) bis f) für eine Anzahl von Iterationen wiederholt werden.

4. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei welchem dem Schritt der Berechnung der Hilbert-Transformierten ein Schritt des Abtastens und Filterns des Signals vorangestellt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem der Schritt des Abtastens und Filterns die Schritte umfaßt:

- Erfassen einer Anzahl von synchronen Abtastwerten T1(i) für jede Umdre hung einer dem Beschleunigungssensor zugeordneten Welle; und

- Berechnen einer Durchschnitts-Zeitfolge T1m(i) nach der Gleichung:

wobei T1(i) die synchronen Abtastwerte, I ein Wert eines Zählers zum Zählen der Anzahl der Umdrehungen der Welle ist, und NJ die Anzahl der Signalpunkte ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem der Schritt des Abtastens und Filterns außerdem den Schritt des Filterns der Durchschnitts-Zeitfolge (T1m(i)) mit einem Bandpaß-Filter umfaßt, welcher zur Gewinnung eines gefilterten mittleren Signals (T'1m(i)) um eine festgelegte Frequenz zentriert ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei welchem dem Schritt der Berechnung einer Durchschnitts-Zeitfolge ein Schritt des Bestimmens des Vorhandenseins von signifikanten Signalwerten vorangestellt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei welchem dem Schritt des Berechnens einer Durchschnitts-Zeitfolge ein Schritt des Bestimmens der Konvergenz der Durchschnitts-Zeitfolge nachgestellt wird.

9. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei welchem der Schritt des Vergleichens des Variabilitätssignals außerdem den Schritt des Vergleichens des Variabilitätssignals mit einem zweiten Schwellenwert umfaßt.