Especialista Jefe V.D. Feldman
1. En lugar de un Prefacio
Hace dos años y medio, nuestra empresa inició la producción en serie del dispositivo "Balanset 1", diseñado para equilibrar mecanismos rotativos en sus propios cojinetes.
Hasta la fecha, se han producido más de 180 conjuntos, que se utilizan eficazmente en diversas industrias, incluida la producción y el funcionamiento de ventiladores, sopladores, motores eléctricos, husillos de máquinas, bombas, trituradoras, separadores, centrifugadoras, cardanes y cigüeñales, y otros mecanismos.
Recientemente, nuestra empresa ha recibido un gran número de consultas de organizaciones y particulares sobre la posibilidad de utilizar nuestros equipos para equilibrar hélices de aviones y helicópteros en condiciones de campo.
Por desgracia, nuestros especialistas, con muchos años de experiencia en el equilibrado de diversas máquinas, nunca se habían enfrentado a este problema. Por lo tanto, los consejos y recomendaciones que podíamos ofrecer a nuestros clientes eran muy generales y no siempre les permitían resolver eficazmente el problema en cuestión.
Esta situación empezó a mejorar esta primavera. Esto se debió a la posición activa de V.D. Chvokov, que organizó y participó activamente con nosotros en los trabajos de equilibrado de las hélices de los aviones Yak-52 y Su-29, que él pilota.
Fig. 1.1. Avión Yak-52 en el aeródromo
Fig. 1.2. Avión Su-29 en el aparcamiento
2. Resultados del estudio de equilibrado y vibración de la hélice del avión acrobático Yak-52
2.1. Introducción
En mayo-julio de 2014 se llevaron a cabo los trabajos de estudio de vibraciones del avión Yak-52 equipado con el motor de aviación M-14P, y el equilibrado de su hélice bipala.
El equilibrado se realizó en un plano utilizando el kit de equilibrado "Balanset 1", número de serie 149.
El esquema de medición utilizado durante el equilibrado se muestra en la Fig. 2.1.
Durante el proceso de equilibrado, el sensor de vibraciones (acelerómetro) 1 se instaló en la tapa delantera de la caja de cambios del motor mediante un imán en un soporte especial.
El sensor láser de ángulo de fase 2 también se instaló en la cubierta de la caja de cambios y se orientó hacia la marca reflectante aplicada a una de las palas de la hélice.
Las señales analógicas de los sensores se transmitían por cable a la unidad de medición del dispositivo "Balanset 1", donde se preprocesaban digitalmente.
A continuación, estas señales en formato digital se enviaban a un ordenador, donde un programa informático las procesaba y calculaba la masa y el ángulo del peso corrector necesarios para compensar el desequilibrio de la hélice.
2.2. Durante la ejecución de este trabajo se adquirieron ciertos conocimientos y se desarrolló una tecnología para equilibrar las hélices de las aeronaves en condiciones de campo utilizando el dispositivo "Balanset 1", que incluye:
- Determinación de los lugares y métodos de instalación (fijación) de los sensores de vibración y de ángulo de fase en el objeto;
- Determinación de las frecuencias de resonancia de varios elementos estructurales del avión (suspensión del motor, palas de la hélice);
- Identificación de las frecuencias de rotación del motor (modos de funcionamiento) que garantizan un desequilibrio residual mínimo durante el equilibrado;
- Establecimiento de tolerancias para el desequilibrio residual de la hélice, etc.
Además, se obtuvieron datos interesantes sobre los niveles de vibración de los aviones equipados con motores M-14P.
A continuación figuran los materiales del informe recopilados a partir de los resultados de estos trabajos.
En ellos, además de los resultados de equilibrado, se aportan datos sobre los estudios de vibraciones de los aviones Yak-52 y Su-29 obtenidos durante las pruebas en tierra y en vuelo.
Estos datos pueden interesar tanto a los pilotos de aeronaves como a los especialistas que participan en su mantenimiento.
Fig. 2.1. Esquema de medición para equilibrar la hélice del avión Yak-52.
Zk - rueda dentada principal de la caja de cambios;
Zs - satélites de la caja de cambios;
Zn - rueda dentada estacionaria de la caja de cambios.
