Par lidmašīnu propelleru balansēšanu lauka apstākļos

1. Priekšvārds

Pirms diviem ar pusi gadiem mūsu uzņēmums uzsāka "Balanset-1" ierīces sērijveida ražošanu, kas paredzēta rotācijas mehānismu balansēšanai to pašu gultņos.

Līdz šim ir saražoti vairāk nekā 180 komplekti. Tie tiek efektīvi izmantoti dažādās nozarēs, tostarp ventilatoru, pūtēju, elektromotoru, mašīnu vārpstu, sūkņu, drupinātāju, separatoru, centrifūgu, kardāna un kloķvārpstas komplektu un līdzīgu mehānismu ražošanā un ekspluatācijā.

Nesen Vibromera ir saņēmusi lielu skaitu pieprasījumu no organizācijām un privātpersonām par iespēju izmantot mūsu aprīkojumu lidmašīnu un helikopteru propelleru balansēšanai lauka apstākļos.

Diemžēl mūsu speciālisti, neskatoties uz daudzu gadu pieredzi dažādu mašīnu balansēšanā, nekad iepriekš nebija saskārušies ar šo specifisko problēmu. Tāpēc padomi un ieteikumi, ko varējām sniegt saviem klientiem, bija diezgan vispārīgi un ne vienmēr ļāva viņiem efektīvi atrisināt konkrēto uzdevumu.

Šī situācija sāka mainīties uz labo pusi šajā pavasarī, pateicoties V. D. Čvokova aktīvai iesaistīšanās, kurš organizēja un kopā ar mums piedalījās darbā pie Jak-52 un Su-29 lidmašīnu, kuras viņš pilotē, propelleru balansēšanas.

Šī darba laikā tika apgūtas noteiktas prasmes un izstrādāta tehnoloģija lidmašīnu propelleru balansēšanai lauka apstākļos, izmantojot ierīci "Balanset-1", tostarp:

• vibrācijas un fāzes leņķa sensoru uzstādīšanas (montāžas) vietu un metožu noteikšana gaisa kuģī;
• vairāku gaisa kuģa konstrukcijas elementu (dzinēja piekares, propelleru lāpstiņu) rezonanses frekvenču noteikšana;
• nosakot motora griešanās frekvences (darbības režīmus), kas nodrošina minimāli sasniedzamo atlikušo nelīdzsvarotību balansēšanas laikā;
• nosakot pielaides propellera atlikušajam nelīdzsvarotības līmenim.

Turklāt tika iegūti interesanti dati par vibrāciju līmeņiem gaisa kuģos, kas aprīkoti ar M-14P dzinējiem.

Zemāk ir sniegti ziņojuma materiāli, kas apkopoti no šī darba rezultātiem. Papildus balansēšanas rezultātiem tajos ir sniegti dati no Yak-52 un Su-29 lidmašīnu vibrācijas apsekojumiem, kas iegūti zemes un lidojuma testu laikā. Šie dati varētu interesēt gan lidmašīnu pilotus, gan speciālistus, kas iesaistīti to apkopē.

2. Jak-52 balansēšanas un vibrācijas pārbaude

2.1. Ievads

2014. gada maijā–jūlijā tika veikts darbs pie Jak-52 lidmašīnas, kas aprīkota ar M-14P aviācijas dzinēju, vibrācijas uzmērīšanas un tās divu lāpstiņu propellera balansēšanas.

Balansēšana tika veikta vienā plaknē, izmantojot komplektu "Balanset-1", sērijas nr. 149.

Mērījumu shēma ir parādīta 2.1. attēlā. Balansēšanas laikā vibrācijas sensors (akselerometrs) 1 tika uzstādīts uz motora pārnesumkārbas priekšējā vāka, izmantojot magnētisku stiprinājumu uz speciāli izstrādāta kronšteina. Lāzera fāzes leņķa sensors 2 tika uzstādīts arī uz pārnesumkārbas vāka un orientēts uz atstarojošo zīmi, kas uzlikta uz viena no propellera lāpstiņām.

Analogie signāli no sensoriem pa kabeļiem tika pārraidīti uz ierīces "Balanset-1" mērvienību, kur tika veikta sākotnējā digitālā apstrāde. Šie signāli digitālā formā pēc tam nonāca datorā, kur tika veikta programmatūras apstrāde un aprēķināta korekcijas svara masa un leņķis, kas nepieciešams, lai kompensētu propellera nelīdzsvarotību.

