СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА СЦЕПЛЕНИЯ КОЛЕСА С АЭРОДРОМНЫМ ПОКРЫТИЕМ Российский патент 2007 года по МПК G01N19/02 

Изобретение относится к устройствам и системам для оценки состояния поверхности взлетно-посадочных полос (ВПП) аэродромов, но может также использоваться для определения коэффициента сцепления дорожных покрытий.

Известно серийно выпускаемое шведской фирмой Saab-Scania устройство измерения коэффициента сцепления Saab 900/9000 (Способ определения коэффициента сцепления данным устройством приведена журнале Hoverfoil News, 8 №9-10.1-определение коэффициента сцепления ВПП).

В известном устройстве максимальное значение коэффициента сцепления (f_max) определяют путем измерения максимальной силы сцепления (Р_{сцп. мах}) измерительного колеса с поверхностью аэродромного покрытия при смачивании поверхности покрытия и постоянной пробуксовки измерительного колеса на 15-17%. При этом коэффициент сцепления вычисляют по формуле

f_max=Р_{сцп. max}/Р_г,

где f_max - максимальный коэффициент сцепления измерительного колеса с поверхностью покрытия;

Р_{сцп. мах} - сила сцепления измерительного колеса при его постоянной пробуксовке;

Р_г - нормальная сила нагрузки на измерительное колесо.

Недостатком данного способа является то, что на некоторых широтах зимнее время исключает смачивание поверхности, а постоянная пробуксовка занижает максимальное значение коэффициента сцепления (f_max).

Другим известным устройством является серийно выпускаемая «Аэродромная тормозная тележка» АТТ-2 («Устройство для определения коэффициента сцепления колес с аэродромным покрытием» - Авторское свидетельство №630982, кл. G01N 19/02. Способ определения коэффициента сцепления приведен также в «Руководстве по эксплуатации гражданских аэродромов Российской Федерации », изд. М., «Воздушный транспорт», 1955 г., стр.154-157).

Способ определения коэффициента сцепления известного устройства заключается в том, что при движении измерительной тележки из-за разницы в диаметрах ведущего и измерительных колес, соединенных редуктором через блокировочную муфту, осуществляется движение измерительного колеса с пробуксовкой относительно поверхности аэродромного покрытия. Соотношение диаметров ведущего и измерительного колес обеспечивает движение измерительного колеса с пробуксовкой 17%.

Вследствие пробуксовки измерительного колеса возникает продольная максимальная сила сцепления (Р_{сцп. мах}). При этом максимальное значение коэффициента сцепления вычисляют по формуле

f_max=Р_{сцп. мах}/Р_г,

где f_max - максимальное значение коэффициента сцепления;

Р_{сцп. мах} - продольная максимальная сила сцепления измерительного колеса при его пробуксовке;

Р_г - нормальная сила нагрузки на измерительное колесо.

Недостатком известного способа является наличие значительных ошибок при определении максимального значения коэффициента сцепления, так как при движении из-за разницы в диаметрах ведомого и измерительного колес имеет место занос измерительной тележки - появляется поперечная сила торможения, а также наличие постоянной пробуксовки снижает максимальную продольную силу сцепления.

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности является «Устройство для определения коэффициента сцепления колеса с аэродромным покрытием». (Заявка Российской Федерации №2004101376/11(001331) от 08.01.2004 г. - патент №2259669, G01P 15/08), в котором способ определения коэффициента сцепления наиболее близок к заявленному изобретению. Структурная схема устройства для реализации известного способа (прототипа) приведена на Фиг.1.

Упомянутое устройство содержит измерительную тележку 1 и блок регистрации 2. Измерительная тележка 1 снабжена измерительным колесом 3 - авиационное шасси и ведомыми колесами 17 - автомобильное шасси.

