1. Prefácio

Há dois anos e meio, nossa empresa iniciou a produção em série do dispositivo "Balanset-1", projetado para balancear mecanismos rotativos em seus próprios rolamentos.

Até o momento, mais de 180 conjuntos foram produzidos. Eles são utilizados com eficácia em diversos setores industriais, incluindo a produção e operação de ventiladores, sopradores, motores elétricos, eixos de máquinas, bombas, britadores, separadores, centrífugas, conjuntos de cardan e virabrequim, e mecanismos similares.

Recentemente, a Vibromera recebeu um grande número de consultas de organizações e indivíduos sobre a possibilidade de usar nossos equipamentos para balancear hélices de aeronaves e helicópteros em condições de campo.

Infelizmente, nossos especialistas, apesar de muitos anos de experiência no balanceamento de diversas máquinas, nunca haviam lidado com esse problema específico. Os conselhos e recomendações que podíamos dar aos nossos clientes eram, portanto, bastante genéricos e nem sempre permitiam que eles resolvessem a tarefa de forma eficaz.

Essa situação começou a melhorar nesta primavera, graças ao envolvimento ativo de VD Chvokov, que organizou e participou conosco do trabalho de balanceamento das hélices das aeronaves Yak-52 e Su-29, que ele pilota.

Durante este trabalho, foram adquiridas certas habilidades e desenvolvida uma tecnologia para balancear hélices de aeronaves em condições de campo utilizando o dispositivo "Balanset-1", incluindo:

• Determinar os locais e os métodos de instalação (montagem) de sensores de vibração e de ângulo de fase na aeronave;
• Determinação das frequências de ressonância de vários elementos estruturais da aeronave (suspensão do motor, pás da hélice);
• Identificar as frequências de rotação do motor (modos de operação) que garantem o desequilíbrio residual mínimo possível durante o balanceamento;
• Estabelecer tolerâncias para o desequilíbrio residual da hélice.

In addition, interesting data on the vibration levels of aircraft equipped with M-14P engines were obtained.

A seguir, encontram-se os materiais do relatório compilados a partir dos resultados deste trabalho. Além dos resultados de balanceamento, apresentam dados dos levantamentos de vibração das aeronaves Yak-52 e Su-29, obtidos durante testes em solo e em voo. Esses dados podem ser de interesse tanto para pilotos de aeronaves quanto para especialistas envolvidos em sua manutenção.

2. Levantamento de balanceamento e vibração do Yak-52

2.1. Introdução

Entre maio e julho de 2014, foram realizados trabalhos de levantamento de vibração na aeronave Yak-52, equipada com o motor de aviação M-14P, e o balanceamento de sua hélice de duas pás.

O balanceamento foi realizado em um plano utilizando o kit "Balanset-1", número de série 149.

O esquema de medição é mostrado na Fig. 2.1. Durante o balanceamento, o sensor de vibração (acelerômetro) 1 Foi instalado na tampa frontal da caixa de câmbio do motor utilizando uma montagem magnética em um suporte especialmente projetado. Sensor de ângulo de fase a laser 2 Também foi instalado na tampa da caixa de engrenagens e orientado em direção à marca refletora aplicada a uma das pás da hélice.

Os sinais analógicos dos sensores foram transmitidos por cabos para a unidade de medição do dispositivo "Balanset-1", onde foi realizado um processamento digital preliminar. Esses sinais, em formato digital, foram então enviados para o computador, onde o processamento por software foi executado e a massa e o ângulo do peso de correção necessários para compensar o desequilíbrio da hélice foram calculados.

Durante este trabalho, levando em consideração a experiência adquirida com o balanceamento das hélices do Su-29 e do Yak-52, diversos estudos adicionais foram conduzidos:

• Determinação das frequências naturais de oscilação do motor e da hélice do Yak-52;
• Medição da magnitude da vibração e da composição espectral na cabine do segundo piloto durante o voo após o balanceamento da hélice;
• Medição da vibração após o balanceamento da hélice e após o ajuste da força de aperto dos amortecedores do motor.

2.2. Frequências Naturais de Oscilações do Motor e da Hélice

As frequências naturais das oscilações do motor, montado nos amortecedores da fuselagem da aeronave, foram determinadas utilizando um analisador de espectro AD-3527 da A&D (Japão) por meio de excitação por impacto.

No espectro de oscilações naturais da suspensão do motor do Yak-52 (Fig. 2.2), foram identificadas quatro frequências principais: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz.

As frequências de 74 Hz, 94 Hz e 120 Hz provavelmente estão relacionadas às características da montagem do motor (suspensão) na fuselagem da aeronave. A frequência de 20 Hz está muito provavelmente associada às oscilações naturais da aeronave sobre o chassi do trem de pouso.

As frequências naturais das pás da hélice também foram determinadas utilizando o método de excitação por impacto. Quatro frequências principais foram identificadas: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz e 134 Hz.

Os dados sobre as frequências naturais de oscilação da suspensão do motor e das pás da hélice são importantes principalmente para a escolha da frequência de rotação da hélice durante o balanceamento. A principal condição na seleção dessa frequência é garantir o máximo desafinamento em relação às frequências naturais de oscilação dos elementos estruturais da aeronave, visto que, em frequências de ressonância, a precisão e a repetibilidade das medições de vibração podem ser significativamente prejudicadas.

Além disso, o conhecimento das frequências naturais dos componentes individuais pode ser útil para identificar as causas de aumentos acentuados na vibração (fenômenos de ressonância) em vários modos de rotação do motor, que podem surgir durante a operação da aeronave.

2.3. Balancing Results

Conforme mencionado anteriormente, o balanceamento da hélice foi realizado em um plano, compensando assim o desequilíbrio de forças da hélice dinamicamente.

O balanceamento dinâmico em dois planos (que compensaria adicionalmente o desequilíbrio de momento) não era viável, uma vez que o projeto da hélice do Yak-52 permite apenas um plano de correção.

O balanceamento foi realizado a uma frequência de rotação de 1150 rpm (60%), na qual foram obtidas as medições de vibração mais estáveis, tanto em amplitude quanto em fase, de uma execução para outra.

O esquema clássico de "duas corridas" foi utilizado:

1. Durante a primeira execução, foram determinadas a amplitude e a fase da vibração na frequência de rotação da hélice no estado inicial.
2. Durante o segundo ensaio, foram determinadas a amplitude e a fase da vibração após a instalação de uma massa de teste de 7 g na hélice.
3. Com base nesses dados, o software calculou: massa de correção M = 19,5 g em ângulo F = 32°.

Devido às características de projeto da hélice, que não permitiam a instalação do contrapeso no ângulo necessário de 32°, foram instalados dois contrapesos equivalentes:

• M1 = 14 g no ângulo F1 = 0°
• M2 = 8,3 g no ângulo F2 = 60°

2.4. Vibração em outros modos de operação

Os resultados das verificações de vibração em outros modos de operação do motor durante os testes em solo são apresentados na Tabela 2.1. Como pode ser observado, o balanceamento afetou positivamente a vibração do Yak-52 em todos os modos.

Além disso, durante os testes em solo, foi identificada uma clara tendência de redução substancial da vibração com o aumento da frequência de rotação da hélice. Isso pode ser explicado por um maior desajuste da frequência de rotação da hélice em relação à frequência de oscilação natural da aeronave no chassi (presumivelmente 20 Hz), que ocorre em frequências de rotação mais altas.

2.5. Vibração em voo antes e depois do ajuste do amortecedor

Além dos testes de vibração em solo após o balanceamento da hélice (seção 2.3), medições de vibração do Yak-52 também foram realizadas em voo.

A vibração em voo foi medida na cabine do segundo piloto na direção vertical usando um analisador de espectro portátil AD-3527 da A&D (Japão) na faixa de frequência de 5 a 200 (500) Hz. As medições foram feitas em cinco modos de rotação do motor principal: 60%, 65%, 70%, 82% e 94% de frequência de rotação máxima.

Os resultados, obtidos antes do ajuste dos amortecedores, são apresentados na Tabela 2.2.

Como pode ser observado na Tabela 2.2, os principais componentes de vibração aparecem na frequência de rotação da hélice V._p1, a frequência do virabrequim V_c1, o compressor de ar (e/ou o sensor de frequência) aciona V_n, e seus harmônicos superiores.

Vibração total máxima V_Σ foi encontrado nos modos 82% (1580 rpm) e 94% (1830 rpm). O componente dominante nesses modos aparece no segundo harmônico da frequência de rotação do virabrequim V._c2, atingindo 12,5 mm/seg a 4800 ciclos/min e 15,8 mm/seg a 5520 ciclos/min.

Pode-se presumir que este componente esteja associado ao grupo de pistões (processos de impacto que ocorrem durante o movimento duplo dos pistões por revolução da cambota). O aumento acentuado nos modos 82% (primeiro modo nominal) e 94% (decolagem) é provavelmente causado não por defeitos no grupo de pistões, mas por oscilações ressonantes do motor nos seus amortecedores. Esta conclusão é corroborada pelas medições da frequência natural, que revelaram frequências de suspensão do motor em 74 Hz (4440 ciclos/min), 94 Hz (5640 ciclos/min) e 120 Hz (7200 ciclos/min). Duas destas frequências — 74 Hz e 94 Hz — estão próximas das frequências harmónicas da segunda ordem da cambota nos modos de funcionamento do primeiro modo nominal e de decolagem.

Devido às vibrações significativas encontradas em V_c2, A força de aperto dos amortecedores do motor foi verificada e ajustada. Os resultados comparativos são apresentados na Tabela 2.3.

Conforme pode ser observado na Tabela 2.3, o ajuste do absorvedor não levou a mudanças significativas nos principais componentes de vibração da aeronave.

Deve-se notar também que o componente de desequilíbrio da hélice V_p1 nos modos 82% e 94% é respectivamente 3 a 7 vezes menor que V_c2 nesses modos. Em outros modos de voo, V_p1 varia de 2,8 a 4,4 mm/s, e suas mudanças entre os modos são determinadas principalmente não pela qualidade do balanceamento, mas pelo grau de desafinação em relação às frequências naturais dos elementos estruturais da aeronave.

2.6. Conclusões

2.6.1.

O balanceamento da hélice do Yak-52 a uma frequência de rotação de 1150 rpm (60%) permitiu reduzir a vibração na frequência de rotação da hélice de 10,2 mm/s para 4,2 mm/s. Considerando a experiência acumulada durante o balanceamento das hélices das aeronaves Yak-52 e Su-29 utilizando o dispositivo "Balanset-1", existe uma possibilidade real de se obter uma redução ainda maior do nível de vibração — em particular, selecionando uma frequência de rotação mais alta da hélice durante o balanceamento, o que permitiria um maior afastamento da frequência natural de oscilação da aeronave em 20 Hz (1200 ciclos/min) identificada durante as medições.

2.6.2.

Conforme demonstram os testes de vibração em voo (ver Tabelas 2.2 e 2.3), o espectro de vibração da aeronave Yak-52 contém, além da vibração na frequência de rotação da hélice V_p1, vários outros componentes importantes — associados ao virabrequim V_c1, V_c2, V_c3, o grupo de pistões do motor e o acionamento do compressor de ar (e/ou sensor de frequência) V_n.

Nos modos de velocidade 60%, 65% e 70%, esses componentes são comparáveis em magnitude ao componente de desequilíbrio da hélice V._p1. Consequentemente, mesmo a eliminação completa da vibração causada pelo desequilíbrio da hélice permitiria reduzir a vibração total da aeronave nesses modos em não mais do que aproximadamente 1,5 vezes.

2.6.3.

Vibração total máxima V_Σ A vibração da aeronave Yak-52 foi encontrada nos modos de rotação 82% (1580 rpm da hélice) e 94% (1830 rpm da hélice). O componente dominante dessa vibração aparece no segundo harmônico da frequência de rotação do virabrequim, V._c2, em frequências de 4800 ciclos/min e 5520 ciclos/min, respectivamente, nas quais atinge valores de 12,5 mm/s e 15,8 mm/s.

Conforme demonstrado nas seções 2.5 e 2.2, o aumento acentuado dessa componente nos modos indicados é provavelmente causado não por defeitos no conjunto do pistão, mas por oscilações ressonantes do motor sobre seus amortecedores. O ajuste da força de tensionamento dos amortecedores, realizado durante os testes, não resultou em alterações significativas nos níveis de vibração.

Essa situação pode ser considerada, presumivelmente, uma falha de projeto (konstruktivny proschet) dos desenvolvedores da aeronave, admitido durante a seleção do sistema de montagem (suspensão) do motor na fuselagem da aeronave.

2.6.4.

Os dados obtidos durante o processo de balanceamento da hélice e os testes de vibração adicionais sugerem que o monitoramento periódico da vibração pode ser útil para a avaliação diagnóstica da condição técnica do motor da aeronave, incluindo a avaliação do estado do conjunto de pistões, virabrequim, mancais do motor e acionamento do compressor de ar.

Esse trabalho pode ser realizado, por exemplo, usando o dispositivo "Balanset-1" (atualmente produzido como o Balanset-1A), no software em que a função de análise espectral de vibração está implementada.

3. Balanceamento da hélice MTV-9-KC/CL 260-27 e levantamento de vibração do Su-29

3.1. Introdução

Em 15 de junho de 2014, foram realizados trabalhos de balanceamento da hélice de três pás do tipo MTV-9-KC/CL 260-27, instalada no motor de aviação M-14P da aeronave acrobática Su-29.

De acordo com os dados fornecidos pelo fabricante (MT-Propeller), a hélice em questão foi previamente balanceada estaticamente, como evidenciado pela presença, na hélice no plano 1, de um contrapeso instalado na fábrica.

O balanceamento da hélice, instalada diretamente no eixo de saída da caixa de engrenagens do Su-29 (ou seja, no local de sua instalação permanente), foi realizado utilizando o kit de balanceamento de vibração "Balanset-1", número de série 149.

O esquema de medição (Fig. 3.1) foi, em geral, semelhante ao utilizado para o Yak-52. Sensor de vibração (acelerômetro) 1 Foi instalado na carcaça da caixa de engrenagens do motor utilizando uma montagem magnética em um suporte especialmente projetado. Sensor de ângulo de fase a laser 2 O sensor também foi montado na carcaça da caixa de engrenagens e orientado em direção à marca refletora aplicada a uma das pás da hélice. Os sinais analógicos dos sensores foram transmitidos por cabos para a unidade de medição do dispositivo "Balanset-1", onde foi realizado um processamento digital preliminar. Em seguida, os sinais em formato digital foram enviados ao computador, onde o processamento por software foi realizado e a massa e o ângulo do peso de correção necessário para compensar o desequilíbrio da hélice foram calculados.

Antes deste trabalho, e levando em consideração a experiência adquirida com o balanceamento da hélice do Yak-52, foram realizados estudos adicionais:

• Determinação das frequências naturais das oscilações do motor e da hélice do Su-29;
• Verificar a magnitude e a composição espectral da vibração de base na cabine do segundo piloto antes do balanceamento.

3.2. Frequências Naturais de Oscilações do Motor e da Hélice

Utilizando o mesmo método de excitação por impacto com o analisador AD-3527, foram identificadas seis frequências principais no espectro da suspensão do motor (Fig. 3.2): 16 Hz, 22 Hz, 37 Hz, 66 Hz, 88 Hz, 120 Hz.

As frequências de 66 Hz, 88 Hz e 120 Hz estão presumivelmente relacionadas às peculiaridades do sistema de montagem (suspensão) do motor na fuselagem da aeronave. As frequências de 16 Hz e 22 Hz estão provavelmente associadas às oscilações naturais da aeronave como um todo sobre seu chassi. Já a frequência de 37 Hz está provavelmente relacionada à frequência natural de oscilação da hélice da aeronave.

Esta última suposição é confirmada pelos resultados das medições das frequências naturais de oscilação das pás da hélice (Fig. 3.3), em cujo espectro foram identificadas três frequências principais: 37 Hz, 100 Hz e 174 Hz.

O conhecimento das frequências naturais da suspensão do motor e das pás da hélice do Su-29 é de grande importância prática. Primeiro, permite uma seleção adequada da frequência de rotação da hélice para balanceamento, garantindo o máximo afastamento das ressonâncias estruturais da aeronave. Segundo, fornece a base necessária para a correta interpretação e diagnóstico das causas de vibração observadas em diversos modos de operação do motor, como será demonstrado nas seções subsequentes deste relatório.

3.3. Vibração basal da cabine antes do balanceamento

Antes de realizar o procedimento de balanceamento, foram feitas medições dos níveis de vibração de referência na cabine do segundo piloto do Su-29. Assim como no caso do Yak-52, a vibração foi medida na direção vertical utilizando o analisador de espectro portátil AD-3527 da A&D (Japão) na faixa de frequência de 5 a 200 Hz. As medições foram realizadas em quatro modos de rotação do motor principal, correspondentes a 60%, 65%, 70% e 82% da frequência máxima de rotação da hélice.

Os resultados dessas medições são apresentados na Tabela 3.1.

Os principais componentes de vibração aparecem na frequência de rotação da hélice V._p1, virabrequim V_c1, acionamento do compressor V_n, e o segundo harmônico do virabrequim V_c2 (que, no caso de uma hélice de três pás, também pode coincidir com a frequência de passagem da pá V)_p3).

No espectro do modo 60%, também foi encontrado um componente não identificado em 6120 ciclos/min, possivelmente causado por ressonância em aproximadamente 100 Hz — uma das frequências naturais da pá da hélice.

A vibração total máxima (11,5 mm/s) foi encontrada no modo 70%. O componente dominante neste modo é V._c2 a 4020 ciclos/min, atingindo 10,8 mm/s. Esse aumento acentuado em 70% provavelmente se deve a oscilações ressonantes da suspensão do motor próximas a 67 Hz (4020 ciclos/min).

Deve-se notar também que, além das excitações de impacto do conjunto de pistões, a vibração nessa faixa de frequência também pode ser influenciada por forças aerodinâmicas na frequência de passagem das pás da hélice (V)._p3Nos modos 65% e 82%, observa-se um aumento considerável em V._c2 (V_p3Também se observa um componente , que pode ser explicado da mesma forma por oscilações ressonantes de componentes individuais da aeronave.

O componente de desequilíbrio da hélice V_p1 variou de 2,4 a 5,7 mm/s entre os modos antes do balanceamento, geralmente inferior a V._c2 nos modos correspondentes. Sua variação entre os modos é determinada não apenas pela qualidade do balanceamento, mas também pelo grau de desafinação em relação às frequências naturais dos elementos estruturais da aeronave.

3.4. Balancing Results

O balanceamento da hélice foi realizado em um plano a uma frequência de rotação de 1350 rpm, utilizando duas medições (método clássico de coeficientes de influência). O protocolo completo de balanceamento é apresentado em [referência]. Apêndice 1.

O procedimento de balanceamento consistiu nas seguintes operações:

1. Durante a primeira execução (estado inicial), foram determinadas a amplitude e a fase da vibração na frequência de rotação da hélice.
2. Durante o segundo ensaio, foram determinadas a amplitude e a fase da vibração após a instalação de uma massa de teste de peso conhecido na hélice.
3. Com base nesses resultados de medição, o software calculou a massa e o ângulo de instalação do peso corretivo no plano 1, necessário para compensar o desequilíbrio da hélice.

A verificação da qualidade do balanceamento em voo não foi realizada devido a danos acidentais na hélice durante um voo de treinamento.

Os motivos para a discrepância indicada podem ser os seguintes:

• erros do sistema de medição do banco de balanceamento na fábrica (esta razão parece ser a menos provável);
• Erros geométricos (imprecisões) das superfícies de montagem do eixo da máquina de balanceamento na fábrica, causando desalinhamento radial da hélice no eixo;
• Erros geométricos (imprecisões) nas superfícies de montagem do eixo de saída da caixa de engrenagens da aeronave Su-29, causando desalinhamento radial da hélice quando instalada no eixo da caixa de engrenagens.

3.5. Conclusões

3.5.1.

O balanceamento da hélice da aeronave Su-29 em um plano, a uma frequência de rotação de 1350 rpm (70%), permitiu reduzir a vibração nessa frequência de 6,7 mm/s no estado inicial para 1,5 mm/s após o balanceamento. A vibração associada ao desbalanceamento da hélice em outras faixas de rotação do motor também diminuiu significativamente, permanecendo entre 1 e 2,5 mm/s.

3.5.2.

Para esclarecer as razões dos resultados insatisfatórios do balanceamento da hélice na fábrica (MT-Propeller), é necessário verificar o desalinhamento radial da hélice no eixo de saída da caixa de engrenagens do motor da aeronave Su-29.

Apêndice 1: Protocolo de Balanceamento