Equilibrado de hélices de aeronaves en condiciones de campo: un enfoque de ingeniería profesional
Por el ingeniero jefe VD Feldman
BSTU "Voenmech" lleva el nombre de DF Ustinov
Facultad de Armas y Sistemas de Armamento “E”
Departamento E7 “Mecánica de cuerpos sólidos deformables”
Ingeniero jefe y desarrollador de los instrumentos de la serie Balanset
Editado por NA Shelkovenko
Optimizado por IA
Cuando un motor de aeronave experimenta vibraciones excesivas durante el vuelo, no se trata solo de un problema mecánico, sino de un problema de seguridad crítico que requiere atención inmediata. Las hélices desequilibradas pueden provocar fallos catastróficos, comprometiendo tanto la integridad de la aeronave como la seguridad del piloto. Este análisis exhaustivo presenta metodologías probadas en campo para... equilibrado de hélices utilizando equipos portátiles avanzados, basados en una amplia experiencia práctica con varios tipos de aeronaves.
1. Antecedentes y motivación para el equilibrado de hélices de campo
Hace dos años y medio, nuestra empresa inició la producción en serie del dispositivo “Balanset 1”, diseñado específicamente para Equilibrar los mecanismos rotatorios en sus propios cojinetesEste enfoque revolucionario para equipo de equilibrio de campo Ha transformado la forma en que abordamos el mantenimiento de aeronaves.
Hasta la fecha, se han producido más de 180 conjuntos, que se utilizan eficazmente en diversas industrias, incluyendo la producción y operación de ventiladores, sopladores, motores eléctricos, husillos de máquinas, bombas, trituradoras, separadores, centrífugas, cardanes y cigüeñales, y otros mecanismos. Sin embargo, equilibrio de hélices de aeronaves La aplicación ha demostrado ser una de las más críticas y desafiantes.
Recientemente, nuestra empresa ha recibido un gran número de consultas de organizaciones y particulares sobre la posibilidad de utilizar nuestros equipos para Equilibrio de hélices de aviones y helicópteros en condiciones de campoEste aumento del interés refleja el creciente reconocimiento de la importancia de una correcta mantenimiento de la hélice en seguridad de la aviación.
Desafortunadamente, nuestros especialistas, con muchos años de experiencia en el balanceo de diversas máquinas, nunca habían abordado este desafío específico de la aviación. Por lo tanto, los consejos y recomendaciones que podíamos ofrecer a nuestros clientes eran muy generales y no siempre les permitían resolver eficazmente los complejos problemas asociados. análisis de vibraciones de aeronaves y corrección del desequilibrio de la hélice.
Esta situación empezó a mejorar esta primavera. Esto se debió a la activa posición de V. D. Chvokov, quien organizó y participó activamente con nosotros en el trabajo sobre equilibrar las hélices de los aviones Yak-52 y Su-29, que pilota. Su experiencia práctica en aviación, combinada con nuestra experiencia en ingeniería, creó la base perfecta para desarrollar... procedimientos de equilibrado de la hélice.
2. Análisis completo del balanceo de la hélice y la vibración del avión acrobático Yak-52
2.1. Introducción al monitoreo avanzado de vibraciones en aeronaves
Entre mayo y julio de 2014 se realizó un trabajo exhaustivo en el estudio de vibraciones del avión Yak-52 equipado con el motor de aviación M-14P, y el equilibrio de su hélice de dos palasEste estudio exhaustivo representa uno de los análisis más detallados de dinámica de la hélice de la aeronave jamás realizada en condiciones de campo.
En equilibrado de hélices se realizó en un plano utilizando el kit de equilibrado “Balanset 1”, número de serie 149. Este enfoque de equilibrado de un solo plano está diseñado específicamente para equilibrio dinámico aplicaciones donde la relación longitud-diámetro del rotor permite una corrección efectiva a través de un solo plano de corrección.
El esquema de medición utilizado durante equilibrado de hélices Se muestra en la figura 2.1, que ilustra la colocación precisa del sensor, que es fundamental para una medición precisa. análisis de vibraciones.
Durante el proceso de equilibrado de la héliceEl sensor de vibración (acelerómetro) 1 se instaló en la tapa frontal de la caja de cambios del motor mediante un sistema de montaje magnético en un soporte especialmente diseñado. Esta ubicación garantiza una adquisición óptima de la señal, manteniendo al mismo tiempo los protocolos de seguridad esenciales para... mantenimiento de aviación.
El sensor láser de ángulo de fase 2 también se instaló en la tapa de la caja de engranajes y se orientó hacia la marca reflectante aplicada en una de las palas de la hélice. Esta configuración permite una medición precisa del ángulo de fase, crucial para determinar la ubicación exacta de... corrección del desequilibrio de la hélice pesos.
Las señales analógicas de los sensores se transmitieron a través de cables blindados a la unidad de medición del dispositivo “Balanset 1”, donde se sometieron a un sofisticado preprocesamiento digital para eliminar el ruido y mejorar la calidad de la señal.
Luego, estas señales en formato digital se enviaron a una computadora, donde algoritmos de software avanzados procesaron estas señales y calcularon la masa y el ángulo del peso de corrección necesario para compensar la desequilibrio de la héliceEste enfoque computacional garantiza la precisión matemática en cálculos de equilibrio.
Anotaciones técnicas:
- Zk – rueda dentada principal de la caja de cambios
- Zs – satélites de caja de cambios
- Zn – rueda dentada estacionaria de la caja de cambios
2.2. Técnicas y tecnologías avanzadas desarrolladas
Durante la ejecución de este trabajo, se adquirieron ciertas habilidades críticas y se desarrolló un sistema integral Tecnología para equilibrar hélices de aeronaves en condiciones de campo Se desarrolló el dispositivo “Balanset 1”, que incluye:
- Optimización de la instalación de sensores: Determinar las ubicaciones y métodos óptimos para instalar (colocar) sensores de vibración y ángulo de fase en la estructura de la aeronave para maximizar la calidad de la señal y garantizar el cumplimiento de la seguridad;
- Análisis de frecuencia de resonancia: Determinación de las frecuencias de resonancia de varios elementos estructurales de la aeronave (suspensión del motor, palas de la hélice) para evitar la excitación durante los procedimientos de equilibrado;
- Selección del modo de funcionamiento: Identificar las frecuencias de rotación del motor (modos de operación) que aseguren un desequilibrio residual mínimo durante operaciones de equilibrado de la hélice;
- Estándares de calidad: Establecer tolerancias para el desequilibrio residual de la hélice de acuerdo a los estándares internacionales de aviación y requisitos de seguridad.
