1. Forord

For to et halvt år siden begyndte vores virksomhed serieproduktionen af "Balanset-1"-enheden, designet til at afbalancere roterende mekanismer i deres egne lejer.

Til dato er der produceret mere end 180 sæt. De anvendes effektivt i forskellige industrier, herunder produktion og drift af ventilatorer, blæsere, elmotorer, maskinspindler, pumper, knusere, separatorer, centrifuger, kardan- og krumtapaksler og lignende mekanismer.

Vibromera har for nylig modtaget et stort antal forespørgsler fra organisationer og enkeltpersoner vedrørende muligheden for at bruge vores udstyr til afbalancering af fly- og helikopterpropeller i feltforhold.

Desværre havde vores specialister, på trods af mange års erfaring med at afbalancere forskellige maskiner, aldrig tidligere beskæftiget sig med dette specifikke problem. De råd og anbefalinger, vi kunne give vores kunder, var derfor ret generelle og gjorde det ikke altid muligt for dem at løse den aktuelle opgave effektivt.

Denne situation begyndte at ændre sig til det bedre i foråret takket være VD Chvokovs aktive engagement, som organiserede og deltog sammen med os i arbejdet med at afbalancere propellerne på Yak-52 og Su-29 fly, som han fører.

Under dette arbejde blev visse færdigheder tilegnet, og en teknologi til afbalancering af flypropeller under feltforhold ved hjælp af "Balanset-1"-enheden blev udviklet, herunder:

• bestemmelse af placeringer og metoder til installation (montering) af vibrations- og fasevinkelsensorer på luftfartøjet;
• bestemmelse af resonansfrekvenserne for flere strukturelle elementer i flyet (motorophæng, propelblade);
• identifikation af motorens rotationsfrekvenser (driftstilstande), der sikrer den mindst mulige opnåelige restubalance under afbalancering;
• fastsættelse af tolerancer for propellens resterende ubalance.

Derudover blev der opnået interessante data om vibrationsniveauerne i fly udstyret med M-14P-motorer.

Nedenfor er rapportmaterialet samlet ud fra resultaterne af dette arbejde. Ud over resultaterne af afbalanceringen præsenterer de data fra vibrationsundersøgelser af Yak-52 og Su-29 fly, indsamlet under jord- og flyvetests. Disse data kan være af interesse for både flypiloter og specialister involveret i deres vedligeholdelse.

2. Balancerings- og vibrationsundersøgelse af Yak-52

2.1. Indledning

I maj-juli 2014 blev der udført arbejde på vibrationsmålingen af Yak-52-flyet, udstyret med M-14P-flymotoren, og afbalanceringen af dets tobladede propel.

Afbalancering blev udført i ét plan ved hjælp af "Balanset-1"-sættet, serienummer 149.

Måleskemaet er vist i figur 2.1. Under afbalancering anvendes vibrationssensoren (accelerometer) 1 blev installeret på fordækslet på motorgearkassen ved hjælp af en magnetisk montering på et specialdesignet beslag. Laserfasevinkelsensor 2 blev også installeret på gearkassedækslet og orienteret mod det reflekterende mærke, der var påført et af propelbladene.

Analoge signaler fra sensorerne blev via kabler transmitteret til måleenheden i "Balanset-1"-enheden, hvor der blev udført en indledende digital bearbejdning. Disse signaler i digital form blev derefter indlæst i computeren, hvor der blev udført softwarebearbejdning, og massen og vinklen på den korrektionsvægt, der var nødvendig for at kompensere for propellens ubalance, blev beregnet.

Under dette arbejde blev der udført en række yderligere undersøgelser, der tog højde for erfaringerne fra afbalancering af propellerne på både Su-29 og Yak-52:

• bestemmelse af de naturlige frekvenser for motor- og propelsvingninger i Yak-52;
• måling af vibrationsstørrelsen og den spektrale sammensætning i den anden pilots kabine under flyvning efter propelbalancering;
• måling af vibrationer efter afbalancering af propellen og efter justering af motorens støddæmperes tilspændingskraft.

2.2. Naturlige frekvenser af motor- og propelsvingninger

De naturlige frekvenser af motoroscillationerne, monteret på støddæmpere i flykroppen, blev bestemt ved hjælp af en spektrumanalysator AD-3527 fra A&D (Japan) gennem stødexcitation.

I spektret af naturlige svingninger i Yak-52 motorophænget (fig. 2.2) blev der identificeret fire hovedfrekvenser: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz.