В состав измерительной тележки 1 входят:

- независимый вертикальный груз 6, которым обеспечивают нормальную (вертикальную) силу Р_г на измерительное колесо 3;

- блокировочная муфта 4, которой перед проведением измерений соединяют измерительное колесо 3 с редуктором 5;

- редуктор 5, которым обеспечивают необходимый диапазон скорости вращения ротора генератора постоянного тока 8;

- муфта свободного хода 7, которой обеспечивают передачу вращающего момента в одном направлении (от редуктора 5 к ротору генератора 8);

- генератор постоянного тока 8, который работает в двух режимах - стартерном и генераторном; в стартерном режиме обеспечивают разгон ротора генератора 8 до номинальной скорости вращения, что исключает перегрузку измерительного колеса 3 в момент разгона автомобиля буксировщика; генераторный режим генератора 8 обеспечивают силой сцепления измерительного колеса с поверхностью аэродромного покрытия;

- блок силовых ключей 9, которым меняют нагрузку генератора 8 в соответствии с сигналами, поступающими из блока управления 22;

- активная нагрузка 10;

- первый 11 и второй 12 датчики угловых скоростей, предназначенные для измерения угловых скоростей соответственно измерительного 3 и ведомого 17 колес;

- пусковое сопротивление 13;

- аккумуляторная батарея 14, которой обеспечивают стартерный режим генератора 8;

- регулятор напряжения 15 поддерживает напряжение генератора 8 постоянным;

- контактор 16 в стартерном режиме подключает через пусковое сопротивление 13 аккумуляторную батарею 14 к генератору 8;

- раму измерительной тележки 18;

- измерительный элемент 19, которым определяют силу динамического торможения измерительного колеса 3 Р_т и измерительной тележки 1.

Блок регистрации 2 содержит:

- вычислитель 20;

- пульт управления 21;

- блок управления 22;

- блок памяти 23;

- контроллер 24;

- дисплей 25.

Вычислитель 20 осуществляет прием информации от датчиков 11 и 12 угловой скорости вращения соответственно измерительного 3 и ведомого 17 колес и принимает от измерительного элемента 19 информацию тяговой силы измерительной тележки 1 и информацию динамометра силового стенда при проведении тарирования устройства. Вычислитель 20 в соответствии с программным обеспечением через блок управления 22 осуществляет управление блоком силовых ключей 9, а также запись и считывание информации из блока памяти 23, определяет максимальное значение коэффициента сцепления (f_max) с аэродромным покрытием, определяет скорость движения, выдает необходимую информацию на дисплей 25 и считывает из блока памяти 23 через контроллер 24 информацию о проведенных измерениях.

При этом в известном способе максимальное значение коэффициента сцепления (f_max) вычисляют путем измерения максимальной силы продольного динамического торможения измерительного колеса по поверхности аэродромного покрытия, получаемой при работе генератора постоянного тока в генераторном режиме, когда максимальная механическая сила сцепления (Р_{сцп. max}) измерительного колеса превращается в электрическую и выделяется в виде тепловой энергии в блоке активной нагрузки, при этом коэффициент сцепления вычисляют по формуле

f_max=P_{сцп. max}/Р_г,

где

f_max - максимальное значение коэффициента сцепления колеса с аэродромным покрытием;

Р_{сцп. max} - максимальная продольная сила сцепления измерительного колеса с поверхностью аэродромного покрытия;

Р_г - нормальная сила нагрузки на измерительное колесо.

Определение известным способом продольного максимального коэффициента сцепления (f_max) колеса с аэродромным покрытием.

Способ определения коэффициента сцепления условно делится на два этапа - поиска и слежения.

В режиме поиска осуществляется поиск максимальной силы сцепления (Р_{сцп. max}) измерительного колеса 3 с поверхностью аэродромного покрытия.

В режиме слежения - слежение за максимальной силой сцепления измерительного колеса 3 с поверхностью покрытия, осуществляя при этом требуемую корректировку.

Режим поиска начинается с минимального и равномерного увеличения тока на активной нагрузке блока 10. При этом сила динамического торможения (Р_т) измерительного колеса 3 будет также пропорционально увеличиваться.

Однако набольшей силы динамического торможения Р_т измерительное колесо 3 достигает при его пробуксовке. Степень пробуксовки измерительного колеса 3 по отношению к поверхности аэродромного покрытия характеризуется относительным проскальзыванием S

S=(ω_в-ω_изм)/ω_в,

где ω_в - угловая скорость ведомого колеса 17;

ω_изм - угловая скорость измерительного колеса 3,

(радиусы измерительного и ведомого колес равны).

Максимальное значение коэффициента сцепления (f_max) определяется с учетом состояния поверхности покрытия при относительном проскальзывании S от 0,1 до 0,2 (10-20%).

При наличии относительного проскальзывания S максимальная продольная сила сцепления (Р_{сцп. max}) измерительного колеса 3 с поверхностью аэродромного покрытия контролируется по показаниям измерительного элемента 19.

Когда с увеличением тока на активной нагрузке блока 10 показания измерительного элемента 19 достигают максимального значения, режим поиска заканчивается. Включается режим слежения, в котором в соответствии с программным обеспечением отслеживается максимальное сцепление (Р_{сцп. max}) измерительного колеса 3 с поверхностью аэродромного покрытия, при этом максимальное значение коэффициента сцепления (f_max) вычисляется по ранее приведенной формуле

f_max=Р_{сцп. max}/Р_г.

Недостатком известного способа определения максимального значения коэффициента сцепления (f_max) является то, что в данном способе, как и в известных аналоговых способах, имеет место наличие постоянной пробуксовки измерительного колеса 3 от 10 до 20% от измеренного расстояния.

В результате постоянной пробуксовки поверхность измерительного колеса разогревается, резина размягчается и максимальная сила сцепления измерительного колеса с поверхностью покрытия уменьшается (уменьшается Р_{сцп. max} и соответственно f_max).Тем более нежелательна фиксированная (заданная) пробуксовка измерительного колеса без учета состояния поверхности покрытия, как это имеет место в аналоговых способах измерения коэффициента сцепления.

Для уменьшения разогрева измерительного колеса иногда применяется смачивание поверхности покрытия. Но на сухом покрытии пыль и влага образуют смазку между колесом и поверхностью, уменьшая тем самым измеренное максимальное значение коэффициента сцепления. Смачивание поверхности не исключает разогрева измерительного колеса и не всегда может применяться. В зимнее время смачивание поверхности покрытия исключается. Точность определения максимального коэффициента сцепления снижается так же из-за того, что максимальная сила сцепления не имеет резко выраженного характера. (Р_{сцп. max} имеет плоскую вершину - Фиг.2).

Целью предлагаемого способа является повышение точности измерения максимального значения коэффициента сцепления (f_max).

Поставленная цель в «Способе определения коэффициента сцепления колеса с аэродромным покрытием» достигается тем, что в нем, как в прототипе, коэффициент сцепления колеса с аэродромным покрытием определяется методом динамического торможения, когда электродвигатель работает в генераторном режиме, при котором механическая энергия тормозного элемента (измерительного колеса) превращается в электрическую и выделяется в форме тепловой энергии на активной нагрузке, при этом определяют нормальную (вертикальную) силу нагрузки на измерительное колесо (Р_г).

Дополнительно определяют продольную силу сцепления измерительного колеса с поверхностью аэродромного покрытия (Р_сцп) и коэффициент динамического торможения (k), при этом максимальное значение коэффициента сцепления (f_max) вычисляют по формуле

f_max=(Р_сцп/Р_г)k,

где

f_max - максимальное значение коэффициента сцепления измерительного колеса с аэродромным покрытием;

Р_сцп - продольная сила сцепления измерительного колеса с поверхностью покрытия;

Р_г - нормальная сила нагрузки на измерительное колесо;

k - коэффициент динамического торможения, который вычисляют при проведении тарирования устройства, как отношение Р_{сцп. max} к Р_сцп

k=Р_{сцп. max}/_Рсцп,

где

Р_{сцп. max} - максимальная сила сцепления измерительного колеса.

В известных технических решениях признаков, сходных с отличительными признаками заявленного способа, не обнаружено, вследствие чего можно считать, что предлагаемый способ соответствует изобретательскому уровню.

Использование данного способа при его реализации позволит повысить безопасность при посадке летательных аппаратов путем повышения точности определения коэффициента сцепления авиашасси с поверхностью взлетно-посадочной полосы аэродрома.

Сущность предлагаемого «Способа определения коэффициента сцепления колеса с аэродромным покрытием» поясняется чертежами, где представлены:

на фиг.1 - структурная схема устройства, реализующая предложенный способ определения максимального значения коэффициента сцепления;

на фиг.2 - диаграмма, поясняющая метод вычисления коэффициента динамического торможения - k;

на фиг.3 - алгоритм предложенного способа измерения коэффициента сцепления (f_max) колеса с аэродромным покрытием.

В предлагаемом «Способе определения коэффициента сцепления колеса с аэродромным покрытием», как и в прототипе, коэффициент сцепления колеса с аэродромным покрытием определяют методом динамического торможения, когда электродвигатель работает в генераторном режиме, при котором механическая энергия тормозного элемента (измерительного колеса) превращается в электрическую и выделяется в форме тепловой энергии в активной нагрузке, при этом определяют нормальную силу нагрузки на измерительное колесо (Р_г).

Дополнительно определяют продольную силу сцепления измерительного колеса с поверхностью аэродромного покрытия (Р_сцп) и коэффициент динамического торможения (k), при этом максимальное значение коэффициента сцепления (f_max) вычисляют по формуле

f_max=(Р_сцп/Р_г)k,

где

f_max - максимальное значение коэффициента сцепления измерительного колеса с аэродромным покрытием;

Р_сцп - продольная сила сцепления измерительного колеса с поверхностью аэродромного покрытия;

Р_г - нормальная (вертикальная) сила нагрузки на измерительное колесо;

k - коэффициент динамического торможения, который вычисляют при проведении тарирования устройства, как отношение Р_{сцп. max} к Р_сцп

k=Р_{сцп. max}/Р_сцп),

где

Р_{сцп. max} - максимальная сила сцепления измерительного колеса.

Для реализации предложенного способа используется «Устройство для определения коэффициента сцепления колеса с аэродромным покрытием», в котором реализован способ прототипа. Структурная схема устройства приведена на Фиг.1. Для реализации предложенного способа определяют силу сцепления (Р_сцп) измерительного колеса 3 и коэффициент динамического торможения (k). Р_сцп определяют в процессе измерений, k определяют на силовом стенде во время тарирования устройства. Но k определяют и в полевых условиях. Для определения k в полевых условиях выбирают относительно ровное, сухое и чистое асфальтобетонное покрытие длиной до 1 км.

Автомобиль буксировщик разгоняют до установленной скорости (V), при которой определяют максимальное значение коэффициента сцепления измерительного колеса 3 с поверхностью аэродромного покрытия. Скорость движения определяют по датчику угловой скорости 12 ведомого колеса 17 в соответствии с формулой

V_a=ω_вr,

где V_a - скорость движения автомобиля буксировщика, м/с;

ω_в - угловая скорость ведомого колеса, рад/с;

r - радиус ведомого колеса, м.

При равенстве скоростей V и V_a вычислителем 20 включается программа, по которой определяют изменение силы динамического торможения Р_т измерительного колеса 3 при увеличении тока J_H на активной нагрузке блока 10 от минимального до максимального значения.

При этом в блок памяти 23 записывают:

- угловую скорость датчика 12 ведомого колеса 17;

- угловую скорость датчика 11 измерительного колеса 3;

- силу тока активной нагрузки J_H блока 10;

- показания измерительного элемента 19.

Показания измерительного элемента 19 равно

Р_и-Р_т+Р_к,

где Р_и - сила буксировки измерительной тележки 1;

Р_т - сила динамического торможения измерительного колеса 3;

Р_к - сила сопротивления качению ведомых колес 17.

При этом силу сопротивления качению ведомых колес 17 определяют на силовом стенде или вычисляют по формуле

P_k=GY,

где G - нормальная нагрузка на ось ведомых колес 17;

Y - коэффициент сопротивления качению, который при скорости движения до 80 км/ч равен 0,012.

После проведения измерений и обработки полученной информации осуществляют построение диаграммы изменения силы динамического торможения Р_т измерительного колеса от изменения тока нагрузки J_H в блоке 10 (Фиг.2). На диаграмме (Фиг.2) выделяются несколько характерных участков.

При изменении J_H от 0 до J₁ соответственно увеличивается сила динамического торможения Р_т от 0 до «а» - Фиг.2. При этом пробуксовка измерительного колеса 3 отсутствует, так как сила динамического торможения Р_т меньше силы сцепления (Р_сцп) измерительного колеса 3 с поверхностью покрытия

Р_т<Р_сцп.

В точке «а» появляется пробуксовка измерительного колеса 3, при этом сила динамического торможения Р_т становится равной силе сцепления Р_сцп

Р_т=Р_сцп=Р_г,

где f - коэффициент сцепления измерительного колеса с поверхностью покрытия.

При увеличении J_H на активной нагрузке 10 от J₁ до J₂ возрастает сила динамического торможения Р_т от «а» до «в» (Фиг.2), одновременно увеличивается и пробуксовка измерительного колеса 3. В точке «в» сила динамического торможения достигает максимального значения (Р_{т. max}), которое равно максимальному сцеплению колеса 3 (Р_{сцп. max}) с поверхностью покрытия

Р_{т. мах}=Р_{сцп. max}=f_maxР_г,

где f_max - максимальное значение коэффициента сцепления измерительного колеса с поверхностью покрытия.

При дальнейшем увеличении J_H на активной нагрузке от J₂ до J₃ сила Р_{т. max}(Р_{сцп. max}) уменьшается от «в» до «с» (Фиг.2). Это объясняется тем, что одновременно с увеличением J_H увеличивается пробуксовка измерительного колеса 3, колесо разогревается, резина размягчается, сила Р_{т. max}(Р_{сцп. max}) уменьшается, уменьшается и f_max.

По полученным значениям Р_сцп и Р_{сцп. max} вычисляют коэффициент динамического торможения k

k=Р_{сцп. max}/Р_сцп.

При изменении состояния поверхности покрытия соответственно меняются Р_сцп и Р_{сцп. max}, но их отношение (коэффициент k) сохраняется. Коэффициент записывают в оперативную память вычислителя 20, который затем используют для вычисления f_max.

Способ определения максимального коэффициента сцепления.

Перед определением коэффициента сцепления проводится подготовительная работа (Фиг.3):

- тумблер «тарирование/измерение» на пульте управления 21 устанавливают в положение «измерение»;

- включают блокировочную муфту 4;

- кнопками пульта управления 21 устанавливают дату, номер полосы, направление движения - установленную информацию записывают в блок памяти 23;

- нажимают кнопку «Пуск» пульта управления 21, при этом замыкается цепь включения контактора 16 и силовая шина аккумуляторной батареи 14 через пусковое сопротивление 13 подключается к электродвигателю 8. Ротор электродвигателя 8 раскручивается до номинальной скорости вращения.

После проведения подготовительной работы автомобиль буксировщик набирает заданную скорость V.

Процесс определения максимального коэффициента сцепления условно делится на два этапа - поиска и слежения.

В режиме поиска осуществляют поиск силы динамического торможения Р_т, равной силе сцепления Р_сцп измерительного колеса 3 с поверхностью покрытия. При равенстве Р_т и Р_сцп измерительное колесо 3 начинает пробуксововать.

В режиме слежения отслеживают начало пробуксовки измерительного колеса. При этом обеспечивают равенство сил Р_т и Р_сцп.

Режим поиска начинают с минимального и равномерного увеличения тока J_H на активной нагрузке блока 10. При этом сила динамического торможения измерительного колеса 3 будет также пропорционально расти (Фиг.2). Когда сила Р_т станет равна силе Р_сцп, появляется пробуксовка измерительного колеса. Пробуксовка фиксируется по информации датчиков угловых скоростей 11 и 12. На этом режим поиска заканчивают.

В режиме слежения обеспечивают слежение за началом пробуксовки измерительного колеса 3. Информация датчиков 11 и 12 (измерительного 3 и ведомого 17 колес) поступает в вычислитель 20, где их показания сравниваются.

Пробуксовка измерительного колеса отсутствует - показания датчиков угловой скорости 11 и 12 равны между собой. В этом случае с вычислителя 20 в блок управления 22 поступает сигнал увеличения нагрузки на генератор 8. Сигнал увеличения нагрузки с блока управления 22 поступает в блок силовых ключей 9, которым увеличивается ток нагрузки блока 10. Возрастает нагрузка на генераторе 8, увеличивается сила динамического торможения измерительного колеса 3, с появлением пробуксовки которого увеличение тока на активной нагрузке блока 10 прекращается.