Además, se proporcionan datos valiosos sobre la niveles de vibración de las aeronaves Se obtuvieron aviones equipados con motores M-14P, que contribuyeron significativamente a la base de conocimientos de mantenimiento de la aviación.
A continuación se presentan los materiales del informe detallado recopilados con base en los resultados de estos trabajos. En ellos, además de... Resultados del equilibrado de la hélice, datos completos sobre la estudios de vibraciones Se proporcionan imágenes de los aviones Yak-52 y Su-29 obtenidas durante las pruebas en tierra y en vuelo.
Estos datos pueden ser de gran interés tanto para los pilotos de aeronaves como para los especialistas involucrados en mantenimiento de aeronaves, proporcionando conocimientos prácticos para mejorar protocolos de seguridad de la aviación.
Durante la ejecución de esta obra, teniendo en cuenta la experiencia adquirida en equilibrar las hélices De los aviones Su-29 y Yak-52 se realizaron una serie de estudios exhaustivos adicionales, entre ellos:
- Análisis de frecuencia natural: Determinación de las frecuencias naturales de las oscilaciones del motor y la hélice del avión Yak-52;
- Evaluación de vibraciones en vuelo: Comprobación de la magnitud y la composición espectral de las vibraciones en la cabina del segundo piloto durante el vuelo después equilibrado de hélices;
- Optimización del sistema: Comprobación de la magnitud y la composición espectral de las vibraciones en la cabina del segundo piloto durante el vuelo después equilibrado de hélices y ajustar la fuerza de apriete de los amortiguadores del motor.
2.2. Resultados de estudios sobre frecuencias naturales de oscilaciones de motores y hélices
Las frecuencias naturales de las oscilaciones del motor, montado sobre amortiguadores en la carrocería de la aeronave, se determinaron utilizando un analizador de espectro AD-3527 de grado profesional de A&D (Japón) mediante la excitación controlada por impacto de las oscilaciones del motor. Esta metodología representa el estándar de oro en análisis de vibraciones de aeronaves.
En el espectro de oscilaciones naturales de la suspensión del motor de la aeronave Yak-52, un ejemplo del cual se presenta en la Fig. 2.2, se identificaron cuatro frecuencias principales con alta precisión: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz. Estas frecuencias son críticas para comprender la comportamiento dinámico de la aeronave y optimizar procedimientos de equilibrado de la hélice.
Análisis de frecuencia e implicaciones:
Las frecuencias de 74 Hz, 94 Hz y 120 Hz probablemente estén relacionadas con las características específicas del sistema de montaje (suspensión) del motor en la carrocería de la aeronave. Estas frecuencias deben evitarse cuidadosamente durante operaciones de equilibrado de la hélice para evitar la excitación por resonancia.
La frecuencia de 20 Hz está probablemente asociada con las oscilaciones naturales de todo el avión en el chasis del tren de aterrizaje, lo que representa un modo fundamental de toda la estructura del avión.
Las frecuencias naturales de las palas de la hélice también se determinaron utilizando el mismo método riguroso de excitación por impacto, lo que garantiza la consistencia en la metodología de medición.
En este análisis exhaustivo, se identificaron cuatro frecuencias principales: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz y 134 Hz. Estas frecuencias representan diferentes modos de vibración de las palas de la hélice y son esenciales para optimización del equilibrio de la hélice.
Importancia de la ingeniería:
Los datos sobre las frecuencias naturales de las oscilaciones de la hélice y del motor del avión Yak-52 pueden ser especialmente importantes a la hora de elegir el frecuencia de rotación de la hélice Se utiliza durante el balanceo. La condición principal para seleccionar esta frecuencia es asegurar su máxima desconexión con las frecuencias naturales de los elementos estructurales de la aeronave, evitando así condiciones de resonancia que podrían amplificar las vibraciones en lugar de reducirlas.
Además, conocer las frecuencias naturales de los componentes y partes individuales de la aeronave puede ser extremadamente útil para identificar las causas de aumentos bruscos (en caso de resonancia) en ciertos componentes del espectro de vibración en varios modos de velocidad del motor, lo que permite estrategias de mantenimiento predictivo.
2.3. Resultados del equilibrado de la hélice y análisis del rendimiento
Como se señaló anteriormente, la equilibrado de hélices Se realizó en un plano, lo que resultó en una compensación efectiva del desequilibrio de fuerza de la hélice de forma dinámica. Este enfoque es especialmente adecuado para hélices cuya dimensión axial es relativamente pequeña en comparación con el diámetro.
Amaestrado equilibrado dinámico en dos planos, que teóricamente permitiría compensar el desequilibrio de fuerza y momento de la hélice, no era técnicamente viable, ya que el diseño de la hélice instalada en el Yak-52 solo permite la formación de un plano de corrección accesible. Esta restricción es común en muchas instalaciones de hélices de aeronaves.
En equilibrado de hélices Se realizó a una frecuencia de rotación cuidadosamente seleccionada de 1150 rpm (máximo 60%), con la que se obtuvieron los resultados de medición de vibración más estables, tanto en amplitud como en fase, de inicio a fin. Esta selección de frecuencia fue crucial para garantizar la repetibilidad y precisión de la medición.
En procedimiento de equilibrado de la hélice siguió el esquema estándar de la industria de “dos ejecuciones”, que proporciona resultados matemáticamente sólidos:
- Ejecución de medición inicial: Durante la primera prueba, se determinaron con alta precisión la amplitud y la fase de vibración a la frecuencia de rotación de la hélice en su estado inicial.
- Carrera de prueba de peso: Durante la segunda prueba, se determinaron la amplitud y la fase de vibración a la frecuencia de rotación de la hélice después de instalar una masa de prueba calculada con precisión de 7 g en la hélice.
- Fase de cálculo: A partir de estos datos completos, se calcularon mediante sofisticados algoritmos de software la masa M = 19,5 g y el ángulo de instalación del peso de corrección F = 32°.
