Dėl orlaivio sraigto balansavimo lauko sąlygomis. 1 dalis

1. V. D. Feldmanas

OU "Vibromera" vyriausiasis technikas

Dėl orlaivio sraigto balansavimo lauko sąlygomis

 "Propeleris yra orlaivio variklis,

ir subalansuoti jį gali tik stengtis".

1. Svetainėje vietoj įžangos

Prieš dvejus su puse metų mūsų įmonė pradėjo masinę "Balanset-1", skirto rotorių mechanizmų balansavimui nuosavuose guoliuose, gamybą.

Iki šiol pagaminta daugiau kaip 180 komplektų, kurie veiksmingai naudojami įvairiose pramonės šakose, įskaitant ventiliatorių, išmetimo įrenginių, elektros variklių, darbo velenų, siurblių, smulkintuvų, separatorių, centrifugų, pavaros velenų, alkūninių velenų ir kitų mechanizmų gamybą ir veikimą.

Pastaruoju metu mūsų bendrovė sulaukė daug organizacijų ir asmenų prašymų, susijusių su galimybe naudoti mūsų įrangą orlaivių ir sraigtasparnių sraigtams balansuoti lauko sąlygomis.

Deja, mūsų specialistai, turintys daug patirties balansuojant įvairias mašinas, niekada nesusidūrė su šia problema. Todėl patarimai ir rekomendacijos, kuriuos galėjome pateikti savo klientams, buvo bendro pobūdžio ir ne visada leido veiksmingai išspręsti problemą.

Šį pavasarį situacija pradėjo keistis į gerąją pusę dėl aktyvios V. D. Čvokovo, kuris organizavo ir kartu su mumis aktyviausiai dalyvavo JAK-52 ir SU-29, kurių pilotu jis yra, sraigtų balansavimo darbuose.

1.1 pav. Jak-52 aerodrome

1.2 pav. SU-29 automobilių stovėjimo aikštelėje

Šio proceso metu įgijome tam tikrų orlaivių sraigtų balansavimo lauko sąlygomis naudojant "Balanset-1" įgūdžių ir technologijų, įskaitant:

• vibracijos jutiklių ir fazės kampo įrengimo (montavimo) vietų ir būdų nustatymas objekte;
• nustatomi kelių orlaivio konstrukcinių elementų (variklio pakabos, sraigto mentės) rezonansiniai dažniai;
• nustatyti variklio sukimosi dažnius (veikimo režimus), užtikrinant minimalų likutinį disbalansą balansavimo procese;
• nustatyti sraigto likutinio disbalanso nuokrypius ir t. t.

Be to, gavome įdomių duomenų apie orlaivių su M-14P varikliais vibracijos lygį.

Toliau, remiantis šių darbų rezultatais, siūloma ataskaitų medžiaga.

Kartu su balansavimo rezultatais juose pateikiami Jak-52 ir SU-29 vibracijos tyrimų duomenys, gauti atliekant bandymus ant žemės ir skrydžio metu.

Šie duomenys gali būti įdomūs tiek orlaivių pilotams, tiek techninės priežiūros specialistams.

2. Akrobatinio orlaivio YAK-52 sraigto balansavimo ir vibracijos bandymų rezultatai

2.1. Įvadas

2014 m. gegužės-liepos mėn. atlikome lėktuvo YAK-52 su M-14P varikliu vibracijos bandymus, taip pat balansavome jo dviejų menčių propelerį.

Balansavimas atliktas toje pačioje plokštumoje naudojant balansavimo rinkinį Balanset-1, gamyklinis Nr. 149.

Balansavimui naudojama matavimo schema parodyta 2.1 paveiksle.

Balansavimo metu vibracijos jutiklis (akselerometras) 1 ant priekinio variklio pavarų dėžės dangtelio buvo pritvirtintas magnetas ant specialaus laikiklio.

Lazerinis fazės kampo jutiklis 2 taip pat buvo sumontuotas ant pavarų dėžės dangčio, o jo kryptį rodė prie vienos iš sraigto menčių pritvirtinta atspindinti etiketė.

Analoginiai jutiklių signalai kabeliais buvo perduodami į "Balanset-1" matavimo bloką, kuriame buvo atliekamas pirminis skaitmeninis jų apdorojimas.

Be to, šie signalai skaitmenine forma buvo perduodami į kompiuterį, kuris juos apdorojo ir apskaičiavo korekcinio svorio, reikalingo sraigto disbalansui kompensuoti, masę ir įrengimo kampą.

2.1 pav. YAK-52 sraigto balansavimo matavimo schema.

Zk - pagrindinės pavaros ratas;

Zс - krumpliaračių palydovai;

Zn - fiksuotos pavaros ratas.

