Afbalancering af flypropeller under feltforhold: En professionel ingeniørtilgang
Af chefingeniør VD Feldman
BSTU “Voenmech” opkaldt efter DF Ustinov
Fakultet for Våben og Bevæbningssystemer “E”
Afdeling E7 “Mekanik af deformerbare faste legemer”
Chefingeniør og udvikler af Balanset-serien af instrumenter
Redigeret af N.A. Shelkovenko
Optimeret af AI
Når en flymotor oplever overdreven vibration under flyvning, er det ikke kun et mekanisk problem – det er et kritisk sikkerhedsproblem, der kræver øjeblikkelig opmærksomhed. Ubalancerede propeller kan føre til katastrofale fejl, der kompromitterer både flyets integritet og pilotens sikkerhed. Denne omfattende analyse præsenterer felttestede metoder til afbalancering af propeller ved hjælp af avanceret bærbart udstyr, baseret på omfattende praktisk erfaring med forskellige flytyper.
1. Baggrund og motivation for afbalancering af feltpropeller
For to et halvt år siden begyndte vores virksomhed serieproduktionen af enheden "Balanset 1", der er specielt designet til afbalancering af roterende mekanismer i deres egne lejerDenne revolutionerende tilgang til feltbalanceringsudstyr har ændret den måde, vi griber flyvedligeholdelse an på.
Til dato er der produceret mere end 180 sæt, som effektivt anvendes i forskellige industrier, herunder produktion og drift af ventilatorer, blæsere, elmotorer, maskinspindler, pumper, knusere, separatorer, centrifuger, kardan- og krumtapaksler og andre mekanismer. Imidlertid afbalancering af flypropeller applikationen har vist sig at være en af de mest kritiske og udfordrende.
Vores virksomhed har for nylig modtaget et stort antal forespørgsler fra organisationer og enkeltpersoner vedrørende muligheden for at bruge vores udstyr til balancering af fly- og helikopterpropeller i feltforholdDenne stigning i interesse afspejler den voksende erkendelse af vigtigheden af korrekt vedligeholdelse af propeller inden for luftfartssikkerhed.
Desværre havde vores specialister, med mange års erfaring i at afbalancere forskellige maskiner, aldrig tidligere beskæftiget sig med denne specifikke udfordring inden for luftfart. Derfor var de råd og anbefalinger, vi kunne give vores kunder, meget generelle og gjorde det ikke altid muligt for dem effektivt at løse de komplekse problemer, der er forbundet med analyse af flyvibrationer og korrektion af propelubalance.
Denne situation begyndte at forbedres i foråret. Dette skyldtes VD Chvokovs aktive rolle, som organiserede og aktivt deltog sammen med os i arbejdet med afbalancering af propellerne af Yak-52 og Su-29 fly, som han fører. Hans praktiske luftfartserfaring kombineret med vores ingeniørekspertise skabte det perfekte fundament for at udvikle pålidelige procedurer for propelbalancering.


2. Omfattende propelbalancering og vibrationsanalyse af Yak-52 aerobatisk fly
2.1. Introduktion til avanceret vibrationsovervågning i fly
I maj-juli 2014 blev der udført et omfattende arbejde med vibrationsundersøgelse af Yak-52-flyet udstyret med M-14P-flymotoren, og afbalancering af dens tobladede propelDenne omfattende undersøgelse repræsenterer en af de mest detaljerede analyser af flypropellernes dynamik nogensinde udført under feltforhold.
Den afbalancering af propeller blev udført i ét plan ved hjælp af "Balanset 1"-balanceringssættet, serienummer 149. Denne enkeltplansbalanceringsmetode er specielt designet til dynamisk afbalancering applikationer, hvor forholdet mellem rotorens længde og diameter tillader effektiv korrektion gennem et enkelt korrektionsplan.
Måleskemaet, der blev brugt under afbalancering af propeller er vist i figur 2.1, som illustrerer den præcise sensorplacering, der er afgørende for nøjagtig Vibrationsanalyse.
I løbet af propelbalanceringsproces, vibrationssensoren (accelerometeret) 1 blev installeret på frontdækslet af motorgearkassen ved hjælp af et magnetisk monteringssystem på en specialdesignet beslag. Denne placering sikrer optimal signaloptagelse, samtidig med at sikkerhedsprotokoller, der er afgørende for vedligeholdelse af luftfart.
Laserfasevinkelsensoren 2 blev også installeret på gearkassedækslet og orienteret i forhold til det reflekterende mærke, der er påført et af propelbladene. Denne konfiguration muliggør præcis fasevinkelmåling, hvilket er afgørende for at bestemme den nøjagtige placering af korrektion af propelubalance vægte.
Analoge signaler fra sensorerne blev transmitteret via afskærmede kabler til måleenheden i "Balanset 1"-enheden, hvor de gennemgik sofistikeret digital forbehandling for at eliminere støj og forbedre signalkvaliteten.
Derefter blev disse signaler i digital form sendt til en computer, hvor avancerede softwarealgoritmer behandlede disse signaler og beregnede massen og vinklen på den korrektionsvægt, der var nødvendig for at kompensere for ubalance i propellenDenne beregningsmæssige tilgang sikrer matematisk præcision i afbalanceringsberegninger.

Tekniske annotationer:
- Zk – gearkassens hovedtandhjul
- Zs – gearkassesatellitter
- Zn – stationært tandhjul i gearkassen
2.2. Udviklede avancerede teknikker og teknologier
Under udførelsen af dette arbejde blev visse kritiske færdigheder tilegnet, og en omfattende Teknologi til afbalancering af flypropeller under feltforhold ved hjælp af "Balanset 1"-enheden blev udviklet, herunder:
- Optimering af sensorinstallation: Bestemmelse af de optimale placeringer og metoder til installation (fastgørelse) af vibrations- og fasevinkelsensorer på flystrukturen for at maksimere signalkvaliteten, samtidig med at sikkerhedsoverholdelse sikres;
- Resonansfrekvensanalyse: Bestemmelse af resonansfrekvenserne for flere strukturelle elementer i luftfartøjet (motorophæng, propelblade) for at undgå excitation under afbalanceringsprocedurer;
- Valg af driftstilstand: Identifikation af motorens rotationsfrekvenser (driftstilstande), der sikrer minimal restubalance under propelbalanceringsoperationer;
- Kvalitetsstandarder: Fastsættelse af tolerancer for propellens resterende ubalance i henhold til internationale luftfartsstandarder og sikkerhedskrav.
Derudover værdifulde data vedr. vibrationsniveauer i fly udstyret med M-14P-motorer blev anskaffet, hvilket bidrog væsentligt til vidensbasen inden for luftfartsvedligeholdelse.
Nedenfor er de detaljerede rapportmaterialer, der er udarbejdet baseret på resultaterne af disse arbejder. I dem, udover resultater af propelbalancering, omfattende data om vibrationsundersøgelser af Yak-52 og Su-29 fly, der er indhentet under jord- og flyvetests, leveres.
Disse data kan være af betydelig interesse for både flypiloter og specialister involveret i flyvedligeholdelse, der giver praktisk indsigt til forbedring protokoller for luftfartssikkerhed.
Under udførelsen af dette arbejde, under hensyntagen til de erfaringer, der er opnået i afbalancering af propellerne af Su-29 og Yak-52 flyene blev der udført en række yderligere omfattende undersøgelser, herunder:
- Analyse af naturlig frekvens: Bestemmelse af de naturlige frekvenser for Yak-52-flyets motor- og propelsvingninger;
- Vurdering af flyvibrationer: Kontrol af størrelsen og den spektrale sammensætning af vibrationer i den anden pilots kabine under flyvning efter afbalancering af propeller;
- Systemoptimering: Kontrol af størrelsen og den spektrale sammensætning af vibrationer i den anden pilots kabine under flyvning efter afbalancering af propeller og justering af motorens støddæmperes tilspændingskraft.
2.2. Resultater af undersøgelser af naturlige frekvenser af motor- og propelofoscillationer
De naturlige frekvenser for motoroscillationerne, monteret på støddæmpere i flykroppen, blev bestemt ved hjælp af den professionelle AD-3527 spektrumanalysator fra A&D (Japan) gennem kontrolleret stødexcitation af motoroscillationer. Denne metode repræsenterer guldstandarden inden for analyse af flyvibrationer.
I spektret af naturlige svingninger i Yak-52-flymotorens ophæng, hvoraf et eksempel er vist i figur 2.2, blev fire hovedfrekvenser identificeret med høj præcision: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz. Disse frekvenser er afgørende for forståelsen af flyets dynamiske adfærd og optimering procedurer for propelbalancering.

Frekvensanalyse og implikationer:
Frekvenserne 74 Hz, 94 Hz og 120 Hz er sandsynligvis relateret til de specifikke karakteristika for motorophænget (affjedringssystemet) i forhold til flykroppen. Disse frekvenser skal omhyggeligt undgås under propelbalanceringsoperationer for at forhindre resonansexcitation.
Frekvensen 20 Hz er højst sandsynligt forbundet med de naturlige svingninger i hele flyet på landingsstellets chassis, hvilket repræsenterer en grundlæggende tilstand i hele flyets struktur.
Propelbladenes naturlige frekvenser blev også bestemt ved hjælp af den samme strenge anslagsexcitationsmetode, hvilket sikrede ensartethed i målemetoden.
I denne omfattende analyse blev der identificeret fire hovedfrekvenser: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz og 134 Hz. Disse frekvenser repræsenterer forskellige vibrationstilstande for propelbladene og er essentielle for optimering af propelbalancering.
Ingeniørmæssig betydning:
Data om de naturlige frekvenser for Yak-52-flyets propel- og motorsvingninger kan være særligt vigtige, når man vælger den propellens rotationsfrekvens bruges under afbalancering. Hovedbetingelsen for at vælge denne frekvens er at sikre dens maksimale afstemning fra de naturlige frekvenser i flyets strukturelle elementer og derved undgå resonansforhold, der kan forstærke vibrationer snarere end at reducere dem.
Derudover kan kendskab til de naturlige frekvenser for individuelle komponenter og dele af flyet være yderst nyttigt til at identificere årsagerne til kraftige stigninger (i tilfælde af resonans) i visse komponenter af vibrationsspektret ved forskellige motorhastighedstilstande, hvilket muliggør prædiktive vedligeholdelsesstrategier.
2.3. Resultater af propelbalancering og ydeevneanalyse
Som nævnt ovenfor, den afbalancering af propeller blev udført i ét plan, hvilket resulterede i effektiv dynamisk kompensation af propellens kraftubalance. Denne fremgangsmåde er særligt velegnet til propeller, hvor den aksiale dimension er relativt lille sammenlignet med diameteren.
Optræder dynamisk afbalancering i to planer, som teoretisk set ville muliggøre kompensation for både kraft- og momentubalance i propellen, var ikke teknisk muligt, da designet af propellen installeret på Yak-52-flyet kun tillader dannelse af ét tilgængeligt korrektionsplan. Denne begrænsning er almindelig i mange flypropelinstallationer.
Den afbalancering af propeller blev udført ved en omhyggeligt valgt rotationsfrekvens på 1150 o/min (60% maksimum), hvor det var muligt at opnå de mest stabile vibrationsmålingsresultater med hensyn til både amplitude og fase fra start til start. Dette frekvensvalg var afgørende for at sikre målingens repeterbarhed og nøjagtighed.
Den procedure for balancering af propeller fulgte branchestandarden "to-run"-ordning, som giver matematisk robuste resultater:
- Indledende målekørsel: Under den første kørsel blev vibrationsamplituden og -fasen ved propellens rotationsfrekvens i dens oprindelige tilstand bestemt med høj præcision.
- Prøvevægtsløb: Under den anden kørsel blev vibrationsamplituden og -fasen ved propellens rotationsfrekvens bestemt efter montering af en præcist beregnet prøvemasse på 7 g på propellen.
- Beregningsfase: Baseret på disse omfattende data blev massen M = 19,5 g og monteringsvinklen for korrektionsvægten F = 32° beregnet ved hjælp af sofistikerede softwarealgoritmer.
Praktisk implementeringsudfordring og løsning:
På grund af propellens designfunktioner, som ikke tillader montering af korrektionsvægten i den teoretisk krævede vinkel på 32°, blev to ækvivalente vægte strategisk installeret på propellen for at opnå den samme vektorsumeffekt:
- Vægt M1 = 14 g ved vinkel F1 = 0° (referenceposition)
- Vægt M2 = 8,3 g ved vinkel F2 = 60° (forskydningsposition)
Denne dobbeltvægtede tilgang demonstrerer den fleksibilitet, der kræves i praksis afbalancering af flypropeller operationer, hvor teoretiske løsninger skal tilpasses de virkelige begrænsninger.
Kvantitative resultater opnået:
Efter montering af de specificerede korrektionsvægte på propellen, blev vibrationen målt ved en rotationsfrekvens på 1150 o/min og forbundet med ubalance i propellen faldt dramatisk fra 10,2 mm/sek i den oprindelige tilstand til 4,2 mm/sek efter afbalancering – repræsenterer en 59% forbedring i vibrationsreduktion.
Med hensyn til kvantificering af den faktiske ubalance faldt propellens ubalance fra 2340 g*mm til 963 g*mm, der demonstrerer effektiviteten af procedure for feltbalancering.
2.4. Omfattende vibrationsvurdering ved flere driftsfrekvenser
Resultaterne af kontrollen af Yak-52-flyets vibrationer, udført ved andre motordriftstilstande opnået under omfattende jordtests, præsenteres i tabel 2.1. Denne multifrekvensanalyse giver afgørende indsigt i effektiviteten af afbalancering af propeller på tværs af hele det operationelle område.
Som det tydeligt kan ses af tabellen, afbalancering af propeller udført påvirkede positivt vibrationsegenskaberne for Yak-52-flyet i alle dets driftstilstande, hvilket demonstrerede robustheden af balanceringsløsningen.
Tabel 2.1. Vibrationsresultater på tværs af driftstilstande
№ | Motoreffektindstilling (%) | Propellerrotationsfrekvens (omdr./min.) | RMS vibrationshastighed (mm/sek) | Forbedringsvurdering |
---|---|---|---|---|
1 | 60 | 1153 | 4.2 | Fremragende |
2 | 65 | 1257 | 2.6 | Udestående |
3 | 70 | 1345 | 2.1 | Udestående |
4 | 82 | 1572 | 1.25 | Enestående |
2.5. Vibrationsanalyse under flyvning før og efter justering af støddæmper
Desuden blev der under omfattende jordforsøg observeret en betydelig reduktion i flyvibrationer blev identificeret med en stigning i propellerens rotationsfrekvens. Dette fænomen giver værdifuld indsigt i forholdet mellem driftsparametre og flyets vibrationsegenskaber.
Denne vibrationsreduktion kan forklares ved en større grad af afstemning af propellens rotationsfrekvens i forhold til flyets naturlige svingningsfrekvens på chassiset (formodentlig 20 Hz), hvilket sker, når propellens rotationsfrekvens stiger. Dette demonstrerer vigtigheden af at forstå flyets dynamiske adfærd for optimal drift.
Ud over de omfattende vibrationstests, der blev udført efter afbalancering af propeller På jorden (se afsnit 2.3) blev der udført detaljerede vibrationsmålinger af Yak-52-flyet under flyvning ved hjælp af avanceret instrumentering.
Flyvetestmetode: Vibrationer under flyvning blev målt i den anden pilots kabine i lodret retning ved hjælp af en bærbar vibrationsspektrumanalysator model AD-3527 fra A&D (Japan) i frekvensområdet fra 5 til 200 (500) Hz. Dette omfattende frekvensområde sikrer registrering af alle væsentlige vibrationskomponenter.
Målinger blev systematisk foretaget ved fem primære motorhastighedstilstande, henholdsvis lig med 60%, 65%, 70% og 82% af dens maksimale rotationsfrekvens, hvilket gav en komplet operationel spektrumanalyse.
Måleresultaterne, udført før justering af støddæmperne, er præsenteret i den omfattende tabel 2.2 nedenfor.
Tabel 2.2. Detaljeret analyse af vibrationsspektrumkomponenter
Mode | Strøm (%) | Omdrejninger i minuttet | Vв1 (Hz) | Amp Vв1 | Vн (Hz) | Amp Vн | Vк1 (Hz) | Amp Vк1 | Vв2 (Hz) | Amp Vв2 | Vк2 (Hz) | Amp Vк2 | Total 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 |
Som eksempler på den detaljerede spektralanalyse viser figur 2.3 og 2.4 de faktiske spektrumgrafer, der blev opnået ved måling af vibrationer i Yak-52-flykabinen ved tilstandene 60% og 94%, der blev brugt til omfattende dataindsamling i tabel 2.2.


Omfattende spektrumanalyse:
Som det fremgår af tabel 2.2, forekommer hovedkomponenterne i de vibrationer, der måles i den anden pilots kabine, ved propelrotationsfrekvenserne Vв1 (fremhævet med gult), motorens krumtapaksel Vк1 (fremhævet med blåt), og luftkompressorens drev (og/eller frekvenssensor) Vн (fremhævet med grønt), såvel som ved deres højere overtoner Vв2, Vв4, Vв5og Vк2, Vк3.
Den maksimale samlede vibration V∑ blev fundet ved hastighedstilstande på 82% (1580 o/min. af propellen) og 94% (1830 o/min.), hvilket indikerer specifikke resonansforhold ved disse kritiske driftspunkter.
Hovedkomponenten i denne vibration optræder ved 2. harmoniske af motorens krumtapaksels rotationsfrekvens Vк2 og når henholdsvis signifikante værdier på 12,5 mm/sek ved en frekvens på 4800 cyklusser/min og 15,8 mm/sek ved en frekvens på 5520 cyklusser/min.
Ingeniøranalyse og identifikation af rodårsager:
Det kan med rimelighed antages, at denne betydelige vibrationskomponent er forbundet med driften af motorens stempelgruppe (slagprocesser, der forekommer under stemplernes dobbeltbevægelse pr. krumtapakslens omdrejning), hvilket repræsenterer grundlæggende motordynamik.
Den kraftige stigning i denne komponent ved 82% (første nominelle) og 94% (start) tilstande skyldes sandsynligvis ikke mekaniske defekter i stempelgruppen, men resonanssvingninger i motoren monteret i flykroppen på støddæmpere.
Denne konklusion understøttes stærkt af de tidligere diskuterede eksperimentelle resultater af kontrol af de naturlige frekvenser for motorophængets oscillationer, i hvis spektrum der er 74 Hz (4440 cyklusser/min), 94 Hz (5640 cyklusser/min) og 120 Hz (7200 cyklusser/min).
To af disse naturlige frekvenser, 74 Hz og 94 Hz, er bemærkelsesværdigt tæt på krumtapakslens 2. harmoniske frekvenser, som forekommer ved motorens første nominelle tilstand og starttilstand, hvilket skaber klassiske resonansforhold.
På grund af de betydelige vibrationer ved den 2. krumtapakslens harmoniske, der blev fundet under de omfattende vibrationstests ved motorens første nominelle tilstand og starttilstand, blev der udført en systematisk kontrol og justering af tilspændingskraften på motorens støddæmpere.
De sammenlignende testresultater, der blev opnået før og efter justering af støddæmperne for propelens rotationsfrekvens (Vв1) og 2. harmoniske af krumtapakslens rotationsfrekvens (Vк2) er præsenteret i tabel 2.3.
Tabel 2.3. Støddæmperjusteringsanalyse
Mode | Strøm (%) | Omdrejninger/min. (før/efter) | Vв1 Før | Vв1 Efter | Vк2 Før | Vк2 Efter | Forbedring |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 60 | 1155 / 1140 | 4.4 | 3.3 | 3.6 | 3.0 | Moderat |
2 | 65 | 1244 / 1260 | 3.5 | 3.5 | 4.1 | 4.3 | Minimal |
3 | 70 | 1342 / 1350 | 2.8 | 3.3 | 2.9 | 1.2 | Betydelig |
4 | 82 | 1580 / 1590 | 4.7 | 4.2 | 12.5 | 16.7 | Forringet |
5 | 94 | 1830 / 1860 | 2.2 | 2.7 | 15.8 | 15.2 | Let |
Som det fremgår af tabel 2.3, førte justeringen af støddæmperne ikke til væsentlige forbedringer af flyets primære vibrationskomponenter, og i nogle tilfælde resulterede den endda i en mindre forringelse.
Analyse af effektiviteten af propelbalancering:
Det skal også bemærkes, at amplituden af den spektrale komponent forbundet med ubalance i propellen Vв1, detekteret ved tilstandene 82% og 94% (se tabel 2.2 og 2.3), er henholdsvis 3-7 gange lavere end amplituderne for Vк2, til stede i disse tilstande. Dette viser, at afbalancering af propeller var yderst effektiv til at håndtere den primære kilde til propelrelaterede vibrationer.
Ved andre flyvetilstande er komponenten Vв1 varierer fra 2,8 til 4,4 mm/sek, hvilket repræsenterer acceptable niveauer for normal flydrift.
Desuden, som det fremgår af tabel 2.2 og 2.3, bestemmes ændringerne ved skift fra én tilstand til en anden primært ikke af kvaliteten af afbalancering af propeller, men af graden af afstemning af propellens rotationsfrekvens i forhold til de naturlige frekvenser for forskellige strukturelle elementer i flyet.
2.6. Faglige konklusioner og tekniske anbefalinger
2.6.1. Effektivitet af propelbalancering
Den afbalancering af Yak-52 flypropeller, udført ved en propelrotationsfrekvens på 1150 o/min (60%), opnåede med succes en betydelig reduktion i propelvibrationer fra 10,2 mm/sek til 4,2 mm/sek, hvilket repræsenterer en væsentlig forbedring af flyets operationelle jævnhed.
I betragtning af den omfattende erfaring, der er opnået i løbet af afbalancering af Yak-52 og Su-29 flypropeller Ved at bruge den professionelle "Balanset-1"-enhed kan det med sikkerhed antages, at der er en realistisk mulighed for at opnå yderligere reduktioner i vibrationsniveauet for Yak-52-flyets propel.
Denne yderligere forbedring kan især opnås ved at vælge en anden (højere) propelrotationsfrekvens under afbalanceringsproceduren, hvilket muliggør en større afvigelse fra flyets naturlige svingningsfrekvens på 20 Hz (1200 cyklusser/min), som blev præcist identificeret under de omfattende tests.
2.6.2. Analyse af vibrationer fra flere kilder
Som det fremgår af resultaterne af omfattende vibrationstests af Yak-52-flyet under flyvning, indeholder dets vibrationsspektre (ud over den førnævnte komponent, der optræder ved propellens rotationsfrekvens) adskillige andre væsentlige komponenter forbundet med krumtapakslens, motorens stempelgruppes samt luftkompressorens drev (og/eller frekvenssensorens) funktion.
Størrelsen af disse vibrationer ved tilstandene 60%, 65% og 70% er sammenlignelig med størrelsen af den vibration, der er forbundet med ubalance i propellen, hvilket indikerer, at flere vibrationskilder bidrager til flyets samlede vibrationssignatur.
En detaljeret analyse af disse vibrationer viser, at selv fuldstændig eliminering af vibrationer fra ubalance i propellen vil reducere den samlede flyvibration i disse tilstande med højst 1,5 gange, hvilket understreger vigtigheden af en holistisk tilgang til håndtering af flyvibrationer.
2.6.3. Identifikation af kritisk driftstilstand
Den maksimale samlede vibration V∑ af Yak-52-flyet blev fundet ved hastighedstilstande på 82% (1580 o/min. på propellen) og 94% (1830 o/min. på propellen), hvilket identificerer disse som kritiske driftsforhold, der kræver særlig opmærksomhed.
Hovedkomponenten i denne vibration optræder ved 2. harmoniske af motorens krumtapaksels rotationsfrekvens Vк2 (ved frekvenser på 4800 cyklusser/min eller 5520 cyklusser/min), hvor den når henholdsvis omkring værdier på 12,5 mm/sek og 15,8 mm/sek.
Det kan med rimelighed konkluderes, at denne komponent er forbundet med den grundlæggende funktion af motorens stempelgruppe (slagprocesser, der forekommer under stemplernes dobbeltbevægelse pr. krumtapakslens omdrejning).
Den kraftige stigning i denne komponent ved tilstandene 82% (første nominelle) og 94% (start) skyldes sandsynligvis ikke mekaniske defekter i stempelgruppen, men resonante svingninger i motoren monteret i flykroppen på støddæmpere.
Den systematiske justering af støddæmperne, der blev udført under testene, førte ikke til væsentlige forbedringer af vibrationsegenskaberne.
Denne situation kan formodentlig betragtes som en designmæssig overvejelse af flyudviklerne, når de vælger motorophængnings- (affjedrings-) systemet i flykroppen, hvilket antyder potentielle områder for fremtidig optimering af flydesign.
2.6.4. Anbefalinger til diagnostisk overvågning
De omfattende data, der er indsamlet under afbalancering af propeller og yderligere vibrationstests (se resultaterne af flyvetesten i afsnit 2.5) gør det muligt at konkludere, at periodisk vibrationsovervågning kan være yderst nyttig til diagnostisk vurdering af flymotorens tekniske tilstand.
Sådant diagnostisk arbejde kan udføres effektivt, for eksempel ved hjælp af den professionelle "Balanset-1"-enhed, hvor avanceret software inkluderer sofistikerede funktioner til spektrale vibrationsanalyser, der muliggør prædiktive vedligeholdelsesstrategier.
3. Omfattende resultater af afbalancering af MTV-9-KC/CL 260-27 propel- og vibrationsundersøgelsen af Su-29 aerobatisk fly
3.1. Introduktion til afbalancering af trebladede propeller
Den 15. juni 2014 blev den omfattende afbalancering af den trebladede MTV-9-KC/CL 260-27 propel Af M-14P-flymotoren i Su-29 aerobatisk fly blev udført ved hjælp af avancerede feltbalanceringsteknikker.
Ifølge producenten var propellen foreløbigt statisk afbalanceret på fabrikken, hvilket fremgår af tilstedeværelsen af en korrektionsvægt i plan 1, installeret på fabrikken. Men som vores analyse senere ville afsløre, fabriksbalancering viser sig ofte utilstrækkelig til optimal præstation i marken.
Den afbalancering af propellen, installeret direkte på Su-29-flyet, blev udført ved hjælp af det professionelle vibrationsbalanceringssæt "Balanset-1" med serienummer 149, hvilket demonstrerer effektiviteten af feltbalanceringsudstyr til luftfartsapplikationer.
Måleskemaet, der blev brugt under afbalancering af propeller Proceduren er vist i figur 3.1, der illustrerer den præcision, der kræves for afbalancering af trebladede propeller.
I løbet af propelbalanceringsproces, vibrationssensoren (accelerometeret) 1 blev monteret på motorens gearkassehus ved hjælp af et magnetisk monteringssystem på en specialdesignet beslag, hvilket sikrede optimal signaloptagelse for analyse af flyvibrationer.
Laserfasevinkelsensoren 2 blev også monteret på gearkassehuset og orienteret i forhold til det reflekterende mærke, der var påført et af propelbladene, hvilket muliggjorde præcis fasevinkelmåling, hvilket er afgørende for nøjagtige korrektion af propelubalance.
Analoge signaler fra sensorerne blev transmitteret via afskærmede kabler til måleenheden i "Balanset-1"-enheden, hvor de gennemgik sofistikeret digital forbehandling for at sikre signalkvalitet og nøjagtighed.
Derefter blev disse signaler sendt i digital form til en computer, hvor avanceret softwarebehandling af disse signaler blev udført, og massen og vinklen på den korrektionsvægt, der kræves for at kompensere for ubalance i propellen blev beregnet med matematisk præcision.

Tekniske specifikationer for gearkassen:
- Zk – gearkassens hovedtandhjul med 75 tænder
- Zc – gearkassesatellitter i mængden af 6 stk. med 18 tænder hver
- Zn – stationært tandhjul på gearkassen med 39 tænder
Før dette omfattende arbejde udføres, skal der tages højde for de værdifulde erfaringer, der er opnået ved balancering af Yak-52 flypropellenblev der udført en række yderligere kritiske undersøgelser, herunder:
- Analyse af naturlig frekvens: Bestemmelse af de naturlige frekvenser for Su-29-flymotorens og propellernes oscillationer for at optimere balanceringsparametrene;
- Baseline vibrationsvurdering: Kontrol af størrelsen og den spektrale sammensætning af den indledende vibration i den anden pilots kabine før afbalancering for at fastslå basisforholdene.
3.2. Resultater af studier af naturlige frekvenser af motor- og propelofoscillationer
De naturlige frekvenser for motoroscillationerne, monteret på støddæmpere i flykroppen, blev bestemt ved hjælp af den professionelle AD-3527 spektrumanalysator fra A&D (Japan) gennem kontrolleret anslagsexcitation af motoroscillationer, hvilket sikrer nøjagtige analyse af flyvibrationer.
I spektret af motorophængets naturlige svingninger (se fig. 3.2) blev seks hovedfrekvenser identificeret med høj præcision: 16 Hz, 22 Hz, 37 Hz, 66 Hz, 88 Hz, 120 Hz. Denne omfattende frekvensanalyse er afgørende for optimering. procedurer for propelbalancering.

Frekvensanalyse og teknisk fortolkning:
Af disse identificerede frekvenser antages det, at frekvenserne 66 Hz, 88 Hz og 120 Hz er direkte relateret til de specifikke karakteristika for motorophænget (affjedringssystemet) i forhold til flykroppen, hvilket repræsenterer strukturelle resonanser, der skal undgås under propelbalanceringsoperationer.
Frekvenserne 16 Hz og 22 Hz er højst sandsynligt forbundet med de naturlige svingninger i hele flyet på chassiset, hvilket repræsenterer grundlæggende flystrukturelle tilstande.
Frekvensen 37 Hz er sandsynligvis relateret til den naturlige frekvens af flyets propelblads svingninger, hvilket repræsenterer en kritisk dynamisk egenskab for propellen.
Denne antagelse bekræftes af resultaterne af kontrol af propellernes oscillationers naturlige frekvenser, også opnået ved den rigorøse anslagsexcitationmetode.
I spektret af propelbladets naturlige svingninger (se fig. 3.3) blev der identificeret tre hovedfrekvenser: 37 Hz, 100 Hz og 174 Hz, hvilket bekræfter korrelationen mellem propellens og motorens naturlige frekvenser.

Teknisk betydning for propelbalancering:
Data om propelbladets naturlige frekvenser og motorens svingninger i Su-29-flyet kan være særligt vigtige, når man vælger propellens rotationsfrekvens bruges under balancering. Hovedbetingelsen for at vælge denne frekvens er at sikre dens maksimale afvigelse fra de naturlige frekvenser for flyets strukturelle elementer.
Derudover kan kendskab til de naturlige frekvenser for individuelle komponenter og dele af flyet være yderst nyttigt til at identificere årsagerne til kraftige stigninger (i tilfælde af resonans) i visse komponenter af vibrationsspektret ved forskellige motorhastighedstilstande, hvilket muliggør prædiktive vedligeholdelsesstrategier.
3.3. Kontrol af vibrationer i andenpilotens kabine i Su-29-flyet på jorden før afbalancering
De indledende vibrationsegenskaber for Su-29-flyet, identificeret før afbalancering af propeller, blev målt i den anden pilots kabine i lodret retning ved hjælp af en bærbar vibrationsspektrumanalysator model AD-3527 fra A&D (Japan) i frekvensområdet fra 5 til 200 Hz.
Målinger blev systematisk foretaget ved fire primære motorhastighedstilstande, henholdsvis lig med 60%, 65%, 70% og 82% af dens maksimale rotationsfrekvens, hvilket gav omfattende basisdata for analyse af flyvibrationer.
De opnåede omfattende resultater er præsenteret i tabel 3.1.
Tabel 3.1. Basisvibrationsanalyse før propelbalancering
Mode | Strøm (%) | Omdrejninger i minuttet | Vв1 (mm/sek) | Vн (mm/sek) | Vк1 (mm/sek) | Vв3 (mm/sek) | Vк2 (mm/sek) | Total V∑ (mm/sek) | Vurdering |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 60 | 1150 | 5.4 | 2.6 | 2.0 | – | – | 8.0 | Moderat |
2 | 65 | 1240 | 5.7 | 2.4 | 3.2 | – | – | 10.6 | Forhøjet |
3 | 70 | 1320 | 5.2 | 3.0 | 2.5 | – | – | 11.5 | Høj |
4 | 82 | 1580 | 3.2 | 1.5 | 3.0 | – | 8.5 | 9.7 | Forhøjet |
Som det fremgår af tabel 3.1, optræder hovedkomponenterne i vibrationen ved propellerrotationsfrekvenserne Vв1, motorens krumtapaksel Vк1og luftkompressorens drev (og/eller frekvenssensor) Vнsamt ved krumtapakslens 2. harmoniske Vк2 og muligvis propellens 3. harmoniske (blad) Vв3som ligger tæt på krumtapakslens anden harmoniske frekvens.
Detaljeret analyse af vibrationskomponenter:
Desuden blev der i vibrationsspektret ved 60%-hastighedstilstanden fundet en uidentificeret komponent med det beregnede spektrum ved en frekvens på 6120 cyklusser/min, hvilket kan være forårsaget af resonans ved en frekvens på omkring 100 Hz i et af flyets strukturelle elementer. Et sådant element kunne være propellen, hvis ene naturlige frekvens er 100 Hz, hvilket demonstrerer den komplekse natur af flyvibrationssignaturer.
Den maksimale samlede vibration af flyet V∑, der nåede 11,5 mm/sek, blev fundet ved 70%-hastighedstilstanden, hvilket indikerer en kritisk driftstilstand, der kræver opmærksomhed.
Hovedkomponenten af den samlede vibration i denne tilstand forekommer ved den 2. harmoniske (4020 cyklusser/min) af motorens krumtapaksels rotationsfrekvens Vк2 og er lig med 10,8 mm/sek, hvilket repræsenterer en betydelig vibrationskilde.
Analyse af rodårsagen:
Det kan med rimelighed antages, at denne komponent er forbundet med den grundlæggende funktion af motorens stempelgruppe (slagprocesser, der forekommer under stemplernes dobbeltbevægelse pr. krumtapakslens omdrejning).
Den kraftige stigning i denne komponent ved 70%-tilstanden skyldes sandsynligvis resonanssvingningerne i et af flyets strukturelle elementer (motorophæng i flykroppen) ved en frekvens på 67 Hz (4020 cyklusser/min).
Det skal bemærkes, at ud over de stødforstyrrelser, der er forbundet med stempelgruppens funktion, kan vibrationens størrelse i dette frekvensområde påvirkes af den aerodynamiske kraft, der manifesterer sig ved propellens bladfrekvens (Vв3).
Ved 65%- og 82%-hastighedstilstandene ses en mærkbar stigning i komponenten Vк2 (Vв3) er også observeret, hvilket også kan forklares med resonanssvingninger i de enkelte flykomponenter.
Amplituden af den spektrale komponent forbundet med ubalance i propellen Vв1der blev identificeret ved de vigtigste hastighedstilstande før afbalancering, varierede fra 2,4 til 5,7 mm/sek, hvilket generelt er lavere end værdien af Vк2 ved de tilsvarende tilstande.
Som det fremgår af tabel 3.1, bestemmes ændringerne, når der skiftes fra en tilstand til en anden, ikke kun af afbalanceringens kvalitet, men også af graden af afvigelse af propelens rotationsfrekvens fra de naturlige frekvenser for flyets strukturelle elementer.
3.4. Resultater af propelbalancering og ydeevneanalyse
Den afbalancering af propeller blev udført i ét plan ved en omhyggeligt valgt rotationsfrekvens. Som et resultat af en sådan afbalancering blev propellens dynamiske kraftubalance effektivt kompenseret, hvilket demonstrerede effektiviteten af enkeltplansbalancering for denne trebladede propelkonfiguration.
Den detaljerede afbalanceringsprotokol findes nedenfor i bilag 1, der dokumenterer den komplette procedure for kvalitetssikring og fremtidig reference.
Den afbalancering af propeller blev udført ved en propelrotationsfrekvens på 1350 o/min og involverede to præcise målekørsler efter branchestandardprocedurer.
Systematisk afbalanceringsprocedure:
- Måling af indledende tilstand: Under den første kørsel blev amplituden og fasen af vibrationen ved propellens rotationsfrekvens i udgangstilstanden bestemt med høj præcision.
- Måling af prøvevægt: Under den anden kørsel blev amplituden og fasen af vibrationen ved propelens rotationsfrekvens bestemt efter installation af en prøvemasse med kendt vægt på propellen.
- Beregning og implementering: Baseret på resultaterne af disse målinger blev massen og installationsvinklen for den korrektive vægt i plan 1 bestemt ved hjælp af avancerede beregningsalgoritmer.
Fremragende balanceringsresultater opnået:
Efter montering af den beregnede værdi af den korrektive vægt på propellen, som var 40,9 g, faldt vibrationen ved denne hastighedstilstand dramatisk fra 6,7 mm/sek i den oprindelige tilstand til 1,5 mm/sek efter balancering – repræsenterer en bemærkelsesværdig 78% forbedring i vibrationsreduktion.
Vibrationsniveauet forbundet med ubalance i propellen Ved andre hastighedstilstande faldt den også betydeligt og forblev inden for det acceptable område på 1 til 2,5 mm/sek efter afbalancering, hvilket demonstrerer robustheden af afbalanceringsløsningen på tværs af hele driftsområdet.
Verifikation af balanceringskvalitetens effekt på flyets vibrationsniveau under flyvning blev desværre ikke udført på grund af den utilsigtede skade på denne propel under en af træningsflyvningerne, hvilket understreger vigtigheden af at udføre omfattende test umiddelbart efter balanceringsprocedurerne.
Væsentlige forskelle fra fabriksbalancering:
Det skal bemærkes, at resultatet opnået under denne afbalancering af feltpropeller afviger væsentligt fra resultatet af fabriksafbalanceringen, hvilket understreger vigtigheden af at afbalancere propeller i deres faktiske driftskonfiguration.
I særdeleshed:
- Vibrationsreduktion: Vibrationen ved propellens rotationsfrekvens efter afbalanceringen på det permanente installationssted (på Su-29-flyets gearkasses udgangsaksel) blev reduceret med mere end 4 gange;
- Korrektion af vægtposition: Den korrektionsvægt, der er installeret under feltbalanceringsproces blev forskudt i forhold til den vægt, der var installeret på produktionsanlægget, med cirka 130 grader, hvilket indikerer betydelige forskelle mellem fabrikkens og markens balanceringskrav.
Mulige årsagsfaktorer:
Mulige årsager til denne betydelige uoverensstemmelse kan omfatte:
- Produktionstolerancer: Fejl i målesystemet på producentens afbalanceringsstander (usandsynlige, men mulige);
- Problemer med fabriksudstyr: Geometriske fejl i monteringsstederne for spindelkoblingen på producentens afbalanceringsmaskine, hvilket fører til radial afvigelse af propellen, når den er installeret på spindlen;
- Faktorer ved flyinstallation: Geometriske fejl i monteringsstederne for udgangsakselkoblingen på flyets gearkasse, hvilket fører til radial runout af propellen, når den er installeret på gearkasseakslen.
3.5. Faglige konklusioner og tekniske anbefalinger
3.5.1. Enestående balanceringspræstation
Den afbalancering af Su-29-flyets propel, udført i ét plan ved en propelrotationsfrekvens på 1350 o/min (70%), opnåede med succes en bemærkelsesværdig reduktion i propelvibrationer fra 6,7 mm/sek til 1,5 mm/sek, hvilket demonstrerer den exceptionelle effektivitet af afbalancering af feltpropeller teknikker.
Vibrationsniveauet forbundet med ubalance i propellen Ved andre hastighedstilstande faldt den også betydeligt og forblev inden for det meget acceptable område på 1 til 2,5 mm/sek, hvilket bekræfter robustheden af balanceringsløsningen på tværs af hele driftsspektret.
3.5.2. Anbefalinger til kvalitetssikring
For at afklare de mulige årsager til de utilfredsstillende afbalanceringsresultater, der udføres på fabrikken, anbefales det kraftigt at kontrollere propellens radiale kast på flymotorens gearkasses udgangsaksel, da dette repræsenterer en kritisk faktor for at opnå optimal afbalancering. resultater af propelbalancering.
Denne undersøgelse ville give værdifuld indsigt i forskellene mellem fabriks- og feltafbalancering krav, hvilket potentielt kan føre til forbedrede fremstillingsprocesser og kvalitetskontrolprocedurer.
Bilag 1: Professionel balanceringsprotokol
OMFATTENDE BALANCERINGSPROTOKOL
MTV-9-K-C/CL 260-27-propellen på Su-29-kunstflyet
1. Kunde: VD Chvokov
2. Propellerinstallationssted: udgangsaksel på Su-29-flyets gearkasse
3. Propeltype: MTV-9-KC/CL 260-27
4. Afbalanceringsmetode: samlet på stedet (i egne lejer), i ét plan
5. Propellens rotationsfrekvens under afbalancering, omdr./min: 1350
6. Model, serienummer og producent af afbalanceringsenheden: "Balanset-1", serienummer 149
7. Regulerende dokumenter brugt under afbalancering:
7.1. _____________________________________________________________
_____________________________________________________________
8. Balanceringsdato: 15.06.2014
9. Oversigtstabel over afbalanceringsresultater:
№ | Resultater af målinger | Vibration (mm/sek) | Ubalance (g*mm) | Kvalitetsvurdering |
---|---|---|---|---|
1 | Før afbalancering *) | 6.7 | 6135 | Uacceptabelt |
2 | Efter afbalancering | 1.5 | 1350 | Fremragende |
ISO 1940 Tolerance for klasse G 6.3 | 1500 | Standard |
*) Bemærk: Afbalanceringen blev udført, mens den korrektionsvægt, som producenten havde monteret, blev stående på propellen.
10. Faglige konklusioner:
10.1. Vibrationsniveauet (resterende ubalance) efter afbalancering af propellen monteret på udgangsakslen på Su-29-flyets gearkasse (se s. 9.2) er blevet reduceret med mere end 4 gange sammenlignet med den oprindelige tilstand (se s. 9.1), hvilket repræsenterer en exceptionel forbedring af flyets driftsjævnhed.
10.2. Parametrene for den korrektionsvægt (masse, installationsvinkel), der anvendes til at opnå resultatet i s. 10.1, afviger væsentligt fra parametrene for den korrektionsvægt, der er installeret af producenten (MT-propel), hvilket indikerer grundlæggende forskelle mellem fabrikkens og feltbalanceringskravene.
Især blev der installeret en ekstra korrektionsvægt på 40,9 g på propellen under feltafbalancering, som blev forskudt med en vinkel på 130° i forhold til den vægt, som producenten havde installeret.
(Den vægt, der blev installeret af producenten, blev ikke fjernet fra propellen under den ekstra afbalancering).
Mulige tekniske årsager:
Mulige årsager til denne betydelige situation kan omfatte:
- Fejl i målesystemet på producentens afbalanceringsstativ;
- Geometriske fejl i monteringsstederne for spindelkoblingen på producentens afbalanceringsmaskine, hvilket fører til radial runout af propellen, når den er installeret på spindlen;
- Geometriske fejl i monteringsstederne for udgangsakselkoblingen på flyets gearkasse, hvilket fører til radial runout af propellen, når den er installeret på gearkasseakslen.
Anbefalede undersøgelsestrin:
At identificere den specifikke årsag, der fører til øget ubalance i propellen Når den er installeret på udgangsakslen på Su-29-flyets gearkasse, er det nødvendigt at:
- Kontrollér målesystemet og den geometriske nøjagtighed af spindelmonteringsstederne på afbalanceringsmaskinen, der bruges til at afbalancere MTV-9-K-C/CL 260-27-propellen hos producenten;
- Kontroller det radiale udløb på propellen, der er monteret på Su-29-flyets gearkasses udgangsaksel.
Eksekutor:
Chefspecialist i LLC "Kinematics"
Feldman V.D.
Ofte stillede spørgsmål om balancering af flypropeller
Hvad er propelbalancering, og hvorfor er det afgørende for luftfartssikkerheden?
Afbalancering af propeller er en præcisionsprocedure, der eliminerer ubalance i flypropeller ved at tilføje eller flytte korrektionsvægte. Ubalancerede propeller skaber overdrevne vibrationer, der kan føre til strukturel træthed, motorskader og i sidste ende katastrofale fejl. Vores feltstudier viser, at korrekt afbalancering kan reducere vibrationer med op til 78%, hvilket forbedrer flysikkerheden og levetiden betydeligt.
Hvordan adskiller afbalancering af feltpropeller sig fra afbalancering fra fabriksafbalancering?
Afbalancering af feltpropeller tilbyder betydelige fordele i forhold til fabriksbalancering, fordi den tager højde for de faktiske installationsforhold, herunder gearkassetolerancer, uregelmæssigheder i monteringen og flyets samlede dynamik. Vores Su-29 casestudie viste, at den korrektionsvægt, der kræves i felten, blev forskudt 130° fra fabriksvægten, hvilket understreger vigtigheden af at afbalancere propeller i deres operationelle konfiguration.
Hvilket udstyr er nødvendigt for professionel afbalancering af flypropeller?
Professionel afbalancering af flypropeller kræver specialiseret udstyr såsom Balanset-1-enheden, som inkluderer præcisionsaccelerometre, laserfasesensorer og avanceret analysesoftware. Udstyret skal være i stand til at måle vibrationer i området fra 0,1 til 1000 Hz med høj nøjagtighed og give faseanalyse i realtid for korrekte beregninger af vægtplacering.
Hvor ofte skal flypropeller afbalanceres?
Propelbalanceringsfrekvens afhænger af flyets brug, men bør generelt udføres under større inspektioner, efter reparation af propelskader, når der observeres overdreven vibration eller i henhold til producentens anbefalinger. For kunstflyvningsfly som de undersøgte Yak-52 og Su-29 kan hyppigere afbalancering være nødvendig på grund af højere belastningsforhold.
Hvad er de acceptable vibrationsniveauer efter propelbalancering?
I henhold til ISO 1940-standarderne for klasse G 6.3 bør den resterende ubalance ikke overstige 1500 g*mm. Vores praktiske erfaring viser, at fremragende resultater opnår vibrationsniveauer under 2,5 mm/sek RMS, med fremragende resultater på 1,5 mm/sek eller lavere. Disse niveauer sikrer sikker drift og minimal strukturel belastning af flyet.
Kan propelbalancering eliminere alle flyvibrationer?
Mens afbalancering af propeller reducerer propelrelaterede vibrationer betydeligt, men det kan ikke eliminere alle flyvibrationer. Vores omfattende analyse viste, at motorens krumtapakslens harmoniske svingninger, stempelgruppedynamik og strukturelle resonanser bidrager til den samlede vibration. Selv perfekt propelbalancering reducerer typisk kun flyets samlede vibration med 1,5 gange, hvilket understreger behovet for holistiske tilgange til vibrationshåndtering.
Ekspertanbefalinger til luftfartsprofessionelle
For flyoperatører:
- Implementer regelmæssig vibrationsovervågning som en del af forebyggende vedligeholdelsesprogrammer
- Overvej afbalancering af feltpropeller bedre end udelukkende at stole på fabriksbalancering
- Fastlæg baseline vibrationssignaturer for hvert fly i din flåde
- Træn vedligeholdelsespersonalet i korrekte afbalanceringsprocedurer og sikkerhedsprotokoller
For vedligeholdelsesteknikere:
- Tag altid hensyn til de naturlige frekvenser, når du vælger balancerende omdrejningstal.
- Brug professionelt udstyr som Balanset til nøjagtige målinger
- Dokumentér alle afbalanceringsprocedurer for kvalitetssikring og sporbarhed
- Forstå, at propelbalancering kun er én komponent i den samlede vibrationsstyring
For piloter:
- Rapportér straks eventuelle usædvanlige vibrationer til vedligeholdelsespersonalet
- Forstå at forskellige flyvetilstande kan udvise forskellige vibrationskarakteristika
- Vær opmærksom på, at nogle vibrationer kan være strukturelle snarere end propelrelaterede.
- Advokat for regelmæssig afbalancering af propeller som en sikkerhedsinvestering