Vyvažování vrtulí letadla v polních podmínkách: profesionální inženýrský přístup
Hlavní inženýr V. D. Feldman
BSTU „Voenmech“ pojmenovaná po DF Ustinovovi
Fakulta zbraní a zbrojních systémů „E“
Katedra E7 „Mechanika deformovatelného pevného tělesa“
Hlavní inženýr a vývojář přístrojů řady Balanset
Editoval/a NA Šelkovenko
Optimalizováno umělou inteligencí
Pokud letecký motor během letu zažívá nadměrné vibrace, nejedná se jen o mechanický problém – jde o kritický bezpečnostní problém, který vyžaduje okamžitou pozornost. Nevyvážené vrtule mohou vést ke katastrofickým poruchám, které ohrožují integritu letadla i bezpečnost pilota. Tato komplexní analýza představuje v praxi ověřené metodiky pro… vyvažování vrtulí s využitím pokročilého přenosného vybavení, založeného na rozsáhlých praktických zkušenostech s různými typy letadel.
1. Pozadí a motivace pro vyvažování vrtulí v terénu
Před dvěma a půl lety zahájil náš podnik sériovou výrobu zařízení „Balanset 1“, které bylo speciálně navrženo pro vyvažování rotačních mechanismů ve vlastních ložiskáchTento revoluční přístup k zařízení pro vyvažování pole změnilo náš přístup k údržbě letadel.
Do dnešního dne bylo vyrobeno více než 180 souprav, které se efektivně používají v různých průmyslových odvětvích, včetně výroby a provozu ventilátorů, dmychadel, elektromotorů, vřeten strojů, čerpadel, drtičů, separátorů, odstředivek, kardanových a klikových hřídelí a dalších mechanismů. Nicméně, vyvažování vrtulí letadla aplikace se ukázala jako jedna z nejkritičtějších a nejnáročnějších.
V poslední době náš podnik obdržel velké množství dotazů od organizací i jednotlivců ohledně možnosti využití našeho zařízení pro vyvažování vrtulí letadel a vrtulníků v polních podmínkáchTento nárůst zájmu odráží rostoucí uznání důležitosti správného údržba vrtule v letecké bezpečnosti.
Naši specialisté s dlouholetými zkušenostmi s vyvažováním různých strojů se bohužel s tímto specifickým leteckým problémem nikdy předtím nesetkali. Proto rady a doporučení, která jsme mohli našim zákazníkům poskytnout, byly velmi obecné a ne vždy jim umožňovaly efektivně řešit složité problémy spojené s... analýza vibrací letadel a korekce nevyváženosti vrtule.
Tato situace se začala zlepšovat letos na jaře. To bylo díky aktivnímu postoji V. D. Chvokova, který s námi organizoval a aktivně se s námi podílel na práci na vyvažování vrtulí letadel Jak-52 a Su-29, které pilotuje. Jeho praktické letecké zkušenosti v kombinaci s našimi inženýrskými znalostmi vytvořily perfektní základ pro vývoj spolehlivých postupy vyvažování vrtulí.
2. Komplexní analýza vyvážení a vibrací vrtulí akrobatického letounu Jak-52
2.1. Úvod do pokročilého monitorování vibrací letadel
V květnu až červenci 2014 probíhaly rozsáhlé práce na vibrační průzkum letounu Jak-52 vybaveného leteckým motorem M-14P a vyvažování jeho dvoulisté vrtuleTato komplexní studie představuje jednu z nejpodrobnějších analýz dynamika vrtulí letadla kdy provedené v polních podmínkách.
Na stránkách vyvažování vrtulí bylo provedeno v jedné rovině s použitím vyvažovací sady „Balanset 1“, sériové číslo 149. Tento přístup k vyvažování v jedné rovině je speciálně navržen pro dynamické vyvažování aplikace, kde poměr délky rotoru k průměru umožňuje efektivní korekci prostřednictvím jediné korekční roviny.
Schéma měření použité během vyvažování vrtulí je znázorněno na obr. 2.1, který ilustruje přesné umístění senzoru, které je klíčové pro přesné analýza vibrací.
Během proces vyvažování vrtuleVibrační senzor (akcelerometr) 1 byl instalován na přední kryt převodovky motoru pomocí magnetického montážního systému na speciálně navrženém držáku. Toto umístění zajišťuje optimální příjem signálu a zároveň dodržuje bezpečnostní protokoly nezbytné pro údržba letectví.
Laserový fázový senzor 2 byl také instalován na krytu převodovky a orientován podle reflexní značky umístěné na jednom z listů vrtule. Tato konfigurace umožňuje přesné měření fázového úhlu, které je klíčové pro určení přesné polohy korekce nevyváženosti vrtule závaží.
Analogové signály ze senzorů byly přenášeny stíněnými kabely do měřicí jednotky zařízení „Balanset 1“, kde prošly sofistikovaným digitálním předzpracováním za účelem eliminace šumu a zlepšení kvality signálu.
Tyto signály byly poté v digitální podobě odeslány do počítače, kde pokročilé softwarové algoritmy tyto signály zpracovaly a vypočítaly hmotnost a úhel korekčního závaží potřebného ke kompenzaci nevyváženost vrtuleTento výpočetní přístup zajišťuje matematickou přesnost v vyrovnávací výpočty.
Technické anotace:
- Zk – hlavní ozubené kolo převodovky
- Zs – satelity převodovky
- Zn – stacionární ozubené kolo převodovky
2.2. Vyvinuté pokročilé techniky a technologie
Během provádění této práce byly získány určité kritické dovednosti a komplexní technologie pro vyvažování vrtulí letadel v polních podmínkách s využitím zařízení „Balanset 1“ byl vyvinut, včetně:
- Optimalizace instalace senzorů: Určení optimálních umístění a metod pro instalaci (připevnění) vibračních a fázových úhlových senzorů na konstrukci letadla s cílem maximalizovat kvalitu signálu a zároveň zajistit dodržování bezpečnostních předpisů;
- Analýza rezonanční frekvence: Stanovení rezonančních frekvencí několika konstrukčních prvků letadla (zavěšení motoru, listy vrtule), aby se zabránilo buzení během vyvažovacích postupů;
- Výběr provozního režimu: Identifikace frekvencí otáčení motoru (provozních režimů), které zajišťují minimální zbytkovou nevyváženost během vyvažování vrtulí;
- Standardy kvality: Stanovení tolerancí pro zbytkovou nevyváženost vrtule dle mezinárodních leteckých norem a bezpečnostních požadavků.
