Tentang Penyeimbangan Baling-Baling Pesawat Terbang dalam Kondisi Lapangan

1. Kata Pengantar

Dua setengah tahun yang lalu, perusahaan kami memulai produksi massal perangkat "Balanset-1", yang dirancang untuk menyeimbangkan mekanisme putar pada bantalan internalnya.

Hingga saat ini, lebih dari 180 set telah diproduksi. Alat ini efektif digunakan di berbagai industri, termasuk produksi dan pengoperasian kipas angin, peniup udara, motor listrik, poros mesin, pompa, penghancur, pemisah, sentrifugal, rakitan poros kardan dan poros engkol, serta mekanisme serupa lainnya.

Baru-baru ini, Vibromera telah menerima banyak pertanyaan dari berbagai organisasi dan individu mengenai kemungkinan penggunaan peralatan kami untuk menyeimbangkan baling-baling pesawat terbang dan helikopter di kondisi lapangan.

Sayangnya, para spesialis kami, meskipun memiliki pengalaman bertahun-tahun dalam menyeimbangkan berbagai mesin, belum pernah menangani masalah spesifik ini sebelumnya. Oleh karena itu, saran dan rekomendasi yang dapat kami berikan kepada pelanggan kami cukup umum dan tidak selalu memungkinkan mereka untuk menyelesaikan tugas yang ada secara efektif.

Situasi ini mulai berubah menjadi lebih baik pada musim semi ini, berkat keterlibatan aktif VD Chvokov, yang mengorganisir dan ikut serta bersama kami dalam pekerjaan penyeimbangan baling-baling pesawat Yak-52 dan Su-29, yang ia pilotkan.

Selama pekerjaan ini, keterampilan tertentu diperoleh dan teknologi untuk menyeimbangkan baling-baling pesawat di kondisi lapangan menggunakan perangkat "Balanset-1" dikembangkan, termasuk:

• Menentukan lokasi dan metode pemasangan (penempatan) sensor getaran dan sudut fasa pada pesawat terbang;
• Menentukan frekuensi resonansi dari beberapa elemen struktural pesawat terbang (suspensi mesin, bilah baling-baling);
• mengidentifikasi frekuensi putaran mesin (mode operasi) yang memastikan ketidakseimbangan residual minimum yang dapat dicapai selama penyeimbangan;
• Menetapkan toleransi untuk ketidakseimbangan sisa pada baling-baling.

Selain itu, data menarik mengenai tingkat getaran pesawat yang dilengkapi dengan mesin M-14P juga diperoleh.

Berikut ini adalah materi laporan yang disusun dari hasil pekerjaan ini. Selain hasil penyeimbangan, laporan ini menyajikan data dari survei getaran pesawat Yak-52 dan Su-29, yang diperoleh selama uji darat dan penerbangan. Data ini mungkin menarik bagi pilot pesawat dan spesialis yang terlibat dalam perawatannya.

2. Survei Keseimbangan dan Getaran Yak-52

2.1. Pendahuluan

Pada bulan Mei–Juli 2014, pekerjaan dilakukan pada survei getaran pesawat Yak-52, yang dilengkapi dengan mesin penerbangan M-14P, dan penyeimbangan baling-baling dua bilahnya.

Penyeimbangan dilakukan dalam satu bidang menggunakan kit "Balanset-1", nomor seri 149.

Skema pengukuran ditunjukkan pada Gambar 2.1. Selama penyeimbangan, sensor getaran (akselerometer) 1 Dipasang pada penutup depan gearbox mesin menggunakan dudukan magnet pada braket yang dirancang khusus. Sensor sudut fase laser 2 juga dipasang pada penutup gearbox dan diarahkan ke tanda reflektif yang diterapkan pada salah satu bilah baling-baling.

Sinyal analog dari sensor ditransmisikan melalui kabel ke unit pengukuran perangkat "Balanset-1", di mana pemrosesan digital awal dilakukan. Sinyal-sinyal dalam bentuk digital ini kemudian masuk ke komputer, di mana pemrosesan perangkat lunak dilakukan dan massa serta sudut beban koreksi yang dibutuhkan untuk mengkompensasi ketidakseimbangan baling-baling dihitung.

