За балансирање на елиси на авиони во теренски услови

1. Предговор

Пред две и пол години, нашето претпријатие започна сериско производство на уредот „Balanset-1“, наменет за балансирање на ротациони механизми во нивните сопствени лежишта.

До денес се произведени повеќе од 180 комплети. Тие ефикасно се користат во различни индустрии, вклучувајќи производство и работа на вентилатори, дувалки, електромотори, вретена на машини, пумпи, дробилки, сепаратори, центрифуги, кардански и коленести склопови, и слични механизми.

Неодамна, Vibromera доби голем број прашања од организации и поединци во врска со можноста за користење на нашата опрема за балансирање на елиси на авиони и хеликоптери во теренски услови.

За жал, нашите специјалисти, и покрај долгогодишното искуство во балансирање на разни машини, претходно никогаш не се сретнале со овој специфичен проблем. Затоа советите и препораките што можевме да им ги дадеме на нашите клиенти беа доста општи и не секогаш им овозможуваа ефикасно да ја решат зададената задача.

Оваа состојба почна да се менува на подобро оваа пролет, благодарение на активното вклучување на V.D. Chvokov, кој ги организираше и заедно со нас учествуваше во работата на балансирање на елисите на авионите Yak-52 и Su-29, кои тој ги пилотира.

Во текот на оваа работа беа стекнати одредени вештини и беше развиена технологија за балансирање на авионски елиси во теренски услови со помош на уредот „Balanset-1“, вклучувајќи:

• определување на местата и методите за монтирање (поставување) на сензорите за вибрации и за фазен агол на авионот;
• определување на резонантните фреквенции на неколку структурни елементи на авионот (потпора на моторот, краци на елисата);
• идентификување на фреквенциите на вртење на моторот (работни режими) што обезбедуваат минимален достижен преостанат дисбаланс при балансирањето;
• утврдување на толеранциите за преостанатиот дисбаланс на елисата.

Дополнително, добиени се интересни податоци за нивоата на вибрации на авиони опремени со мотори М-14П.

Подолу се дадени материјалите од извештајот составени врз основа на резултатите од оваа работа. Освен резултатите од балансирањето, тие прикажуваат и податоци од вибрационите испитувања на авионите Yak-52 и Su-29, добиени при наземните и летачките тестови. Овие податоци може да бидат од интерес како за пилотите на авионите, така и за специјалистите вклучени во нивното одржување.

2. Балансирање и вибрационо испитување на Yak-52

2.1. Вовед

Во мај–јули 2014 година беше извршена работа на вибрационото испитување на авионот Yak-52, опремен со авионскиот мотор M-14P, и балансирањето на неговата двокрака елиса.

Балансирањето беше извршено во една рамнина со комплетот „Balanset-1“, сериски бр. 149.

Мерната шема е прикажана на Сл. 2.1. При балансирањето, сензорот за вибрации (акцелерометар) 1 беше поставен на предниот капак на редукторот на моторот со помош на магнетен држач на специјално конструиран носач. Ласерскиот сензор за фазен агол 2 исто така беше поставен на капакот на редукторот и насочен кон рефлектирачката ознака нанесена на еден од краците на елисата.

Аналогните сигнали од сензорите беа пренесени преку кабли до мерната единица на уредот „Balanset-1“, каде што беше извршена прелиминарна дигитална обработка. Овие сигнали во дигитална форма потоа влегуваа во компјутерот, каде што се вршеше софтверска обработка и се пресметуваа масата и аголот на коригирачкиот тег потребен за да се компензира дисбалансот на елисата.

Во текот на оваа работа, земајќи го предвид искуството стекнато од балансирањето на елисите и на Su-29 и на Yak-52, беа спроведени неколку дополнителни истражувања:

• определување на сопствените фреквенции на осцилациите на моторот и елисата на Yak-52;
• мерење на големината на вибрациите и на спектралниот состав во кабината на вториот пилот за време на летот по балансирањето на елисата;
• мерење на вибрациите по балансирањето на елисата и по прилагодувањето на силата на затегнување на амортизерите на моторот.

2.2. Сопствени фреквенции на осцилациите на моторот и елисата

Сопствените фреквенции на осцилациите на моторот, монтиран на амортизери во трупот на авионот, беа определени со спектрален анализатор AD-3527 од A&D (Јапонија) преку ударна побуда.

Во спектарот на сопствените осцилации на потпората на моторот на Yak-52 (Сл. 2.2), беа идентификувани четири главни фреквенции: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz.

Фреквенциите 74 Hz, 94 Hz и 120 Hz веројатно се поврзани со карактеристиките на закачувањето (потпората) на моторот за трупот на авионот. Фреквенцијата 20 Hz најверојатно е поврзана со сопствените осцилации на авионот на неговиот стаен трап.

Сопствените фреквенции на краците на елисата исто така беа определени со методот на ударна побуда. Беа идентификувани четири главни фреквенции: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz и 134 Hz.

Податоците за сопствените фреквенции на осцилации на овесот на моторот и на лопатките на елисата се важни пред сè за избор на фреквенцијата на вртење на елисата при балансирањето. Главниот услов при изборот на оваа фреквенција е да се обезбеди максимално отстапување од сопствените фреквенции на осцилации на конструктивните елементи на авионот, бидејќи при резонантни фреквенции точноста и повторливоста на мерењата на вибрациите можат значително да се нарушат.

Дополнително, познавањето на сопствените фреквенции на одделните компоненти може да биде корисно за идентификување на причините за нагли зголемувања на вибрациите (резонантни појави) при различни режими на вртежи на моторот, кои можат да се појават за време на работата на авионот.

2.3. Резултати од балансирањето

Како што е наведено погоре, балансирањето на елисата беше извршено во една рамнина, со што динамички се компензираше силовиот дисбаланс на елисата.

Динамичкото балансирање во две рамнини (кое дополнително би го компензирало моментниот дисбаланс) не беше изводливо, бидејќи конструкцијата на елисата на Yak-52 овозможува само една корекциона рамнина.

Балансирањето беше извршено при фреквенција на вртење од 1150 rpm (60%), при која беа добиени најстабилни мерења на вибрациите, како по амплитуда, така и по фаза, од пуштање до пуштање.

Беше применета класичната шема со „две пуштања“:

1. При првото пуштање беа определени амплитудата и фазата на вибрациите на фреквенцијата на вртење на елисата во почетната состојба.
2. При второто пуштање беа определени амплитудата и фазата на вибрациите по поставувањето пробна маса од 7 g на елисата.
3. Врз основа на овие податоци, софтверот пресмета: корекциона маса M = 19.5 g под агол F = 32°.

Поради конструктивните особености на елисата, кои не дозволуваа поставување на корекциониот тег на потребниот агол од 32°, беа поставени два еквивалентни тега:

• M1 = 14 g под агол F1 = 0°
• M2 = 8.3 g под агол F2 = 60°

2.4. Вибрации при други работни режими

Резултатите од проверките на вибрациите при други работни режими на моторот за време на наземните тестови се прикажани во Табела 2.1. Како што може да се види, балансирањето позитивно влијаеше врз вибрациите на Yak-52 при сите режими.

Освен тоа, за време на наземните тестови беше идентификуван јасен тренд на значително намалување на вибрациите со зголемување на фреквенцијата на вртење на елисата. Ова може да се објасни со поголемо отстапување на фреквенцијата на вртење на елисата од сопствената фреквенција на осцилации на авионот на шасијата (веројатно 20 Hz), кое настанува при повисоки фреквенции на вртење.

2.5. Вибрации во лет пред и по подесувањето на амортизерите

Покрај наземните тестови на вибрации по балансирањето на елисата (дел 2.3), беа спроведени и мерења на вибрациите на Yak-52 во лет.

Вибрациите во лет беа измерени во кабината на вториот пилот во вертикална насока со помош на преносен спектрален анализатор AD-3527 на A&D (Јапонија) во фреквентен опсег од 5 до 200 (500) Hz. Мерењата беа извршени при пет главни режими на вртежи на моторот: 60%, 65%, 70%, 82% и 94% од максималната фреквенција на вртење.

Резултатите, добиени пред подесувањето на амортизерите, се прикажани во Табела 2.2.

Како што се гледа од Табела 2.2, главните компоненти на вибрациите се појавуваат на фреквенцијата на ротација на елисата V_p1, фреквенцијата на коленестото вратило V_c1, погонот на воздушниот компресор (и/или сензорот за фреквенција) V_n, и нивните повисоки хармоници.

Максималната вкупна вибрација V_Σ беше пронајдена при режимите од 82% (1580 rpm) и 94% (1830 rpm). Доминантната компонента при овие режими се појавува на 2-от хармоник на фреквенцијата на ротација на коленестото вратило V_c2, достигнувајќи 12.5 mm/sec при 4800 циклуси/мин и 15.8 mm/sec при 5520 циклуси/мин.

Може да се претпостави дека оваа компонента е поврзана со клипната група (ударни процеси што настануваат при двојното движење на клиповите по едно вртење на коленестото вратило). Наглиот пораст при режимите од 82% (прв номинален) и 94% (полетување) најверојатно не е предизвикан од дефекти на клипната група, туку од резонантни осцилации на моторот на неговите амортизери. Овој заклучок е поткрепен со мерењата на сопствените фреквенции, кои открија фреквенции на суспензијата на моторот на 74 Hz (4440 циклуси/мин), 94 Hz (5640 циклуси/мин) и 120 Hz (7200 циклуси/мин). Две од нив — 74 Hz и 94 Hz — се блиску до фреквенциите на 2-от хармоник на коленестото вратило при првиот номинален и режимот на полетување.

Поради значителните вибрации пронајдени на V_c2, силата на затегнување на амортизерите на моторот беше проверена и прилагодена. Компаративните резултати се претставени во Табела 2.3.

Како што се гледа од Табела 2.3, прилагодувањето на амортизерите не доведе до значителни промени во главните компоненти на вибрациите на авионот.

Треба да се напомене и дека компонентата на дебалансот на елисата V_p1 при режимите од 82% и 94% е соодветно 3–7 пати пониска од V_c2 при тие режими. При други режими на летање, V_p1 се движи од 2.8 до 4.4 mm/sec, а нејзините промени меѓу режимите главно се определени не од квалитетот на балансирањето, туку од степенот на оддалечување од сопствените фреквенции на структурните елементи на авионот.

2.6. Заклучоци

2.6.1.

Балансирањето на елисата на Јак-52 при фреквенција на ротација од 1150 rpm (60%) овозможи намалување на вибрацијата на фреквенцијата на ротација на елисата од 10.2 mm/sec на 4.2 mm/sec. Земајќи го предвид искуството натрупано при балансирањето на елисите на авионите Јак-52 и Су-29 со помош на уредот „Balanset-1“, постои реална можност за постигнување на уште поголемо намалување на нивото на вибрации — особено, со избирање на повисока фреквенција на ротација на елисата при балансирањето, што би овозможило во поголема мера оддалечување од сопствената фреквенција на осцилации на авионот на 20 Hz (1200 циклуси/мин) идентификувана при мерењата.

2.6.2.

Како што покажуваат летните испитувања на вибрации (види Табели 2.2 и 2.3), спектрите на вибрации на авионот Јак-52 содржат, покрај вибрацијата на фреквенцијата на ротација на елисата V_p1, неколку други значителни компоненти — поврзани со коленестото вратило V_c1, V_c2, V_c3, клипната група на моторот, и погонот на воздушниот компресор (и/или сензорот за фреквенција) V_n.

При режимите на брзина од 60%, 65% и 70%, овие компоненти се споредливи по големина со компонентата на дебалансот на елисата V_p1. Следствено, дури и целосно отстранување на вибрацијата предизвикана од дебалансот на елисата би овозможило намалување на вкупната вибрација на авионот при овие режими за не повеќе од приближно 1.5 пати.

2.6.3.

Максималната вкупна вибрација V_Σ на авионот Јак-52 беше пронајдена при режимите на брзина од 82% (1580 rpm на елисата) и 94% (1830 rpm на елисата). Доминантната компонента на оваа вибрација се појавува на 2-от хармоник на фреквенцијата на ротација на коленестото вратило V_c2, на фреквенции од 4800 циклуси/мин и 5520 циклуси/мин соодветно, при кои достигнува вредности од 12.5 mm/sec и 15.8 mm/sec.

Како што е прикажано во деловите 2.5 и 2.2, наглиот пораст на оваа компонента при наведените режими најверојатно не е предизвикан од дефекти на клипната група, туку од резонантни осцилации на моторот на неговите амортизери. Прилагодувањето на силата на затегнување на амортизерите, извршено при испитувањата, не доведе до значителни промени во нивоата на вибрации.

Оваа ситуација веројатно може да се смета за конструкциски пропуст (konstruktivny proschet) на конструкторите на авионот, направен при изборот на системот за монтажа (суспензија) на моторот во трупот на авионот.

2.6.4.

Податоците добиени во текот на балансирањето на елисата и дополнително извршените испитувања на вибрации укажуваат дека периодичното следење на вибрациите може да биде корисно за дијагностичка проценка на техничката состојба на авионскиот мотор, вклучувајќи ја евалуацијата на состојбата на клипната група, коленестото вратило, лежиштата на моторот и погонот на воздушниот компресор.

Таквата работа може да се изврши, на пример, со уредот „Balanset-1“ (моментално произведуван како Balanset-1A), во чиј софтвер е имплементирана функцијата за спектрална анализа на вибрации.

3. Балансирање на елисата MTV-9-K-C/CL 260-27 и вибрациско испитување на Su-29

3.1. Вовед

На 15 јуни 2014 година беше извршена работа на балансирање на трикраката елиса од типот MTV-9-K-C/CL 260-27, монтирана на авионскиот мотор M-14P на акробатскиот авион Su-29.

Според податоците доставени од производителот (MT-Propeller), наведената елиса претходно била статички балансирана, за што сведочи присуството на елисата, во рамнина 1, на корективен тег монтиран во фабриката-производител.

Балансирањето на елисата, монтирана директно на излезното вратило на редукторот на Su-29 (т.е. на местото на нејзината трајна монтажа), беше извршено со комплетот за вибрациско балансирање „Balanset-1“, сериски бр. 149.

Мерната шема (Сл. 3.1) во целина беше слична на онаа употребена за Yak-52. Вибрацискиот сензор (акцелерометар) 1 беше монтиран на куќиштето на редукторот на моторот со магнетен носач на специјално изработен држач. Ласерскиот сензор за фазен агол 2 исто така беше монтиран на куќиштето на редукторот и насочен кон рефлектирачката ознака нанесена на еден од краците на елисата. Аналогните сигнали од сензорите се пренесуваа преку кабли до мерната единица на уредот „Balanset-1“, каде што се вршеше прелиминарна дигитална обработка. Потоа, сигналите во дигитална форма влегуваа во компјутерот, каде што се вршеше софтверска обработка и се пресметуваа масата и аголот на корективниот тег потребен за да се компензира дебалансот на елисата.

Пред оваа работа, и земајќи го предвид искуството од балансирањето на елисата на Yak-52, беа спроведени дополнителни истражувања:

• определување на сопствените фреквенции на осцилациите на моторот и елисата на Su-29;
• проверка на големината и спектралниот состав на почетната вибрација во кабината на вториот пилот пред балансирањето.

3.2. Сопствени фреквенции на осцилациите на моторот и елисата

Со истиот метод на ударна побуда со анализаторот AD-3527, во спектарот на потпирањето на моторот беа идентификувани шест главни фреквенции (Сл. 3.2): 16 Hz, 22 Hz, 37 Hz, 66 Hz, 88 Hz, 120 Hz.

Фреквенциите 66 Hz, 88 Hz и 120 Hz претпоставено се директно поврзани со особеностите на системот за монтирање (потпирање) на моторот во трупот на авионот. Фреквенциите 16 Hz и 22 Hz најверојатно се поврзани со сопствените осцилации на авионот како целина на неговата шасија. Што се однесува до фреквенцијата од 37 Hz, таа веројатно е поврзана со сопствената фреквенција на осцилациите на кракот на елисата на авионот.

Оваа последна претпоставка е потврдена со резултатите од мерењата на сопствените фреквенции на осцилациите на краците на елисата (Сл. 3.3), во чиј спектар беа идентификувани три главни фреквенции: 37 Hz, 100 Hz и 174 Hz.

Познавањето на сопствените фреквенции на потпирањето на моторот и на краците на елисата на Su-29 е од суштинско практично значење. Прво, овозможува оправдан избор на фреквенцијата на вртење на елисата за балансирање, обезбедувајќи максимално оддалечување од структурните резонанции на авионот. Второ, дава неопходна основа за правилно толкување и дијагностика на причините за вибрациите забележани при различни работни режими на моторот, како што ќе биде прикажано во наредните делови на овој извештај.

3.3. Почетна вибрација во кабината пред балансирање

Пред спроведувањето на постапката за балансирање, беа извршени мерења на почетните нивоа на вибрации во кабината на вториот пилот на Su-29. Како и во случајот со Yak-52, вибрацијата се мереше во вертикална насока со преносниот спектрален анализатор AD-3527 на A&D (Јапонија) во фреквенцискиот опсег од 5 до 200 Hz. Мерењата беа извршени при четири главни режими на вртежи на моторот, што одговараат на 60%, 65%, 70% и 82% од максималната фреквенција на вртење на елисата.

Резултатите од овие мерења се прикажани во Табела 3.1.

Главните вибрациски компоненти се појавуваат на фреквенцијата на вртење на елисата V_p1, коленесто вратило V_c1, погон на компресорот V_n, и 2-от хармоник на коленестото вратило V_c2 (што во случајот на трикраката елиса може да се совпадне и со фреквенцијата на минување на краците V_p3).

Во спектарот на режимот од 60%, беше пронајдена и неидентификувана компонента на 6120 циклуси/мин, веројатно предизвикана од резонанца на приближно 100 Hz — една од сопствените фреквенции на кракот на елисата.

Максималната вкупна вибрација (11.5 mm/sec) беше пронајдена на режимот од 70%. Доминантната компонента на овој режим е V_c2 на 4020 циклуси/мин, достигнувајќи 10.8 mm/sec. Ова нагло зголемување на 70% најверојатно се должи на резонантните осцилации на потпирањето на моторот близу 67 Hz (4020 циклуси/мин).

Треба да се напомене и дека, покрај ударните побуди од клипната група, вибрацијата во оваа фреквенциска област може да биде под влијание и на аеродинамичките сили на фреквенцијата на минување на краците на елисата (V_p3). На режимите од 65% и 82%, се забележува и значително зголемување на V_c2 (V_p3) компонентата, што исто така може да се објасни со резонантните осцилации на одделни компоненти на авионот.

Компонентата на дебалансот на елисата V_p1 се движеа од 2.4 до 5.7 mm/sec низ режимите пред балансирањето, генерално пониски од V_c2 при соодветните режими. Неговата варијација меѓу режимите е определена не само од квалитетот на балансирањето, туку и од степенот на оддалеченост од сопствените фреквенции на структурните елементи на авионот.

3.4. Резултати од балансирањето

Балансирањето на пропелерот беше изведено во една рамнина при фреквенција на вртење од 1350 rpm, со две мерни пуштања (класичниот метод на коефициенти на влијание). Целосниот протокол на балансирањето е даден во Прилог 1.

Постапката за балансирање се состоеше од следните операции:

1. За време на првото пуштање (почетна состојба), беа определени амплитудата и фазата на вибрациите при фреквенцијата на вртење на пропелерот.
2. За време на второто пуштање, беа определени амплитудата и фазата на вибрациите по поставувањето на пробна маса со позната тежина на пропелерот.
3. Врз основа на овие резултати од мерењето, софтверот ги пресмета масата и аголот на поставување на коригирачкиот тег во рамнина 1, потребен за компензирање на дебалансот на пропелерот.

Проверката на квалитетот на балансирањето во лет не беше извршена поради случајно оштетување на пропелерот за време на тренажен лет.

Причините за наведеното несовпаѓање може да бидат следните:

• грешки на мерниот систем на балансирачкиот стенд во производствената фабрика (оваа причина изгледа најмалку веројатна);
• геометриски грешки (неточности) на монтажните површини на вретеното на балансирачката машина во производствената фабрика, што предизвикуваат радијално биење на пропелерот на вретеното;
• геометриски грешки (неточности) на монтажните површини на излезното вратило на редукторот на авионот Су-29, што предизвикуваат радијално биење на пропелерот при монтажа на вратилото на редукторот.

3.5. Заклучоци

3.5.1.

Балансирањето на пропелерот на авионот Су-29 во една рамнина при фреквенција на вртење на пропелерот од 1350 rpm (70%) овозможи намалување на вибрациите при фреквенцијата на вртење на пропелерот од 6.7 mm/sec во почетната состојба на 1.5 mm/sec по балансирањето. Вибрациите поврзани со дебалансот на пропелерот при други режими на брзина на моторот исто така значително се намалија и останаа во рамките на 1–2.5 mm/sec.

3.5.2.

За да се разјаснат причините за незадоволителните резултати од балансирањето на пропелерот во производствената фабрика (MT-Propeller), потребно е да се провери радијалното биење на пропелерот на излезното вратило на редукторот на моторот на авионот Су-29.

Прилог 1: Протокол за балансирање