1. Předmluva

Před dvěma a půl lety zahájil náš podnik sériovou výrobu zařízení "Balanset-1", určeného pro vyvažování rotačních mechanismů ve vlastních ložiscích.

Do dnešního dne bylo vyrobeno více než 180 souprav. Efektivně se používají v různých průmyslových odvětvích, včetně výroby a provozu ventilátorů, dmychadel, elektromotorů, vřeten strojů, čerpadel, drtičů, separátorů, odstředivek, kardanových a klikových hřídelových sestav a podobných mechanismů.

Společnost Vibromera v poslední době obdržela velké množství dotazů od organizací i jednotlivců ohledně možnosti využití našeho zařízení pro vyvažování vrtulí letadel a vrtulníků v polních podmínkách.

Naši specialisté se bohužel, i přes dlouholeté zkušenosti s vyvažováním různých strojů, s tímto specifickým problémem dosud nikdy nesetkali. Rady a doporučení, které jsme mohli našim zákazníkům poskytnout, byly proto poměrně obecné a ne vždy jim umožnily efektivně vyřešit daný úkol.

Tato situace se začala letos na jaře měnit k lepšímu, a to díky aktivnímu zapojení V. D. Chvokova, který organizoval a po našem boku se podílel na pracích na vyvažování vrtulí letounů Jak-52 a Su-29, které pilotuje.

Během této práce byly získány určité dovednosti a byla vyvinuta technologie pro vyvažování vrtulí letadel v polních podmínkách pomocí zařízení "Balanset-1", včetně:

• určení umístění a metod pro instalaci (montáž) vibračních a fázových úhlových senzorů na letadle;
• stanovení rezonančních frekvencí několika konstrukčních prvků letadla (zavěšení motoru, listy vrtule);
• identifikace frekvencí otáčení motoru (provozních režimů), které zajišťují minimální dosažitelnou zbytkovou nevyváženost během vyvažování;
• stanovení tolerancí pro zbytkovou nevyváženost vrtule.

Kromě toho byly získány zajímavé údaje o úrovni vibrací letadel vybavených motory M-14P.

Níže jsou uvedeny materiály zprávy sestavené z výsledků této práce. Kromě výsledků vyvažování prezentují data z vibračních průzkumů letounů Jak-52 a Su-29, získaná během pozemních a letových zkoušek. Tato data mohou být zajímavá jak pro piloty letadel, tak pro specialisty zapojené do jejich údržby.

2. Průzkum vyvážení a vibrací letounu Jak-52

2.1. Úvod

V květnu až červenci 2014 probíhaly práce na vibračním průzkumu letounu Jak-52 vybaveného leteckým motorem M-14P a vyvážení jeho dvoulisté vrtule.

Vyvažování bylo provedeno v jedné rovině pomocí stavebnice "Balanset-1", sériové číslo 149.

Schéma měření je znázorněno na obr. 2.1. Během vyvažování se snímač vibrací (akcelerometr) 1 byl instalován na přední kryt převodovky motoru pomocí magnetického uchycení na speciálně navrženém držáku. Laserový fázový úhlový senzor 2 byl také instalován na krytu převodovky a orientován směrem k reflexní značce umístěné na jednom z listů vrtule.

Analogové signály ze senzorů byly přenášeny kabely do měřicí jednotky zařízení "Balanset-1", kde bylo provedeno předběžné digitální zpracování. Tyto signály v digitální podobě poté vstupovaly do počítače, kde bylo provedeno softwarové zpracování a byla vypočítána hmotnost a úhel korekčního závaží potřebného pro kompenzaci nevyváženosti vrtule.

Během této práce, s ohledem na zkušenosti získané s vyvažováním vrtulí letounů Su-29 i Jak-52, byla provedena řada dalších studií:

• stanovení vlastních frekvencí kmitů motoru a vrtule letounu Jak-52;
• měření velikosti vibrací a spektrálního složení v kabině druhého pilota během letu po vyvážení vrtule;
• měření vibrací po vyvážení vrtule a po seřízení utahovací síly tlumičů motoru.

2.2. Vlastní frekvence kmitů motoru a vrtule

Vlastní frekvence kmitů motoru, uložených na tlumičích v těle letadla, byly stanoveny pomocí spektrálního analyzátoru AD-3527 od společnosti A&D (Japonsko) metodou buzení nárazem.

Ve spektru vlastních kmitů zavěšení motoru Jak-52 (obr. 2.2) byly identifikovány čtyři hlavní frekvence: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz.

Frekvence 74 Hz, 94 Hz a 120 Hz pravděpodobně souvisí s charakteristikami uchycení (zavěšení) motoru na trupu letadla. Frekvence 20 Hz je s největší pravděpodobností spojena s vlastními kmity letadla na podvozku.

Vlastní frekvence vrtulových listů byly také stanoveny pomocí metody nárazového buzení. Byly identifikovány čtyři hlavní frekvence: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz a 134 Hz.

Údaje o vlastních frekvencích kmitání zavěšení motoru a listů vrtule jsou důležité především pro volbu frekvence otáčení vrtule při vyvažování. Hlavní podmínkou při volbě této frekvence je zajištění maximálního odladění od vlastních frekvencí kmitání konstrukčních prvků letadla, protože při rezonančních frekvencích může být přesnost a opakovatelnost měření vibrací výrazně narušena.

Kromě toho může být znalost vlastních frekvencí jednotlivých komponent užitečná pro identifikaci příčin prudkého nárůstu vibrací (rezonančních jevů) při různých režimech otáček motoru, které mohou vznikat během provozu letadla.

2.3. Výsledky vyvažování

Jak je uvedeno výše, vyvažování vrtule bylo provedeno v jedné rovině, čímž se dynamicky kompenzovala silová nerovnováha vrtule.

Dynamické vyvážení ve dvou rovinách (které by dodatečně kompenzovalo nevyváženost momentů) nebylo proveditelné, protože konstrukce vrtule na Jaku-52 umožňuje pouze jednu korekční rovinu.

Vyvažování bylo provedeno při frekvenci otáčení 1150 ot/min (60%), při které byly v jednotlivých cyklech získány nejstabilnější hodnoty vibrací, a to jak z hlediska amplitudy, tak fáze.

Bylo použito klasické schéma "dvouběhového" postupu:

1. Během prvního běhu byla stanovena amplituda a fáze vibrací při frekvenci otáčení vrtule v počátečním stavu.
2. Během druhého běhu byla stanovena amplituda a fáze vibrací po instalaci zkušebního závaží o hmotnosti 7 g na vrtuli.
3. Na základě těchto dat software vypočítal: korekční hmotnost M = 19,5 g pod úhlem Šířka = 32°.

Vzhledem k konstrukčním vlastnostem vrtule, které neumožňovaly instalaci korekčního závaží v požadovaném úhlu 32°, byly instalovány dvě ekvivalentní závaží:

• M1 = 14 g při úhlu F1 = 0°
• M2 = 8,3 g při úhlu F2 = 60°

2.4. Vibrace v jiných provozních režimech

Výsledky vibračních kontrol v jiných provozních režimech motoru během pozemních zkoušek jsou uvedeny v tabulce 2.1. Jak je vidět, vyvážení pozitivně ovlivnilo vibrace letounu Jak-52 ve všech režimech.

Během pozemních zkoušek byl navíc zjištěn jasný trend podstatného snižování vibrací se zvyšující se frekvencí otáčení vrtule. To lze vysvětlit větším rozladěním frekvence otáčení vrtule od vlastní frekvence kmitání letadla na podvozku (pravděpodobně 20 Hz), ke kterému dochází při vyšších frekvencích otáčení.

2.5. Vibrace za letu před a po seřízení tlumičů

Kromě vibračních zkoušek na zemi po vyvážení vrtule (kapitola 2.3) byla provedena také měření vibrací Jaku-52 za letu.

Vibrace za letu byly měřeny v kabině druhého pilota ve vertikálním směru pomocí přenosného spektrálního analyzátoru AD-3527 od společnosti A&D (Japonsko) ve frekvenčním rozsahu od 5 do 200 (500) Hz. Měření byla prováděna v pěti hlavních režimech otáček motoru: 60%, 65%, 70%, 82% a 94% s maximální rotační frekvencí.

Výsledky získané před seřízením tlumičů jsou uvedeny v tabulce 2.2.

Jak je patrné z tabulky 2.2, hlavní složky vibrací se objevují při frekvenci otáčení vrtule V_p1, frekvence klikového hřídele V_c1, pohon vzduchového kompresoru (a/nebo frekvenčního senzoru) V_n, a jejich vyšší harmonické.

Maximální celková vibrace V_Σ byla zjištěna v režimech 82% (1580 ot/min) a 94% (1830 ot/min). Dominantní složka se v těchto režimech objevuje na 2. harmonické frekvence otáčení klikového hřídele V_c2, dosahující 12,5 mm/s při 4800 cyklech/min a 15,8 mm/s při 5520 cyklech/min.

Lze předpokládat, že tato složka je spojena s pístní skupinou (nárazové procesy probíhající během dvojitého pohybu pístů na jednu otáčku klikového hřídele). Prudký nárůst v režimech 82% (první nominální) a 94% (rozjezd) není s největší pravděpodobností způsoben vadami pístní skupiny, ale rezonančními kmity motoru na jeho tlumičích. Tento závěr je podpořen měřením vlastní frekvence, která odhalila frekvence odpružení motoru při 74 Hz (4440 cyklů/min), 94 Hz (5640 cyklů/min) a 120 Hz (7200 cyklů/min). Dvě z těchto frekvencí – 74 Hz a 94 Hz – se blíží 2. harmonickým frekvencím klikového hřídele v prvním nominálním a rozjezdovém provozním režimu.

Vzhledem k výrazným vibracím zjištěným u V_c2, byla zkontrolována a seřízena utahovací síla tlumičů motoru. Srovnávací výsledky jsou uvedeny v tabulce 2.3.

Jak je patrné z tabulky 2.3, úprava tlumiče nevedla k významným změnám v hlavních složkách vibrací letadla.

Je třeba také poznamenat, že složka V nevyváženosti vrtule_p1 v režimech 82% a 94% je 3–7krát nižší než V_c2 v těchto režimech. V ostatních letových režimech V_p1 pohybuje se od 2,8 do 4,4 mm/s a jeho změny mezi režimy nejsou určeny především kvalitou vyvážení, ale stupněm odladění od vlastních frekvencí konstrukčních prvků letadla.

2.6. Závěry

2.6.1.

Vyvažování vrtule letounu Jak-52 při frekvenci otáčení 1150 ot/min (60%) umožnilo snížit vibrace při frekvenci otáčení vrtule z 10,2 mm/s na 4,2 mm/s. S ohledem na zkušenosti získané při vyvažování vrtulí letounů Jak-52 i Su-29 pomocí zařízení "Balanset-1" existuje reálná možnost dosáhnout ještě většího snížení úrovně vibrací – zejména volbou vyšší frekvence otáčení vrtule během vyvažování, což by umožnilo ve větší míře odladění od vlastní frekvence kmitů letounu 20 Hz (1200 cyklů/min) zjištěné během měření.

2.6.2.

Jak ukazují vibrační testy za letu (viz tabulky 2.2 a 2.3), vibrační spektra letounu Jak-52 obsahují kromě vibrací na frekvenci otáčení vrtule V také_p1, několik dalších významných součástí – spojených s klikovým hřídelem V_c1, V_c2, V_c3, pístní skupina motoru a vzduchový kompresor (a/nebo frekvenční senzor) pohánějí V_n.

V rychlostních režimech motorů 60%, 65% a 70% jsou tyto složky co do velikosti srovnatelné se složkou V nerovnováhy vrtule._p1. V důsledku toho by i úplné odstranění vibrací způsobených nevyvážeností vrtule umožnilo snížit celkové vibrace letadla v těchto režimech maximálně přibližně 1,5krát.

2.6.3.

Maximální celková vibrace V_Σ Vibrace letounu Jak-52 byla zjištěna v režimech otáček 82% (1580 ot/min vrtule) a 94% (1830 ot/min vrtule). Dominantní složka této vibrace se objevuje na 2. harmonické frekvence otáčení klikového hřídele V_c2, při frekvencích 4800 cyklů/min a 5520 cyklů/min, při kterých dosahuje hodnot 12,5 mm/s a 15,8 mm/s.

Jak je ukázáno v oddílech 2.5 a 2.2, prudký nárůst této složky v uvedených režimech není s největší pravděpodobností způsoben vadami pístní skupiny, ale rezonančními kmity motoru na jeho tlumičích. Nastavení utahovací síly tlumičů, provedené během zkoušek, nevedlo k významným změnám v úrovni vibrací.

Tuto situaci lze pravděpodobně považovat za konstrukční přehlédnutí (konstruktivní proschet) vývojářů letadel, přiznané při výběru systému uložení (zavěšení) motoru v těle letadla.

2.6.4.

Data získaná během vyvažování vrtulí a dodatečně provedené vibrační zkoušky naznačují, že periodické monitorování vibrací může být užitečné pro diagnostické posouzení technického stavu leteckého motoru, včetně vyhodnocení stavu pístní skupiny, klikového hřídele, ložisek motoru a pohonu vzduchového kompresoru.

Takovou práci lze provádět například pomocí zařízení "Balanset-1" (v současnosti vyráběného jako Balanset-1A), v jehož softwaru je implementována funkce spektrální vibrační analýzy.

3. Vyvažování vrtule MTV-9-KC/CL 260-27 a vibrační průzkum letounu Su-29

3.1. Úvod

Dne 15. června 2014 byly provedeny práce na vyvážení třílisté vrtule typu MTV-9-KC/CL 260-27, instalované na leteckém motoru M-14P akrobatického letounu Su-29.

Podle údajů poskytnutých výrobcem (MT-Propeller) byla uvedená vrtule předběžně staticky vyvážena, o čemž svědčí přítomnost korekčního závaží instalovaného ve výrobním závodě na vrtuli v rovině 1.

Vyvažování vrtule, instalované přímo na výstupním hřídeli převodovky Su-29 (tj. v místě její trvalé instalace), bylo provedeno pomocí vibrační vyvažovací sady "Balanset-1", výrobní číslo 149.

Schéma měření (obr. 3.1) bylo obecně podobné schématu použitému pro Jak-52. Vibrační senzor (akcelerometr) 1 byl instalován na krytu převodovky motoru pomocí magnetického držáku na speciálně navrženém držáku. Laserový fázový úhlový senzor 2 byl rovněž namontován na skříni převodovky a orientován směrem k reflexní značce umístěné na jednom z listů vrtule. Analogové signály ze senzorů byly přenášeny kabely do měřicí jednotky zařízení "Balanset-1", kde bylo provedeno předběžné digitální zpracování. Poté signály v digitální podobě vstupovaly do počítače, kde bylo provedeno softwarové zpracování a byla vypočítána hmotnost a úhel korekčního závaží potřebného ke kompenzaci nevyváženosti vrtule.

Před touto prací a s ohledem na zkušenosti s vyvažováním vrtule Jak-52 byly provedeny další studie:

• stanovení vlastních frekvencí kmitání motoru a vrtule Su-29;
• kontrola velikosti a spektrálního složení základních vibrací v kabině druhého pilota před vyvážením.

3.2. Vlastní frekvence kmitů motoru a vrtule

Pomocí stejné metody buzení nárazem s analyzátorem AD-3527 bylo ve spektru zavěšení motoru identifikováno šest hlavních frekvencí (obr. 3.2): 16 Hz, 22 Hz, 37 Hz, 66 Hz, 88 Hz, 120 Hz.

Frekvence 66 Hz, 88 Hz a 120 Hz pravděpodobně přímo souvisí se zvláštnostmi systému uložení (zavěšení) motoru v trupu letadla. Frekvence 16 Hz a 22 Hz s největší pravděpodobností souvisí s vlastními kmity letadla jako celku na jeho podvozku. Pokud jde o frekvenci 37 Hz, ta pravděpodobně souvisí s vlastní frekvencí kmitů listu vrtule letadla.

Tento poslední předpoklad potvrzují výsledky měření vlastních frekvencí kmitů listů vrtule (obr. 3.3), v jejichž spektru byly identifikovány tři hlavní frekvence: 37 Hz, 100 Hz a 174 Hz.

Znalost vlastních frekvencí zavěšení motoru a listů vrtule letounu Su-29 má zásadní praktický význam. Zaprvé umožňuje odůvodněný výběr frekvence otáčení vrtule pro vyvážení a zajišťuje maximální odladění od strukturálních rezonancí letounu. Zadruhé poskytuje nezbytný základ pro správnou interpretaci a diagnostiku příčin vibrací pozorovaných v různých provozních režimech motoru, jak bude ukázáno v následujících částech této zprávy.

3.3. Základní vibrace kabiny před vyvážením

Před provedením vyvažování byla provedena měření základních úrovní vibrací v kabině druhého pilota letounu Su-29. Stejně jako v případě Jaku-52 byly vibrace měřeny ve vertikálním směru pomocí přenosného spektrálního analyzátoru AD-3527 od společnosti A&D (Japonsko) ve frekvenčním rozsahu od 5 do 200 Hz. Měření byla provedena ve čtyřech hlavních režimech otáček motoru, odpovídajících maximální frekvenci otáčení vrtule 60%, 65%, 70% a 82%.

Výsledky těchto měření jsou uvedeny v tabulce 3.1.

Hlavní složky vibrací se objevují při frekvenci otáčení vrtule V_p1, klikový hřídel V_c1, pohon kompresoru V_n, a druhou harmonickou kmitání klikového hřídele V_c2 (což se v případě třílisté vrtule může shodovat i s frekvencí průchodu lopatek V_p3).

Ve spektru módu 60% byla také nalezena neidentifikovaná složka s frekvencí 6120 cyklů/min, pravděpodobně způsobená rezonancí na přibližně 100 Hz – jedné z vlastních frekvencí vrtule.

Maximální celková vibrace (11,5 mm/s) byla zjištěna v režimu 70%. Dominantní složkou v tomto režimu je V._c2 při 4020 cyklech/min, dosahující 10,8 mm/s. Toto prudké zvýšení při 70% je pravděpodobně způsobeno rezonančními kmity zavěšení motoru poblíž 67 Hz (4020 cyklů/min).

Je třeba také poznamenat, že kromě nárazových buzení z pístní skupiny mohou být vibrace v této frekvenční oblasti ovlivněny také aerodynamickými silami při frekvenci průchodu lopatek vrtule (V_p3). V režimech 65% a 82% je patrné zvýšení V_c2 (V_p3) složka, kterou lze rovněž vysvětlit rezonančními kmity jednotlivých součástí letadla.

Složka V nevyváženosti vrtule_p1 pohybovala se v rozmezí od 2,4 do 5,7 mm/s napříč režimy před vyvážením, obecně nižší než V_c2 v odpovídajících módech. Jeho změna mezi módy je určena nejen kvalitou vyvážení, ale také stupněm odladění od vlastních frekvencí konstrukčních prvků letadla.

3.4. Výsledky vyvažování

Vyvažování vrtule bylo provedeno v jedné rovině při frekvenci otáčení 1350 ot/min pomocí dvou měřicích cyklů (klasická metoda koeficientů vlivu). Úplný protokol vyvažování je uveden v Dodatek 1.

Postup vyvažování sestával z následujících operací:

1. Během prvního běhu (počáteční stav) byla stanovena amplituda a fáze vibrací při frekvenci otáčení vrtule.
2. Během druhého běhu byla stanovena amplituda a fáze vibrací po instalaci zkušebního závaží o známé hmotnosti na vrtuli.
3. Na základě těchto výsledků měření software vypočítal hmotnost a úhel instalace korekčního závaží v rovině 1, což je nezbytné pro kompenzaci nevyváženosti vrtule.

Ověření kvality vyvážení za letu nebylo provedeno z důvodu náhodného poškození vrtule během cvičného letu.

Důvody uvedeného rozporu mohou být následující:

• chyby měřicího systému vyvažovacího stolu ve výrobním závodě (tento důvod se jeví jako nejméně pravděpodobný);
• geometrické chyby (nepřesnosti) montážních ploch vřetena vyvažovacího stroje ve výrobním závodě, způsobující radiální házení vrtule na vřetenu;
• geometrické chyby (nepřesnosti) montážních ploch výstupního hřídele převodovky na letounu Su-29, způsobující radiální házení vrtule při instalaci na hřídeli převodovky.

3.5. Závěry

3.5.1.

Vyvažování vrtule letounu Su-29 v jedné rovině při frekvenci otáčení vrtule 1350 ot/min (70%) umožnilo snížit vibrace při frekvenci otáčení vrtule z 6,7 mm/s v počátečním stavu na 1,5 mm/s po vyvážení. Vibrace spojené s nevyvážeností vrtule se také v ostatních režimech otáček motoru výrazně snížily a zůstaly v rozmezí 1–2,5 mm/s.

3.5.2.

Aby bylo možné objasnit důvody neuspokojivých výsledků vyvažování vrtule ve výrobním závodě (MT-Propeller), je nutné zkontrolovat radiální házení vrtule na výstupním hřídeli převodovky motoru letounu Su-29.

Dodatek 1: Vyvažovací protokol