Балансировка воздушного винта в полевых условиях: профессиональный инженерный подход
Главный инженер В.Д. Фельдман
БГТУ «Военмех» имени Д.Ф. Устинова
Факультет вооружения и систем вооружения «Э»
Кафедра Э7 «Механика деформируемого твердого тела»
Главный инженер и разработчик приборов серии Balanset
Под редакцией Н.А. Шелковенко
Оптимизировано с помощью ИИ
Когда авиационный двигатель испытывает чрезмерную вибрацию во время полета, это не просто механическая проблема, а критическая проблема безопасности, требующая немедленного внимания. Несбалансированные воздушные винты могут привести к катастрофическим отказам, ставя под угрозу как целостность самолета, так и безопасность пилота. Этот комплексный анализ представляет проверенные на практике методологии балансировка гребного винта с использованием современного портативного оборудования, основанного на обширном практическом опыте эксплуатации различных типов самолетов.
1. Предпосылки и мотивация балансировки пропеллеров в полевых условиях
Два с половиной года назад наше предприятие начало серийный выпуск прибора «Балансет 1», специально разработанного для балансировка поворотных механизмов в собственных подшипникахЭтот революционный подход к оборудование для балансировки в полевых условиях изменил наш подход к техническому обслуживанию самолетов.
К настоящему времени изготовлено более 180 комплектов, которые эффективно используются в различных отраслях промышленности, включая производство и эксплуатацию вентиляторов, воздуходувок, электродвигателей, шпинделей станков, насосов, дробилок, сепараторов, центрифуг, карданных и коленчатых валов и других механизмов. Однако балансировка воздушного винта приложение оказалось одним из самых критических и сложных.
В последнее время в наше предприятие поступает большое количество запросов от организаций и частных лиц относительно возможности использования нашего оборудования для балансировка винтов самолетов и вертолетов в полевых условиях. Этот всплеск интереса отражает растущее признание важности правильного обслуживание пропеллера в области безопасности полетов.
К сожалению, наши специалисты, имеющие многолетний опыт балансировки различных машин, ранее не сталкивались с этой специфической авиационной задачей. Поэтому советы и рекомендации, которые мы могли дать нашим клиентам, были весьма общими и не всегда позволяли им эффективно решать сложные задачи, связанные с анализ вибрации самолета и коррекция дисбаланса винта.
Ситуация начала улучшаться уже весной этого года. Этому способствовала активная позиция В.Д. Чвокова, который организовал и активно участвовал вместе с нами в работе по балансировка винтов самолетов Як-52 и Су-29, которые он пилотирует. Его практический опыт в авиации в сочетании с нашими инженерными знаниями создали идеальную основу для разработки надежных процедуры балансировки винта.
2. Комплексная балансировка и анализ вибраций винта пилотажного самолета Як-52
2.1 Введение в расширенный мониторинг вибрации воздушных судов
В мае-июле 2014 года были проведены масштабные работы по вибрационное обследование самолета Як-52, оснащенного авиационным двигателем М-14П, и балансировка его двухлопастного винтаЭто комплексное исследование представляет собой один из наиболее подробных анализов динамика воздушного винта самолета когда-либо проводившихся в полевых условиях.
Сайт балансировка гребного винта была проведена в одной плоскости с использованием балансировочного комплекта «Balanset 1», серийный номер 149. Этот метод балансировки в одной плоскости специально разработан для динамическая балансировка приложения, в которых соотношение длины и диаметра ротора позволяет осуществлять эффективную коррекцию с помощью одной плоскости коррекции.
Схема измерений, использованная во время балансировка гребного винта показано на рис. 2.1, где показано точное размещение датчика, критически важное для точного анализ вибраций.
Во время процесс балансировки винтаДатчик вибрации (акселерометр) 1 был установлен на передней крышке редуктора двигателя с помощью магнитной системы крепления на специально разработанном кронштейне. Такое расположение обеспечивает оптимальный сбор сигнала, сохраняя при этом необходимые для безопасности протоколы. авиационное обслуживание.
Лазерный датчик фазового угла 2 также был установлен на крышке редуктора и ориентирован на светоотражающую метку, нанесенную на одну из лопастей винта. Такая конфигурация обеспечивает точное измерение фазового угла, что крайне важно для определения точного местоположения коррекция дисбаланса винта веса.
Аналоговые сигналы с датчиков передавались по экранированным кабелям в измерительный блок прибора «Balanset 1», где проходили сложную цифровую предварительную обработку для устранения шумов и повышения качества сигнала.
Затем эти сигналы в цифровом виде отправлялись на компьютер, где передовые программные алгоритмы обрабатывали эти сигналы и вычисляли массу и угол корректирующего груза, необходимые для компенсации дисбаланс пропеллераЭтот вычислительный подход обеспечивает математическую точность балансировочные расчеты.
Технические аннотации:
- Zk – главная шестерня редуктора
- Zs – сателлиты редуктора
- Zn – неподвижная шестерня редуктора
2.2. Разработаны передовые методы и технологии
В ходе выполнения этой работы были приобретены определенные важные навыки и комплексное технология балансировки авиационных винтов в полевых условиях с использованием прибора «Балансет 1» разработано, в том числе:
- Оптимизация установки датчика: Определение оптимальных мест и способов установки (крепления) датчиков вибрации и фазового угла на конструкции воздушного судна для обеспечения максимального качества сигнала при соблюдении требований безопасности;
- Анализ резонансной частоты: Определение резонансных частот ряда конструктивных элементов самолета (подвеска двигателя, лопасти винта) для исключения возбуждения при балансировке;
- Выбор режима работы: Определение частот вращения двигателя (режимов работы), обеспечивающих минимальный остаточный дисбаланс при операции по балансировке пропеллера;
- Стандарты качества: Установление допусков на остаточный дисбаланс воздушного винта в соответствии с международными авиационными стандартами и требованиями безопасности.