Desafío y solución de implementación práctica:
Debido a las características de diseño de la hélice, que no permiten la instalación del peso de corrección en el ángulo teóricamente requerido de 32°, se instalaron estratégicamente dos pesos equivalentes en la hélice para lograr el mismo efecto de suma vectorial:
- Peso M1 = 14 g en el ángulo F1 = 0° (posición de referencia)
- Peso M2 = 8,3 g en el ángulo F2 = 60° (posición descentrada)
Este enfoque de doble peso demuestra la flexibilidad necesaria en la práctica. equilibrio de hélices de aeronaves operaciones, donde las soluciones teóricas deben adaptarse a las limitaciones del mundo real.
Resultados cuantitativos obtenidos:
Después de instalar los pesos de corrección especificados en la hélice, la vibración medida a una frecuencia de rotación de 1150 rpm y asociada con la desequilibrio de la hélice disminuido drásticamente desde 10,2 mm/seg en el estado inicial a 4,2 mm/seg después del equilibrio – representando una Mejora del 59% en la reducción de vibraciones.
En términos de cuantificación del desequilibrio real, el desequilibrio de la hélice disminuyó de 2340 g*mm a 963 g*mm, demostrando la eficacia de la procedimiento de equilibrio de campo.
2.4. Evaluación integral de vibraciones a múltiples frecuencias de funcionamiento
Los resultados de la comprobación de la vibración del avión Yak-52, realizada en otros modos de funcionamiento del motor, obtenidos durante pruebas exhaustivas en tierra, se presentan en la Tabla 2.1. Este análisis multifrecuencia proporciona información crucial sobre la eficacia de equilibrado de hélices en toda la envoltura operativa.
Como se puede ver claramente en la tabla, la equilibrado de hélices El resultado afectó positivamente las características de vibración del avión Yak-52 en todos sus modos operativos, demostrando la robustez de la solución de equilibrio.
Tabla 2.1. Resultados de vibración en los distintos modos de funcionamiento
| № | Ajuste de potencia del motor (%) | Frecuencia de rotación de la hélice (rpm) | Velocidad de vibración RMS (mm/seg) | Calificación de mejora |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 60 | 1153 | 4.2 | Excelente |
| 2 | 65 | 1257 | 2.6 | Pendiente |
| 3 | 70 | 1345 | 2.1 | Pendiente |
| 4 | 82 | 1572 | 1.25 | Excepcional |
2.5. Análisis de vibraciones en vuelo antes y después del ajuste del amortiguador
Además, durante pruebas exhaustivas en tierra, se observó una reducción significativa en vibración de la aeronave Se identificó un aumento en la frecuencia de rotación de la hélice. Este fenómeno proporciona información valiosa sobre la relación entre los parámetros operativos y características de vibración de la aeronave.
Esta reducción de la vibración se explica por un mayor grado de desajuste de la frecuencia de rotación de la hélice con respecto a la frecuencia de oscilación natural de la aeronave en el chasis (presumiblemente 20 Hz), que se produce cuando aumenta la frecuencia de rotación de la hélice. Esto demuestra la importancia de comprender comportamiento dinámico de la aeronave para un funcionamiento óptimo.
Además de las exhaustivas pruebas de vibración realizadas después de la equilibrado de hélices En tierra (ver sección 2.3), se realizaron mediciones detalladas de vibración del avión Yak-52 en vuelo utilizando instrumentación avanzada.
Metodología de pruebas de vuelo: La vibración en vuelo se midió en la cabina del segundo piloto en dirección vertical utilizando un analizador de espectro de vibración portátil modelo AD-3527 de A&D (Japón) en el rango de frecuencia de 5 a 200 (500) Hz. Este amplio rango de frecuencia garantiza la captura de todos los componentes significativos de la vibración.
Se tomaron mediciones sistemáticamente en cinco modos principales de velocidad del motor, respectivamente iguales a 60%, 65%, 70% y 82% de su frecuencia de rotación máxima, proporcionando un análisis completo del espectro operativo.
Los resultados de las mediciones, realizadas antes de ajustar los amortiguadores, se presentan en la Tabla 2.2 completa a continuación.
Tabla 2.2. Análisis detallado de los componentes del espectro de vibración
| Modo | Potencia (%) | RPM | Vв1 (Hz) | Amplificador Vв1 | Vн (Hz) | Amplificador Vн | Vк1 (Hz) | Amplificador Vк1 | Vв2 (Hz) | Amplificador Vв2 | Vк2 (Hz) | Amplificador 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 |
Como ejemplos del análisis espectral detallado, las Figuras 2.3 y 2.4 muestran los gráficos de espectro reales obtenidos al medir la vibración en la cabina del avión Yak-52 en los modos 60% y 94% utilizados para la recopilación de datos integral en la Tabla 2.2.
Análisis completo del espectro:
Como se observa en la tabla 2.2, los principales componentes de la vibración medida en la cabina del segundo piloto aparecen en las frecuencias de rotación de la hélice Vв1 (resaltado en amarillo), el cigüeñal del motor Vк1 (resaltado en azul), y el accionamiento del compresor de aire (y/o el sensor de frecuencia) Vн (resaltados en verde), así como en sus armónicos superiores Vв2, Vв4, Vв5y Vк2, Vк3.
La vibración total máxima V∑ Se encontró en los modos de velocidad de 82% (1580 rpm de la hélice) y 94% (1830 rpm), lo que indica condiciones de resonancia específicas en estos puntos operativos críticos.
El componente principal de esta vibración aparece en el 2º armónico de la frecuencia de rotación del cigüeñal del motor Vк2 y alcanza respectivamente valores significativos de 12,5 mm/seg a una frecuencia de 4800 ciclos/min y 15,8 mm/seg a una frecuencia de 5520 ciclos/min.
Análisis de ingeniería e identificación de la causa raíz:
Se puede suponer razonablemente que este importante componente de vibración esté asociado con el funcionamiento del grupo de pistones del motor (procesos de impacto que ocurren durante el doble movimiento de los pistones por cada revolución del cigüeñal), lo que representa la dinámica fundamental del motor.
