Om afbalancering af flyets propel i feltmiljøet. Del 1

1. V.D. Feldman

Cheftekniker på OU Vibromera

Om afbalancering af flyets propel i feltmiljøet

 "Propellen er flyets fører,

og for at balancere det kan kun en drivkraft"

1. I i stedet for et forord

For to et halvt år siden begyndte vores virksomhed at masseproducere Balanset-1, som er beregnet til afbalancering af rotormekanismer i deres egne lejer.

Til dato er der produceret mere end 180 sæt, som bruges effektivt i forskellige industrier, herunder produktion og drift af ventilatorer, udsugningsanlæg, elektriske motorer, arbejdsspindler, pumper, knusere, separatorer, centrifuger, drivaksler og krumtapaksler og andre mekanismer.

På det seneste har vores virksomhed modtaget et stort antal forespørgsler fra organisationer og enkeltpersoner om muligheden for at bruge vores udstyr til afbalancering af propeller på fly og helikoptere i felten.

Desværre har vores specialister, som har stor erfaring med afbalancering af en lang række maskiner, aldrig beskæftiget sig med dette problem. Derfor var de råd og anbefalinger, vi kunne give vores kunder, af generel karakter og gjorde dem ikke altid i stand til at løse problemet effektivt.

I foråret begyndte situationen at ændre sig til det bedre på grund af den aktive holdning fra V. D. Chvokov, som organiserede og tog, sammen med os, den mest aktive del i arbejdet med at afbalancere propeller på YAK-52 og SU-29, som han er pilot på.

Fig. 1.1. Yak-52 på flyvepladsen

Fig. 1.2. SU-29 i parkeringsområdet

I løbet af denne proces har vi lært en vis færdighed og teknologi til afbalancering af flypropeller i felten ved hjælp af Balanset-1, herunder:

• bestemme steder og metoder til installation (montering) af vibrationssensorer og fasevinkel på anlægget;
• bestemmelse af resonansfrekvenser for en række af flyets strukturelle elementer (motorophæng, propelblad);
• identificere motorens rotationshastigheder (driftstilstande), hvilket giver en minimal restubalance i afbalanceringsprocessen;
• bestemmelse af tolerancer for resterende ubalance i propellen osv.

Derudover har vi fået interessante data om vibrationsniveauerne i fly udstyret med M-14P-motorer.

Nedenfor foreslås rapporteringsmaterialer baseret på resultaterne af disse arbejder.

Sammen med resultaterne af afbalanceringen indeholder de data fra vibrationsundersøgelser af YAK-52 og SU-29 opnået under test på jorden og i luften.

Disse data kan være af interesse for både flypiloter og vedligeholdelsesspecialister.

2. Resultaterne af afbalancering af propellen og vibrationstest af kunstflyet YAK-52

2.1. Indledning

I maj-juli 2014 udførte vi vibrationstest af YAK-52 udstyret med M-14P flymotor samt afbalancering af dens tobladede propel.

Afbalanceringen blev udført i samme plan med afbalanceringssættet Balanset-1, anlæg nr. 149.

Måleskemaet, der bruges til afbalancering, er vist i figur 2.1.

Under afbalanceringsprocessen vil vibrationssensoren (accelerometeret) 1 blev monteret på motorens frontdæksel ved hjælp af en magnet på et specielt beslag.

Lasersensoren for fasevinklen 2 var også monteret på geardækslet og blev styret af en reflekterende etiket, der var anbragt på et af propelbladene.

De analoge signaler fra sensorerne blev overført via kabler til Balanset-1's måleenhed, hvor den indledende digitale behandling blev udført.

Desuden blev disse signaler i digital form overført til computeren, som behandlede dem og beregnede massen og installationsvinklen for den korrektionsvægt, der var nødvendig for at kompensere for ubalancen på propellen.

Fig. 2.1. Måleskema til afbalancering af propellen på YAK-52.

Zk - hovedgearhjul;

Zс - gear-satellitter;

Zn - fast gearhjul.

I løbet af dette arbejde, hvor vi tog højde for erfaringerne med afbalancering af propeller til SU-29 og YAK-52, udførte vi en række yderligere undersøgelser, herunder:

• bestemmelse af naturlige svingningsfrekvenser for motoren og propellen på YAK-52;
• undersøgelse af værdien og den spektrale sammensætning af vibrationer i andenpilotens cockpit under flyvning efter afbalancering af propellen;
• undersøgelse af værdien og den spektrale sammensætning af vibrationer i andenpilotens cockpit under flyvning efter afbalancering af propellen og justering af motordæmperens tilspændingskraft.

2.2. Resultaterne af undersøgelser af motorens og propellens egenfrekvenser.

Egenfrekvenserne for motoren, der er monteret på dæmperne i flyets krop, blev bestemt ved hjælp af spektrumanalysatoren AD-3527, f. A @ D, (Japan), ved chok-ekscitation af motorens svingninger.

Vi bestemte 4 hovedfrekvenser, nemlig: 20 Hz, 74Hz, 94 Hz, 120 Hz i spektret af naturlige svingninger i motorophænget på YAK-52, hvoraf et eksempel er vist i Fig. 2.2.

Fig. 2.2. Spektret af naturlige frekvenser af svingninger i motorophænget på YAK-52

Frekvenser på 74Hz, 94Hz, 120Hz er sandsynligvis forbundet med motorens montering (ophæng) på flyets krop.

Frekvensen på 20 Hz er sandsynligvis forbundet med flyets svingninger på chassiset.

Propelbladenes naturlige svingningsfrekvenser blev også bestemt ved hjælp af chok-ekcitationsmetoden.

I dette tilfælde afslørede vi fire hovedfrekvenser, nemlig: 36Hz, 80Hz, 104Hz og 134Hz.

Dataene om de naturlige svingningsfrekvenser for propellen og motoren på YAK-52 kan være meget vigtige, når man skal vælge den propelrotationsfrekvens, der skal bruges til afbalanceringen. Den vigtigste betingelse for at vælge denne frekvens er at sikre den størst mulige afvigelse fra de naturlige svingningsfrekvenser for flyets strukturelle elementer.

Derudover kan viden om de naturlige svingningsfrekvenser for individuelle komponenter og dele af flyet være nyttig til at identificere årsagerne til en kraftig stigning (i tilfælde af resonans) af visse komponenter i vibrationsspektret ved forskellige motorhastigheder.

2.3. Resultater af balancering.

Som vi bemærkede ovenfor, var propellen afbalanceret i samme plan, hvilket resulterede i, at der blev kompenseret for propellens kraftubalance i dynamikken.

Dynamisk afbalancering i to planer var ikke mulig, hvilket gør det muligt (ud over kraftplanet) at kompensere for propellens momentubalance, da designet af propellen monteret på YAK-52 kun gør det muligt at danne ét korrektionsplan.

Propellen blev afbalanceret ved en rotationsfrekvens svarende til 1.150 o/min (60%), hvor det var muligt at opnå de mest stabile resultater af vibrationsmåling i amplitude og fase fra start til start.

Propellen blev afbalanceret i henhold til det klassiske "to start"-skema.

Under den første opstart bestemte vi amplituden og fasen af vibrationen ved frekvensen af propelrotationen i den oprindelige tilstand.

Under den anden opstart målte vi amplituden og fasen af vibrationen ved propelrotationsfrekvensen efter at have fastsat proof-massen til 7g.

På baggrund af disse data beregnede vi massen M = 19,5 g på en programmatisk måde og installationsvinklen for korrektionsvægten F = 32.

Under hensyntagen til propellens design, som ikke gør det muligt at placere korrektionsvægten i den ønskede vinkel, er to tilsvarende vægte fastgjort på propellen, herunder:

• M1 vægt = 14g på vinklen F1 = 0º;
• M1 vægt = 8,3 g på vinklen F1 = 60º.

Efter at de ovennævnte korrigerende vægte blev placeret på propellen, faldt vibrationen målt ved en rotationshastighed på 1.150 o/min og forbundet med propellens ubalance fra 10,2 mm/s i udgangstilstanden til 4,2 mm/s efter afbalanceringen.

Samtidig faldt propellens faktiske ubalance fra 2.340 g*mm til 963 g*mm.

2.4. Test af effekten af afbalancering på vibrationsniveauet for YAK-52 på jorden ved forskellige propelhastigheder

Tabel 2.1 viser resultaterne af vibrationstesten af YAK-52, udført under andre driftsbetingelser for motoren, opnået under test på jorden.

Som tabellen viser, havde afbalanceringen en positiv effekt på vibrationerne i YAK-52 i alle dens driftstilstande.

Tabel 2.1

Desuden blev der under test på jorden afsløret en tendens til at reducere vibrationerne i et fly betydeligt med en øget rotationshastighed for propellen.

Dette fænomen kan forklares ved, at propellens omdrejningshastighed i højere grad afviger fra flyets naturlige svingningsfrekvens på chassiset (formodentlig 20 Hz), hvilket sker, når propellens omdrejningshastighed øges.

2.5. Undersøgelse af YAK-52's vibrationer i luften i de vigtigste flyvetilstande før og efter justering af dæmpernes stramningskraft

Ud over de vibrationstests, der blev udført efter afbalancering af propellen på jorden (se afsnit 2.3), foretog vi målinger af YAK-52's vibrationer under flyvning.

Vibrationer under flyvning blev målt i co-pilotens cockpit. i lodret retning ved hjælp af en bærbar vibrationsspektrumanalysator AD-3527 f. A@D (Japan) inden for frekvensområdet fra 5 til 200 (500) Hz.

Målingerne blev udført ved fem hovedmotorhastigheder svarende til henholdsvis 60%, 65%, 70% og 82% af dens maksimale omdrejningshastighed.

Resultaterne af målingerne før justering af spjældene er vist i tabel 2.2.

Tabel 2.2

Som et eksempel viser fig. 2.3 og 2.4 grafer over de spektre, der blev opnået ved måling af vibrationer i cockpittet på YAK-52 i tilstandene 60% og 94%, og som blev brugt til at udfylde tabel 2.2.

Fig.2.3. Vibrationsspektret i cockpittet på YAK-52 ved 60%.

Figur 2.4. Vibrationsspektret i cockpittet på YAK-52 ved 94%.

Som tabel 2.2 viser, forekommer de vigtigste vibrationskomponenter, målt i andenpilotens cockpit, ved propellens rotationshastighed Vv1 (fremhævet med gult), motorens krumtapaksel Vk1 (fremhævet med blåt) og luftkompressorens drivgear (og/eller frekvenssensor) Vn (fremhævet med grønt), samt ved deres højere harmoniske Vv2, Vv4, Vv5 og Vk2, Vk3.

Den maksimale samlede vibration Vå  blev registreret ved hastigheder på 82% (1.580 omdrejninger pr. minut på propellen) og 94% (1.830 omdrejninger pr. minut).

Hovedkomponenten i denne vibration manifesterer sig ved de 2^nd harmoniske af motorens krumtapakselhastighed Vk2 og når derfor værdierne 12,5 mm/s ved en frekvens på 4800 cyklusser/min og 15,8 mm/s ved en frekvens på 5.520 cyklusser/min.

Det kan antages, at denne komponent er forbundet med driften af motorens stempelblok (stødprocesser, når stemplerne flyttes to gange under en omdrejning af krumtapakslen).

Den kraftige stigning i denne komponent i 82% (første nominelle) og 94% (start) er højst sandsynligt ikke forårsaget af stempelgruppens defekter, men af resonanssvingninger på motoren, der er fastgjort i flyets krop på dæmperen.

Denne konklusion bekræftes af ovenstående resultater af eksperimentel verifikation af de naturlige svingningsfrekvenser for motorophænget, i hvis spektrum der er 74Hz (4.440 cyklusser/min), 94Hz (5640 cyklusser/min) og 120Hz (7.200 cyklusser/min).

To af disse naturlige frekvenser, svarende til 74 og 94 Hz, ligger tæt på frekvenserne for de 2^nd harmoniske af krumtapakslens omdrejningshastighed, som finder sted i de første nominelle og startværdier for motorens drift.

På grund af det faktum, at vi under vibrationstestene afslørede betydelige vibrationer ved 2^nd krumtapakslens harmoniske svingning i motorens første nominelle og startværdier, blev der gjort en indsats for at kontrollere og justere motorophængsdæmpernes tilspændingskraft.

Tabel 2.3 viser de sammenlignende testresultater opnået før og efter justering af dæmperne for propellens omdrejningshastighed (Vv1) og de 2^nd harmonisk af krumtapakslens rotationsfrekvens (Vk2).

Tabel 2.3

Som vi kan se i tabel 2.3, førte justeringen af dæmperne ikke til væsentlige ændringer i værdierne for de vigtigste komponenter i flyets vibrationer.

I betragtning af ovenstående er det muligt at betragte en mærkbar stigning i YAK-52's vibrationskomponent i de første nominelle og starttilstande (efter vores mening) som en konstruktiv fejlberegning af flydesignerne, der blev foretaget, da de valgte et motormonteringssystem (ophæng) i flykroppen.

I denne forbindelse skal vi bemærke, at amplituden af den spektrale komponent, der er forbundet med ubalance af propellen Vv1, opdaget i 82% tilstande og 94% (se tabel 1.2 og 1.3), henholdsvis 3-7 gange lavere end amplituderne Vk2 i disse tilstande.

I andre flyvetilstande ligger Vv1-komponenten inden for 2,8-4,4 mm/s.

Som tabel 2.2 og 2.3 viser, er ændringerne i overgangen fra en tilstand til en anden desuden ikke primært bestemt af balanceringens kvalitet, men af graden af forskydning af propellens omdrejningshastighed i forhold til de naturlige svingningsfrekvenser for visse af flyets strukturelle elementer.

2.6. Konklusioner på resultaterne af arbejdet

2.6.1. Afbalancering af propellen på YAK-52, udført ved en rotationsfrekvens på 1150 rpm (60%), gjorde det muligt at reducere propelvibrationen fra 10,2 mm/s til 4,2 mm/s.

På baggrund af visse erfaringer med afbalancering af propeller på YAK-52 og SU-29 ved hjælp af Balanset-1, kan vi antage, at der er mulighed for yderligere at reducere vibrationsniveauet på propellen på YAK-52.

Denne effekt kan især opnås ved at vælge en anden (højere) rotationsfrekvens for propellen under afbalanceringen, hvilket giver en større grad af løsrivelse fra den naturlige svingningsfrekvens på 20 Hz (1.200 cyklusser/min), der blev registreret under testen.

2.6.2. Som resultaterne af vibrationstests af YAK-52 under flyvning viser, har dens vibrationsspektre (ud over den komponent, der er nævnt ovenfor i afsnit 2.6.1, og som optræder ved propellens rotationsfrekvens) en række andre komponenter, der er relateret til driften af krumtapakslen, motorens stempelgruppe og også luftkompressorens drivgear (og/eller frekvenssensor).

Værdierne af de ovennævnte vibrationer i tilstandene 60%, 65% og 70% er proportionale med værdien af den vibration, der er forbundet med propellens ubalance.

Analyse af disse vibrationer viser, at selv en fuldstændig eliminering af vibrationer fra propellens ubalance ikke vil reducere flyets samlede vibrationer i disse tilstande med mere end 1,5 gange.

2.6.3. Den maksimale samlede vibration Vå af YAK-52 blev detekteret i højhastighedstilstande, nemlig: 82% (1.580 omdrejninger pr. minut på propellen) og 94% (1.830 omdrejninger pr. minut på propellen).

Hovedkomponenten i denne vibration manifesterer sig ved de 2^nd harmonisk af motorens krumtapaksels rotationsfrekvens Vk2 (ved frekvenser på 4.800 cyklusser/min eller 5.520 cyklusser/min), hvor den når værdier på henholdsvis 12,5 mm/s og 15,8 mm/s.

Det kan antages, at denne komponent er relateret til driften af motorens stempelgruppe (chokprocesser, der opstår, når stemplerne omplaceres to gange under en omdrejning af krumtapakslen).

Den kraftige stigning i denne komponent i tilstandene 82% (første nominelle) og 94% (start) skyldes sandsynligvis ikke defekter i stempelgruppen, men resonanssvingninger på motoren, der er fastgjort i flykroppen på dæmpere.

Under testene førte justering af dæmperne ikke til væsentlige ændringer i vibrationerne.

Denne situation kan betragtes som en konstruktiv fejlberegning fra flydesignernes side, da de valgte monteringssystemet (ophænget) til motoren i flyets krop.

2.6.4. Dataene fra afbalanceringen og de yderligere vibrationstests (se resultaterne af flyvetestene i afsnit 2.5) giver os mulighed for at konkludere, at periodisk vibrationsovervågning kan være nyttig til diagnostisk evaluering af en flymotors tekniske tilstand.

En sådan procedure kan f.eks. udføres ved hjælp af Balanset-1, hvis software implementerer funktionen spektral vibrationsanalyse.