Sobre el equilibrio de las hélices de aeronaves en condiciones de campo
Resumen: Este informe de ingeniería documenta la primera aplicación exitosa del dispositivo portátil Balanset-1 para el equilibrado en campo de hélices de aeronaves. El trabajo se realizó en aeronaves Yak-52 (hélice de dos palas) y Su-29 (hélice de tres palas MTV-9-KC/CL 260-27), equipadas con motores M-14P, entre mayo y julio de 2014. Hallazgos clave: la vibración de la hélice en el Yak-52 se redujo de 10,2 a 4,2 mm/s; en el Su-29, de 6,7 a 1,5 mm/s (una reducción de más de 4 veces). El informe también presenta un análisis detallado del espectro de vibración en múltiples modos de operación e identifica las fuentes de vibración dominantes, incluyendo armónicos del cigüeñal y resonancias estructurales.
1. Prólogo
Hace dos años y medio, nuestra empresa inició la producción en serie del dispositivo "Balanset-1", diseñado para equilibrar mecanismos rotatorios en sus propios cojinetes.
Hasta la fecha, se han producido más de 180 conjuntos. Se utilizan eficazmente en diversas industrias, como la producción y el funcionamiento de ventiladores, sopladores, motores eléctricos, husillos de máquinas, bombas, trituradoras, separadores, centrífugas, conjuntos de cardán y cigüeñal, y mecanismos similares.
Recientemente, Vibromera ha recibido un gran número de consultas de organizaciones e individuos sobre la posibilidad de utilizar nuestros equipos para equilibrar hélices de aviones y helicópteros en condiciones de campo.
Lamentablemente, nuestros especialistas, a pesar de sus muchos años de experiencia balanceando diversas máquinas, nunca habían abordado este problema específico. Por lo tanto, los consejos y recomendaciones que podíamos ofrecer a nuestros clientes eran bastante generales y no siempre les permitían resolver eficazmente la tarea en cuestión.
Esta situación empezó a cambiar para mejor esta primavera, gracias a la participación activa de VD Chvokov, quien organizó y participó junto con nosotros en el trabajo de equilibrio de las hélices de los aviones Yak-52 y Su-29, que él pilota.
Durante este trabajo, se adquirieron ciertas habilidades y se desarrolló una tecnología para equilibrar las hélices de aeronaves en condiciones de campo utilizando el dispositivo "Balanset-1", que incluye:
- determinar las ubicaciones y métodos para instalar (montar) sensores de vibración y ángulo de fase en la aeronave;
- determinación de las frecuencias de resonancia de varios elementos estructurales de la aeronave (suspensión del motor, palas de la hélice);
- identificar las frecuencias de rotación del motor (modos de operación) que aseguren el desequilibrio residual mínimo alcanzable durante el equilibrado;
- establecer tolerancias para el desequilibrio residual de la hélice.
Además, se obtuvieron datos interesantes sobre los niveles de vibración de los aviones equipados con motores M-14P.
A continuación se presentan los materiales del informe recopilados a partir de los resultados de este trabajo. Además de los resultados del balanceo, se presentan datos de los estudios de vibración de los aviones Yak-52 y Su-29, obtenidos durante pruebas en tierra y en vuelo. Estos datos pueden ser de interés tanto para los pilotos de aeronaves como para los especialistas involucrados en su mantenimiento.
2. Estudio de equilibrio y vibración del Yak-52
2.1. Introducción
En mayo-julio de 2014 se realizaron trabajos de control de vibraciones del avión Yak-52, equipado con el motor de aviación M-14P, y de equilibrado de su hélice de dos palas.
El equilibrado se realizó en un plano utilizando el kit "Balanset-1", nº de serie 149.
El esquema de medición se muestra en la Fig. 2.1. Durante el equilibrado, el sensor de vibración (acelerómetro) 1 Se instaló en la tapa frontal de la caja de cambios del motor mediante un soporte magnético sobre un soporte especialmente diseñado. Sensor láser de ángulo de fase. 2 También se instaló en la tapa 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 transmitieron mediante cables a la unidad de medición del dispositivo "Balanset-1", donde se realizó un procesamiento digital preliminar. Estas señales, en formato digital, ingresaron al ordenador, donde se realizó el procesamiento de software y se calcularon la masa y el ángulo del peso de corrección necesarios para compensar el desequilibrio de la hélice.