Durante la ejecución de este trabajo, teniendo en cuenta la experiencia adquirida en el equilibrado de las hélices de los aviones Su-29 y Yak-52, se llevaron a cabo una serie de estudios adicionales, entre ellos:
- Determinación de las frecuencias naturales de las oscilaciones del motor y la hélice del avión Yak-52;
- Comprobación de la magnitud y composición espectral de las vibraciones en la cabina del segundo piloto durante el vuelo tras el equilibrado de la hélice;
- Comprobación de la magnitud y composición espectral de las vibraciones en la cabina del segundo piloto durante el vuelo tras el equilibrado de la hélice y ajuste de la fuerza de apriete de los amortiguadores del motor.
2.2. Resultados de los estudios sobre las frecuencias naturales de las oscilaciones del motor y de la hélice
Las frecuencias naturales de las oscilaciones del motor, montado sobre amortiguadores en el cuerpo del avión, se determinaron utilizando el analizador de espectro AD-3527 de A&D (Japón) mediante la excitación por impacto de las oscilaciones del motor.
En el espectro de oscilaciones naturales de la suspensión del motor del avión Yak-52, cuyo ejemplo se presenta en la Fig. 2.2, se identificaron cuatro frecuencias principales: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz.
Fig. 2.2. Espectro de frecuencias naturales de la suspensión del motor del avión Yak-52.
Las frecuencias 74 Hz, 94 Hz y 120 Hz están probablemente relacionadas con las características del montaje (suspensión) del motor en el cuerpo de la aeronave.
Lo más probable es que la frecuencia de 20 Hz esté asociada a las oscilaciones naturales del avión sobre el chasis.
También se determinaron las frecuencias naturales de las palas de la hélice utilizando el método de excitación por impacto.
En este caso, se identificaron cuatro frecuencias principales: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz y 134 Hz.
Los datos sobre las frecuencias naturales de la hélice del avión Yak-52 y las oscilaciones del motor pueden ser especialmente importantes a la hora de elegir la frecuencia de rotación de la hélice utilizada durante el equilibrado. La condición principal para seleccionar esta frecuencia es garantizar su máxima desintonía posible con las frecuencias naturales de los elementos estructurales de la aeronave.
Además, conocer las frecuencias naturales de los distintos componentes y partes de la aeronave puede ser útil para identificar las causas de un aumento brusco (en caso de resonancia) de determinados componentes del espectro de vibraciones en distintos modos de régimen del motor.
2.3. Resultados del equilibrado
Como ya se ha indicado, el equilibrado de la hélice se ha realizado en un plano, lo que ha permitido compensar dinámicamente el desequilibrio de fuerzas de la hélice.
La realización del equilibrado dinámico en dos planos, que permitiría compensar tanto el desequilibrio de fuerza como de momento de la hélice, no era factible, ya que el diseño de la hélice instalada en el avión Yak-52 permite la formación de un solo plano de corrección.
El equilibrado de la hélice se realizó a una frecuencia de rotación de 1150 rpm (60%), con la que fue posible obtener los resultados de medición de vibraciones más estables en términos de amplitud y fase de principio a fin.
El equilibrado de las hélices siguió el esquema clásico de "dos carreras".
Durante la primera marcha, se determinaron la amplitud y la fase de vibración a la frecuencia de rotación de la hélice en su estado inicial.
Durante la segunda marcha, se determinaron la amplitud y la fase de vibración a la frecuencia de rotación de la hélice tras instalar una masa de prueba de 7 g en la hélice.
A partir de estos datos, se calcularon mediante software la masa M = 19,5 g y el ángulo de instalación del peso corrector F = 32°.
Debido a las características de diseño de la hélice, que no permiten la instalación del peso corrector en el ángulo requerido, se instalaron dos pesos equivalentes en la hélice:
- Peso M1 = 14 g en el ángulo F1 = 0°;
- Peso M2 = 8,3 g en el ángulo F2 = 60°.
Tras instalar en la hélice los pesos correctores especificados, la vibración medida a una frecuencia de rotación de 1150 rpm y asociada al desequilibrio de la hélice disminuyó de 10,2 mm/seg en el estado inicial a 4,2 mm/seg tras el equilibrado.
En este caso, el desequilibrio real de la hélice disminuyó de 2340 g*mm a 963 g*mm.