Atlikdami šį darbą, atsižvelgdami į SU-29 ir YAK-52 sraigtų balansavimo patirtį, atlikome keletą papildomų tyrimų, įskaitant:

• nustatyti YAK-52 variklio ir sraigto savituosius svyravimų dažnius;
• ištirti antrojo piloto kabinos vibracijos vertę ir spektrinę sudėtį skrydžio metu subalansavus sraigtą;
• ištirti vibracijos vertę ir spektrinę sudėtį antrojo piloto kabinoje skrydžio metu, subalansavus sraigtą ir sureguliavus variklio amortizatoriaus priveržimo jėgą.

2.2. Variklio ir sraigto savųjų dažnių tyrimų rezultatai.

Variklio, sumontuoto ant orlaivio korpuse esančių amortizatorių, savieji dažniai buvo nustatyti naudojant spektro analizatorių AD-3527, f. A @ D, (Japonija), smūginiu variklio virpesių sužadinimu.

YAK-52 variklio pakabos savųjų svyravimų spektre nustatėme 4 pagrindinius dažnius: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz, kurių pavyzdys pateiktas 2.2 pav.

2.2 pav. YAK-52 variklio pakabos virpesių savųjų dažnių spektras

74 Hz, 94 Hz, 120 Hz dažniai tikriausiai yra susiję su variklio tvirtinimo (pakabos) prie orlaivio korpuso ypatumais.

20 Hz dažnis greičiausiai susijęs su orlaivio svyravimais ant važiuoklės.

Sraigto menčių savieji svyravimų dažniai taip pat buvo nustatyti smūginio sužadinimo metodu.

Šiuo atveju atskleidėme keturis pagrindinius dažnius, būtent: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz ir 134 Hz.

Duomenys apie YAK-52 sraigto ir variklio savituosius svyravimų dažnius pirmiausia gali būti svarbūs pasirenkant balansavimui naudojamą sraigto sukimosi dažnį. Pagrindinė šio dažnio pasirinkimo sąlyga - užtikrinti kuo didesnį jo atotrūkį nuo orlaivio konstrukcinių elementų savųjų svyravimų dažnių.

Be to, žinios apie atskirų orlaivio komponentų ir dalių savituosius virpesių dažnius gali būti naudingos nustatant priežastis, dėl kurių esant įvairiems variklio sūkių dažniams smarkiai padidėja (rezonanso atveju) tam tikros virpesių spektro sudedamosios dalys.

2.3. Balansavimo rezultatai.

Kaip jau minėjome, sraigtas buvo subalansuotas toje pačioje plokštumoje, todėl buvo kompensuojamas sraigto galios disbalansas dinamikoje.

Dinaminis balansavimas dviejose plokštumose nebuvo įmanomas, o tai leidžia (be jėgos) kompensuoti sraigto momento disbalansą, nes ant YAK-52 sumontuoto sraigto konstrukcija leidžia suformuoti tik vieną korekcijos plokštumą.

Sraigtas buvo subalansuotas, kai jo sukimosi dažnis buvo lygus 1 150 aps/min (60%), kai buvo galima gauti stabiliausius amplitudės ir fazės vibracijos matavimo rezultatus nuo pradžios iki pradžios.

Propeleris buvo subalansuotas pagal klasikinę "dviejų startų" schemą.

Pirmojo paleidimo metu nustatėme vibracijos amplitudę ir fazę sraigto sukimosi dažniu pradinėje būsenoje.

Antrojo paleidimo metu, nustačius, kad bandomoji masė yra 7 g, nustatėme virpesių amplitudę ir fazę sraigto sukimosi dažniu.

Atsižvelgdami į šiuos duomenis, programiškai apskaičiavome masę M = 19,5 g ir korekcinio svorio įrengimo kampą F = 32.

Atsižvelgiant į sraigto konstrukcijos ypatybes, dėl kurių korekcinio svorio negalima pastatyti reikiamu kampu, prie sraigto tvirtinami du lygiaverčiai svoriai, įskaitant:

• M1 svoris = 14 g, kai kampas F1 = 0º;
• M1 svoris = 8,3 g, kai kampas F1 = 60º.

Į sraigtą įdėjus minėtus korekcinius svorius, su sraigto disbalansu susijusi vibracija, išmatuota esant 1 150 aps/min sukimosi greičiui, sumažėjo nuo 10,2 mm/s pradinėje būsenoje iki 4,2 mm/s po subalansavimo.

Tuo pat metu faktinis sraigto disbalansas sumažėjo nuo 2340 g*mm iki 963 g*mm.

2.4. Balansavimo poveikio YAK-52 vibracijos lygiui ant žemės, esant skirtingiems propelerio greičiams, bandymas

2.1 lentelėje pateikiami YAK-52 vibracijos bandymo, atlikto kitomis variklio darbo sąlygomis, rezultatai, gauti atliekant bandymus ant žemės.