Selama pekerjaan ini, dengan mempertimbangkan pengalaman yang diperoleh dari penyeimbangan baling-baling Su-29 dan Yak-52, sejumlah studi tambahan dilakukan:

• Menentukan frekuensi alami osilasi mesin dan baling-baling Yak-52;
• mengukur besaran getaran dan komposisi spektral di kabin pilot kedua selama penerbangan setelah penyeimbangan baling-baling;
• mengukur getaran setelah penyeimbangan baling-baling dan setelah menyesuaikan gaya pengencangan peredam kejut mesin.

2.2. Frekuensi Alami Osilasi Mesin dan Propeller

Frekuensi alami osilasi mesin, yang dipasang pada peredam kejut di badan pesawat, ditentukan menggunakan penganalisis spektrum AD-3527 dari A&D (Jepang) melalui eksitasi benturan.

Dalam spektrum osilasi alami suspensi mesin Yak-52 (Gambar 2.2), empat frekuensi utama diidentifikasi: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz.

Frekuensi 74 Hz, 94 Hz, dan 120 Hz kemungkinan terkait dengan karakteristik dudukan (suspensi) mesin pada badan pesawat. Frekuensi 20 Hz kemungkinan besar terkait dengan osilasi alami pesawat pada sasis roda pendaratannya.

Frekuensi alami bilah baling-baling juga ditentukan menggunakan metode eksitasi tumbukan. Empat frekuensi utama diidentifikasi: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz, dan 134 Hz.

Data tentang frekuensi alami osilasi suspensi mesin dan bilah baling-baling sangat penting terutama untuk memilih frekuensi putaran baling-baling selama penyeimbangan. Kondisi utama dalam memilih frekuensi ini adalah untuk memastikan detuning maksimum dari frekuensi alami osilasi elemen struktural pesawat, karena pada frekuensi resonansi akurasi dan pengulangan pengukuran getaran dapat terganggu secara signifikan.

Selain itu, pengetahuan tentang frekuensi alami masing-masing komponen dapat berguna untuk mengidentifikasi penyebab peningkatan getaran yang tajam (fenomena resonansi) pada berbagai mode kecepatan mesin, yang mungkin muncul selama pengoperasian pesawat.

2.3. Hasil Penyeimbangan

Seperti yang disebutkan di atas, penyeimbangan baling-baling dilakukan dalam satu bidang, sehingga mengkompensasi ketidakseimbangan gaya baling-baling secara dinamis.

Penyeimbangan dinamis dalam dua bidang (yang juga akan mengkompensasi ketidakseimbangan momen) tidak memungkinkan, karena desain baling-baling pada Yak-52 hanya memungkinkan satu bidang koreksi.

Penyeimbangan dilakukan pada frekuensi rotasi 1150 rpm (60%), di mana pengukuran getaran yang paling stabil, baik dalam amplitudo maupun fase, diperoleh dari satu pengujian ke pengujian berikutnya.

Skema "dua jalur" klasik digunakan:

1. Pada percobaan pertama, amplitudo dan fase getaran pada frekuensi putaran baling-baling dalam keadaan awal ditentukan.
2. Pada percobaan kedua, amplitudo dan fase getaran setelah memasang massa percobaan sebesar 7 g pada baling-baling ditentukan.
3. Berdasarkan data ini, perangkat lunak menghitung: massa koreksi M = 19,5 g pada sudut F = 32°.

Karena fitur desain baling-baling yang tidak memungkinkan pemasangan beban koreksi pada sudut yang dibutuhkan yaitu 32°, maka dipasang dua beban setara:

• M1 = 14 g pada sudut F1 = 0°
• M2 = 8,3 g pada sudut F2 = 60°

2.4. Getaran pada Mode Operasi Lainnya

Hasil pemeriksaan getaran pada mode operasi mesin lainnya selama pengujian di darat disajikan pada Tabel 2.1. Seperti yang dapat dilihat, penyeimbangan tersebut berpengaruh positif terhadap getaran Yak-52 pada semua mode.