2.4. Comprobación del efecto de los resultados del equilibrado en el nivel de vibración del avión Yak-52 en tierra a otras frecuencias de rotación de la hélice.
Los resultados de la comprobación de la vibración del avión Yak-52, realizada en otros modos de funcionamiento del motor obtenidos durante las pruebas en tierra, se presentan en la Tabla 2.1.
Como puede verse en la tabla, el equilibrado realizado afectó positivamente a la vibración del avión Yak-52 en todos sus modos de funcionamiento.
Cuadro 2.1.
| № | Frecuencia de rotación, % | Frecuencia de rotación de la hélice, rpm | Velocidad de vibración RMS, mm/seg |
|---|---|---|---|
| 1 | 60 | 1153 | 4.2 |
| 2 | 65 | 1257 | 2.6 |
| 3 | 70 | 1345 | 2.1 |
| 4 | 82 | 1572 | 1.25 |
Resultados adicionales de las pruebas de vibración
2.5. Comprobación de la vibración del avión Yak-52 en el aire en los principales modos de vuelo antes y después de ajustar la tensión del amortiguador.
Además, durante las pruebas en tierra, se observó una reducción significativa de las vibraciones de la aeronave al aumentar la frecuencia de rotación de su hélice.
Esto puede explicarse por un mayor grado de desintonización de la frecuencia de rotación de la hélice con respecto a la frecuencia de oscilación natural del avión en el chasis (presumiblemente 20 Hz), que se produce cuando aumenta la frecuencia de rotación de la hélice.
Además de las pruebas de vibración realizadas tras el equilibrado de la hélice en tierra (véase el apartado 2.3), se llevaron a cabo mediciones de vibración del avión Yak-52 en vuelo.
Las vibraciones en vuelo 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 frecuencias de 5 a 200 (500) Hz.
Las mediciones se realizaron a cinco regímenes principales del motor, respectivamente iguales a 60%, 65%, 70% y 82% de su frecuencia máxima de rotación.
Los resultados de las mediciones, realizadas antes de ajustar los amortiguadores, se presentan en la tabla 2.2.
Cuadro 2.2.
Componentes del espectro de vibraciones
| № | Frecuencia de rotación de la hélice, % | Frecuencia de rotación de la hélice, rpm | Vв1 (Hz) | Amplitud Vв1 (mm/seg) | Vн (Hz) | Amplitud Vн (mm/seg) | Vк1 (Hz) | Amplitud Vк1 (mm/seg) | Vв2 (Hz) | Amplitud Vв2 (mm/seg) | Vк2 (Hz) | Amplitud Vк2 (mm/seg) | Vв4 (Hz) | Amplitud Vв4 (mm/seg) | Vк3 (Hz) | Amplitud Vк3 (mm/seg) | Vв5 (Hz) | Amplitud Vв5 (mm/seg) | V∑ (mm/seg) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 60 | 1155 | 1155 | 4.4 | 1560 | 1.5 | 1755 | 1.0 | 2310 | 1.5 | 3510 | 4.0 | 4620 | 1.3 | 5265 | 0.7 | 5775 | 0.9 | 6.1 |
| 1244 | 3.5 | 1680 | 1.2 | 1890 | 2.1 | 2488 | 1.2 | 3780 | 4.1 | 4976 | 0.4 | 5670 | 1.2 | ||||||
| 2 | 65 | 1244 | 1244 | 3.5 | 1680 | 1.2 | 1890 | 2.1 | 2488 | 1.2 | 3780 | 4.1 | 4976 | 0.4 | 5670 | 1.2 | 6.2 | ||
| 1342 | 2.8 | 1860 | 0.4 | 2040 | 3.2 | 2684 | 0.4 | 4080 | 2.9 | 5369 | 2.3 | ||||||||
| 3 | 70 | 1342 | 1342 | 2.8 | 1860 | 0.4 | 2040 | 3.2 | 2684 | 0.4 | 4080 | 2.9 | 5369 | 2.3 | 5.0 | ||||
| 1580 | 4.7 | 2160 | 2.9 | 2400 | 1.1 | 3160 | 0.4 | 4800 | 12.5 | ||||||||||
| 4 | 82 | 1580 | 1580 | 4.7 | 2160 | 2.9 | 2400 | 1.1 | 3160 | 0.4 | 4800 | 12.5 | 13.7 | ||||||
| 1830 | 2.2 | 2484 | 3.4 | 2760 | 1.7 | 3660 | 2.8 | 5520 | 15.8 | 7320 | 3.7 | ||||||||
| 5 | 94 | 1830 | 1830 | 2.2 | 2484 | 3.4 | 2760 | 1.7 | 3660 | 2.8 | 5520 | 15.8 | 7320 | 3.7 | 17.1 |
A modo de ejemplo, las figuras 2.3 y 2.4 muestran los gráficos de espectros obtenidos al medir la vibración en la cabina del avión Yak-52 en los modos de 60% y 94% utilizados para rellenar la tabla 2.2.
