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扭矩监测已经并将继续是工业，农业和航空领域的持续挑战。扭矩测量可用作机械系统健康状况的指标，适用于测试和p

无人机转子飞行试验应用的无线转矩监测

抽象

扭矩监测已经并将继续是工业，农业和航空领域的持续挑战。扭矩测量可用作机械系统健康状况的指标，适用于测试和生产运行资产。最近采用的无线技术提供了方便的扭矩测量。此处介绍的工作代表了LORDMicroStrain®传感系统与无人机（UAV）军事飞行测试界合作的努力。

介绍

传动系统中的扭矩监测历来被用作预测系统退化的手段，以及现有机械系统的维护间隔。通过机械滑环布置所需的应变片桥式莲座线，并利用导电刷将信号从滑环的一侧传递到另一侧，可以将电信号和电力从固定框架传递到旋转框架，从而，实现相对复杂的轴扭矩监测测量系统。滑环的概念图如图1所示。

机械滑环很复杂; 有些人表现出不可靠的特征; 大多数都是维护密集型的，这些都需要硬连线，安装需要很多工时，增加了飞行系统的停机时间，并增加了平台的重量。一个特定的不希望的方面是由滑环组件传递的信号输出易受由电刷的电阻变化产生的感应噪声的影响。由于其可变电阻，刷材料将导致传输电压值的差异。这种变化是由于刷对环界面中不同材料的导电性1。大多数商用现货滑环产品都有相关的噪声指标作为其规格的一部分。另外，由于滑环轴承磨损产生的碎屑，几个海军贝尔H-1主旋翼齿轮箱已被拆除。滑环癫痫发作导致飞行试验期间Piasecki H-16的丢失2。

由于这些原因，许多旋翼飞机平台放弃了主旋翼和尾旋翼的应变/扭矩测量，而是选择监测发动机的扭矩。由于主旋翼和尾旋翼之间的耦合相互作用以及与机动相关的功率要求，除了悬停之外，对于操纵都难以估计主旋翼和尾旋翼功率。直接测量主转子/尾桨比将为调查和事件重建带来显着优势。

非接触式系统对于机械滑环的优点，因为许多设计利用没有相对运动的部件，并且不会干扰测试部件的平衡 - 这是高速应用中特别关注的问题。使用光学方法，在线耦合和磁场测量存在若干非接触和/或无线扭矩测量装置。虽然这些技术对于某些应用具有优点，但是许多技术需要在所研究的组件附近的固定参考系以安装相应的接收器设备，或者使用定制（或显着改进的）轴。在许多飞机安装中，为仪器分配的空间有限; 定制/改装部件带有适航性问题，

最近，LORD MicroStrain开发并测试了一种用于工业和军事航空航天应用的无线扭矩监测系统。Aptly命名为Torque-Link™，由双3.0 V可更换锂离子原电池供电，连续工作为40+，可根据应用和使用模式延长至数月。

虽然无线传感器网络（WSN）在航空航天和飞行测试社区中越来越受欢迎，但它们主要用于健康使用和监测系统（HUMS）的容量中。当前的HUMS系统使用到传感器和数据收集源的固定线路连接3。

最初的LORD产品Torque-Link™LXRS®原型设计用于MQ-8B“Fire Scout”VTUAV平台尾桨驱动轴。美国海军航空系统司令部（NAVAIR）要求LORD支持在他们之前的滑环仪表在试飞期间失败后测量Fire Scout武器化计划的尾旋翼传动轴扭矩。预计LORD的替代设计将取代机械滑环进行地面测试。

当在飞机发动机进气口附近发射火箭时，释放的热火箭废气会在发动机的压缩机级中引起不希望的和意外的响应。先前的测试已经证实，在发动机激增和恢复时，旋翼飞机在武器气体摄取（AGI）事件期间容易受到显着的尾桨扭转响应的影响4。这种扭转响应可能使传动轴“振动”，从而对尾桨驱动轴和齿轮箱造成损坏。了解尾桨传动轴对此扭转脉冲的扭矩响应是NAVAIR评估尾桨驱动系统疲劳损坏所需的。

系统组件

LORD MicroStrain Torque-Link™由两个半壳组件组成，这两个半壳组件夹紧在无人机的生产尾桨传动轴上。组件的一半支持电源和接线; 另一半支持电子传感器封装和应变片莲座线。系统通过两个半壳的夹紧力固定在铝制驱动轴上，紧固件均采用安全接线，采用尼龙贴片锁定技术，或安装有乐泰固定（图2）。钢制Helicoil安装在壳体连接紧固件孔中，以进一步紧固件强度。

图2

为了满足NAVAIR的适航要求，在Torque-Link™上进行了应力分析，外壳和紧固件在测试过程中能够承受速度和预期扭矩的离心载荷。还对驱动轴进行了应力分析，以解决与操作期间的重量和离心载荷相关的弯曲应力。将特定检查说明插入飞行间隙进行地面测试，以检查轴上的装配保持情况。由于该应用中尾部旋翼驱动轴的单件式配置，轴上的单元的动态平衡被认为对于该测试来说太昂贵。Torque-Link™装配平衡通过分析确定，完全符合应用所需的动态平衡。

Torque-Link™采用LORD MicroStrain SG-Link®-OEMLXRS®进行传感器测量。传感器包通过IEEE 802.15.4协议无线传输数据。传感器数据由无线传感器数据聚合器（WSDA®）单元接收。根据WSDA®的配置，它可以以用户控制的方式运行或运行。对于此应用，它被用作由具有膝上型计算机和LORD MicroStrainNodeCommander®软件的用户控制的无线基站。这个概念如图3所示。

图3

系统校准

静态校准台设置用于导出无线数据的斜率和偏移系数。试验台利用了支撑床中的无人机的实际扭矩轴，使得扭矩轴的一部分可以自由地悬臂伸出大约70英寸.Torque-Link™和应变仪花环安装在轴上。扭矩轴的末端装有力矩臂夹具，如图4所示。

图4

从力矩臂悬挂质量以获得已知的扭矩值，然后将其与无线传输的应变仪值相关联以获得校准系数。使用全应变仪桥接器进行测量，该桥梁弯曲载荷并且补偿了温度影响。校准方案利用了正扭矩和负扭矩（用户定义的正号符号约定）以及预期的地面试验和飞行载荷的测试点。

故意将Torque-Link™采样率设置为高，捕获驱动轴的第一个扭转模式。由于成本和进度限制，没有为该测试创建尾桨驱动系统的转子动力学模型。由于增加了尾桨变速箱和加载的尾桨系统惯性，轴的扭转模式被确定为比尾旋翼驱动系统的模式高的频率。

系统设置

Torque-Link™系统安装在尾桨驱动轴上。它的放置方式是不干扰无人机尾翼结构，并且为了无线信号传播而位于后部结构检修板附近。内部飞机结构的性质很难促进RF通信，反而导致多径问题，降低无线信号强度3。在这种情况下，如果证明RF传播不充分，可以移除检修面板进行地面测试。

图5示出了通过左侧尾翼检修面板观察在NAVAIR飞行测试车辆上完成的无线扭矩监测节点安装。

图5

地面测试

MQ-8B武器计划包括几项不同的测试。选择地面测试作为最终飞行测试的风险降低。地面测试的最终目标是：A）确定飞机是否受到AGI的影响，B）测量尾桨驱动轴上产生的扭矩脉冲。无人机连接到Patuxent River Naval Air Station的地面试验台。Torque-Link™配置为测量窗口的数据记录，持续时间约为3分钟。使用板载500Hz抗混叠滤波器以每秒2048个样本收集数据，并将其存储在节点存储器中。在数据收集窗口结束时，测量数据被无线传输到基站。

地面测试以总共六个测试点达到高潮，在操作期间和射击弹药期间成功地从尾部旋翼驱动轴收集无线扭矩数据。应用平均滤波器的收集数据的一个例子如图6所示，并显示收集的数据中没有明显的扭转脉冲。

图6

图7显示了典型的扭矩曲线，显示了Torque-Link™捕获的启动，地面空转和飞行功率。图7中的动态负载与失效前滑环收集的动态负载相当，并收集了数据在之前的飞行测试中。

图7

由于点火脉冲的瞬态特性，FFT数据在瀑布图中随时间绘制，以显示系统在点火事件周围的离散点处的频域响应。FFT如图8所示。

图8

飞行测试

尽管地面测试的初步开发概念，NAVAIR对硬件的设计和性能表示满意，并开始利用Torque-Link™系统在MQ-8B上进行飞行中数据采集。讨论了几种可能的数据收集方法。对于真正的数据收集，无线网络可以使用WSDA®-RGBD进行GPS定时，网络同步，无线数据收集和数据存储。另一种选择是与飞行试验飞行器并行飞行第二架飞机。这款“追逐”飞机将配备一台带有LORDMicroStrain®基站和笔记本电脑的操作员。从距离飞行测试车辆相对较短的距离，操作员可以将命令传递到无线节点以进行数据收集，数据下载和唤醒/睡眠操作。第三种选择是“武装”无线节点以在地面上收集数据，在收集数据时飞行测试点，并在飞行器返回时从节点无线下载数据。该方法具有基于无线节点的内部存储器和用户选择的数据采样率的时间限制，但是考虑到测试事件的亚秒瞬态特性，存储器限制被认为是可接受的折衷。LORDMicroStrain®基站天线能够唤醒Torque-Link™节点并从大约20英尺内的追踪飞机收集数据。该方法具有基于无线节点的内部存储器和用户选择的数据采样率的时间限制，但是考虑到测试事件的亚秒瞬态特性，存储器限制被认为是可接受的折衷。LORDMicroStrain®基站天线能够唤醒Torque-Link™节点并从大约20英尺内的追踪飞机收集数据。该方法具有基于无线节点的内部存储器和用户选择的数据采样率的时间限制，但是考虑到测试事件的亚秒瞬态特性，存储器限制被认为是可接受的折衷。LORDMicroStrain®基站天线能够唤醒Torque-Link™节点并从大约20英尺内的追踪飞机收集数据。
NAVAIR已完成MQ-8B和Torque-Link™LXRS®系统的飞行武器测试，提供了宝贵的尾部扭矩数据，同时减少了对车辆重量和平衡以及轴动态平衡的影响。

结论

使用LORDMicroStrain®Torque-Link™LXRS®收集的数据成功实现了在MQ-8B武器计划AGI测试的地面测试部分期间提供尾部扭矩数据的目标。Torque-Link™在飞行测试期间进一步提供数据，允许NAVAIR工程师决定继续测试，同时确保飞机的安全性。使用Torque-Link™收集的数据进行的数据分析显示，在火箭发射/ AGI观测窗口期间没有发生瞬态加载。同样，在同一时间窗口内没有检测到机载飞机健康监测和反馈仪器的振动瞬变。先前的机械滑环数据也与无线收集的数据相关。虽然假设动态事件将会发生，然后见证该事件是有益的，在这种情况下，我们没有检测到瞬态振动事件。因此，我们得出结论，火箭火灾和气体摄入事件属于这些测试标准和条件，不会在该旋翼飞机的尾桨驱动系统上引起扭转负载瞬态。

Torque-Link™设计紧凑轻巧，减少了对机身和传动轴的影响。MQ-8B测试飞机上的其他仪表证实，Torque-Link™不会影响轴的平衡，这被认为是该应用中的一个重要问题。

LORD MicroStrain的技术允许工程师在不需要线束或安装装置的情况下对飞机进行检测。LORD MicroStrain无线系统的可扩展性还允许在使用传统有线方式难以捕获的位置同时进行时间同步应变，振动，温度和腐蚀测量。

该项目中展示的无线技术为用户提供了传统仪器和测量技术的低成本，快速周转的替代方案。系统复杂性的显着风险降低是显而易见的，因为在这种情况下，用户更换了失败的滑环装置用于其数据收集，降低的飞机仪表重量和减轻的平衡问题。

NAVAIR公开发布2014-53发布声明A - 批准公开发布; 

参考

“材料应用指南：滑环材料应用建议”。http://www.uea-inc.com/products/slip-rings/materials-application-guide。
“Piasecki PV-15 Transporter / YH-16”。http://www.aviastar.org/helicopters_eng/piasecki_h-16.php。
 Ketcham，R.，Herbst，J.，Phan，N。，“无线传感器数据聚合系统和HUMS的集成”，美国直升机协会第69届年度论坛，凤凰城，亚利桑那州，2013年
 Clark，G.，Chesser， A.“AH-1Z火箭气体吞噬：用最少的资源扩展信封。