Selain itu, selama pengujian di darat, tren yang jelas berupa pengurangan getaran yang signifikan seiring dengan peningkatan frekuensi putaran baling-baling teridentifikasi. Hal ini dapat dijelaskan oleh detuning frekuensi putaran baling-baling yang lebih besar dari frekuensi osilasi alami pesawat pada sasis (kemungkinan 20 Hz), yang terjadi pada frekuensi putaran yang lebih tinggi.

2.5. Getaran Saat Penerbangan Sebelum dan Setelah Penyesuaian Peredam Kejut

Selain pengujian getaran darat setelah penyeimbangan baling-baling (bagian 2.3), pengukuran getaran Yak-52 juga dilakukan saat terbang.

Getaran saat terbang diukur di kabin pilot kedua dalam arah vertikal menggunakan penganalisis spektrum portabel AD-3527 buatan A&D (Jepang) dalam rentang frekuensi 5 hingga 200 (500) Hz. Pengukuran dilakukan pada lima mode kecepatan mesin utama: 60%, 65%, 70%, 82%, dan 94% dari frekuensi rotasi maksimum.

Hasil yang diperoleh sebelum penyetelan peredam kejut disajikan pada Tabel 2.2.

Seperti yang terlihat pada Tabel 2.2, komponen getaran utama muncul pada frekuensi putaran baling-baling V._{hal. 1}, frekuensi poros engkol V_c1, penggerak kompresor udara (dan/atau sensor frekuensi) V_n, dan harmonik yang lebih tinggi.

Getaran total maksimum V_Σ ditemukan pada mode 82% (1580 rpm) dan 94% (1830 rpm). Komponen dominan pada mode ini muncul pada harmonik ke-2 dari frekuensi putaran poros engkol V._c2, mencapai 12,5 mm/detik pada 4800 siklus/menit dan 15,8 mm/detik pada 5520 siklus/menit.

Dapat diasumsikan bahwa komponen ini terkait dengan kelompok piston (proses benturan yang terjadi selama gerakan ganda piston per satu putaran poros engkol). Peningkatan tajam pada mode 82% (nominal pertama) dan 94% (lepas landas) kemungkinan besar disebabkan bukan oleh kerusakan kelompok piston, tetapi oleh osilasi resonansi mesin pada peredam kejutnya. Kesimpulan ini didukung oleh pengukuran frekuensi alami, yang mengungkapkan frekuensi suspensi mesin pada 74 Hz (4440 siklus/menit), 94 Hz (5640 siklus/menit), dan 120 Hz (7200 siklus/menit). Dua di antaranya — 74 Hz dan 94 Hz — mendekati frekuensi harmonik poros engkol ke-2 pada mode operasi nominal pertama dan lepas landas.

Karena getaran signifikan yang ditemukan di V_c2, Gaya pengencangan peredam kejut mesin diperiksa dan disesuaikan. Hasil perbandingan disajikan pada Tabel 2.3.

Seperti yang terlihat pada Tabel 2.3, penyesuaian peredam getaran tidak menyebabkan perubahan signifikan pada komponen getaran utama pesawat.

Perlu juga dicatat bahwa komponen ketidakseimbangan baling-baling V_{hal. 1} pada mode 82% dan 94% masing-masing 3–7 kali lebih rendah daripada V._c2 pada mode tersebut. Pada mode penerbangan lainnya, V_{hal. 1} berkisar antara 2,8 hingga 4,4 mm/detik, dan perubahannya antar mode terutama ditentukan bukan oleh kualitas penyeimbangan, tetapi oleh tingkat penyimpangan dari frekuensi alami elemen struktural pesawat.

2.6. Kesimpulan

2.6.1.

Penyeimbangan baling-baling Yak-52 pada frekuensi putaran 1150 rpm (60%) memungkinkan pengurangan getaran pada frekuensi putaran baling-baling dari 10,2 mm/detik menjadi 4,2 mm/detik. Dengan mempertimbangkan pengalaman yang telah dikumpulkan selama penyeimbangan baling-baling pesawat Yak-52 dan Su-29 menggunakan perangkat "Balanset-1", ada kemungkinan realistis untuk mencapai pengurangan tingkat getaran yang lebih besar — khususnya, dengan memilih frekuensi putaran baling-baling yang lebih tinggi selama penyeimbangan, yang akan memungkinkan detuning yang lebih besar dari frekuensi osilasi alami pesawat pada 20 Hz (1200 siklus/menit) yang diidentifikasi selama pengukuran.