Fig. 2.3. Espectro de vibraciones en la cabina del avión Yak-52 en el modo 60%.
Fig. 2.4. Espectro de vibraciones en la cabina del avión Yak-52 en el modo 94%.
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).
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 de 12,5 mm/seg a una frecuencia de 4800 ciclos/min y de 15,8 mm/seg a una frecuencia de 5520 ciclos/min.
Cabe suponer que este componente está asociado al funcionamiento del grupo de pistones del motor (procesos de impacto que se producen durante el doble movimiento de los pistones por cada vuelta del cigüeñal).
Lo más probable es que el fuerte aumento de este componente en los modos 82% (primer nominal) y 94% (despegue) no esté causado por defectos en el grupo de pistones, sino por las oscilaciones resonantes del motor montado en el cuerpo del avión sobre amortiguadores.
Esta conclusión se ve confirmada por los resultados experimentales comentados anteriormente de comprobación de las frecuencias naturales de las oscilaciones de la suspensión del motor, en cuyo espectro se encuentran 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 próximas a las frecuencias del 2º armónico de la rotación del cigüeñal, que se producen en los primeros modos nominal y de despegue del motor.
Debido a las importantes vibraciones en el 2º armónico del cigüeñal detectadas durante las pruebas de vibración en los primeros modos nominal y de despegue del motor, se llevó a cabo una comprobación y ajuste 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.
Cuadro 2.3.
| № | Frecuencia de rotación de la hélice, % | Frecuencia de rotación de la hélice, rpm | Vв1 (Antes) | Vв1 (Después) | Vк2 (Antes) | Vк2 (Después) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 60 | 1155 (1140) |
1155 4.4 |
1140 3.3 |
3510 3.6 |
3480 3.0 |
| 2 | 65 | 1244 (1260) |
1244 3.5 |
1260 3.5 |
3780 4.1 |
3840 4.3 |
| 3 | 70 | 1342 (1350) |
1342 2.8 |
1350 3.3 |
4080 2.9 |
4080 1.2 |
| 4 | 82 | 1580 (1590) |
1580 4.7 |
1590 4.2 |
4800 12.5 |
4830 16.7 |
| 5 | 94 | 1830 (1860) |
1830 2.2 |
1860 2.7 |
5520 15.8 |
5640 15.2 |
Como se observa en el cuadro 2.3, el ajuste de los amortiguadores no provocó cambios significativos en los principales componentes de vibración de la aeronave.
También hay que señalar que la amplitud de la componente espectral asociada al desequilibrio de la hélice Vв1detectada en los modos 82% y 94% (véanse las Tablas 1.2 y 1.3), es respectivamente entre 3 y 7 veces menor que las amplitudes de Vк2presente en estos modos.
En otros modos de vuelo, la componente Vв1 oscila entre 2,8 y 4,4 mm/seg.
Además, como se observa en las tablas 2.2 y 2.3, sus cambios al pasar de un modo a otro vienen determinados principalmente no por la calidad del equilibrado, sino por el grado de desintonía de la frecuencia de rotación de la hélice con respecto a las frecuencias naturales de diversos elementos estructurales de la aeronave.
2.6. Conclusiones de los resultados del trabajo
2.6.1.
El equilibrado de la hélice del avión Yak-52, realizado a una frecuencia de rotación de la hélice de 1150 rpm (60%), permitió reducir la vibración de la hélice de 10,2 mm/s a 4,2 mm/s.