Šī darba laikā, ņemot vērā pieredzi, kas gūta, balansējot gan Su-29, gan Yak-52 propellerus, tika veikti vairāki papildu pētījumi:

• Jak-52 dzinēja un propellera svārstību dabisko frekvenču noteikšana;
• vibrācijas lieluma un spektrālā sastāva mērīšana otrā pilota kabīnē lidojuma laikā pēc propellera balansēšanas;
• vibrācijas mērīšana pēc propellera balansēšanas un pēc dzinēja amortizatoru pievilkšanas spēka noregulēšanas.

2.2. Dzinēja un propellera svārstību dabiskās frekvences

Dzinēja svārstību dabiskās frekvences, kas uzstādītas uz amortizatoriem lidmašīnas korpusā, tika noteiktas, izmantojot A&D (Japāna) spektra analizatoru AD-3527, izmantojot trieciena ierosmi.

Jak-52 dzinēja piekares dabisko svārstību spektrā (2.2. att.) tika identificētas četras galvenās frekvences: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz.

Frekvences 74 Hz, 94 Hz un 120 Hz, visticamāk, ir saistītas ar dzinēja stiprinājuma (piekares) īpašībām pie lidaparāta korpusa. Frekvence 20 Hz, visticamāk, ir saistīta ar lidaparāta dabiskajām svārstībām uz tā šasijas šasijas.

Ar trieciena ierosmes metodi tika noteiktas arī propelleru lāpstiņu pašfrekvences. Tika identificētas četras galvenās frekvences: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz un 134 Hz.

Dzinēja piekares un propellera lāpstiņu pašsvārstību frekvenču dati galvenokārt ir svarīgi propellera griešanās frekvences izvēlei balansēšanas laikā. Galvenais nosacījums šīs frekvences izvēlē ir nodrošināt maksimālu novirzi no gaisa kuģa konstrukcijas elementu pašsvārstību frekvencēm, jo rezonanses frekvencēs vibrācijas mērījumu precizitāte un atkārtojamība var ievērojami pasliktināties.

Turklāt zināšanas par atsevišķu komponentu dabiskajām frekvencēm var būt noderīgas, lai identificētu strauja vibrācijas pieauguma (rezonanses parādību) cēloņus dažādos motora apgriezienu režīmos, kas var rasties gaisa kuģa ekspluatācijas laikā.

2.3. Balansēšanas rezultāti

Kā minēts iepriekš, propellera balansēšana tika veikta vienā plaknē, tādējādi dinamiskā veidā kompensējot propellera spēka nelīdzsvarotību.

Dinamiska balansēšana divās plaknēs (kas papildus kompensētu momentu nelīdzsvarotību) nebija iespējama, jo Jak-52 propellera konstrukcija pieļauj tikai vienu korekcijas plakni.

Balansēšana tika veikta ar rotācijas frekvenci 1150 apgr./min (60%), pie kuras no viena cikla uz otru tika iegūti visstabilākie vibrācijas mērījumi gan amplitūdā, gan fāzē.

Tika izmantota klasiskā "divu braucienu" shēma:

1. Pirmā brauciena laikā tika noteikta vibrācijas amplitūda un fāze pie propellera rotācijas frekvences sākotnējā stāvoklī.
2. Otrā brauciena laikā tika noteikta vibrācijas amplitūda un fāze pēc 7 g izmēģinājuma masas uzstādīšanas uz propellera.
3. Pamatojoties uz šiem datiem, programmatūra aprēķināja: korekcijas masu M = 19,5 g leņķī F = 32°.

Sakarā ar propellera konstrukcijas īpatnībām, kas neļāva uzstādīt korekcijas svaru vajadzīgajā 32° leņķī, tika uzstādīti divi līdzvērtīgi svari:

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

2.4. Vibrācija citos darbības režīmos

Vibrācijas pārbaužu rezultāti citos dzinēja darbības režīmos zemes testu laikā ir parādīti 2.1. tabulā. Kā redzams, balansēšana pozitīvi ietekmēja Jak-52 vibrāciju visos režīmos.