Кроме того, ценные данные о уровни вибрации самолетов были получены самолеты, оснащенные двигателями М-14П, что внесло значительный вклад в базу знаний по техническому обслуживанию авиации.
Ниже представлены подробные отчетные материалы, составленные по результатам этих работ. В них, помимо результаты балансировки винта, исчерпывающие данные о вибрационные обследования Приведены данные самолетов Як-52 и Су-29, полученные в ходе наземных и летных испытаний.
Эти данные могут представлять значительный интерес как для пилотов самолетов, так и для специалистов, занимающихся техническое обслуживание самолетов, предоставляя практические идеи для улучшения протоколы безопасности полетов.
При выполнении данной работы, учитывая опыт, полученный в балансировка винтов самолетов Су-29 и Як-52 проведен ряд дополнительных комплексных исследований, в том числе:
- Анализ собственных частот: Определение собственных частот колебаний двигателя и винта самолета Як-52;
- Оценка вибрации полета: Проверка величины и спектрального состава вибраций в кабине второго пилота во время полета после балансировка гребного винта;
- Оптимизация системы: Проверка величины и спектрального состава вибраций в кабине второго пилота во время полета после балансировка гребного винта и регулировка усилия затяжки амортизаторов двигателя.
2.2 Результаты исследований собственных частот колебаний двигателя и гребного винта
Собственные частоты колебаний двигателя, установленного на амортизаторах в корпусе самолета, определялись с помощью профессионального спектроанализатора AD-3527 фирмы A&D (Япония) методом контролируемого ударного возбуждения колебаний двигателя. Данная методика является золотым стандартом в области анализ вибрации самолета.
В спектре собственных колебаний подвески двигателя самолета Як-52, пример которого представлен на рис. 2.2, с высокой точностью выделены четыре основные частоты: 20 Гц, 74 Гц, 94 Гц, 120 Гц. Эти частоты имеют решающее значение для понимания динамическое поведение самолета и оптимизация процедуры балансировки винта.
Частотный анализ и его последствия:
Частоты 74 Гц, 94 Гц и 120 Гц, вероятно, связаны со спецификой системы крепления двигателя к корпусу самолета. Эти частоты следует тщательно избегать во время операции по балансировке пропеллера для предотвращения резонансного возбуждения.
Частота 20 Гц, вероятнее всего, связана с собственными колебаниями всего самолета на шасси, представляющими собой основную моду всей конструкции самолета.
Собственные частоты лопастей винта также определялись с использованием того же строгого метода ударного возбуждения, что обеспечивало единообразие методики измерений.
В ходе этого комплексного анализа были выявлены четыре основные частоты: 36 Гц, 80 Гц, 104 Гц и 134 Гц. Эти частоты представляют собой различные формы колебаний лопастей винта и имеют решающее значение для оптимизация балансировки винта.
Инженерное значение:
Данные о собственных частотах колебаний винта и двигателя самолета Як-52 могут оказаться особенно важными при выборе частота вращения винта Используется при балансировке. Основным условием выбора этой частоты является обеспечение её максимально возможной расстройки от собственных частот элементов конструкции самолёта, что позволяет избежать резонансных условий, которые могут усилить вибрации, а не ослабить их.
Кроме того, знание собственных частот отдельных узлов и деталей самолета может быть чрезвычайно полезным для выявления причин резкого увеличения (в случае резонанса) определенных компонентов спектра вибрации на различных режимах работы двигателя, что позволяет разрабатывать стратегии прогностического обслуживания.
2.3. Результаты балансировки гребного винта и анализ производительности
Как было отмечено выше, балансировка гребного винта Расчет был выполнен в одной плоскости, что привело к эффективной динамической компенсации силового дисбаланса винта. Такой подход особенно подходит для винтов, осевой размер которых относительно мал по сравнению с диаметром.
Выступая динамическая балансировка в двух плоскостях, теоретически позволяющая компенсировать как силовой, так и моментный дисбаланс винта, была технически нереализуема, поскольку конструкция винта, установленного на самолёте Як-52, допускает формирование только одной доступной плоскости коррекции. Это ограничение характерно для многих авиационных винтовых установок.
Сайт балансировка гребного винта Измерение проводилось на тщательно подобранной частоте вращения 1150 об/мин (60% от максимальной), при которой обеспечивались наиболее стабильные результаты измерения вибрации как по амплитуде, так и по фазе от начала до начала. Такой выбор частоты имел решающее значение для обеспечения повторяемости и точности измерений.
Сайт процедура балансировки винта следовали стандартной для отрасли схеме «двух проходов», которая обеспечивает математически надежные результаты:
- Первоначальный цикл измерений: В ходе первого запуска с высокой точностью были определены амплитуда и фаза вибрации на частоте вращения винта в исходном состоянии.
- Пробный забег с весом: Во время второго запуска определялись амплитуда и фаза вибрации на частоте вращения винта после установки на винт точно рассчитанной пробной массы 7 г.
- Фаза расчета: На основании этих комплексных данных с помощью сложных программных алгоритмов были рассчитаны масса М = 19,5 г и угол установки корректирующего груза F = 32°.
Задача практической реализации и ее решение:
В связи с конструктивными особенностями винта, не позволяющими установить корректирующий груз под теоретически необходимым углом 32°, для достижения одинакового эффекта векторной суммы на винте были стратегически установлены два эквивалентных груза:
- Вес М1 = 14 г под углом F1 = 0° (исходное положение)
- Вес М2 = 8,3 г под углом F2 = 60° (смещенное положение)
Этот подход с двойным весом демонстрирует гибкость, необходимую на практике. балансировка воздушного винта операции, где теоретические решения должны быть адаптированы к реальным ограничениям.
Достигнутые количественные результаты:
После установки указанных корректирующих грузов на винт, вибрация, измеренная на частоте вращения 1150 об/мин и связанная с дисбаланс пропеллера резко снизился с 10,2 мм/сек в исходном состоянии 4,2 мм/сек после балансировки – представляющий Улучшение 59% в снижении вибрации.
С точки зрения количественной оценки фактического дисбаланса, дисбаланс винта уменьшился с 2340 г*мм к 963 г*мм, демонстрируя эффективность процедура балансировки поля.
2.4. Комплексная оценка вибрации на нескольких рабочих частотах
Результаты проверки вибрации самолёта Як-52, выполненные на других режимах работы двигателя в ходе комплексных наземных испытаний, представлены в таблице 2.1. Многочастотный анализ даёт важную информацию об эффективности балансировка гребного винта во всем диапазоне операций.
Как ясно видно из таблицы, балансировка гребного винта Проведенные исследования положительно повлияли на вибрационные характеристики самолета Як-52 на всех режимах его эксплуатации, показав надежность решения по балансировке.
Таблица 2.1. Результаты вибрации в разных режимах работы
| № | Настройка мощности двигателя (%) | Частота вращения винта (об/мин) | Среднеквадратическая скорость вибрации (мм/сек) | Рейтинг улучшения |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 60 | 1153 | 4.2 | Отличный |
| 2 | 65 | 1257 | 2.6 | Выдающийся |
| 3 | 70 | 1345 | 2.1 | Выдающийся |
| 4 | 82 | 1572 | 1.25 | Исключительный |
2.5. Анализ вибрации в полете до и после регулировки амортизатора
Более того, в ходе комплексных наземных испытаний было отмечено значительное снижение вибрация самолета было выявлено увеличение частоты вращения винта. Это явление даёт ценную информацию о взаимосвязи между рабочими параметрами и характеристики вибрации самолета.
Это снижение вибрации можно объяснить большей расстройкой частоты вращения винта от собственной частоты колебаний самолёта на шасси (предположительно 20 Гц), возникающей при увеличении частоты вращения винта. Это демонстрирует важность понимания динамическое поведение самолета для оптимальной работы.
В дополнение к комплексным испытаниям на вибрацию, проведенным после балансировка гребного винта на земле (см. раздел 2.3) были проведены детальные измерения вибрации самолета Як-52 в полете с использованием современных приборов.
Методология летных испытаний: Измерение вибрации в полёте проводилось в кабине второго пилота в вертикальном направлении с помощью портативного анализатора спектра вибрации модели AD-3527 фирмы A&D (Япония) в диапазоне частот от 5 до 200 (500) Гц. Этот широкий диапазон частот обеспечивает регистрацию всех значимых составляющих вибрации.
Измерения проводились систематически на пяти основных режимах скорости двигателя, равных соответственно 60%, 65%, 70% и 82% его максимальной частоты вращения, что обеспечивало полный анализ рабочего спектра.
Результаты измерений, проведенных перед регулировкой амортизаторов, представлены в подробной таблице 2.2 ниже.
Таблица 2.2 Подробный анализ компонентов спектра вибрации
| Режим | Мощность (%) | об/мин | Vв1 (Гц) | Amp Vв1 | Vн (Гц) | Amp Vн | Vк1 (Гц) | Amp Vк1 | Vв2 (Гц) | Amp Vв2 | Vк2 (Гц) | Amp Vк2 | Всего V∑ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 60 | 1155 | 1155 | 4.4 | 1560 | 1.5 | 1755 | 1.0 | 2310 | 1.5 | 3510 | 4.0 | 6.1 |
| 2 | 65 | 1244 | 1244 | 3.5 | 1680 | 1.2 | 1890 | 2.1 | 2488 | 1.2 | 3780 | 4.1 | 6.2 |
| 3 | 70 | 1342 | 1342 | 2.8 | 1860 | 0.4 | 2040 | 3.2 | 2684 | 0.4 | 4080 | 2.9 | 5.0 |
| 4 | 82 | 1580 | 1580 | 4.7 | 2160 | 2.9 | 2400 | 1.1 | 3160 | 0.4 | 4800 | 12.5 | 13.7 |
В качестве примеров детального спектрального анализа на рисунках 2.3 и 2.4 приведены реальные графики спектров, полученные при измерении вибрации в кабине самолета Як-52 на режимах 601ТП3Т и 941ТП3Т, использованных для комплексного сбора данных в таблице 2.2.
Комплексный спектральный анализ:
Как видно из таблицы 2.2, основные составляющие вибрации, измеренной в кабине второго пилота, возникают на частотах вращения винта Vв1 (выделено желтым), коленчатый вал двигателя Vк1 (выделено синим цветом), и привод воздушного компрессора (и/или датчик частоты) Vн (выделены зеленым), а также на их высших гармониках Vв2, Vв4, Vв5, и Vк2, Vк3.
Максимальная полная вибрация V∑ было обнаружено на режимах скорости 82% (1580 об/мин винта) и 94% (1830 об/мин), что указывает на определенные резонансные условия в этих критических рабочих точках.
Основная составляющая этой вибрации возникает на 2-й гармонике частоты вращения коленчатого вала двигателя Vк2 и соответственно достигает значительных значений 12,5 мм/сек при частоте 4800 циклов/мин и 15,8 мм/сек при частоте 5520 циклов/мин.
Инженерный анализ и выявление первопричин:
Можно обоснованно предположить, что эта значительная составляющая вибрации связана с работой поршневой группы двигателя (ударными процессами, происходящими при двойном движении поршней за один оборот коленчатого вала), отражающими фундаментальную динамику двигателя.
Резкое увеличение этой составляющей на режимах 821ТП3Т (первый номинальный) и 941ТП3Т (взлетный) вызвано, вероятнее всего, не механическими дефектами поршневой группы, а резонансными колебаниями двигателя, установленного в корпусе самолета на амортизаторах.
Данный вывод убедительно подтверждается ранее обсуждавшимися экспериментальными результатами проверки собственных частот колебаний подвески двигателя, в спектре которых присутствуют 74 Гц (4440 цикл/мин), 94 Гц (5640 цикл/мин) и 120 Гц (7200 цикл/мин).
Две из этих собственных частот, 74 Гц и 94 Гц, необычайно близки к частотам второй гармоники вращения коленчатого вала, которые возникают на первом номинальном и взлетном режимах работы двигателя, создавая классические условия резонанса.
В связи с выявленными при комплексных виброиспытаниях на первом номинальном и взлетном режимах работы двигателя значительными вибрациями на 2-й гармонике коленчатого вала была проведена систематическая проверка и регулировка усилия затяжки амортизаторов подвески двигателя.
Сравнительные результаты испытаний, полученные до и после регулировки амортизаторов для частоты вращения гребного винта (Vв1) и 2-я гармоника частоты вращения коленчатого вала (Vк2) представлены в таблице 2.3.
Таблица 2.3. Анализ влияния регулировки амортизатора
| Режим | Мощность (%) | Обороты в минуту (до/после) | Vв1 До | Vв1 После | Vк2 До | Vк2 После | Улучшение |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 60 | 1155 / 1140 | 4.4 | 3.3 | 3.6 | 3.0 | Умеренный |
| 2 | 65 | 1244 / 1260 | 3.5 | 3.5 | 4.1 | 4.3 | Минимальный |
| 3 | 70 | 1342 / 1350 | 2.8 | 3.3 | 2.9 | 1.2 | Значительный |
| 4 | 82 | 1580 / 1590 | 4.7 | 4.2 | 12.5 | 16.7 | Ухудшилось |
| 5 | 94 | 1830 / 1860 | 2.2 | 2.7 | 15.8 | 15.2 | Незначительный |
Как видно из таблицы 2.3, регулировка амортизаторов не привела к существенному улучшению основных виброустойчивых узлов самолета, а в некоторых случаях даже привела к незначительному ухудшению.
Анализ эффективности балансировки винта:
Следует также отметить, что амплитуда спектральной составляющей, связанной с дисбаланс пропеллера Vв1, обнаруженные на модах 82% и 94% (см. табл. 2.2 и 2.3), соответственно в 3–7 раз ниже амплитуд Vк2, присутствующих в этих режимах. Это показывает, что балансировка гребного винта оказался весьма эффективным в устранении основного источника вибрации, связанной с винтом.
На других режимах полета компонент Vв1 колеблется от 2,8 до 4,4 мм/сек, что соответствует приемлемым уровням для нормальной эксплуатации самолета.
При этом, как видно из таблиц 2.2 и 2.3, ее изменения при переходе с одного режима на другой определяются в основном не качеством балансировка гребного винта, а по степени расстройки частоты вращения винта от собственных частот различных конструктивных элементов самолета.
2.6 Профессиональные заключения и инженерные рекомендации
2.6.1. Эффективность балансировки винта
Сайт балансировка винта самолета Як-52, проведенные при частоте вращения винта 1150 об/мин (60%), успешно добились значительного снижения вибрации винта с 10,2 мм/сек до 4,2 мм/сек, что представляет собой существенное улучшение плавности работы самолета.
Учитывая обширный опыт, накопленный в ходе балансировка винтов самолетов Як-52 и Су-29 При использовании профессионального прибора «Балансет-1» можно с уверенностью предположить, что существует реальная возможность добиться еще большего снижения уровня вибрации винта самолета Як-52.
Это дополнительное улучшение может быть достигнуто, в частности, за счет выбора другой (более высокой) частоты вращения винта при его балансировке, что позволяет добиться большей отстройки от собственной частоты колебаний самолета 20 Гц (1200 циклов/мин), которая была точно определена в ходе комплексных испытаний.
2.6.2 Анализ вибрации от нескольких источников
Как показали результаты комплексных вибрационных испытаний самолета Як-52 в полете, спектры его вибрации (помимо указанной выше составляющей, возникающей на частоте вращения воздушного винта) содержат ряд других значимых составляющих, связанных с работой коленчатого вала, поршневой группы двигателя, а также привода воздушного компрессора (и/или датчика частоты).
Величины этих колебаний в режимах 60%, 65% и 70% сопоставимы с величиной колебаний, связанных с дисбаланс пропеллера, что указывает на то, что множественные источники вибрации вносят свой вклад в общую сигнатуру вибрации самолета.
Подробный анализ этих вибраций показывает, что даже полное устранение вибрации из дисбаланс пропеллера позволит снизить общую вибрацию самолета на этих режимах не более чем в 1,5 раза, что подчеркивает важность комплексного подхода к управление вибрацией самолета.
2.6.3. Определение критического режима работы
Максимальная полная вибрация V∑ самолета Як-52 выявлены на режимах скорости 821ТП3Т (1580 об/мин винта) и 941ТП3Т (1830 об/мин винта), что является критическими условиями эксплуатации, требующими особого внимания.
Основная составляющая этой вибрации возникает на 2-й гармонике частоты вращения коленчатого вала двигателя Vк2 (на частотах 4800 циклов/мин или 5520 циклов/мин), где она достигает соответственно относительных значений 12,5 мм/сек и 15,8 мм/сек.