2.6.2.

Sebagaimana ditunjukkan oleh uji getaran penerbangan (lihat Tabel 2.2 dan 2.3), spektrum getaran pesawat Yak-52 mengandung, selain getaran pada frekuensi putaran baling-baling V_{hal. 1}, beberapa komponen penting lainnya — terkait dengan poros engkol V_c1, V_c2, V_c3, kelompok piston mesin, dan kompresor udara (dan/atau sensor frekuensi) penggerak V_n.

Pada mode kecepatan 60%, 65%, dan 70%, komponen-komponen ini memiliki besaran yang sebanding dengan komponen ketidakseimbangan baling-baling V._{hal. 1}. Oleh karena itu, bahkan penghapusan total getaran yang disebabkan oleh ketidakseimbangan baling-baling hanya akan mengurangi total getaran pesawat pada mode-mode tersebut hingga sekitar 1,5 kali lipat.

2.6.3.

Getaran total maksimum V_Σ Getaran pada pesawat Yak-52 ditemukan pada mode kecepatan 82% (1580 rpm baling-baling) dan 94% (1830 rpm baling-baling). Komponen dominan dari getaran ini muncul pada harmonik ke-2 dari frekuensi putaran poros engkol V._c2, pada frekuensi 4800 siklus/menit dan 5520 siklus/menit secara berturut-turut, di mana ia mencapai nilai 12,5 mm/detik dan 15,8 mm/detik.

Seperti yang ditunjukkan pada bagian 2.5 dan 2.2, peningkatan tajam pada komponen ini pada mode yang ditunjukkan kemungkinan besar disebabkan bukan oleh kerusakan pada kelompok piston, tetapi oleh osilasi resonansi mesin pada peredam kejutnya. Penyesuaian gaya pengencangan peredam, yang dilakukan selama pengujian, tidak menyebabkan perubahan signifikan pada tingkat getaran.

Situasi ini mungkin dapat dianggap sebagai kelalaian desain.proschet konstruktivny) dari para pengembang pesawat, diakui selama pemilihan sistem pemasangan (suspensi) mesin di badan pesawat.

2.6.4.

Data yang diperoleh selama proses penyeimbangan baling-baling dan uji getaran tambahan yang dilakukan menunjukkan bahwa pemantauan getaran berkala dapat bermanfaat untuk penilaian diagnostik kondisi teknis mesin pesawat, termasuk evaluasi kondisi kelompok piston, poros engkol, bantalan mesin, dan penggerak kompresor udara.

Pekerjaan semacam itu dapat dilakukan, misalnya, menggunakan perangkat "Balanset-1" (yang saat ini diproduksi sebagai Keseimbangan-1a), di dalam perangkat lunak tersebut fungsi analisis getaran spektral diimplementasikan.

3. Penyeimbangan Propeller MTV-9-KC/CL 260-27 dan Survei Getaran Su-29

3.1. Pendahuluan

Pada tanggal 15 Juni 2014, pekerjaan dilakukan untuk menyeimbangkan baling-baling tiga bilah tipe MTV-9-KC/CL 260-27, yang terpasang pada mesin penerbangan M-14P pesawat akrobatik Su-29.

Menurut data yang diberikan oleh pabrikan (MT-Propeller), baling-baling yang ditunjukkan telah diseimbangkan secara statis terlebih dahulu, sebagaimana dibuktikan dengan adanya beban korektif yang dipasang di pabrik pada baling-baling di bidang 1.

Penyeimbangan baling-baling, yang dipasang langsung pada poros keluaran gearbox Su-29 (yaitu di tempat pemasangan permanennya), dilakukan menggunakan perangkat penyeimbang getaran "Balanset-1", nomor seri 149.

Skema pengukuran (Gambar 3.1) secara umum serupa dengan yang digunakan untuk Yak-52. Sensor getaran (akselerometer) 1 Dipasang pada rumah girboks mesin menggunakan dudukan magnet pada braket yang dirancang khusus. Sensor sudut fase laser 2 Sensor tersebut juga dipasang pada rumah girboks dan diarahkan ke tanda reflektif yang diterapkan pada salah satu bilah baling-baling. Sinyal analog dari sensor ditransmisikan melalui kabel ke unit pengukuran perangkat "Balanset-1", di mana pemrosesan digital awal dilakukan. Setelah itu, sinyal dalam bentuk digital masuk ke komputer, di mana pemrosesan perangkat lunak dilakukan dan massa serta sudut beban koreksi yang dibutuhkan untuk mengkompensasi ketidakseimbangan baling-baling dihitung.

Sebelum pekerjaan ini, dan dengan mempertimbangkan pengalaman dari penyeimbangan baling-baling Yak-52, studi tambahan telah dilakukan:

• Menentukan frekuensi alami osilasi mesin dan baling-baling Su-29;
• memeriksa besaran dan komposisi spektral getaran dasar di kabin pilot kedua sebelum penyeimbangan.

3.2. Frekuensi Alami Osilasi Mesin dan Propeller

Dengan menggunakan metode eksitasi benturan yang sama dengan penganalisis AD-3527, enam frekuensi utama diidentifikasi dalam spektrum suspensi mesin (Gambar 3.2): 16Hz, 22Hz, 37Hz, 66Hz, 88Hz, 120Hz.

Frekuensi 66 Hz, 88 Hz, dan 120 Hz diduga berhubungan langsung dengan kekhasan sistem pemasangan (suspensi) mesin pada badan pesawat. Frekuensi 16 Hz dan 22 Hz kemungkinan besar terkait dengan osilasi alami pesawat secara keseluruhan pada sasisnya. Adapun frekuensi 37 Hz, kemungkinan terkait dengan frekuensi osilasi alami bilah baling-baling pesawat.

Asumsi terakhir ini dikonfirmasi oleh hasil pengukuran frekuensi alami osilasi bilah baling-baling (Gambar 3.3), yang dalam spektrumnya teridentifikasi tiga frekuensi utama: 37 Hz, 100 Hz, dan 174 Hz.

Pengetahuan tentang frekuensi alami suspensi mesin dan bilah baling-baling Su-29 sangat penting secara praktis. Pertama, hal ini memungkinkan pemilihan frekuensi putaran baling-baling yang tepat untuk penyeimbangan, memastikan detuning maksimum dari resonansi struktural pesawat. Kedua, hal ini memberikan dasar yang diperlukan untuk interpretasi dan diagnosis yang benar terhadap penyebab getaran yang diamati pada berbagai mode operasi mesin, seperti yang akan ditunjukkan pada bagian selanjutnya dari laporan ini.

3.3. Getaran Kabin Dasar Sebelum Penyeimbangan

Sebelum melakukan prosedur penyeimbangan, pengukuran tingkat getaran dasar di kabin pilot kedua Su-29 dilakukan. Seperti pada Yak-52, getaran diukur dalam arah vertikal menggunakan penganalisis spektrum portabel AD-3527 dari A&D (Jepang) dalam rentang frekuensi 5 hingga 200 Hz. Pengukuran dilakukan pada empat mode kecepatan mesin utama, yang sesuai dengan 60%, 65%, 70%, dan 82% dari frekuensi rotasi maksimum baling-baling.

Hasil pengukuran ini disajikan dalam Tabel 3.1.

Komponen getaran utama muncul pada frekuensi putaran baling-baling V._{hal. 1}, poros engkol V_c1, penggerak kompresor V_n, dan harmonik poros engkol ke-2 V_c2 (yang dalam kasus baling-baling tiga bilah mungkin juga bertepatan dengan frekuensi putaran bilah V)_{hal. 3}).

Dalam spektrum mode 60%, ditemukan juga komponen yang tidak teridentifikasi pada 6120 siklus/menit, kemungkinan disebabkan oleh resonansi pada sekitar 100 Hz — salah satu frekuensi alami bilah baling-baling.

Getaran total maksimum (11,5 mm/detik) ditemukan pada mode 70%. Komponen dominan pada mode ini adalah V._c2 pada 4020 siklus/menit, mencapai 10,8 mm/detik. Peningkatan tajam pada 70% ini kemungkinan disebabkan oleh osilasi resonansi suspensi mesin di dekat 67 Hz (4020 siklus/menit).

Perlu juga dicatat bahwa, selain eksitasi benturan dari kelompok piston, getaran di wilayah frekuensi ini juga dapat dipengaruhi oleh gaya aerodinamis pada frekuensi putaran bilah baling-baling (V)._{hal. 3}Pada mode 65% dan 82%, terjadi peningkatan V yang cukup signifikan._c2 (V_{hal. 3}Komponen ) juga diamati, yang juga dapat dijelaskan oleh osilasi resonansi dari masing-masing komponen pesawat.

Komponen ketidakseimbangan baling-baling V_{hal. 1} berkisar antara 2,4 hingga 5,7 mm/detik di seluruh mode sebelum penyeimbangan, umumnya lebih rendah daripada V._c2 pada mode yang sesuai. Variasinya antar mode ditentukan tidak hanya oleh kualitas penyeimbangan, tetapi juga oleh tingkat penyimpangan dari frekuensi alami elemen struktural pesawat.

3.4. Hasil Penyeimbangan

Penyeimbangan baling-baling dilakukan pada satu bidang dengan frekuensi putaran 1350 rpm, menggunakan dua kali pengukuran (metode klasik koefisien pengaruh). Protokol lengkap penyeimbangan diberikan dalam [referensi]. Lampiran 1.

Prosedur penyeimbangan terdiri dari operasi-operasi berikut:

1. Pada percobaan pertama (kondisi awal), amplitudo dan fase getaran pada frekuensi putaran baling-baling ditentukan.
2. Pada percobaan kedua, amplitudo dan fase getaran setelah memasang massa percobaan dengan berat yang diketahui pada baling-baling ditentukan.
3. Berdasarkan hasil pengukuran ini, perangkat lunak menghitung massa dan sudut pemasangan beban korektif pada bidang 1, yang diperlukan untuk mengkompensasi ketidakseimbangan baling-baling.

Verifikasi kualitas keseimbangan dalam penerbangan tidak dilakukan karena kerusakan yang tidak disengaja pada baling-baling selama penerbangan pelatihan.

Alasan terjadinya perbedaan yang ditunjukkan mungkin sebagai berikut:

• kesalahan sistem pengukuran pada alat penyeimbang di pabrik manufaktur (alasan ini tampaknya paling tidak mungkin);
• Kesalahan geometris (ketidakakuratan) pada permukaan pemasangan poros mesin penyeimbang di pabrik manufaktur, menyebabkan penyimpangan radial baling-baling pada poros;
• Kesalahan geometris (ketidakakuratan) pada permukaan pemasangan poros keluaran gearbox pada pesawat Su-29, menyebabkan penyimpangan radial baling-baling saat dipasang pada poros gearbox.

3.5. Kesimpulan

3.5.1.

Penyeimbangan baling-baling pesawat Su-29 pada satu bidang dengan frekuensi putaran baling-baling 1350 rpm (70%) memungkinkan pengurangan getaran pada frekuensi putaran baling-baling dari 6,7 mm/detik pada kondisi awal menjadi 1,5 mm/detik setelah penyeimbangan. Getaran yang terkait dengan ketidakseimbangan baling-baling pada mode kecepatan mesin lainnya juga menurun secara signifikan dan tetap berada dalam kisaran 1–2,5 mm/detik.

3.5.2.

Untuk mengklarifikasi alasan hasil penyeimbangan baling-baling yang tidak memuaskan di pabrik manufaktur (MT-Propeller), perlu dilakukan pengecekan kelurusan radial baling-baling pada poros keluaran gearbox mesin pesawat Su-29.

Lampiran 1: Protokol Penyeimbangan