Frekvenserne 74 Hz, 94 Hz og 120 Hz er sandsynligvis relateret til motorophængets (ophængets) egenskaber på flykroppen. Frekvensen 20 Hz er højst sandsynligt forbundet med flyets naturlige svingninger på landingsstellets chassis.

Propelbladenes naturlige frekvenser blev også bestemt ved hjælp af anslagsexcitationsmetoden. Fire hovedfrekvenser blev identificeret: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz og 134 Hz.

Data om de naturlige svingningsfrekvenser i motorophænget og propelbladene er primært vigtige for valg af propellens rotationsfrekvens under afbalancering. Hovedbetingelsen for valg af denne frekvens er at sikre maksimal afvigelse fra de naturlige svingningsfrekvenser i flyets strukturelle elementer, da nøjagtigheden og repeterbarheden af vibrationsmålinger kan forringes betydeligt ved resonansfrekvenser.

Derudover kan kendskab til de enkelte komponenters naturlige frekvenser være nyttigt til at identificere årsagerne til kraftige stigninger i vibrationer (resonansfænomener) ved forskellige motorhastighedstilstande, som kan opstå under luftfartøjets drift.

2.3. Resultater af afbalancering

Som nævnt ovenfor blev propelbalanceringen udført i ét plan, hvorved propellens kraftubalance blev dynamisk kompenseret.

Dynamisk afbalancering i to planer (som yderligere ville kompensere for momentubalance) var ikke mulig, da propeldesignet på Yak-52 kun tillader ét korrektionsplan.

Afbalancering blev udført ved en rotationsfrekvens på 1150 o/min (60%), hvor de mest stabile vibrationsmålinger, både i amplitude og fase, blev opnået fra kørsel til kørsel.

Den klassiske "to-run"-ordning blev brugt:

1. Under den første kørsel blev vibrationsamplituden og -fasen ved propellens rotationsfrekvens i udgangstilstanden bestemt.
2. Under den anden kørsel blev vibrationens amplitude og fase efter montering af en prøvemasse på 7 g på propellen bestemt.
3. Baseret på disse data beregnede softwaren: korrektionsmasse M = 19,5 g i vinkel F = 32°.

På grund af propellens designfunktioner, som ikke tillod montering af korrektionsvægten i den krævede vinkel på 32°, blev der installeret to tilsvarende vægte:

• M1 = 14 g ved vinkel F1 = 0°
• M2 = 8,3 g ved vinkel F2 = 60°

2.4. Vibration ved andre driftstilstande

Resultaterne af vibrationskontrollerne ved andre motordriftstilstande under jordtests er præsenteret i tabel 2.1. Som det kan ses, påvirkede afbalanceringen vibrationerne af Yak-52 positivt i alle tilstande.

Derudover blev der under jordtests identificeret en klar tendens til betydelig vibrationsreduktion med stigende propellerrotationsfrekvens. Dette kan forklares med en større afvigelse af propellerrotationsfrekvensen fra flyets naturlige oscillationsfrekvens på chassiset (formodentlig 20 Hz), hvilket forekommer ved højere rotationsfrekvenser.

2.5. Vibration under flyvning før og efter justering af støddæmper

Ud over jordvibrationstestene efter propelbalancering (afsnit 2.3) blev der også udført vibrationsmålinger af Yak-52 under flyvning.

Vibrationer under flyvning blev målt i den anden pilots kabine i lodret retning ved hjælp af en bærbar spektrumanalysator AD-3527 fra A&D (Japan) i frekvensområdet fra 5 til 200 (500) Hz. Målingerne blev foretaget ved fem primære motorhastighedstilstande: 60%, 65%, 70%, 82% og 94% med maksimal rotationsfrekvens.

Resultaterne, opnået før justering af støddæmperne, er præsenteret i tabel 2.2.

Som det fremgår af tabel 2.2, optræder de vigtigste vibrationskomponenter ved propellens rotationsfrekvens V_p1, krumtapakslens frekvens V_c1, luftkompressoren (og/eller frekvenssensoren) driver V_n, og deres højere harmoniske.

Maksimal total vibration V_Σ blev fundet ved tilstandene 82% (1580 o/min) og 94% (1830 o/min). Den dominerende komponent i disse tilstande optræder ved den 2. harmoniske af krumtapakslens rotationsfrekvens V_c2, og når 12,5 mm/sek ved 4800 cyklusser/min og 15,8 mm/sek ved 5520 cyklusser/min.