El fuerte aumento de este componente en los modos 82% (primer nominal) y 94% (despegue) probablemente no se deba a defectos mecánicos en el grupo de pistones, sino a las oscilaciones resonantes del motor montado en el cuerpo del avión sobre amortiguadores.
Esta conclusión está fuertemente respaldada por los resultados experimentales previamente discutidos de la verificación de las frecuencias naturales de las oscilaciones de la suspensión del motor, en cuyo espectro hay 74 Hz (4440 ciclos/min), 94 Hz (5640 ciclos/min) y 120 Hz (7200 ciclos/min).
Dos de estas frecuencias naturales, 74 Hz y 94 Hz, están notablemente cerca de las frecuencias armónicas del 2º de la rotación del cigüeñal, que ocurren en los primeros modos nominales y de despegue del motor, creando condiciones de resonancia clásicas.
Debido a las vibraciones significativas en el 2do armónico del cigüeñal detectadas durante las pruebas de vibración exhaustivas en los primeros modos nominal y de despegue del motor, se realizó una verificación y ajuste sistemático de la fuerza de apriete de los amortiguadores de la suspensión del motor.
Los resultados comparativos de los ensayos obtenidos antes y después de ajustar los amortiguadores para la frecuencia de rotación de la hélice (Vв1) y el 2º armónico de la frecuencia de rotación del cigüeñal (Vк2) se presentan en el cuadro 2.3.
Tabla 2.3. Análisis de impacto del ajuste del amortiguador
| Modo | Potencia (%) | RPM (Antes/Después) | Vв1 Antes | Vв1 Después | Vк2 Antes | Vк2 Después | Mejora |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 60 | 1155 / 1140 | 4.4 | 3.3 | 3.6 | 3.0 | Moderado |
| 2 | 65 | 1244 / 1260 | 3.5 | 3.5 | 4.1 | 4.3 | Mínimo |
| 3 | 70 | 1342 / 1350 | 2.8 | 3.3 | 2.9 | 1.2 | Significativo |
| 4 | 82 | 1580 / 1590 | 4.7 | 4.2 | 12.5 | 16.7 | Deteriorado |
| 5 | 94 | 1830 / 1860 | 2.2 | 2.7 | 15.8 | 15.2 | Leve |
Como se puede ver en la Tabla 2.3, el ajuste de los amortiguadores no produjo mejoras significativas en los principales componentes de vibración de la aeronave, y en algunos casos incluso provocó deterioros menores.
Análisis de la eficacia del equilibrado de la hélice:
También debe tenerse en cuenta que la amplitud del componente espectral asociado con la desequilibrio de la hélice Vв1, detectado en los modos 82% y 94% (véanse las Tablas 2.2 y 2.3), es respectivamente 3-7 veces menor que las amplitudes de Vк2, presente en estos modos. Esto demuestra que la equilibrado de hélices fue muy eficaz para abordar la fuente principal de vibración relacionada con la hélice.
En otros modos de vuelo, la componente Vв1 El rango varía de 2,8 a 4,4 mm/seg, lo que representa niveles aceptables para el funcionamiento normal de la aeronave.
Además, como se puede observar en las Tablas 2.2 y 2.3, sus cambios al cambiar de un modo a otro están determinados principalmente no por la calidad de equilibrado de hélices, sino por el grado de desafinación de la frecuencia de rotación de la hélice con respecto a las frecuencias naturales de varios elementos estructurales de la aeronave.
2.6. Conclusiones profesionales y recomendaciones de ingeniería
2.6.1. Eficacia del equilibrado de la hélice
En Equilibrado de la hélice del avión Yak-52, realizado a una frecuencia de rotación de la hélice de 1150 rpm (60%), logró con éxito una reducción significativa en la vibración de la hélice de 10,2 mm/seg a 4,2 mm/seg, lo que representa una mejora sustancial en la suavidad operativa de la aeronave.
Dada la amplia experiencia adquirida durante el Equilibrio de las hélices de los aviones Yak-52 y Su-29 Utilizando el dispositivo profesional “Balanset-1”, se puede asumir con seguridad que existe una posibilidad realista de lograr reducciones aún mayores en el nivel de vibración de la hélice del avión Yak-52.
Esta mejora adicional se puede lograr, en particular, seleccionando una frecuencia de rotación de la hélice diferente (más alta) durante su procedimiento de equilibrado, lo que permite una mayor desafinación de la frecuencia de oscilación natural de la aeronave de 20 Hz (1200 ciclos/min), que se identificó con precisión durante las pruebas exhaustivas.
2.6.2. Análisis de vibraciones de múltiples fuentes
Como lo demuestran los resultados de pruebas de vibración exhaustivas del avión Yak-52 en vuelo, sus espectros de vibración (además del componente mencionado anteriormente que aparece en la frecuencia de rotación de la hélice) contienen varios otros componentes importantes asociados con el funcionamiento del cigüeñal, el grupo de pistones del motor, así como el accionamiento del compresor de aire (y/o el sensor de frecuencia).
Las magnitudes de estas vibraciones en los modos 60%, 65% y 70% son comparables a la magnitud de la vibración asociada con el desequilibrio de la hélice, lo que indica que múltiples fuentes de vibración contribuyen a la firma de vibración general de la aeronave.
Un análisis detallado de estas vibraciones muestra que incluso la eliminación completa de la vibración del desequilibrio de la hélice reducirá la vibración total de la aeronave en estos modos en no más de 1,5 veces, lo que destaca la importancia de un enfoque holístico para gestión de vibraciones de aeronaves.
2.6.3. Identificación del modo operativo crítico
La vibración total máxima V∑ Se encontró que el avión Yak-52 tenía velocidades de 82% (1580 rpm de la hélice) y 94% (1830 rpm de la hélice), identificándose estas como condiciones operativas críticas que requieren atención especial.
El componente principal de esta vibración aparece en el 2º armónico de la frecuencia de rotación del cigüeñal del motor Vк2 (a frecuencias de 4800 ciclos/min o 5520 ciclos/min), donde alcanza respectivamente valores preocupantes de 12,5 mm/seg y 15,8 mm/seg.
Se puede concluir razonablemente que este componente está asociado con el funcionamiento fundamental del grupo de pistones del motor (procesos de impacto que ocurren durante el doble movimiento de los pistones por cada revolución del cigüeñal).
El fuerte aumento de este componente en los modos 82% (primer nominal) y 94% (despegue) probablemente no se deba a defectos mecánicos en el grupo de pistones, sino a oscilaciones resonantes del motor montado en el cuerpo del avión sobre amortiguadores.
El ajuste sistemático de los amortiguadores realizado durante las pruebas no condujo a mejoras significativas en las características de vibración.
Esta situación puede presumiblemente considerarse una consideración de diseño por parte de los desarrolladores de aeronaves al elegir el sistema de montaje del motor (suspensión) en el cuerpo de la aeronave, lo que sugiere áreas potenciales para la optimización futura del diseño de aeronaves.
2.6.4. Recomendaciones de seguimiento diagnóstico
Los datos completos obtenidos durante la equilibrado de hélices y pruebas de vibración adicionales (ver resultados de pruebas de vuelo en la sección 2.5) permiten concluir que la monitoreo de vibraciones Puede ser extremadamente útil para la evaluación diagnóstica del estado técnico del motor de la aeronave.
Este trabajo de diagnóstico se puede realizar de forma eficaz, por ejemplo, utilizando el dispositivo profesional “Balanset-1”, en el que el software avanzado incluye sofisticadas funciones de análisis de vibraciones espectrales, lo que permite estrategias de mantenimiento predictivo.
3. Resultados completos del balanceo de la hélice MTV-9-KC/CL 260-27 y estudio de vibraciones del avión acrobático Su-29
3.1. Introducción al equilibrado de hélices de tres palas
El 15 de junio de 2014, la ley integral Equilibrado de la hélice de tres palas MTV-9-KC/CL 260-27 El análisis del motor de aviación M-14P del avión acrobático Su-29 se realizó utilizando técnicas avanzadas de equilibrio de campo.
Según el fabricante, la hélice se equilibró estáticamente de forma preliminar en fábrica, como lo demuestra la presencia de un contrapeso correctivo en el plano 1, instalado en la planta de fabricación. Sin embargo, como revelaría posteriormente nuestro análisis, equilibrio de fábrica A menudo resulta insuficiente para un rendimiento óptimo en el campo.
En equilibrado de la hélice, instalado directamente en el avión Su-29, se realizó utilizando el kit de balanceo de vibraciones de calidad profesional “Balanset-1”, número de serie 149, demostrando la eficacia de equipo de equilibrio de campo para aplicaciones de aviación.
El esquema de medición utilizado durante la equilibrado de hélices El procedimiento se muestra en la figura 3.1, que ilustra la precisión requerida para Equilibrio de hélice de tres palas.
Durante el proceso de equilibrado de la héliceEl sensor de vibraciones (acelerómetro) 1 se montó en la carcasa de la caja de cambios del motor mediante un sistema de montaje magnético en un soporte especialmente diseñado, lo que garantiza una adquisición de señal óptima para análisis de vibraciones de aeronaves.
El sensor de ángulo de fase láser 2 también se montó en la carcasa de la caja de engranajes y se orientó hacia la marca reflectante aplicada a una de las palas de la hélice, lo que permitió una medición precisa del ángulo de fase esencial para un vuelo preciso. corrección del desequilibrio de la hélice.
Las señales analógicas de los sensores se transmitieron a través de cables blindados a la unidad de medición del dispositivo “Balanset-1”, donde se sometieron a un sofisticado preprocesamiento digital para garantizar la calidad y precisión de la señal.
Luego, estas señales se enviaron en forma digital a una computadora, donde se realizó un procesamiento de software avanzado de estas señales y se determinó la masa y el ángulo del peso correctivo necesarios para compensar la desequilibrio de la hélice se calcularon con precisión matemática.
Especificaciones técnicas de la caja de cambios:
- Zk – rueda dentada principal de la caja de cambios con 75 dientes
- Zc – Satélites de caja de cambios en cantidad de 6 piezas con 18 dientes cada una
- Zn – rueda dentada estacionaria de la caja de cambios con 39 dientes
Antes de llevar a cabo este trabajo exhaustivo, considerando la valiosa experiencia adquirida en Equilibrando la hélice del avión Yak-52Se realizaron una serie de estudios críticos adicionales, entre ellos:
- Análisis de frecuencia natural: Determinación de las frecuencias naturales de las oscilaciones del motor y de la hélice del avión Su-29 para optimizar los parámetros de equilibrio;
- Evaluación de vibración de referencia: Comprobación de la magnitud y la composición espectral de la vibración inicial en la cabina del segundo piloto antes del equilibrio para establecer las condiciones de referencia.
3.2. Resultados de estudios sobre frecuencias naturales de oscilaciones de motores y hélices
Las frecuencias naturales de las oscilaciones del motor, montado sobre amortiguadores en el cuerpo de la aeronave, se determinaron utilizando el analizador de espectro AD-3527 de calidad profesional de A&D (Japón) a través de la excitación de impacto controlada de las oscilaciones del motor, lo que garantiza una precisión análisis de vibraciones de aeronaves.
En el espectro de las oscilaciones naturales de la suspensión del motor (ver Fig. 3.2), se identificaron seis frecuencias principales con alta precisión: 16 Hz, 22 Hz, 37 Hz, 66 Hz, 88 Hz, 120 Hz. Este análisis de frecuencia completo es crucial para optimizar procedimientos de equilibrado de la hélice.
Análisis de frecuencia e interpretación de ingeniería:
De estas frecuencias identificadas, se asume que las frecuencias 66 Hz, 88 Hz y 120 Hz están directamente relacionadas con las características específicas del sistema de montaje del motor (suspensión) al cuerpo de la aeronave, representando resonancias estructurales que deben evitarse durante operaciones de equilibrado de la hélice.
Las frecuencias de 16 Hz y 22 Hz están probablemente asociadas con las oscilaciones naturales de la aeronave completa en el chasis, lo que representa modos estructurales fundamentales de la aeronave.
La frecuencia de 37 Hz está probablemente relacionada con la frecuencia natural de las oscilaciones de las palas de la hélice de la aeronave, lo que representa una característica dinámica crítica de la hélice.
Esta suposición se confirma con los resultados de la comprobación de las frecuencias naturales de las oscilaciones de la hélice, obtenidas también mediante el riguroso método de excitación por impacto.
En el espectro de las oscilaciones naturales de la pala de la hélice (ver Fig. 3.3), se identificaron tres frecuencias principales: 37 Hz, 100 Hz y 174 Hz, lo que confirma la correlación entre las frecuencias naturales de la hélice y del motor.
Importancia de la ingeniería para el equilibrio de la hélice:
Los datos sobre las frecuencias naturales de las oscilaciones de las palas de la hélice y del motor del avión Su-29 pueden ser especialmente importantes a la hora de elegir el frecuencia de rotación de la hélice Se utiliza durante el balanceo. La condición principal para seleccionar esta frecuencia es asegurar su máxima desintonización con respecto a las frecuencias naturales de los elementos estructurales de la aeronave.
Además, conocer las frecuencias naturales de los componentes y partes individuales de la aeronave puede ser extremadamente útil para identificar las causas de aumentos bruscos (en caso de resonancia) en ciertos componentes del espectro de vibración en varios modos de velocidad del motor, lo que permite estrategias de mantenimiento predictivo.
3.3. Comprobación de la vibración en la cabina del segundo piloto del avión Su-29 en tierra antes del equilibrado.
Las características iniciales de vibración del avión Su-29, identificadas antes equilibrado de hélices, se midieron en la cabina del segundo piloto en dirección vertical utilizando un analizador de espectro de vibraciones portátil modelo AD-3527 de A&D (Japón) en el rango de frecuencia de 5 a 200 Hz.
Las mediciones se tomaron sistemáticamente en cuatro modos principales de velocidad del motor, respectivamente iguales a 60%, 65%, 70% y 82% de su frecuencia de rotación máxima, lo que proporciona datos de referencia completos para análisis de vibraciones de aeronaves.
Los resultados completos obtenidos se presentan en la Tabla 3.1.
Tabla 3.1. Análisis de vibración de referencia antes del equilibrado de la hélice
| Modo | Potencia (%) | RPM | Vв1 (mm/seg) | Vн (mm/seg) | Vк1 (mm/seg) | Vв3 (mm/seg) | Vк2 (mm/seg) | Total V∑ (mm/seg) | Evaluación |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 60 | 1150 | 5.4 | 2.6 | 2.0 | – | – | 8.0 | Moderado |
| 2 | 65 | 1240 | 5.7 | 2.4 | 3.2 | – | – | 10.6 | Elevado |
| 3 | 70 | 1320 | 5.2 | 3.0 | 2.5 | – | – | 11.5 | Alto |
| 4 | 82 | 1580 | 3.2 | 1.5 | 3.0 | – | 8.5 | 9.7 | Elevado |
Como se ve en la Tabla 3.1, los componentes principales de la vibración aparecen en las frecuencias de rotación de la hélice Vв1el cigüeñal del motor Vк1y el accionamiento del compresor de aire (y/o el sensor de frecuencia) Vнasí como en el 2º armónico del cigüeñal Vк2 y posiblemente el 3er armónico (pala) de la hélice Vв3cuya frecuencia es próxima al segundo armónico del cigüeñal.
Análisis detallado de componentes de vibración:
Además, en el espectro de vibración en el modo de velocidad 60%, se encontró un componente no identificado con el espectro calculado a una frecuencia de 6120 ciclos/min, que podría deberse a la resonancia a una frecuencia de aproximadamente 100 Hz de uno de los elementos estructurales de la aeronave. Dicho elemento podría ser la hélice, cuya frecuencia natural es de 100 Hz, lo que demuestra la naturaleza compleja de... firmas de vibración de aeronaves.
La vibración total máxima de la aeronave V∑Se encontró un ruido de 11,5 mm/seg en el modo de velocidad 70%, lo que indica una condición operativa crítica que requiere atención.
El componente principal de la vibración total en este modo aparece en el 2º armónico (4020 ciclos/min) de la frecuencia de rotación del cigüeñal del motor Vк2 y es igual a 10,8 mm/seg, lo que representa una fuente de vibración significativa.
Análisis de causa raíz:
Se puede suponer razonablemente que este componente esté asociado con el funcionamiento fundamental del grupo de pistones del motor (procesos de impacto que ocurren durante el doble movimiento de los pistones por cada revolución del cigüeñal).
El fuerte aumento de este componente en el modo 70% se debe probablemente a las oscilaciones resonantes de uno de los elementos estructurales del avión (suspensión del motor en el cuerpo del avión) a una frecuencia de 67 Hz (4020 ciclos/min).
Cabe señalar que, además de las perturbaciones de impacto asociadas al funcionamiento del grupo de pistones, la magnitud de la vibración en esta gama de frecuencias puede verse influida por la fuerza aerodinámica que se manifiesta a la frecuencia de las palas de la hélice (Vв3).
En los modos de velocidad 65% y 82%, se observa un notable aumento de la componente Vк2 (Vв3), lo que también puede explicarse por las oscilaciones resonantes de los distintos componentes del avión.
La amplitud del componente espectral asociado con la desequilibrio de la hélice Vв1identificado en los principales modos de velocidad antes del equilibrado, osciló entre 2,4 y 5,7 mm/seg, que es generalmente inferior al valor de Vк2 en los modos correspondientes.
Además, como se observa en la tabla 3.1, sus cambios al pasar de un modo a otro vienen determinados no sólo por la calidad del equilibrado, sino también por el grado de desintonización de la frecuencia de rotación de la hélice con respecto a las frecuencias naturales de los elementos estructurales de la aeronave.
3.4. Resultados del equilibrado de la hélice y análisis del rendimiento
En equilibrado de hélices Se realizó en un plano a una frecuencia de rotación cuidadosamente seleccionada. Como resultado de dicho equilibrio, se compensó eficazmente el desequilibrio de fuerza dinámica de la hélice, lo que demuestra la eficacia de equilibrado de un solo plano para esta configuración de hélice de tres palas.
El protocolo de equilibrado detallado se proporciona a continuación en el Apéndice 1, documentando el procedimiento completo para garantía de calidad y referencia futura.
En equilibrado de hélices Se realizó a una frecuencia de rotación de la hélice de 1350 rpm e involucró dos corridas de medición precisas siguiendo procedimientos estándar de la industria.
Procedimiento de equilibrio sistemático:
- Medición del estado inicial: Durante la primera ejecución, se determinaron con alta precisión la amplitud y la fase de la vibración a la frecuencia de rotación de la hélice en el estado inicial.
- Medición del peso de prueba: Durante la segunda prueba, se determinaron la amplitud y la fase de la vibración a la frecuencia de rotación de la hélice tras instalar una masa de prueba de peso conocido en la hélice.
- Cálculo e Implementación: Con base en los resultados de estas mediciones, se determinó la masa y el ángulo de instalación del peso correctivo en el plano 1 utilizando algoritmos computacionales avanzados.
Resultados de equilibrio sobresalientes obtenidos:
Después de instalar el valor calculado del peso correctivo en la hélice, que fue de 40,9 g, la vibración en este modo de velocidad disminuyó drásticamente de 6,7 mm/seg en el estado inicial a 1,5 mm/seg después del equilibrio, lo que representa un logro notable Mejora del 78% en la reducción de vibraciones.
El nivel de vibración asociado con el desequilibrio de la hélice En otros modos de velocidad también disminuyó significativamente y permaneció dentro del rango aceptable de 1 a 2,5 mm/seg después del equilibrio, lo que demuestra la robustez de la solución de equilibrio en todo el rango operativo.
Lamentablemente, no se pudo realizar la verificación del efecto de la calidad del equilibrado sobre el nivel de vibración de la aeronave en vuelo debido al daño accidental de esta hélice durante uno de los vuelos de entrenamiento, lo que resalta la importancia de realizar pruebas exhaustivas inmediatamente después de los procedimientos de equilibrado.
Diferencias significativas con el equilibrio de fábrica:
Cabe señalar que el resultado obtenido durante este equilibrado de la hélice de campo difiere significativamente del resultado del equilibrado de fábrica, lo que resalta la importancia de equilibrar las hélices en su configuración operativa real.
En particular:
- Reducción de vibraciones: La vibración a la frecuencia de rotación de la hélice tras su equilibrado en el lugar de instalación permanente (en el eje de salida de la caja de cambios del avión Su-29) se redujo en más de 4 veces;
- Corrección de la posición del peso: El peso correctivo instalado durante la proceso de equilibrio de campo se desplazó con respecto al peso instalado en la planta de fabricación aproximadamente 130 grados, lo que indica diferencias significativas entre los requisitos de equilibrio de fábrica y de campo.
Posibles factores de causa raíz:
Las posibles razones de esta importante discrepancia pueden incluir:
- Tolerancias de fabricación: Errores del sistema de medición del soporte de equilibrado del fabricante (poco probables pero posibles);
- Problemas con los equipos de fábrica: Errores geométricos de las ubicaciones de montaje del acoplamiento del husillo de la máquina equilibradora del fabricante, que provocan la excentricidad radial de la hélice cuando se instala en el husillo;
- Factores de instalación de aeronaves: Errores geométricos de las ubicaciones de montaje del acoplamiento del eje de salida de la caja de cambios de la aeronave, que provocan la excentricidad radial de la hélice cuando se instala en el eje de la caja de cambios.
3.5. Conclusiones profesionales y recomendaciones de ingeniería
3.5.1. Rendimiento de equilibrio excepcional
En Equilibrado de la hélice del avión Su-29, realizado en un plano a una frecuencia de rotación de la hélice de 1350 rpm (70%), logró con éxito una reducción notable en la vibración de la hélice de 6,7 mm/seg a 1,5 mm/seg, lo que demuestra la eficacia excepcional de equilibrado de la hélice de campo técnicas.
El nivel de vibración asociado con el desequilibrio de la hélice En otros modos de velocidad también disminuyó significativamente y se mantuvo dentro del rango altamente aceptable de 1 a 2,5 mm/seg, lo que confirma la robustez de la solución de equilibrio en todo el espectro operativo.
3.5.2. Recomendaciones de garantía de calidad
Para aclarar las posibles razones de los resultados insatisfactorios del equilibrado realizado en la planta de fabricación, se recomienda encarecidamente comprobar el descentramiento radial de la hélice en el eje de salida de la caja de engranajes del motor de la aeronave, ya que esto representa un factor crítico para lograr un equilibrado óptimo. Resultados del equilibrado de la hélice.
Esta investigación proporcionaría información valiosa sobre las diferencias entre la fábrica y balance de campo requisitos, lo que podría conducir a mejores procesos de fabricación y procedimientos de control de calidad.
Apéndice 1: Protocolo de equilibrio profesional
PROTOCOLO INTEGRAL DE EQUILIBRIO
Hélice MTV-9-K-C/CL 260-27 del avión acrobático Su-29
1. Cliente: V. D. Chvokov
2. Lugar de instalación de la hélice: Eje de salida de la caja de cambios del avión Su-29
3. Tipo de hélice: MTV-9-KC/CL 260-27
4. Método de equilibrio: Montado en obra (en rodamientos propios), en un plano
5. Frecuencia de rotación de la hélice durante el equilibrado, rpm: 1350
6. Modelo, número de serie y fabricante del dispositivo de equilibrio: “Balanset-1”, número de serie 149
7. Documentos reglamentarios utilizados durante el equilibrado:
7.1. _____________________________________________________________
_____________________________________________________________
8. Fecha de balance: 15.06.2014
9. Tabla resumen de los resultados del equilibrado:
| № | Resultados de las mediciones | Vibración (mm/seg) | Desequilibrio (g*mm) | Calificación de calidad |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Antes de equilibrar *) | 6.7 | 6135 | Inaceptable |
| 2 | Después de equilibrar | 1.5 | 1350 | Excelente |
| ISO 1940 Tolerancia para la clase G 6,3 | 1500 | Estándar | ||
*) Nota: El balanceo se realizó con el peso correctivo instalado por el fabricante permaneciendo en la hélice.
10. Conclusiones profesionales:
10.1. El nivel de vibración (desequilibrio residual) después equilibrar la hélice El par motor instalado en el eje de salida de la caja de cambios del avión Su-29 (ver pág. 9.2) se ha reducido en más de 4 veces en comparación con el estado inicial (ver pág. 9.1), lo que representa una mejora excepcional en la suavidad operativa de la aeronave.
10.2. Los parámetros del peso correctivo (masa, ángulo de instalación) utilizados para lograr el resultado de la página 10.1 difieren significativamente de los parámetros del peso correctivo instalado por el fabricante (hélice MT), lo que indica diferencias fundamentales entre los requisitos de equilibrio de fábrica y de campo.
En particular, se instaló un peso correctivo adicional de 40,9 g en la hélice durante balance de campo, que fue desplazado un ángulo de 130° respecto al peso instalado por el fabricante.
(El peso instalado por el fabricante no se retiró de la hélice durante el equilibrado adicional).
Posibles razones técnicas:
Las posibles razones de esta importante situación pueden incluir:
- Errores en el sistema de medición del soporte de equilibrado del fabricante;
- Errores geométricos en los lugares de montaje del acoplamiento del husillo de la máquina equilibradora del fabricante, que provocan la excentricidad radial de la hélice cuando se instala en el husillo;
- Errores geométricos en las ubicaciones de montaje del acoplamiento del eje de salida de la caja de cambios de la aeronave, que provocan la excentricidad radial de la hélice cuando se instala en el eje de la caja de cambios.
Pasos de investigación recomendados:
Para identificar la causa específica que provoca el aumento desequilibrio de la hélice Cuando se instala en el eje de salida de la caja de cambios del avión Su-29, es necesario:
- Compruebe el sistema de medición y la precisión geométrica de los puntos de montaje del husillo de la máquina equilibradora utilizada para equilibrar la hélice MTV-9-K-C/CL 260-27 en el fabricante;
- Compruebe la excentricidad radial de la hélice instalada en el eje de salida de la caja de cambios del avión Su-29.
Ejecutor:
Especialista jefe de LLC "Cinemática"
Feldman V.D.
Preguntas frecuentes sobre el equilibrio de las hélices de las aeronaves
¿Qué es el equilibrio de la hélice y por qué es fundamental para la seguridad de la aviación?
Equilibrado de hélices Es un procedimiento de precisión que elimina el desequilibrio en las hélices de las aeronaves mediante la adición o reubicación de pesos correctivos. Las hélices desequilibradas generan vibraciones excesivas que pueden provocar fatiga estructural, daños en el motor y, en última instancia, una falla catastrófica. Nuestros estudios de campo demuestran que un equilibrado adecuado puede reducir la vibración hasta en 78%, lo que mejora significativamente la seguridad y la vida útil de la aeronave.
¿En qué se diferencia el equilibrado de la hélice en campo del equilibrado de fábrica?
Equilibrado de la hélice de campo Ofrece ventajas significativas sobre el balanceo de fábrica, ya que considera las condiciones reales de instalación, incluyendo las tolerancias de la caja de engranajes, las irregularidades de montaje y la dinámica completa de la aeronave. Nuestro estudio de caso del Su-29 demostró que el peso correctivo requerido en campo se desplazó 130° con respecto al peso de fábrica, lo que destaca la importancia del balanceo de las hélices en su configuración operativa.
¿Qué equipo se necesita para equilibrar profesionalmente las hélices de un avión?
Profesional equilibrio de hélices de aeronaves Requiere equipo especializado como el dispositivo Balanset-1, que incluye acelerómetros de precisión, sensores láser de fase y software de análisis avanzado. El equipo debe ser capaz de medir vibraciones en un rango de 0,1 a 1000 Hz con alta precisión y proporcionar análisis de fase en tiempo real para calcular correctamente la colocación de las pesas.
¿Con qué frecuencia se deben equilibrar las hélices de los aviones?
Frecuencia de equilibrado de la hélice Depende del uso de la aeronave, pero generalmente debe realizarse durante inspecciones importantes, tras la reparación de daños en la hélice, cuando se detecte vibración excesiva o según las recomendaciones del fabricante. En aeronaves acrobáticas como el Yak-52 y el Su-29 estudiados, podría ser necesario un equilibrado más frecuente debido a las condiciones de mayor tensión.
¿Cuáles son los niveles de vibración aceptables después del equilibrio de la hélice?
Según la norma ISO 1940 para la clase G 6.3, el desequilibrio residual no debe superar los 1500 g*mm. Nuestra experiencia práctica demuestra que se obtienen excelentes resultados con niveles de vibración inferiores a 2,5 mm/s RMS, con resultados excepcionales que alcanzan 1,5 mm/s o menos. Estos niveles garantizan una operación segura y minimizan la tensión estructural de la aeronave.
¿Puede el equilibrio de la hélice eliminar todas las vibraciones de la aeronave?
Mientras equilibrado de hélices Si bien reduce significativamente las vibraciones de la hélice, no puede eliminar todas las vibraciones de la aeronave. Nuestro análisis exhaustivo reveló que los armónicos del cigüeñal del motor, la dinámica del grupo de pistones y las resonancias estructurales contribuyen a la vibración general. Incluso un equilibrado perfecto de la hélice suele reducir la vibración total de la aeronave solo 1,5 veces, lo que subraya la necesidad de enfoques integrales para la gestión de las vibraciones.
Recomendaciones de expertos para profesionales de la aviación
Para operadores de aeronaves:
- Implementar la regularidad monitoreo de vibraciones como parte de los programas de mantenimiento preventivo
- Considerar equilibrado de la hélice de campo Superior a confiar únicamente en el equilibrio de fábrica
- Establezca firmas de vibración de referencia para cada aeronave de su flota
- Capacitar al personal de mantenimiento en los procedimientos de equilibrio adecuados y protocolos de seguridad.
Para técnicos de mantenimiento:
- Tenga siempre en cuenta las frecuencias naturales al seleccionar las RPM de equilibrio
- Utilice equipos de calidad profesional como Balanset para realizar mediciones precisas.
- Documentar todos los procedimientos de equilibrado para garantizar la calidad y la trazabilidad.
- Comprenda que el equilibrio de la hélice es solo un componente de la gestión general de las vibraciones.
Para pilotos:
- Informe inmediatamente al personal de mantenimiento sobre cualquier vibración inusual.
- Comprenda que los diferentes modos de vuelo pueden presentar diferentes características de vibración.
- Tenga en cuenta que algunas vibraciones pueden ser estructurales y no relacionadas con la hélice.
- Abogar por la regularidad equilibrado de hélices como inversión de seguridad
ES 
EN 
AR 
AZ 
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PT_BR 
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