Dada la experiencia adquirida durante el equilibrado de las hélices de los aviones Yak-52 y Su-29 utilizando el dispositivo "Balanset-1", cabe suponer que existe la posibilidad de reducir aún más el nivel de vibración de la hélice del avión Yak-52.
Esto puede lograrse, en particular, seleccionando una frecuencia de rotación de la hélice diferente (más alta) durante su equilibrado, lo que permite una mayor desintonización con respecto a la frecuencia de oscilación natural de la aeronave de 20 Hz (1200 ciclos/min), identificada durante las pruebas.
2.6.2.
Como muestran los resultados de las pruebas de vibración del avión Yak-52 en vuelo, sus espectros de vibración (además del componente antes mencionado que aparece a la frecuencia de rotación de la hélice) contienen varios otros componentes 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 al desequilibrio de la hélice.
Un análisis de estas vibraciones muestra que incluso la eliminación completa de la vibración del desequilibrio de la hélice reducirá la vibración total del avión en estos modos en no más de 1,5 veces.
2.6.3.
La vibración total máxima V∑ del avión Yak-52 se encontró en los modos de velocidad de 82% (1580 rpm de la hélice) y 94% (1830 rpm de la hélice).
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 de 12,5 mm/seg y 15,8 mm/seg.
Cabe suponer razonablemente que este componente está asociado al funcionamiento del grupo de pistones del motor (procesos de impacto que se producen durante el doble movimiento de los pistones por cada vuelta del cigüeñal).
El fuerte aumento de este componente en los modos de 82% (primer nominal) y 94% (despegue) está causado muy probablemente no por defectos en el grupo de pistones, sino por oscilaciones resonantes del motor montado en el cuerpo del avión sobre amortiguadores.
El ajuste de los amortiguadores realizado durante las pruebas no produjo cambios significativos en las vibraciones.
Esta situación puede considerarse presumiblemente un descuido de diseño por parte de los desarrolladores de la aeronave a la hora de elegir el sistema de montaje (suspensión) del motor en la carrocería del avión.
2.6.4.
Los datos obtenidos durante el equilibrado y las pruebas de vibración adicionales (véanse los resultados de las pruebas de vuelo en la sección 2.5) permiten concluir que la supervisión periódica de las vibraciones puede ser útil para la evaluación diagnóstica del estado técnico del motor de la aeronave.
Este trabajo puede realizarse, por ejemplo, con el dispositivo "Balanset-1", en cuyo software está implementada la función de análisis espectral de vibraciones.
3. Resultados del equilibrado de la hélice MTV-9-K-C/CL 260-27 y estudio de las vibraciones del avión acrobático Su-29
3.1. Introducción
El 15 de junio de 2014 se realizó el equilibrado de la hélice tripala MTV-9-K-C/CL 260-27 del motor de aviación M-14P del avión acrobático Su-29.
Según el fabricante, la hélice estaba preliminarmente equilibrada estáticamente, como lo demuestra la presencia de un peso corrector en el plano 1, instalado en la planta de fabricación.
El equilibrado de la hélice, instalada directamente en el avión Su-29, se realizó utilizando el kit de equilibrado de vibraciones "Balanset-1", número de serie 149.
El esquema de medición utilizado durante el equilibrado se muestra en la Fig. 3.1.
Durante el proceso de equilibrado, el sensor de vibraciones (acelerómetro) 1 se montó en la carcasa de la caja de cambios del motor utilizando un imán en un soporte especial.
El sensor láser de ángulo de fase 2 también se montó en la carcasa de la caja de cambios y se orientó hacia la marca reflectante aplicada a una de las palas de la hélice.
Las señales analógicas de los sensores se transmitían por cable a la unidad de medición del dispositivo "Balanset-1", donde se preprocesaban digitalmente.
A continuación, estas señales se enviaron en formato digital a un ordenador, donde se llevó a cabo el procesamiento informático de las mismas y se calcularon la masa y el ángulo del peso corrector necesarios para compensar el desequilibrio de la hélice.
Fig. 3.1. Esquema de medición para equilibrar la hélice del avión Su-29.
Zk - rueda dentada principal de la caja de cambios con 75 dientes;
Zc - satélites de la caja de cambios en cantidad de 6 piezas de 18 dientes cada una;
Zn - rueda dentada estacionaria de la caja de cambios con 39 dientes.