Det kan antages, at denne komponent er forbundet med stempelgruppen (stødprocesser, der forekommer under stemplernes dobbelte bevægelse pr. krumtapakslens omdrejning). Den kraftige stigning ved 82% (første nominelle) og 94% (start) tilstande skyldes sandsynligvis ikke defekter i stempelgruppen, men resonante svingninger i motoren på dens støddæmpere. Denne konklusion understøttes af målingerne af den naturlige frekvens, som afslørede motorens affjedringsfrekvenser ved 74 Hz (4440 cyklusser/min), 94 Hz (5640 cyklusser/min) og 120 Hz (7200 cyklusser/min). To af disse - 74 Hz og 94 Hz - er tæt på de 2. krumtapakslens harmoniske frekvenser ved den første nominelle driftstilstand og starttilstand.

På grund af de betydelige vibrationer fundet ved V_c2, blev motorens støddæmperes tilspændingskraft kontrolleret og justeret. De sammenlignende resultater er vist i tabel 2.3.

Som det fremgår af tabel 2.3, førte justeringen af dæmperen ikke til væsentlige ændringer i flyets primære vibrationskomponenter.

Det skal også bemærkes, at propellens ubalancekomponent V_p1 ved tilstandene 82% og 94% er henholdsvis 3-7 gange lavere end V_c2 i disse tilstande. Ved andre flyvetilstande, V_p1 varierer fra 2,8 til 4,4 mm/sek, og dens ændringer mellem tilstande bestemmes hovedsageligt ikke af balanceringskvaliteten, men af graden af afvigelse fra de naturlige frekvenser af flyets strukturelle elementer.

2.6. Konklusioner

2.6.1.

Afbalancering af propellen på Yak-52 ved en rotationsfrekvens på 1150 o/min (60%) gjorde det muligt at reducere vibrationerne ved propellens rotationsfrekvens fra 10,2 mm/sek til 4,2 mm/sek. Med behørig hensyntagen til den erfaring, der er akkumuleret under afbalancering af propeller på både Yak-52 og Su-29 fly ved hjælp af "Balanset-1"-enheden, er der en realistisk mulighed for at opnå en endnu større reduktion af vibrationsniveauet - især ved at vælge en højere rotationsfrekvens for propellen under afbalancering, hvilket i højere grad ville muliggøre afstemning fra flyets naturlige svingningsfrekvens ved 20 Hz (1200 cyklusser/min), der blev identificeret under målingerne.

2.6.2.

Som flyvevibrationstestene viser (se tabel 2.2 og 2.3), indeholder vibrationsspektrene for Yak-52-flyet, udover vibrationen ved propellens rotationsfrekvens V_p1, adskillige andre vigtige komponenter — forbundet med krumtapakslen V_c1, V_c2, V_c3, motorens stempelgruppe og luftkompressoren (og/eller frekvenssensoren) driver V_n.

Ved hastighedstilstandene 60%, 65% og 70% er disse komponenter sammenlignelige i størrelse med propellens ubalancekomponent V._p1. Derfor vil selv fuldstændig eliminering af vibrationer forårsaget af ubalance i propellerne tillade en reduktion af flyets samlede vibrationer i disse tilstande med højst cirka 1,5 gange.

2.6.3.

Maksimal total vibration V_Σ af Yak-52-flyet blev fundet ved hastighedstilstandene 82% (1580 o/min. på propellen) og 94% (1830 o/min. på propellen). Den dominerende komponent af denne vibration optræder ved den 2. harmoniske af krumtapakslens rotationsfrekvens V_c2, ved frekvenser på henholdsvis 4800 cyklusser/min og 5520 cyklusser/min, hvor den når værdier på 12,5 mm/sek og 15,8 mm/sek.

Som vist i afsnit 2.5 og 2.2, er den kraftige stigning i denne komponent ved de angivne tilstande højst sandsynligt ikke forårsaget af defekter i stempelgruppen, men af motorens resonante svingninger på dens støddæmpere. Justeringen af dæmperens tilspændingskraft, der blev udført under testene, førte ikke til signifikante ændringer i vibrationsniveauerne.

Denne situation kan formodentlig betragtes som en designfejl (konstruktiv prosket) af flyudviklerne, som blev optaget under udvælgelsen af motorophængnings- (affjedrings-) system i flykroppen.

2.6.4.

