1. Predslov

Pred dvoma a pol rokmi náš podnik začal sériovú výrobu zariadenia "Balanset-1", určeného na vyvažovanie rotačných mechanizmov vo vlastných ložiskách.

Doteraz bolo vyrobených viac ako 180 súprav. Efektívne sa používajú v rôznych odvetviach, vrátane výroby a prevádzky ventilátorov, dúchadiel, elektromotorov, vretien strojov, čerpadiel, drvičov, separátorov, odstrediviek, kardanových a kľukových hriadeľov a podobných mechanizmov.

Spoločnosť Vibromera v poslednej dobe dostala veľké množstvo dopytov od organizácií a jednotlivcov týkajúcich sa možnosti použitia nášho zariadenia na vyvažovanie vrtúľ lietadiel a vrtuľníkov v poľných podmienkach.

Naši špecialisti sa, žiaľ, napriek dlhoročným skúsenostiam s vyvažovaním rôznych strojov nikdy predtým s týmto konkrétnym problémom nestretli. Rady a odporúčania, ktoré sme mohli našim zákazníkom poskytnúť, boli preto dosť všeobecné a nie vždy im umožnili efektívne vyriešiť danú úlohu.

Táto situácia sa začala meniť k lepšiemu túto jar, a to vďaka aktívnemu zapojeniu V. D. Chvokova, ktorý organizoval a po našom boku sa podieľal na prácach na vyvažovaní vrtúľ lietadiel Jak-52 a Su-29, ktoré pilotuje.

Počas tejto práce boli získané určité zručnosti a bola vyvinutá technológia vyvažovania vrtúľ lietadiel v poľných podmienkach pomocou zariadenia "Balanset-1", vrátane:

• určenie miest a metód inštalácie (montáže) snímačov vibrácií a fázového uhla na lietadle;
• určenie rezonančných frekvencií viacerých konštrukčných prvkov lietadla (zavesenie motora, listy vrtule);
• identifikácia frekvencií otáčania motora (prevádzkových režimov), ktoré zabezpečujú minimálnu dosiahnuteľnú zostatkovú nevyváženosť počas vyvažovania;
• stanovenie tolerancií pre zostatkovú nevyváženosť vrtule.

Okrem toho sa získali zaujímavé údaje o úrovniach vibrácií lietadiel vybavených motormi M-14P.

Nižšie sú uvedené materiály správy zostavené z výsledkov tejto práce. Okrem výsledkov vyvažovania prezentujú údaje z vibračných prieskumov lietadiel Jak-52 a Su-29, získané počas pozemných a letových skúšok. Tieto údaje môžu byť zaujímavé pre pilotov lietadiel aj pre špecialistov zapojených do ich údržby.

2. Prieskum vyváženia a vibrácií lietadla Jak-52

2.1. Úvod

V máji až júli 2014 sa vykonali práce na vibračnom prieskume lietadla Jak-52 vybaveného leteckým motorom M-14P a vyvážení jeho dvojlistej vrtule.

Vyvažovanie sa vykonalo v jednej rovine pomocou súpravy "Balanset-1", sériové číslo 149.

Schéma merania je znázornená na obr. 2.1. Počas vyvažovania sa snímač vibrácií (akcelerometer) 1 bol nainštalovaný na prednom kryte prevodovky motora pomocou magnetického držiaka na špeciálne navrhnutom držiaku. Laserový fázový uhlový snímač 2 bol tiež nainštalovaný na kryte prevodovky a orientovaný smerom k reflexnej značke nanesenej na jeden z listov vrtule.

Analógové signály zo senzorov boli prenášané káblami do meracej jednotky zariadenia "Balanset-1", kde sa vykonalo predbežné digitálne spracovanie. Tieto signály v digitálnej forme potom vstupovali do počítača, kde sa vykonalo softvérové spracovanie a vypočítala sa hmotnosť a uhol korekčného závažia potrebného na kompenzáciu nevyváženosti vrtule.

Počas tejto práce, berúc do úvahy skúsenosti získané s vyvažovaním vrtúľ lietadiel Su-29 aj Jak-52, sa vykonalo niekoľko ďalších štúdií:

• určenie vlastných frekvencií kmitov motora a vrtule Jak-52;
• meranie veľkosti vibrácií a spektrálneho zloženia v kabíne druhého pilota počas letu po vyvážení vrtule;
• meranie vibrácií po vyvážení vrtule a po nastavení uťahovacej sily tlmičov motora.

2.2. Vlastné frekvencie kmitov motora a vrtule

Vlastné frekvencie kmitov motora, namontovaného na tlmičoch v tele lietadla, boli stanovené pomocou spektrálneho analyzátora AD-3527 od spoločnosti A&D (Japonsko) prostredníctvom nárazového budenia.

V spektre vlastných kmitov zavesenia motora Jak-52 (obr. 2.2) boli identifikované štyri hlavné frekvencie: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz.

Frekvencie 74 Hz, 94 Hz a 120 Hz pravdepodobne súvisia s charakteristikami uchytenia (zavesenia) motora k trupu lietadla. Frekvencia 20 Hz s najväčšou pravdepodobnosťou súvisí s vlastnými kmitami lietadla na podvozku.

Vlastné frekvencie listov vrtule boli tiež určené pomocou metódy nárazového budenia. Boli identifikované štyri hlavné frekvencie: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz a 134 Hz.

Údaje o vlastných frekvenciách kmitov zavesenia motora a listov vrtule sú dôležité predovšetkým pre výber frekvencie otáčania vrtule počas vyvažovania. Hlavnou podmienkou pri výbere tejto frekvencie je zabezpečenie maximálneho odladenia od vlastných frekvencií kmitov konštrukčných prvkov lietadla, pretože pri rezonančných frekvenciách môže byť presnosť a opakovateľnosť meraní vibrácií výrazne znížená.

Okrem toho, znalosť vlastných frekvencií jednotlivých komponentov môže byť užitočná na identifikáciu príčin prudkého nárastu vibrácií (rezonančných javov) pri rôznych režimoch otáčok motora, ktoré môžu vzniknúť počas prevádzky lietadla.

2.3. Výsledky vyvažovania

Ako je uvedené vyššie, vyváženie vrtule sa vykonávalo v jednej rovine, čím sa dynamicky kompenzovala nerovnováha síl vrtule.

Dynamické vyváženie v dvoch rovinách (ktoré by dodatočne kompenzovalo nevyváženosť momentov) nebolo možné, pretože konštrukcia vrtule na Jak-52 umožňuje iba jednu korekčnú rovinu.

Vyvažovanie sa vykonávalo pri frekvencii otáčania 1150 ot./min (60%), pri ktorej sa v jednotlivých cykloch dosahovali najstabilnejšie merania vibrácií, a to ako v amplitúde, tak aj vo fáze.

Použila sa klasická schéma "dvojbehu":

1. Počas prvého behu bola určená amplitúda a fáza vibrácií pri frekvencii otáčania vrtule v počiatočnom stave.
2. Počas druhého behu sa určila amplitúda a fáza vibrácií po inštalácii skúšobnej hmotnosti 7 g na vrtuľu.
3. Na základe týchto údajov softvér vypočítal: korekčnú hmotnosť M = 19,5 g pod uhlom F = 32°.

Vzhľadom na konštrukčné vlastnosti vrtule, ktoré neumožňovali inštaláciu korekčného závažia v požadovanom uhle 32°, boli nainštalované dve ekvivalentné závažia:

• M1 = 14 g pri uhle F1 = 0°
• M2 = 8,3 g pri uhle F2 = 60°

2.4. Vibrácie v iných prevádzkových režimoch

Výsledky vibračných kontrol pri iných prevádzkových režimoch motora počas pozemných skúšok sú uvedené v tabuľke 2.1. Ako je vidieť, vyváženie pozitívne ovplyvnilo vibrácie Jak-52 vo všetkých režimoch.

Okrem toho sa počas pozemných testov identifikoval jasný trend výrazného znižovania vibrácií so zvyšujúcou sa frekvenciou otáčania vrtule. To možno vysvetliť väčším rozladením frekvencie otáčania vrtule od vlastnej frekvencie kmitania lietadla na podvozku (pravdepodobne 20 Hz), ku ktorému dochádza pri vyšších frekvenciách otáčania.

2.5. Vibrácie počas letu pred a po nastavení tlmičov nárazov

Okrem skúšok vibrácií na zemi po vyvážení vrtule (časť 2.3) sa merania vibrácií Jak-52 vykonali aj za letu.

Vibrácie počas letu boli merané v kabíne druhého pilota vo vertikálnom smere pomocou prenosného spektrálneho analyzátora AD-3527 od spoločnosti A&D (Japonsko) vo frekvenčnom rozsahu od 5 do 200 (500) Hz. Merania boli vykonané v piatich hlavných režimoch otáčok motora: 60%, 65%, 70%, 82% a 94% s maximálnou frekvenciou otáčania.

Výsledky získané pred nastavením tlmičov sú uvedené v tabuľke 2.2.

Ako je vidieť z tabuľky 2.2, hlavné zložky vibrácií sa objavujú pri frekvencii otáčania vrtule V_p1, frekvencia kľukového hriadeľa V_c1, pohon vzduchového kompresora (a/alebo frekvenčného snímača) V_n, a ich vyššie harmonické.

Maximálna celková vibrácia V_Σ bola zistená v režimoch 82% (1580 ot./min.) a 94% (1830 ot./min.). Dominantná zložka v týchto režimoch sa objavuje na 2. harmonickej frekvencie otáčania kľukového hriadeľa V_c2, pričom pri 4800 cykloch/min dosiahol 12,5 mm/s a pri 5520 cykloch/min 15,8 mm/s.

Dá sa predpokladať, že táto zložka súvisí s piestovou skupinou (nárazové procesy, ku ktorým dochádza počas dvojitého pohybu piestov na jednu otáčku kľukového hriadeľa). Prudký nárast v režimoch 82% (prvý nominálny) a 94% (rozbeh) nie je s najväčšou pravdepodobnosťou spôsobený chybami piestovej skupiny, ale rezonančnými kmitmi motora na jeho tlmičoch. Tento záver podporujú aj merania vlastnej frekvencie, ktoré odhalili frekvencie zavesenia motora pri 74 Hz (4440 cyklov/min), 94 Hz (5640 cyklov/min) a 120 Hz (7200 cyklov/min). Dve z nich – 74 Hz a 94 Hz – sú blízke frekvenciám druhej harmonickej kľukového hriadeľa v prvom nominálnom a rozbehovom prevádzkovom režime.

Vzhľadom na výrazné vibrácie zistené pri V_c2, bola skontrolovaná a nastavená uťahovacia sila tlmičov motora. Porovnávacie výsledky sú uvedené v tabuľke 2.3.

Ako je vidieť z tabuľky 2.3, nastavenie tlmiča neviedlo k významným zmenám v hlavných vibračných komponentoch lietadla.

Treba tiež poznamenať, že zložka V nevyváženosti vrtule_p1 v režimoch 82% a 94% je 3–7-krát nižšia ako V_c2 v týchto režimoch. V ostatných letových režimoch V_p1 pohybuje sa od 2,8 do 4,4 mm/s a jeho zmeny medzi režimami nie sú určené hlavne kvalitou vyváženia, ale stupňom odladenia od vlastných frekvencií konštrukčných prvkov lietadla.

2.6. Závery

2.6.1.

Vyváženie vrtule lietadla Jak-52 pri frekvencii otáčania 1150 ot./min (60%) umožnilo znížiť vibrácie pri frekvencii otáčania vrtule z 10,2 mm/s na 4,2 mm/s. S ohľadom na skúsenosti získané pri vyvažovaní vrtúľ lietadiel Jak-52 aj Su-29 pomocou zariadenia "Balanset-1" existuje reálna možnosť dosiahnuť ešte väčšie zníženie úrovne vibrácií – najmä výberom vyššej frekvencie otáčania vrtule počas vyvažovania, čo by umožnilo vo väčšej miere odladenie od vlastnej frekvencie kmitov lietadla pri 20 Hz (1200 cyklov/min) zistenej počas meraní.

2.6.2.

Ako ukazujú vibračné testy za letu (pozri tabuľky 2.2 a 2.3), vibračné spektrá lietadla Jak-52 obsahujú okrem vibrácií pri frekvencii otáčania vrtule V_p1, niekoľko ďalších významných komponentov – spojených s kľukovým hriadeľom V_c1, V_c2, V_c3, piestová skupina motora a vzduchový kompresor (a/alebo frekvenčný snímač) poháňajú V_n.

V rýchlostných režimoch 60%, 65% a 70% sú tieto zložky svojou veľkosťou porovnateľné so zložkou V nerovnováhy vrtule._p1. V dôsledku toho by aj úplné odstránenie vibrácií spôsobených nevyváženosťou vrtule umožnilo znížiť celkové vibrácie lietadla v týchto režimoch maximálne približne 1,5-krát.

2.6.3.

Maximálna celková vibrácia V_Σ lietadla Jak-52 bola zistená v režimoch otáčok 82% (1580 ot./min. vrtule) a 94% (1830 ot./min. vrtule). Dominantná zložka tejto vibrácie sa objavuje na 2. harmonickej frekvencie otáčania kľukového hriadeľa V_c2, pri frekvenciách 4800 cyklov/min a 5520 cyklov/min, pri ktorých dosahuje hodnoty 12,5 mm/s a 15,8 mm/s.

Ako je uvedené v častiach 2.5 a 2.2, prudký nárast tejto zložky v uvedených režimoch s najväčšou pravdepodobnosťou nie je spôsobený chybami piestovej skupiny, ale rezonančnými kmitmi motora na jeho tlmičoch. Nastavenie uťahovacej sily tlmičov, vykonané počas testov, neviedlo k významným zmenám v úrovni vibrácií.

Túto situáciu možno pravdepodobne považovať za prehliadnutie dizajnu (konštruktívny prostriedok) vývojárov lietadiel, priznané pri výbere systému uchytenia (zavesenia) motora v tele lietadla.

2.6.4.

Údaje získané počas vyvažovania vrtule a dodatočne vykonané vibračné testy naznačujú, že periodické monitorovanie vibrácií môže byť užitočné pre diagnostické posúdenie technického stavu leteckého motora vrátane vyhodnotenia stavu piestovej skupiny, kľukového hriadeľa, ložísk motora a pohonu vzduchového kompresora.

Takúto prácu je možné vykonať napríklad pomocou zariadenia "Balanset-1" (v súčasnosti vyrábaného ako Balanset-1A), v softvéri ktorého je implementovaná funkcia spektrálnej vibračnej analýzy.

3. Vyváženie vrtule MTV-9-KC/CL 260-27 a prieskum vibrácií lietadla Su-29

3.1. Úvod

Dňa 15. júna 2014 sa vykonali práce na vyvažovaní trojlistej vrtule typu MTV-9-KC/CL 260-27, inštalovanej na leteckom motore M-14P akrobatického lietadla Su-29.

Podľa údajov poskytnutých výrobcom (MT-Propeller) bola uvedená vrtuľa predbežne staticky vyvážená, o čom svedčí prítomnosť korekčného závažia nainštalovaného vo výrobnom závode na vrtuli v rovine 1.

Vyváženie vrtule, inštalovanej priamo na výstupnom hriadeli prevodovky Su-29 (t. j. v mieste jej trvalej inštalácie), sa uskutočnilo pomocou vibračnej vyvažovacej súpravy "Balanset-1", sériové číslo 149.

Schéma merania (obr. 3.1) bola vo všeobecnosti podobná schéme použitej pre Jak-52. Vibračný senzor (akcelerometer) 1 bol nainštalovaný na kryte prevodovky motora pomocou magnetického držiaka na špeciálne navrhnutom držiaku. Laserový fázový uhlový snímač 2 bol rovnako namontovaný na skrini prevodovky a orientovaný smerom k reflexnej značke umiestnenej na jednom z listov vrtule. Analógové signály zo senzorov boli prenášané káblami do meracej jednotky zariadenia "Balanset-1", kde sa vykonalo predbežné digitálne spracovanie. Následne signály v digitálnej forme vstupovali do počítača, kde sa vykonalo softvérové spracovanie a vypočítala sa hmotnosť a uhol korekčného závažia potrebného na kompenzáciu nevyváženosti vrtule.

Pred touto prácou a s prihliadnutím na skúsenosti s vyvažovaním vrtule Jak-52 boli vykonané ďalšie štúdie:

• určenie vlastných frekvencií kmitov motora a vrtule Su-29;
• kontrola veľkosti a spektrálneho zloženia základných vibrácií v kabíne druhého pilota pred vyvážením.

3.2. Vlastné frekvencie kmitov motora a vrtule

Pomocou rovnakej metódy budenia nárazom s analyzátorom AD-3527 bolo v spektre zavesenia motora identifikovaných šesť hlavných frekvencií (obr. 3.2): 16 Hz, 22 Hz, 37 Hz, 66 Hz, 88 Hz, 120 Hz.

Frekvencie 66 Hz, 88 Hz a 120 Hz pravdepodobne priamo súvisia so zvláštnosťami systému uchytenia (zavesenia) motora v tele lietadla. Frekvencie 16 Hz a 22 Hz s najväčšou pravdepodobnosťou súvisia s vlastnými kmitami lietadla ako celku na jeho podvozku. Čo sa týka frekvencie 37 Hz, pravdepodobne súvisí s vlastnou frekvenciou kmitov listu vrtule lietadla.

Tento posledný predpoklad potvrdzujú výsledky meraní vlastných frekvencií kmitov lopatiek vrtule (obr. 3.3), v spektre ktorých boli identifikované tri hlavné frekvencie: 37 Hz, 100 Hz a 174 Hz.

Znalosť vlastných frekvencií zavesenia motora a listov vrtule lietadla Su-29 má značný praktický význam. Po prvé, umožňuje odôvodnený výber frekvencie otáčania vrtule pre vyváženie, čím sa zabezpečí maximálne odladenie od štrukturálnych rezonancií lietadla. Po druhé, poskytuje potrebný základ pre správnu interpretáciu a diagnostiku príčin vibrácií pozorovaných pri rôznych prevádzkových režimoch motora, ako bude preukázané v nasledujúcich častiach tejto správy.

3.3. Základné vibrácie kabíny pred vyvážením

Pred vykonaním vyvažovacieho postupu sa vykonali merania základných úrovní vibrácií v druhej pilotnej kabíne Su-29. Rovnako ako v prípade Jak-52 sa vibrácie merali vo vertikálnom smere pomocou prenosného spektrálneho analyzátora AD-3527 od spoločnosti A&D (Japonsko) vo frekvenčnom rozsahu od 5 do 200 Hz. Merania sa vykonávali v štyroch hlavných režimoch otáčok motora, ktoré zodpovedajú maximálnej frekvencii otáčania vrtule 60%, 65%, 70% a 82%.

Výsledky týchto meraní sú uvedené v tabuľke 3.1.

Hlavné zložky vibrácií sa objavujú pri frekvencii otáčania vrtule V_p1, kľukový hriadeľ V_c1, pohon kompresora V_n, a druhá harmonická frekvencia kľukového hriadeľa V_c2 (ktorá sa v prípade trojlistej vrtule môže zhodovať aj s frekvenciou prechodu lopatiek V_p3).

V spektre módu 60% sa tiež našla neidentifikovaná zložka pri 6120 cykloch/min, pravdepodobne spôsobená rezonanciou pri približne 100 Hz – jednej z vlastných frekvencií listu vrtule.

Maximálna celková vibrácia (11,5 mm/s) bola zistená v režime 70%. Dominantnou zložkou v tomto režime je V_c2 pri 4020 cykloch/min, dosahujúc 10,8 mm/s. Tento prudký nárast pri 70% je pravdepodobne spôsobený rezonančnými osciláciami zavesenia motora v blízkosti 67 Hz (4020 cyklov/min).

Treba tiež poznamenať, že okrem nárazových budení z piestovej skupiny môžu byť vibrácie v tejto frekvenčnej oblasti ovplyvnené aj aerodynamickými silami pri frekvencii prechodu lopatiek vrtule (V_p3). V režimoch 65% a 82% je viditeľný nárast V_c2 (V_p3) zložka, ktorú možno taktiež vysvetliť rezonančnými kmitmi jednotlivých komponentov lietadla.

Komponent nevyváženosti vrtule V_p1 pohybovala sa od 2,4 do 5,7 mm/s v rôznych režimoch pred vyvážením, vo všeobecnosti nižšia ako V_c2 v zodpovedajúcich módoch. Jeho zmena medzi módmi je určená nielen kvalitou vyváženia, ale aj stupňom odladenia od vlastných frekvencií konštrukčných prvkov lietadla.

3.4. Výsledky vyvažovania

Vyvažovanie vrtule sa vykonalo v jednej rovine pri frekvencii otáčania 1350 ot./min. s použitím dvoch meraní (klasická metóda koeficientov vplyvu). Úplný protokol vyváženia je uvedený v Dodatok 1.

Postup vyvažovania pozostával z nasledujúcich operácií:

1. Počas prvého chodu (počiatočný stav) bola určená amplitúda a fáza vibrácií pri frekvencii otáčania vrtule.
2. Počas druhého behu sa určila amplitúda a fáza vibrácií po inštalácii skúšobnej hmotnosti so známou hmotnosťou na vrtuľu.
3. Na základe týchto výsledkov meraní softvér vypočítal hmotnosť a uhol inštalácie korekčného závažia v rovine 1, potrebné na kompenzáciu nevyváženosti vrtule.

Overenie kvality vyváženia za letu sa nevykonalo z dôvodu náhodného poškodenia vrtule počas cvičného letu.

Dôvody uvedenej nezrovnalosti môžu byť nasledovné:

• chyby meracieho systému vyvažovacieho stojana vo výrobnom závode (tento dôvod sa javí ako najmenej pravdepodobný);
• geometrické chyby (nepresnosti) montážnych plôch vretena vyvažovacieho stroja vo výrobnom závode, ktoré spôsobujú radiálne hádzanie vrtule na vretene;
• geometrické chyby (nepresnosti) montážnych plôch výstupného hriadeľa prevodovky na lietadle Su-29, spôsobujúce radiálne hádzanie vrtule pri jej inštalácii na hriadeľ prevodovky.

3.5. Závery

3.5.1.

Vyváženie vrtule lietadla Su-29 v jednej rovine pri frekvencii otáčania vrtule 1350 ot./min (70%) umožnilo znížiť vibrácie pri frekvencii otáčania vrtule z 6,7 mm/s v počiatočnom stave na 1,5 mm/s po vyvážení. Vibrácie spojené s nevyváženosťou vrtule pri iných režimoch otáčok motora sa tiež výrazne znížili a zostali v rozmedzí 1–2,5 mm/s.

3.5.2.

Aby sa objasnili dôvody neuspokojivých výsledkov vyvažovania vrtule vo výrobnom závode (MT-Propeller), je potrebné skontrolovať radiálne hádzanie vrtule na výstupnom hriadeli prevodovky motora lietadla Su-29.

Dodatok 1: Protokol o vyvažovaní