Kaip matyti iš lentelės, balansavimas turėjo teigiamą poveikį YAK-52 vibracijai visais jo veikimo režimais.

2.1 lentelė

Be to, atliekant bandymus ant žemės, buvo pastebėta tendencija, kad orlaivio vibracija gerokai sumažėja, kai padidėja jo sraigto sukimosi dažnis.

Šį reiškinį galima paaiškinti didesniu sraigto sukimosi greičio nukrypimu nuo orlaivio ant važiuoklės natūraliojo svyravimo dažnio (greičiausiai 20 Hz), kuris atsiranda padidėjus sraigto sukimosi greičiui.

2.5. YAK-52 vibracijos ore pagrindiniais skrydžio režimais prieš ir po to, kai buvo sureguliuota amortizatorių priveržimo jėga

Be vibracijos bandymų, atliktų subalansavus sraigtą ant žemės (žr. 2.3 skirsnį), atlikome YAK-52 vibracijos matavimus skrydžio metu.

Vibracija skrydžio metu buvo matuojama antrojo piloto kabinoje vertikalia kryptimi naudojant nešiojamąjį vibracijų spektro analizatorių AD-3527 f. A@D (Japonija) dažnių diapazone nuo 5 iki 200 (500) Hz.

Matavimai atlikti esant penkiems pagrindinio variklio sūkių dažniams, atitinkamai 60%, 65%, 70%, 70% ir 82% didžiausiam sukimosi dažniui.

Prieš reguliuojant sklendes atliktų matavimų rezultatai pateikti 2.2 lentelėje.

Lentelė 2.2

Pavyzdžiui, 2.3 ir 2.4 pav. pateikti spektrų, gautų matuojant vibraciją YAK-52 kabinoje 60% ir 94% režimais, grafikai, kurie naudojami pildant 2.2 lentelę.

2.2.3 pav. Vibracijų spektras YAK-52 kabinoje esant 60%.

2.4 pav. Vibracijų spektras YAK-52 kabinoje esant 94%.

Kaip matyti iš 2.2 lentelės, pagrindiniai vibracijos komponentai, išmatuoti antrojo piloto kabinoje, pasireiškia sraigto sukimosi greičiui Vv1 (pažymėta geltonai), variklio alkūniniam velenui Vk1 (pažymėta mėlynai) ir oro kompresoriaus pavaros pavarai (ir (arba) dažnio jutikliui) Vn (pažymėta žaliai), taip pat jų aukštesnėms harmonikoms Vv2, Vv4, Vv5 ir Vk2, Vk3.

Didžiausia bendra vibracija Vå  aptikta esant 82% (1 580 aps/min. sraigto) ir 94% (1 830 aps/min.) greičiui.

Pagrindinis šios vibracijos komponentas pasireiškia 2^nd variklio alkūninio veleno sukimosi dažnio Vk2 harmonika ir atitinkamai pasiekia 12,5 mm/s, kai dažnis 4800 ciklų/min, ir 15,8 mm/s, kai dažnis 5520 ciklų/min.

Galima daryti prielaidą, kad šis komponentas yra susijęs su variklio stūmoklių bloko veikimu (smūgio procesai, kai stūmokliai per vieną alkūninio veleno apsisukimą du kartus perstumiami).

Staigus šio komponento padidėjimas 82% (pirmuoju vardiniu) ir 94% (pakilimo) režimuose greičiausiai atsirado ne dėl stūmoklių grupės defektų, o dėl rezonansinių variklio, įtvirtinto orlaivio korpuse ant amortizatoriaus, virpesių.

Šią išvadą patvirtina pirmiau pateikti variklio pakabos virpesių savųjų dažnių, kurių spektre yra 74 Hz (4440 ciklų per minutę), 94 Hz (5640 ciklų per minutę) ir 120 Hz (7200 ciklų per minutę), eksperimentinio patikrinimo rezultatai.

Du iš šių savųjų dažnių, lygūs 74 ir 94 Hz, yra artimi 2^nd alkūninio veleno sukimosi dažnio harmonika, kuri pasireiškia per pirmąsias variklio veikimo vardines ir kilimo charakteristikas.

Dėl to, kad vibracijos bandymų metu nustatėme didelę vibraciją ties 2^nd alkūninio veleno harmonika pirmajame variklio vardiniame ir kilimo reitinguose, buvo stengiamasi patikrinti ir sureguliuoti variklio pakabos amortizatorių įtempimo jėgą.

2.3 lentelėje pateikiami lyginamieji bandymų rezultatai, gauti prieš ir po amortizatorių reguliavimo sraigto sukimosi greičiui (Vv1) ir 2^nd alkūninio veleno sukimosi dažnio harmoninė (Vk2).

2.3 lentelė

Kaip matyti iš 2.3 lentelės, dėl amortizatorių reguliavimo pagrindinių orlaivio vibracijos sudedamųjų dalių vertės reikšmingai nepasikeitė.

Atsižvelgiant į tai, kas išdėstyta pirmiau, galima manyti, kad YAK-52 vibracijos komponentės pastebimas padidėjimas pirmuoju vardiniu ir kilimo režimais (mūsų nuomone) yra konstruktyvus orlaivio konstruktorių apskaičiavimas, padarytas parenkant variklio tvirtinimo sistemą (pakabą) orlaivio korpuse.

Šiuo atžvilgiu reikėtų atkreipti dėmesį į tai, kad spektrinės komponentės, susijusios su sraigto disbalansu Vv1, amplitudė, aptikta 82% ir 94% režimuose (žr. 1.2 ir 1.3 lenteles), atitinkamai 3-7 kartus mažesnė už šių režimų Vk2 amplitudes.

Kitais skrydžio režimais Vv1 komponentas yra 2,8-4,4 mm/s.

Be to, kaip parodyta 2.2 ir 2.3 lentelėse, pereinant iš vieno režimo į kitą, jo pokyčius daugiausia lemia ne balansavimo kokybė, o sraigto sukimosi greičio nukrypimo nuo tam tikrų orlaivio konstrukcinių elementų savųjų svyravimų dažnių laipsnis.

2.6. Išvados dėl darbo rezultatų

2.6.1. YAK-52 sraigto balansavimas, atliktas esant 1150 apsisukimų per minutę dažniui (60%), leido sumažinti 10,2 mm/s sraigto vibraciją iki 4,2 mm/s.

Atsižvelgiant į tam tikrą patirtį, įgytą balansuojant YAK-52 ir SU-29 sraigtus naudojant "Balanset-1", galima daryti prielaidą, kad yra galimybė dar labiau sumažinti YAK-52 sraigto vibracijos lygį.

Šį poveikį galima pasiekti, visų pirma parenkant kitokį (didesnį) sraigto sukimosi dažnį jį balansuojant, kuris leidžia labiau atsiskirti nuo natūralaus 20 Hz (1 200 ciklų per minutę) orlaivio svyravimų dažnio, nustatyto atliekant bandymą.

2.6.2. Kaip rodo YAK-52 vibracijos bandymų skrydžio metu rezultatai, jo vibracijos spektrai (be 2.6.1 punkte minėtos sudedamosios dalies, kuri pasireiškia sraigto sukimosi dažniu) turi daug kitų sudedamųjų dalių, susijusių su alkūninio veleno, variklio stūmoklių grupės, taip pat oro kompresoriaus pavaros (ir (arba) dažnio jutiklio) veikimu.

Minėtų virpesių vertės 60%, 65% ir 70% režimuose yra proporcingos virpesių, susijusių su sraigto disbalansu, vertei.

Šių vibracijų analizė rodo, kad net visiškai pašalinus vibraciją dėl sraigto disbalanso, bendra orlaivio vibracija šiais režimais sumažės ne daugiau kaip 1,5 karto.

2.6.3. Didžiausia bendra vibracija Vå YAK-52 buvo aptiktas didelės spartos režimuose, t. y.: (1 580 apsisukimų per minutę) ir 94% (1 830 apsisukimų per minutę).

Pagrindinis šios vibracijos komponentas pasireiškia 2^nd variklio alkūninio veleno sukimosi dažnio Vk2 harmonika (4800 ciklų/min arba 5520 ciklų/min), kurios vertės atitinkamai yra 12,5 mm/s ir 15,8 mm/s.

Galima daryti prielaidą, kad šis komponentas susijęs su variklio stūmoklių grupės veikimu (smūginiai procesai, atsirandantys stūmokliams per vieną alkūninio veleno apsisukimą du kartus persisukant).

Staigus šio komponento padidėjimas 82% (pirmasis nominalusis) ir 94% (kilimo) režimuose greičiausiai yra ne dėl stūmoklių grupės defektų, o dėl rezonansinių variklio virpesių, fiksuotų orlaivio korpuse ant amortizatorių.

Atliekant bandymus reguliuojant amortizatorius, vibracija reikšmingai nepasikeitė.

Tokią situaciją galima laikyti konstruktyviu orlaivio konstruktorių apskaičiavimu, padarytu renkantis variklio tvirtinimo sistemą (pakabą) orlaivio korpuse.

2.6.4. Balansavimo ir papildomų vibracijos bandymų metu gauti duomenys (žr. skrydžio bandymų rezultatus 2.5 skirsnyje) leidžia daryti išvadą, kad periodinė vibracijos stebėsena gali būti naudinga orlaivio variklio techninės būklės diagnostiniam įvertinimui.

Tokia procedūra gali būti atliekama, pavyzdžiui, naudojant "Balanset-1", kurio programinė įranga atlieka spektrinės vibracijos analizės funkciją.