De data, der er indsamlet under propelbalanceringen, og de yderligere udførte vibrationstests, tyder på, at periodisk vibrationsovervågning kan være nyttig til diagnostisk vurdering af flymotorens tekniske tilstand, herunder evaluering af stempelgruppens, krumtapakslens, motorlejernes og luftkompressorens drev.

Sådant arbejde kan f.eks. udføres ved hjælp af "Balanset-1"-enheden (produceres i øjeblikket som Balanset-1A), i hvis software funktionen til spektral vibrationsanalyse er implementeret.

3. Afbalancering af MTV-9-KC/CL 260-27 propel- og vibrationsundersøgelsen af Su-29

3.1. Indledning

Den 15. juni 2014 blev der udført arbejde på afbalanceringen af den trebladede propel af typen MTV-9-KC/CL 260-27, der er installeret på M-14P-flymotoren i Su-29-aerobatikflyet.

Ifølge data fra producenten (MT-Propeller) var den angivne propel foreløbigt statisk afbalanceret, hvilket fremgår af tilstedeværelsen af en korrektionsvægt på propellen i plan 1, der var installeret på fabriksanlægget.

Afbalancering af propellen, der er installeret direkte på udgangsakslen på Su-29-gearkassen (dvs. på stedet for dens permanente installation), blev udført ved hjælp af vibrationsafbalanceringssættet "Balanset-1", serienummer 149.

Måleskemaet (fig. 3.1) var generelt lig det, der blev brugt til Yak-52. Vibrationssensor (accelerometer) 1 blev installeret på motorens gearkassehus ved hjælp af en magnetisk montering på et specialdesignet beslag. Laserfasevinkelsensor 2 blev ligeledes monteret på gearkassehuset og orienteret mod det reflekterende mærke, der var påført et af propelbladene. Analoge signaler fra sensorerne blev transmitteret via kabler til måleenheden i "Balanset-1"-enheden, hvor der blev udført en indledende digital bearbejdning. Derefter blev signalerne i digital form indlæst i computeren, hvor der blev udført softwarebearbejdning, og massen og vinklen på den korrektionsvægt, der var nødvendig for at kompensere for propellens ubalance, blev beregnet.

Før dette arbejde, og under hensyntagen til erfaringerne fra afbalancering af Yak-52-propellen, blev der udført yderligere undersøgelser:

• bestemmelse af de naturlige frekvenser for Su-29-motorens og propellernes oscillationer;
• kontrol af størrelsen og den spektrale sammensætning af basisvibrationer i den anden pilots kabine før afbalancering.

3.2. Naturlige frekvenser af motor- og propelsvingninger

Ved at bruge den samme anslagsexcitationsmetode som AD-3527-analysatoren blev seks hovedfrekvenser identificeret i motorens affjedringsspektrum (fig. 3.2): 16 Hz, 22 Hz, 37 Hz, 66 Hz, 88 Hz, 120 Hz.

Frekvenserne 66 Hz, 88 Hz og 120 Hz er formodentlig direkte relateret til de særlige forhold ved motorophænget (affjedringssystemet) i flykroppen. Frekvenserne 16 Hz og 22 Hz er højst sandsynligt forbundet med flyets naturlige svingninger som helhed på dets chassis. Hvad angår frekvensen på 37 Hz, er den sandsynligvis relateret til den naturlige svingningsfrekvens i flyets propelblad.

Denne sidste antagelse bekræftes af resultaterne af målinger af propelbladenes naturlige svingningsfrekvenser (fig. 3.3), i hvis spektrum tre hovedfrekvenser blev identificeret: 37 Hz, 100 Hz og 174 Hz.

Kendskab til de naturlige frekvenser for motorophænget og propelbladene på Su-29 er af væsentlig praktisk betydning. For det første muliggør det et berettiget valg af propellens rotationsfrekvens til afbalancering, hvilket sikrer maksimal afstemning fra flyets strukturelle resonanser. For det andet giver det det nødvendige grundlag for korrekt fortolkning og diagnose af vibrationsårsager observeret ved forskellige motordriftstilstande, som det vil blive demonstreret i de efterfølgende afsnit af denne rapport.

3.3. Basisvibrationer i kabinen før afbalancering

Før udførelse af afbalanceringsproceduren blev der udført målinger af basisvibrationsniveauerne i den anden pilotkabine på Su-29. Ligesom i tilfældet med Yak-52 blev vibrationerne målt i lodret retning ved hjælp af den bærbare spektrumanalysator AD-3527 fra A&D (Japan) i frekvensområdet fra 5 til 200 Hz. Målingerne blev udført ved fire primære motorhastighedstilstande, svarende til 60%, 65%, 70% og 82% af propellens maksimale rotationsfrekvens.

