Lentokoneen potkurin tasapainottamisesta kenttäympäristössä. Osa 1

1. V.D. Feldman

OU Vibromeran pääteknikko

Ilma-aluksen potkurin tasapainottaminen kenttäolosuhteissa.

 "Potkuri on lentokoneen kuljettaja,

ja tasapainottaa se voi vain striver"

1. Osoitteessa esipuheen sijasta

Kaksi ja puoli vuotta sitten yrityksemme aloitti Balanset-1:n sarjatuotannon, joka on tarkoitettu roottorimekanismien tasapainottamiseen omissa laakereissaan.

Tähän mennessä on tuotettu yli 180 sarjaa, joita käytetään tehokkaasti eri teollisuudenaloilla, kuten puhaltimien, pakokaasupuhaltimien, sähkömoottoreiden, työkarojen, pumppujen, murskainten, erottimien, sentrifugien, vetoakselien ja kampiakselien sekä muiden mekanismien tuotannossa ja käytössä.

Yrityksemme on viime aikoina saanut lukuisia pyyntöjä organisaatioilta ja yksityishenkilöiltä mahdollisuudesta käyttää laitteitamme lentokoneiden ja helikoptereiden potkurien tasapainottamiseen kenttäympäristössä.

Valitettavasti asiantuntijamme, joilla on paljon kokemusta erilaisten koneiden tasapainottamisesta, eivät ole koskaan käsitelleet tätä ongelmaa. Siksi neuvot ja suositukset, joita pystyimme antamaan asiakkaillemme, olivat luonteeltaan yleisiä, eivätkä ne aina auttaneet heitä ratkaisemaan ongelmaa tehokkaasti.

Tänä keväänä tilanne alkoi muuttua parempaan suuntaan V. D. Chvokovin aktiivisen kannanoton ansiosta, sillä hän järjesti ja osallistui yhdessä meidän kanssamme aktiivisimmin YAK-52:n ja SU-29:n, joiden lentäjä hän on, potkureiden tasapainotustöihin.

Kuva 1.1. Jak-52 lentopaikalla

Kuva 1.2. SU-29 pysäköintialueella

Tämän prosessin aikana olemme oppineet tiettyjä taitoja ja teknologiaa lentokoneiden potkureiden tasapainottamisesta kenttäympäristössä Balanset-1:n avulla, mukaan lukien:

• tärinäanturien ja vaihekulman asennuspaikkojen ja -menetelmien määrittäminen laitoksessa;
• määritetään useiden ilma-aluksen rakenneosien (moottorin ripustus, potkurin lapa) resonanssitaajuudet;
• moottorin pyörimisnopeuksien (toimintatilojen) tunnistaminen siten, että tasapainotusprosessin jäännösepätasapaino on mahdollisimman pieni;
• potkurin jäännösepätasapainon toleranssien määrittäminen jne.

Lisäksi olemme saaneet mielenkiintoisia tietoja M-14P-moottoreilla varustettujen lentokoneiden tärinätasoista.

Seuraavassa ehdotetaan raportointimateriaalia näiden töiden tulosten perusteella.

Tasapainotustulosten lisäksi ne sisältävät YAK-52:n ja SU-29:n tärinätutkimustulokset, jotka on saatu testeissä maassa ja lennossa.

Nämä tiedot voivat kiinnostaa sekä lentäjiä että huoltoasiantuntijoita.

2. Potkurin tasapainottamisen ja tärinätestauksen tulokset taitolentokoneen YAK-52:n osalta

2.1. Johdanto

Touko-heinäkuussa 2014 suoritimme M-14P-lentokoneen moottorilla varustetun YAK-52:n tärinätestauksen sekä sen kaksilapaisen potkurin tasapainotuksen.

Tasapainotus suoritettiin samassa tasossa käyttäen Balanset-1-tasapainotussarjaa, laitosnumero 149.

Tasapainotuksessa käytetty mittausjärjestelmä esitetään kuvassa 2.1.

Tasapainotusprosessin aikana tärinäanturi (kiihtyvyysanturi) 1 kiinnitettiin moottorin vaihteiston etukanteen käyttämällä magneettia erityisessä kiinnikkeessä.

Vaihekulman laseranturi 2 oli myös asennettu vaihteen kanteen, ja sitä ohjasi heijastava tarra, joka oli kiinnitetty yhteen potkurin lapaan.

Antureiden analogiset signaalit siirrettiin kaapeleita pitkin Balanset-1:n mittausyksikköön, jossa ne käsiteltiin alustavasti digitaalisesti.

Lisäksi nämä digitaalisessa muodossa olevat signaalit välitettiin tietokoneelle, joka käsitteli niitä ja laski potkurin epätasapainon kompensoimiseksi tarvittavan korjauspainon massan ja asennuskulman.

Kuva 2.1. YAK-52:n tasapainottavan potkurin mittausjärjestelmä.

Zk - pääpyörästön pyörä;

Zс - pyydyssatelliitit;

Zn - kiinteä hammaspyörä.

Tämän työn aikana suoritimme SU-29:n ja YAK-52:n potkurien tasapainottamisesta saadut kokemukset huomioon ottaen useita lisätutkimuksia, kuten:

• YAK-52:n moottorin ja potkurin värähtelyjen ominaistaajuuksien määrittäminen;
• tutkia perämiehen ohjaamossa esiintyvän tärinän arvoa ja spektrikoostumusta lennon aikana potkurin tasapainottamisen jälkeen;
• tutkia perämiehen ohjaamossa esiintyvän tärinän arvoa ja spektrikoostumusta lennon aikana potkurin tasapainottamisen ja moottorin vaimenninlaitteen kiristysvoiman säätämisen jälkeen.

2.2. Moottorin ja potkurin ominaistaajuuksia koskevien tutkimusten tulokset.

Lentokoneen rungossa oleviin vaimentimiin asennetun moottorin ominaistaajuudet määritettiin käyttäen spektrianalysaattoria AD-3527, f. A @ D, (Japani), moottorin värähtelyjen iskuherätteellä.

Määritimme neljä päätaajuutta: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz ja 120 Hz YAK-52:n moottorin jousituksen ominaistaajuuksien spektrissä, josta esimerkki on esitetty kuvassa 2.2.

Kuva 2.2. YAK-52:n moottorijousituksen värähtelyjen ominaistaajuuksien spektri.

Taajuudet 74Hz, 94Hz ja 120Hz liittyvät todennäköisesti moottorin kiinnitykseen (ripustukseen) lentokoneen runkoon.

Taajuus 20 Hz liittyy todennäköisesti lentokoneen värähtelyihin alustalla.

Potkurin lapojen ominaistaajuudet määritettiin myös iskuherätemenetelmällä.

Tässä tapauksessa ilmeni neljä päätaajuutta, nimittäin: 36Hz, 80Hz, 104Hz ja 134Hz.

YAK-52:n potkurin ja moottorin värähtelyjen ominaistaajuuksia koskevat tiedot voivat olla ensisijaisen tärkeitä tasapainotuksessa käytettävän potkurin pyörimistaajuuden valinnassa. Tärkein edellytys tämän taajuuden valinnalle on varmistaa, että se poikkeaa mahdollisimman paljon ilma-aluksen rakenneosien ominaistaajuuksista.

Lisäksi ilma-aluksen yksittäisten komponenttien ja osien värähtelyjen ominaistaajuuksien tunteminen voi olla hyödyllistä, kun halutaan selvittää syyt värähtelyspektrin tiettyjen osien jyrkkään kasvuun (resonanssin tapauksessa) eri moottorin kierrosnopeuksilla.

2.3. Tasapainotuksen tulokset.

Kuten edellä todettiin, potkuri tasapainotettiin samassa tasossa, minkä seurauksena potkurin tehon epätasapaino dynamiikassa kompensoitiin.

Dynaaminen tasapainotus kahdessa tasossa ei ollut mahdollista, mikä mahdollistaisi (voiman lisäksi) potkurin momentin epätasapainon kompensoinnin, koska YAK-52:een asennetun potkurin rakenteen ansiosta on mahdollista muodostaa vain yksi korjaustaso.