Если пробуксовка измерительного колеса 3 больше заданной величины, тогда уменьшают ток активной нагрузки блока 10, соответственно уменьшается нагрузка на генератор 8, уменьшается сила динамического торможения измерительного колеса 3, уменьшается его пробуксовка. При достижении заданной величины пробуксовки дальнейшее уменьшение тока нагрузки блока 10 прекращается.

В соответствии с программным обеспечением вычислителем 20 обеспечивают заданный минимальный диапазон пробуксовки - n_б, в пределах которого определяют силу динамического торможения Р_т (Р_сцп), при этом Р_т=Р_сцп.

Максимальный коэффициент сцепления измерительного колеса с поверхностью аэродромного покрытия определяют как

f_max=(Р_сцп/Р_г)k.

Предлагаемый способ определения максимального значения коэффициента сцепления колеса с поверхностью аэродромного покрытия исключает пробуксовку измерительного колеса в процессе проведения измерений за исключением фиксации начала пробуксовки в заданном минимальном диапазоне - n_б, что увеличивает точность определения максимального значения коэффициента сцепления. При этом в режимах поиска и слежения точнее определяют и отслеживают силу продольного сцепления Р_сцп измерительного колеса, так как начало его пробуксовки имеет резко выраженный характер и определяется минимальным диапазоном пробуксовки n_б с большей точностью. Предлагаемый способ не требует смачивания поверхности. Измерения проводятся по следам главных опор воздушного судна в любое время суток независимо от состояния поверхности аэродромного покрытия. Увеличивается точность проводимых измерений, повышается безопасность при обеспечении полетов.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оценки состояния поверхности взлетно-посадочных полос (ВПП) аэродромов, а также для определения коэффициента сцепления дорожных покрытий. Способ заключается в определении величины силы динамического торможения измерительного колеса при превращении ее генератором в электрическую, которая выделяется в виде тепловой энергии на активной нагрузке. При этом определяют нормальную силу Р_г, действующую на измерительное колесо. Дополнительно определяют силу сцепления Р_сцп измерительного колеса с поверхностью покрытия и коэффициент динамического торможения (k), который определяют при тарировании устройства. Коэффициент торможения вычисляют по формуле: k=Р_{сцп. max}/Р_сцп, где Р_{сцп. max} - максимальная сила сцепления измерительного колеса с поверхностью покрытия; Р_сцп - сила сцепления измерительного колеса с поверхностью покрытия, которая определяется в момент начала его пробуксовки. Максимальный коэффициент сцепления (f_max) колеса с поверхностью аэродромного покрытия вычисляют по формуле: f_max=(P_сцп/P_г)k. Технический результат заключается в повышении точности измерений. 3 ил.

Способ определения коэффициента сцепления колеса с аэродромным покрытием методом динамического торможения, когда электродвигатель работает в генераторном режиме, при котором механическая энергия тормозного элемента (измерительного колеса) превращается в электрическую и выделяется в форме тепловой энергии в активной нагрузке, при этом определяют нормальную силу нагрузки на измерительное колесо (Р_г), отличающееся тем, что дополнительно определяют продольную силу сцепления измерительного колеса с поверхностью аэродромного покрытия (Р_сцп.) и коэффициент динамического торможения (к), при этом максимальное значение коэффициента сцепления (f_max.) вычисляют по формуле:

f_max.=(Р_сцп./Р_г)k,

где f_max. - максимальное значение коэффициента сцепления измерительного колеса с аэродромным покрытием;

Р_сцп. - продольная сила сцепления измерительного колеса с поверхностью аэродромного покрытия, измеренная в начале его пробуксовки;

Р_г. - нормальная сила нагрузки на измерительное колесо;

k - коэффициент динамического торможения, который вычисляют при проведении тарирования устройства, как отношение Р_сцп.max. к Р_сцп.

k=Р_сцп.max./Р_сцп.,

где Р_сцп.max. - продольная максимальная сила сцепления измерительного колеса.