Resultaterne af disse målinger er præsenteret i tabel 3.1.

De vigtigste vibrationskomponenter optræder ved propellens rotationsfrekvens V_p1, krumtapaksel V_c1, kompressordrev V_n, og den 2. krumtapakslens harmoniske V_c2 (som i tilfældet med trebladet propel også kan falde sammen med bladpassagefrekvensen V_p3).

I 60%-tilstandsspektret blev der også fundet en uidentificeret komponent ved 6120 cyklusser/min, muligvis forårsaget af resonans ved cirka 100 Hz - en af propelbladets naturlige frekvenser.

Maksimal total vibration (11,5 mm/sek) blev fundet i 70%-tilstanden. Den dominerende komponent i denne tilstand er V_c2 ved 4020 cyklusser/min, hvilket når 10,8 mm/sek. Denne kraftige stigning ved 70% skyldes sandsynligvis resonante svingninger i motorophænget nær 67 Hz (4020 cyklusser/min).

Det skal også bemærkes, at vibrationerne i dette frekvensområde, udover stødpåvirkningerne fra stempelgruppen, også kan påvirkes af aerodynamiske kræfter ved propellens bladpassagefrekvens (V_p3I tilstandene 65% og 82% ses en mærkbar stigning i V_c2 (V_p3)-komponenten observeres også, hvilket ligeledes kan forklares ved resonante svingninger i individuelle flykomponenter.

Propellens ubalancekomponent V_p1 varierede fra 2,4 til 5,7 mm/sek på tværs af tilstande før afbalancering, generelt lavere end V_c2 ved de tilsvarende tilstande. Dens variation mellem tilstande bestemmes ikke kun af balanceringens kvalitet, men også af graden af afvigelse fra de naturlige frekvenser af flyets strukturelle elementer.

3.4. Resultater af afbalancering

Afbalancering af propellen blev udført i ét plan ved en rotationsfrekvens på 1350 o/min ved hjælp af to målekørsler (den klassiske metode til påvirkningskoefficienter). Den fulde protokol for afbalancering findes i Bilag 1.

Afbalanceringsproceduren bestod af følgende operationer:

1. Under den første kørsel (indledende tilstand) blev vibrationens amplitude og fase ved propellens rotationsfrekvens bestemt.
2. Under den anden kørsel blev vibrationens amplitude og fase efter montering af en prøvemasse med kendt vægt på propellen bestemt.
3. Baseret på disse måleresultater beregnede softwaren massen og installationsvinklen for den korrektive vægt i plan 1, hvilket er nødvendigt for at kompensere for propellens ubalance.

Verifikation af balanceringskvaliteten under flyvning blev ikke udført på grund af utilsigtet skade på propellen under en træningsflyvning.

Årsagerne til den angivne uoverensstemmelse kan være følgende:

• fejl i målesystemet på afbalanceringsstanderen på fabrikken (denne årsag synes at være den mindst sandsynlige);
• geometriske fejl (unøjagtigheder) på monteringsfladerne på spindlen på afbalanceringsmaskinen på fabrikken, hvilket forårsager radial udløb af propellen på spindlen;
• Geometriske fejl (unøjagtigheder) på monteringsfladerne på gearkassens udgangsaksel på Su-29-flyet, hvilket forårsager radial udløb af propellen, når den er monteret på gearkassens aksel.

3.5. Konklusioner

3.5.1.

Afbalancering af propellen på Su-29-flyet i ét plan ved en propelrotationsfrekvens på 1350 o/min (70%) gjorde det muligt at reducere vibrationerne ved propellens rotationsfrekvens fra 6,7 mm/sek i starttilstanden til 1,5 mm/sek efter afbalancering. Vibrationerne forbundet med propelubalance ved andre motorhastighedstilstande faldt også betydeligt og forblev inden for 1-2,5 mm/sek.

3.5.2.

For at afklare årsagerne til de utilfredsstillende resultater af afbalanceringen af propellen på fabrikken (MT-Propeller), er det nødvendigt at kontrollere propellens radiale kast på udgangsakslen på motorgearkassen på Su-29-flyet.

Bilag 1: Balanceringsprotokol