Potkuri tasapainotettiin sen pyörimisnopeudella, joka oli 1 150 rpm (60%), jolloin oli mahdollista saada mahdollisimman vakaat tulokset värähtelymittauksista amplitudin ja vaiheen osalta alusta alkaen.

Potkuri tasapainotettiin klassisen "kaksi starttia" -järjestelmän mukaisesti.

Ensimmäisen käynnistyksen aikana määritimme värähtelyn amplitudin ja vaiheen potkurin pyörimistaajuudella alkutilanteessa.

Toisen käynnistyksen aikana määritettiin värähtelyn amplitudi ja vaihe potkurin pyörimisnopeudella sen jälkeen, kun todistusmassa oli 7 g.

Nämä tiedot huomioon ottaen laskimme ohjelmallisesti massan M = 19,5 g ja korjauspainon asennuskulman F = 32.

Ottaen huomioon potkurin rakenteelliset ominaisuudet, joiden vuoksi korjauspainoa ei voida sijoittaa haluttuun kulmaan, potkuriin kiinnitetään kaksi vastaavaa painoa, jotka ovat:

• M1-paino = 14 g kulmassa F1 = 0º;
• M1-paino = 8,3 g kulmassa F1 = 60º.

Kun potkuriin oli asennettu edellä mainitut korjaavat painot, potkurin epätasapainoon liittyvä tärinä, joka mitattiin pyörimisnopeudella 1150 rpm, väheni alkutilanteen 10,2 mm/s:sta 4,2 mm/s:iin tasapainottamisen jälkeen.

Samalla potkurin todellinen epätasapaino pieneni 2 340 g*mm:stä 963 g*mm:iin.

2.4. Tasapainotuksen vaikutuksen testaaminen YAK-52:n tärinätasoon maassa eri potkurin nopeuksilla.

Taulukossa 2.1 esitetään YAK-52:n tärinätestauksen tulokset, jotka on tehty muissa moottorin käyttöolosuhteissa, jotka on saatu maassa suoritettujen testien aikana.

Kuten taulukosta käy ilmi, tasapainottamisella oli myönteinen vaikutus YAK-52:n värähtelyyn sen kaikissa toimintatiloissa.

Taulukko 2.1

Lisäksi maassa tehdyissä testeissä havaittiin, että lentokoneen tärinä vähenee merkittävästi, kun potkurin pyörimisnopeutta nostetaan.

Ilmiö voidaan selittää sillä, että potkurin pyörimisnopeus poikkeaa enemmän lentokoneen luonnollisesta värähtelytaajuudesta alustalla (oletettavasti 20 Hz), mikä tapahtuu potkurin pyörimisnopeuden kasvaessa.

2.5. YAK-52:n tärinän tarkastelu ilmassa tärkeimmissä lentotiloissa ennen ja jälkeen vaimenninten kiristysvoiman säätämisen.

Potkurin tasapainottamisen jälkeen maassa tehtyjen tärinätestausten (ks. kohta 2.3) lisäksi tehtiin mittauksia YAK-52:n tärinästä lennon aikana.

Tärinä lennon aikana mitattiin perämiehen ohjaamossa. pystysuunnassa käyttäen kannettavaa värähtelyspektrianalysaattoria AD-3527 f. A@D (Japani) taajuusalueella 5-200 (500) Hz.

Mittaukset suoritettiin viidellä päämoottorin kierrosnopeudella, jotka olivat 60%, 65%, 70% ja 82% sen suurimmasta pyörimisnopeudesta.

Taulukossa 2.2 esitetään ennen vaimenninten säätöä tehtyjen mittausten tulokset.

Taulukko 2.2

Kuvissa 2.3 ja 2.4 on esitetty esimerkiksi kuvaajat spektreistä, jotka saatiin mitattaessa värähtelyä YAK-52:n ohjaamossa moodeissa 60% ja 94% ja joita käytettiin taulukon 2.2 täyttämisessä.

Kuva 2.3. Värähtelyspektri YAK-52:n ohjaamossa 60%:n lämpötilassa.

Kuva 2.4. Värähtelyspektri YAK-52:n ohjaamossa klo 94%.

Kuten taulukosta 2.2 käy ilmi, perämiehen ohjaamossa mitatut tärinän pääkomponentit ilmenevät potkurin pyörimisnopeuksissa Vv1 (korostettu keltaisella), moottorin kampiakselissa Vk1 (korostettu sinisellä) ja ilmakompressorin voimansiirtovaihteessa (ja/tai taajuusanturissa) Vn ( korostettu vihreällä) sekä niiden korkeammissa harmonisissa Vv2, Vv4, Vv5 ja Vk2, Vk3.

Suurin kokonaistärinä Vå  havaittiin nopeuksilla 82% (potkurin 1 580 rpm) ja 94% (1 830 rpm).

Tämän värähtelyn pääkomponentti ilmenee kohdassa 2^nd moottorin kampiakselin nopeuden Vk2 harmoninen yliaalto ja saavuttaa näin ollen arvot 12,5 mm/s taajuudella 4800 sykliä/min ja 15,8 mm/s taajuudella 5520 sykliä/min.

Voidaan olettaa, että tämä komponentti liittyy moottorin mäntälohkon toimintaan (iskujen aiheuttamat prosessit, kun männät siirtyvät kaksi kertaa kampiakselin yhden kierroksen aikana).

Tämän komponentin jyrkkä kasvu tiloissa 82% (ensimmäinen nimellinen) ja 94% (lentoonlähtö) ei todennäköisesti johdu mäntäryhmän vioista vaan lentokoneen runkoon kiinnitetyn moottorin resonanssivärähtelyistä vaimentimessa.

Tämä päätelmä vahvistetaan edellä esitetyillä moottorin jousituksen värähtelyjen ominaistaajuuksien kokeellisen todentamisen tuloksilla, joiden spektrissä on 74 Hz (4440 sykliä/min), 94 Hz (5640 sykliä/min) ja 120 Hz (7200 sykliä/min).

Kaksi näistä ominaistaajuuksista, jotka ovat 74 ja 94 Hz, ovat lähellä 2 Hz:n taajuuksia.^nd kampiakselin pyörimisnopeuden harmoniset yliaallot, jotka esiintyvät moottorin käytön ensimmäisissä nimellis- ja lentoonlähtöluokissa.

Koska tärinätesteissä havaittiin merkittäviä tärinöitä 2^nd kampiakselin harmonisen harmonisen kierron perusteella moottorin ensimmäisessä nimellis- ja lentoonlähtöluokituksessa pyrittiin tarkistamaan ja säätämään moottorin jousitusvaimentimien kiristysvoimaa.

Taulukossa 2.3 esitetään vertailutestien tulokset, jotka saatiin ennen ja jälkeen vaimentimien säätämisen potkurin pyörimisnopeuden (Vv1) ja 2^nd kampiakselin pyörimistaajuuden harmoninen yliaalto (Vk2).

Taulukko 2.3

Kuten taulukosta 2.3 nähdään, vaimentimien säätö ei johtanut merkittäviin muutoksiin lentokoneen tärinän pääkomponenttien arvoissa.

Edellä esitetyn perusteella voidaan katsoa, että YAK-52:n värähtelykomponentin huomattava lisääntyminen ensimmäisessä nimellis- ja lentoonlähtömoodissa on (mielestämme) ilma-aluksen suunnittelijoiden tekemä konstruktiivinen virhearviointi, jonka he tekivät valitessaan moottorin kiinnitysjärjestelmää (jousitusta) ilma-aluksen runkoon.

Tältä osin on huomattava, että potkurin epätasapainoon liittyvän spektrikomponentin amplitudi Vv1, joka havaittiin 82%-tiloissa ja 94%-tiloissa (ks. taulukot 1.2 ja 1.3), on vastaavasti 3-7 kertaa pienempi kuin amplitudit Vk2 näissä tiloissa.

Muissa lentotiloissa Vv1-komponentti on 2,8-4,4 mm/s.

Lisäksi, kuten taulukoista 2.2 ja 2.3 käy ilmi, moodista toiseen siirryttäessä sen muutokset eivät määräydy pääasiassa tasapainotuksen laadun perusteella vaan sen perusteella, missä määrin potkurin pyörimisnopeus poikkeaa ilma-aluksen tiettyjen rakenneosien ominaistaajuuksista.

2.6. Päätelmät työn tuloksista

2.6.1. YAK-52:n potkurin tasapainottaminen 1150 rpm:n pyörimisnopeudella (60%) mahdollisti potkurin tärinän vähentämisen 10,2 mm/s:sta 4,2 mm/s:iin.

Kun otetaan huomioon tietyt kokemukset, jotka on saatu YAK-52:n ja SU-29:n potkureiden tasapainottamisesta Balanset-1:llä, voidaan olettaa, että YAK-52:n potkurin tärinätasoa on mahdollista alentaa edelleen.

Tämä vaikutus voidaan saavuttaa erityisesti valitsemalla potkurin tasapainottamisen ajaksi erilainen (korkeampi) pyörimisfrekvenssi, joka mahdollistaa suuremman irrottautumisen testin aikana havaitusta ilma-aluksen luonnollisesta 20 Hz:n (1 200 sykliä/min) värähtelytaajuudesta.

2.6.2. Kuten YAK-52:n värähtelytestien tulokset lennon aikana osoittavat, sen värähtelyspektrissä on (edellä 2.6.1 kohdassa mainitun potkurin pyörimistaajuudella ilmenevän komponentin lisäksi) useita muita komponentteja, jotka liittyvät kampiakselin, moottorin mäntäryhmän ja myös ilmakompressorin (ja/tai taajuusanturin) käyttölaitteen toimintaan.

Edellä mainittujen värähtelyjen arvot moodeissa 60%, 65% ja 70% ovat suhteessa potkurin epätasapainoon liittyvän värähtelyn arvoon.

Näiden värähtelyjen analyysi osoittaa, että jopa potkurin epätasapainon aiheuttaman värähtelyn täydellinen poistaminen vähentää lentokoneen kokonaistärinää näissä moodeissa enintään 1,5-kertaisesti.

2.6.3. Suurin kokonaistärinä Vå YAK-52 havaittiin suurnopeustiloissa, nimittäin: 82% (potkurin 1 580 rpm) ja 94% (potkurin 1 830 rpm).

Tämän värähtelyn pääkomponentti ilmenee kohdassa 2^nd moottorin kampiakselin pyörimistaajuuden Vk2 harmoninen yliaalto (taajuudella 4800 sykliä/min tai 5520 sykliä/min), jolloin arvot ovat 12,5 mm/s ja 15,8 mm/s.

Voidaan olettaa, että tämä komponentti liittyy moottorin mäntäryhmän toimintaan (iskuprosessit, jotka syntyvät, kun männät siirtyvät kaksi kertaa kampiakselin yhden kierroksen aikana).

Tämän komponentin jyrkkä kasvu moodeissa 82% (ensimmäinen nimellinen) ja 94% (lentoonlähtö) ei todennäköisesti johdu mäntäryhmän vioista, vaan moottorin resonanssivärähtelyistä, jotka on kiinnitetty lentokoneen runkoon vaimentimiin.

Testien aikana vaimenninten säätö ei johtanut merkittäviin muutoksiin tärinässä.

Tätä tilannetta voidaan pitää lentokoneen suunnittelijoiden tekemänä rakentavana laskuvirheenä, jonka he tekivät valitessaan moottorin kiinnitysjärjestelmää (ripustusta) lentokoneen runkoon.

2.6.4. Tasapainotuksen ja muiden tärinäkokeiden aikana saatujen tietojen perusteella (ks. lentokokeiden tulokset kohdassa 2.5) voidaan päätellä, että säännöllinen tärinän seuranta voi olla hyödyllistä lentokoneen moottorin teknisen kunnon diagnostisessa arvioinnissa.

Tällainen menettely voidaan suorittaa esimerkiksi Balanset-1-ohjelmistolla, jonka ohjelmistossa on spektrivärähtelyanalyysitoiminto.