Antes de realizar este trabajo, teniendo en cuenta la experiencia adquirida en el equilibrado de la hélice del avión Yak-52, se llevaron a cabo una serie de estudios adicionales, entre los que se incluyen:
- Determinación de las frecuencias naturales de las oscilaciones del motor y la hélice del avión Su-29;
- Comprobación de la magnitud y composición espectral de la vibración inicial en la cabina del segundo piloto antes del equilibrado.
3.2. Resultados de los estudios sobre las frecuencias naturales de las oscilaciones del motor y la hélice
Las frecuencias naturales de las oscilaciones del motor, montado sobre amortiguadores en el cuerpo del avión, se determinaron utilizando el analizador de espectro AD-3527 de A&D (Japón) mediante la excitación por impacto de las oscilaciones del motor.
En el espectro de las oscilaciones naturales de la suspensión del motor (véase la Fig. 3.2), se identificaron seis frecuencias principales: 16 Hz, 22 Hz, 37 Hz, 66 Hz, 88 Hz, 120 Hz.
De ellas, se supone que las frecuencias 66 Hz, 88 Hz y 120 Hz están directamente relacionadas con las características del montaje (suspensión) del motor en el cuerpo de la aeronave.
Las frecuencias de 16 Hz y 22 Hz están muy probablemente asociadas a las oscilaciones naturales de la aeronave sobre el chasis.
La frecuencia de 37 Hz está probablemente relacionada con la frecuencia natural de las oscilaciones de las palas de la hélice del avión.
Esta suposición queda confirmada por los resultados de la comprobación de las frecuencias naturales de las oscilaciones de la hélice, obtenidas también por el método de excitación por impacto.
En el espectro de las oscilaciones naturales de la pala de la hélice (véase la Fig. 3.3), se identificaron tres frecuencias principales: 37 Hz, 100 Hz y 174 Hz.
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 la frecuencia de rotación de la hélice utilizada durante el equilibrado. La principal condición para seleccionar esta frecuencia es garantizar su máxima desintonía posible con las frecuencias naturales de los elementos estructurales de la aeronave.
Además, conocer las frecuencias naturales de los distintos componentes y partes de la aeronave puede ser útil para identificar las causas de un aumento brusco (en caso de resonancia) de determinados componentes del espectro de vibraciones en distintos modos de régimen del motor.
3.3. Comprobación de la vibración en la cabina del segundo piloto del avión Su-29 en tierra antes del equilibrado.
La vibración inicial de la aeronave Su-29, identificada antes del equilibrado de la hélice, se midió 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 frecuencias de 5 a 200 Hz.
Las mediciones se realizaron a cuatro regímenes principales del motor, respectivamente iguales a 60%, 65%, 70% y 82% de su frecuencia máxima de rotación.
Los resultados obtenidos se presentan en la Tabla 3.1.
Como se observa en la tabla 2.1, los principales componentes 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.
Cuadro 3.1.
| № | Frecuencia de rotación de la hélice, % | Frecuencia de rotación de la hélice, rpm | Vв1 | Vн | Vк1 | Vв3 | Vк2 | Vв4 | Vк3 | V? | V∑mm/seg |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 60 | 1150 5.4 |
1560 2.6 |
1740 2.0 |
3450 – |
3480 – |
6120 2.8 |
– | – | – | 8.0 |
| 2 | 65 | 1240 5.7 |
1700 2.4 |
1890 3.2 |
3780 – |
– | – | – | – | – | 10.6 |
| 3 | 70 | 1320 5.2 |
1860 3.0 |
2010 2.5 |
3960 – |
4020 – |
– | – | – | 11.5 | |
| 4 | 82 | 1580 3.2 |
2160 1.5 |
2400 3.0 |
4740 – |
4800 8.5 |
– | – | – | 9.7 |
Además, en el espectro de vibraciones en el modo de velocidad 60%, se encontró un componente no identificado con el espectro calculado a una frecuencia de 6120 ciclos/min, que puede estar causado por la resonancia a una frecuencia de unos 100 Hz de uno de los elementos estructurales de la aeronave. Dicho elemento podría ser la hélice, una de cuyas frecuencias naturales es de 100 Hz.
La vibración total máxima de la aeronave V∑en el modo de velocidad 70%, alcanzando los 11,5 mm/seg.
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.
Cabe suponer que este componente está asociado al funcionamiento del grupo de pistones del motor (procesos de impacto que se producen durante el doble movimiento de los pistones por cada vuelta 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 de la componente espectral asociada al 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
El equilibrado de la hélice se realizó en un plano a una frecuencia de rotación. Como resultado de dicho equilibrado, se compensó el desequilibrio de la fuerza dinámica de la hélice.
El protocolo de equilibrado figura en el Apéndice 1.
El equilibrado se realizó a una frecuencia de rotación de la hélice de 1.350 rpm e incluyó dos series de mediciones.
Durante la primera marcha, se determinaron la amplitud y la fase de la vibración a la frecuencia de rotación de la hélice en el estado inicial.
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.
A partir de los resultados de estas mediciones, se determinaron la masa y el ángulo de instalación del peso corrector en el plano 1.
Después de instalar el valor calculado del peso corrector en la hélice, que era de 40,9 g, la vibración en este modo de velocidad disminuyó de 6,7 mm/seg en el estado inicial a 1,5 mm/seg después del equilibrado.
El nivel de vibración asociado al desequilibrio de la hélice en otros modos de velocidad también disminuyó y se mantuvo dentro del intervalo de 1 a 2,5 mm/seg después del equilibrado.
La verificación del efecto de la calidad del equilibrado sobre el nivel de vibraciones de la aeronave en vuelo no se llevó a cabo debido al daño accidental de esta hélice durante uno de los vuelos de entrenamiento.
Debe tenerse en cuenta que el resultado obtenido durante este equilibrado difiere significativamente del resultado del equilibrado de fábrica.
En particular:
- 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;
- La pesa correctora instalada durante el proceso de equilibrado se desplazó con respecto a la pesa instalada en la planta de fabricación aproximadamente 130 grados.
Los posibles motivos de esta situación pueden ser:
- Errores del sistema de medición del soporte de equilibrado del fabricante (poco probable);
- 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;
- 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 de los resultados del trabajo
3.5.1.
El equilibrado de la hélice del avión Su-29, realizado en un plano a una frecuencia de rotación de la hélice de 1350 rpm (70%), permitió reducir la vibración de la hélice de 6,7 mm/s a 1,5 mm/s.
El nivel de vibración asociado al desequilibrio de la hélice en otros modos de velocidad también disminuyó significativamente y se mantuvo dentro del intervalo de 1 a 2,5 mm/seg.
3.5.2.
Para aclarar las posibles razones de los resultados insatisfactorios del equilibrado realizado en la planta de fabricación, es necesario comprobar la excentricidad radial de la hélice en el eje de salida de la caja de cambios del motor del avión.
Anexo 1
PROTOCOLO 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-K-C/CL 260-27
4. Método de equilibrado: montado in situ (en cojinetes 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 equilibrado: "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 |
|---|---|---|---|
| 1 | Antes de equilibrar *) | 6.7 | 6135 |
| 2 | Después de equilibrar | 1.5 | 1350 |
| ISO 1940 Tolerancia para la clase G 6,3 | 1500 | ||
*) Nota: El equilibrado se realizó con el peso corrector instalado por el fabricante permaneciendo en la hélice.
10. Conclusión:
10.1. El nivel de vibración (desequilibrio residual) tras equilibrar la hélice instalada en el eje de salida de la caja de cambios del avión Su-29 (véase p. 9.2) se ha reducido en más de 4 veces en comparación con el estado inicial (véase p. 9.1).
10.2. Los parámetros del peso corrector (masa, ángulo de instalación) utilizados para lograr el resultado de la p. 10.1 difieren significativamente de los parámetros del peso corrector instalado por el fabricante (hélice MT).
En particular, se instaló un peso corrector adicional de 40,9 g en la hélice durante el equilibrado, que se desplazó un ángulo de 130° con respecto al peso instalado por el fabricante.
(El peso instalado por el fabricante no se retiró de la hélice durante el equilibrado adicional).
Los posibles motivos de esta situación pueden ser:
- 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.
Para identificar la causa específica que provoca el aumento del 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.
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