Mengenai Pengimbangan Kipas Pesawat dalam Keadaan Lapangan

1. Kata Pengantar

Dua setengah tahun yang lalu, perusahaan kami memulakan pengeluaran bersiri peranti "Balanset-1", yang direka untuk mengimbangi mekanisme berputar dalam galas mereka sendiri.

Sehingga kini, lebih daripada 180 set telah dihasilkan. Ia digunakan secara berkesan dalam pelbagai industri, termasuk pengeluaran dan pengendalian kipas, peniup, motor elektrik, gelendong mesin, pam, penghancur, pemisah, emparan, pemasangan kardan dan aci engkol, dan mekanisme yang serupa.

Baru-baru ini, Vibromera telah menerima sejumlah besar pertanyaan daripada organisasi dan individu mengenai kemungkinan menggunakan peralatan kami untuk mengimbangkan kipas pesawat dan helikopter dalam keadaan lapangan.

Malangnya, pakar kami, walaupun telah berpengalaman bertahun-tahun dalam mengimbangi pelbagai mesin, tidak pernah menangani masalah khusus ini sebelum ini. Oleh itu, nasihat dan cadangan yang dapat kami berikan kepada pelanggan kami agak umum dan tidak selalunya membolehkan mereka menyelesaikan tugas yang sedang dihadapi dengan berkesan.

Keadaan ini mula berubah menjadi lebih baik pada musim bunga ini, hasil penglibatan aktif VD Chvokov, yang menganjurkan dan mengambil bahagian bersama kami dalam kerja-kerja mengimbangi kipas pesawat Yak-52 dan Su-29, yang dipandunya.

Semasa kerja ini, kemahiran tertentu telah diperoleh dan teknologi untuk mengimbangi kipas pesawat dalam keadaan lapangan menggunakan peranti "Balanset-1" telah dibangunkan, termasuk:

• menentukan lokasi dan kaedah untuk memasang (pemasangan) sensor getaran dan sudut fasa pada pesawat;
• menentukan frekuensi resonans beberapa elemen struktur pesawat (penggantungan enjin, bilah kipas);
• mengenal pasti frekuensi putaran enjin (mod operasi) yang memastikan ketidakseimbangan baki minimum yang boleh dicapai semasa pengimbangan;
• menetapkan toleransi untuk ketidakseimbangan baki kipas.

Di samping itu, data menarik mengenai tahap getaran pesawat yang dilengkapi dengan enjin M-14P diperolehi.

Berikut adalah bahan laporan yang dikumpulkan daripada hasil kerja ini. Selain daripada keputusan pengimbangan, ia membentangkan data daripada tinjauan getaran pesawat Yak-52 dan Su-29, yang diperoleh semasa ujian darat dan penerbangan. Data ini mungkin menarik minat juruterbang pesawat dan pakar yang terlibat dalam penyelenggaraannya.

2. Tinjauan Pengimbangan dan Getaran Yak-52

2.1. pengenalan

Pada bulan Mei–Julai 2014, kerja-kerja telah dijalankan ke atas tinjauan getaran pesawat Yak-52, yang dilengkapi dengan enjin penerbangan M-14P, dan pengimbangan kipas dua bilahnya.

Pengimbangan telah dilakukan dalam satu satah menggunakan kit "Balanset-1", nombor siri 149.

Skema pengukuran ditunjukkan dalam Rajah 2.1. Semasa pengimbangan, sensor getaran (pecutan) 1 telah dipasang pada penutup hadapan kotak gear enjin menggunakan pelekap magnet pada pendakap yang direka khas. Sensor sudut fasa laser 2 juga dipasang pada penutup kotak gear dan dihalakan ke arah tanda pantulan yang dikenakan pada salah satu bilah kipas.

Isyarat analog daripada sensor dihantar melalui kabel ke unit pengukur peranti "Balanset-1", di mana pemprosesan digital awal dilakukan. Isyarat ini dalam bentuk digital kemudiannya memasuki komputer, di mana pemprosesan perisian dijalankan dan jisim serta sudut berat pembetulan yang diperlukan untuk mengimbangi ketidakseimbangan kipas dikira.

Semasa kerja ini, dengan mengambil kira pengalaman yang diperoleh daripada mengimbangi kipas Su-29 dan Yak-52, beberapa kajian tambahan telah dijalankan:

• menentukan frekuensi semula jadi ayunan enjin dan kipas Yak-52;
• mengukur magnitud getaran dan komposisi spektrum dalam kabin juruterbang kedua semasa penerbangan selepas pengimbangan kipas;
• mengukur getaran selepas pengimbangan kipas dan selepas melaraskan daya pengetatan penyerap hentak enjin.

2.2. Frekuensi Semula Jadi Ayunan Enjin dan Kipas

Frekuensi semula jadi ayunan enjin, yang dipasang pada penyerap hentakan dalam badan pesawat, telah ditentukan menggunakan penganalisis spektrum AD-3527 oleh A&D (Jepun) melalui pengujaan hentaman.

Dalam spektrum ayunan semula jadi suspensi enjin Yak-52 (Rajah 2.2), empat frekuensi utama telah dikenal pasti: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz.

Frekuensi 74 Hz, 94 Hz, dan 120 Hz berkemungkinan berkaitan dengan ciri-ciri pelekap enjin (suspensi) pada badan pesawat. Frekuensi 20 Hz berkemungkinan besar dikaitkan dengan ayunan semula jadi pesawat pada casis gear pendaratannya.

Frekuensi semula jadi bilah kipas juga ditentukan menggunakan kaedah pengujaan hentaman. Empat frekuensi utama telah dikenal pasti: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz, dan 134 Hz.

Data tentang frekuensi semula jadi ayunan suspensi enjin dan bilah kipas adalah penting terutamanya untuk memilih frekuensi putaran kipas semasa pengimbangan. Syarat utama dalam memilih frekuensi ini adalah untuk memastikan penyahtalaan maksimum daripada frekuensi semula jadi ayunan elemen struktur pesawat, kerana pada frekuensi resonan, ketepatan dan kebolehulangan pengukuran getaran boleh terjejas dengan ketara.

Di samping itu, pengetahuan tentang frekuensi semula jadi komponen individu boleh berguna untuk mengenal pasti punca peningkatan mendadak dalam getaran (fenomena resonans) pada pelbagai mod kelajuan enjin, yang mungkin timbul semasa operasi pesawat.

2.3. Keputusan Pengimbangan

Seperti yang dinyatakan di atas, pengimbangan kipas dilakukan dalam satu satah, sekali gus mengimbangi ketidakseimbangan daya kipas secara dinamik.

Pengimbangan dinamik dalam dua satah (yang juga akan mengimbangi ketidakseimbangan momen) tidak dapat dilaksanakan, kerana reka bentuk kipas pada Yak-52 hanya membenarkan satu satah pembetulan.

Pengimbangan telah dilakukan pada frekuensi putaran 1150 rpm (60%), di mana ukuran getaran paling stabil, baik dalam amplitud mahupun fasa, diperoleh dari larian ke larian.

Skim "dua larian" klasik telah digunakan:

1. Semasa larian pertama, amplitud dan fasa getaran pada frekuensi putaran kipas dalam keadaan awal telah ditentukan.
2. Semasa larian kedua, amplitud dan fasa getaran selepas memasang jisim percubaan 7 g pada kipas telah ditentukan.
3. Berdasarkan data ini, perisian tersebut mengira: jisim pembetulan M = 19.5 g pada sudut F = 32°.

Disebabkan ciri reka bentuk kipas, yang tidak membenarkan pemasangan berat pembetulan pada sudut 32° yang diperlukan, dua berat setara telah dipasang:

• M1 = 14 g pada sudut F1 = 0°
• M2 = 8.3 g pada sudut F2 = 60°

2.4. Getaran pada Mod Operasi Lain

Keputusan pemeriksaan getaran pada mod operasi enjin lain semasa ujian darat dibentangkan dalam Jadual 2.1. Seperti yang dapat dilihat, pengimbangan memberi kesan positif kepada getaran Yak-52 pada semua mod.

Tambahan pula, semasa ujian darat, trend pengurangan getaran yang ketara dengan peningkatan frekuensi putaran kipas telah dikenal pasti. Ini dapat dijelaskan oleh penyahtalaan frekuensi putaran kipas yang lebih besar daripada frekuensi ayunan semula jadi pesawat pada casis (mungkin 20 Hz), yang berlaku pada frekuensi putaran yang lebih tinggi.

2.5. Getaran Dalam Penerbangan Sebelum dan Selepas Pelarasan Penyerap Hentakan

Selain ujian getaran darat selepas pengimbangan kipas (bahagian 2.3), pengukuran getaran Yak-52 juga dijalankan dalam penerbangan.

Getaran semasa penerbangan diukur di kabin juruterbang kedua dalam arah menegak menggunakan penganalisis spektrum mudah alih AD-3527 oleh A&D (Jepun) dalam julat frekuensi dari 5 hingga 200 (500) Hz. Pengukuran telah diambil pada lima mod kelajuan enjin utama: 60%, 65%, 70%, 82%, dan 94% bagi frekuensi putaran maksimum.

Keputusan yang diperoleh sebelum melaraskan penyerap hentakan ditunjukkan dalam Jadual 2.2.

Seperti yang dilihat daripada Jadual 2.2, komponen getaran utama muncul pada frekuensi putaran kipas V_p1, frekuensi aci engkol V_c1, pemacu pemampat udara (dan/atau sensor frekuensi) V_n, dan harmoniknya yang lebih tinggi.

Getaran jumlah maksimum V_Σ ditemui pada mod 82% (1580 rpm) dan 94% (1830 rpm). Komponen dominan pada mod ini muncul pada harmonik ke-2 frekuensi putaran aci engkol V_c2, mencapai 12.5 mm/saat pada 4800 kitaran/min dan 15.8 mm/saat pada 5520 kitaran/min.

Boleh diandaikan bahawa komponen ini dikaitkan dengan kumpulan omboh (proses hentaman yang berlaku semasa pergerakan berganda omboh bagi setiap satu pusingan aci engkol). Peningkatan mendadak pada mod 82% (nominal pertama) dan 94% (lepas landas) kemungkinan besar bukan disebabkan oleh kecacatan kumpulan omboh, tetapi oleh ayunan resonan enjin pada penyerap hentaknya. Kesimpulan ini disokong oleh pengukuran frekuensi semula jadi, yang mendedahkan frekuensi penggantungan enjin pada 74 Hz (4440 kitaran/min), 94 Hz (5640 kitaran/min), dan 120 Hz (7200 kitaran/min). Dua daripadanya — 74 Hz dan 94 Hz — hampir dengan frekuensi harmonik aci engkol ke-2 pada mod operasi nominal dan lepas landas pertama.

Disebabkan oleh getaran ketara yang terdapat pada V_c2, daya pengetatan penyerap hentak enjin telah diperiksa dan diselaraskan. Keputusan perbandingan dibentangkan dalam Jadual 2.3.

Seperti yang dilihat daripada Jadual 2.3, pelarasan penyerap tidak menyebabkan perubahan ketara dalam komponen getaran utama pesawat.

Perlu juga diperhatikan bahawa komponen ketidakseimbangan kipas V_p1 pada mod 82% dan 94% masing-masing 3–7 kali lebih rendah daripada V_c2 pada mod tersebut. Pada mod penerbangan lain, V_p1 julat antara 2.8 hingga 4.4 mm/saat, dan perubahannya antara mod ditentukan terutamanya bukan oleh kualiti pengimbangan, tetapi oleh tahap penyahtalaan daripada frekuensi semula jadi elemen struktur pesawat.

2.6. Kesimpulan

2.6.1.

Mengimbangi kipas Yak-52 pada frekuensi putaran 1150 rpm (60%) membolehkan pengurangan getaran pada frekuensi putaran kipas daripada 10.2 mm/saat kepada 4.2 mm/saat. Dengan mengambil kira pengalaman yang terkumpul semasa pengimbangan kipas pesawat Yak-52 dan Su-29 menggunakan peranti "Balanset-1", terdapat kemungkinan yang realistik untuk mencapai pengurangan tahap getaran yang lebih besar — khususnya, dengan memilih frekuensi putaran kipas yang lebih tinggi semasa pengimbangan, yang akan membolehkan penyahtalaan yang lebih besar daripada frekuensi semula jadi ayunan pesawat pada 20 Hz (1200 kitaran/min) yang dikenal pasti semasa pengukuran.

2.6.2.

Seperti yang ditunjukkan oleh ujian getaran penerbangan (lihat Jadual 2.2 dan 2.3), spektrum getaran pesawat Yak-52 mengandungi, sebagai tambahan kepada getaran pada frekuensi putaran kipas V_p1, beberapa komponen penting lain — yang berkaitan dengan aci engkol V_c1, V_c2, V_c3, kumpulan omboh enjin dan pemacu pemampat udara (dan/atau sensor frekuensi) V_n.

Pada mod kelajuan 60%, 65% dan 70%, komponen-komponen ini setanding magnitudnya dengan komponen ketidakseimbangan kipas V._p1. Akibatnya, penghapusan sepenuhnya getaran yang disebabkan oleh ketidakseimbangan kipas akan membolehkan pengurangan jumlah getaran pesawat pada mod ini tidak lebih daripada kira-kira 1.5 kali ganda.

2.6.3.

Getaran jumlah maksimum V_Σ pesawat Yak-52 ditemui pada mod kelajuan 82% (1580 rpm kipas) dan 94% (1830 rpm kipas). Komponen dominan getaran ini muncul pada harmonik ke-2 frekuensi putaran aci engkol V_c2, pada frekuensi masing-masing 4800 kitaran/min dan 5520 kitaran/min, yang mana ia mencapai nilai 12.5 mm/saat dan 15.8 mm/saat.

Seperti yang ditunjukkan dalam bahagian 2.5 dan 2.2, peningkatan mendadak dalam komponen ini pada mod yang ditunjukkan kemungkinan besar bukan disebabkan oleh kecacatan kumpulan omboh, tetapi oleh ayunan resonan enjin pada penyerap hentaknya. Pelarasan daya pengetatan penyerap, yang dilakukan semasa ujian, tidak menyebabkan perubahan ketara dalam tahap getaran.

Situasi ini mungkin boleh dianggap sebagai kecuaian reka bentuk (proschet konstruktivny) daripada pembangun pesawat, yang diterima semasa pemilihan sistem pelekap enjin (suspensi) dalam badan pesawat.

2.6.4.

Data yang diperoleh semasa pengimbangan kipas dan ujian getaran tambahan yang dilakukan menunjukkan bahawa pemantauan getaran berkala boleh berguna untuk penilaian diagnostik keadaan teknikal enjin pesawat, termasuk penilaian keadaan kumpulan omboh, aci engkol, galas enjin dan pemacu pemampat udara.

Kerja sedemikian boleh dilakukan, contohnya, menggunakan peranti "Balanset-1" (kini dihasilkan sebagai Balanset-1A), dalam perisian yang mana fungsi analisis getaran spektrum dilaksanakan.

3. Mengimbangi Tinjauan Kipas dan Getaran MTV-9-KC/CL 260-27 Su-29

3.1. pengenalan

Pada 15 Jun 2014, kerja-kerja telah dijalankan untuk mengimbangkan kipas tiga bilah jenis MTV-9-KC/CL 260-27, yang dipasang pada enjin penerbangan M-14P pesawat aerobatik Su-29.

Menurut data yang diberikan oleh pengilang (MT-Propeller), kipas yang ditunjukkan telah diseimbangkan secara statik pada awalnya, seperti yang dibuktikan oleh kehadiran pemberat pembetulan pada kipas dalam satah 1 yang dipasang di kilang pembuatan.

Pengimbangan kipas, yang dipasang terus pada aci output kotak gear Su-29 (iaitu di tempat pemasangan tetapnya), telah dijalankan menggunakan kit pengimbangan getaran "Balanset-1", nombor siri 149.

Skema pengukuran (Rajah 3.1) secara amnya serupa dengan yang digunakan untuk Yak-52. Sensor getaran (pecutan) 1 telah dipasang pada perumah kotak gear enjin menggunakan pelekap magnet pada pendakap yang direka khas. Sensor sudut fasa laser 2 Begitu juga dipasang pada perumah kotak gear dan diorientasikan ke arah tanda pantulan yang dikenakan pada salah satu bilah kipas. Isyarat analog daripada sensor dihantar melalui kabel ke unit pengukur peranti "Balanset-1", di mana pemprosesan digital awal dilakukan. Selepas itu, isyarat dalam bentuk digital memasuki komputer, di mana pemprosesan perisian dijalankan dan jisim serta sudut berat pembetulan yang diperlukan untuk mengimbangi ketidakseimbangan kipas dikira.

Sebelum kerja ini, dan dengan mengambil kira pengalaman daripada mengimbangi kipas Yak-52, kajian tambahan telah dijalankan:

• menentukan frekuensi semula jadi ayunan enjin dan kipas Su-29;
• memeriksa magnitud dan komposisi spektrum getaran garis dasar dalam kabin juruterbang kedua sebelum mengimbangkan.

3.2. Frekuensi Semula Jadi Ayunan Enjin dan Kipas

Menggunakan kaedah pengujaan hentaman yang sama dengan penganalisis AD-3527, enam frekuensi utama telah dikenal pasti dalam spektrum penggantungan enjin (Rajah 3.2): 16 Hz, 22 Hz, 37 Hz, 66 Hz, 88 Hz, 120 Hz.

Frekuensi 66 Hz, 88 Hz, dan 120 Hz mungkin berkaitan secara langsung dengan keanehan sistem pemasangan enjin (gantungan) dalam badan pesawat. Frekuensi 16 Hz dan 22 Hz kemungkinan besar dikaitkan dengan ayunan semula jadi pesawat secara keseluruhan pada casisnya. Bagi frekuensi 37 Hz, ia mungkin berkaitan dengan frekuensi semula jadi ayunan bilah kipas pesawat.

Andaian terakhir ini disahkan oleh hasil pengukuran frekuensi semula jadi ayunan bilah kipas (Rajah 3.3), dalam spektrum yang mana tiga frekuensi utama dikenal pasti: 37 Hz, 100 Hz, dan 174 Hz.

Pengetahuan tentang frekuensi semula jadi suspensi enjin dan bilah kipas Su-29 adalah sangat penting secara praktikal. Pertama, ia membolehkan pemilihan frekuensi putaran kipas yang wajar untuk pengimbangan, memastikan penyahtalaan maksimum daripada resonans struktur pesawat. Kedua, ia menyediakan asas yang diperlukan untuk tafsiran dan diagnosis yang betul tentang punca getaran yang diperhatikan pada pelbagai mod operasi enjin, seperti yang akan ditunjukkan dalam bahagian seterusnya laporan ini.

3.3. Getaran Kabin Garis Asas Sebelum Pengimbangan

Sebelum melaksanakan prosedur pengimbangan, pengukuran tahap getaran asas dalam kabin juruterbang kedua Su-29 telah dijalankan. Seperti dalam kes Yak-52, getaran diukur dalam arah menegak menggunakan penganalisis spektrum mudah alih AD-3527 oleh A&D (Jepun) dalam julat frekuensi dari 5 hingga 200 Hz. Pengukuran telah dilakukan pada empat mod kelajuan enjin utama, sepadan dengan 60%, 65%, 70%, dan 82% bagi frekuensi putaran maksimum kipas.

Keputusan pengukuran ini dibentangkan dalam Jadual 3.1.

Komponen getaran utama muncul pada frekuensi putaran kipas V_p1, aci engkol V_c1, pemacu pemampat V_n, dan harmonik V aci engkol ke-2_c2 (yang dalam kes kipas tiga bilah juga mungkin bertepatan dengan frekuensi laluan bilah V_p3).

Dalam spektrum mod 60%, komponen yang tidak dikenal pasti pada 6120 kitaran/min juga ditemui, mungkin disebabkan oleh resonans pada kira-kira 100 Hz — salah satu frekuensi semula jadi bilah kipas.

Getaran jumlah maksimum (11.5 mm/saat) ditemui pada mod 70%. Komponen dominan pada mod ini ialah V_c2 pada 4020 kitaran/min, mencapai 10.8 mm/saat. Peningkatan mendadak pada 70% ini berkemungkinan disebabkan oleh ayunan resonan suspensi enjin berhampiran 67 Hz (4020 kitaran/min).

Perlu juga diperhatikan bahawa, selain daripada rangsangan hentaman daripada kumpulan omboh, getaran dalam kawasan frekuensi ini juga mungkin dipengaruhi oleh daya aerodinamik pada frekuensi lulus bilah kipas (V_p3). Pada mod 65% dan 82%, peningkatan ketara dalam V_c2 (V_p3) juga diperhatikan, yang juga boleh dijelaskan oleh ayunan resonan bagi komponen pesawat individu.

Komponen ketidakseimbangan kipas V_p1 antara 2.4 hingga 5.7 mm/saat merentasi mod sebelum pengimbangan, secara amnya lebih rendah daripada V_c2 pada mod yang sepadan. Variasinya antara mod ditentukan bukan sahaja oleh kualiti pengimbangan, tetapi juga oleh tahap penyahtalaan daripada frekuensi semula jadi elemen struktur pesawat.

3.4. Keputusan Pengimbangan

Pengimbangan kipas dilakukan dalam satu satah pada frekuensi putaran 1350 rpm, menggunakan dua larian pengukuran (kaedah klasik pekali pengaruh). Protokol pengimbangan penuh diberikan dalam Lampiran 1.

Prosedur pengimbangan terdiri daripada operasi berikut:

1. Semasa larian pertama (keadaan awal), amplitud dan fasa getaran pada frekuensi putaran kipas telah ditentukan.
2. Semasa larian kedua, amplitud dan fasa getaran selepas memasang jisim percubaan dengan berat yang diketahui pada kipas telah ditentukan.
3. Berdasarkan keputusan pengukuran ini, perisian tersebut mengira jisim dan sudut pemasangan berat pembetulan dalam satah 1, yang diperlukan untuk mengimbangi ketidakseimbangan kipas.

Pengesahan kualiti pengimbangan dalam penerbangan tidak dijalankan kerana kerosakan tidak sengaja pada kipas semasa penerbangan latihan.

Sebab-sebab percanggahan yang ditunjukkan mungkin seperti berikut:

• ralat sistem pengukuran pendirian pengimbangan di kilang pembuatan (sebab ini nampaknya paling tidak mungkin);
• ralat geometri (ketidaktepatan) permukaan pelekap gelendong mesin pengimbang di kilang pembuatan, menyebabkan larian jejari kipas pada gelendong;
• ralat geometri (ketidaktepatan) permukaan pelekap aci keluaran kotak gear pada pesawat Su-29, menyebabkan larian jejari kipas apabila dipasang pada aci kotak gear.

3.5. Kesimpulan

3.5.1.

Mengimbangi kipas pesawat Su-29 dalam satu satah pada frekuensi putaran kipas 1350 rpm (70%) membolehkan pengurangan getaran pada frekuensi putaran kipas daripada 6.7 mm/saat dalam keadaan awal kepada 1.5 mm/saat selepas pengimbangan. Getaran yang berkaitan dengan ketidakseimbangan kipas pada mod kelajuan enjin yang lain juga menurun dengan ketara dan kekal dalam lingkungan 1–2.5 mm/saat.

3.5.2.

Untuk menjelaskan sebab-sebab keputusan pengimbangan kipas yang tidak memuaskan di kilang pembuatan (MT-Propeller), adalah perlu untuk memeriksa larian jejari kipas pada aci output kotak gear enjin pesawat Su-29.

Lampiran 1: Protokol Pengimbangan