1. Prefață

Acum doi ani și jumătate, întreprinderea noastră a început producția în serie a dispozitivului "Balanset-1", conceput pentru echilibrarea mecanismelor rotative în propriile rulmenți.

Până în prezent, au fost produse peste 180 de seturi. Acestea sunt utilizate eficient în diverse industrii, inclusiv în producția și funcționarea ventilatoarelor, suflantelor, motoarelor electrice, axelor mașinilor, pompelor, concasoarelor, separatoarelor, centrifugelor, ansamblurilor cardanice și arborelui cotit și a mecanismelor similare.

Recent, Vibromera a primit un număr mare de solicitări din partea organizațiilor și persoanelor fizice cu privire la posibilitatea utilizării echipamentelor noastre pentru echilibrarea elicelor de aeronave și elicoptere în condiții de teren.

Din păcate, specialiștii noștri, în ciuda anilor de experiență în echilibrarea diverselor mașini, nu s-au confruntat niciodată cu această problemă specifică. Prin urmare, sfaturile și recomandările pe care le-am putut oferi clienților noștri au fost destul de generale și nu le-au permis întotdeauna să rezolve eficient sarcina respectivă.

Această situație a început să se schimbe în bine în această primăvară, datorită implicării active a lui V. D. Chvokov, care a organizat și a participat alături de noi la lucrările de echilibrare a elicelor avioanelor Yak-52 și Su-29, pe care le pilotează.

În timpul acestei lucrări, au fost dobândite anumite abilități și a fost dezvoltată o tehnologie pentru echilibrarea elicelor de aeronave în condiții de teren folosind dispozitivul "Balanset-1", inclusiv:

• determinarea amplasamentelor și metodelor de instalare (montare) a senzorilor de vibrații și unghi de fază pe aeronavă;
• determinarea frecvențelor de rezonanță ale mai multor elemente structurale ale aeronavei (suspensia motorului, palele elicei);
• identificarea frecvențelor de rotație ale motorului (modurilor de funcționare) care asigură dezechilibrul rezidual minim realizabil în timpul echilibrării;
• stabilirea toleranțelor pentru dezechilibrul rezidual al elicei.

În plus, au fost obținute date interesante privind nivelurile de vibrații ale aeronavelor echipate cu motoare M-14P.

Mai jos sunt materialele raportului compilate pe baza rezultatelor acestei lucrări. Pe lângă rezultatele echilibrării, acestea prezintă date din studiile privind vibrațiile aeronavelor 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 implicați în mentenanța acestora.

2. Studiul de echilibrare și vibrații al avionului Yak-52

2.1. Introducere

În perioada mai-iulie 2014, s-au efectuat lucrări la studiul vibrațiilor aeronavei Yak-52, echipată cu motorul de aviație M-14P, și la echilibrarea elicei sale cu două pale.

Echilibrarea a fost efectuată într-un singur plan folosind kitul "Balanset-1", nr. de serie 149.

Schema de măsurare este prezentată în Fig. 2.1. În timpul echilibrării, senzorul de vibrații (accelerometrul) 1 a fost instalat pe capacul frontal al cutiei de viteze a motorului folosind un suport magnetic pe un suport special conceput. Senzor laser pentru unghiul de fază 2 a fost instalat și pe capacul cutiei de viteze și orientat spre marcajul reflectorizant aplicat pe una dintre palele elicei.

Semnalele analogice de la senzori au fost transmise prin cabluri către unitatea de măsurare a dispozitivului "Balanset-1", unde a fost efectuată o procesare digitală preliminară. Aceste semnale în formă digitală au intrat apoi în computer, unde a fost efectuată procesarea software și s-au calculat masa și unghiul greutății de corecție necesare pentru a compensa dezechilibrul elicei.

În timpul acestei lucrări, ținând cont de experiența acumulată din echilibrarea elicelor atât ale Su-29, cât și ale Yak-52, au fost efectuate o serie de studii suplimentare:

• determinarea frecvențelor naturale ale oscilațiilor motorului și elicei Yak-52;
• măsurarea magnitudinii vibrațiilor și a compoziției spectrale în cabina celui de-al doilea pilot în timpul zborului, după echilibrarea elicei;
• măsurarea vibrațiilor după echilibrarea elicei și după reglarea forței de strângere a amortizoarelor motorului.

2.2. Frecvențele naturale ale oscilațiilor motorului și elicei

Frecvențele naturale ale oscilațiilor motorului, montate pe amortizoare în corpul aeronavei, au fost determinate folosind un analizor de spectru AD-3527 de la A&D (Japonia) prin excitație la impact.

În spectrul oscilațiilor naturale ale suspensiei motorului Yak-52 (Fig. 2.2), au fost identificate patru frecvențe principale: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz.

Frecvențele de 74 Hz, 94 Hz și 120 Hz sunt probabil legate de caracteristicile suportului motorului (suspensiei) pe corpul aeronavei. Frecvența de 20 Hz este cel mai probabil asociată cu oscilațiile naturale ale aeronavei pe șasiul trenului de aterizare.

Frecvențele naturale ale palelor elicei au fost, de asemenea, determinate folosind metoda excitației la impact. Au fost identificate patru frecvențe principale: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz și 134 Hz.

Datele privind frecvențele naturale ale oscilațiilor suspensiei motorului și ale palelor elicei sunt importante în primul rând pentru alegerea frecvenței de rotație a elicei în timpul echilibrării. Condiția principală în selectarea acestei frecvențe este de a asigura o dezacordare maximă față de frecvențele naturale ale oscilațiilor elementelor structurale ale aeronavei, deoarece la frecvențe rezonante precizia și repetabilitatea măsurătorilor vibrațiilor pot fi afectate semnificativ.

În plus, cunoașterea frecvențelor naturale ale componentelor individuale poate fi utilă pentru identificarea cauzelor creșterilor bruște ale vibrațiilor (fenomene de rezonanță) la diferite moduri de turație a motorului, care pot apărea în timpul funcționării aeronavei.

2.3. Rezultatele echilibrării

După cum s-a menționat mai sus, echilibrarea elicei a fost efectuată într-un singur plan, compensând astfel dinamic dezechilibrul de forță al elicei.

Echilibrarea dinamică în două plane (care ar compensa suplimentar dezechilibrul momentului) nu era fezabilă, deoarece designul elicei de pe Yak-52 permite un singur plan de corecție.

Echilibrarea a fost efectuată la o frecvență de rotație de 1150 rpm (60%), la care s-au obținut cele mai stabile măsurători de vibrații, atât în amplitudine, cât și în fază, de la o operațiune la alta.

A fost utilizată schema clasică "cu două runde":

1. În timpul primei runde, au fost determinate amplitudinea și faza vibrației la frecvența de rotație a elicei în starea inițială.
2. În timpul celei de-a doua runde, au fost determinate amplitudinea și faza vibrației după instalarea unei mase de probă de 7 g pe elice.
3. Pe baza acestor date, software-ul a calculat: masa de corecție M = 19,5 g în unghi F = 32°.

Datorită caracteristicilor de proiectare ale elicei, care nu au permis instalarea greutății de corecție la unghiul necesar de 32°, au fost instalate două greutăți echivalente:

• M1 = 14 g la unghiul F1 = 0°
• M2 = 8,3 g la unghiul F2 = 60°

2.4. Vibrații în alte moduri de funcționare

Rezultatele verificărilor vibrațiilor în alte moduri de funcționare a motorului în timpul testelor la sol sunt prezentate în Tabelul 2.1. După cum se poate observa, echilibrarea a influențat pozitiv vibrațiile motorului Yak-52 în toate modurile.

Mai mult, în timpul testelor la sol, a fost identificată o tendință clară de reducere substanțială a vibrațiilor odată cu creșterea frecvenței de rotație a elicei. Acest lucru poate fi explicat printr-o dezacordare mai mare a frecvenței de rotație a elicei față de frecvența naturală de oscilație a aeronavei pe șasiu (probabil 20 Hz), care apare la frecvențe de rotație mai mari.

2.5. Vibrații în timpul zborului înainte și după reglarea amortizorului

Pe lângă testele de vibrații la sol după echilibrarea elicei (secțiunea 2.3), s-au efectuat și măsurători ale vibrațiilor avionului Yak-52 în zbor.

Vibrațiile în zbor au fost măsurate în cabina celui de-al doilea pilot, în direcție verticală, utilizând un analizor de spectru portabil AD-3527 de la A&D (Japonia), în intervalul de frecvență de la 5 la 200 (500) Hz. Măsurătorile au fost efectuate la cinci moduri principale de turație a motorului: 60%, 65%, 70%, 82% și 94% la frecvența maximă de rotație.

Rezultatele, obținute înainte de reglarea amortizoarelor, sunt prezentate în Tabelul 2.2.

După cum se observă din tabelul 2.2, principalele componente ale vibrațiilor apar la frecvența de rotație a elicei V_p1, frecvența arborelui cotit V_c1, compresorul de aer (și/sau senzorul de frecvență) acționează V_n, și armonicele lor superioare.

Vibrație totală maximă V_Σ a fost găsită în modurile 82% (1580 rpm) și 94% (1830 rpm). Componenta dominantă în aceste moduri apare la a doua armonică a frecvenței de rotație a arborelui cotit V_c2, atingând 12,5 mm/sec la 4800 cicluri/min și 15,8 mm/sec la 5520 cicluri/min.

Se poate presupune că această componentă este asociată cu grupul de pistoane (procesele de impact care au loc în timpul mișcării duble a pistoanelor la fiecare rotație a arborelui cotit). Creșterea bruscă în modurile 82% (prima valoare nominală) și 94% (decolare) este cel mai probabil cauzată nu de defectele grupului de pistoane, ci de oscilațiile rezonante ale motorului asupra amortizoarelor sale. Această concluzie este susținută de măsurătorile frecvenței naturale, care au relevat frecvențe ale suspensiei motorului la 74 Hz (4440 cicluri/min), 94 Hz (5640 cicluri/min) și 120 Hz (7200 cicluri/min). Două dintre acestea - 74 Hz și 94 Hz - sunt apropiate de frecvențele armonice ale arborelui cotit la prima valoare nominală și la decolare.

Datorită vibrațiilor semnificative constatate la V_c2, forța de strângere a amortizoarelor motorului a fost verificată și reglată. Rezultatele comparative sunt prezentate în Tabelul 2.3.

După cum se observă din tabelul 2.3, reglarea amortizorului nu a dus la modificări semnificative ale principalelor componente de vibrații ale aeronavei.

De asemenea, trebuie menționat că componenta dezechilibrului elicei V_p1 în modurile 82% și 94% este respectiv de 3–7 ori mai mică decât V_c2 în acele moduri. În alte moduri de zbor, V_p1 variază de la 2,8 la 4,4 mm/sec, iar schimbările sale între moduri sunt determinate în principal nu de calitatea echilibrării, ci de gradul de dezacordare față de frecvențele naturale ale elementelor structurale ale aeronavei.

2.6. Concluzii

2.6.1.

Echilibrarea elicei aeronavei Yak-52 la o frecvență de rotație de 1150 rpm (60%) a permis reducerea vibrațiilor la frecvența de rotație a elicei de la 10,2 mm/sec la 4,2 mm/sec. Ținând cont de experiența acumulată în timpul echilibrării elicelor atât ale aeronavei Yak-52, cât și ale celei Su-29, folosind dispozitivul "Balanset-1", există o posibilitate realistă de a obține o reducere și mai mare a nivelului de vibrații - în special, prin selectarea unei frecvențe de rotație mai mari a elicei în timpul echilibrării, ceea ce ar permite o dezacordare într-o măsură mai mare față de frecvența naturală a oscilațiilor aeronavei la 20 Hz (1200 cicluri/min) identificată în timpul măsurătorilor.

2.6.2.

După cum arată testele de vibrații în zbor (vezi tabelele 2.2 și 2.3), spectrele de vibrații ale aeronavei Yak-52 conțin, pe lângă vibrațiile la frecvența de rotație a elicei V_p1, alte câteva componente semnificative — asociate cu arborele cotit V_c1, V_c2, V_c3, grupul de pistoane al motorului și compresorul de aer (și/sau senzorul de frecvență) acționează V_n.

La modurile de viteză ale modelelor 60%, 65% și 70%, aceste componente sunt comparabile ca magnitudine cu componenta de dezechilibru a elicei V._p1. Prin urmare, chiar și eliminarea completă a vibrațiilor cauzate de dezechilibrul elicei ar permite reducerea vibrațiilor totale ale aeronavei în aceste moduri de funcționare de cel mult aproximativ 1,5 ori.

2.6.3.

Vibrație totală maximă V_Σ Viteza aeronavei Yak-52 a fost constatată la turațiile 82% (1580 rpm ale elicei) și 94% (1830 rpm ale elicei). Componenta dominantă a acestei vibrații apare la a doua armonică a frecvenței de rotație a arborelui cotit V_c2, la frecvențe de 4800 cicluri/min și respectiv 5520 cicluri/min, la care atinge valori de 12,5 mm/sec și 15,8 mm/sec.

Așa cum se arată în secțiunile 2.5 și 2.2, creșterea bruscă a acestei componente în modurile indicate este cel mai probabil cauzată nu de defecte ale grupului de pistoane, ci de oscilațiile rezonante ale motorului asupra amortizoarelor sale. Reglarea forței de strângere a amortizorului, efectuată în timpul testelor, nu a dus la modificări semnificative ale nivelurilor de vibrații.

Această situație poate fi considerată, probabil, o omisiune de proiectare (proschet constructiv) dezvoltatorilor de aeronave, admiși în timpul selecției sistemului de montare (suspensie) a motorului în corpul aeronavei.

2.6.4.

Datele obținute în timpul echilibrării elicei și testele suplimentare de vibrații sugerează că monitorizarea periodică a vibrațiilor poate fi utilă pentru evaluarea diagnostică a stării tehnice a motorului aeronavei, inclusiv evaluarea stării grupului de pistoane, a arborelui cotit, a lagărelor motorului și a acționării compresorului de aer.

O astfel de lucrare poate fi efectuată, de exemplu, folosind dispozitivul "Balanset-1" (produs în prezent ca Balanset-1A), în software-ul căruia este implementată funcția de analiză spectrală a vibrațiilor.

3. Echilibrarea studiului elicei și vibrațiilor MTV-9-KC/CL 260-27 al avionului Su-29

3.1. Introducere

Pe 15 iunie 2014, s-au efectuat lucrări la echilibrarea elicei tripale de tip MTV-9-KC/CL 260-27, instalată pe motorul de aviație M-14P al aeronavei de acrobație Su-29.

Conform datelor furnizate de producător (MT-Propeller), elicea indicată fusese echilibrată static în prealabil, fapt demonstrat de prezența pe elice în planul 1 a unei greutăți corective instalate la fabrica de producție.

Echilibrarea elicei, instalată direct pe arborele de ieșire al cutiei de viteze Su-29 (adică în locul instalării sale permanente), a fost efectuată folosind kitul de echilibrare a vibrațiilor "Balanset-1", nr. de serie 149.

Schema de măsurare (Fig. 3.1) a fost în general similară cu cea utilizată pentru Yak-52. Senzor de vibrații (accelerometru) 1 a fost instalat pe carcasa cutiei de viteze a motorului folosind un suport magnetic pe un suport special conceput. Senzor laser pentru unghiul de fază 2 a fost montat, de asemenea, pe carcasa cutiei de viteze și orientat spre marcajul reflectorizant aplicat pe una dintre palele elicei. Semnalele analogice de la senzori au fost transmise prin cabluri către unitatea de măsurare a dispozitivului "Balanset-1", unde a fost efectuată o procesare digitală preliminară. Ulterior, semnalele în format digital au intrat în computer, unde a fost efectuată procesarea software și s-au calculat masa și unghiul greutății de corecție necesare pentru a compensa dezechilibrul elicei.

Înainte de această lucrare și ținând cont de experiența dobândită în urma echilibrării elicei Yak-52, au fost efectuate studii suplimentare:

• determinarea frecvențelor naturale ale oscilațiilor motorului Su-29 și ale elicei;
• verificarea magnitudinii și compoziției spectrale a vibrației de bază în cabina celui de-al doilea pilot înainte de echilibrare.

3.2. Frecvențele naturale ale oscilațiilor motorului și elicei

Folosind aceeași metodă de excitație la impact cu analizorul AD-3527, au fost identificate șase frecvențe principale în spectrul suspensiei motorului (Fig. 3.2): 16 Hz, 22 Hz, 37 Hz, 66 Hz, 88 Hz, 120 Hz.

Frecvențele de 66 Hz, 88 Hz și 120 Hz sunt probabil direct legate de particularitățile sistemului de montare (suspensie) al motorului din corpul aeronavei. Frecvențele de 16 Hz și 22 Hz sunt cel mai probabil asociate cu oscilațiile naturale ale aeronavei în ansamblu pe șasiul său. Cât despre frecvența de 37 Hz, aceasta este probabil legată de frecvența naturală a oscilațiilor palei elicei aeronavei.

Această ultimă presupunere este confirmată de rezultatele măsurătorilor frecvențelor naturale ale oscilațiilor palelor elicei (Fig. 3.3), în spectrul cărora au fost identificate trei frecvențe principale: 37 Hz, 100 Hz și 174 Hz.

Cunoașterea frecvențelor naturale ale suspensiei motorului și ale palelor elicei avionului Su-29 are o importanță practică substanțială. În primul rând, permite o selecție justificată a frecvenței de rotație a elicei pentru echilibrare, asigurând o dezacordare maximă față de rezonanțele structurale ale aeronavei. În al doilea rând, oferă baza necesară pentru interpretarea și diagnosticarea corectă a cauzelor vibrațiilor observate în diferite moduri de funcționare a motorului, așa cum va fi demonstrat în secțiunile ulterioare ale acestui raport.

3.3. Vibrațiile cabinei de bază înainte de echilibrare

Înainte de efectuarea procedurii de echilibrare, au fost efectuate măsurători ale nivelurilor de vibrații de bază în cabina celui de-al doilea pilot al avionului Su-29. Ca și în cazul avionului Yak-52, vibrațiile au fost măsurate în direcție verticală utilizând analizorul de spectru portabil AD-3527 de la A&D (Japonia) în intervalul de frecvență de la 5 la 200 Hz. Măsurătorile au fost efectuate la patru moduri principale de turație a motorului, corespunzătoare 60%, 65%, 70% și 82% ale frecvenței maxime de rotație a elicei.

Rezultatele acestor măsurători sunt prezentate în Tabelul 3.1.

Principalele componente de vibrație apar la frecvența de rotație a elicei V_p1, arbore cotit V_c1, acționare compresor V_n, și a doua armonică V a arborelui cotit_c2 (care în cazul elicei cu trei pale poate coincide și cu frecvența de trecere a palei V_p3).

În spectrul modului 60%, a fost găsită și o componentă neidentificată la 6120 cicluri/min, posibil cauzată de rezonanța la aproximativ 100 Hz - una dintre frecvențele naturale ale palei elicei.

Vibrația totală maximă (11,5 mm/sec) a fost găsită în modul 70%. Componenta dominantă în acest mod este V_c2 la 4020 cicluri/min, ajungând la 10,8 mm/sec. Această creștere bruscă la 70% se datorează probabil oscilațiilor rezonante ale suspensiei motorului în apropierea frecvenței de 67 Hz (4020 cicluri/min).

De asemenea, trebuie menționat că, pe lângă excitațiile de impact de la grupul de piston, vibrațiile din această regiune de frecvență pot fi influențate și de forțele aerodinamice la frecvența de trecere a palei elicei (V_p3În modurile 65% și 82%, o creștere notabilă a V_c2 (V_p3), care poate fi explicată și prin oscilațiile rezonante ale componentelor individuale ale aeronavei.

Componenta dezechilibrului elicei V_p1 a variat de la 2,4 la 5,7 mm/sec în toate modurile înainte de echilibrare, în general mai mică decât V_c2 la modurile corespunzătoare. Variația sa între moduri este determinată nu numai de calitatea echilibrării, ci și de gradul de dezacord față de frecvențele naturale ale elementelor structurale ale aeronavei.

3.4. Rezultatele echilibrării

Echilibrarea elicei a fost efectuată într-un singur plan la o frecvență de rotație de 1350 rpm, utilizând două runde de măsurare (metoda clasică a coeficienților de influență). Protocolul complet de echilibrare este prezentat în Anexa 1.

Procedura de echilibrare a constat în următoarele operațiuni:

1. În timpul primei rulări (stare inițială), au fost determinate amplitudinea și faza vibrației la frecvența de rotație a elicei.
2. În timpul celei de-a doua runde, au fost determinate amplitudinea și faza vibrației după instalarea unei mase de probă cu greutate cunoscută pe elice.
3. Pe baza acestor rezultate ale măsurătorilor, programul a calculat masa și unghiul de instalare al greutății corective în planul 1, necesare pentru compensarea dezechilibrului elicei.

Verificarea calității echilibrării în zbor nu a fost efectuată din cauza avarierii accidentale a elicei în timpul unui zbor de antrenament.

Motivele discrepanței indicate pot fi următoarele:

• erori ale sistemului de măsurare al standului de echilibrare din fabrica de producție (acest motiv pare a fi cel mai puțin probabil);
• erori geometrice (inexactități) ale suprafețelor de montare ale axului mașinii de echilibrare la fabrica de producție, care provoacă bătaia radială a elicei pe ax;
• erori geometrice (inexactități) ale suprafețelor de montare ale arborelui de ieșire al cutiei de viteze de pe aeronava Su-29, provocând bătaia radială a elicei atunci când este instalată pe arborele cutiei de viteze.

3.5. Concluzii

3.5.1.

Echilibrarea elicei aeronavei Su-29 într-un singur plan la o frecvență de rotație a elicei de 1350 rpm (70%) a permis reducerea vibrațiilor la frecvența de rotație a elicei de la 6,7 mm/sec în starea inițială la 1,5 mm/sec după echilibrare. Vibrațiile asociate cu dezechilibrul elicei la alte moduri de turație ale motorului au scăzut, de asemenea, semnificativ, rămânând între 1–2,5 mm/sec.

3.5.2.

Pentru a clarifica motivele rezultatelor nesatisfăcătoare ale echilibrării elicei la fabrica de producție (MT-Propeller), este necesar să se verifice bătaia radială a elicei pe arborele de ieșire al cutiei de viteze a motorului aeronavei Su-29.

Anexa 1: Protocol de echilibrare