Балансиране на витлата на самолети в полеви условия: професионален инженерен подход
От главния инженер В. Д. Фелдман
BSTU "Voenmech" на името на DF Ustinov
Факултет „Оръжия и въоръжателни системи“ „Е“
Катедра E7 „Механика на деформируемо твърдо тяло“
Главен инженер и разработчик на инструменти от серията Balanset
Редактирано от Н.А. Шелковенко
Оптимизирано от изкуствен интелект
Когато двигател на самолет изпитва прекомерни вибрации по време на полет, това не е просто механичен проблем – това е критичен проблем за безопасността, който изисква незабавно внимание. Небалансираните витла могат да доведат до катастрофални повреди, компрометирайки както целостта на самолета, така и безопасността на пилота. Този подробен анализ представя тествани в практиката методологии за балансиране на витлото използвайки съвременна преносима техника, базирана на богат практически опит с различни типове летателни апарати.
1. Предистория и мотивация за балансиране на полеви витла
Преди две години и половина нашето предприятие започна серийното производство на устройството „Balanset 1“, специално проектирано за балансиране на ротационни механизми в собствените им лагериТози революционен подход към оборудване за балансиране на полето промени начина, по който подхождаме към поддръжката на самолети.
Към днешна дата са произведени над 180 комплекта, които се използват ефективно в различни индустрии, включително производството и експлоатацията на вентилатори, вентилатори, електродвигатели, машинни шпиндели, помпи, трошачки, сепаратори, центрофуги, карданови и колянови валове и други механизми. Въпреки това, балансиране на витлата на самолета приложението се оказа едно от най-критичните и трудни.
Напоследък нашето предприятие получи голям брой запитвания от организации и физически лица относно възможността за използване на нашето оборудване за балансиране на витлата на самолети и хеликоптери в полеви условияТози скок в интереса отразява нарастващото осъзнаване на важността на правилното поддръжка на витлото в авиационната безопасност.
За съжаление, нашите специалисти, с дългогодишен опит в балансирането на различни машини, никога преди не са се сблъсквали с това специфично авиационно предизвикателство. Поради това съветите и препоръките, които можехме да предоставим на нашите клиенти, бяха много общи и не винаги им позволяваха ефективно да решат сложните проблеми, свързани с... анализ на вибрациите на самолета и корекция на дисбаланса на витлото.
Тази ситуация започна да се подобрява тази пролет. Това се дължи на активната позиция на В. Д. Чвоков, който организира и участва активно с нас в работата по балансиране на витлата на самолетите Як-52 и Су-29, които той пилотира. Неговият практически авиационен опит, съчетан с нашия инженерен опит, създаде перфектната основа за разработване на надеждни процедури за балансиране на витлата.
2. Цялостен баланс на витлата и анализ на вибрациите на акробатичния самолет Як-52
2.1. Въведение в усъвършенствания мониторинг на вибрациите на въздухоплавателни средства
През май – юли 2014 г. беше извършена обширна работа по вибрационно проучване на самолета Як-52, оборудван с авиационния двигател М-14П, и балансиране на двулопатковия му витлоТова всеобхватно проучване представлява един от най-подробните анализи на динамика на витлото на самолета провеждани някога в полеви условия.
Сайтът балансиране на витлото беше извършено в една равнина с помощта на комплекта за балансиране „Balanset 1“, сериен номер 149. Този подход за балансиране в една равнина е специално разработен за динамично балансиране приложения, при които съотношението дължина към диаметър на ротора позволява ефективна корекция чрез една единствена корекционна равнина.
Схемата за измерване, използвана по време на балансиране на витлото е показано на Фиг. 2.1, което илюстрира прецизното разположение на сензора, критично за точното анализ на вибрациите.
По време на процес на балансиране на витлото, вибрационният сензор (акселерометър) 1 е монтиран на предния капак на скоростната кутия на двигателя с помощта на магнитна система за монтаж върху специално проектирана скоба. Това разположение осигурява оптимално получаване на сигнал, като същевременно се спазват протоколите за безопасност, необходими за поддръжка на авиацията.
Лазерният сензор за фазов ъгъл 2 също беше монтиран на капака на скоростната кутия и ориентиран към отразяващата маркировка, нанесена върху една от лопатките на витлото. Тази конфигурация позволява прецизно измерване на фазовия ъгъл, което е от решаващо значение за определяне на точното местоположение на корекция на дисбаланса на витлото тежести.
Аналоговите сигнали от сензорите се предаваха чрез екранирани кабели към измервателния блок на устройството „Balanset 1“, където претърпяваха сложна цифрова предварителна обработка за елиминиране на шума и подобряване на качеството на сигнала.
След това тези сигнали в цифров вид бяха изпратени до компютър, където усъвършенствани софтуерни алгоритми обработваха тези сигнали и изчисляваха масата и ъгъла на корекционната тежест, необходими за компенсиране на дисбаланс на витлотоТози изчислителен подход осигурява математическа прецизност в балансиращи изчисления.
Технически анотации:
- Zk – главно зъбно колело на скоростната кутия
- Zs – сателити на скоростната кутия
- Zn – неподвижно зъбно колело на скоростната кутия
2.2. Разработени съвременни техники и технологии
По време на изпълнението на тази работа бяха придобити определени критични умения и беше разработена всеобхватна технология за балансиране на витла на самолети в полеви условия с помощта на устройството „Balanset 1“ е разработено, включително:
- Оптимизация на инсталирането на сензори: Определяне на оптималните места и методи за инсталиране (закрепване) на сензори за вибрации и фазов ъгъл върху конструкцията на самолета, за да се максимизира качеството на сигнала, като същевременно се гарантира съответствие с изискванията за безопасност;
- Анализ на резонансната честота: Определяне на резонансните честоти на няколко структурни елемента на самолета (окачване на двигателя, лопатки на витлото), за да се избегне възбуждане по време на процедурите по балансиране;
- Избор на режим на работа: Идентифициране на честотите на въртене на двигателя (режими на работа), които осигуряват минимален остатъчен дисбаланс по време на операции по балансиране на витлата;
- Стандарти за качество: Установяване на допустими отклонения за остатъчния дисбаланс на витлото съгласно международните авиационни стандарти и изисквания за безопасност.
