1. Forord

For to og et halvt år siden startet bedriften vår serieproduksjonen av enheten "Balanset-1", designet for å balansere rotasjonsmekanismer i egne lagre.

Til dags dato er det produsert mer enn 180 sett. De brukes effektivt i ulike bransjer, inkludert produksjon og drift av vifter, blåsere, elektriske motorer, maskinspindler, pumper, knusere, separatorer, sentrifuger, kardang- og veivakselaggregater og lignende mekanismer.

I det siste har Vibromera mottatt et stort antall henvendelser fra organisasjoner og enkeltpersoner angående muligheten for å bruke utstyret vårt til å balansere fly- og helikopterpropeller under feltforhold.

Dessverre hadde våre spesialister, til tross for mange års erfaring med å balansere ulike maskiner, aldri håndtert dette spesifikke problemet tidligere. Rådene og anbefalingene vi kunne gi kundene våre var derfor ganske generelle og tillot dem ikke alltid å løse oppgaven effektivt.

Denne situasjonen begynte å endre seg til det bedre i vår, takket være den aktive involveringen til VD Chvokov, som organiserte og deltok sammen med oss i arbeidet med å balansere propellene til Yak-52 og Su-29-flyene, som han fører.

I løpet av dette arbeidet ble visse ferdigheter tilegnet og en teknologi for balansering av flypropeller under feltforhold ved hjelp av "Balanset-1"-enheten ble utviklet, inkludert:

• bestemme plasseringene og metodene for installasjon (montering) av vibrasjons- og fasevinkelsensorer på flyet;
• bestemmelse av resonansfrekvensene til flere strukturelle elementer i flyet (motoroppheng, propellblader);
• identifisere motorens rotasjonsfrekvenser (driftsmoduser) som sikrer minst mulig oppnåelig gjenværende ubalanse under balansering;
• fastsettelse av toleranser for propellens gjenværende ubalanse.

I tillegg ble det innhentet interessante data om vibrasjonsnivåene til fly utstyrt med M-14P-motorer.

Nedenfor finner du rapportmaterialet som er satt sammen fra resultatene av dette arbeidet. I tillegg til balanseringsresultatene presenterer de data fra vibrasjonsundersøkelser av Yak-52 og Su-29 fly, innhentet under bakke- og flytester. Disse dataene kan være av interesse både for flypiloter og for spesialister involvert i vedlikeholdet av dem.

2. Balanserings- og vibrasjonsundersøkelse av Yak-52

2.1. Innledning

I mai–juli 2014 ble det utført arbeid med vibrasjonsundersøkelsen av Yak-52-flyet, utstyrt med M-14P-flymotoren, og balanseringen av den tobladede propellen.

Balansering ble utført i ett plan ved bruk av settet "Balanset-1", serienummer 149.

Måleskjemaet er vist i figur 2.1. Under balansering brukes vibrasjonssensoren (akselerometeret) 1 ble installert på frontdekselet til motorgirkassen ved hjelp av et magnetisk feste på en spesialdesignet brakett. Laserfasevinkelsensor 2 ble også installert på girkassedekselet og orientert mot det reflekterende merket som var påført et av propellbladene.

Analoge signaler fra sensorene ble overført via kabler til måleenheten på "Balanset-1"-enheten, hvor det ble utført en foreløpig digital prosessering. Disse signalene i digital form ble deretter sendt inn i datamaskinen, hvor programvarebehandling ble utført og massen og vinkelen til korreksjonsvekten som var nødvendig for å kompensere for propellubalansen ble beregnet.

Under dette arbeidet ble det utført en rekke tilleggsstudier, tatt i betraktning erfaringene fra balansering av propellene til både Su-29 og Yak-52:

• bestemmelse av de naturlige frekvensene til motor- og propellsvingningene til Yak-52;
• måling av vibrasjonsstørrelsen og den spektralsammensetningen i den andre pilotens kabin under flyging etter propellbalansering;
• måling av vibrasjon etter balansering av propellen og etter justering av strammekraften til motorens støtdempere.

2.2. Naturlige frekvenser for motor- og propellsvingninger

De naturlige frekvensene til motoroscillasjonene, montert på støtdempere i flykroppen, ble bestemt ved hjelp av en spektrumanalysator AD-3527 fra A&D (Japan) gjennom støteksitasjon.

I spekteret av naturlige svingninger i Yak-52-motoropphenget (fig. 2.2) ble fire hovedfrekvenser identifisert: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz.

Frekvensene 74 Hz, 94 Hz og 120 Hz er sannsynligvis relatert til egenskapene til motorfestet (fjæringen) til flykroppen. Frekvensen 20 Hz er mest sannsynlig knyttet til flyets naturlige svingninger på landingsunderstellet.

Propellbladenes naturlige frekvenser ble også bestemt ved hjelp av støteksitasjonsmetoden. Fire hovedfrekvenser ble identifisert: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz og 134 Hz.

Dataene om de naturlige frekvensene for oscillasjoner i motoropphenget og propellbladene er først og fremst viktige for å velge propellens rotasjonsfrekvens under balansering. Hovedbetingelsen for å velge denne frekvensen er å sikre maksimal avstemming fra de naturlige frekvensene for oscillasjoner i flyets strukturelle elementer, siden nøyaktigheten og repeterbarheten til vibrasjonsmålinger kan bli betydelig svekket ved resonansfrekvenser.

I tillegg kan kunnskap om de naturlige frekvensene til individuelle komponenter være nyttig for å identifisere årsakene til kraftige økninger i vibrasjoner (resonansfenomener) ved ulike motorhastighetsmoduser, som kan oppstå under drift av flyet.

2.3. Resultater av balansering

Som nevnt ovenfor ble propellbalanseringen utført i ett plan, og dermed ble propellens kraftubalanse dynamisk kompensert.

Dynamisk balansering i to plan (som i tillegg ville kompensere for momentubalanse) var ikke gjennomførbart, siden propelldesignet på Yak-52 bare tillater ett korreksjonsplan.

Balanseringen ble utført ved en rotasjonsfrekvens på 1150 o/min (60%), hvor de mest stabile vibrasjonsmålingene, både i amplitude og fase, ble oppnådd fra kjøring til kjøring.

Den klassiske "to-run"-ordningen ble brukt:

1. Under første forsøk ble amplituden og fasen til vibrasjonen ved propellens rotasjonsfrekvens i starttilstanden bestemt.
2. Under den andre kjøringen ble vibrasjonsamplituden og -fasen etter montering av en prøvemasse på 7 g på propellen bestemt.
3. Basert på disse dataene beregnet programvaren: korreksjonsmasse M = 19,5 g i vinkel F = 32°.

På grunn av propellens designfunksjoner, som ikke tillot å installere korreksjonsvekten i den nødvendige vinkelen på 32°, ble to like vekter installert:

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

2.4. Vibrasjon ved andre driftsmoduser

Resultatene av vibrasjonskontrollene ved andre motordriftsmoduser under bakketester er presentert i tabell 2.1. Som det kan sees, påvirket balanseringen vibrasjonen til Yak-52 positivt i alle moduser.

Videre ble det under bakketester identifisert en klar trend med betydelig vibrasjonsreduksjon med økende propellrotasjonsfrekvens. Dette kan forklares med en større avstemming av propellrotasjonsfrekvensen fra flyets naturlige oscillasjonsfrekvens på chassiset (antagelig 20 Hz), noe som oppstår ved høyere rotasjonsfrekvenser.

2.5. Vibrasjon under flyvning før og etter justering av støtdemper

I tillegg til bakkevibrasjonstestene etter propellbalansering (avsnitt 2.3), ble det også utført vibrasjonsmålinger av Yak-52 underveis.

Vibrasjon under flyging ble målt i den andre pilotens kabin i vertikal retning ved hjelp av en bærbar spektrumanalysator AD-3527 fra A&D (Japan) i frekvensområdet fra 5 til 200 (500) Hz. Målingene ble tatt ved fem hovedmotorhastighetsmoduser: 60%, 65%, 70%, 82% og 94% med maksimal rotasjonsfrekvens.

Resultatene, oppnådd før justering av støtdemperne, presenteres i tabell 2.2.

Som det fremgår av tabell 2.2, opptrer de viktigste vibrasjonskomponentene ved propellens rotasjonsfrekvens V_p1, veivakselfrekvensen V_c1, luftkompressoren (og/eller frekvenssensoren) driver V_n, og deres høyere harmoniske.

Maksimal total vibrasjon V_Σ ble funnet ved modusene 82% (1580 o/min) og 94% (1830 o/min). Den dominerende komponenten i disse modusene vises ved den andre harmoniske av veivakselens rotasjonsfrekvens V_c2, og når 12,5 mm/sek ved 4800 sykluser/min og 15,8 mm/sek ved 5520 sykluser/min.

Det kan antas at denne komponenten er assosiert med stempelgruppen (støtprosesser som oppstår under dobbel bevegelse av stemplene per veivakselomdreining). Den kraftige økningen ved modusene 82% (første nominelle) og 94% (start) er mest sannsynlig ikke forårsaket av defekter i stempelgruppen, men av resonante svingninger i motoren på støtdemperne. Denne konklusjonen støttes av målingene av egenfrekvens, som avdekket motorens fjæringsfrekvenser ved 74 Hz (4440 sykluser/min), 94 Hz (5640 sykluser/min) og 120 Hz (7200 sykluser/min). To av disse – 74 Hz og 94 Hz – er nær de andre harmoniske veivakselfrekvensene ved den første nominelle driftsmodusen og startmodusen.

På grunn av de betydelige vibrasjonene som ble funnet ved V_c2, ble strammekraften til motorens støtdempere kontrollert og justert. De sammenlignende resultatene er presentert i tabell 2.3.

Som det fremgår av tabell 2.3, førte ikke demperjusteringen til vesentlige endringer i flyets viktigste vibrasjonskomponenter.

Det skal også bemerkes at propellubalansekomponenten V_p1 ved modusene 82% og 94% er henholdsvis 3–7 ganger lavere enn V_c2 i disse modusene. I andre flymoduser, V_p1 varierer fra 2,8 til 4,4 mm/sek, og endringene mellom modusene bestemmes hovedsakelig ikke av balanseringskvaliteten, men av graden av avstemming fra de naturlige frekvensene til flyets strukturelle elementer.

2.6. Konklusjoner

2.6.1.

Balansering av propellen til Yak-52 med en rotasjonsfrekvens på 1150 o/min (60%) gjorde det mulig å redusere vibrasjonen ved propellens rotasjonsfrekvens fra 10,2 mm/sek til 4,2 mm/sek. Med behørig hensyntagen til erfaringen som er samlet under balansering av propeller til både Yak-52 og Su-29-flyene ved bruk av "Balanset-1"-enheten, er det en realistisk mulighet for å oppnå en enda større reduksjon av vibrasjonsnivået – spesielt ved å velge en høyere rotasjonsfrekvens for propellen under balansering, noe som i større grad vil tillate avstemming fra flyets naturlige svingningsfrekvens ved 20 Hz (1200 sykluser/min) identifisert under målingene.

2.6.2.

Som vibrasjonstestene under flyvning viser (se tabell 2.2 og 2.3), inneholder vibrasjonsspektrene til Yak-52-flyet, i tillegg til vibrasjonen ved propellrotasjonsfrekvensen V_p1, flere andre viktige komponenter — knyttet til veivakselen V_c1, V_c2, V_c3, motorens stempelgruppe og luftkompressoren (og/eller frekvenssensoren) driver V_n.

Ved hastighetsmodusene 60%, 65% og 70% er disse komponentene sammenlignbare i størrelse med propellubalansekomponenten V_p1. Følgelig vil selv fullstendig eliminering av vibrasjonen forårsaket av ubalanse i propellen tillate å redusere flyets totale vibrasjon i disse modusene med ikke mer enn omtrent 1,5 ganger.

2.6.3.

Maksimal total vibrasjon V_Σ til Yak-52-flyet ble funnet ved hastighetsmodusene 82% (1580 o/min på propellen) og 94% (1830 o/min på propellen). Den dominerende komponenten av denne vibrasjonen opptrer ved den andre harmoniske av veivakselens rotasjonsfrekvens V_c2, ved frekvenser på henholdsvis 4800 sykluser/min og 5520 sykluser/min, hvor den når verdier på 12,5 mm/sek og 15,8 mm/sek.

Som vist i avsnitt 2.5 og 2.2, er den kraftige økningen i denne komponenten ved de angitte modusene mest sannsynlig ikke forårsaket av defekter i stempelgruppen, men av resonante svingninger i motoren på støtdemperne. Justeringen av demperens strammekraft, utført under testene, førte ikke til vesentlige endringer i vibrasjonsnivåene.

Denne situasjonen kan antagelig betraktes som et designforsømmelse (konstruktiv prosjett) av flyutviklerne, innrømmet under valget av motorfeste (oppheng) i flykroppen.

2.6.4.

Dataene som er innhentet under propellbalanseringen og de i tillegg utførte vibrasjonstestene tyder på at periodisk vibrasjonsovervåking kan være nyttig for diagnostisk vurdering av flymotorens tekniske tilstand, inkludert evaluering av tilstanden til stempelgruppen, veivakselen, motorlagrene og luftkompressorens drivverk.

Slikt arbeid kan for eksempel utføres ved hjelp av enheten "Balanset-1" (som for tiden produseres som Balanset-1A), i programvaren der funksjonen for spektral vibrasjonsanalyse er implementert.

3. Balansering av MTV-9-KC/CL 260-27 propell- og vibrasjonsundersøkelse av Su-29

3.1. Innledning

15. juni 2014 ble det utført arbeid med balansering av den trebladede propellen av typen MTV-9-KC/CL 260-27, installert på M-14P-flymotoren til aerobatisk fly Su-29.

I følge dataene fra produsenten (MT-Propeller), var den angitte propellen foreløpig statisk balansert, noe som fremgår av tilstedeværelsen av en korrigerende vekt på propellen i plan 1 installert på produksjonsanlegget.

Balansering av propellen, installert direkte på utgangsakselen til Su-29-girkassen (dvs. på stedet for dens permanente installasjon), ble utført ved hjelp av vibrasjonsbalanseringssettet "Balanset-1", serienummer 149.

Måleskjemaet (fig. 3.1) var generelt likt det som ble brukt for Yak-52. Vibrasjonssensor (akselerometer) 1 ble installert på huset til motorens girkasse ved hjelp av et magnetisk feste på en spesialdesignet brakett. Laserfasevinkelsensor 2 ble likeledes montert på girkassehuset og orientert mot det reflekterende merket som var påført et av propellbladene. Analoge signaler fra sensorene ble overført via kabler til måleenheten i "Balanset-1"-enheten, hvor det ble utført en foreløpig digital prosessering. Deretter ble signalene i digital form sendt inn i datamaskinen, hvor programvarebehandling ble utført og massen og vinkelen til korreksjonsvekten som var nødvendig for å kompensere for propellubalansen ble beregnet.

Før dette arbeidet, og med tanke på erfaringene fra balansering av Yak-52-propellen, ble det utført ytterligere studier:

• bestemmelse av de naturlige frekvensene til Su-29-motoren og propellsvingningene;
• kontroll av størrelsen og den spektrale sammensetningen av grunnlinjevibrasjoner i den andre pilotens kabin før balansering.

3.2. Naturlige frekvenser for motor- og propellsvingninger

Ved å bruke samme støteksitasjonsmetode som AD-3527-analysatoren, ble seks hovedfrekvenser identifisert i motorens fjæringsspektrum (fig. 3.2): 16 Hz, 22 Hz, 37 Hz, 66 Hz, 88 Hz, 120 Hz.

Frekvensene 66 Hz, 88 Hz og 120 Hz er antagelig direkte relatert til særegenhetene ved motorens opphengssystem (fjæringssystem) i flykroppen. Frekvensene 16 Hz og 22 Hz er mest sannsynlig knyttet til flyets naturlige svingninger som helhet på chassiset. Når det gjelder frekvensen på 37 Hz, er den sannsynligvis relatert til den naturlige svingningsfrekvensen til flyets propellblad.

Denne siste antagelsen bekreftes av resultatene av målinger av de naturlige frekvensene til oscillasjonene til propellbladene (fig. 3.3), i spekteret der tre hovedfrekvenser ble identifisert: 37 Hz, 100 Hz og 174 Hz.

Kunnskap om de naturlige frekvensene til motoropphenget og propellbladene på Su-29 er av betydelig praktisk betydning. For det første muliggjør det et begrunnet valg av propellrotasjonsfrekvens for balansering, noe som sikrer maksimal avstemming fra flyets strukturelle resonanser. For det andre gir det det nødvendige grunnlaget for korrekt tolkning og diagnose av vibrasjonsårsaker observert ved ulike motordriftsmoduser, noe som vil bli demonstrert i de påfølgende delene av denne rapporten.

3.3. Grunnleggende kabinvibrasjon før balansering

Før balanseringsprosedyren ble utført, ble det utført målinger av vibrasjonsnivåene i den andre pilotkabinen på Su-29. Som i tilfellet med Yak-52 ble vibrasjonen målt i vertikal retning ved hjelp av den bærbare spektrumanalysatoren AD-3527 fra A&D (Japan) i frekvensområdet fra 5 til 200 Hz. Målingene ble utført ved fire hovedmotorhastighetsmoduser, tilsvarende 60%, 65%, 70% og 82% av propellens maksimale rotasjonsfrekvens.

Resultatene av disse målingene er presentert i tabell 3.1.

De viktigste vibrasjonskomponentene opptrer ved propellens rotasjonsfrekvens V_p1, veivaksel V_c1, kompressordrift V_n, og den andre veivakselharmoniske V_c2 (som i tilfellet med trebladet propell også kan samsvare med bladpasseringsfrekvensen V_p3).

I 60%-modusspekteret ble det også funnet en uidentifisert komponent ved 6120 sykluser/min, muligens forårsaket av resonans ved omtrent 100 Hz – en av propellbladets naturlige frekvenser.

Maksimal total vibrasjon (11,5 mm/sek) ble funnet i 70%-modus. Den dominerende komponenten i denne modusen er V_c2 ved 4020 sykluser/min, og når 10,8 mm/sek. Denne kraftige økningen ved 70% skyldes sannsynligvis resonante svingninger i motorfjæringen nær 67 Hz (4020 sykluser/min).

Det skal også bemerkes at i tillegg til støteksitasjonene fra stempelgruppen, kan vibrasjonen i dette frekvensområdet også påvirkes av aerodynamiske krefter ved propellens bladpasseringsfrekvens (V_p3I modusene 65% og 82%, en merkbar økning i V_c2 (V_p3)-komponenten observeres også, som også kan forklares med resonante oscillasjoner av individuelle flykomponenter.

Propellens ubalansekomponent V_p1 varierte fra 2,4 til 5,7 mm/sek på tvers av moduser før balansering, vanligvis lavere enn V_c2 ved de tilsvarende modusene. Variasjonen mellom modusene bestemmes ikke bare av balanseringskvaliteten, men også av graden av avstemming fra de naturlige frekvensene til flyets strukturelle elementer.

3.4. Resultater av balansering

Balansering av propellen ble utført i ett plan med en rotasjonsfrekvens på 1350 o/min, ved bruk av to målinger (den klassiske metoden for påvirkningskoeffisienter). Den fullstendige balanseringsprotokollen er gitt i Vedlegg 1.

Balanseringsprosedyren besto av følgende operasjoner:

1. Under første kjøring (starttilstand) ble amplituden og fasen til vibrasjonen ved propellens rotasjonsfrekvens bestemt.
2. Under den andre kjøringen ble amplituden og fasen til vibrasjonen etter montering av en prøvemasse med kjent vekt på propellen bestemt.
3. Basert på disse måleresultatene beregnet programvaren massen og installasjonsvinkelen til korrigeringsvekten i plan 1, som er nødvendig for å kompensere for propellens ubalanse.

Verifisering av balanseringskvaliteten under flyging ble ikke utført på grunn av utilsiktet skade på propellen under en treningsflyging.

Årsakene til den angitte avviken kan være følgende:

• feil i målesystemet til balansestativet på produksjonsanlegget (denne årsaken virker minst sannsynlig);
• geometriske feil (unøyaktigheter) på monteringsflatene til spindelen til balanseringsmaskinen på produksjonsanlegget, noe som forårsaker radial utslag av propellen på spindelen;
• Geometriske feil (unøyaktigheter) på monteringsflatene på utgangsakselen til girkassen på Su-29-flyet, noe som forårsaker radial utløp av propellen når den er montert på girkassens aksel.

3.5. Konklusjoner

3.5.1.

Balansering av propellen til Su-29-flyet i ett plan med en propellrotasjonsfrekvens på 1350 o/min (70%) gjorde det mulig å redusere vibrasjonen ved propellrotasjonsfrekvensen fra 6,7 mm/sek i starttilstanden til 1,5 mm/sek etter balansering. Vibrasjonen forbundet med propellubalanse ved andre hastighetsmoduser på motoren minket også betydelig og holdt seg innenfor 1–2,5 mm/sek.

3.5.2.

For å avklare årsakene til de utilfredsstillende resultatene av balansering av propellen ved produksjonsanlegget (MT-Propeller), er det nødvendig å kontrollere propellens radielle utløp på utgangsakselen til motorgirkassen til Su-29-flyet.

Vedlegg 1: Balanseringsprotokoll