Можно сделать обоснованный вывод, что данная составляющая связана с фундаментальной работой поршневой группы двигателя (ударными процессами, происходящими при двойном движении поршней за один оборот коленчатого вала).
Резкое увеличение этой составляющей на режимах 821ТП3Т (первый номинальный) и 941ТП3Т (взлетный) вызвано, вероятнее всего, не механическими дефектами поршневой группы, а резонансными колебаниями двигателя, установленного в корпусе самолета на амортизаторах.
Проводимая в ходе испытаний систематическая регулировка амортизаторов не привела к существенному улучшению вибрационных характеристик.
Эту ситуацию, по-видимому, можно рассматривать как конструктивное соображение разработчиков самолета при выборе системы крепления (подвески) двигателя в корпусе самолета, указывающее на потенциальные направления для будущей оптимизации конструкции самолета.
2.6.4 Рекомендации по диагностическому мониторингу
Комплексные данные, полученные в ходе балансировка гребного винта и дополнительные вибрационные испытания (см. результаты летных испытаний в разделе 2.5) позволяют сделать вывод о том, что периодические мониторинг вибрации может быть чрезвычайно полезен для диагностической оценки технического состояния авиационного двигателя.
Такую диагностическую работу можно эффективно выполнять, например, с помощью профессионального прибора «Балансет-1», в котором современное программное обеспечение включает в себя сложные функции спектрального анализа вибрации, позволяющие разрабатывать стратегии предиктивного обслуживания.
3. Комплексные результаты балансировки винта МТВ-9-КС/ЦЛ 260-27 и виброобследование спортивно-пилотажного самолета Су-29
3.1 Введение в балансировку трёхлопастного винта
15 июня 2014 года всеобъемлющий балансировка трехлопастного винта МТВ-9-КС/ЦЛ 260-27 авиационного двигателя М-14П спортивного самолета Су-29 проводилась с применением современных методов натурной балансировки.
По заявлению производителя, винт был предварительно статически сбалансирован на заводе, о чём свидетельствует наличие корректирующего груза в плоскости 1, установленного на заводе-изготовителе. Однако, как показал наш анализ, заводская балансировка часто оказывается недостаточным для оптимальной работы в полевых условиях.
Сайт балансировка винта, установленного непосредственно на самолете Су-29, была проведена с использованием профессионального вибробалансировочного комплекта «Балансет-1» с заводским номером 149, продемонстрировавшего эффективность оборудование для балансировки в полевых условиях для применения в авиации.
Схема измерений, использованная во время балансировка гребного винта Процедура показана на рис. 3.1, иллюстрируя точность, необходимую для балансировка трехлопастного винта.
Во время процесс балансировки винтадатчик вибрации (акселерометр) 1 был установлен на корпусе редуктора двигателя с помощью магнитной системы крепления на специально разработанном кронштейне, что обеспечило оптимальный прием сигнала для анализ вибрации самолета.
Лазерный датчик фазового угла 2 также был установлен на корпусе редуктора и ориентирован на отражающую метку, нанесенную на одну из лопастей винта, что позволило точно измерить фазовый угол, необходимый для точного коррекция дисбаланса винта.
Аналоговые сигналы с датчиков передавались по экранированным кабелям в измерительный блок прибора «Балансет-1», где проходили сложную цифровую предварительную обработку, обеспечивающую качество и точность сигнала.
Затем эти сигналы в цифровом виде передавались на компьютер, где проводилась расширенная программная обработка этих сигналов и определялась масса и угол корректирующего груза, необходимого для компенсации дисбаланс пропеллера были рассчитаны с математической точностью.
Технические характеристики коробки передач:
- Zk – главная шестерня редуктора с 75 зубьями
- Zc – сателлиты редуктора в количестве 6 штук по 18 зубьев каждый
- Zn – неподвижная шестерня редуктора с 39 зубьями
Прежде чем приступить к выполнению этой комплексной работы, необходимо учесть ценный опыт, полученный в ходе балансировка винта самолета Як-52, был проведен ряд дополнительных критических исследований, в том числе:
- Анализ собственных частот: Определение собственных частот колебаний двигателя и винта самолета Су-29 для оптимизации параметров балансировки;
- Базовая оценка вибрации: Проверка величины и спектрального состава начальной вибрации в кабине второго пилота перед балансировкой для установления исходных условий.
3.2 Результаты исследований собственных частот колебаний двигателя и гребного винта
Собственные частоты колебаний двигателя, установленного на амортизаторах в корпусе самолета, определялись с помощью профессионального спектроанализатора AD-3527 фирмы A&D (Япония) путем контролируемого ударного возбуждения колебаний двигателя, обеспечивающего точность анализ вибрации самолета.
В спектре собственных колебаний подвески двигателя (см. рис. 3.2) с высокой точностью были выделены шесть основных частот: 16 Гц, 22 Гц, 37 Гц, 66 Гц, 88 Гц, 120 Гц. Этот комплексный частотный анализ имеет решающее значение для оптимизации процедуры балансировки винта.
Частотный анализ и инженерная интерпретация:
Из этих идентифицированных частот предполагается, что частоты 66 Гц, 88 Гц и 120 Гц напрямую связаны с конкретными характеристиками системы крепления (подвески) двигателя к корпусу самолета, представляя собой структурные резонансы, которых необходимо избегать во время операции по балансировке пропеллера.
Частоты 16 Гц и 22 Гц, скорее всего, связаны с собственными колебаниями всего самолета на шасси, представляющими собой основные структурные моды самолета.
Частота 37 Гц, вероятно, связана с собственной частотой колебаний лопастей воздушного винта самолета и представляет собой критическую динамическую характеристику воздушного винта.
Это предположение подтверждается результатами проверки собственных частот колебаний винта, полученными также методом строгого ударного возбуждения.
В спектре собственных колебаний лопасти винта (см. рис. 3.3) выявлены три основные частоты: 37 Гц, 100 Гц и 174 Гц, что подтверждает корреляцию между собственными частотами винта и двигателя.
Инженерное значение балансировки гребного винта:
Данные о собственных частотах колебаний лопастей винта и двигателя самолета Су-29 могут оказаться особенно важными при выборе частота вращения винта используемой при балансировке. Основным условием выбора этой частоты является обеспечение её максимально возможной расстройки от собственных частот элементов конструкции самолёта.
Более того, знание собственных частот отдельных узлов и деталей самолета может оказаться чрезвычайно полезным для выявления причин резкого увеличения (в случае резонанса) определенных составляющих спектра вибрации на различных режимах работы двигателя, что позволяет разрабатывать стратегии предиктивного обслуживания.
3.3. Проверка вибрации в кабине второго пилота самолета Су-29 на земле перед балансировкой
Начальные вибрационные характеристики самолета Су-29, выявленные ранее балансировка гребного винта, измерялись в кабине второго пилота в вертикальном направлении с помощью портативного анализатора спектра вибраций модели AD-3527 фирмы A&D (Япония) в диапазоне частот от 5 до 200 Гц.
Измерения проводились систематически на четырех основных режимах скорости двигателя, равных соответственно 60%, 65%, 70% и 82% его максимальной частоты вращения, что позволило получить исчерпывающие исходные данные для анализ вибрации самолета.
Полученные комплексные результаты представлены в таблице 3.1.
Таблица 3.1. Базовый анализ вибрации перед балансировкой винта
| Режим | Мощность (%) | об/мин | Vв1 (мм/с) | Vн (мм/с) | Vк1 (мм/с) | Vв3 (мм/с) | Vк2 (мм/с) | Всего V∑ (мм/с) | Оценка |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 60 | 1150 | 5.4 | 2.6 | 2.0 | – | – | 8.0 | Умеренный |
| 2 | 65 | 1240 | 5.7 | 2.4 | 3.2 | – | – | 10.6 | Повышенный |
| 3 | 70 | 1320 | 5.2 | 3.0 | 2.5 | – | – | 11.5 | Высокий |
| 4 | 82 | 1580 | 3.2 | 1.5 | 3.0 | – | 8.5 | 9.7 | Повышенный |
Как видно из табл. 3.1, основные составляющие вибрации возникают на частотах вращения винта Vв1, коленчатый вал двигателя Vк1, и привод воздушного компрессора (и/или датчик частоты) Vн, а также на 2-й гармонике коленчатого вала Vк2 и, возможно, 3-я (лопастная) гармоника пропеллера Vв3, которая близка по частоте ко второй гармонике коленчатого вала.
Подробный анализ компонентов вибрации:
Кроме того, в спектре вибрации на режиме 601ТП3Т обнаружена неидентифицированная составляющая с расчётным спектром на частоте 6120 Гц, что может быть обусловлено резонансом на частоте около 100 Гц одного из элементов конструкции самолёта. Таким элементом может быть воздушный винт, одна из собственных частот которого составляет 100 Гц, что свидетельствует о сложном характере колебаний. сигнатуры вибрации самолета.
Максимальная полная вибрация самолета V∑, достигающая 11,5 мм/сек, была обнаружена в режиме скорости 70%, что указывает на критическое рабочее состояние, требующее внимания.
Основная составляющая общей вибрации в этом режиме возникает на 2-й гармонике (4020 циклов/мин) частоты вращения коленчатого вала двигателя Vк2 и составляет 10,8 мм/сек, что представляет собой значительный источник вибрации.
Анализ первопричин:
Можно обоснованно предположить, что эта составляющая связана с фундаментальной работой поршневой группы двигателя (ударными процессами, происходящими при двойном движении поршней за один оборот коленчатого вала).
Резкое увеличение этой составляющей на режиме 70%, вероятно, связано с резонансными колебаниями одного из элементов конструкции самолета (подвеска двигателя в корпусе самолета) на частоте 67 Гц (4020 циклов/мин).
Следует отметить, что помимо ударных возмущений, связанных с работой поршневой группы, на величину вибрации в этом диапазоне частот может влиять аэродинамическая сила, проявляющаяся на частоте лопастей гребного винта (Vв3).
На скоростных режимах 65% и 82% заметно увеличение составляющей Vк2 (Vв3) также наблюдается, что также может быть объяснено резонансными колебаниями отдельных компонентов самолета.
Амплитуда спектральной составляющей, связанной с дисбаланс пропеллера Vв1, определенная на основных скоростных режимах до балансировки, варьировалась от 2,4 до 5,7 мм/с, что в целом ниже значения Vк2 в соответствующих режимах.
Причем, как видно из табл. 3.1, его изменения при переходе с одного режима на другой определяются не только качеством балансировки, но и степенью отстройки частоты вращения винта от собственных частот элементов конструкции самолета.
3.4 Результаты балансировки гребного винта и анализ производительности
Сайт балансировка гребного винта Балансировка проводилась в одной плоскости с тщательно подобранной частотой вращения. В результате балансировки удалось эффективно компенсировать динамический силовой дисбаланс винта, что свидетельствует об эффективности одноплоскостная балансировка для этой конфигурации трехлопастного винта.
Подробный протокол балансировки приведен ниже в Приложении 1, в нем документируется вся процедура для обеспечения качества и использования в будущем.
Сайт балансировка гребного винта Испытание проводилось при частоте вращения винта 1350 об/мин и включало два точных цикла измерений в соответствии со стандартными отраслевыми процедурами.
Процедура систематической балансировки:
- Измерение начального состояния: В ходе первого запуска с высокой точностью были определены амплитуда и фаза вибрации на частоте вращения винта в исходном состоянии.
- Измерение пробного веса: Во время второго запуска были определены амплитуда и фаза вибрации на частоте вращения гребного винта после установки на него пробной массы известной массы.
- Расчет и реализация: На основании результатов этих измерений с использованием современных вычислительных алгоритмов определены масса и угол установки корректирующего груза в плоскости 1.
Достигнуты выдающиеся результаты балансировки:
После установки расчетного значения корректирующего груза на винт, которое составило 40,9 г, вибрация на этом скоростном режиме резко снизилась с 6,7 мм/сек в исходном состоянии 1,5 мм/сек после балансировки – представляет собой замечательное Улучшение 78% в снижении вибрации.
Уровень вибрации, связанный с дисбаланс пропеллера на других скоростных режимах также значительно снизились и остались в допустимом диапазоне 1–2,5 мм/с после балансировки, что свидетельствует о надежности балансировочного решения во всем рабочем диапазоне.
Проверка влияния качества балансировки на уровень вибрации самолета в полете, к сожалению, не была проведена из-за случайного повреждения этого винта во время одного из тренировочных полетов, что подчеркивает важность проведения комплексных испытаний сразу после процедур балансировки.
Существенные отличия от заводской балансировки:
Следует отметить, что результат, полученный в ходе этого балансировка полевого винта существенно отличается от результата заводской балансировки, что подчеркивает важность балансировки винтов в их реальной рабочей конфигурации.
В частности:
- Подавление вибраций: Вибрация на частоте вращения гребного винта после его балансировки на месте постоянной установки (на выходном валу редуктора самолета Су-29) снизилась более чем в 4 раза;
- Коррекция положения веса: Корректирующий груз, установленный во время процесс балансировки поля был смещен относительно установленного на заводе-изготовителе груза примерно на 130 градусов, что указывает на существенные различия между заводскими и полевыми требованиями к балансировке.
Возможные факторы первопричины:
Возможные причины столь существенного расхождения могут включать в себя:
- Производственные допуски: Ошибки измерительной системы балансировочного стенда производителя (маловероятно, но возможно);
- Проблемы с заводским оборудованием: Геометрические погрешности мест установки муфты шпинделя балансировочного станка производителя, приводящие к радиальному биению гребного винта при установке на шпиндель;
- Факторы, влияющие на установку самолета: Геометрические погрешности мест крепления муфты выходного вала редуктора самолета, приводящие к радиальному биению винта при установке на вал редуктора.
3.5 Профессиональные заключения и инженерные рекомендации
3.5.1 Исключительная эффективность балансировки
Сайт балансировка винта самолета Су-29, проведенных в одной плоскости при частоте вращения винта 1350 об/мин (70%), успешно добились значительного снижения вибрации винта с 6,7 мм/сек до 1,5 мм/сек, продемонстрировав исключительную эффективность балансировка полевого винта техники.
Уровень вибрации, связанный с дисбаланс пропеллера на других скоростных режимах также существенно снизились и остались в пределах вполне приемлемого диапазона от 1 до 2,5 мм/сек, что подтверждает надежность балансировочного решения во всем рабочем спектре.
3.5.2 Рекомендации по обеспечению качества
Для выяснения возможных причин неудовлетворительных результатов балансировки, выполненной на заводе-изготовителе, настоятельно рекомендуется проверить радиальное биение винта на выходном валу редуктора авиадвигателя, так как это является критическим фактором для достижения оптимальной балансировки. результаты балансировки винта.
Это исследование предоставит ценную информацию о различиях между заводом и балансировка месторождений требования, что потенциально может привести к улучшению производственных процессов и процедур контроля качества.
Приложение 1: Протокол профессиональной балансировки
КОМПЛЕКСНЫЙ ПРОТОКОЛ БАЛАНСИРОВКИ
Винт MTV-9-K-C/CL 260-27 пилотажного самолета Су-29
1. Клиент: В. Д. Чвоков
2. Место установки винта: выходной вал редуктора самолета Су-29
3. Тип пропеллера: МТВ-9-КС/КЛ 260-27
4. Метод балансировки: собранный на месте (в собственных подшипниках), в одной плоскости
5. Частота вращения винта при балансировке, об/мин: 1350
6. Модель, серийный номер и производитель балансировочного устройства: «Балансет-1», заводской номер 149
7. Нормативные документы, используемые при балансировке:
7.1. _____________________________________________________________
_____________________________________________________________
8. Дата балансировки: 15.06.2014
9. Сводная таблица результатов балансировки:
| № | Результаты измерений | Вибрация (мм/сек) | Дисбаланс (г*мм) | Рейтинг качества |
|---|---|---|---|---|
| 1 | До балансировки *) | 6.7 | 6135 | Неприемлемо |
| 2 | После уравновешивания | 1.5 | 1350 | Отличный |
| ISO 1940 Допуск для класса G 6.3 | 1500 | Стандарт | ||
*) Примечание: Балансировка проводилась с оставленным на винте корректирующим грузом, установленным производителем.
10. Профессиональные заключения:
10.1. Уровень вибрации (остаточный дисбаланс) после балансировка пропеллера Установленный на выходном валу редуктора самолета Су-29 (см. п. 9.2) уменьшен более чем в 4 раза по сравнению с исходным состоянием (см. п. 9.1), что обеспечивает исключительное повышение плавности работы самолета.
10.2. Параметры корректирующего груза (масса, угол установки), используемые для достижения результата п. 10.1, существенно отличаются от параметров корректирующего груза, устанавливаемого заводом-изготовителем (МТ-винт), что свидетельствует о принципиальных различиях требований к заводской и полевой балансировке.
В частности, на винт был установлен дополнительный корректирующий груз массой 40,9 г. балансировка месторождений, который был смещен на угол 130° относительно веса, установленного производителем.
(Груз, установленный производителем, не был снят с винта во время дополнительной балансировки).
Возможные технические причины:
Возможные причины этой значимой ситуации могут включать в себя:
- Ошибки в измерительной системе балансировочного стенда производителя;
- Геометрические ошибки в местах установки муфты шпинделя балансировочного станка производителя, приводящие к радиальному биению гребного винта при установке на шпиндель;
- Геометрические ошибки в местах крепления муфты выходного вала редуктора самолета, приводящие к радиальному биению винта при установке на вал редуктора.
Рекомендуемые шаги расследования:
Чтобы определить конкретную причину, приводящую к увеличению дисбаланс пропеллера при установке на выходной вал редуктора самолета Су-29 необходимо:
- Проверьте измерительную систему и геометрическую точность мест установки шпинделя балансировочного станка, используемого для балансировки винта MTV-9-K-C/CL 260-27 на заводе-изготовителе;
- Проверьте радиальное биение винта, установленного на выходном валу редуктора самолета Су-29.
Исполнитель:
Главный специалист ООО "Кинематика"
Фельдман В.Д.
Часто задаваемые вопросы о балансировке авиационных винтов
Что такое балансировка воздушного винта и почему она важна для безопасности полетов?
Балансировка пропеллеров Это прецизионная процедура устранения дисбаланса воздушных винтов путём добавления или изменения положения корректирующих грузов. Несбалансированные воздушные винты создают чрезмерную вибрацию, которая может привести к усталости конструкции, повреждению двигателя и, в конечном итоге, к катастрофическому отказу. Наши полевые исследования показывают, что правильная балансировка может снизить вибрацию до 78%, значительно повышая безопасность и срок службы воздушного судна.
Чем балансировка винтов в полевых условиях отличается от заводской балансировки?
Балансировка полевого винта Балансировка на заводе даёт значительные преимущества, поскольку учитывает фактические условия установки, включая допуски редуктора, неровности крепления и общую динамику самолёта. Наше исследование на примере Су-29 показало, что корректирующий вес, необходимый в полевых условиях, был смещен на 130° относительно заводского веса, что подчёркивает важность балансировки винтов в их эксплуатационной конфигурации.
Какое оборудование необходимо для профессиональной балансировки авиационных винтов?
Профессиональный балансировка воздушного винта Требуется специализированное оборудование, такое как прибор «Balanset-1», включающий в себя прецизионные акселерометры, лазерные фазовые датчики и передовое программное обеспечение для анализа. Оборудование должно обеспечивать высокоточное измерение вибраций в диапазоне от 0,1 до 1000 Гц и фазовый анализ в режиме реального времени для правильного расчета распределения грузов.
Как часто следует балансировать воздушные винты?
Частота балансировки винта Балансировка зависит от условий эксплуатации самолёта, но, как правило, должна проводиться во время капитальных осмотров, после ремонта повреждённых винтов, при обнаружении чрезмерной вибрации или в соответствии с рекомендациями производителя. Для пилотажных самолётов, таких как Як-52 и Су-29, может потребоваться более частая балансировка из-за более высоких нагрузок.
Каковы допустимые уровни вибрации после балансировки винта?
Согласно стандартам ISO 1940 для класса G 6.3, остаточный дисбаланс не должен превышать 1500 г*мм. Наш практический опыт показывает, что отличные результаты достигаются при уровне вибрации менее 2,5 мм/с (среднеквадратичное значение), а выдающиеся результаты достигаются при уровне вибрации 1,5 мм/с и ниже. Эти показатели гарантируют безопасную эксплуатацию и минимальные структурные нагрузки на самолёт.
Может ли балансировка винта устранить все вибрации самолета?
Пока балансировка гребного винта Значительно снижая вибрации, связанные с винтом, балансировка винта не может полностью устранить вибрацию самолёта. Наш комплексный анализ показал, что гармоники коленчатого вала двигателя, динамика поршневой группы и структурные резонансы способствуют общей вибрации. Даже идеальная балансировка винта обычно снижает общую вибрацию самолёта всего в 1,5 раза, что подчёркивает необходимость комплексного подхода к управлению вибрацией.
Рекомендации экспертов для авиационных специалистов
Для эксплуатантов воздушных судов:
- Реализовать регулярные мониторинг вибрации в рамках программ профилактического обслуживания
- Учитывать балансировка полевого винта лучше полагаться исключительно на заводскую балансировку
- Установите базовые показатели вибрации для каждого самолета в вашем парке.
- Обучите обслуживающий персонал правильным процедурам балансировки и протоколам безопасности.
Для специалистов по техническому обслуживанию:
- Всегда учитывайте собственные частоты при выборе балансировочного двигателя.
- Используйте профессиональное оборудование, такое как Balanset, для точных измерений.
- Документируйте все процедуры балансировки для обеспечения качества и прослеживаемости.
- Поймите, что балансировка винта — это всего лишь один из компонентов общего управления вибрацией.
Для пилотов:
- Немедленно сообщайте обслуживающему персоналу о любых необычных вибрациях.
- Понимание того, что разные режимы полета могут демонстрировать разные характеристики вибрации.
- Имейте в виду, что некоторые вибрации могут быть связаны со структурой, а не с винтом.
- Защитник регулярных балансировка гребного винта как инвестиция в безопасность
RU 
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI