Создание действующей модели автомата перекоса тарельчатого типа для изучения процесса управления вертолётом

Актуальность

Развитие вертолётостроения в последние годы обусловлено в том числе значительным увеличением производства гражданских вертолётов в результате расширения областей их применения.

В первую очередь, это связано с использованием вертолётов в различных сферах жизни человека: в транспортных перевозках, строительстве линейных сооружений (газопроводов, линий электропередач) и т. д.

Современный мегаполис сложно представить без использования вертолётов.

Расширение сфер применения и возросшая массовость в использовании данных летательных аппаратов также являются причинами роста интереса к внутреннему устройству и процессу управления вертолётом.

Цель

1. Создать действующую модель автомата перекоса тарельчатого типа для изучения процесса управления вертолётом.
2. Исследовать строение, основные элементы, работу данного механизма, и предложить свой вариант сборки модели из доступных материалов.

Задачи

1. Исследование и анализ различных информационных источников. Изучение и анализ исторических материалов о возникновения вертолётов, различных схем и типов вертолётов, основных компонентов управления вертолётами. Исследование конструкций различных типов автоматов перекоса вертолётов. Анализ положительных и отрицательных аспектов в использовании автомата перекоса кольцевого типа.
2. Математический расчёт и разработка схем сборки, подбор деталей для действующей модели.
3. Сборка действующей модели, испытания, устранение недочётов.
4. Составление рекомендаций по самостоятельной сборке собственной модели с учётом особенностей использования различных элементов конструкторов LEGO и поставленных задач.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Ноутбук
• Принтер
• Элементы различных конструкторов LEGO
• Батарейки АА, 6 штук.

Описание

1. Исследованы и проанализированы различные информационные источники; исторические материалы о возникновения вертолётов, различных схемах и типах вертолётов, основных компонентах управления вертолётами; конструкции различных типов автоматов перекоса вертолётов; положительные и отрицательные аспекты использования автомата перекоса кольцевого типа.

На данном этапе было выяснено, что автомат перекоса обеспечивает управление общим и циклическим шагом несущего винта, передавая управляющий сигнал от цепи управления к осевому шарниру втулки несущего винта и далее к лопастям (автоматы перекоса кольцевого типа являются наиболее распространёнными). Автомат перекоса представляет собой кинематический механизм, состоящий из невращающегося и вращающегося колец, соединённых между собой подшипником. Вращающееся кольцо присоединяется к рычагам лопасти при помощи поводка лопасти и крепится к валу несущего винта на универсальном шарнире – кардане или шаровой опоре. Независимость перемещения тяг продольного и поперечного управления обеспечивается шарнирным креплением их в перпендикулярной валу плоскости и совмещением с центром качания кардана или шарового шарнира.

Автомат перекоса кольцевого типа на кардане имеет очень широкое распространение на вертолётах из-за надёжности и неприхотливости к условиям эксплуатации. Недостатками его можно считать громоздкость и большие габариты, большой вес и необходимость периодической смазки.

Было принято решение создать модель автомата перекоса тарельчатого типа для понимания процесса управления вертолётом.

2. Разработаны схемы сборки и подбора деталей для действующей модели.

В основе работы над подготовкой модели лежало изучение чертежей и схем строения автомата перекоса тарельчатого типа на карданном подвесе для одновинтового вертолёта.  Далее график был перенесён на листы А4 и распечатан с помощью принтера.

При подготовке к сборке действующей модели необходимо было изучить и указать состав и назначение элементов конструкции выбранного автомата перекоса вертолёта, каким образом и с помощью каких элементов они соединены между собой. Учитывались нагрузки, действующие на элементы автомата перекоса вертолёта и то, как они перераспределяются и замыкаются в проводке системы управления вертолётом, и как, соответственно, будут стыковаться у модели.

Далее, в соответствии со схемами строения, а также особенностями движения отдельных элементов, осуществлялись подбор подходящих деталей из типовых конструкторов LEGO, способов их соединения для обеспечения движения элементов, разработка подключения элементов питания.

3. Собрана модель.

Используя различные детали наборов LEGO, сначала собрали опорный стенд, затем путём логического достраивания были поставлены два генератора.  Между ними поставлен обычный дифференциал, вал которого выходит вертикально вверх в специальное отверстие в верхней площадке.

Верхняя площадка является укрепляющим элементом для генераторов и центрирующим для вала от дифференциала, дабы минимизировать «биение» вала. Над верхней площадкой была построена система управления – пластина, которая имела возможность отклоняться во все направления на небольшой градус (аналог нижней невращающейся тарелки автомата перекоса). Оси поворотов пластины проходят через ось вращения вала. Тяги поворота пластины выведены в сторону от установки и соединены с ручкой управления для удобства пользования. Затем на вал был надет маховик, он никак не был закреплён на оси вала или на нижней пластине, для корректной работы был утяжелён. Следом на вал были надеты поводки и втулка с имитацией лопастей. Лопасти были закреплены так, что могли вращаться вокруг своей продольной оси. Тяги маховика (аналог верхней вращающейся тарелки автомата перекоса) были прикреплены к тягам поворота лопастей так, что поводки предотвращали скручивание тяг. К изделию подключён блок питания с батарейками.

4. Проведён эксперимент.

Была проведена проверка работоспособности системы управления, затем произведён запуск с подключением питания. Для наглядности работы имеется возможность «зеркальной» замены шестерней редуктора между мотором и генератором для изменения скорости вращения установки.

Работоспособность автомата перекоса и системы управления соответствовала уровню ожидания (ручку управления отклонялась в нужную сторону). При этом в реальном времени наблюдалось изменение циклического шага лопастей (лучше наблюдать в плоскости вращения винта).

5. Даны рекомендации.

Для оптимальной работы установки рекомендовалось использовать максимально возможные обороты вала, если их будет недостаточно – немного модернизировать трансмиссию и редуктор. Указанные изменения в конструкции несложные, их внесение заняло не более 10–15 минут.

Результаты работы/выводы

Результатом работы является создание действующей модели автомата перекоса тарельчатого типа из элементов конструктора LEGO. Подготовлены рекомендации по самостоятельной сборке данной модели с учётом особенностей использования различных элементов конструкторов LEGO и поставленных задач. По результатам запуска модели были выявлены основные возможные проблемы и рассмотрены варианты их решения.

Перспективы использования результатов работы

В перспективе автор планирует доработать конструкцию, следуя по пути универсализации модели, а также разработать технологию печати частей для данной конструкции на 3D-принтере. Учитывая стремительное распространение 3D-принтеров и появление различных пластиков для печати, данные разработки помогут ещё более удешевить сборку модели и приспособить их для решения  большего количества прикладных задач.

Мнение автора

«Это был наш первый опыт участия в подобных мероприятиях. Мы постарались ответственно подойти к работе над проектом, тем более, что выбранная нами тема очень интересная и захватывающая. Было интересно не только поучаствовать в конференции самим, но и побывать в ведущем вузе страны, познакомиться и пообщаться с преподавателями, получить от них ценные рекомендации на будущее.

Уже думаем над проектом для участия в следующем году!»