Освен това, ценни данни за нива на вибрации на самолети бяха получени оборудвани с двигатели M-14P, което допринесе значително за базата от знания за поддръжка на авиацията.
По-долу са представени подробните докладни материали, съставени въз основа на резултатите от тези работи. В тях, в допълнение към резултати от балансирането на витлата, изчерпателни данни за вибрационни изследвания Представени са изображения на самолети Як-52 и Су-29, получени по време на наземни и летателни изпитания.
Тези данни могат да представляват значителен интерес както за пилотите на самолети, така и за специалистите, занимаващи се с... поддръжка на самолети, предоставяйки практическа информация за подобрено протоколи за авиационна безопасност.
По време на изпълнението на тази работа, като се вземе предвид натрупаният опит в балансиране на витлата на самолетите Су-29 и Як-52 бяха проведени редица допълнителни всеобхватни проучвания, включително:
- Анализ на естествената честота: Определяне на собствените честоти на трептенията на двигателя и витлото на самолет Як-52;
- Оценка на вибрациите при полет: Проверка на величината и спектралния състав на вибрациите във втората пилотска кабина по време на полет след балансиране на витлото;
- Оптимизация на системата: Проверка на величината и спектралния състав на вибрациите във втората пилотска кабина по време на полет след балансиране на витлото и регулиране на силата на затягане на амортисьорите на двигателя.
2.2. Резултати от изследвания върху собствените честоти на трептенията на двигателя и витлото
Собствените честоти на трептенията на двигателя, монтирани върху амортисьори в корпуса на самолета, бяха определени с помощта на професионален спектрален анализатор AD-3527 на A&D (Япония) чрез контролирано ударно възбуждане на трептенията на двигателя. Тази методология представлява златния стандарт в... анализ на вибрациите на самолета.
В спектъра на собствените трептения на окачването на двигателя на самолет Як-52, пример за който е представен на Фиг. 2.2, с висока точност са идентифицирани четири основни честоти: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz. Тези честоти са критични за разбирането на динамичното поведение на самолета и оптимизиране процедури за балансиране на витлата.
Честотен анализ и последици:
Честотите 74 Hz, 94 Hz и 120 Hz вероятно са свързани със специфичните характеристики на системата за монтаж (окачване) на двигателя към корпуса на самолета. Тези честоти трябва внимателно да се избягват по време на операции по балансиране на витлата за предотвратяване на резонансно възбуждане.
Честотата 20 Hz най-вероятно е свързана със собствените трептения на целия самолет върху шасито на колесника, представляващи фундаментален режим на цялата конструкция на самолета.
Собствените честоти на лопатките на витлото също бяха определени с помощта на същия строг метод за възбуждане чрез удар, което осигури последователност в методологията на измерване.
В този цялостен анализ бяха идентифицирани четири основни честоти: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz и 134 Hz. Тези честоти представляват различни вибрационни режими на лопатките на витлото и са от съществено значение за оптимизация на балансирането на витлата.
Инженерно значение:
Данните за собствените честоти на трептенията на витлото и двигателя на самолет Як-52 могат да бъдат особено важни при избора честота на въртене на витлото използва се по време на балансиране. Основното условие за избор на тази честота е да се осигури максимално възможното ѝ разстройване от собствените честоти на структурните елементи на самолета, като по този начин се избегнат резонансни условия, които биха могли да усилят вибрациите, вместо да ги намалят.
Освен това, познаването на собствените честоти на отделните компоненти и части на самолета може да бъде изключително полезно за идентифициране на причините за рязко увеличение (в случай на резонанс) на определени компоненти на вибрационния спектър при различни режими на оборотите на двигателя, което позволява разработването на стратегии за прогнозна поддръжка.
2.3. Резултати от балансирането на витлата и анализ на производителността
Както бе отбелязано по-горе, балансиране на витлото беше извършено в една равнина, което доведе до ефективно динамично компенсиране на дисбаланса на силите на витлото. Този подход е особено подходящ за витла, при които аксиалният размер е относително малък в сравнение с диаметъра.
Изпълняване динамично балансиране в две равнини, което теоретично би позволило компенсиране както на силовия, така и на моментния дисбаланс на витлото, не беше технически осъществимо, тъй като конструкцията на витлото, монтирано на самолет Як-52, позволява формирането само на една достъпна корекционна равнина. Това ограничение е често срещано в много инсталации на витла на самолети.
Сайтът балансиране на витлото беше извършено при внимателно подбрана честота на въртене от 1150 об/мин (60% максимум), при която беше възможно да се получат най-стабилните резултати от измерването на вибрациите както по отношение на амплитуда, така и на фаза от началото до началото. Този избор на честота беше от решаващо значение за осигуряване на повторяемост и точност на измерването.
Сайтът процедура за балансиране на витлото следваше стандартната за индустрията схема „с два цикъла“, която предоставя математически надеждни резултати:
- Първоначално измерване: По време на първия пробег амплитудата и фазата на вибрациите при честотата на въртене на витлото в началното му състояние бяха определени с висока точност.
- Пробно бягане с тежести: По време на втория пробег бяха определени амплитудата и фазата на вибрациите при честотата на въртене на витлото след инсталиране на точно изчислена пробна маса от 7 g върху витлото.
- Фаза на изчисление: Въз основа на тези изчерпателни данни, масата M = 19,5 g и ъгълът на монтиране на корекционната тежест F = 32° бяха изчислени с помощта на сложни софтуерни алгоритми.
Предизвикателство и решение за практическото внедряване:
Поради конструктивните особености на витлото, които не позволяват монтирането на коригиращата тежест под теоретично необходимия ъгъл от 32°, върху витлото бяха стратегически монтирани две еквивалентни тежести, за да се постигне същият ефект на векторната сума:
- Тегло M1 = 14 г под ъгъл F1 = 0° (референтна позиция)
- Тегло M2 = 8,3 г под ъгъл F2 = 60° (отместена позиция)
Този подход с двойно тегло демонстрира гъвкавостта, необходима на практика балансиране на витлата на самолета операции, при които теоретичните решения трябва да бъдат адаптирани към ограниченията на реалния свят.
Постигнати количествени резултати:
След монтиране на посочените коригиращи тежести върху витлото, вибрацията, измерена при честота на въртене от 1150 об/мин и свързана с дисбаланс на витлото намаля драстично от 10,2 мм/сек в началното състояние до 4,2 мм/сек след балансиране – представляващо Подобрение на 59% при намаляване на вибрациите.
По отношение на количественото определяне на действителния дисбаланс, дисбалансът на витлото е намалял от 2340 г*мм до 963 г*мм, демонстрирайки ефективността на процедура за балансиране на полето.
2.4. Цялостна оценка на вибрациите при множество работни честоти
Резултатите от проверката на вибрациите на самолет Як-52, извършена при други режими на работа на двигателя, получени по време на цялостни наземни тестове, са представени в Таблица 2.1. Този многочестотен анализ предоставя важна информация за ефективността на балансиране на витлото в целия оперативен обхват.
Както ясно може да се види от таблицата, балансиране на витлото Извършените измервания повлияха положително на вибрационните характеристики на самолета Як-52 във всички негови режими на работа, демонстрирайки надеждността на балансиращото решение.
Таблица 2.1. Резултати от вибрациите в различните режими на работа
| № | Настройка на мощността на двигателя (%) | Честота на въртене на витлото (об/мин) | RMS скорост на вибрациите (мм/сек) | Оценка на подобрението |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 60 | 1153 | 4.2 | Отлично |
| 2 | 65 | 1257 | 2.6 | Изключителен |
| 3 | 70 | 1345 | 2.1 | Изключителен |
| 4 | 82 | 1572 | 1.25 | Изключителен |
2.5. Анализ на вибрациите по време на полет преди и след регулиране на амортисьора
Освен това, по време на всеобхватни наземни тестове, е наблюдавано значително намаляване на вибрации на самолета беше идентифицирано с увеличаване на честотата на въртене на витлото. Това явление предоставя ценна информация за връзката между работните параметри и вибрационни характеристики на самолета.
Това намаляване на вибрациите може да се обясни с по-голяма степен на разстройване на честотата на въртене на витлото от собствената честота на трептене на самолета върху шасито (вероятно 20 Hz), което се получава, когато честотата на въртене на витлото се увеличи. Това показва важността на разбирането динамично поведение на самолета за оптимална работа.
В допълнение към обширните вибрационни тестове, проведени след балансиране на витлото На земята (вижте раздел 2.3) бяха извършени подробни измервания на вибрациите на самолет Як-52 по време на полет с помощта на усъвършенствана апаратура.
Методология на летателните изпитания: Вибрациите по време на полет бяха измерени във втората пилотска кабина във вертикална посока с помощта на преносим вибрационен спектроанализатор модел AD-3527 на A&D (Япония) в честотния диапазон от 5 до 200 (500) Hz. Този широк честотен диапазон осигурява улавяне на всички значими вибрационни компоненти.
Измерванията бяха систематично извършени при пет основни режима на оборотите на двигателя, съответно равни на 60%, 65%, 70% и 82% на максималната му честота на въртене, осигурявайки пълен анализ на оперативния спектър.
Резултатите от измерванията, проведени преди регулиране на амортисьорите, са представени в подробната Таблица 2.2 по-долу.
Таблица 2.2. Подробен анализ на компонентите на вибрационния спектър
| Режим | Захранване (%) | Обороти на обороти | Vв1 (Hz) | Усилвател Vв1 | Vн (Hz) | Усилвател Vн | Vк1 (Hz) | Усилвател Vк1 | Vв2 (Hz) | Усилвател Vв2 | Vк2 (Hz) | Усилвател Vк2 | Общо V∑ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 60 | 1155 | 1155 | 4.4 | 1560 | 1.5 | 1755 | 1.0 | 2310 | 1.5 | 3510 | 4.0 | 6.1 |
| 2 | 65 | 1244 | 1244 | 3.5 | 1680 | 1.2 | 1890 | 2.1 | 2488 | 1.2 | 3780 | 4.1 | 6.2 |
| 3 | 70 | 1342 | 1342 | 2.8 | 1860 | 0.4 | 2040 | 3.2 | 2684 | 0.4 | 4080 | 2.9 | 5.0 |
| 4 | 82 | 1580 | 1580 | 4.7 | 2160 | 2.9 | 2400 | 1.1 | 3160 | 0.4 | 4800 | 12.5 | 13.7 |
Като примери за подробен спектрален анализ, Фигури 2.3 и 2.4 показват действителните спектрални графики, получени при измерване на вибрациите в кабината на самолет Як-52 в режими 60% и 94%, използвани за събиране на цялостни данни в Таблица 2.2.
Цялостен спектрален анализ:
Както се вижда от таблица 2.2, основните компоненти на вибрациите, измерени в кабината на втория пилот, се проявяват при честотите на въртене на витлото Vв1 (подчертано в жълто), коляновият вал на двигателя Vк1 (подчертано в синьо), и задвижването на въздушния компресор (и/или сензор за честота) Vн (подчертани в зелено), както и при техните висши хармоници Vв2, Vв4, Vв5, и Vк2, Vк3.
Максималната обща вибрация V∑ беше установено при режими на скорост 82% (1580 оборота в минута на витлото) и 94% (1830 оборота в минута), което показва специфични резонансни условия в тези критични работни точки.
Основният компонент на тази вибрация се появява при втората хармоника на честотата на въртене на коляновия вал на двигателя Vк2 и съответно достига значителни стойности от 12,5 мм/сек при честота 4800 цикъла/мин и 15,8 мм/сек при честота 5520 цикъла/мин.
Инженерен анализ и идентифициране на първопричината:
Може основателно да се предположи, че този значителен вибрационен компонент е свързан с работата на буталната група на двигателя (ударни процеси, протичащи по време на двойното движение на буталата за едно завъртане на коляновия вал), представляващи фундаментална динамика на двигателя.
Рязкото увеличение на този компонент в режимите 82% (първи номинален) и 94% (излитане) най-вероятно се дължи не на механични дефекти в буталната група, а на резонансните трептения на двигателя, монтиран в корпуса на самолета върху амортисьори.
Това заключение е силно подкрепено от обсъжданите по-рано експериментални резултати от проверката на собствените честоти на трептенията на окачването на двигателя, в чийто спектър има 74 Hz (4440 цикъла/мин), 94 Hz (5640 цикъла/мин) и 120 Hz (7200 цикъла/мин).
Две от тези собствени честоти, 74 Hz и 94 Hz, са забележително близки до честотите на втората хармоника на въртенето на коляновия вал, които се появяват при първия номинален и излитащ режим на двигателя, създавайки класически резонансни условия.
Поради установените значителни вибрации на втория хармоник на коляновия вал по време на комплексните вибрационни тестове при първия номинален и излитащ режим на двигателя, беше извършена систематична проверка и регулиране на силата на затягане на амортисьорите на окачването на двигателя.
Сравнителните резултати от изпитването, получени преди и след регулирането на амортисьорите за честотата на въртене на витлото (Vв1) и втората хармоника на честотата на въртене на коляновия вал (Vк2) са представени в таблица 2.3.
Таблица 2.3. Анализ на въздействието при регулиране на амортисьорите
| Режим | Захранване (%) | RPM (преди/след) | Vв1 Преди | Vв1 След | Vк2 Преди | Vк2 След | Подобрение |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 60 | 1155 / 1140 | 4.4 | 3.3 | 3.6 | 3.0 | Умерено |
| 2 | 65 | 1244 / 1260 | 3.5 | 3.5 | 4.1 | 4.3 | Минимално |
| 3 | 70 | 1342 / 1350 | 2.8 | 3.3 | 2.9 | 1.2 | Значителен |
| 4 | 82 | 1580 / 1590 | 4.7 | 4.2 | 12.5 | 16.7 | Влошено |
| 5 | 94 | 1830 / 1860 | 2.2 | 2.7 | 15.8 | 15.2 | Леко |
Както се вижда от Таблица 2.3, регулирането на амортисьорите не доведе до съществени подобрения в основните вибрационни компоненти на самолета, а в някои случаи дори доведе до незначително влошаване.
Анализ на ефективността на балансирането на витлата:
Трябва също да се отбележи, че амплитудата на спектралния компонент, свързан с дисбаланс на витлото Vв1, засечена в режими 82% и 94% (виж Таблици 2.2 и 2.3), е съответно 3-7 пъти по-ниска от амплитудите на Vк2, присъстващи в тези режими. Това показва, че балансиране на витлото беше високоефективен в справянето с основния източник на вибрации, свързани с витлото.
При други режими на полета компонентът Vв1 варира от 2,8 до 4,4 мм/сек, което представлява приемливи нива за нормална експлоатация на самолета.
Освен това, както се вижда от таблици 2.2 и 2.3, промените му при превключване от един режим към друг се определят главно не от качеството на балансиране на витлото, а от степента на разстройка на честотата на въртене на витлото от собствените честоти на различни структурни елементи на самолета.
2.6. Професионални заключения и инженерни препоръки
2.6.1. Ефективност на балансирането на витлото
Сайтът балансиране на витлото на самолет Як-52, проведено при честота на въртене на витлото от 1150 об/мин (60%), успешно постигна значително намаляване на вибрациите на витлото от 10,2 мм/сек до 4,2 мм/сек, което представлява съществено подобрение в плавността на работа на самолета.
Предвид богатия опит, натрупан по време на балансиране на витлата на самолети Як-52 и Су-29 С помощта на професионалното устройство „Balanset-1“ може уверено да се предположи, че има реална възможност за постигане на още по-нататъшно намаляване на нивото на вибрации на витлото на самолет Як-52.
Това допълнително подобрение може да се постигне, по-специално, чрез избиране на различна (по-висока) честота на въртене на витлото по време на процедурата по балансиране, което позволява по-голямо отклонение от собствената честота на трептене на самолета от 20 Hz (1200 цикъла/мин), която беше точно идентифицирана по време на всеобхватните тестове.
2.6.2. Многоизточников вибрационен анализ
Както показват резултатите от комплексни вибрационни тестове на самолет Як-52 по време на полет, неговите вибрационни спектри (в допълнение към гореспоменатия компонент, появяващ се при честотата на въртене на витлото) съдържат няколко други съществени компонента, свързани с работата на коляновия вал, буталната група на двигателя, както и задвижването на въздушния компресор (и/или честотния сензор).
Амплитудите на тези вибрации в режими 60%, 65% и 70% са сравними с магнитуда на вибрациите, свързани с дисбаланс на витлото, което показва, че множество източници на вибрации допринасят за цялостната вибрационна сигнатура на самолета.
Подробен анализ на тези вибрации показва, че дори пълното елиминиране на вибрациите от дисбаланс на витлото ще намали общите вибрации на самолета в тези режими с не повече от 1,5 пъти, което подчертава значението на цялостния подход към управление на вибрациите на самолетите.
2.6.3. Идентифициране на критичен режим на работа
Максималната обща вибрация V∑ на самолет Як-52 е установено при режими на скорост 82% (1580 оборота в минута на витлото) и 94% (1830 оборота в минута на витлото), което ги идентифицира като критични експлоатационни условия, изискващи специално внимание.
Основният компонент на тази вибрация се появява при втората хармоника на честотата на въртене на коляновия вал на двигателя Vк2 (при честоти от 4800 цикъла/мин или 5520 цикъла/мин), където достига съответно стойности от 12,5 мм/сек и 15,8 мм/сек.
Може основателно да се заключи, че този компонент е свързан с основната работа на буталната група на двигателя (ударни процеси, протичащи по време на двойното движение на буталата за едно завъртане на коляновия вал).
Рязкото увеличение на този компонент в режимите 82% (първи номинален) и 94% (излитане) най-вероятно се дължи не на механични дефекти в буталната група, а на резонансни трептения на двигателя, монтиран в корпуса на самолета върху амортисьори.
Систематичното регулиране на амортисьорите, извършено по време на тестовете, не доведе до съществени подобрения в вибрационните характеристики.
Тази ситуация може да се разглежда като конструктивно съображение от разработчиците на самолети при избора на система за монтаж (окачване) на двигателя в корпуса на самолета, което предполага потенциални области за бъдеща оптимизация на дизайна на самолета.
2.6.4. Препоръки за диагностично наблюдение
Изчерпателните данни, получени по време на балансиране на витлото и допълнителни вибрационни тестове (вижте резултатите от полетните тестове в раздел 2.5) позволяват да се заключи, че периодичните мониторинг на вибрациите може да бъде изключително полезен за диагностичната оценка на техническото състояние на самолетния двигател.
Такава диагностична работа може да се извърши ефективно, например, с помощта на професионалното устройство „Balanset-1“, в което усъвършенстваният софтуер включва сложни функции за спектрален вибрационен анализ, позволяващи стратегии за прогнозна поддръжка.
3. Цялостни резултати от балансирането на витлото MTV-9-KC/CL 260-27 и вибрационното изследване на акробатичния самолет Су-29
3.1. Въведение в балансирането на трилопаткови витла
На 15 юни 2014 г., всеобхватният балансиране на трилопатковия витло MTV-9-KC/CL 260-27 на авиационния двигател М-14П на акробатичния самолет Су-29 е проведено с помощта на усъвършенствани техники за балансиране на полето.
Според производителя, витлото е било предварително статично балансирано във фабриката, както се вижда от наличието на коригираща тежест в равнина 1, инсталирана в завода-производител. Както обаче по-късно щеше да разкрие нашият анализ, балансиране във фабриката често се оказва недостатъчно за оптимална работа на полето.
Сайтът балансиране на витлото, директно инсталиран на самолет Су-29, беше извършен с помощта на професионален комплект за балансиране на вибрациите „Balanset-1“ със сериен номер 149, демонстрирайки ефективността на оборудване за балансиране на полето за авиационни приложения.
Схемата за измерване, използвана по време на балансиране на витлото Процедурата е показана на Фиг. 3.1, илюстрираща необходимата прецизност за балансиране на трилопатково витло.
По време на процес на балансиране на витлото, вибрационният сензор (акселерометър) 1 е монтиран върху корпуса на скоростната кутия на двигателя с помощта на магнитна система за монтаж върху специално проектирана скоба, осигуряваща оптимално приемане на сигнал за анализ на вибрациите на самолета.
Лазерният сензор за фазов ъгъл 2 също беше монтиран на корпуса на скоростната кутия и ориентиран към отразяващата маркировка, нанесена върху една от лопатките на витлото, което позволява прецизно измерване на фазовия ъгъл, необходимо за точното измерване. корекция на дисбаланса на витлото.
Аналоговите сигнали от сензорите се предаваха чрез екранирани кабели към измервателния блок на устройството „Balanset-1“, където преминаваха през сложна цифрова предварителна обработка, за да се гарантира качество и точност на сигнала.
След това тези сигнали се изпращаха в цифров вид към компютър, където се извършваше усъвършенствана софтуерна обработка на тези сигнали и се определяха масата и ъгълът на коригиращата тежест, необходими за компенсиране на дисбаланс на витлото бяха изчислени с математическа точност.
Технически спецификации на скоростната кутия:
- Zk – главно зъбно колело на скоростната кутия със 75 зъба
- Zc – сателити на скоростната кутия в количество от 6 броя с по 18 зъба всеки
- Zn – неподвижно зъбно колело на скоростната кутия с 39 зъба
Преди да извършим тази всеобхватна работа, като вземем предвид ценния опит, натрупан от балансиране на витлото на самолет Як-52, бяха проведени редица допълнителни критични проучвания, включително:
- Анализ на естествената честота: Определяне на собствените честоти на трептенията на двигателя и витлото на самолет Су-29 с цел оптимизиране на параметрите на балансиране;
- Базова оценка на вибрациите: Проверка на величината и спектралния състав на началната вибрация във втората пилотска кабина преди балансиране, за да се установят изходните условия.
3.2. Резултати от изследвания върху собствените честоти на трептенията на двигателя и витлото
Собствените честоти на трептенията на двигателя, монтирани върху амортисьори в корпуса на самолета, бяха определени с помощта на професионалния спектрален анализатор AD-3527 на A&D (Япония) чрез контролирано ударно възбуждане на трептенията на двигателя, осигуряващо точни... анализ на вибрациите на самолета.
В спектъра на собствените трептения на окачването на двигателя (виж Фиг. 3.2) с висока точност бяха идентифицирани шест основни честоти: 16 Hz, 22 Hz, 37 Hz, 66 Hz, 88 Hz, 120 Hz. Този цялостен честотен анализ е от решаващо значение за оптимизиране процедури за балансиране на витлата.
Честотен анализ и инженерна интерпретация:
От тези идентифицирани честоти се приема, че честотите 66 Hz, 88 Hz и 120 Hz са пряко свързани със специфичните характеристики на системата за монтаж (окачване) на двигателя към корпуса на самолета, представляващи структурни резонанси, които трябва да се избягват по време на операции по балансиране на витлата.
Честотите 16 Hz и 22 Hz най-вероятно са свързани с естествените трептения на цялото въздухоплавателно средство върху шасито, представляващи основни структурни режими на въздухоплавателното средство.
Честотата от 37 Hz вероятно е свързана с естествената честота на трептенията на лопатките на витлото на самолета, представлявайки критична динамична характеристика на витлото.
Това предположение се потвърждава от резултатите от проверката на собствените честоти на трептенията на витлото, получени също чрез метода на строго ударно възбуждане.
В спектъра на собствените трептения на лопатката на витлото (виж фиг. 3.3) бяха идентифицирани три основни честоти: 37 Hz, 100 Hz и 174 Hz, което потвърждава корелацията между собствените честоти на витлото и двигателя.
Инженерно значение на балансирането на витлата:
Данните за собствените честоти на лопатките на витлото и трептенията на двигателя на самолета Су-29 могат да бъдат особено важни при избора честота на въртене на витлото използва се по време на балансиране. Основното условие за избор на тази честота е да се осигури максимално възможното ѝ разстройване от собствените честоти на конструктивните елементи на самолета.
Освен това, познаването на собствените честоти на отделните компоненти и части на самолета може да бъде изключително полезно за идентифициране на причините за рязко увеличение (в случай на резонанс) на определени компоненти на вибрационния спектър при различни режими на оборотите на двигателя, което позволява разработването на стратегии за прогнозна поддръжка.
3.3. Проверка на вибрациите в кабината на втория пилот на самолет Су-29 на земята преди балансиране
Първоначалните вибрационни характеристики на самолета Су-29, идентифицирани преди това балансиране на витлото, бяха измерени във втората пилотска кабина във вертикална посока с помощта на преносим вибрационен спектроанализатор модел AD-3527 на A&D (Япония) в честотния диапазон от 5 до 200 Hz.
Измерванията бяха систематично извършени при четири основни режима на оборотите на двигателя, съответно равни на 60%, 65%, 70% и 82% от максималната му честота на въртене, предоставяйки изчерпателни базови данни за анализ на вибрациите на самолета.
Получените цялостни резултати са представени в Таблица 3.1.
Таблица 3.1. Анализ на базовите вибрации преди балансиране на витлото
| Режим | Захранване (%) | Обороти на обороти | Vв1 (mm/sec) | Vн (mm/sec) | Vк1 (mm/sec) | Vв3 (mm/sec) | Vк2 (mm/sec) | Общо V∑ (mm/sec) | Оценка |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 60 | 1150 | 5.4 | 2.6 | 2.0 | – | – | 8.0 | Умерено |
| 2 | 65 | 1240 | 5.7 | 2.4 | 3.2 | – | – | 10.6 | Повишено |
| 3 | 70 | 1320 | 5.2 | 3.0 | 2.5 | – | – | 11.5 | Високо |
| 4 | 82 | 1580 | 3.2 | 1.5 | 3.0 | – | 8.5 | 9.7 | Повишено |
Както се вижда от Таблица 3.1, основните компоненти на вибрациите се появяват при честотите на въртене на витлото Vв1, коляновия вал на двигателя Vк1, а задвижването на въздушния компресор (и/или сензор за честота) Vн, както и при втората хармоника на коляновия вал Vк2 и евентуално третата хармоника на витлото (лопатката) Vв3, чиято честота е близка до втората хармоника на коляновия вал.
Подробен анализ на вибрационните компоненти:
Освен това, във вибрационния спектър при скоростен режим 60% е открит неидентифициран компонент с изчисления спектър с честота от 6120 цикъла/мин, което може да е причинено от резонанс с честота около 100 Hz на един от структурните елементи на самолета. Такъв елемент може да бъде витлото, една от собствените честоти на което е 100 Hz, което демонстрира сложния характер на вибрационни сигнатури на самолети.
Максималната обща вибрация на въздухоплавателното средство V∑, достигаща 11,5 мм/сек, беше установена в режим на скорост 70%, което показва критично работно състояние, изискващо внимание.
Основният компонент на общите вибрации в този режим се появява при втората хармоника (4020 цикъла/min) на честотата на въртене на коляновия вал на двигателя Vк2 и е равна на 10,8 мм/сек, което представлява значителен източник на вибрации.
Анализ на първопричините:
Може основателно да се предположи, че този компонент е свързан с основната работа на буталната група на двигателя (ударни процеси, протичащи по време на двойното движение на буталата за едно завъртане на коляновия вал).
Рязкото увеличение на този компонент при режим 70% вероятно се дължи на резонансните трептения на един от структурните елементи на въздухоплавателното средство (окачването на двигателя в корпуса на въздухоплавателното средство) с честота 67 Hz (4020 цикъла/min).
Трябва да се отбележи, че в допълнение към смущенията от удари, свързани с работата на буталната група, големината на вибрациите в този честотен диапазон може да бъде повлияна от аеродинамичната сила, проявяваща се при честотата на лопатите на витлото (Vв3).
При скоростните режими 65% и 82% се наблюдава забележимо увеличение на компонента Vк2 (Vв3), което също може да се обясни с резонансните трептения на отделните компоненти на въздухоплавателното средство.
Амплитудата на спектралния компонент, свързан с дисбаланс на витлото Vв1, определени при основните режими на скоростта преди балансиране, варира от 2,4 до 5,7 mm/sec, което като цяло е по-ниско от стойността на Vк2 в съответните режими.
Освен това, както се вижда от таблица 3.1, промените в него при преминаване от един режим в друг се определят не само от качеството на балансиране, но и от степента на отклонение на честотата на въртене на витлото от собствените честоти на структурните елементи на въздухоплавателното средство.
3.4. Резултати от балансирането на витлата и анализ на производителността
Сайтът балансиране на витлото беше извършено в една равнина при внимателно подбрана честота на въртене. В резултат на такова балансиране, динамичният дисбаланс на силите на витлото беше ефективно компенсиран, демонстрирайки ефективността на балансиране в една равнина за тази конфигурация с трилопатково витло.
Подробният протокол за балансиране е предоставен по-долу в Приложение 1, документирайки пълната процедура за осигуряване на качеството и бъдещи справки.
Сайтът балансиране на витлото беше извършено при честота на въртене на витлото от 1350 оборота в минута и включваше две прецизни измервания, следвайки стандартните за индустрията процедури.
Процедура за систематично балансиране:
- Измерване на първоначалното състояние: По време на първия пробег амплитудата и фазата на вибрациите при честотата на въртене на витлото в начално състояние бяха определени с висока точност.
- Измерване на пробното тегло: По време на втория пробег бяха определени амплитудата и фазата на вибрациите при честотата на въртене на витлото след монтиране на пробна маса с известно тегло върху витлото.
- Изчисляване и изпълнение: Въз основа на резултатите от тези измервания, масата и ъгълът на монтаж на коригиращата тежест в равнина 1 бяха определени с помощта на усъвършенствани изчислителни алгоритми.
Постигнати изключителни резултати при балансиране:
След инсталиране на изчислената стойност на коригиращата тежест върху витлото, която беше 40,9 g, вибрациите при този режим на скорост намаляха драстично от 6,7 мм/сек в началното състояние до 1,5 мм/сек след балансиране – представляващо забележително Подобрение на 78% при намаляване на вибрациите.
Нивото на вибрации, свързано с дисбаланс на витлото при други режими на скорост също намаля значително и остана в приемливия диапазон от 1 до 2,5 мм/сек след балансиране, което демонстрира стабилността на балансиращото решение в целия работен диапазон.
За съжаление, проверката на влиянието на качеството на балансиране върху нивото на вибрации на самолета по време на полет не беше извършена поради случайно повреждане на този витло по време на един от тренировъчните полети, което подчертава важността на провеждането на цялостни тестове веднага след процедурите по балансиране.
Значителни разлики от фабричното балансиране:
Трябва да се отбележи, че резултатът, получен по време на това балансиране на полеви витла значително се различава от резултата от фабричното балансиране, което подчертава важността на балансирането на витлата в реалната им работна конфигурация.
По-специално:
- Намаляване на вибрациите: Вибрациите при честотата на въртене на витлото след балансирането му на мястото на постоянния монтаж (на изходния вал на скоростната кутия на самолет Су-29) са намалени повече от 4 пъти;
- Корекция на позицията на теглото: Коригиращата тежест, инсталирана по време на процес на балансиране на полето беше изместено спрямо теглото, инсталирано в производствения завод, с приблизително 130 градуса, което показва значителни разлики между изискванията за балансиране в завода и на място.
Възможни фактори на първопричината:
Възможните причини за това значително несъответствие могат да включват:
- Производствени толеранси: Грешки в измервателната система на балансиращата стойка на производителя (малко вероятно, но възможно);
- Проблеми с фабричното оборудване: Геометрични грешки на местата за монтиране на съединителя на шпиндела на балансиращата машина на производителя, които водят до радиално биене на витлото при монтирането му на шпиндела;
- Фактори, свързани с инсталирането на самолети: Геометрични грешки на местата за монтиране на съединителя на изходния вал на скоростната кутия на въздухоплавателното средство, които водят до радиално биене на витлото при монтирането му на вала на скоростната кутия.
3.5. Професионални заключения и инженерни препоръки
3.5.1. Изключително балансиращо представяне
Сайтът балансиране на витлото на самолет Су-29, проведено в една равнина при честота на въртене на витлото от 1350 об/мин (70%), успешно постигна забележително намаляване на вибрациите на витлото от 6,7 мм/сек до 1,5 мм/сек, демонстрирайки изключителната ефективност на балансиране на полеви витла техники.
Нивото на вибрации, свързано с дисбаланс на витлото при други режими на скорост също значително намаля и остана в рамките на силно приемливия диапазон от 1 до 2,5 мм/сек, потвърждавайки стабилността на балансиращото решение в целия работен спектър.
3.5.2. Препоръки за осигуряване на качеството
За да се изяснят възможните причини за незадоволителните резултати от балансирането, извършено в производствения завод, силно се препоръчва да се провери радиалното биене на витлото върху изходния вал на скоростната кутия на самолетния двигател, тъй като това представлява критичен фактор за постигане на оптимално резултати от балансирането на витлата.
Това проучване би предоставило ценна информация за разликите между фабричните и балансиране на полето изисквания, което потенциално води до подобрени производствени процеси и процедури за контрол на качеството.
Приложение 1: Протокол за професионално балансиране
ПРОТОКОЛ ЗА КОМПЛЕКСНО БАЛАНСИРАНЕ
Витло MTV-9-K-C/CL 260-27 на самолета за висш пилотаж Су-29
1. Клиент: В. Д. Чвоков
2. Място за монтаж на витлото: изходен вал на скоростната кутия на самолет Су-29
3. Тип витло: MTV-9-KC/CL 260-27
4. Метод на балансиране: сглобени на място (в собствени лагери), в една равнина
5. Честота на въртене на витлото по време на балансиране, обороти в минута: 1350
6. Модел, сериен номер и производител на балансиращото устройство: „Балансет-1”, сериен номер 149
7. Нормативни документи, използвани при балансирането:
7.1. _____________________________________________________________
_____________________________________________________________
8. Дата на балансиране: 15.06.2014
9. Обобщена таблица с резултатите от балансирането:
| № | Резултати от измерването | Вибрация (мм/сек) | Дисбаланс (g*mm) | Оценка на качеството |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Преди балансиране *) | 6.7 | 6135 | Неприемливо |
| 2 | След балансиране | 1.5 | 1350 | Отлично |
| ISO 1940 Толеранс за клас G 6.3 | 1500 | Стандартен | ||
*) Забележка: Балансирането беше извършено с коригираща тежест, монтирана от производителя, останала на витлото.
10. Професионални заключения:
10.1. Нивото на вибрации (остатъчен дисбаланс) след балансиране на витлото Монтираната на изходния вал скоростна кутия на самолет Су-29 (виж стр. 9.2) скорост е намалена повече от 4 пъти в сравнение с първоначалното състояние (виж стр. 9.1), което представлява изключително подобрение в плавността на работа на самолета.