Zk — rueda dentada principal; Zs — satélites; Zn — rueda dentada estacionaria.
Durante este trabajo, teniendo en cuenta la experiencia adquirida al equilibrar las hélices tanto del Su-29 como del Yak-52, se realizaron una serie de estudios adicionales:
- determinación de las frecuencias naturales de las oscilaciones del motor y de la hélice del Yak-52;
- medir la magnitud de la vibración y la composición espectral en la cabina del segundo piloto durante el vuelo después del equilibrio de la hélice;
- medición de la vibración después de equilibrar la hélice y después de ajustar la fuerza de apriete de los amortiguadores del motor.
2.2. 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 un analizador de espectro AD-3527 de A&D (Japón) mediante excitación de impacto.
En el espectro de oscilaciones naturales de la suspensión del motor Yak-52 (Fig. 2.2), se identificaron cuatro frecuencias principales: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz.
Las frecuencias de 74 Hz, 94 Hz y 120 Hz probablemente estén relacionadas con las características de la suspensión del motor en el fuselaje de la aeronave. La frecuencia de 20 Hz probablemente esté asociada con las oscilaciones naturales de la aeronave en el chasis del tren de aterrizaje.
También se determinaron las frecuencias naturales de las palas de la hélice mediante el método de excitación por impacto. Se identificaron cuatro frecuencias principales: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz y 134 Hz.
Los datos sobre las frecuencias naturales de oscilación de la suspensión del motor y las palas de la hélice son importantes principalmente para elegir la frecuencia de rotación de la hélice durante el equilibrado. La condición principal para seleccionar esta frecuencia es asegurar la máxima desconexión con las frecuencias naturales de oscilación de los elementos estructurales de la aeronave, ya que a frecuencias de resonancia la precisión y repetibilidad de las mediciones de vibración pueden verse significativamente afectadas.
Además, el conocimiento de las frecuencias naturales de los componentes individuales puede ser útil para identificar las causas de los aumentos bruscos de la vibración (fenómenos de resonancia) en distintos modos de velocidad del motor que pueden surgir durante el funcionamiento de la aeronave.
2.3. Resultados del equilibrado
Como se señaló anteriormente, el equilibrio de la hélice se realizó en un plano, compensando así dinámicamente el desequilibrio de fuerza de la hélice.
El equilibrio dinámico en dos planos (que compensaría adicionalmente el desequilibrio del momento) no era factible, ya que el diseño de la hélice del Yak-52 solo permite un plano de corrección.
El balanceo se realizó a una frecuencia de rotación de 1150 rpm (60%), en la cual se obtuvieron las mediciones de vibración más estables, tanto en amplitud como en fase, de una ejecución a otra.
Se utilizó el esquema clásico de "dos carreras":
- Durante la primera ejecución, se determinaron la amplitud y la fase de vibración a la frecuencia de rotación de la hélice en el estado inicial.
- Durante la segunda ejecución, se determinaron la amplitud y la fase de vibración después de instalar una masa de prueba de 7 g en la hélice.
- A partir de estos datos, el software calculó: masa de corrección M = 19,5 g en ángulo F = 32°.
Debido a las características de diseño de la hélice, que no permitían instalar el peso de corrección en el ángulo requerido de 32°, se instalaron dos pesos equivalentes:
- M1 = 14 g en un ángulo F1 = 0°
- M2 = 8,3 g en un ángulo F2 = 60°
Resultado: Después de instalar los pesos de corrección, la vibración a 1150 rpm disminuyó de 10,2 mm/seg a 4,2 mm/seg. El desequilibrio real disminuyó de 2340 g·mm a 963 g·mm.
2.4. Vibración en otros modos de funcionamiento
Los resultados de las comprobaciones de vibración en otros modos de funcionamiento del motor durante las pruebas en tierra se presentan en la Tabla 2.1. Como se puede observar, el equilibrado tuvo un efecto positivo en la vibración del Yak-52 en todos los modos.
| # | Potencia, % | 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 |
Además, durante las pruebas en tierra, se identificó una clara tendencia a una reducción sustancial de la vibración al aumentar la frecuencia de rotación de la hélice. Esto se explica por una mayor 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 a frecuencias de rotación más altas.
2.5. Vibración en vuelo antes y después del ajuste del amortiguador
Además de las pruebas de vibración en tierra después del equilibrio de la hélice (sección 2.3), también se realizaron mediciones de vibración del Yak-52 en vuelo.
La vibración en vuelo se midió en la cabina del segundo piloto en dirección vertical utilizando un analizador de espectro portátil AD-3527 de A&D (Japón) en el rango de frecuencia de 5 a 200 (500) Hz. Las mediciones se tomaron en cinco modos principales de velocidad del motor: 60%, 65%, 70%, 82% y 94% de frecuencia de rotación máxima.
Los resultados, obtenidos antes del ajuste de los amortiguadores, se presentan en la Tabla 2.2.
| # | Velocidad de la hélice | Componentes del espectro de vibraciones, frecuencia (CPM) / amplitud (mm/seg) |
VΣ, mm/seg |
||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| % | RPM | Vp1 | Vn | Vc1 | Vpág. 2 | Vc2 | Vpág. 4 | Vc3 | Vpág. 5 | ||
| 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 |
| 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 | |
| 3 | 70 | 1342 | 1342 2.8 |
1860 0.4 |
2040 3.2 |
2684 0.4 |
4080 2.9 |
5369 2.3 |
5.0 | ||
| 4 | 82 | 1580 | 1580 4.7 |
2160 2.9 |
2400 1.1 |
3160 0.4 |
4800 12.5 |
13.7 | |||
| 5 | 94 | 1830 | 1830 2.2 |
2484 3.4 |
2760 1.7 |
3660 2.8 |
5520 15.8 |
7320 3.7 |
17.1 | ||
Vp = armónicos de la hélice (1º, 2º, 4º, 5º) Vn = sensor de frecuencia/compresor Vc1, Vc2, Vc3 = cigüeñal 1º, 2º, 3º Valor superior = frecuencia (CPM), inferior = amplitud (mm/seg).
Como se ve en la Tabla 2.2, los principales componentes de vibración aparecen en la frecuencia de rotación de la hélice Vp1, la frecuencia del cigüeñal Vc1, el compresor de aire (y/o el sensor de frecuencia) accionan Vn, y sus armónicos superiores.
Vibración total máxima VΣ Se encontró en los modos 82% (1580 rpm) y 94% (1830 rpm). El componente dominante en estos modos aparece en el segundo armónico de la frecuencia de rotación del cigüeñal Vc2, alcanzando 12,5 mm/seg a 4800 ciclos/min y 15,8 mm/seg a 5520 ciclos/min.
Se puede suponer que este componente está asociado con el grupo de pistones (procesos de impacto que ocurren durante el doble movimiento de los pistones por cada revolución del cigüeñal). El aumento brusco en los modos 82% (primer nominal) y 94% (despegue) probablemente no se deba a defectos en el grupo de pistones, sino a las oscilaciones resonantes del motor en sus amortiguadores. Esta conclusión se sustenta en las mediciones de frecuencia natural, que revelaron frecuencias de suspensión del motor a 74 Hz (4440 ciclos/min), 94 Hz (5640 ciclos/min) y 120 Hz (7200 ciclos/min). Dos de estas frecuencias (74 Hz y 94 Hz) se acercan a las frecuencias armónicas del segundo cigüeñal en los modos de funcionamiento primero nominal y despegue.
Debido a las vibraciones significativas encontradas en Vc2, Se verificó y ajustó la fuerza de apriete de los amortiguadores del motor. Los resultados comparativos se presentan en la Tabla 2.3.
| # | % | RPM (antes / después) |
Vp1 | Vc2 | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Antes | Después | Antes | Después | |||
| 1 | 60 | 1155 / 1140 | 1155 4.4 |
1140 3.3 |
3510 3.0 |
3480 3.6 |
| 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 |
Valor superior = frecuencia (CPM), inferior = amplitud (mm/seg).
Como se puede ver en la Tabla 2.3, el ajuste del absorbedor no produjo cambios significativos en los principales componentes de vibración de la aeronave.
También debe tenerse en cuenta que el componente de desequilibrio de la hélice Vp1 en los modos 82% y 94% es respectivamente 3–7 veces menor que Vc2 en esos modos. En otros modos de vuelo, Vp1 varía de 2,8 a 4,4 mm/seg, y sus cambios entre modos están determinados principalmente no por la calidad del equilibrado, sino por el grado de desafinación de las frecuencias naturales de los elementos estructurales de la aeronave.
2.6. Conclusiones
2.6.1.
El balanceo de la hélice del Yak-52 a una frecuencia de rotación de 1150 rpm (60%) permitió reducir la vibración a dicha frecuencia de 10,2 mm/s a 4,2 mm/s. Considerando la experiencia acumulada durante el balanceo de las hélices de los aviones Yak-52 y Su-29 con el dispositivo "Balanset-1", existe una posibilidad realista de lograr una reducción aún mayor del nivel de vibración, en particular, seleccionando una mayor frecuencia de rotación de la hélice durante el balanceo, lo que permitiría una mayor desajuste con respecto a la frecuencia natural de oscilaciones de la aeronave a 20 Hz (1200 ciclos/min) identificada durante las mediciones.
2.6.2.
Como lo muestran las pruebas de vibración en vuelo (véanse las Tablas 2.2 y 2.3), los espectros de vibración del avión Yak-52 contienen, además de la vibración a la frecuencia de rotación de la hélice Vp1, varios otros componentes importantes, asociados con el cigüeñal Vc1, Vc2, Vc3, el grupo de pistones del motor y el compresor de aire (y/o sensor de frecuencia) impulsan Vn.
En los modos de velocidad de 60%, 65% y 70%, estos componentes son comparables en magnitud al componente de desequilibrio de la hélice Vp1. Por consiguiente, incluso la eliminación completa de la vibración causada por el desequilibrio de la hélice permitiría reducir la vibración total de la aeronave en estos modos en no más de aproximadamente 1,5 veces.
2.6.3.
Vibración total máxima VΣ La vibración del Yak-52 se detectó en los modos de velocidad 82% (1580 rpm de la hélice) y 94% (1830 rpm de la hélice). El componente dominante de esta vibración aparece en el segundo armónico de la frecuencia de rotación del cigüeñal Vc2, a frecuencias de 4800 ciclos/min y 5520 ciclos/min respectivamente, en las que alcanza valores de 12,5 mm/seg y 15,8 mm/seg.
Como se muestra en las secciones 2.5 y 2.2, el aumento brusco de este componente en los modos indicados probablemente no se deba a defectos en el grupo de pistones, sino a oscilaciones resonantes del motor en sus amortiguadores. El ajuste de la fuerza de apriete de los amortiguadores, realizado durante las pruebas, no produjo cambios significativos en los niveles de vibración.
Esta situación presumiblemente puede considerarse un descuido de diseño (proschet constructivo) de los desarrolladores de la aeronave, admitidos durante la selección del sistema de montaje del motor (suspensión) en la carrocería de la aeronave.
2.6.4.
Los datos obtenidos durante el equilibrado de la hélice y las pruebas de vibración realizadas adicionalmente sugieren que el monitoreo periódico de las vibraciones puede ser útil para la evaluación diagnóstica del estado técnico del motor de la aeronave, incluida la evaluación del estado del grupo de pistones, el cigüeñal, los cojinetes del motor y el accionamiento del compresor de aire.
Este tipo de trabajo se puede realizar, por ejemplo, utilizando el dispositivo "Balanset-1" (que actualmente se fabrica como Balanset-1A), en cuyo software se implementa la función de análisis de vibraciones espectrales.
3. Equilibrado de la hélice MTV-9-KC/CL 260-27 y estudio de vibraciones del Su-29
3.1. Introducción
El 15 de junio de 2014 se realizaron trabajos de equilibrado de la hélice de tres palas del tipo MTV-9-KC/CL 260-27, instalada en el motor de aviación M-14P del avión acrobático Su-29.
Según los datos proporcionados por el fabricante (MT-Propeller), la hélice indicada había sido preliminarmente equilibrada estáticamente, como lo demuestra la presencia en la hélice del plano 1 de un peso correctivo instalado en la planta de fabricación.
El equilibrado de la hélice, instalada directamente en el eje de salida de la caja de cambios del Su-29 (es decir, en el lugar de su instalación permanente), se realizó utilizando el kit de equilibrado de vibraciones "Balanset-1", número de serie 149.
El esquema de medición (Fig. 3.1) fue, en general, similar al utilizado para el Yak-52. Sensor de vibración (acelerómetro). 1 Se instaló en la carcasa de la caja de cambios del motor mediante un soporte magnético sobre un soporte especialmente diseñado. Sensor láser de ángulo de fase. 2 También se montó en la carcasa de la caja de engranajes y se orientó hacia la marca reflectante aplicada en una de las palas de la hélice. Las señales analógicas de los sensores se transmitieron mediante cables a la unidad de medición del dispositivo "Balanset-1", donde se realizó un procesamiento digital preliminar. Posteriormente, las señales en formato digital ingresaron al ordenador, donde se realizó el procesamiento de software y se calcularon la masa y el ángulo del peso de corrección necesarios para compensar el desequilibrio de la hélice.
Zk — rueda dentada principal; Zc — satélites; Zn — rueda dentada estacionaria.
Previo a este trabajo, y teniendo en cuenta la experiencia del balanceo de la hélice del Yak-52, se realizaron estudios adicionales:
- determinar las frecuencias naturales de las oscilaciones del motor y de la hélice del Su-29;
- comprobar la magnitud y la composición espectral de la vibración de referencia en la cabina del segundo piloto antes del equilibrio.
3.2. Frecuencias naturales de las oscilaciones del motor y la hélice
Utilizando el mismo método de excitación de impacto con el analizador AD-3527, se identificaron seis frecuencias principales en el espectro de suspensión del motor (Fig. 3.2): 16Hz, 22Hz, 37Hz, 66Hz, 88Hz, 120Hz.
Las frecuencias de 66 Hz, 88 Hz y 120 Hz se supone que están directamente relacionadas con las peculiaridades del sistema de montaje del motor (suspensión) en el fuselaje de la aeronave. Las frecuencias de 16 Hz y 22 Hz probablemente estén asociadas con las oscilaciones naturales de la aeronave en su conjunto sobre su chasis. En cuanto a la frecuencia de 37 Hz, probablemente esté relacionada con la frecuencia natural de oscilaciones de las palas de la hélice de la aeronave.
Esta última suposición se confirma con los resultados de las mediciones de las frecuencias naturales de oscilación de las palas de la hélice (Fig. 3.3), en cuyo espectro se identificaron tres frecuencias principales: 37 Hz, 100 Hz y 174 Hz.
El conocimiento de las frecuencias naturales de la suspensión del motor y las palas de la hélice del Su-29 es de suma importancia práctica. En primer lugar, permite una selección justificada de la frecuencia de rotación de la hélice para el equilibrado, garantizando así la máxima desintonización de las resonancias estructurales de la aeronave. En segundo lugar, proporciona la base necesaria para la correcta interpretación y diagnóstico de las causas de vibración observadas en los distintos modos de funcionamiento del motor, como se demostrará en las siguientes secciones de este informe.
3.3. Vibración base de la cabina antes del equilibrado
Antes de realizar el procedimiento de equilibrado, se midieron los niveles de vibración de referencia en la cabina del segundo piloto del Su-29. Al igual que en el caso del Yak-52, la vibración se midió en dirección vertical utilizando el analizador de espectro portátil AD-3527 de A&D (Japón) en el rango de frecuencia de 5 a 200 Hz. Las mediciones se realizaron en cuatro modos principales de velocidad del motor, correspondientes a 60%, 65%, 70% y 82% de la frecuencia máxima de rotación de la hélice.
Los resultados de estas mediciones se presentan en la Tabla 3.1.
| # | Velocidad de la hélice | Componentes del espectro de vibraciones, frecuencia (CPM) / amplitud (mm/seg) |
VΣ, mm/seg |
||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| % | RPM | Vp1 | Vn | Vc1 | Vpág. 3 | Vc2 | Vpág. 4 | Vc3 | V? | ||
| 1 | 60 | 1150 | 1150 5.4 |
1560 2.6 |
1740 2.0 |
3450 | 3480 4.2 |
6120 2.8 |
8.0 | ||
| 2 | 65 | 1240 | 1240 5.7 |
1700 2.4 |
1890 1.3 |
3720 | 3780 8.6 |
10.6 | |||
| 3 | 70 | 1320 | 1320 2.8 |
1800 2.5 |
2010 0.9 |
3960 | 4020 10.8 |
11.5 | |||
| 4 | 82 | 1580 | 1580 3.2 |
2160 1.5 |
2400 3.0 |
4740 | 4800 8.5 |
9.7 | |||
Vp = armónicos de la hélice (1º, 3º, 4º) Vn = sensor de frecuencia/compresor Vc1, Vc2 = cigüeñal 1º, 2º V? = componente no identificado. Valor superior = frecuencia (CPM), inferior = amplitud (mm/s).
Los principales componentes de vibración aparecen en la frecuencia de rotación de la hélice Vp1, cigüeñal Vc1, accionamiento del compresor Vn, y el segundo armónico del cigüeñal Vc2 (que en el caso de la hélice de tres palas también puede coincidir con la frecuencia de paso de pala Vpág. 3).
En el espectro del modo 60%, también se encontró un componente no identificado a 6120 ciclos/min, posiblemente causado por resonancia a aproximadamente 100 Hz, una de las frecuencias naturales de las palas de la hélice.
La vibración total máxima (11,5 mm/s) se encontró en el modo 70%. El componente dominante en este modo es Vc2 A 4020 ciclos/min, alcanzando 10,8 mm/s. Este brusco aumento a 70% probablemente se deba a oscilaciones resonantes de la suspensión del motor cerca de 67 Hz (4020 ciclos/min).
También debe tenerse en cuenta que, además de las excitaciones de impacto del grupo de pistones, la vibración en esta región de frecuencia también puede verse influenciada por fuerzas aerodinámicas en la frecuencia de paso de las palas de la hélice (Vpág. 3). En los modos 65% y 82%, se observa un aumento notable en el Vc2 (Vpág. 3) También se observa un componente que puede explicarse igualmente por oscilaciones resonantes de los componentes individuales de la aeronave.
El componente de desequilibrio de la hélice Vp1 osciló entre 2,4 y 5,7 mm/seg en todos los modos antes del equilibrio, generalmente inferior a Vc2 En los modos correspondientes. Su variación entre modos está determinada no solo por la calidad del balanceo, sino también por el grado de desajuste con respecto a las frecuencias naturales de los elementos estructurales de la aeronave.
3.4. Resultados del equilibrado
El balanceo de la hélice se realizó en un plano a una frecuencia de rotación de 1350 rpm, utilizando dos mediciones (el método clásico de coeficientes de influencia). El protocolo completo de balanceo se presenta en Anexo 1.
El procedimiento de equilibrado consistió en las siguientes operaciones:
- Durante la primera ejecución (estado inicial), se determinaron la amplitud y la fase de la vibración a la frecuencia de rotación de la hélice.
- Durante la segunda ejecución, se determinaron la amplitud y la fase de vibración después de instalar una masa de prueba de peso conocido en la hélice.
- En base a estos resultados de medición, el software calculó la masa y el ángulo de instalación del peso correctivo en el plano 1, necesario para compensar el desequilibrio de la hélice.
Resultado: Después de instalar el peso correctivo de 40,9 gramos, la vibración disminuyó de 6,7 mm/seg a 1,5 mm/seg. En otros modos de velocidad, la vibración asociada con el desequilibrio de la hélice se mantuvo dentro 1–2,5 mm/seg.
La verificación de la calidad del equilibrio en vuelo no se realizó debido a un daño accidental en la hélice durante un vuelo de entrenamiento.
Desviación significativa del equilibrio de fábrica. Se debe tener en cuenta que el resultado obtenido durante el balanceo en campo difiere sustancialmente del resultado del balanceo realizado en la planta de fabricación:
- La vibración en la frecuencia de rotación de la hélice después del equilibrio de campo en el lugar de instalación permanente (en el eje de salida de la caja de cambios del Su-29) se redujo en más de 4 veces en comparación con el estado inicial (es decir, en comparación con la condición equilibrada de fábrica);
- El peso correctivo instalado durante el balanceo de campo se desplazó aproximadamente 130° relativo al peso correctivo instalado en la planta de fabricación (MT-Propeller).
El peso correctivo instalado en la planta de fabricación fue no eliminado de la hélice durante el equilibrio de campo adicional.
Las razones de la discrepancia indicada pueden ser las siguientes:
- errores del sistema de medición del puesto de equilibrado en la planta de producción (esta causa parece ser la menos probable);
- errores geométricos (inexactitudes) de las superficies de montaje del husillo de la equilibradora en la planta de fabricación, que provocan un descentramiento radial de la hélice en el husillo;
- errores geométricos (inexactitudes) de las superficies de montaje del eje de salida de la caja de cambios en el avión Su-29, que provocan el descentramiento radial de la hélice cuando se instala en el eje de la caja de cambios.
3.5. Conclusiones
3.5.1.
El balanceo de la hélice del Su-29 en un plano a una frecuencia de rotación de 1350 rpm (70%) permitió reducir la vibración a dicha frecuencia de 6,7 mm/s en el estado inicial a 1,5 mm/s tras el balanceo. La vibración asociada al desequilibrio de la hélice en otros modos de velocidad del motor también disminuyó significativamente, manteniéndose entre 1 y 2,5 mm/s.
3.5.2.
Para aclarar las razones de los resultados insatisfactorios del equilibrado de la hélice en la planta de fabricación (MT-Propeller), es necesario comprobar el descentramiento radial de la hélice en el eje de salida de la caja de cambios del motor del avión Su-29.
Apéndice 1: Protocolo de equilibrio
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: Eje de salida de la caja de cambios del Su-29
3. Tipo de hélice: MTV-9-KC/CL 260-27
4. Método de equilibrio: Montado en obra (en rodamientos propios), un plano
5. Equilibrio de RPM: 1350
6. Dispositivo de equilibrio: ""Balanset-1", número de serie. 149, Vibromera
7. Normas utilizadas: ISO 1940-1 — Requisitos de calidad del equilibrado para rotores rígidos.
8. Fecha: 15.06.2014
9. Resumen de los resultados del balance:
| # | Medición | Vibración, mm/seg | Desequilibrio, g·mm |
|---|---|---|---|
| 1 | Antes de equilibrar * | 6.7 | 6135 |
| 2 | Después de equilibrar | 1.5 | 1350 |
| Tolerancia ISO 1940 para la clase G 6.3 | 1500 | ||
*El equilibrio se realizó con el peso correctivo instalado de fábrica restante en la hélice.
10. Hallazgos:
10.1. La vibración residual (desequilibrio) después de equilibrar la hélice en el eje de salida de la caja de cambios del Su-29 se redujo en más de 4 veces en comparación con el estado inicial.
10.2. Los parámetros del peso correctivo (masa, ángulo) difieren significativamente de los instalados por el fabricante (MT-Propeller). Se instaló un peso correctivo adicional de 40,9 g, desplazado 130° respecto al peso de fábrica. Este peso no se retiró.
Para identificar la causa específica, es necesario:
- comprobar el sistema de medición y la precisión geométrica del montaje del husillo en la equilibradora del fabricante;
- Verifique el descentramiento radial de la hélice en el eje de salida de la caja de cambios del Su-29.
Ejecutor:
Especialista jefe, Vibromera
V. D. Feldman
Preguntas frecuentes
¿Qué es el equilibrio de la hélice de campo y por qué es importante?
El balanceo de la hélice en campo se realiza con la hélice instalada en la aeronave, funcionando a velocidad operativa. A diferencia del balanceo estático de fábrica (realizado fuera de la aeronave), este tiene en cuenta las condiciones reales de instalación: tolerancias de la caja de cambios, geometría de montaje y el sistema dinámico completo de la aeronave. En nuestro caso, el Su-29, el peso correctivo requerido en campo se desplazó 130° respecto al peso instalado de fábrica, lo que demuestra que el balanceo de fábrica por sí solo puede ser insuficiente para obtener resultados óptimos.
¿Qué equipo se necesita para equilibrar la hélice de una aeronave?
El kit de equilibrado Balanset-1A incluye un sensor de vibración (acelerómetro), un sensor láser de ángulo de fase (tacómetro), una unidad de interfaz USB para el procesamiento digital de señales y un ordenador con software de equilibrado. Los sensores se montan en la carcasa de la caja de engranajes del motor mediante un soporte magnético. Una marca de cinta reflectante en una pala de la hélice sirve como referencia de fase.
¿Cómo se selecciona la RPM de equilibrio?
La frecuencia de rotación para el balanceo debe proporcionar la máxima desintonización con respecto a las frecuencias naturales de los elementos estructurales de la aeronave (suspensión del motor, palas de la hélice, aeronave sobre su chasis). Además, las RPM seleccionadas deben proporcionar mediciones de vibración estables en amplitud y fase entre cada prueba. Para el Yak-52, se seleccionaron 1150 rpm (60%); para el Su-29, 1350 rpm (70%).
¿Qué niveles de vibración son aceptables después del equilibrado?
Según la norma ISO 1940 para la clase G 6.3, el desequilibrio residual no debe superar los 1500 g·mm. En la práctica, se obtienen buenos resultados con vibraciones inferiores a 2,5 mm/s RMS a la frecuencia de rotación de la hélice. En el Su-29, el equilibrado alcanzó 1,5 mm/s con un desequilibrio residual de 1350 g·mm, dentro de la tolerancia ISO.
¿Puede el equilibrio de la hélice eliminar todas las vibraciones de la aeronave?
No. El espectro de vibración de una aeronave de pistón incluye componentes del cigüeñal, el grupo de pistones, el accionamiento del compresor de aire y resonancias estructurales. Nuestro análisis del Yak-52 demostró que incluso la eliminación completa del desequilibrio de la hélice reduciría la vibración total en tan solo 1,5 veces en la mayoría de los modos de funcionamiento. En los modos 82% y 94%, el segundo armónico del cigüeñal dominó la vibración total en un factor de 3 a 7 sobre el componente de la hélice.
¿Con qué frecuencia se deben equilibrar las hélices de los aviones?
Las hélices deben equilibrarse durante las inspecciones importantes, después de reparaciones o daños, y siempre que se detecte una vibración excesiva. Las aeronaves acrobáticas pueden requerir un equilibrado más frecuente debido a una mayor carga de tensión. El monitoreo periódico de vibraciones mediante análisis espectral (disponible en el software Balanset-1A) también puede servir como herramienta de diagnóstico para evaluar el estado del motor.
¿Qué modelos de Balanset están disponibles para equilibrar la hélice?
Vibromera ofrece varios modelos adecuados para equilibrar hélices y rotores: el Balanset-1A (1.975 €) es un sistema portátil de doble canal utilizado en este estudio; Balanset-1A OEM (€1,735) is an integration-ready version for workshops and maintenance organizations; the Balanset-4 (6.803 €) es un sistema de cuatro canales para tareas complejas de equilibrado multiplano. Todos los modelos incluyen análisis espectral de vibraciones y se suministran con sensores de vibración, tacómetro láser, hardware de montaje magnético y software para PC.
¿Puede Vibromera realizar el balanceo de hélices en sitio como servicio?
Sí. Además de fabricar y vender equipos de balanceo, Vibromera ofrece servicios de balanceo en campo para maquinaria rotativa. Para organizaciones que no requieren su propio equipo de balanceo, o para tareas complejas puntuales, los especialistas de Vibromera pueden realizar balanceo dinámico in situ utilizando la misma instrumentación Balanset descrita en este informe. Las consultas de servicio pueden dirigirse a página de contacto.