Kromě toho cenné údaje o úrovně vibrací letadel byly získány stroje vybavené motory M-14P, což významně přispělo k rozšíření znalostní základny v oblasti údržby letectví.
Níže jsou uvedeny podrobné zprávy sestavené na základě výsledků těchto prací. V nich, kromě výsledky vyvážení vrtulí, komplexní údaje o vibrační průzkumy Jsou uvedeny snímky letounů Jak-52 a Su-29 pořízené během pozemních a letových zkoušek.
Tato data mohou být velmi zajímavá jak pro piloty letadel, tak pro specialisty zabývající se... údržba letadel, které poskytují praktické poznatky pro zlepšení protokoly o bezpečnosti letectví.
Během provádění této práce, s přihlédnutím ke zkušenostem získaným v vyvažování vrtulí U letounů Su-29 a Jak-52 byla provedena řada dalších komplexních studií, včetně:
- Analýza přirozené frekvence: Určení vlastních frekvencí kmitání motoru a vrtule letounu Jak-52;
- Posouzení vibrací za letu: Kontrola velikosti a spektrálního složení vibrací v kabině druhého pilota během letu po vyvažování vrtulí;
- Optimalizace systému: Kontrola velikosti a spektrálního složení vibrací v kabině druhého pilota během letu po vyvažování vrtulí a nastavení utahovací síly tlumičů motoru.
2.2. Výsledky studií vlastních frekvencí kmitů motoru a vrtule
Vlastní frekvence kmitů motoru, upevněných na tlumičích v trupu letadla, byly stanoveny pomocí profesionálního spektrálního analyzátoru AD-3527 od společnosti A&D (Japonsko) pomocí řízeného nárazového buzení kmitů motoru. Tato metodologie představuje zlatý standard v... analýza vibrací letadel.
Ve spektru vlastních kmitů zavěšení motoru letadla Jak-52, jehož příklad je uveden na obr. 2.2, byly s vysokou přesností identifikovány čtyři hlavní frekvence: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz. Tyto frekvence jsou klíčové pro pochopení dynamické chování letadla a optimalizace postupy vyvažování vrtulí.
Frekvenční analýza a její důsledky:
Frekvence 74 Hz, 94 Hz a 120 Hz pravděpodobně souvisí se specifickými vlastnostmi systému uchycení (zavěšení) motoru na trupu letadla. Těmto frekvencím je třeba se během letu pečlivě vyhnout. vyvažování vrtulí aby se zabránilo rezonančnímu buzení.
Frekvence 20 Hz je s největší pravděpodobností spojena s vlastními kmity celého letadla na podvozku, což představuje základní kmit celé konstrukce letadla.
Vlastní frekvence vrtulových listů byly také stanoveny pomocí stejné přísné metody buzení nárazem, což zajistilo konzistenci metodiky měření.
V této komplexní analýze byly identifikovány čtyři hlavní frekvence: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz a 134 Hz. Tyto frekvence představují různé vibrační režimy listů vrtule a jsou nezbytné pro... optimalizace vyvážení vrtule.
Význam pro inženýrství:
Údaje o vlastních frekvencích kmitání vrtule a motoru letadla Jak-52 mohou být obzvláště důležité při výběru frekvence otáčení vrtule používá se při vyvažování. Hlavní podmínkou pro výběr této frekvence je zajištění jejího maximálního možného odladění od vlastních frekvencí konstrukčních prvků letadla, čímž se zabrání rezonančním podmínkám, které by mohly vibrace spíše zesilovat než snižovat.
Znalost vlastních frekvencí jednotlivých součástí a částí letadla může být navíc mimořádně užitečná pro identifikaci příčin prudkého nárůstu (v případě rezonance) určitých složek vibračního spektra při různých režimech otáček motoru, což umožňuje prediktivní strategie údržby.
2.3. Výsledky vyvážení vrtulí a analýza výkonu
Jak je uvedeno výše, vyvažování vrtulí byl proveden v jedné rovině, což vedlo k efektivní dynamické kompenzaci nerovnováhy sil vrtule. Tento přístup je vhodný zejména pro vrtule, u kterých je axiální rozměr relativně malý ve srovnání s průměrem.
Předvádění dynamické vyvažování ve dvou rovinách, která by teoreticky umožňovala kompenzaci silové i momentové nerovnováhy vrtule, nebyla technicky proveditelná, protože konstrukce vrtule instalované na letounu Jak-52 umožňuje vytvoření pouze jedné přístupné korekční roviny. Toto omezení je běžné u mnoha instalací vrtulí v letadlech.
Na stránkách vyvažování vrtulí bylo provedeno při pečlivě zvolené frekvenci otáčení 1150 ot/min (maximálně 60%), při které bylo možné získat nejstabilnější výsledky měření vibrací z hlediska amplitudy i fáze od začátku do začátku. Tento výběr frekvence byl klíčový pro zajištění opakovatelnosti a přesnosti měření.
Na stránkách postup vyvažování vrtule řídil se standardním schématem „dvouběhů“, které poskytuje matematicky robustní výsledky:
- Počáteční měření: Během prvního běhu byla s vysokou přesností stanovena amplituda a fáze vibrací při frekvenci otáčení vrtule v jejím počátečním stavu.
- Zkušební běh s váhou: Během druhého běhu byla stanovena amplituda a fáze vibrací při frekvenci otáčení vrtule po instalaci přesně vypočítané zkušební hmotnosti 7 g na vrtuli.
- Fáze výpočtu: Na základě těchto komplexních dat byla pomocí sofistikovaných softwarových algoritmů vypočítána hmotnost M = 19,5 g a úhel instalace korekčního závaží F = 32°.
Problém a řešení praktické implementace:
Vzhledem k konstrukčním vlastnostem vrtule, které neumožňují instalaci korekčního závaží v teoreticky požadovaném úhlu 32°, byla na vrtuli strategicky instalována dvě ekvivalentní závaží, aby se dosáhlo stejného efektu vektorového součtu:
- Hmotnost M1 = 14 g v úhlu F1 = 0° (referenční poloha)
- Hmotnost M2 = 8,3 g v úhlu F2 = 60° (odsazená poloha)
Tento přístup s dvojí váhou demonstruje flexibilitu potřebnou v praxi vyvažování vrtulí letadla operace, kde je nutné teoretická řešení přizpůsobit omezením reálného světa.
Dosažené kvantitativní výsledky:
Po instalaci specifikovaných korekčních závaží na vrtuli byly vibrace měřeny při frekvenci otáčení 1150 ot/min a související s nevyváženost vrtule dramaticky klesl z 10,2 mm/s v počátečním stavu do 4,2 mm/s po vyvážení – což představuje Vylepšení 59% v redukci vibrací.
Z hlediska kvantifikace skutečné nevyváženosti se nevyváženost vrtule snížila z 2340 g*mm na 963 g*mm, což prokazuje účinnost postup vyvažování pole.
2.4 Komplexní posouzení vibrací při různých provozních frekvencích
Výsledky kontroly vibrací letounu Jak-52, provedené při jiných provozních režimech motoru, získané během komplexních pozemních zkoušek, jsou uvedeny v tabulce 2.1. Tato vícefrekvenční analýza poskytuje klíčové poznatky o účinnosti vyvažování vrtulí v celém operačním rámci.
Jak je z tabulky jasně patrné, vyvažování vrtulí Provedené vyvažovací mechanismy pozitivně ovlivnily vibrační charakteristiky letounu Jak-52 ve všech jeho provozních režimech, což prokázalo robustnost vyvažovacího řešení.
Tabulka 2.1. Výsledky vibrací v různých provozních režimech
| № | Nastavení výkonu motoru (%) | Frekvence otáčení vrtule (ot./min) | RMS rychlost vibrací (mm/s) | Hodnocení zlepšení |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 60 | 1153 | 4.2 | Vynikající |
| 2 | 65 | 1257 | 2.6 | Vynikající |
| 3 | 70 | 1345 | 2.1 | Vynikající |
| 4 | 82 | 1572 | 1.25 | Výjimečný |
2.5. Analýza vibrací za letu před a po seřízení tlumiče nárazů
Navíc během komplexních pozemních testů bylo zaznamenáno výrazné snížení vibrace letadla byl identifikován se zvýšením frekvence otáčení vrtule. Tento jev poskytuje cenné poznatky o vztahu mezi provozními parametry a vibrační charakteristiky letadel.
Toto snížení vibrací lze vysvětlit větším stupněm odladění frekvence otáčení vrtule od vlastní frekvence kmitání letadla na podvozku (pravděpodobně 20 Hz), ke kterému dochází při zvýšení frekvence otáčení vrtule. To ukazuje na důležitost pochopení dynamické chování letadla pro optimální provoz.
Kromě komplexních vibračních testů provedených po vyvažování vrtulí Na zemi (viz kapitola 2.3) byla provedena podrobná měření vibrací letounu Jak-52 za letu s využitím pokročilé přístrojové techniky.
Metodika letových zkoušek: Vibrace za letu byly měřeny v kabině druhého pilota ve vertikálním směru pomocí přenosného analyzátoru vibračního spektra modelu AD-3527 od společnosti A&D (Japonsko) ve frekvenčním rozsahu od 5 do 200 (500) Hz. Tento komplexní frekvenční rozsah zajišťuje zachycení všech významných složek vibrací.
Měření byla systematicky prováděna v pěti hlavních režimech otáček motoru, které se rovnají maximální frekvenci otáčení 60%, 65%, 70% a 82%, což poskytuje kompletní analýzu provozního spektra.
Výsledky měření provedených před seřízením tlumičů jsou uvedeny v níže uvedené souhrnné tabulce 2.2.
Tabulka 2.2. Podrobná analýza složek vibračního spektra
| Režim | Napájení (%) | RPM | Vв1 (Hz) | Zesilovač Vв1 | Vн (Hz) | Zesilovač Vн | Vк1 (Hz) | Zesilovač Vк1 | Vв2 (Hz) | Zesilovač Vв2 | Vк2 (Hz) | Zesilovač Vк2 | Celkem 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 |
Jako příklady podrobné spektrální analýzy ukazují obrázky 2.3 a 2.4 skutečné grafy spektra získané při měření vibrací v kabině letounu Jak-52 v režimech 60% a 94% použitých pro komplexní sběr dat v tabulce 2.2.
Komplexní spektrální analýza:
Jak je patrné z tabulky 2.2, hlavní složky vibrací naměřené v kabině druhého pilota se objevují při frekvencích otáčení vrtule Vв1 (zvýrazněno žlutě), klikový hřídel motoru Vк1 (zvýrazněno modře) a pohon vzduchového kompresoru (a/nebo snímač frekvence) Vн (zvýrazněno zeleně), stejně jako u jejich vyšších harmonických Vв2, Vв4, Vв5a Vк2, Vк3.
Maximální celkové vibrace V∑ byla zjištěna v rychlostních režimech 82% (1580 ot/min vrtule) a 94% (1830 ot/min), což naznačuje specifické rezonanční podmínky v těchto kritických provozních bodech.
Hlavní složka těchto vibrací se objevuje u 2. harmonické frekvence otáčení klikového hřídele motoru Vк2 a dosahuje významných hodnot 12,5 mm/s při frekvenci 4800 cyklů/min a 15,8 mm/s při frekvenci 5520 cyklů/min.
Inženýrská analýza a identifikace hlavní příčiny:
Lze rozumně předpokládat, že tato významná složka vibrací je spojena s činností pístní skupiny motoru (nárazové procesy probíhající během dvojího pohybu pístů na jednu otáčku klikového hřídele), což představuje základní dynamiku motoru.
Prudký nárůst této složky v režimech 82% (první nominální) a 94% (vzlet) není s největší pravděpodobností způsoben mechanickými vadami pístní skupiny, ale rezonančními kmity motoru uloženého v těle letadla na tlumičích.
Tento závěr silně podporují dříve diskutované experimentální výsledky kontroly vlastních frekvencí kmitání zavěšení motoru, v jejichž spektru se nacházejí frekvence 74 Hz (4440 cyklů/min), 94 Hz (5640 cyklů/min) a 120 Hz (7200 cyklů/min).
Dvě z těchto vlastních frekvencí, 74 Hz a 94 Hz, jsou pozoruhodně blízké frekvencím 2. harmonické otáčení klikového hřídele, které se vyskytují v prvním jmenovitém a rozjezdovém režimu motoru, a vytvářejí tak klasické rezonanční podmínky.
Vzhledem k výrazným vibracím na 2. harmonické složce klikového hřídele zjištěným během komplexních vibračních zkoušek v prvním jmenovitém a rozjezdovém režimu motoru byla provedena systematická kontrola a seřízení utahovací síly tlumičů zavěšení motoru.
Výsledky srovnávací zkoušky získané před a po seřízení tlumičů pro frekvenci otáčení vrtule (Vв1) a 2. harmonickou frekvence otáčení klikového hřídele (Vк2) jsou uvedeny v tabulce 2.3.
Tabulka 2.3. Analýza dopadu nastavení tlumiče pérování
| Režim | Napájení (%) | Otáčky (před/po) | Vв1 Před | Vв1 Po | Vк2 Před | Vк2 Po | Zlepšení |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 60 | 1155 / 1140 | 4.4 | 3.3 | 3.6 | 3.0 | Mírný |
| 2 | 65 | 1244 / 1260 | 3.5 | 3.5 | 4.1 | 4.3 | Minimální |
| 3 | 70 | 1342 / 1350 | 2.8 | 3.3 | 2.9 | 1.2 | Významný |
| 4 | 82 | 1580 / 1590 | 4.7 | 4.2 | 12.5 | 16.7 | Zhoršené |
| 5 | 94 | 1830 / 1860 | 2.2 | 2.7 | 15.8 | 15.2 | Mírné |
Jak je patrné z tabulky 2.3, úprava tlumičů nevedla k významnému zlepšení hlavních vibračních komponentů letadla a v některých případech dokonce vedla k drobnému zhoršení.
Analýza účinnosti vyvážení vrtulí:
Je třeba také poznamenat, že amplituda spektrální složky spojené s nevyváženost vrtule Vв1, detekovaná v módech 82% a 94% (viz tabulky 2.2 a 2.3), je 3–7krát nižší než amplitudy Vк2, přítomné v těchto režimech. To ukazuje, že vyvažování vrtulí byl vysoce účinný při řešení primárního zdroje vibrací souvisejících s vrtulí.
Při ostatních režimech letu je složka Vв1 pohybuje se od 2,8 do 4,4 mm/s, což představuje přijatelné úrovně pro běžný provoz letadla.
Navíc, jak je patrné z tabulek 2.2 a 2.3, jeho změny při přepnutí z jednoho režimu do druhého nejsou určeny především kvalitou vyvažování vrtulí, ale stupněm odchylky frekvence otáčení vrtule od vlastních frekvencí různých konstrukčních prvků letadla.
2.6. Odborné závěry a technická doporučení
2.6.1. Účinnost vyvážení vrtule
Na stránkách vyvažování vrtule letadla Jak-52, provedený při frekvenci otáčení vrtule 1150 ot/min (60%), úspěšně dosáhl významného snížení vibrací vrtule z 10,2 mm/s na 4,2 mm/s, což představuje podstatné zlepšení plynulosti provozu letadla.
Vzhledem k rozsáhlým zkušenostem získaným během vyvažování vrtulí letadel Jak-52 a Su-29 S využitím profesionálního zařízení „Balanset-1“ lze s jistotou předpokládat, že existuje reálná možnost dosáhnout ještě dalšího snížení úrovně vibrací vrtule letounu Jak-52.
Tohoto dodatečného zlepšení lze dosáhnout zejména volbou jiné (vyšší) frekvence otáčení vrtule během jejího vyvažování, což umožňuje větší odladění od vlastní frekvence kmitání letadla 20 Hz (1200 cyklů/min), která byla přesně identifikována během komplexních testů.
2.6.2. Analýza vibrací z více zdrojů
Jak ukazují výsledky komplexních vibračních testů letounu Jak-52 za letu, jeho vibrační spektra (kromě výše zmíněné složky objevující se na frekvenci otáčení vrtule) obsahují několik dalších významných složek spojených s činností klikového hřídele, pístní skupiny motoru a také pohonu vzduchového kompresoru (a/nebo frekvenčního senzoru).
Velikosti těchto vibrací v módech 60%, 65% a 70% jsou srovnatelné s velikostí vibrací spojených s... nevyváženost vrtule, což naznačuje, že k celkové vibrační charakteristikě letadla přispívá více zdrojů vibrací.
Detailní analýza těchto vibrací ukazuje, že i úplné odstranění vibrací z nevyváženost vrtule sníží celkové vibrace letadla v těchto režimech maximálně 1,5krát, což zdůrazňuje důležitost holistického přístupu k řízení vibrací letadel.
2.6.3. Identifikace kritického provozního režimu
Maximální celkové vibrace V∑ Provozní podmínky letounu Jak-52 byly zjištěny v rychlostních režimech 82% (1580 ot/min vrtule) a 94% (1830 ot/min vrtule), což je identifikovalo jako kritické provozní podmínky vyžadující zvláštní pozornost.
Hlavní složka těchto vibrací se objevuje u 2. harmonické frekvence otáčení klikového hřídele motoru Vк2 (při frekvencích 4800 cyklů/min nebo 5520 cyklů/min), kde dosahuje hodnot 12,5 mm/s a 15,8 mm/s.
Lze rozumně usoudit, že tato součástka je spojena se základní činností pístní skupiny motoru (nárazové procesy, ke kterým dochází během dvojnásobného pohybu pístů na jednu otáčku klikového hřídele).
Prudký nárůst této složky v režimech 82% (první nominální) a 94% (vzlet) není s největší pravděpodobností způsoben mechanickými vadami pístní skupiny, ale rezonančními kmity motoru uloženého v těle letadla na tlumičích.
Systematické seřizování tlumičů nárazů provedené během testů nevedlo k významnému zlepšení vibračních charakteristik.
Tuto situaci mohou vývojáři letadel pravděpodobně zohlednit při výběru systému uložení (zavěšení) motoru v trupu letadla, což naznačuje potenciální oblasti pro budoucí optimalizaci konstrukce letadla.
2.6.4. Doporučení pro diagnostické monitorování
Komplexní data získaná během vyvažování vrtulí a další vibrační testy (viz výsledky letových testů v kapitole 2.5) umožňují dojít k závěru, že periodické monitorování vibrací může být mimořádně užitečné pro diagnostické posouzení technického stavu leteckého motoru.
Takové diagnostické práce lze efektivně provádět například pomocí profesionálního zařízení „Balanset-1“, jehož pokročilý software obsahuje sofistikované funkce spektrální vibrační analýzy, což umožňuje prediktivní strategie údržby.
3. Komplexní výsledky vyvážení vrtule MTV-9-KC/CL 260-27 a vibrační průzkum akrobatického letounu Su-29
3.1. Úvod do vyvažování třílistých vrtulí
Dne 15. června 2014 komplexní vyvážení třílisté vrtule MTV-9-KC/CL 260-27 Letecký motor M-14P akrobatického letounu Su-29 byl proveden s využitím pokročilých technik vyvažování na poli.
Podle výrobce byla vrtule předběžně staticky vyvážena v továrně, o čemž svědčí přítomnost korekčního závaží v rovině 1, instalovaného ve výrobním závodě. Jak však později odhalila naše analýza, vyvážení továrny často se ukáže jako nedostatečné pro optimální výkon v terénu.
Na stránkách vyvážení vrtule, přímo instalovaný na letounu Su-29, byl proveden s použitím profesionální sady pro vyvažování vibrací „Balanset-1“ se sériovým číslem 149, což prokazuje účinnost zařízení pro vyvažování pole pro letecké aplikace.
Schéma měření použité během vyvažování vrtulí Postup je znázorněn na obr. 3.1 a ilustruje přesnost požadovanou pro vyvážení třílisté vrtule.
Během proces vyvažování vrtule, vibrační senzor (akcelerometr) 1 byl namontován na skříni převodovky motoru pomocí magnetického montážního systému na speciálně navrženém držáku, což zajistilo optimální příjem signálu pro analýza vibrací letadel.
Laserový fázový senzor 2 byl také namontován na skříni převodovky a orientován podle reflexní značky umístěné na jednom z listů vrtule, což umožnilo přesné měření fázového úhlu nezbytné pro přesné měření... korekce nevyváženosti vrtule.
Analogové signály ze senzorů byly přenášeny stíněnými kabely do měřicí jednotky zařízení „Balanset-1“, kde procházely sofistikovaným digitálním předzpracováním, aby byla zajištěna kvalita a přesnost signálu.
Tyto signály byly poté v digitální podobě odeslány do počítače, kde bylo provedeno pokročilé softwarové zpracování těchto signálů a byla určena hmotnost a úhel korekčního závaží potřebné ke kompenzaci nevyváženost vrtule byly vypočítány s matematickou přesností.
Technické specifikace převodovky:
- Zk – hlavní ozubené kolo převodovky se 75 zuby
- Zc – satelity převodovky v počtu 6 kusů s 18 zuby
- Zn – stacionární ozubené kolo převodovky s 39 zuby
Před zahájením této komplexní práce, s ohledem na cenné zkušenosti získané z vyvažování vrtule letadla Jak-52byla provedena řada dalších kritických studií, včetně:
- Analýza přirozené frekvence: Stanovení vlastních frekvencí kmitání motoru a vrtule letounu Su-29 pro optimalizaci vyvažovacích parametrů;
- Základní posouzení vibrací: Kontrola velikosti a spektrálního složení počátečních vibrací v kabině druhého pilota před vyvážením za účelem stanovení základních podmínek.
3.2. Výsledky studií vlastních frekvencí kmitů motoru a vrtule
Vlastní frekvence kmitů motoru, upevněných na tlumičích v trupu letadla, byly stanoveny pomocí profesionálního spektrálního analyzátoru AD-3527 od společnosti A&D (Japonsko) pomocí řízeného nárazového buzení kmitů motoru, což zajistilo přesné měření. analýza vibrací letadel.
Ve spektru vlastních kmitů zavěšení motoru (viz obr. 3.2) bylo s vysokou přesností identifikováno šest hlavních frekvencí: 16 Hz, 22 Hz, 37 Hz, 66 Hz, 88 Hz, 120 Hz. Tato komplexní frekvenční analýza je klíčová pro optimalizaci postupy vyvažování vrtulí.
Frekvenční analýza a technická interpretace:
Z těchto identifikovaných frekvencí se předpokládá, že frekvence 66 Hz, 88 Hz a 120 Hz přímo souvisí se specifickými vlastnostmi systému uchycení (zavěšení) motoru na karoserii letadla a představují strukturální rezonance, kterým je třeba se během letu vyhnout. vyvažování vrtulí.
Frekvence 16 Hz a 22 Hz jsou s největší pravděpodobností spojeny s vlastními kmity celého letadla na podvozku a představují základní strukturální režimy letadla.
Frekvence 37 Hz pravděpodobně souvisí s vlastní frekvencí kmitání listů vrtule letadla, což představuje kritickou dynamickou charakteristiku vrtule.
Tento předpoklad potvrzují výsledky kontroly vlastních frekvencí kmitů vrtule, získaných rovněž metodou rigorózního buzení nárazem.
Ve spektru vlastních kmitů listu vrtule (viz obr. 3.3) byly identifikovány tři hlavní frekvence: 37 Hz, 100 Hz a 174 Hz, což potvrzuje korelaci mezi vlastními frekvencemi vrtule a motoru.
Technický význam pro vyvážení vrtulí:
Údaje o vlastních frekvencích kmitání vrtulových listů a motoru letounu Su-29 mohou být obzvláště důležité při výběru frekvence otáčení vrtule používá se při vyvažování. Hlavní podmínkou pro výběr této frekvence je zajištění jejího maximálního možného odladění od vlastních frekvencí konstrukčních prvků letadla.
Znalost vlastních frekvencí jednotlivých součástí a částí letadla může být navíc mimořádně užitečná pro identifikaci příčin prudkého nárůstu (v případě rezonance) určitých složek vibračního spektra při různých režimech otáček motoru, což umožňuje prediktivní strategie údržby.
3.3. Kontrola vibrací v kabině druhého pilota letounu Su-29 na zemi před vyvažováním
Počáteční vibrační charakteristiky letounu Su-29, identifikované dříve vyvažování vrtulí, byly měřeny v kabině druhého pilota ve vertikálním směru pomocí přenosného vibračního spektrálního analyzátoru modelu AD-3527 od společnosti A&D (Japonsko) ve frekvenčním rozsahu od 5 do 200 Hz.
Měření byla systematicky prováděna ve čtyřech hlavních režimech otáček motoru, které se rovnají maximální frekvenci otáčení 60%, 65%, 70% a 82%, což poskytlo komplexní základní data pro analýza vibrací letadel.
Získané komplexní výsledky jsou uvedeny v tabulce 3.1.
Tabulka 3.1. Analýza základních vibrací před vyvážením vrtule
| Režim | Napájení (%) | RPM | Vв1 (mm/s) | Vн (mm/s) | Vк1 (mm/s) | Vв3 (mm/s) | Vк2 (mm/s) | Celkem V∑ (mm/s) | Posouzení |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 60 | 1150 | 5.4 | 2.6 | 2.0 | – | – | 8.0 | Mírný |
| 2 | 65 | 1240 | 5.7 | 2.4 | 3.2 | – | – | 10.6 | Zvýšené |
| 3 | 70 | 1320 | 5.2 | 3.0 | 2.5 | – | – | 11.5 | Vysoký |
| 4 | 82 | 1580 | 3.2 | 1.5 | 3.0 | – | 8.5 | 9.7 | Zvýšené |
Jak je patrné z tabulky 3.1, hlavní složky vibrací se objevují při frekvencích otáčení vrtule Vв1, klikový hřídel motoru Vк1a pohon vzduchového kompresoru (a/nebo snímač frekvence) Vн, stejně jako při 2. harmonické klikového hřídele Vк2 a případně 3. harmonickou (lopatek) vrtule Vв3, jejíž frekvence je blízká druhé harmonické klikového hřídele.
Podrobná analýza vibračních složek:
Navíc byla ve vibračním spektru v rychlostním režimu 60% nalezena neidentifikovaná složka s vypočítaným spektrem s frekvencí 6120 cyklů/min, která může být způsobena rezonancí s frekvencí přibližně 100 Hz jednoho z konstrukčních prvků letadla. Takovým prvkem by mohla být vrtule, jejíž jedna z vlastních frekvencí je 100 Hz, což dokazuje složitou povahu vibrační signatury letadel.
Maximální celkové vibrace letadla V∑, dosahující 11,5 mm/s, byla zjištěna v rychlostním režimu 70%, což naznačuje kritický provozní stav vyžadující pozornost.
Hlavní složka celkových vibrací v tomto režimu se objevuje u 2. harmonické (4020 cyklů/min) frekvence otáčení klikového hřídele motoru Vк2 a rovná se 10,8 mm/s, což představuje významný zdroj vibrací.
Analýza hlavní příčiny:
Lze rozumně předpokládat, že tato součástka je spojena se základní činností pístní skupiny motoru (nárazové procesy, ke kterým dochází během dvojnásobného pohybu pístů na jednu otáčku klikového hřídele).
Prudký nárůst této složky u režimu 70% je pravděpodobně způsoben rezonančními oscilacemi jednoho z konstrukčních prvků letadla (zavěšení motoru v trupu letadla) při frekvenci 67 Hz (4020 cyklů/min).
Je třeba poznamenat, že kromě nárazových poruch spojených s činností pístové skupiny může být velikost vibrací v tomto frekvenčním rozsahu ovlivněna aerodynamickou silou projevující se při frekvenci listů vrtule (Vв3).
U rychlostních režimů 65% a 82% je patrný nárůst složky Vк2 (Vв3), což lze rovněž vysvětlit rezonančními oscilacemi jednotlivých částí letadla.
Amplituda spektrální složky spojené s nevyváženost vrtule Vв1, zjištěné u hlavních rychlostních režimů před vyvážením, se pohybovaly v rozmezí od 2,4 do 5,7 mm/s, což je obecně nižší hodnota než Vк2 v odpovídajících režimech.
Jak je navíc patrné z tabulky 3.1, její změny při přechodu z jednoho režimu do druhého jsou dány nejen kvalitou vyvážení, ale také mírou odklonu frekvence otáčení vrtule od vlastních frekvencí konstrukčních prvků letadla.
3.4. Výsledky vyvážení vrtulí a analýza výkonu
Na stránkách vyvažování vrtulí byl proveden v jedné rovině s pečlivě zvolenou rotační frekvencí. Díky tomuto vyvážení byla dynamická nerovnováha vrtule účinně kompenzována, což prokázalo účinnost vyvažování v jedné rovině pro tuto konfiguraci třílisté vrtule.
Podrobný protokol o vyvažování je uveden níže v Dodatku 1 a dokumentuje kompletní postup pro zajištění kvality a budoucí použití.
Na stránkách vyvažování vrtulí byla provedena při frekvenci otáčení vrtule 1350 ot/min a zahrnovala dva přesné měřicí cykly podle standardních postupů v oboru.
Postup systematického vyvažování:
- Měření počátečního stavu: Během prvního běhu byla s vysokou přesností stanovena amplituda a fáze vibrací při frekvenci otáčení vrtule v počátečním stavu.
- Měření zkušební hmotnosti: Při druhém pokusu byla stanovena amplituda a fáze vibrací při frekvenci otáčení vrtule po instalaci zkušebního závaží o známé hmotnosti na vrtuli.
- Výpočet a implementace: Na základě výsledků těchto měření byla pomocí pokročilých výpočetních algoritmů stanovena hmotnost a úhel instalace korekčního závaží v rovině 1.
Vynikající výsledky vyvažování dosažené:
Po instalaci vypočítané hodnoty korekčního závaží na vrtuli, která činila 40,9 g, se vibrace v tomto rychlostním režimu dramaticky snížily z 6,7 mm/s v počátečním stavu do 1,5 mm/s po vyvážení – což představuje pozoruhodný Vylepšení 78% v redukci vibrací.
Úroveň vibrací spojená s nevyváženost vrtule i v jiných rychlostních režimech se výrazně snížila a po vyvážení zůstala v přijatelném rozsahu 1 až 2,5 mm/s, což dokazuje robustnost vyvažovacího řešení v celém provozním rozsahu.
Ověření vlivu kvality vyvážení na úroveň vibrací letadla za letu bohužel nebylo provedeno kvůli náhodnému poškození této vrtule během jednoho z cvičných letů, což zdůrazňuje důležitost provedení komplexního testování ihned po vyvažování.
Významné rozdíly oproti vyvažování ve výrobě:
Je třeba poznamenat, že výsledek dosažený během tohoto vyvažování vrtulí v poli výrazně se liší od výsledku vyvážení z výroby, což zdůrazňuje důležitost vyvážení vrtulí v jejich skutečné provozní konfiguraci.
Zejména:
- Redukce vibrací: Vibrace při frekvenci otáčení vrtule se po jejím vyvážení v místě trvalé instalace (na výstupní hřídeli převodovky letounu Su-29) snížily více než čtyřikrát;
- Korekce polohy hmotnosti: Korekční závaží instalované během proces vyvažování pole byla posunuta vzhledem k hmotnosti instalované ve výrobním závodě přibližně o 130 stupňů, což naznačuje významné rozdíly mezi požadavky na vyvážení v továrně a na místě.
Možné příčinné faktory:
Mezi možné důvody tohoto významného rozdílu patří:
- Výrobní tolerance: Chyby měřicího systému vyvažovacího stojanu výrobce (nepravděpodobné, ale možné);
- Problémy s továrním vybavením: Geometrické chyby montážních míst spojky vřetena vyvažovacího stroje výrobce, které vedou k radiálnímu házení vrtule při montáži na vřeteno;
- Faktory instalace letadla: Geometrické chyby montážních míst spojky výstupního hřídele převodovky letadla, které vedou k radiálnímu házení vrtule při instalaci na hřídel převodovky.
3.5. Odborné závěry a technická doporučení
3.5.1. Výjimečný vyvažovací výkon
Na stránkách vyvažování vrtule letounu Su-29, provedený v jedné rovině při frekvenci otáčení vrtule 1350 ot/min (70%), úspěšně dosáhl pozoruhodného snížení vibrací vrtule z 6,7 mm/s na 1,5 mm/s, což prokazuje výjimečnou účinnost vyvažování vrtulí v poli techniky.
Úroveň vibrací spojená s nevyváženost vrtule i v ostatních rychlostních režimech se výrazně snížila a zůstala ve vysoce přijatelném rozsahu 1 až 2,5 mm/s, což potvrzuje robustnost vyvažovacího řešení v celém provozním spektru.
3.5.2 Doporučení pro zajištění kvality
Pro objasnění možných důvodů neuspokojivých výsledků vyvažování provedeného ve výrobním závodě se důrazně doporučuje zkontrolovat radiální házení vrtule na výstupním hřídeli převodovky leteckého motoru, protože to představuje kritický faktor pro dosažení optimální výsledky vyvážení vrtulí.
Toto šetření by poskytlo cenné poznatky o rozdílech mezi továrními a vyvažování polí požadavky, což by mohlo vést ke zlepšení výrobních procesů a postupů kontroly kvality.
Dodatek 1: Protokol profesionálního vyvažování
KOMPLEXNÍ PROTOKOL PRO VYVAŽOVÁNÍ
Vrtule MTV-9-K-C/CL 260-27 akrobatického letounu Su-29
1. Zákazník: VD Chvokov
2. Místo instalace vrtule: výstupní hřídel převodovky letounu Su-29
3. Typ vrtule: MTV-9-KC/CL 260-27
4. Metoda vyvažování: smontováno na místě (ve vlastních ložiskách), v jedné rovině
5. Frekvence otáčení vrtule během vyvažování, ot./min: 1350
6. Model, sériové číslo a výrobce vyvažovacího zařízení: "Balanset-1", sériové číslo 149
7. Regulační dokumenty používané při bilancování:
7.1. _____________________________________________________________
_____________________________________________________________
8. Datum vyúčtování: 15.06.2014
9. Souhrnná tabulka výsledků bilancování:
| № | Výsledky měření | Vibrace (mm/s) | Nevyváženost (g*mm) | Hodnocení kvality |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Před vyvážením *) | 6.7 | 6135 | Nepřijatelný |
| 2 | Po vyvážení | 1.5 | 1350 | Vynikající |
| ISO 1940 Tolerance pro třídu G 6.3 | 1500 | Norma | ||
*) Poznámka: Vyvažování bylo provedeno s korekčním závažím instalovaným výrobcem, které zůstalo na vrtuli.
10. Profesionální závěry:
10.1. Úroveň vibrací (zbytková nevyváženost) po vyvažování vrtule instalovaný na výstupním hřídeli převodovky letounu Su-29 (viz str. 9.2) se ve srovnání s původním stavem (viz str. 9.1) zmenšil více než 4krát, což představuje mimořádné zlepšení plynulosti provozu letadla.
10.2. Parametry korekčního závaží (hmotnost, úhel instalace) použité k dosažení výsledku v bodě 10.1 se výrazně liší od parametrů korekčního závaží instalovaného výrobcem (vrtule MT), což naznačuje zásadní rozdíly mezi požadavky na vyvážení z výroby a v terénu.
Zejména bylo na vrtuli během instalováno dodatečné korekční závaží o hmotnosti 40,9 g vyvažování polí, která byla posunuta o úhel 130° vzhledem k závaží instalovanému výrobcem.
(Závaží instalované výrobcem nebylo z vrtule při dodatečném vyvažování odstraněno).
Možné technické důvody:
Mezi možné důvody této závažné situace patří:
- Chyby v měřicím systému vyvažovacího stojanu výrobce;
- Geometrické chyby v montážních místech spojky vřetena vyvažovacího stroje výrobce, které vedou k radiálnímu házení vrtule při instalaci na vřeteno;
- Geometrické chyby v montážních místech spojky výstupního hřídele převodovky letadla, které vedou k radiálnímu házení vrtule při instalaci na hřídel převodovky.
Doporučené kroky vyšetřování:
Identifikovat konkrétní příčinu vedoucí ke zvýšení nevyváženost vrtule při instalaci na výstupní hřídel převodovky letounu Su-29 je nutné:
- Zkontrolujte měřicí systém a geometrickou přesnost míst uchycení vřetena vyvažovacího stroje používaného k vyvažování vrtule MTV-9-K-C/CL 260-27 u výrobce;
- Zkontrolujte radiální házivost vrtule namontované na výstupní hřídeli převodovky letounu Su-29.
Exekutor:
Hlavní specialista společnosti LLC "Kinematics"
Feldman V.D.
Často kladené otázky o vyvažování vrtulí letadel
Co je vyvážení vrtulí a proč je důležité pro bezpečnost letectví?
Vyvažování vrtule je přesný postup, který eliminuje nevyváženost vrtulí letadla přidáním nebo změnou polohy korekčních závaží. Nevyvážené vrtule vytvářejí nadměrné vibrace, které mohou vést k únavě konstrukce, poškození motoru a v konečném důsledku ke katastrofickému selhání. Naše terénní studie ukazují, že správné vyvážení může snížit vibrace až o 781 TP3T, což výrazně zlepšuje bezpečnost a provozní životnost letadla.
Jak se liší vyvažování vrtulí v terénu od vyvažování v továrně?
Vyvažování vrtulí v terénu nabízí oproti továrnímu vyvažování značné výhody, protože zohledňuje skutečné instalační podmínky, včetně tolerancí převodovky, montážních nerovností a kompletní dynamiky letadla. Naše případová studie Su-29 ukázala, že korekční hmotnost požadovaná v praxi byla posunuta o 130° oproti tovární hmotnosti, což zdůrazňuje důležitost vyvažování vrtulí v jejich provozní konfiguraci.
Jaké vybavení je potřeba pro profesionální vyvažování vrtulí letadel?
Profesionální vyvažování vrtulí letadla vyžaduje specializované vybavení, jako je zařízení Balanset-1, které zahrnuje přesné akcelerometry, laserové fázové senzory a pokročilý analytický software. Zařízení musí být schopno měřit vibrace v rozsahu 0,1 až 1000 Hz s vysokou přesností a poskytovat fázovou analýzu v reálném čase pro správné výpočty umístění závaží.
Jak často by se měly vyvažovat vrtule letadel?
Frekvence vyvažování vrtule Záleží na používání letadla, ale obecně by se mělo provádět při větších prohlídkách, po opravě poškození vrtule, při zjištění nadměrných vibrací nebo podle doporučení výrobce. U akrobatických letadel, jako jsou studované Jak-52 a Su-29, může být kvůli vyšším podmínkám namáhání nutné častější vyvažování.
Jaké jsou přijatelné úrovně vibrací po vyvážení vrtule?
Podle norem ISO 1940 pro třídu G 6.3 by zbytková nevyváženost neměla překročit 1500 g*mm. Naše praktické zkušenosti ukazují, že vynikající výsledky dosahují úrovně vibrací pod 2,5 mm/s RMS, přičemž vynikající výsledky dosahují 1,5 mm/s nebo méně. Tyto úrovně zajišťují bezpečný provoz a minimální konstrukční namáhání letadla.
Může vyvážení vrtulí eliminovat všechny vibrace letadla?
Zatímco vyvažování vrtulí Výrazně snižuje vibrace související s vrtulí, ale nemůže eliminovat všechny vibrace letadla. Naše komplexní analýza ukázala, že k celkovým vibracím přispívají harmonické kmity klikového hřídele motoru, dynamika pístních skupin a strukturální rezonance. Dokonce i dokonalé vyvážení vrtule obvykle snižuje celkové vibrace letadla pouze 1,5krát, což zdůrazňuje potřebu holistických přístupů k řízení vibrací.
Doporučení odborníků pro letecké profesionály
Pro provozovatele letadel:
- Implementujte pravidelně monitorování vibrací jako součást programů preventivní údržby
- Zvážit vyvažování vrtulí v poli lepší než spoléhat se pouze na vyvážení z výroby
- Stanovte základní vibrační charakteristiky pro každé letadlo ve vaší flotile
- Proškolení personálu údržby v oblasti správných postupů vyvažování a bezpečnostních protokolů
Pro techniky údržby:
- Při výběru vyvažovacích otáček vždy zohledněte vlastní frekvence
- Pro přesné měření používejte profesionální vybavení, jako je Balanset
- Dokumentujte všechny postupy vyvažování pro zajištění kvality a sledovatelnosti
- Pochopte, že vyvážení vrtule je pouze jednou ze součástí celkového řízení vibrací.
Pro piloty:
- Veškeré neobvyklé vibrace ihned nahlaste údržbářskému personálu
- Uvědomte si, že různé letové režimy mohou vykazovat různé vibrační charakteristiky.
- Mějte na paměti, že některé vibrace mohou být strukturálního původu, nikoli související s vrtulí.
- Zastánce pravidelného vyvažování vrtulí jako investice do bezpečnosti
CS 
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
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