Turklāt zemes testu laikā tika konstatēta skaidra ievērojama vibrācijas samazināšanās tendence, palielinoties propellera rotācijas frekvencei. To var izskaidrot ar lielāku propellera rotācijas frekvences novirzi no lidmašīnas dabiskās svārstību frekvences uz šasijas (domājams, 20 Hz), kas notiek pie augstākām rotācijas frekvencēm.

2.5. Vibrācija lidojuma laikā pirms un pēc amortizatora regulēšanas

Papildus zemes vibrācijas testiem pēc propelleru balansēšanas (2.3. sadaļa), Jak-52 vibrācijas mērījumi tika veikti arī lidojuma laikā.

Vibrācija lidojuma laikā tika mērīta otrā pilota kabīnē vertikālā virzienā, izmantojot pārnēsājamu spektra analizatoru AD-3527, ko ražoja A&D (Japāna), frekvenču diapazonā no 5 līdz 200 (500) Hz. Mērījumi tika veikti piecos galvenajos dzinēja apgriezienu režīmos: 60%, 65%, 70%, 82% un 94% ar maksimālo rotācijas frekvenci.

Rezultāti, kas iegūti pirms amortizatoru regulēšanas, ir parādīti 2.2. tabulā.

Kā redzams 2.2. tabulā, galvenās vibrācijas komponentes parādās pie propellera griešanās frekvences V_{1. lpp.}, kloķvārpstas frekvence V_c1, gaisa kompresora (un/vai frekvences sensora) piedziņa V_n, un to augstākās harmonikas.

Maksimālā kopējā vibrācija V_Σ tika konstatēts 82% (1580 apgr./min) un 94% (1830 apgr./min) režīmos. Dominējošā komponente šajos režīmos parādās kloķvārpstas griešanās frekvences V 2. harmonikā._c2, sasniedzot 12,5 mm/s pie 4800 cikliem/min un 15,8 mm/s pie 5520 cikliem/min.

Var pieņemt, ka šī komponente ir saistīta ar virzuļu grupu (trieciena procesi, kas notiek virzuļu dubultās kustības laikā uz vienu kloķvārpstas apgriezienu). Straujo pieaugumu 82% (pirmais nominālais) un 94% (pacelšanās) režīmos, visticamāk, izraisa nevis virzuļu grupas defekti, bet gan dzinēja rezonanses svārstības uz tā amortizatoriem. Šo secinājumu apstiprina pašsvārstību frekvences mērījumi, kas atklāja dzinēja piekares frekvences pie 74 Hz (4440 cikli/min), 94 Hz (5640 cikli/min) un 120 Hz (7200 cikli/min). Divas no tām — 74 Hz un 94 Hz — ir tuvas 2. kloķvārpstas harmonikas frekvencēm pirmajā nominālajā un pacelšanās darbības režīmos.

Sakarā ar ievērojamām vibrācijām, kas atrodamas pie V_c2, tika pārbaudīts un noregulēts dzinēja amortizatoru pievilkšanas spēks. Salīdzinošie rezultāti ir sniegti 2.3. tabulā.

Kā redzams 2.3. tabulā, absorbētāja regulēšana neizraisīja būtiskas izmaiņas gaisa kuģa galvenajās vibrācijas komponentēs.

Jāatzīmē arī propellera nelīdzsvarotības komponents V_{1. lpp.} 82% un 94% režīmos ir attiecīgi 3–7 reizes zemāks nekā V_c2 šajos režīmos. Citos lidojuma režīmos V_{1. lpp.} svārstās no 2,8 līdz 4,4 mm/sek., un tā izmaiņas starp režīmiem galvenokārt nosaka nevis balansēšanas kvalitāte, bet gan novirzes pakāpe no lidmašīnas konstrukcijas elementu dabiskajām frekvencēm.

2.6. Secinājumi

2.6.1.

Jak-52 propellera balansēšana ar griešanās frekvenci 1150 apgr./min (60%) ļāva samazināt vibrāciju pie propellera griešanās frekvences no 10,2 mm/s līdz 4,2 mm/s. Ņemot vērā pieredzi, kas uzkrāta gan Jak-52, gan Su-29 lidmašīnu propelleru balansēšanas laikā, izmantojot ierīci "Balanset-1", pastāv reāla iespēja panākt vēl lielāku vibrācijas līmeņa samazinājumu, jo īpaši izvēloties augstāku propellera griešanās frekvenci balansēšanas laikā, kas ļautu vairāk novirzīties no lidmašīnas dabiskās svārstību frekvences pie 20 Hz (1200 cikli/min), kas noteikta mērījumu laikā.

2.6.2.

Kā liecina lidojuma vibrācijas testi (sk. 2.2. un 2.3. tabulu), Yak-52 lidmašīnas vibrācijas spektri papildus vibrācijai propellera rotācijas frekvencē V satur arī_{1. lpp.}, vairākas citas nozīmīgas sastāvdaļas, kas saistītas ar kloķvārpstu V_c1, V_c2, V_c3, dzinēja virzuļu grupa un gaisa kompresora (un/vai frekvences sensora) piedziņa V_n.

Ātruma režīmos 60%, 65% un 70% šīs komponentes pēc lieluma ir salīdzināmas ar propellera nelīdzsvarotības komponenti V_{1. lpp.}. Līdz ar to pat pilnīga propelleru nelīdzsvarotības radītās vibrācijas novēršana ļautu samazināt gaisa kuģa kopējo vibrāciju šajos režīmos ne vairāk kā aptuveni 1,5 reizes.

2.6.3.

Maksimālā kopējā vibrācija V_Σ Jak-52 lidmašīnas vibrācija tika konstatēta ātruma režīmos 82% (propellers 1580 apgr./min.) un 94% (propellers 1830 apgr./min.). Šīs vibrācijas dominējošā komponente parādās kloķvārpstas griešanās frekvences V 2. harmonikā._c2, attiecīgi ar frekvencēm 4800 cikli/min un 5520 cikli/min, pie kurām tas sasniedz vērtības 12,5 mm/s un 15,8 mm/s.

Kā parādīts 2.5. un 2.2. sadaļā, straujo šīs komponentes pieaugumu norādītajos režīmos, visticamāk, izraisa nevis virzuļu grupas defekti, bet gan dzinēja rezonanses svārstības uz tā amortizatoriem. Testu laikā veiktā amortizatoru pievilkšanas spēka regulēšana neizraisīja būtiskas vibrācijas līmeņa izmaiņas.

Šo situāciju, iespējams, var uzskatīt par projektēšanas kļūdu (konstruktīvs proššets) no lidmašīnu izstrādātājiem, kas atzīti, izvēloties dzinēja stiprinājuma (piekares) sistēmu lidmašīnas korpusā.

2.6.4.

Propellera balansēšanas gaitā iegūtie dati un papildus veiktie vibrācijas testi liecina, ka periodiska vibrācijas uzraudzība var būt noderīga gaisa kuģa dzinēja tehniskā stāvokļa diagnostiskai novērtēšanai, tostarp virzuļu grupas, kloķvārpstas, dzinēja gultņu un gaisa kompresora piedziņas stāvokļa novērtēšanai.

Šādu darbu var veikt, piemēram, izmantojot ierīci "Balanset-1" (pašlaik ražota kā Balanset-1A), kuras programmatūrā ir ieviesta spektrālās vibrācijas analīzes funkcija.

3. Su-29 MTV-9-KC/CL 260-27 propellera un vibrācijas apsekojuma līdzsvarošana

3.1. Ievads

2014. gada 15. jūnijā tika veikti darbi pie MTV-9-KC/CL 260-27 tipa trīslāpstiņu propellera, kas uzstādīts Su-29 akrobātikas lidmašīnas M-14P aviācijas dzinējam, balansēšanas.

Saskaņā ar ražotāja (MT-Propeller) sniegtajiem datiem norādītā propeller bija iepriekš statiski līdzsvarota, ko apliecina rūpnīcā uz propellera 1. plaknē uzstādīts koriģējošs svars.

Propellera, kas uzstādīts tieši uz Su-29 pārnesumkārbas izejas vārpstas (t. i., tā pastāvīgās uzstādīšanas vietā), balansēšana tika veikta, izmantojot vibrācijas balansēšanas komplektu "Balanset-1", sērijas nr. 149.

Mērījumu shēma (3.1. att.) kopumā bija līdzīga tai, kas tika izmantota Jak-52 lidmašīnai. Vibrācijas sensors (akselerometrs) 1 tika uzstādīts uz motora pārnesumkārbas korpusa, izmantojot magnētisku stiprinājumu uz speciāli izstrādāta kronšteina. Lāzera fāzes leņķa sensors 2 tika arī uzstādīts uz pārnesumkārbas korpusa un orientēts uz atstarojošo marķējumu, kas uzlikts uz viena no propellera lāpstiņām. Analogie signāli no sensoriem pa kabeļiem tika pārraidīti uz ierīces "Balanset-1" mērvienību, kur tika veikta sākotnējā digitālā apstrāde. Pēc tam signāli digitālā formā nonāca datorā, kur tika veikta programmatūras apstrāde un aprēķināta korekcijas svara masa un leņķis, kas nepieciešams, lai kompensētu propellera nelīdzsvarotību.

Pirms šī darba un ņemot vērā pieredzi, kas gūta, balansējot Yak-52 propelleru, tika veikti papildu pētījumi:

• Su-29 dzinēja un propelleru svārstību dabisko frekvenču noteikšana;
• pirms balansēšanas pārbaudot otrā pilota kabīnē esošās bāzes vibrācijas lielumu un spektrālo sastāvu.

3.2. Dzinēja un propellera svārstību dabiskās frekvences

Izmantojot to pašu trieciena ierosmes metodi ar AD-3527 analizatoru, dzinēja piekares spektrā tika identificētas sešas galvenās frekvences (3.2. att.): 16 Hz, 22 Hz, 37 Hz, 66 Hz, 88 Hz, 120 Hz.

Frekvences 66 Hz, 88 Hz un 120 Hz, domājams, ir tieši saistītas ar dzinēja stiprinājuma (piekares) sistēmas īpatnībām lidmašīnas korpusā. Frekvences 16 Hz un 22 Hz, visticamāk, ir saistītas ar lidmašīnas dabiskajām svārstībām kopumā uz tās šasijas. Kas attiecas uz frekvenci 37 Hz, tā, iespējams, ir saistīta ar lidmašīnas propellera lāpstiņas dabisko svārstību frekvenci.

Šo pēdējo pieņēmumu apstiprina propellera lāpstiņu dabisko svārstību frekvenču mērījumu rezultāti (3.3. att.), kuru spektrā tika identificētas trīs galvenās frekvences: 37 Hz, 100 Hz un 174 Hz.

Zināšanas par Su-29 dzinēja piekares un propelleru lāpstiņu pašfrekvencēm ir ļoti praktiskas nozīmes. Pirmkārt, tās ļauj pamatoti izvēlēties propelleru griešanās frekvenci balansēšanai, nodrošinot maksimālu novirzi no lidmašīnas konstrukcijas rezonansēm. Otrkārt, tās sniedz nepieciešamo pamatu pareizai vibrācijas cēloņu interpretācijai un diagnostikai, kas novēroti dažādos dzinēja darbības režīmos, kā tiks parādīts šī ziņojuma turpmākajās sadaļās.

3.3. Kabīnes vibrācijas pamatlīmenis pirms balansēšanas

Pirms balansēšanas procedūras veikšanas tika veikti Su-29 otrā pilota kabīnes vibrācijas līmeņu bāzes mērījumi. Tāpat kā Jak-52 gadījumā, vibrācija tika mērīta vertikālā virzienā, izmantojot A&D (Japāna) pārnēsājamo spektra analizatoru AD-3527 frekvenču diapazonā no 5 līdz 200 Hz. Mērījumi tika veikti četros galvenajos dzinēja apgriezienu režīmos, kas atbilst propellera maksimālajai rotācijas frekvencei 60%, 65%, 70% un 82%.

Šo mērījumu rezultāti ir parādīti 3.1. tabulā.

Galvenās vibrācijas komponentes parādās pie propellera griešanās frekvences V_{1. lpp.}, kloķvārpsta V_c1, kompresora piedziņa V_n, un 2. kloķvārpstas harmonika V_c2 (kas trīs lāpstiņu propellera gadījumā var sakrist arī ar lāpstiņas caurlaides frekvenci V_{3. lpp.}).

60% režīma spektrā tika atrasta arī neidentificēta komponente pie 6120 cikliem/min, ko, iespējams, izraisīja rezonanse aptuveni 100 Hz frekvencē — vienā no propellera lāpstiņas dabiskajām frekvencēm.

Maksimālā kopējā vibrācija (11,5 mm/sek.) tika konstatēta 70% režīmā. Dominējošā komponente šajā režīmā ir V_c2 pie 4020 cikliem/min, sasniedzot 10,8 mm/s. Šis straujais pieaugums pie 70%, visticamāk, ir saistīts ar dzinēja piekares rezonanses svārstībām aptuveni 67 Hz frekvencē (4020 cikli/min).

Jāatzīmē arī, ka papildus virzuļa grupas trieciena ierosmēm vibrāciju šajā frekvences diapazonā var ietekmēt arī aerodinamiskie spēki propellera lāpstiņas griešanās frekvencē (V_{3. lpp.}). 65% un 82% režīmos ir manāms V pieaugums._c2 (V_{3. lpp.}) komponente, ko līdzīgi var izskaidrot ar atsevišķu gaisa kuģa komponentu rezonanses svārstībām.

Propellera nelīdzsvarotības komponents V_{1. lpp.} pirms balansēšanas svārstījās no 2,4 līdz 5,7 mm/s dažādos režīmos, parasti zemāks nekā V_c2 atbilstošajos režīmos. Tās variācijas starp režīmiem nosaka ne tikai balansēšanas kvalitāte, bet arī novirzes pakāpe no gaisa kuģa konstrukcijas elementu dabiskajām frekvencēm.

3.4. Balansēšanas rezultāti

Propellera balansēšana tika veikta vienā plaknē ar rotācijas frekvenci 1350 apgr./min, izmantojot divus mērījumus (klasiskā ietekmes koeficientu metode). Pilns balansēšanas protokols ir sniegts. 1. papildinājums.

Balansēšanas procedūra sastāvēja no šādām darbībām:

1. Pirmā brauciena (sākotnējā stāvokļa) laikā tika noteikta vibrācijas amplitūda un fāze pie propellera rotācijas frekvences.
2. Otrā brauciena laikā tika noteikta vibrācijas amplitūda un fāze pēc zināma svara izmēģinājuma masas uzstādīšanas uz propellera.
3. Pamatojoties uz šiem mērījumu rezultātiem, programmatūra aprēķināja korektīvā svara masu un uzstādīšanas leņķi 1. plaknē, kas nepieciešami propellera nelīdzsvarotības kompensēšanai.

Balansēšanas kvalitātes pārbaude lidojuma laikā netika veikta, jo mācību lidojuma laikā nejauši tika bojāts propelleris.

Norādītās neatbilstības iemesli var būt šādi:

• ražotnes balansēšanas stenda mērīšanas sistēmas kļūdas (šis iemesls šķiet vismazāk ticams);
• balansēšanas mašīnas vārpstas montāžas virsmu ģeometriskās kļūdas (neprecizitātes) ražotnē, kas izraisa propellera radiālo izvirzījumu uz vārpstas;
• Su-29 lidmašīnas pārnesumkārbas izejas vārpstas montāžas virsmu ģeometriskās kļūdas (neprecizitātes), kas izraisa propellera radiālo izvirzījumu, uzstādot to uz pārnesumkārbas vārpstas.

3.5. Secinājumi

3.5.1.

Lidmašīnas Su-29 propellera balansēšana vienā plaknē ar propellera griešanās frekvenci 1350 apgr./min (70%) ļāva samazināt vibrāciju pie propellera griešanās frekvences no 6,7 mm/s sākotnējā stāvoklī līdz 1,5 mm/s pēc balansēšanas. Vibrācija, kas saistīta ar propellera nelīdzsvarotību citos dzinēja ātruma režīmos, arī ievērojami samazinājās un saglabājās 1–2,5 mm/s robežās.

3.5.2.

Lai noskaidrotu neapmierinošo propellera balansēšanas rezultātu iemeslus ražotnē (MT-Propeller), ir jāpārbauda propellera radiālais izvirzījums uz Su-29 lidmašīnas dzinēja pārnesumkārbas izejas vārpstas.

1. pielikums: Balansēšanas protokols