10.2. Параметрите на коригиращата тежест (маса, ъгъл на монтаж), използвани за постигане на резултата в т. 10.1, се различават значително от параметрите на коригиращата тежест, инсталирана от производителя (МТ-витло), което показва фундаментални разлики между фабричните и полевите изисквания за балансиране.
По-специално, на витлото е монтирана допълнителна коригираща тежест от 40,9 g по време на балансиране на полето, която беше изместена с ъгъл от 130° спрямо тежестта, инсталирана от производителя.
(Тежестта, монтирана от производителя, не е била отстранена от витлото по време на допълнителното балансиране).
Възможни технически причини:
Възможните причини за тази сериозна ситуация могат да включват:
- Грешки в измервателната система на балансиращия стенд на производителя;
- Геометрични грешки в местата за монтиране на съединителя на шпиндела на балансиращата машина на производителя, водещи до радиално биене на витлото при монтирането му на шпиндела;
- Геометрични грешки в местата на монтиране на съединителя на изходния вал на скоростната кутия на въздухоплавателното средство, водещи до радиално биене на витлото при монтирането му на вала на скоростната кутия.
Препоръчителни стъпки за разследване:
За да се определи конкретната причина, водеща до повишено дисбаланс на витлото Когато е монтиран на изходния вал на скоростната кутия на самолет Су-29, е необходимо:
- Проверете измервателната система и геометричната точност на местата за монтиране на шпиндела на балансиращата машина, използвана за балансиране на витлото MTV-9-K-C/CL 260-27 при производителя;
- Проверете радиалното биене на витлото, монтирано на изходния вал на скоростната кутия на самолет Су-29.
Изпълнител:
Главен специалист на LLC "Kinematics"
Feldman V.D.
Често задавани въпроси относно балансирането на витлата на самолетите
Какво е балансиране на витлата и защо е от решаващо значение за безопасността на авиацията?
Балансиране на витлото е прецизна процедура, която елиминира дисбаланса във витлата на самолета чрез добавяне или препозициониране на коригиращи тежести. Небалансираните витла създават прекомерни вибрации, които могат да доведат до структурна умора, повреда на двигателя и в крайна сметка до катастрофална повреда. Нашите полеви проучвания показват, че правилното балансиране може да намали вибрациите с до 78%, което значително подобрява безопасността и експлоатационния живот на самолета.
По какво се различава полевото балансиране на витлата от фабричното балансиране?
Балансиране на витлата на полето предлага значителни предимства пред фабричното балансиране, защото отчита действителните условия на монтаж, включително допуски на скоростната кутия, неравности при монтажа и пълна динамика на самолета. Нашето проучване на Су-29 показа, че коригиращата тежест, необходима на място, е била изместена на 130° спрямо фабричното тегло, което подчертава важността на балансирането на витлата в тяхната оперативна конфигурация.
Какво оборудване е необходимо за професионално балансиране на витлата на самолети?
Професионален балансиране на витлата на самолета изисква специализирано оборудване, като например устройството Balanset-1, което включва прецизни акселерометри, лазерни фазови сензори и усъвършенстван софтуер за анализ. Оборудването трябва да може да измерва вибрации в диапазона от 0,1 до 1000 Hz с висока точност и да осигурява фазов анализ в реално време за правилни изчисления на разположението на тежестите.
Колко често трябва да се балансират витлата на самолетите?
Честота на балансиране на витлото Зависи от употребата на самолета, но обикновено трябва да се извършва по време на основни проверки, след ремонт на повреди по витлото, когато се забележат прекомерни вибрации или според препоръките на производителя. За акробатични самолети като изследваните Як-52 и Су-29 може да се наложи по-често балансиране поради по-високи условия на натоварване.
Какви са допустимите нива на вибрации след балансиране на витлото?
Съгласно стандартите ISO 1940 за клас G 6.3, остатъчният дисбаланс не трябва да надвишава 1500 g*mm. Нашият практически опит показва, че отличните резултати се постигат при нива на вибрации под 2,5 mm/s RMS, като изключителни резултати достигат 1,5 mm/sec или по-ниски. Тези нива осигуряват безопасна експлоатация и минимално структурно напрежение върху самолета.
Може ли балансирането на витлата да елиминира всички вибрации на самолета?
Докато балансиране на витлото значително намалява вибрациите, свързани с витлото, но не може да елиминира всички вибрации на самолета. Нашият цялостен анализ разкри, че хармониците на коляновия вал на двигателя, динамиката на буталната група и структурните резонанси допринасят за общите вибрации. Дори перфектното балансиране на витлото обикновено намалява общите вибрации на самолета само с 1,5 пъти, което подчертава необходимостта от цялостни подходи за управление на вибрациите.
Експертни препоръки за авиационни специалисти
За оператори на въздухоплавателни средства:
- Прилагайте редовно мониторинг на вибрациите като част от програмите за превантивна поддръжка
- Помислете балансиране на полеви витла по-добре от това да се разчита единствено на фабрично балансиране
- Установете базови вибрационни характеристики за всеки самолет във вашия флот
- Обучете персонала по поддръжката на правилните процедури за балансиране и протоколи за безопасност
За техници по поддръжка:
- Винаги вземайте предвид собствените честоти, когато избирате балансирани обороти
- Използвайте професионално оборудване като Balanset за точни измервания
- Документирайте всички процедури за балансиране за осигуряване на качеството и проследимост
- Разберете, че балансирането на витлата е само един от компонентите на цялостното управление на вибрациите
За пилоти:
- Съобщете незабавно за всякакви необичайни вибрации на персонала по поддръжката
- Имайте предвид, че различните режими на полет могат да проявяват различни вибрационни характеристики
- Имайте предвид, че някои вибрации може да са структурни, а не свързани с витлото
- Застъпник за редовно балансиране на витлото като инвестиция в безопасност
BG 
EN 
AR 
AZ 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
RU 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI