Om balansering av flyets propell i feltmiljø. Del 1

1. V.D. Feldman

Sjefstekniker ved OU Vibromera

Om balansering av flyets propell i feltmiljøer

 "Propellen er flyets drivkraft,

og for å balansere det kan bare en striver"

1. I i stedet for et forord

For to og et halvt år siden startet selskapet vår masseproduksjon av Balanset-1, som er beregnet på balansering av rotormekanismer i egne lagre.

Hittil er det produsert mer enn 180 sett som brukes effektivt i ulike bransjer, blant annet til produksjon og drift av vifter, eksosanlegg, elektriske motorer, arbeidsspindler, pumper, knusere, separatorer, sentrifuger, drivaksler og veivaksler og andre mekanismer.

I det siste har selskapet vårt mottatt et stort antall forespørsler fra organisasjoner og enkeltpersoner om muligheten for å bruke utstyret vårt til å balansere propeller på fly og helikoptre i felt.

Dessverre har våre spesialister, som har lang erfaring med balansering av en rekke forskjellige maskiner, aldri jobbet med dette problemet. De rådene og anbefalingene vi kunne gi kundene våre, var derfor av generell karakter og gjorde dem ikke alltid i stand til å løse problemet på en effektiv måte.

Denne våren begynte situasjonen å endre seg til det bedre på grunn av den aktive holdningen til V. D. Chvokov, som organiserte og tok, sammen med oss, den mest aktive delen i arbeidet med å balansere propellene til YAK-52 og SU-29, som han er pilot på.

Fig. 1.1. Yak-52 på flyplassen

Fig. 1.2. SU-29 på parkeringsområdet

I løpet av denne prosessen har vi lært oss visse ferdigheter og teknologi for å balansere flypropeller i felt ved hjelp av Balanset-1, blant annet:

• bestemme steder og metoder for installasjon (montering) av vibrasjonssensorer og fasevinkel på anlegget;
• bestemme resonansfrekvenser for en rekke strukturelle elementer i flyet (motoroppheng, propellblad);
• identifisere motorens rotasjonshastigheter (driftsmodi), noe som gir en minimal gjenværende ubalanse i balanseringsprosessen;
• fastsettelse av toleranser for gjenværende ubalanse i propellen osv.

I tillegg har vi innhentet interessante data om vibrasjonsnivåene i fly utstyrt med M-14P-motorer.

Nedenfor følger forslag til rapporteringsmateriell basert på resultatene av disse arbeidene.

Sammen med balanseringsresultatene inneholder de data fra vibrasjonsundersøkelser av YAK-52 og SU-29 som er innhentet under tester på bakken og under flyging.

Disse dataene kan være av interesse både for piloter og vedlikeholdsspesialister.

2. Resultater fra balansering av propellen og vibrasjonstesting av kunstflyet YAK-52

2.1. Innledning

I mai-juli 2014 utførte vi vibrasjonstesting av YAK-52 utstyrt med M-14P-flymotor, samt balansering av den tobladede propellen.

Balanseringen ble utført i samme plan ved hjelp av balanseringssettet Balanset-1, anlegg nr. 149.

Måleskjemaet som brukes i balanseringen er vist i figur 2.1.

Under balanseringsprosessen vil vibrasjonssensoren (akselerometeret) 1 ble montert på frontdekselet på motorutstyret ved hjelp av en magnet på en spesialbrakett.

Lasersensoren for fasevinkelen 2 var også montert på girdekselet og ble styrt av en reflekterende etikett på et av propellbladene.

De analoge signalene fra sensorene ble overført via kabler til måleenheten på Balanset-1, der de ble behandlet digitalt.

Videre ble disse signalene i digital form overført til datamaskinen, som behandlet dem og beregnet massen og installasjonsvinkelen til korrigeringsvekten som kreves for å kompensere for ubalansen på propellen.

Fig. 2.1. Måleskjema for balansering av propellen til YAK-52.

Zk - hovedgirhjul;

Zс - girsatellitter;

Zn - fast girhjul.

I løpet av dette arbeidet utførte vi en rekke tilleggsstudier, der vi tok hensyn til erfaringene med å balansere propellene til SU-29 og YAK-52:

• bestemmelse av egenfrekvenser for svingninger i motoren og propellen til YAK-52;
• undersøke verdien og den spektrale sammensetningen av vibrasjoner i cockpiten til andrepiloten under flyging etter balansering av propellen;
• undersøke verdien og den spektrale sammensetningen av vibrasjoner i cockpiten til andrepiloten under flyging etter balansering av propellen og justering av strammekraften til motordemperen.

2.2. Resultater fra studier av motorens og propellens egenfrekvenser.

Egenfrekvensene til motoren som er montert på demperne i flykroppen, ble bestemt ved hjelp av spektrumanalysatoren AD-3527, f. A @ D, (Japan), ved hjelp av sjokkeksitasjon av motorsvingninger.

Vi bestemte 4 hovedfrekvenser, nemlig: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz i spekteret av naturlige svingninger i motoropphenget til YAK-52, som er vist i fig. 2.2.

Fig. 2.2. Spekteret av naturlige svingningsfrekvenser for motoropphenget på YAK-52.

Frekvensene 74 Hz, 94 Hz og 120 Hz er sannsynligvis knyttet til motorens montering (oppheng) på flykroppen.

Frekvensen på 20 Hz er mest sannsynlig knyttet til flyets svingninger på chassiset.

Propellbladenes egenfrekvenser ble også bestemt ved hjelp av sjokkeksitasjonsmetoden.

I dette tilfellet avdekket vi fire hovedfrekvenser, nemlig: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz og 134 Hz.

Dataene om propellens og motorens egensvingningsfrekvenser på YAK-52 kan være av stor betydning for valg av propellens rotasjonsfrekvens som skal brukes i balanseringen. Hovedbetingelsen for å velge denne frekvensen er å sikre at den avviker mest mulig fra de naturlige svingningsfrekvensene til flyets strukturelle elementer.

I tillegg kan kunnskap om de naturlige svingningsfrekvensene til individuelle komponenter og deler av flyet være nyttig for å identifisere årsakene til en kraftig økning (i tilfelle resonans) av visse komponenter i vibrasjonsspekteret ved ulike motorhastigheter.

2.3. Balanseringsresultater.

Som vi nevnte ovenfor, ble propellen balansert i samme plan, noe som resulterte i at det ble kompensert for propellens kraftubalanse i dynamikken.

Dynamisk balansering i to plan var ikke mulig, noe som gjør det mulig (i tillegg til kraften) å kompensere for propellens momentubalanse, siden utformingen av propellen montert på YAK-52 gjør det mulig å danne bare ett korreksjonsplan.

Propellen ble balansert ved en rotasjonsfrekvens på 1150 o/min (60%), noe som gjorde det mulig å oppnå de mest stabile resultatene av vibrasjonsmålingene i amplitude og fase fra start til start.

Propellen ble balansert i henhold til det klassiske "to start"-skjemaet.

Under den første oppstarten bestemte vi amplituden og fasen til vibrasjonen ved propellens rotasjonsfrekvens i utgangstilstanden.

Under den andre oppstarten bestemte vi amplituden og fasen til vibrasjonene ved propellens rotasjonsfrekvens etter at vi hadde fastsatt bevismassen til 7 g.

Med utgangspunkt i disse dataene beregnet vi massen M = 19,5 g på en programmatisk måte og installasjonsvinkelen til korreksjonsvekten F = 32.

For å ta hensyn til propellens konstruksjon, som ikke gjør det mulig å plassere korreksjonsvekten i ønsket vinkel, er det festet to tilsvarende vekter på propellen:

• M1 vekt = 14g på vinkelen F1 = 0º;
• M1 vekt = 8,3 g på vinkelen F1 = 60º.

Etter at de ovennevnte korrigeringsvektene ble plassert på propellen, ble vibrasjonene målt ved en rotasjonshastighet på 1150 o/min og forbundet med propellens ubalanse redusert fra 10,2 mm/s i utgangstilstanden til 4,2 mm/s etter balanseringen.

Samtidig ble propellens faktiske ubalanse redusert fra 2340 g*mm til 963 g*mm.

2.4. Testing av effekten av balansering på vibrasjonsnivået til YAK-52 på bakken ved forskjellige propellhastigheter

Tabell 2.1 viser resultatene av vibrasjonstesten av YAK-52, utført under andre driftsforhold for motoren som ble oppnådd under tester på bakken.

Som tabellen viser, hadde balanseringen en positiv effekt på vibrasjonene til YAK-52 i alle driftsmoduser.

Tabell 2.1

Under testing på bakken ble det dessuten avdekket en tendens til å redusere vibrasjonene i et fly betydelig når propellens rotasjonshastighet økes.

Dette fenomenet kan forklares med at propellens rotasjonshastighet i større grad avviker fra flyets naturlige svingningsfrekvens på chassiset (antagelig 20 Hz), noe som skjer når propellens rotasjonshastighet øker.

2.5. Undersøkelse av vibrasjonene til YAK-52 i luften i de viktigste flymodusene før og etter justering av strammekraften til demperne.

I tillegg til vibrasjonstestene som ble utført etter balansering av propellen på bakken (se avsnitt 2.3), utførte vi målinger av vibrasjonene til YAK-52 under flyging.

Vibrasjoner under flyging ble målt i cockpiten til andrepiloten. i vertikal retning ved hjelp av en bærbar vibrasjonsspektrumanalysator AD-3527 f. A@D (Japan) innenfor frekvensområdet 5 til 200 (500) Hz.

Målingene ble utført ved fem turtall for hovedmotoren, henholdsvis 60%, 65%, 70% og 82% av motorens maksimale turtall.

Resultatene av målingene som ble utført før justering av spjeldene, vises i tabell 2.2.

Tabell 2.2

Som et eksempel viser fig. 2.3 og 2.4 grafer over spektrene som ble oppnådd ved måling av vibrasjoner i cockpiten på YAK-52 i modusene 60% og 94%, og som ble brukt til å fylle ut tabell 2.2.

Fig. 2.3. Vibrasjonsspekteret i cockpiten på YAK-52 ved 60%.

Figur 2.4. Vibrasjonsspekteret i cockpiten på YAK-52 ved 94%.

Som tabell 2.2 viser, opptrer de viktigste vibrasjonskomponentene, målt i andrepilotens cockpit, ved propellens rotasjonshastighet Vv1 (uthevet i gult), motorens veivaksel Vk1 (uthevet i blått) og luftkompressorens drivgir (og/eller frekvenssensor) Vn (uthevet i grønt), samt ved deres høyere harmoniske Vv2, Vv4, Vv5 og Vk2, Vk3.

Maksimal total vibrasjon Vå  ble registrert ved hastigheter på 82% (1 580 o/min) og 94% (1 830 o/min).

Hovedkomponenten i denne vibrasjonen manifesterer seg ved 2^nd harmonisk med motorens veivakselhastighet Vk2 og når følgelig verdiene 12,5 mm/s ved en frekvens på 4 800 sykluser/min og 15,8 mm/s ved en frekvens på 5 520 sykluser/min.

Det kan antas at denne komponenten er knyttet til driften av motorens stempelblokk (sjokkprosesser når stemplene omplasseres to ganger i løpet av en omdreining av veivakselen).

Den kraftige økningen i denne komponenten i modusene 82% (første nominelle) og 94% (take-off) skyldes sannsynligvis ikke defekter i stempelgruppen, men resonanssvingninger i motoren som er festet i flykroppen på demperen.

Denne konklusjonen bekreftes av de ovennevnte resultatene fra den eksperimentelle verifiseringen av de naturlige svingningsfrekvensene til motoropphenget, der spekteret består av 74 Hz (4440 sykluser/min), 94 Hz (5640 sykluser/min) og 120 Hz (7200 sykluser/min).

To av disse egenfrekvensene, lik 74 og 94 Hz, ligger nær frekvensene til de 2^nd harmonisk av veivakselens rotasjonshastighet, som finner sted i de første nominelle og startklassifiseringene for motordrift.

På grunn av det faktum at vi under vibrasjonstestene avslørte betydelige vibrasjoner ved de 2^nd harmonisk veivaksel i motorens første nominelle og startklassifisering, ble det gjort et forsøk på å kontrollere og justere strammekraften til motorens fjæringsdempere.

Tabell 2.3 viser de sammenlignende testresultatene før og etter justering av demperne for propellens rotasjonshastighet (Vv1) og 2^nd harmonisk av veivakselens rotasjonsfrekvens (Vk2).

Tabell 2.3

Som vi ser av tabell 2.3, førte ikke justering av demperne til vesentlige endringer i verdiene for hovedkomponentene i flyets vibrasjoner.

Med tanke på det ovennevnte er det mulig å betrakte en merkbar økning i vibrasjonskomponenten i YAK-52 i de første nominelle modusene og startmodusene (etter vår mening) som en konstruktiv feilberegning av flykonstruktørene, gjort når de valgte et motormonteringssystem (fjæring) i flykroppen.

I denne forbindelse bør vi merke oss at amplituden av den spektrale komponent forbundet med ubalanse av propellen Vv1, oppdaget i 82% moduser og 94% (se Tabell 1.2 og 1.3), henholdsvis, 3-7 ganger lavere enn amplituder Vk2 i disse modusene.

I andre flymoduser ligger Vv1-komponenten innenfor 2,8-4,4 mm/s.

Som tabellene 2.2 og 2.3 viser, bestemmes endringene i overgangen fra en modus til en annen ikke hovedsakelig av kvaliteten på balanseringen, men av graden av avstemming av propellens rotasjonshastighet fra de naturlige svingningsfrekvensene til visse strukturelle elementer i flyet.

2.6. Konklusjoner om resultatene av arbeidet

2.6.1. Balanseringen av propellen på YAK-52, som ble utført ved en rotasjonsfrekvens på 1150 o/min (60%), gjorde det mulig å redusere propellvibrasjonen fra 10,2 mm/s til 4,2 mm/s.

På bakgrunn av erfaringene fra balanseringen av propellene til YAK-52 og SU-29 ved hjelp av Balanset-1, kan vi anta at det er mulig å redusere vibrasjonsnivået på propellen til YAK-52 ytterligere.

Denne effekten kan oppnås ved å velge en annen (høyere) rotasjonsfrekvens for propellen under balanseringen, noe som gjør det mulig å oppnå en større grad av løsrivelse fra den naturlige svingningsfrekvensen på 20 Hz (1200 sykluser/min) som ble registrert under testen.

2.6.2. Som resultatene fra vibrasjonstester av YAK-52 under flyging viser, har vibrasjonsspektrene (i tillegg til komponenten nevnt ovenfor i punkt 2.6.1, som opptrer ved propellens rotasjonsfrekvens) en rekke andre komponenter som er relatert til driften av veivakselen, stempelgruppen i motoren og også drivgiret til luftkompressoren (og/eller frekvenssensoren).

Verdiene av de ovennevnte vibrasjonene i modusene 60%, 65% og 70% er proporsjonale med verdien av vibrasjonen som er knyttet til propellens ubalanse.

En analyse av disse vibrasjonene viser at selv en fullstendig eliminering av vibrasjoner fra propellens ubalanse ikke vil redusere flyets totale vibrasjoner i disse modusene med mer enn 1,5 ganger.

2.6.3. Maksimal total vibrasjon Vå av YAK-52 ble oppdaget i høyhastighetsmodus, nemlig: 82% (1 580 o/min på propellen) og 94% (1 830 o/min på propellen).

Hovedkomponenten i denne vibrasjonen manifesterer seg ved 2^nd harmonisk til veivakselens rotasjonsfrekvens Vk2 (ved frekvenser på 4 800 sykluser/min eller 5 520 sykluser/min), som når verdier på henholdsvis 12,5 mm/s og 15,8 mm/s.

Det kan antas at denne komponenten er relatert til driften av motorens stempelgruppe (sjokkprosesser som oppstår når stemplene flyttes to ganger i løpet av en veivakselomdreining).

Den kraftige økningen i denne komponenten i modusene 82% (første nominelle) og 94% (take-off) skyldes sannsynligvis ikke defekter i stempelgruppen, men resonanssvingninger på motoren, festet i flykroppen på dempere.

Under testene førte ikke justering av demperne til vesentlige endringer i vibrasjonene.

Denne situasjonen kan betraktes som en konstruktiv feilberegning som flykonstruktørene gjorde da de valgte monteringssystem (oppheng) for motoren i flykroppen.

2.6.4. Dataene som ble innhentet under balanseringen og ytterligere vibrasjonstester (se resultatene fra flytestene i avsnitt 2.5), gjør at vi kan konkludere med at periodisk vibrasjonsovervåking kan være nyttig for diagnostisk evaluering av den tekniske tilstanden til en flymotor.

En slik prosedyre kan for eksempel utføres ved hjelp av Balanset-1, hvis programvare implementerer funksjonen for spektral vibrasjonsanalyse.