Бортовые системы ЦИАМ диагностики вертолетов

Постоянный мониторинг состояния сложных технических систем во всем мире становится одним из главных направлений обеспечения эффективного функционирования объектов в промышленности, строительстве, энергетике и на транспорте. Дело не только в предотвращении техногенных катастроф, сопровождающихся гибелью людей и приносящих колоссальный экономический и экологический ущерб. Системы мониторинга вносят огромный вклад в обеспечение надежности работы техники и являются одним из ключевых элементов ее эксплуатации по состоянию. Сухопутные войска США с 2001 года изучали выгоды применения системы мониторинга вертолетов HUMS (Health and Usage Monitoring System), в том числе в боевых условиях. Эффект оказался таков, что, по сообщениям прессы, в 2015 году для повышения боевой готовности и снижения расходов на эксплуатацию системой контроля текущего состояния были оснащены все 3300 вертолетов армейской авиации США. Есть подобные наработки и в России. Об успехах и проблемах работ в этом направлении рассказывает начальник отдела отделения динамики и прочности ЦИАМ Виктор Васильевич Голованов. Именно при ведущей роли специалистов ЦИАМ 12 лет назад была создана первая отечественная бортовая система диагностики вертолетов.

Виктор Васильевич, для чего создавалась бортовая система диагностики вертолетов?

Эта система изначально разрабатывалась главным образом для обеспечения безопасности полетов вертолетов над морем. По английским нормам с 1995 года, а сейчас, как утверждают иностранные коллеги, и по китайским нормам, над морем без систем диагностики вертолетам летать нельзя. Мы эту задачу решили в 2004 году, и вот уже 12 лет продолжается эксплуатация этой системы на четырех вертолетах Ми-8МТВ-1 компаний «Сахалинэнергия» и «Авиашельф», которые обслуживают морские платформы на Сахалине.

Как работает бортовая система диагностики вертолетов?

Система собирает информацию о вибрациях агрегатов вертолета, сопровождающих их работу и возникающих во время полета. После полета эта информация считывается на твердотельный накопитель и переносится на наземный комплекс. На наземном компьютере высвечивается интерфейс, представляющий собой схему вертолета с транспарантами в тех местах, где установлены датчики. Цвет этих транспарантов – зеленый, желтый или красный – говорит о том, превышаются ли параметры вибраций каждого из валов разветвленной трансмиссии привода винтов, главного редуктора, двигателей, коробки приводов агрегатов, наблюдается ли дисбаланс винтов. Если параметры вибрации, а их для каждого вала 16, не превышают установленные пороговые значения, то все транспаранты зеленые. Таким образом эксплуатант понимает, что его вертолет может лететь в следующий полет над морем.

Кроме того, программа строит тренд результатов измерений от полета к полету для каждого из этих параметров. Если тренд начинает круто «задираться», то можно сделать вывод, что, хотя все параметры еще в пределах нормы, происходят какие-то серьезные изменения. Вся эта информация хранится в базе данных у эксплуатанта и одновременно передается по Интернету в ЦИАМ. По мере накопления данных они используются для уточнения как диагностических признаков, так и пороговых значений.
Удалось ли усовершенствовать систему за эти 12 лет?

Сейчас готово уже 5-е поколение этой системы. Это многопроцессорная система с максимально возможной степенью импортозамещения. Она связана с другими системами вертолета, включая «черный ящик» и бортовую машину. Система не только накапливает данные в полете, но уже может обрабатывать всю информацию на борту, если такая технология будет необходима. На борту сигнализация превышения параметра вибрации порогового значения по желанию заказчика выводится только для слабых звеньев, влияющих на безопасность полета.

Расскажите подробнее об устройстве системы?

В систему входит набор датчиков – преобразователей вибраций: это высокотемпературные датчики для измерения вибраций двигателя, агрегатов трансмиссии, трехкомпонентные датчики для контроля и балансировки винтов. Датчики имеют встроенные в разъемы усилители. Для каждого из этих датчиков применяются разного типа автономные аналого-цифровые преобразователи. Для одноосевых – одноосевые, для трехосевых – трехосевые. Датчики скоммутированны с блоком сбора и обработки информации, в который поступают также и сигналы от датчиков частот вращения двигателей, несущего и рулевого винтов.
Блок сбора и обработки информации, в который поступают сигналы с датчиков – мощная многопроцессорная система, которая, как я уже говорил, в принципе может обрабатывать всю информацию на борту, если такая необходимость возникнет.

Где изготавливается это оборудование?

В настоящее время организовано серийное производство датчиков. Датчики разработало предприятие «Вибро-прибор», а изготавливает компания «Техприбор» в Санкт-Петербурге. В связи с тем, что эти датчики разработаны для редукторов, – а у редукторов требования по динамическому и частотному диапазону очень высокие, – они с успехом используются и на других изделиях – на двигателях, решая вопросы диагностики их коробок приводов. Параллельно решена задача импортозамещения. Все это свое, российское, при этом качеством не хуже, а зачастую даже и лучше, чем у зарубежных аналогов.

В блоке сбора и обработки информации вопросы импортозамещения также решены в максимально возможной степени. Сейчас разработано уже 5-е поколение этого блока, и начиная с 4-го поколения в нем из импортных комплектующих используются только процессоры, которые у нас не выпускают, но которые мы можем купить у разных производителей, так что проблем с их доступностью не возникает. Опытные образцы блоков изготавливает предприятие в Минске, с которым мы работаем уже 20 лет, основной костяк которого составляют специалисты бывшей отраслевой лаборатории МАП СССР методов и средств измерений при Белорусском государственном университете.

Какова роль ЦИАМ в этой разработке?

Проблемами вибродиагностики отделение прочности ЦИАМ занимается уже давно. В принципе, в основе этой системы лежат еще наши наработки по паспортизации вибрации редукторов на СПб ОАО «Красный октябрь». Мы занимались выявлением дефектов подобных изделий от начала их разработки до решения их проблем в эксплуатации. По глубине проработки этого направления, я считаю, ЦИАМ занимает лидирующую позицию. Мы пишем требования, соответствующие задачам, которые возникают при вибродиагностике вертолета, прежде всего – редуктора. Разработчик все это быстро воплощает в «железо», в частности – в датчики, а потом передает в серию и даже продает разработку другим заказчикам, нуждающимся в датчиках с такими параметрами. У нас налажено хорошее взаимодействие. Каждый из датчиков, которые применяются в новейшей версии нашей системы, разрабатывались меньше чем за год. Разработчик оперативно реагирует на наши запросы. В настоящее время уже разработан датчик с самодиагностикой и с улучшенными метрологическими параметрами.

Таким же образом осуществляется взаимодействие и с разработчиками блока сбора и обработки информации. Мы им ставим задачу, мы ими руководим, мы решаем, что нужно размещать на борту, а что оставить на земле, а они разрабатывают аппаратуру и алгоритмы обмена и сбора информации. Обработка же этой информации производится по алгоритмам и методике ЦИАМ.

Есть ли интерес к этой системе у эксплуатирующих вертолеты организаций?

К нам обратилась компания «Восток», которая также летает на Сахалине. Увидев, как работает эта система, они попросили поставить им ее современный вариант. Интерес к нашей системе есть у «Лукойла» и «Роснефти». Серьезный интерес проявляет и Министерство обороны. На Ми-28Н бортовая система диагностики уже пойдет как штатная система. Для этого мы сейчас в очень сжатые сроки проводим весь цикл испытаний для этих типов вертолетов. У нас формируется база данных, мы ездим в части в связи с выявленными на начальном этапе эксплуатации вертолета дефектами его агрегатов. Новые вертолеты будут оснащаться системой диагностики уже на заводе. Наверное, будут дооснащаться и уже выпущенные машины.
Каков экономический эффект от применения системы диагностики?

Система отслеживает вибрации каждого вала кинематической схемы вертолета, что дает возможность даже по одному параметру роторной вибрации контролировать состояние агрегатов и предотвращать катастрофы вертолетов стоимостью десятки миллионов долларов. Возможностей сэкономить немало средств за счет использования результатов работы нашей системы достаточно много, вплоть до оценки качества агрегатов, устанавливаемых на редуктор, на двигатели, качества их монтажа и т.д. Все это наша система может. Разбалансированный рулевой винт? Сразу рекламация. Ну и так далее.

Сколько стоит установка такой системы на вертолет?

На первый взгляд, системы достаточно дорогие. Стоимость зависит от многих обстоятельств: на восемь вертолетов с разработкой РКД на установку на данную машину и проведением испытаний для машин данного исполнения получается сумма порядка 300 тыс. долларов за одну систему. Но если сравнить со стоимостью вертолета в несколько десятков млн долларов, то эта сумма не является значительной, особенно учитывая экономический эффект применения нашей системы. Мы за время ее эксплуатации уже «разрулили» 20 с лишним ситуаций, которые могли привести к авариям и даже к потери вертолета. Например, выявляли установленные несбалансированно рулевые винты. Мы диагностировали бринелирование рабочих поверхностей карданов приводов вентиляторов, – а это дефект, из-за которого в эксплуатации произошли две катастрофы. Наша система опровергла неправильную работу системы контроля стружки в масле, выявила начало коксования масла в последней опоре трансмиссии.
Данные нашей системы позволяли продолжать эксплуатацию вертолета, например, после того, как он попадал в турбулентность. Эксплуатант видит превышение вибрации, он обеспокоен и, чтобы продолжить полеты, ему нужно подтверждение, что с вертолетом никаких необратимых явлений не произошло. Мы эту ситуацию «разруливаем». Или, к примеру, если теплая погода наступает раньше обычного, а маслосмесь в связи с изменением температуры не меняют, то начинают повышаться уровни вибрации отдельных компонентов, и мы предупреждаем: у вас параметры пошли вверх, нужно менять маслосмеcь. Масло меняют и все стабилизируется.

Есть ли препятствия на пути более широкого внедрения этой системы?

Основная задача, решаемая системой, это определение динамических состояний каждой детали, которые могут привести к развитию усталостных трещин. Следующая задача на основе анализа тренда измеряемых параметров – переходить к эксплуатации по техническому состоянию. Накопленный ЦИАМ опыт показывает перспективность решения этой задачи с использованием разработанных как бортовых систем, так и их стендовых вариантов. По мере накопления опыта и демонстрации результатов использования систем среди конструкторов появляется все больше сторонников их внедрения. Пока вертолеты этой системой оборудуются лишь по особому решению. Положение изменится, только если будет принято правило об обязательной установке систем диагностики на вертолеты. Тогда дело пойдет, а у нас для этого все готово. Мы сейчас организуем серийное производство наших систем на одном из радиоэлектронных заводов.