Cu privire la echilibrarea elicei aeronavei în mediul de teren. Partea 1

1. V.D. Feldman

Tehnician șef al OU Vibromera

Cu privire la echilibrarea elicei aeronavei în mediul de teren

 "Elice este pilotul aeronavei,

și pentru a o echilibra poate doar un striver"

1. În în loc de prefață

În urmă cu doi ani și jumătate, compania noastră a început producția în serie a Balanset-1, destinat echilibrării mecanismelor rotorului în rulmenții proprii.

Până în prezent, au fost produse mai mult de 180 de seturi, care sunt utilizate în mod eficient în diverse industrii, inclusiv în producția și funcționarea ventilatoarelor, a aspiratoarelor, a motoarelor electrice, a axelor de lucru, a pompelor, a concasoarelor, a separatoarelor, a centrifugelor, a arborilor de transmisie și a arborelui cotit și a altor mecanisme.

Recent, compania noastră a primit un număr mare de solicitări din partea unor organizații și persoane fizice legate de posibilitatea de a utiliza echipamentul nostru pentru echilibrarea elicelor de aeronave și elicoptere în mediul de teren.

Din nefericire, specialiștii noștri, care au o mare experiență în echilibrarea unei mari varietăți de mașini, nu s-au confruntat niciodată cu această problemă. Prin urmare, sfaturile și recomandările pe care le-am putut oferi Clienților noștri au fost de natură generală și nu le-au permis întotdeauna să rezolve eficient problema.

În această primăvară, situația a început să se schimbe în bine datorită poziției active a lui V. D. Chvokov, care a organizat și a luat, împreună cu noi, cea mai activă parte la lucrările de echilibrare a elicelor de YAK-52 și SU-29, pe care este pilot.

Fig. 1.1. Yak-52 pe aerodrom

Fig. 1.2. SU-29 în zona de parcare

În timpul acestui proces, am învățat o anumită abilitate și tehnologie de echilibrare a elicelor aeronavelor în mediul de teren folosind Balanset-1, inclusiv:

• determinarea locurilor și a metodelor de instalare (montare) a senzorilor de vibrații și a unghiului de fază pe instalație;
• determinarea frecvențelor de rezonanță ale unui număr de elemente structurale ale aeronavei (suspensia motorului, palele elicei);
• identificarea vitezelor de rotație (moduri de funcționare) ale motorului, asigurând un dezechilibru rezidual minim în procesul de echilibrare;
• determinarea toleranțelor pentru dezechilibrul rezidual al elicei etc.

În plus, am obținut date interesante privind nivelurile de vibrații ale aeronavelor echipate cu motoare M-14P.

Materialele de raportare sunt sugerate mai jos, pe baza rezultatelor acestor lucrări.

Împreună cu rezultatele echilibrării, acestea conțin datele studiilor de vibrații ale YAK-52 și SU-29 obținute în timpul testelor la sol și în zbor.

Aceste date pot fi de interes atât pentru piloții de aeronave, cât și pentru specialiștii în întreținere.

2. Rezultatele echilibrării elicei de echilibrare și testarea vibrațiilor aeronavei acrobatice YAK-52

2.1. Introducere

În perioada mai-iulie 2014, am efectuat testele de vibrații ale YAK-52 echipat cu un motor de avion M-14P, precum și echilibrarea elicei sale cu două pale.

Echilibrarea a fost efectuată în același plan cu ajutorul setului de echilibrare Balanset-1, instalația nr. 149.

Schema de măsurare utilizată pentru echilibrare este prezentată în figura 2.1.

În timpul procesului de echilibrare, senzorul de vibrații (accelerometru) 1 a fost montat pe capacul frontal al angrenajului motorului cu ajutorul unui magnet pe un suport special.

Senzorul laser al unghiului de fază 2 a fost, de asemenea, montat pe capacul angrenajului și a fost ghidat de o etichetă reflectorizantă aplicată pe una dintre palele elicei.

Semnalele analogice de la senzori au fost transmise prin cabluri la unitatea de măsurare a Balanset-1, în care a fost efectuată prelucrarea digitală preliminară a acestora.

În continuare, aceste semnale în formă digitală au fost transmise la calculator, care le-a procesat și a calculat masa și unghiul de instalare a greutății de corecție necesare pentru a compensa dezechilibrul de pe elice.

Fig. 2.1. Schema de măsurare pentru echilibrarea elicei de echilibrare a YAK-52.

Zk - roata dințată principală;

Zс - sateliți de viteze;

Zn - roată cu angrenaj fix.

În cursul acestei lucrări, luând în considerare experiența în echilibrarea elicelor SU-29 și YAK-52, am efectuat o serie de studii suplimentare, inclusiv:

• determinarea frecvențelor naturale ale oscilațiilor motorului și ale elicei de pe YAK-52;
• examinarea valorii și a compoziției spectrale a vibrațiilor în cabina copilotului în timpul zborului, după echilibrarea elicei;
• examinarea valorii și a compoziției spectrale a vibrațiilor în cabina copilotului în timpul zborului, după echilibrarea elicei și ajustarea forței de strângere a amortizorului motorului.

2.2. Rezultatele studiilor privind frecvențele naturale ale motorului și ale elicei.

Frecvențele naturale ale motorului montat pe amortizoarele din corpul aeronavei au fost determinate cu ajutorul analizorului de spectru AD-3527, f. A @ D, (Japonia), prin excitarea prin șoc a oscilațiilor motorului.

Am determinat 4 frecvențe principale, și anume: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz în spectrul de oscilații naturale ale suspensiei motorului YAK-52, un exemplu fiind prezentat în figura 2.2.

Fig. 2.2. Spectrul frecvențelor naturale de oscilații ale suspensiei motorului YAK-52

Frecvențele de 74Hz, 94Hz, 120Hz sunt probabil asociate cu caracteristicile de montare (suspendare) a motorului pe corpul aeronavei.

Frecvența de 20 Hz este cel mai probabil asociată cu oscilațiile aeronavei pe șasiu.

Frecvențele naturale de oscilație ale paletelor elicei au fost, de asemenea, determinate prin metoda de excitație prin șoc.

În acest caz, am evidențiat patru frecvențe principale, și anume: 36Hz, 80Hz, 104Hz și 134Hz.

Datele privind frecvențele naturale de oscilații ale elicei și ale motorului YAK-52 pot fi importante în primul rând pentru alegerea frecvenței de rotație a elicei utilizate la echilibrare. Principala condiție pentru alegerea acestei frecvențe este de a se asigura un decalaj maxim posibil față de frecvențele naturale de oscilație ale elementelor structurale ale aeronavei.

În plus, cunoașterea frecvențelor naturale de oscilații ale componentelor și părților individuale ale aeronavei poate fi utilă pentru a identifica motivele unei creșteri bruște (în cazul rezonanței) a anumitor componente ale spectrului de vibrații la diferite turații ale motorului.

2.3. Rezultatele echilibrării.

După cum am menționat mai sus, elicea a fost echilibrată în același plan, ca urmare a faptului că a fost asigurată o compensare pentru dezechilibrul de putere al elicei în dinamică.

Echilibrarea dinamică în două planuri nu a fost posibilă, ceea ce permite (în plus față de cea de forță) să compenseze dezechilibrul de moment al elicei, deoarece designul elicei montate pe YAK-52 face posibilă formarea unui singur plan de corecție.

Elicea a fost echilibrată la o frecvență de rotație a acesteia egală cu 1 150 rpm (60%), la care a fost posibilă obținerea celor mai stabile rezultate ale măsurării vibrațiilor în amplitudine și fază de la un început la altul.

Elicea a fost echilibrată în conformitate cu schema clasică "două porniri".

În timpul primei porniri, am determinat amplitudinea și faza de vibrație la frecvența de rotație a elicei în starea inițială.

În timpul celei de-a doua porniri, am determinat amplitudinea și faza vibrației la frecvența de rotație a elicei după ce am fixat masa de probă la 7 g.

Ținând cont de aceste date, am calculat masa M = 19,5 g în mod programatic și unghiul de instalare a greutății de corecție F = 32.

Ținând cont de caracteristicile de proiectare ale elicei, care nu permit plasarea greutății de corecție la unghiul necesar, pe elice sunt fixate două greutăți echivalente, inclusiv:

• Greutatea M1 = 14 g pe unghiul F1 = 0º;
• Greutatea M1 = 8,3 g pe unghiul F1 = 60º.

După ce greutățile de corecție de mai sus au fost plasate pe elice, vibrația măsurată la o viteză de rotație de 1 150 rpm și asociată cu dezechilibrul elicei a scăzut de la 10,2 mm/s în starea inițială la 4,2 mm/s după echilibrare.

În același timp, dezechilibrul real al elicei a scăzut de la 2.340 g*mm la 963 g*mm.

2.4. Testarea efectului de echilibrare asupra nivelului de vibrații al YAK-52 la sol la diferite viteze ale elicei

Tabelul 2.1 sugerează rezultatele testului de vibrații al YAK-52, efectuat în alte condiții de funcționare a motorului obținute în timpul testelor la sol.

După cum arată tabelul, echilibrarea a avut un efect pozitiv asupra vibrațiilor YAK-52 în toate modurile de funcționare.

Tabelul 2.1

În plus, în timpul testelor la sol, s-a constatat o tendință de reducere semnificativă a vibrațiilor unei aeronave cu o rată de rotație mai mare a elicei sale.

Acest fenomen poate fi explicat printr-un grad mai mare de dezacordare a vitezei de rotație a elicei față de frecvența naturală de oscilație a aeronavei pe șasiu (probabil 20 Hz), care apare odată cu creșterea vitezei de rotație a elicei.

2.5. Examinarea vibrațiilor lui YAK-52 în aer în principalele moduri de zbor înainte și după ajustarea forței de strângere a amortizoarelor

În plus față de testele de vibrații efectuate după echilibrarea elicei la sol (a se vedea secțiunea 2.3), am efectuat măsurători ale vibrațiilor YAK-52 în zbor.

Vibrațiile în timpul zborului au fost măsurate în cabina de pilotaj a copilotului. în direcția verticală cu ajutorul unui analizor de spectru de vibrații portabil AD-3527 f. A@D (Japonia) în intervalul de frecvență de la 5 la 200 (500) Hz.

Măsurătorile au fost efectuate la cinci turații ale motorului principal egale cu 60%, 65%, 70% și, respectiv, 82% din viteza maximă de rotație a acestuia.

Rezultatele măsurătorilor efectuate înainte de reglarea clapetelor sunt prezentate în tabelul 2.2.

Tabelul 2.2

Ca exemplu, în figurile 2.3 și 2.4 sunt prezentate graficele spectrelor obținute la măsurarea vibrațiilor în cabina de pilotaj a avionului YAK-52 în modurile 60% și 94% și utilizate la completarea tabelului 2.2.

Fig.2.3. Spectrul de vibrații în cabina de pilotaj a avionului YAK-52 la 60%.

Figura 2.4. Spectrul de vibrații în cabina de pilotaj a avionului YAK-52 la 94%.

După cum se arată în tabelul 2.2, principalele componente ale vibrațiilor, măsurate în cabina copilotului, apar la vitezele de rotație ale elicei Vv1 (evidențiate în galben), arborelui cotit Vk1 (evidențiat în albastru) și la angrenajul de acționare al compresorului de aer (și/sau senzorul de frecvență) Vn (evidențiat în verde), precum și la armonicele superioare ale acestora Vv2, Vv4, Vv5 și Vk2, Vk3.

Vibrația maximă totală Vå  a fost detectată la viteze de 82% (1 580 rpm ale elicei) și 94% (1 830 rpm).

Componenta principală a acestei vibrații se manifestă la 2^nd armonică a turației arborelui cotit al motorului Vk2 și, în consecință, atinge valorile de 12,5 mm/s la o frecvență de 4 800 cicluri/min și 15,8 mm/s la o frecvență de 5 520 cicluri/min.

Se poate presupune că această componentă este asociată cu funcționarea blocului de pistoane al motorului (procese de șoc atunci când pistoanele sunt repoziționate de două ori în timpul unei revoluții a arborelui cotit).

Creșterea bruscă a acestei componente în modurile 82% (prima nominală) și 94% (decolare) este cel mai probabil cauzată nu de defectele grupului de pistoane, ci de oscilațiile rezonante ale motorului fixat în corpul aeronavei pe amortizor.

Această concluzie este confirmată de rezultatele de mai sus ale verificării experimentale a frecvențelor naturale de oscilații ale suspensiei motorului, în spectrul cărora se află 74Hz (4 440 cicluri/min), 94Hz (5640 cicluri/min) și 120Hz (7 200 cicluri/min).

Două dintre aceste frecvențe naturale, egale cu 74 și 94 Hz, sunt apropiate de frecvențele celor 2^nd armonice ale turației arborelui cotit, care au loc în primele regimuri nominale și de decolare ale funcționării motorului.

Datorită faptului că în timpul testelor de vibrații am constatat vibrații semnificative la 2^nd armonică a arborelui cotit în primele regimuri nominale și de decolare ale motorului, s-a încercat verificarea și reglarea forței de strângere a amortizoarelor de suspensie ale motorului.

Tabelul 2.3 prezintă rezultatele comparative ale testelor obținute înainte și după reglarea amortizoarelor pentru viteza de rotație a elicei (Vv1) și 2^nd armonică a frecvenței de rotație a arborelui cotit (Vk2).

Tabelul 2.3

După cum se poate observa în tabelul 2.3, reglarea amortizoarelor nu a condus la modificări semnificative ale valorilor principalelor componente ale vibrațiilor aeronavei.

Ținând cont de cele de mai sus, este posibil să se considere o creștere notabilă a componentei de vibrații a YAK-52 în primele moduri nominale și de decolare (în opinia noastră) ca fiind o eroare de calcul constructivă a proiectanților aeronavei, făcută atunci când au ales un sistem de montare a motorului (suspensie) în corpul aeronavei.

În acest sens, trebuie remarcat faptul că amplitudinea componentei spectrale asociate cu dezechilibrul elicei Vv1, detectată în modurile 82% și 94% (a se vedea tabelele 1.2 și 1.3), respectiv, de 3-7 ori mai mică decât amplitudinile Vk2 în aceste moduri.

În alte moduri de zbor, componenta Vv1 se situează între 2,8 și 4,4 mm/s.

În plus, după cum arată tabelele 2.2 și 2.3, în timpul tranziției de la un mod la altul, modificările sale sunt determinate în principal nu de calitatea echilibrării, ci de gradul de dezacordare a vitezei de rotație a elicei față de frecvențele naturale de oscilație ale anumitor elemente structurale ale aeronavei.

2.6. Concluzii privind rezultatele activității

2.6.1. Echilibrarea elicei de la YAK-52, efectuată la o frecvență de rotație de 1150 rpm (60%), a permis reducerea vibrațiilor elicei de la 10,2 mm/s la 4,2 mm/s.

Ținând cont de o anumită experiență dobândită în procesul de echilibrare a elicelor de YAK-52 și SU-29 cu ajutorul Balanset-1, putem presupune că există posibilitatea de a reduce în continuare nivelul de vibrații al elicei de YAK-52.

Acest efect poate fi obținut, în special, prin selectarea unei frecvențe de rotație diferită (mai mare) a elicei în timpul echilibrării acesteia, ceea ce permite un grad mai mare de detașare de frecvența naturală de oscilație a aeronavei de 20 Hz (1 200 de cicluri/min) detectată în timpul testului.

2.6.2. După cum arată rezultatele testelor de vibrații ale YAK-52 în zbor, spectrele de vibrații ale acestuia (în afară de componenta menționată mai sus la punctul 2.6.1, care apare la frecvența de rotație a elicei), au o serie de alte componente legate de funcționarea arborelui cotit, a grupului de pistoane al motorului și, de asemenea, a angrenajului de acționare a compresorului de aer (și/sau a senzorului de frecvență).

Valorile vibrațiilor de mai sus în modurile 60%, 65% și 70% sunt proporționale cu valoarea vibrației care este asociată cu dezechilibrul elicei.

Analiza acestor vibrații arată că chiar și eliminarea completă a vibrațiilor cauzate de dezechilibrul elicei va reduce vibrațiile totale ale aeronavei în aceste moduri de zbor de cel mult 1,5 ori.

2.6.3. Vibrația totală maximă Vå a YAK-52 a fost detectată în moduri de mare viteză, și anume: 82% (1.580 rpm ale elicei) și 94% (1.830 rpm ale elicei).

Componenta principală a acestei vibrații se manifestă la 2^nd armonica frecvenței de rotație a arborelui cotit al motorului Vk2 (la frecvențe de 4 800 cicluri/min sau 5 520 cicluri/min), la care atinge valori de 12,5 mm/s și, respectiv, 15,8 mm/s.

Se poate presupune că această componentă este legată de funcționarea grupului de pistoane al motorului (procese de șoc care apar atunci când pistoanele sunt repoziționate de două ori în timpul unei rotații a arborelui cotit).

Creșterea bruscă a acestei componente în modurile 82% (prima nominală) și 94% (decolare) este cel mai probabil cauzată nu de defecte în grupul de pistoane, ci de oscilațiile rezonante ale motorului, fixate în corpul aeronavei pe amortizoare.

În timpul încercărilor, reglarea amortizoarelor nu a dus la modificări semnificative ale vibrațiilor.

Această situație poate fi considerată ca o eroare de calcul constructivă a proiectanților de aeronave, făcută la alegerea sistemului de montare (suspensie) a motorului în corpul aeronavei.

2.6.4. Datele obținute în timpul echilibrării și al testelor suplimentare de vibrații (a se vedea rezultatele testelor în zbor în secțiunea 2.5) ne permit să concluzionăm că monitorizarea periodică a vibrațiilor poate fi utilă pentru evaluarea diagnostic a stării tehnice a unui motor de aeronavă.

O astfel de procedură poate fi efectuată, de exemplu, cu ajutorul Balanset-1, al cărui software implementează funcția de analiză spectrală a vibrațiilor.