Balansering av flypropeller under feltforhold: En profesjonell ingeniørtilnærming
Av sjefingeniør VD Feldman
BSTU "Voenmech" oppkalt etter DF Ustinov
Fakultet for våpen og våpensystemer «E»
Avdeling E7 «Mekanikk i deformerbare faste legeme»
Sjefingeniør og utvikler av Balanset-serien av instrumenter
Redigert av N.A. Shelkovenko
Optimalisert av AI
Når en flymotor opplever overdreven vibrasjon under flyging, er det ikke bare et mekanisk problem – det er et kritisk sikkerhetsproblem som krever umiddelbar oppmerksomhet. Ubalanserte propeller kan føre til katastrofale feil, noe som kompromitterer både flyets integritet og pilotens sikkerhet. Denne omfattende analysen presenterer feltutprøvde metoder for propellbalansering ved hjelp av avansert bærbart utstyr, basert på omfattende praktisk erfaring med ulike flytyper.
1. Bakgrunn og motivasjon for balansering av feltpropeller
For to og et halvt år siden startet bedriften vår serieproduksjonen av enheten «Balanset 1», som er spesielt utviklet for balansering av roterende mekanismer i egne lagreDenne revolusjonerende tilnærmingen til feltbalanseringsutstyr har forandret måten vi håndterer flyvedlikehold på.
Til dags dato er det produsert mer enn 180 sett, som effektivt brukes i ulike bransjer, inkludert produksjon og drift av vifter, blåsere, elektriske motorer, maskinspindler, pumper, knusere, separatorer, sentrifuger, kardang- og veivaksler og andre mekanismer. Imidlertid balansering av flypropeller applikasjonen har vist seg å være en av de mest kritiske og utfordrende.
I det siste har bedriften vår mottatt et stort antall henvendelser fra organisasjoner og enkeltpersoner angående muligheten for å bruke utstyret vårt til balansering av fly- og helikopterpropeller under feltforholdDenne økningen i interesse gjenspeiler den økende erkjennelsen av viktigheten av riktig vedlikehold av propeller innen flysikkerhet.
Dessverre hadde våre spesialister, med mange års erfaring med å balansere ulike maskiner, aldri tidligere håndtert denne spesifikke luftfartsutfordringen. Derfor var rådene og anbefalingene vi kunne gi kundene våre svært generelle og tillot dem ikke alltid å effektivt løse de komplekse problemene knyttet til analyse av flyvibrasjoner og korrigering av propellubalanse.
Denne situasjonen begynte å bli bedre i vår. Dette skyldtes den aktive stillingen til VD Chvokov, som organiserte og aktivt deltok sammen med oss i arbeidet med balansering av propellene av Yak-52 og Su-29 fly, som han flyr. Hans praktiske luftfartserfaring kombinert med vår ingeniørekspertise skapte det perfekte grunnlaget for å utvikle pålitelige prosedyrer for propellbalansering.
2. Omfattende propellbalansering og vibrasjonsanalyse av Yak-52 aerobatic-flyet
2.1. Introduksjon til avansert vibrasjonsovervåking i fly
I mai–juli 2014 ble det utført et omfattende arbeid med vibrasjonsundersøkelse av Yak-52-flyet utstyrt med M-14P-flymotoren, og balansering av den tobladede propellenDenne omfattende studien representerer en av de mest detaljerte analysene av dynamikk av flypropeller noen gang utført under feltforhold.
Den propellbalansering ble utført i ett plan ved bruk av balanseringssettet «Balanset 1», serienummer 149. Denne balanseringsmetoden i ett plan er spesielt utviklet for dynamisk balansering applikasjoner der forholdet mellom rotorens lengde og diameter tillater effektiv korreksjon gjennom et enkelt korreksjonsplan.
Måleskjemaet som ble brukt under propellbalansering er vist i figur 2.1, som illustrerer den nøyaktige plasseringen av sensoren som er kritisk for nøyaktig vibrasjonsanalyse.
I løpet av propellbalanseringsprosess, vibrasjonssensoren (akselerometeret) 1 ble installert på frontdekselet til motorgirkassen ved hjelp av et magnetisk monteringssystem på en spesialdesignet brakett. Denne plasseringen sikrer optimal signalopptak samtidig som sikkerhetsprotokoller som er essensielle for vedlikehold av luftfart.
Laserfasevinkelsensoren 2 ble også installert på girkassedekselet og orientert mot det reflekterende merket som var påført et av propellbladene. Denne konfigurasjonen muliggjør presis fasevinkelmåling, som er avgjørende for å bestemme den nøyaktige plasseringen av korrigering av propellubalanse vekter.
Analoge signaler fra sensorene ble overført via skjermede kabler til måleenheten i «Balanset 1»-enheten, hvor de gjennomgikk sofistikert digital forbehandling for å eliminere støy og forbedre signalkvaliteten.
Deretter ble disse signalene i digital form sendt til en datamaskin, hvor avanserte programvarealgoritmer behandlet disse signalene og beregnet massen og vinkelen på korreksjonsvekten som var nødvendig for å kompensere for propell ubalanseDenne beregningsmetoden sikrer matematisk presisjon i balanseringsberegninger.
Tekniske merknader:
- Zk – hovedgirhjulet på girkassen
- Zs – girkassesatellitter
- Zn – stasjonært tannhjul på girkassen
2.2. Avanserte teknikker og teknologier utviklet
Under utførelsen av dette arbeidet ble visse kritiske ferdigheter tilegnet og en omfattende teknologi for balansering av flypropeller under feltforhold ved bruk av «Balanset 1»-enheten ble utviklet, inkludert:
- Optimalisering av sensorinstallasjon: Bestemme de optimale plasseringene og metodene for å installere (feste) vibrasjons- og fasevinkelsensorer på flystrukturen for å maksimere signalkvaliteten samtidig som sikkerhetssamsvar sikres;
- Resonansfrekvensanalyse: Bestemmelse av resonansfrekvensene til flere strukturelle elementer i flyet (motoroppheng, propellblader) for å unngå eksitasjon under balanseringsprosedyrer;
- Valg av driftsmodus: Identifisering av motorrotasjonsfrekvenser (driftsmoduser) som sikrer minimal gjenværende ubalanse under propellbalanseringsoperasjoner;
- Kvalitetsstandarder: Fastsettelse av toleranser for gjenværende ubalanse i propellen i henhold til internasjonale luftfartsstandarder og sikkerhetskrav.
I tillegg verdifulle data om vibrasjonsnivåer i fly utstyrt med M-14P-motorer ble anskaffet, noe som bidro betydelig til kunnskapsbasen om luftfartsvedlikehold.
Nedenfor finner du detaljerte rapportmaterialer som er satt sammen basert på resultatene av dette arbeidet. I tillegg til resultater for propellbalansering, omfattende data om vibrasjonsundersøkelser av Yak-52 og Su-29 fly innhentet under bakke- og flytester er gitt.
Disse dataene kan være av betydelig interesse både for flypiloter og for spesialister involvert i flyvedlikehold, som gir praktisk innsikt for forbedret protokoller for luftfartssikkerhet.
Under utførelsen av dette arbeidet, med tanke på erfaringene som er gjort i balansering av propellene av Su-29- og Yak-52-flyene ble det utført en rekke ytterligere omfattende studier, inkludert:
- Naturfrekvensanalyse: Bestemmelse av egenfrekvensene til motor- og propell-svingningene til Yak-52-flyet;
- Vurdering av flyvibrasjoner: Kontroll av størrelsen og den spektrale sammensetningen av vibrasjoner i den andre pilotens kabin under flyging etter propellbalansering;
- Systemoptimalisering: Kontroll av størrelsen og den spektrale sammensetningen av vibrasjoner i den andre pilotens kabin under flyging etter propellbalansering og justering av strammekraften til motorens støtdempere.
2.2. Resultater av studier av naturlige frekvenser for motor- og propellsvingninger
De naturlige frekvensene til motoroscillasjonene, montert på støtdempere i flykroppen, ble bestemt ved hjelp av den profesjonelle AD-3527 spektrumanalysatoren fra A&D (Japan) gjennom kontrollert støteksitasjon av motoroscillasjoner. Denne metodikken representerer gullstandarden innen analyse av flyvibrasjoner.
I spekteret av naturlige svingninger i Yak-52-flymotorens fjæring, et eksempel på dette er presentert i figur 2.2, ble fire hovedfrekvenser identifisert med høy presisjon: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz. Disse frekvensene er kritiske for å forstå flyets dynamiske oppførsel og optimalisering prosedyrer for propellbalansering.
Frekvensanalyse og implikasjoner:
Frekvensene 74 Hz, 94 Hz og 120 Hz er sannsynligvis relatert til de spesifikke egenskapene til motorens monteringssystem (opphengssystem) i forhold til flykroppen. Disse frekvensene må unngås nøye under propellbalanseringsoperasjoner for å forhindre resonanseksitasjon.
Frekvensen 20 Hz er mest sannsynlig assosiert med de naturlige svingningene til hele flyet på landingsunderstellet, og representerer en grunnleggende modus for hele flystrukturen.
Propellbladenes naturlige frekvenser ble også bestemt ved hjelp av den samme strenge støteksitasjonsmetode, noe som sikret konsistens i målemetoden.
I denne omfattende analysen ble fire hovedfrekvenser identifisert: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz og 134 Hz. Disse frekvensene representerer forskjellige vibrasjonsmoduser for propellbladene og er essensielle for optimalisering av propellbalansering.
Ingeniørmessig betydning:
Data om de naturlige frekvensene til Yak-52-flyets propell og motorsvingninger kan være spesielt viktige når man velger propellrotasjonsfrekvens brukes under balansering. Hovedbetingelsen for å velge denne frekvensen er å sikre maksimal mulig avstemming fra de naturlige frekvensene til flyets strukturelle elementer, og dermed unngå resonansforhold som kan forsterke vibrasjoner i stedet for å redusere dem.
I tillegg kan det å kjenne til de naturlige frekvensene til individuelle komponenter og deler av flyet være svært nyttig for å identifisere årsakene til kraftige økninger (i tilfelle resonans) i visse komponenter i vibrasjonsspekteret ved ulike motorhastighetsmoduser, noe som muliggjør prediktive vedlikeholdsstrategier.
2.3. Resultater av propellbalansering og ytelsesanalyse
Som nevnt ovenfor, propellbalansering ble utført i ett plan, noe som resulterte i effektiv dynamisk kompensasjon av propellens kraftubalanse. Denne tilnærmingen er spesielt egnet for propeller der aksialdimensjonen er relativt liten sammenlignet med diameteren.
Utfører dynamisk balansering i to plan, som teoretisk sett ville tillate kompensasjon for både kraft- og momentubalanse i propellen, var ikke teknisk gjennomførbart, ettersom utformingen av propellen installert på Yak-52-flyet tillater dannelse av kun ett tilgjengelig korreksjonsplan. Denne begrensningen er vanlig i mange propellinstallasjoner på fly.
Den propellbalansering ble utført ved en nøye valgt rotasjonsfrekvens på 1150 o/min (maksimum 60%), hvor det var mulig å oppnå de mest stabile vibrasjonsmålingsresultatene både med tanke på amplitude og fase fra start til start. Dette frekvensvalget var avgjørende for å sikre repeterbarhet og nøyaktighet i målingen.
Den prosedyre for balansering av propeller fulgte bransjestandarden «to-run»-ordning, som gir matematisk robuste resultater:
- Første målekjøring: Under første forsøk ble amplituden og fasen til vibrasjonen ved propellens rotasjonsfrekvens i dens opprinnelige tilstand bestemt med høy presisjon.
- Prøvevektløp: Under den andre kjøringen ble vibrasjonsamplituden og -fasen ved propellens rotasjonsfrekvens bestemt etter at en nøyaktig beregnet prøvemasse på 7 g var installert på propellen.
- Beregningsfase: Basert på disse omfattende dataene ble massen M = 19,5 g og installasjonsvinkelen for korreksjonsvekten F = 32° beregnet ved hjelp av sofistikerte programvarealgoritmer.
Praktisk implementeringsutfordring og løsning:
På grunn av propellens designfunksjoner, som ikke tillater installasjon av korreksjonsvekten i den teoretisk nødvendige vinkelen på 32°, ble to like vekter strategisk installert på propellen for å oppnå samme vektorsumeffekt:
- Vekt M1 = 14 g ved vinkel F1 = 0° (referanseposisjon)
- Vekt M2 = 8,3 g ved vinkel F2 = 60° (forskjøvet posisjon)
Denne dobbeltvektstilnærmingen demonstrerer fleksibiliteten som kreves i praksis balansering av flypropeller operasjoner, der teoretiske løsninger må tilpasses begrensninger i den virkelige verden.
Kvantitative resultater oppnådd:
Etter montering av de spesifiserte korreksjonsvektene på propellen, ble vibrasjonen målt ved en rotasjonsfrekvens på 1150 o/min og assosiert med propell ubalanse redusert dramatisk fra 10,2 mm/sek i den opprinnelige tilstanden til 4,2 mm/sek etter balansering – som representerer en 59% forbedring i vibrasjonsreduksjon.
Når det gjelder kvantifisering av faktisk ubalanse, gikk propellubalansen ned fra 2340 g*mm til 963 g*mm, som demonstrerer effektiviteten til prosedyre for feltbalansering.
2.4. Omfattende vibrasjonsvurdering ved flere driftsfrekvenser
Resultatene av kontrollen av vibrasjonene i Yak-52-flyet, utført ved andre motormoduser og oppnådd under omfattende bakketester, presenteres i tabell 2.1. Denne multifrekvensanalysen gir viktig innsikt i effektiviteten til propellbalansering på tvers av hele det operative rammeverket.
Som det tydelig kan sees fra tabellen, propellbalansering utført påvirket vibrasjonsegenskapene til Yak-52-flyet positivt i alle driftsmoduser, noe som demonstrerer robustheten til balanseringsløsningen.
Tabell 2.1. Vibrasjonsresultater på tvers av driftsmoduser
| № | Motoreffektinnstilling (%) | Propellens rotasjonsfrekvens (o/min) | RMS vibrasjonshastighet (mm/sek) | Forbedringsvurdering |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 60 | 1153 | 4.2 | Glimrende |
| 2 | 65 | 1257 | 2.6 | Utestående |
| 3 | 70 | 1345 | 2.1 | Utestående |
| 4 | 82 | 1572 | 1.25 | Eksepsjonell |
2.5. Vibrasjonsanalyse under flyvning før og etter justering av støtdemper
Dessuten, under omfattende bakketester, en betydelig reduksjon i flyvibrasjon ble identifisert med en økning i propellrotasjonsfrekvensen. Dette fenomenet gir verdifull innsikt i forholdet mellom driftsparametere og flyets vibrasjonsegenskaper.
Denne vibrasjonsreduksjonen kan forklares med en større grad av avstemming av propellens rotasjonsfrekvens fra flyets naturlige oscillasjonsfrekvens på chassiset (antagelig 20 Hz), noe som oppstår når propellens rotasjonsfrekvens øker. Dette demonstrerer viktigheten av å forstå flyets dynamiske oppførsel for optimal drift.
I tillegg til de omfattende vibrasjonstestene som ble utført etter propellbalansering På bakken (se avsnitt 2.3) ble det utført detaljerte vibrasjonsmålinger av Yak-52-flyet under flyvning ved hjelp av avansert instrumentering.
Flytestmetode: Vibrasjon under flyging ble målt i den andre pilotens kabin i vertikal retning ved hjelp av en bærbar vibrasjonsspektrumanalysator modell AD-3527 fra A&D (Japan) i frekvensområdet fra 5 til 200 (500) Hz. Dette omfattende frekvensområdet sikrer fangst av alle viktige vibrasjonskomponenter.
Målinger ble systematisk utført ved fem hovedmotorhastighetsmoduser, henholdsvis lik 60%, 65%, 70% og 82% av dens maksimale rotasjonsfrekvens, noe som ga en komplett operasjonell spektrumanalyse.
Måleresultatene, som ble utført før justering av støtdemperne, presenteres i den omfattende tabell 2.2 nedenfor.
Tabell 2.2. Detaljert analyse av vibrasjonsspektrumkomponenter
| Modus | Strøm (%) | RPM | Vв1 (Hz) | Amp Vв1 | Vн (Hz) | Amp Vн | Vк1 (Hz) | Amp Vк1 | Vв2 (Hz) | Amp Vв2 | Vк2 (Hz) | Amp Vк2 | Totalt V∑ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 60 | 1155 | 1155 | 4.4 | 1560 | 1.5 | 1755 | 1.0 | 2310 | 1.5 | 3510 | 4.0 | 6.1 |
| 2 | 65 | 1244 | 1244 | 3.5 | 1680 | 1.2 | 1890 | 2.1 | 2488 | 1.2 | 3780 | 4.1 | 6.2 |
| 3 | 70 | 1342 | 1342 | 2.8 | 1860 | 0.4 | 2040 | 3.2 | 2684 | 0.4 | 4080 | 2.9 | 5.0 |
| 4 | 82 | 1580 | 1580 | 4.7 | 2160 | 2.9 | 2400 | 1.1 | 3160 | 0.4 | 4800 | 12.5 | 13.7 |
Som eksempler på den detaljerte spektralanalysen viser figur 2.3 og 2.4 de faktiske spektrumgrafene som ble oppnådd ved måling av vibrasjon i Yak-52-flykabinen ved modusene 60% og 94% brukt for omfattende datainnsamling i tabell 2.2.
Omfattende spektrumanalyse:
Som det fremgår av tabell 2.2, opptrer hovedkomponentene i vibrasjonene som måles i den andre pilotkabinen ved propellrotasjonsfrekvensene Vв1 (uthevet i gult), motorens veivaksel Vк1 (uthevet i blått), og luftkompressorens drivverk (og/eller frekvenssensor) Vн (uthevet i grønt), samt ved deres høyere overtoner Vв2, Vв4, Vв5, og Vк2, Vк3.
Den maksimale totale vibrasjonen V∑ ble funnet ved hastighetsmodusene 82% (1580 o/min på propellen) og 94% (1830 o/min), noe som indikerer spesifikke resonansforhold ved disse kritiske driftspunktene.
Hovedkomponenten i denne vibrasjonen opptrer ved 2. harmoniske av motorens veivakselrotasjonsfrekvens Vк2 og når henholdsvis signifikante verdier på 12,5 mm/sek ved en frekvens på 4800 sykluser/min og 15,8 mm/sek ved en frekvens på 5520 sykluser/min.
Ingeniøranalyse og rotårsaksidentifisering:
Det kan med rimelighet antas at denne betydelige vibrasjonskomponenten er knyttet til driften av motorens stempelgruppe (slagprosesser som oppstår under dobbel bevegelse av stemplene per veivakselomdreining), noe som representerer grunnleggende motordynamikk.
Den kraftige økningen av denne komponenten i modusene 82% (første nominelle) og 94% (start) er mest sannsynlig ikke forårsaket av mekaniske defekter i stempelgruppen, men av resonanssvingningene til motoren montert i flykroppen på støtdempere.
Denne konklusjonen støttes sterkt av de tidligere omtalte eksperimentelle resultatene av kontroll av de naturlige frekvensene til motorfjæringsoscillasjonene, i spekteret der det er 74 Hz (4440 sykluser/min), 94 Hz (5640 sykluser/min) og 120 Hz (7200 sykluser/min).
To av disse naturlige frekvensene, 74 Hz og 94 Hz, er bemerkelsesverdig nær de andre harmoniske frekvensene for veivakselrotasjonen, som oppstår ved motorens første nominelle og startmodus, noe som skaper klassiske resonansforhold.
På grunn av de betydelige vibrasjonene ved den andre veivakselharmoniske som ble funnet under de omfattende vibrasjonstestene ved motorens første nominelle og startmodus, ble det utført en systematisk kontroll og justering av strammekraften til motorens støtdempere.
De sammenlignende testresultatene oppnådd før og etter justering av støtdemperne for propellens rotasjonsfrekvens (Vв1) og 2. harmoniske av veivakselens rotasjonsfrekvens (Vк2) er presentert i tabell 2.3.
Tabell 2.3. Støtdemperjusteringsanalyse
| Modus | Strøm (%) | RPM (før/etter) | Vв1 Før | Vв1 Etter | Vк2 Før | Vк2 Etter | Forbedring |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 60 | 1155 / 1140 | 4.4 | 3.3 | 3.6 | 3.0 | Moderat |
| 2 | 65 | 1244 / 1260 | 3.5 | 3.5 | 4.1 | 4.3 | Minimal |
| 3 | 70 | 1342 / 1350 | 2.8 | 3.3 | 2.9 | 1.2 | Betydelig |
| 4 | 82 | 1580 / 1590 | 4.7 | 4.2 | 12.5 | 16.7 | Forverret |
| 5 | 94 | 1830 / 1860 | 2.2 | 2.7 | 15.8 | 15.2 | Lett |
Som det fremgår av tabell 2.3, førte ikke justeringen av støtdemperne til vesentlige forbedringer i flyets viktigste vibrasjonskomponenter, og i noen tilfeller resulterte de til og med i mindre forringelse.
Effektivitetsanalyse av propellbalansering:
Det bør også bemerkes at amplituden til den spektrale komponenten assosiert med propell ubalanse Vв1, detektert ved modusene 82% og 94% (se tabell 2.2 og 2.3), er henholdsvis 3–7 ganger lavere enn amplitudene til Vк2, tilstede i disse modusene. Dette viser at propellbalansering var svært effektiv i å håndtere den primære kilden til propellrelatert vibrasjon.
Ved andre flymodi vil komponenten Vв1 varierer fra 2,8 til 4,4 mm/sek, som representerer akseptable nivåer for normal flydrift.
Dessuten, som det fremgår av tabell 2.2 og 2.3, bestemmes endringene ved bytte fra én modus til en annen hovedsakelig ikke av kvaliteten på propellbalansering, men av graden av avstemming av propellens rotasjonsfrekvens fra de naturlige frekvensene til forskjellige strukturelle elementer i flyet.
2.6. Faglige konklusjoner og tekniske anbefalinger
2.6.1. Effektivitet av propellbalansering
Den balansering av Yak-52-flypropellen, utført med en propellrotasjonsfrekvens på 1150 o/min (60%), oppnådde en betydelig reduksjon i propellvibrasjon fra 10,2 mm/sek til 4,2 mm/sek, noe som representerer en betydelig forbedring av flyets driftsmessige jevnhet.
Gitt den omfattende erfaringen som er oppnådd i løpet av balansering av Yak-52 og Su-29 flypropeller Ved å bruke den profesjonelle «Balanset-1»-enheten kan man med sikkerhet anta at det er en realistisk mulighet for å oppnå ytterligere reduksjoner i vibrasjonsnivået til Yak-52-flypropellen.
Denne ytterligere forbedringen kan oppnås, spesielt ved å velge en annen (høyere) propellrotasjonsfrekvens under balanseringsprosedyren, noe som gir en større avvik fra flyets naturlige oscillasjonsfrekvens på 20 Hz (1200 sykluser/min), som ble nøyaktig identifisert under de omfattende testene.
2.6.2. Analyse av vibrasjoner fra flere kilder
Som vist ved resultatene av omfattende vibrasjonstester av Yak-52-flyet under flyvning, inneholder vibrasjonsspektrene (i tillegg til den nevnte komponenten som opptrer ved propellens rotasjonsfrekvens) flere andre viktige komponenter knyttet til driften av veivakselen, motorens stempelgruppe, samt luftkompressorens drivverk (og/eller frekvenssensor).
Størrelsene på disse vibrasjonene ved modusene 60%, 65% og 70% er sammenlignbare med størrelsen på vibrasjonen assosiert med propell ubalanse, noe som indikerer at flere vibrasjonskilder bidrar til den totale vibrasjonssignaturen i flyet.
En detaljert analyse av disse vibrasjonene viser at selv fullstendig eliminering av vibrasjoner fra propell ubalanse vil redusere den totale flyvibrasjonen i disse modusene med ikke mer enn 1,5 ganger, noe som understreker viktigheten av en helhetlig tilnærming til vibrasjonshåndtering i fly.
2.6.3. Identifisering av kritisk driftsmodus
Den maksimale totale vibrasjonen V∑ til Yak-52-flyet ble funnet ved hastighetsmodusene 82% (1580 o/min på propellen) og 94% (1830 o/min på propellen), noe som identifiserte disse som kritiske driftsforhold som krever spesiell oppmerksomhet.
Hovedkomponenten i denne vibrasjonen opptrer ved 2. harmoniske av motorens veivakselrotasjonsfrekvens Vк2 (ved frekvenser på 4800 sykluser/min eller 5520 sykluser/min), hvor den når henholdsvis omtrentlige verdier på 12,5 mm/sek og 15,8 mm/sek.
Det kan med rimelighet konkluderes med at denne komponenten er knyttet til den grunnleggende driften av motorens stempelgruppe (slagprosesser som oppstår under dobbel bevegelse av stemplene per veivakselomdreining).
Den kraftige økningen av denne komponenten i modusene 82% (første nominelle) og 94% (start) er mest sannsynlig ikke forårsaket av mekaniske defekter i stempelgruppen, men av resonanssvingninger i motoren montert i flykroppen på støtdempere.
Den systematiske justeringen av støtdemperne som ble utført under testene førte ikke til vesentlige forbedringer i vibrasjonsegenskapene.
Denne situasjonen kan antagelig betraktes som en designhensyn av flyutviklerne når de velger motorfeste (oppheng) i flykroppen, noe som antyder potensielle områder for fremtidig optimalisering av flydesign.
2.6.4. Anbefalinger for diagnostisk overvåking
De omfattende dataene som ble innhentet i løpet av propellbalansering og ytterligere vibrasjonstester (se flytestresultater i avsnitt 2.5) gjør det mulig å konkludere med at periodisk vibrasjonsovervåking kan være svært nyttig for diagnostisk vurdering av flymotorens tekniske tilstand.
Slikt diagnostisk arbeid kan utføres effektivt, for eksempel ved hjelp av den profesjonelle enheten «Balanset-1», der avansert programvare inkluderer sofistikerte funksjoner for spektral vibrasjonsanalyse, noe som muliggjør prediktive vedlikeholdsstrategier.
3. Omfattende resultater av balansering av MTV-9-KC/CL 260-27 propell- og vibrasjonsundersøkelse av Su-29 aerobatic-flyet
3.1. Introduksjon til balansering av trebladspropeller
15. juni 2014 ble den omfattende balansering av den trebladede MTV-9-KC/CL 260-27-propellen av M-14P-flymotoren til Su-29 aerobatic-flyet ble utført ved hjelp av avanserte feltbalanseringsteknikker.
Ifølge produsenten ble propellen foreløpig statisk balansert på fabrikken, noe som fremgår av tilstedeværelsen av en korrigerende vekt i plan 1, installert på produksjonsanlegget. Men som vår analyse senere skulle avsløre, fabrikkbalansering viser seg ofte utilstrekkelig for optimal ytelse i felt.
Den balansering av propellen, direkte installert på Su-29-flyet, ble utført ved hjelp av det profesjonelle vibrasjonsbalanseringssettet «Balanset-1», serienummer 149, som demonstrerer effektiviteten til feltbalanseringsutstyr for luftfartsapplikasjoner.
Måleskjemaet som ble brukt under propellbalansering prosedyren er vist i figur 3.1, og illustrerer presisjonen som kreves for balansering av trebladspropeller.
I løpet av propellbalanseringsprosess, vibrasjonssensoren (akselerometeret) 1 ble montert på motorens girkassehus ved hjelp av et magnetisk monteringssystem på en spesialdesignet brakett, noe som sikret optimal signalopptak for analyse av flyvibrasjoner.
Laserfasevinkelsensoren 2 ble også montert på girkassehuset og orientert mot det reflekterende merket som var påført et av propellbladene, noe som muliggjorde presis fasevinkelmåling som er avgjørende for nøyaktig korrigering av propellubalanse.
Analoge signaler fra sensorene ble overført via skjermede kabler til måleenheten i «Balanset-1»-enheten, hvor de gjennomgikk sofistikert digital forbehandling for å sikre signalkvalitet og nøyaktighet.
Deretter ble disse signalene sendt i digital form til en datamaskin, hvor avansert programvarebehandling av disse signalene ble utført, og massen og vinkelen til korrigeringsvekten som var nødvendig for å kompensere for propell ubalanse ble beregnet med matematisk presisjon.
Tekniske spesifikasjoner for girkasse:
- Zk – hovedgirhjulet på girkassen med 75 tenner
- Zc – girkassesatellitter i antall på 6 stk. med 18 tenner hver
- Zn – stasjonært tannhjul på girkassen med 39 tenner
Før dette omfattende arbeidet utføres, med tanke på den verdifulle erfaringen som er oppnådd fra balansering av Yak-52-flypropellenble det utført en rekke ytterligere kritiske studier, inkludert:
- Naturfrekvensanalyse: Bestemmelse av de naturlige frekvensene til Su-29-flymotorens og propellsvingningene for å optimalisere balanseringsparametere;
- Baseline vibrasjonsvurdering: Kontroll av størrelsen og den spektrale sammensetningen av den første vibrasjonen i den andre pilotens kabin før balansering for å etablere grunnlinjeforhold.
3.2. Resultater av studier av naturlige frekvenser for motor- og propellsvingninger
De naturlige frekvensene til motoroscillasjonene, montert på støtdempere i flykroppen, ble bestemt ved hjelp av den profesjonelle AD-3527-spektrumanalysatoren fra A&D (Japan) gjennom kontrollert støteksitasjon av motoroscillasjoner, noe som sikrer nøyaktige analyse av flyvibrasjoner.
I spekteret av de naturlige svingningene i motoropphenget (se fig. 3.2) ble seks hovedfrekvenser identifisert med høy presisjon: 16 Hz, 22 Hz, 37 Hz, 66 Hz, 88 Hz, 120 Hz. Denne omfattende frekvensanalysen er avgjørende for å optimalisere prosedyrer for propellbalansering.
Frekvensanalyse og teknisk tolkning:
Av disse identifiserte frekvensene antas det at frekvensene 66 Hz, 88 Hz og 120 Hz er direkte relatert til de spesifikke egenskapene til motorens monteringssystem (opphengssystem) i forhold til flykroppen, og representerer strukturelle resonanser som må unngås under propellbalanseringsoperasjoner.
Frekvensene 16 Hz og 22 Hz er mest sannsynlig assosiert med de naturlige svingningene til hele flyet på chassiset, og representerer grunnleggende flystrukturelle modi.
Frekvensen 37 Hz er sannsynligvis relatert til den naturlige frekvensen til flyets propellbladsvingninger, noe som representerer en kritisk dynamisk propellkarakteristikk.
Denne antagelsen bekreftes av resultatene av kontroll av de naturlige frekvensene til propellsvingningene, også oppnådd ved hjelp av den rigorøse støteksitasjonsmetoden.
I spekteret av propellbladets naturlige svingninger (se fig. 3.3) ble tre hovedfrekvenser identifisert: 37 Hz, 100 Hz og 174 Hz, noe som bekrefter korrelasjonen mellom propell- og motorens naturlige frekvenser.
Teknisk betydning for propellbalansering:
Data om propellbladets naturlige frekvenser og motorsvingninger i Su-29-flyet kan være spesielt viktige når man velger propellrotasjonsfrekvens brukes under balansering. Hovedbetingelsen for å velge denne frekvensen er å sikre maksimal mulig avstemming fra de naturlige frekvensene til flyets strukturelle elementer.
Dessuten kan det å kjenne til de naturlige frekvensene til individuelle komponenter og deler av flyet være svært nyttig for å identifisere årsakene til kraftige økninger (i tilfelle resonans) i visse komponenter i vibrasjonsspekteret ved ulike motorhastighetsmoduser, noe som muliggjør prediktive vedlikeholdsstrategier.
3.3. Kontroll av vibrasjoner i andrepilotens kabin i Su-29-flyet på bakken før balansering
De innledende vibrasjonsegenskapene til Su-29-flyet, identifisert før propellbalansering, ble målt i den andre pilotens kabin i vertikal retning ved hjelp av en bærbar vibrasjonsspektrumanalysator modell AD-3527 fra A&D (Japan) i frekvensområdet fra 5 til 200 Hz.
Målinger ble systematisk utført ved fire hovedmotorhastighetsmoduser, henholdsvis lik 60%, 65%, 70% og 82% av dens maksimale rotasjonsfrekvens, noe som ga omfattende basisdata for analyse av flyvibrasjoner.
De omfattende resultatene som er oppnådd er presentert i tabell 3.1.
Tabell 3.1. Analyse av grunnleggende vibrasjoner før propellbalansering
| Modus | Strøm (%) | RPM | Vв1 (mm/sek) | Vн (mm/sek) | Vк1 (mm/sek) | Vв3 (mm/sek) | Vк2 (mm/sek) | Totalt V∑ (mm/sek) | Vurdering |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 60 | 1150 | 5.4 | 2.6 | 2.0 | – | – | 8.0 | Moderat |
| 2 | 65 | 1240 | 5.7 | 2.4 | 3.2 | – | – | 10.6 | Forhøyet |
| 3 | 70 | 1320 | 5.2 | 3.0 | 2.5 | – | – | 11.5 | Høy |
| 4 | 82 | 1580 | 3.2 | 1.5 | 3.0 | – | 8.5 | 9.7 | Forhøyet |
Som det fremgår av tabell 3.1, opptrer hovedkomponentene i vibrasjonen ved propellrotasjonsfrekvensene Vв1, motorens veivaksel Vк1og luftkompressorens drivverk (og/eller frekvenssensor) Vн, samt ved 2. harmoniske av veivakselen Vк2 og muligens propellens 3. harmoniske (blad) Vв3som ligger nær veivakselens andre harmoniske frekvens.
Detaljert analyse av vibrasjonskomponenter:
Dessuten ble det i vibrasjonsspekteret ved 60%-hastighetsmodus funnet en uidentifisert komponent med det beregnede spekteret ved en frekvens på 6120 sykluser/min, noe som kan være forårsaket av resonans ved en frekvens på omtrent 100 Hz i et av flyets strukturelle elementer. Et slikt element kan være propellen, hvor en av de naturlige frekvensene er 100 Hz, noe som demonstrerer den komplekse naturen til vibrasjonssignaturer i fly.
Den maksimale totale vibrasjonen i flyet V∑, som nådde 11,5 mm/sek, ble funnet i hastighetsmodus 70%, noe som indikerer en kritisk driftstilstand som krever oppmerksomhet.
Hovedkomponenten av den totale vibrasjonen i denne modusen opptrer ved 2. harmoniske (4020 sykluser/min) av motorens veivakselrotasjonsfrekvens Vк2 og er lik 10,8 mm/sek, noe som representerer en betydelig vibrasjonskilde.
Analyse av rotårsak:
Det kan med rimelighet antas at denne komponenten er knyttet til den grunnleggende driften av motorens stempelgruppe (slagprosesser som oppstår under dobbel bevegelse av stemplene per veivakselomdreining).
Den kraftige økningen av denne komponenten i 70%-modusen skyldes sannsynligvis resonanssvingninger i et av flyets strukturelle elementer (motoroppheng i flykroppen) ved en frekvens på 67 Hz (4020 sykluser/min).
Det bør bemerkes at i tillegg til slagforstyrrelsene forbundet med driften av stempelgruppen, kan størrelsen på vibrasjonen i dette frekvensområdet påvirkes av den aerodynamiske kraften som manifesterer seg ved bladfrekvensen til propellen (Vв3).
Ved hastighetsmodusene 65% og 82% er det en merkbar økning i komponenten Vк2 (Vв3), noe som også kan forklares med resonanssvingninger i de enkelte flykomponentene.
Amplituden til den spektrale komponenten assosiert med propell ubalanse Vв1som ble identifisert ved de viktigste hastighetsmodusene før balansering, varierte fra 2,4 til 5,7 mm/sek, noe som generelt er lavere enn verdien av Vк2 ved de tilsvarende modusene.
Som det fremgår av tabell 3.1, bestemmes endringene ved overgang fra én modus til en annen ikke bare av kvaliteten på balanseringen, men også av hvor mye propellens rotasjonsfrekvens avviker fra egenfrekvensene til flyets strukturelle elementer.
3.4. Resultater av propellbalansering og ytelsesanalyse
Den propellbalansering ble utført i ett plan med en nøye valgt rotasjonsfrekvens. Som et resultat av slik balansering ble propellens dynamiske kraftubalanse effektivt kompensert, noe som demonstrerer effektiviteten av balansering i ett plan for denne treblads propellkonfigurasjonen.
Den detaljerte balanseringsprotokollen er gitt nedenfor i vedlegg 1, og dokumenterer den fullstendige prosedyren for kvalitetssikring og fremtidig referanse.
Den propellbalansering ble utført med en propellrotasjonsfrekvens på 1350 o/min og involverte to presise målinger i henhold til industristandardprosedyrer.
Systematisk balanseringsprosedyre:
- Måling av initial tilstand: Under første forsøk ble amplituden og fasen til vibrasjonen ved propellens rotasjonsfrekvens i starttilstanden bestemt med høy presisjon.
- Måling av prøvevekt: Under den andre kjøringen ble amplituden og fasen til vibrasjonen ved propellens rotasjonsfrekvens bestemt etter at en prøvemasse med kjent vekt var montert på propellen.
- Beregning og implementering: Basert på resultatene av disse målingene ble massen og installasjonsvinkelen til korrigeringsvekten i plan 1 bestemt ved hjelp av avanserte beregningsalgoritmer.
Enestående balanseringsresultater oppnådd:
Etter å ha installert den beregnede verdien av korrigeringsvekten på propellen, som var 40,9 g, minket vibrasjonen ved denne hastighetsmodusen dramatisk fra 6,7 mm/sek i den opprinnelige tilstanden til 1,5 mm/sek etter balansering – som representerer en bemerkelsesverdig 78% forbedring i vibrasjonsreduksjon.
Vibrasjonsnivået forbundet med propell ubalanse Ved andre hastighetsmoduser minket også den betydelig og holdt seg innenfor det akseptable området på 1 til 2,5 mm/sek etter balansering, noe som demonstrerer robustheten til balanseringsløsningen over hele driftsområdet.
Verifisering av balanseringskvalitetens effekt på flyets vibrasjonsnivå under flyging ble dessverre ikke utført på grunn av den utilsiktede skaden på denne propellen under en av treningsflyvningene, noe som understreker viktigheten av å gjennomføre omfattende testing umiddelbart etter balanseringsprosedyrer.
Vesentlige forskjeller fra fabrikkbalansering:
Det skal bemerkes at resultatet som ble oppnådd i løpet av denne balansering av feltpropeller avviker betydelig fra resultatet av fabrikkbalanseringen, noe som understreker viktigheten av å balansere propeller i deres faktiske driftskonfigurasjon.
I særdeleshet:
- Vibrasjonsreduksjon: Vibrasjonene ved propellens rotasjonsfrekvens etter balansering på det permanente installasjonsstedet (på utgangsakselen til Su-29-flyets girkasse) ble redusert med mer enn fire ganger;
- Korrigering av vektposisjon: Korrigeringsvekten som ble installert under feltbalanseringsprosess ble forskjøvet i forhold til vekten installert på produksjonsanlegget med omtrent 130 grader, noe som indikerer betydelige forskjeller mellom fabrikkens og feltets balanseringskrav.
Mulige rotårsaksfaktorer:
Mulige årsaker til denne betydelige avviken kan omfatte:
- Produksjonstoleranser: Feil i målesystemet til produsentens balanseringsstativ (usannsynlig, men mulig);
- Problemer med fabrikkutstyr: Geometriske feil i monteringsstedene for spindelkoblingen på produsentens balanseringsmaskin, noe som fører til radialt rundløp på propellen når den er montert på spindelen;
- Faktorer ved installasjon av fly: Geometriske feil i monteringsstedene for utgangsakselkoblingen til flyets girkasse, noe som fører til radiell runout av propellen når den monteres på girkasseakselen.
3.5. Faglige konklusjoner og tekniske anbefalinger
3.5.1. Eksepsjonell balanseringsytelse
Den balansering av Su-29-flypropellen, utført i ett plan med en propellrotasjonsfrekvens på 1350 o/min (70%), oppnådde en bemerkelsesverdig reduksjon i propellvibrasjon fra 6,7 mm/sek til 1,5 mm/sek, noe som demonstrerer den eksepsjonelle effektiviteten til balansering av feltpropeller teknikker.
Vibrasjonsnivået forbundet med propell ubalanse Ved andre hastighetsmodus ble den også betydelig redusert og holdt seg innenfor det svært akseptable området på 1 til 2,5 mm/sek, noe som bekrefter robustheten til balanseringsløsningen på tvers av hele driftsspekteret.
3.5.2. Anbefalinger for kvalitetssikring
For å avklare de mulige årsakene til de utilfredsstillende balanseringsresultatene som er utført på produksjonsanlegget, anbefales det sterkt å kontrollere propellens radielle utløp på utgående aksel til flymotorens girkasse, da dette representerer en kritisk faktor for å oppnå optimal balansering. resultater for propellbalansering.
Denne undersøkelsen vil gi verdifull innsikt i forskjellene mellom fabrikk- og feltbalansering krav, noe som potensielt kan føre til forbedrede produksjonsprosesser og kvalitetskontrollprosedyrer.
Vedlegg 1: Protokoll for profesjonell balansering
OMFATTENDE BALANSERINGSPROTOKOLL
MTV-9-K-C/CL 260-27-propell på Su-29 kunstflyet
1. Kunde: VD Chvokov
2. Sted for montering av propell: utgangsakselen til Su-29-flyets girkasse
3. Propelltype: MTV-9-KC/CL 260-27
4. Balanseringsmetode: montert på stedet (i egne lagre), i ett plan
5. Propellens rotasjonsfrekvens under balansering, o/min: 1350
6. Modell, serienummer og produsent av balanseringsenheten: "Balanset-1", serienummer 149
7. Regulatoriske dokumenter som brukes under balansering:
7.1. _____________________________________________________________
_____________________________________________________________
8. Balansedato: 15.06.2014
9. Oppsummeringstabell over balanseringsresultater:
| № | Måleresultater | Vibrasjon (mm/sek) | Ubalanse (g*mm) | Kvalitetsvurdering |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Før balansering *) | 6.7 | 6135 | Uakseptabelt |
| 2 | Etter balansering | 1.5 | 1350 | Glimrende |
| ISO 1940 Toleranse for klasse G 6.3 | 1500 | Standard | ||
*) Merk: Balanseringen ble utført med den korrigerende vekten installert av produsenten forblinde på propellen.
10. Faglige konklusjoner:
10.1. Vibrasjonsnivået (gjenværende ubalanse) etter balansering av propellen installert på utgangsakselen til Su-29-flyets girkasse (se s. 9.2) har blitt redusert med mer enn 4 ganger sammenlignet med starttilstanden (se s. 9.1), noe som representerer en eksepsjonell forbedring i flyets driftsmessige jevnhet.
10.2. Parametrene for den korrigerende vekten (masse, installasjonsvinkel) som brukes for å oppnå resultatet i s. 10.1, avviker betydelig fra parametrene for den korrigerende vekten som er installert av produsenten (MT-propell), noe som indikerer grunnleggende forskjeller mellom fabrikk- og feltbalanseringskrav.
Spesielt ble det montert en ekstra korrigerende vekt på 40,9 g på propellen under feltbalansering, som ble forskjøvet med en vinkel på 130° i forhold til vekten som ble installert av produsenten.
(Vekten som ble installert av produsenten, ble ikke fjernet fra propellen under den ekstra balanseringen).
Mulige tekniske årsaker:
Mulige årsaker til denne viktige situasjonen kan omfatte:
- Feil i målesystemet til produsentens avbalanseringsstativ;
- Geometriske feil i monteringsstedene for spindelkoblingen på produsentens avbalanseringsmaskin, noe som fører til radial runout av propellen når den er montert på spindelen;
- Geometriske feil i monteringsstedene for utgangsakselkoblingen til flyets girkasse, noe som fører til radial runout av propellen når den monteres på girkasseakselen.
Anbefalte undersøkelsestrinn:
For å identifisere den spesifikke årsaken som fører til økt propell ubalanse Når den er installert på utgangsakselen til Su-29-flyets girkasse, er det nødvendig å:
- Kontroller målesystemet og den geometriske nøyaktigheten til spindelmonteringsstedene på avbalanseringsmaskinen som brukes til avbalansering av MTV-9-K-C/CL 260-27-propellen hos produsenten;
- Kontroller det radiale utslaget på propellen som er montert på den utgående akselen på Su-29-flyets girkasse.
Eksekutor:
Sjefsspesialist i LLC "Kinematics"
Feldman V.D.
Ofte stilte spørsmål om balansering av flypropeller
Hva er propellbalansering, og hvorfor er det kritisk for flysikkerheten?
Balansering av propeller er en presisjonsprosedyre som eliminerer ubalanse i flypropeller ved å legge til eller flytte korrigerende vekter. Ubalanserte propeller skaper overdreven vibrasjon som kan føre til strukturell utmatting, motorskade og til slutt katastrofal svikt. Våre feltstudier viser at riktig balansering kan redusere vibrasjon med opptil 78%, noe som forbedrer flysikkerheten og levetiden betydelig.
Hvordan er balansering av feltpropeller forskjellig fra balansering fra fabrikk?
Balansering av feltpropeller tilbyr betydelige fordeler fremfor fabrikkbalansering fordi den tar hensyn til de faktiske installasjonsforholdene, inkludert girkassetoleranser, uregelmessigheter i montering og fullstendig flydynamikk. Vår casestudie av Su-29 viste at den korrigerende vekten som kreves i felten ble forskjøvet 130° fra fabrikkvekten, noe som understreker viktigheten av å balansere propeller i deres driftskonfigurasjon.
Hvilket utstyr trengs for profesjonell balansering av flypropeller?
Profesjonell balansering av flypropeller krever spesialutstyr som Balanset-1-enheten, som inkluderer presisjonsakselerometre, laserfasesensorer og avansert analyseprogramvare. Utstyret må kunne måle vibrasjoner i området 0,1 til 1000 Hz med høy nøyaktighet og gi faseanalyse i sanntid for riktige beregninger av vektplassering.
Hvor ofte bør flypropeller balanseres?
Propellbalanseringsfrekvens avhenger av flyets bruk, men bør vanligvis utføres under større inspeksjoner, etter reparasjon av propellskader, når det oppdages overdreven vibrasjon, eller i henhold til produsentens anbefalinger. For akrobatiske fly som de studerte Yak-52 og Su-29, kan hyppigere balansering være nødvendig på grunn av høyere belastningsforhold.
Hva er akseptable vibrasjonsnivåer etter propellbalansering?
I henhold til ISO 1940-standardene for klasse G 6.3, bør den gjenværende ubalansen ikke overstige 1500 g*mm. Vår praktiske erfaring viser at utmerkede resultater oppnår vibrasjonsnivåer under 2,5 mm/sek RMS, med fremragende resultater som når 1,5 mm/sek eller lavere. Disse nivåene sikrer sikker drift og minimal strukturell belastning på flyet.
Kan propellbalansering eliminere alle vibrasjoner i et fly?
Mens propellbalansering Selv om det reduserer propellrelaterte vibrasjoner betydelig, kan det ikke eliminere alle flyvibrasjoner. Vår omfattende analyse viste at motorens veivakselharmoniske, stempelgruppedynamikk og strukturelle resonanser bidrar til den totale vibrasjonen. Selv perfekt propellbalansering reduserer vanligvis den totale flyvibrasjonen med bare 1,5 ganger, noe som understreker behovet for helhetlige tilnærminger til vibrasjonshåndtering.
Ekspertanbefalinger for luftfartsfagfolk
For flyoperatører:
- Implementer regelmessig vibrasjonsovervåking som en del av forebyggende vedlikeholdsprogrammer
- Vurder balansering av feltpropeller bedre enn å stole utelukkende på fabrikkbalansering
- Etabler grunnleggende vibrasjonssignaturer for hvert fly i flåten din
- Opplær vedlikeholdspersonell i riktige balanseringsprosedyrer og sikkerhetsprotokoller
For vedlikeholdsteknikere:
- Vurder alltid naturlige frekvenser når du velger balanserende turtall
- Bruk profesjonelt utstyr som Balanset for nøyaktige målinger
- Dokumenter alle balanseringsprosedyrer for kvalitetssikring og sporbarhet
- Forstå at propellbalansering bare er én komponent i den generelle vibrasjonshåndteringen
For piloter:
- Rapporter eventuelle uvanlige vibrasjoner umiddelbart til vedlikeholdspersonellet
- Forstå at ulike flymoduser kan ha ulike vibrasjonsegenskaper
- Vær oppmerksom på at noen vibrasjoner kan være strukturelle snarere enn propellrelaterte.
- Forkjemper for regelmessig propellbalansering som en sikkerhetsinvestering
NB 
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
RU 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI