O vyvažovaní vrtule lietadla v poľných podmienkach. Časť 1

1. V.D. Feldman

Hlavný technik OU Vibromera

O vyvažovaní vrtule lietadla v poľnom prostredí

 "Vrtuľa je vodičom lietadla,

a vyvážiť ho môže len jazdec"

1. Na stránke namiesto predslovu

Pred dva a pol rokom začala naša spoločnosť sériovú výrobu zariadenia Balanset-1 určeného na vyvažovanie rotorových mechanizmov vo vlastných ložiskách.

Doteraz bolo vyrobených viac ako 180 súprav, ktoré sa efektívne používajú v rôznych priemyselných odvetviach vrátane výroby a prevádzky ventilátorov, odsávačov, elektromotorov, pracovných vretien, čerpadiel, drvičov, separátorov, odstrediviek, hnacích hriadeľov a kľukových hriadeľov a iných mechanizmov.

V poslednom čase naša spoločnosť dostala veľké množstvo žiadostí od organizácií a jednotlivcov týkajúcich sa možnosti využitia nášho zariadenia na vyvažovanie vrtúľ lietadiel a vrtuľníkov v poľnom prostredí.

Žiaľ, naši odborníci, ktorí majú veľké skúsenosti s vyvažovaním najrôznejších strojov, sa s týmto problémom nikdy nestretli. Preto rady a odporúčania, ktoré sme mohli poskytnúť našim Zákazníkom, boli všeobecného charakteru a nie vždy im umožnili problém účinne vyriešiť.

Na jar tohto roku sa situácia začala meniť k lepšiemu vďaka aktívnemu postoju V. D. Čvokova, ktorý organizoval a spolu s nami sa najaktívnejšie zúčastňoval na prácach na vyvažovaní vrtúľ lietadiel Jak-52 a SU-29, ktorých je pilotom.

Obr. 1.1. Jak-52 na letisku

Obr. 1.2. SU-29 na parkovisku

Počas tohto procesu sme si osvojili určité zručnosti a technológiu vyvažovania vrtúľ lietadiel v teréne pomocou Balansetu-1, vrátane:

• určenie miest a spôsobov inštalácie (montáže) snímačov vibrácií a fázového uhla na zariadení;
• určenie rezonančných frekvencií viacerých konštrukčných prvkov lietadla (zavesenie motora, listy vrtule);
• určenie otáčok (prevádzkových režimov) motora, čím sa zabezpečí minimálna zostatková nevyváženosť v procese vyvažovania;
• určenie tolerancií pre zostatkovú nevyváženosť vrtule atď.

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

Na základe výsledkov týchto prác sú ďalej navrhnuté materiály na podávanie správ.

Spolu s výsledkami vyvažovania obsahujú aj údaje z vibračných skúšok lietadiel Jak-52 a SU-29 získané počas testov na zemi a za letu.

Tieto údaje môžu byť zaujímavé tak pre pilotov lietadiel, ako aj pre špecialistov na údržbu.

2. Výsledky vyvažovania vrtule a vibračných skúšok akrobatického lietadla YAK-52

2.1. Úvod

V máji až júli 2014 sme vykonali vibračné testy lietadla YAK-52 vybaveného leteckým motorom M-14P, ako aj vyváženie jeho dvojlistej vrtule.

Vyvažovanie sa vykonalo v tej istej rovine pomocou vyvažovacej súpravy Balanset-1, závod č. 149.

Schéma merania použitá pri vyvažovaní je znázornená na obrázku 2.1.

Počas procesu vyvažovania sa snímač vibrácií (akcelerometer) 1 bol namontovaný na prednom kryte prevodovky motora pomocou magnetu na špeciálnom držiaku.

Laserový snímač fázového uhla 2 bol tiež namontovaný na kryte prevodovky a bol vedený odrazovým štítkom umiestneným na jednej z lopatiek vrtule.

Analógové signály zo snímačov sa prenášali káblami do meracej jednotky Balanset-1, v ktorej sa vykonalo ich predbežné digitálne spracovanie.

Ďalej sa tieto signály v digitálnej forme prenášali do počítača, ktorý ich spracoval a vypočítal hmotnosť a uhol inštalácie korekčného závažia potrebného na vyrovnanie nerovnováhy na vrtuli.

Obr. 2.1. Schéma merania vyvažovania vrtule YAK-52.

Zk - hlavné ozubené koleso;

Zс - satelity prevodovky;

Zn - pevné ozubené koleso.

V priebehu tejto práce sme s prihliadnutím na skúsenosti s vyvažovaním vrtúľ lietadiel SU-29 a Jak-52 vykonali niekoľko ďalších štúdií vrátane:

• určenie vlastných frekvencií kmitania motora a vrtule lietadla YAK-52;
• skúmanie hodnoty a spektrálneho zloženia vibrácií v kabíne druhého pilota počas letu po vyvážení vrtule;
• skúmanie hodnoty a spektrálneho zloženia vibrácií v kabíne druhého pilota počas letu po vyvážení vrtule a nastavení uťahovacej sily tlmiča motora.

2.2. Výsledky štúdií vlastných frekvencií motora a vrtule.

Vlastné frekvencie motora namontovaného na tlmičoch v tele lietadla sa určili pomocou spektrálneho analyzátora AD-3527, f. A @ D, (Japonsko), rázovým budením kmitov motora.

V spektre vlastných kmitov zavesenia motora YAK-52 sme určili 4 hlavné frekvencie, a to: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz, ktorých príklad je na obr. 2.2.

Obr. 2.2. Spektrum vlastných frekvencií kmitov zavesenia motora YAK-52

Frekvencie 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz pravdepodobne súvisia s vlastnosťami montáže (zavesenia) motora na telo lietadla.

Frekvencia 20 Hz pravdepodobne súvisí s kmitaním lietadla na podvozku.

Vlastné frekvencie kmitania vrtulových listov sa určili aj metódou rázového budenia.

V tomto prípade sme odhalili štyri hlavné frekvencie, a to: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz a 134 Hz.

Údaje o vlastných frekvenciách kmitania vrtule a motora lietadla YAK-52 môžu byť dôležité predovšetkým pri výbere frekvencie otáčania vrtule použitej pri vyvažovaní. Hlavnou podmienkou výberu tejto frekvencie je zabezpečiť jej maximálny možný odklon od vlastných frekvencií kmitania konštrukčných prvkov lietadla.

Okrem toho znalosť vlastných frekvencií kmitania jednotlivých komponentov a častí lietadla môže byť užitočná na identifikáciu príčin prudkého nárastu (v prípade rezonancie) určitých zložiek spektra vibrácií pri rôznych otáčkach motora.

2.3. Výsledky bilancovania.

Ako sme uviedli vyššie, vrtuľa bola vyvážená v rovnakej rovine, v dôsledku čoho bola zabezpečená kompenzácia výkonovej nerovnováhy vrtule v dynamike.

Dynamické vyvažovanie v dvoch rovinách nebolo možné, čo umožňuje (okrem silového) kompenzovať momentovú nevyváženosť vrtule, keďže konštrukcia vrtule namontovanej na YAK-52 umožňuje vytvoriť len jednu korekčnú rovinu.

Vrtuľa bola vyvážená pri frekvencii otáčania rovnajúcej sa 1 150 otáčok za minútu (60%), pri ktorej bolo možné získať najstabilnejšie výsledky merania vibrácií v amplitúde a fáze od začiatku do konca.

Vrtuľa bola vyvážená podľa klasickej schémy "dva štarty".

Počas prvého spustenia sme určili amplitúdu a fázu vibrácií pri frekvencii otáčania vrtule v počiatočnom stave.

Počas druhého spustenia sme určili amplitúdu a fázu vibrácií pri frekvencii otáčania vrtule po zafixovaní skúšobnej hmotnosti rovnajúcej sa 7 g.

Vzhľadom na tieto údaje sme programovo vypočítali hmotnosť M = 19,5 g a uhol inštalácie korekčného závažia F = 32.

Vzhľadom na konštrukčné vlastnosti vrtule, ktoré neumožňujú umiestniť korekčné závažie pod požadovaným uhlom, sú na vrtuli upevnené dve ekvivalentné závažia vrátane:

• Hmotnosť M1 = 14 g na uhle F1 = 0º;
• Hmotnosť M1 = 8,3 g na uhle F1 = 60º.

Po umiestnení uvedených korekčných závaží na vrtuľu sa vibrácie merané pri otáčkach 1 150 ot/min a spojené s nevyváženosťou vrtule znížili z 10,2 mm/s v počiatočnom stave na 4,2 mm/s po vyvážení.

Súčasne sa skutočná nevyváženosť vrtule znížila z 2 340 g*mm na 963 g*mm.

2.4. Testovanie vplyvu vyváženia na úroveň vibrácií YAK-52 na zemi pri rôznych otáčkach vrtule

V tabuľke 2.1 sú uvedené výsledky vibračnej skúšky motora YAK-52 vykonanej v iných prevádzkových podmienkach motora, ktoré boli získané počas testov na zemi.

Ako ukazuje tabuľka, vyvažovanie malo pozitívny vplyv na vibrácie YAK-52 vo všetkých režimoch jeho prevádzky.

Tabuľka 2.1

Okrem toho sa počas testovania na zemi zistila tendencia výrazne znížiť vibrácie lietadla so zvýšenou rýchlosťou otáčania jeho vrtule.

Tento jav možno vysvetliť väčším stupňom odklonu otáčok vrtule od prirodzenej frekvencie kmitania lietadla na podvozku (pravdepodobne 20 Hz), ku ktorému dochádza pri zvýšenej rýchlosti otáčania vrtule.

2.5. Preskúmanie vibrácií YAK-52 vo vzduchu v hlavných režimoch letu pred a po nastavení uťahovacej sily tlmičov

Okrem vibračných testov vykonaných po vyvážení vrtule na zemi (pozri časť 2.3) sme vykonali merania vibrácií lietadla YAK-52 za letu.

Vibrácie počas letu sa merali v kokpite druhého pilota vo vertikálnom smere pomocou prenosného analyzátora vibračného spektra AD-3527 f. A@D (Japonsko) vo frekvenčnom rozsahu od 5 do 200 (500) Hz.

Merania sa uskutočnili pri piatich otáčkach hlavného motora rovnajúcich sa 60%, 65%, 70% a 82% jeho maximálnych otáčok.

Výsledky meraní vykonaných pred nastavením tlmičov sú uvedené v tabuľke 2.2.

Tabuľka 2.2

Na obr. 2.3 a 2.4 sú ako príklad uvedené grafy spektier získaných pri meraní vibrácií v kabíne YAK-52 v režimoch 60% a 94% a použitých pri vypĺňaní tabuľky 2.2.

Obr.2.3. Spektrum vibrácií v kabíne lietadla YAK-52 pri 60%.

Obrázok 2.4. Vibračné spektrum v kabíne YAK-52 pri 94%.

Ako ukazuje tabuľka 2.2, hlavné zložky vibrácií merané v kabíne druhého pilota sa prejavujú pri otáčkach vrtule Vv1 (zvýraznené žltou farbou), kľukového hriadeľa motora Vk1 (zvýraznené modrou farbou) a hnacieho ústrojenstva vzduchového kompresora (a/alebo snímača frekvencie) Vn ( zvýraznené zelenou farbou), ako aj pri ich vyšších harmonických Vv2, Vv4, Vv5 a Vk2, Vk3.

Maximálne celkové vibrácie Vå  bola zistená pri rýchlostiach 82% (1 580 otáčok vrtule za minútu) a 94% (1 830 otáčok za minútu).

Hlavná zložka tejto vibrácie sa prejavuje na 2^nd harmonickej otáčok kľukového hriadeľa motora Vk2 a podľa toho dosahuje hodnoty 12,5 mm/s pri frekvencii 4800 cyklov/min a 15,8 mm/s pri frekvencii 5520 cyklov/min.

Možno predpokladať, že táto zložka súvisí s činnosťou piestneho bloku motora (rázové procesy, keď sa piesty počas jednej otáčky kľukového hriadeľa dvakrát premiestnia).

Prudký nárast tejto zložky v režimoch 82% (prvý menovitý) a 94% (vzlet) pravdepodobne nespôsobujú poruchy skupiny piestov, ale rezonančné kmitanie motora upevneného v tele lietadla na tlmiči.

Tento záver potvrdzujú uvedené výsledky experimentálneho overenia vlastných frekvencií kmitania zavesenia motora, v ktorých spektre sa nachádzajú frekvencie 74 Hz (4440 cyklov/min), 94 Hz (5640 cyklov/min) a 120 Hz (7200 cyklov/min).

Dve z týchto vlastných frekvencií, rovnajúce sa 74 a 94 Hz, sú blízke frekvenciám 2^nd harmonické otáčky kľukového hriadeľa, ktoré sa vyskytujú v prvých menovitých a vzletových hodnotách prevádzky motora.

Vzhľadom na skutočnosť, že počas vibračných testov sme odhalili výrazné vibrácie na 2^nd harmonického kľukového hriadeľa v prvej menovitej a vzletovej hodnote motora, bola snaha skontrolovať a nastaviť uťahovaciu silu tlmičov zavesenia motora.

V tabuľke 2.3 sú uvedené výsledky porovnávacích skúšok pred a po nastavení tlmičov pre rýchlosť otáčania vrtule (Vv1) a 2^nd harmonická frekvencia otáčania kľukového hriadeľa (Vk2).

Tabuľka 2.3

Ako vidíme z tabuľky 2.3, nastavenie tlmičov neviedlo k výrazným zmenám hodnôt hlavných zložiek vibrácií lietadla.

Vzhľadom na uvedené skutočnosti je možné považovať výrazné zvýšenie zložky vibrácií lietadla YAK-52 v prvom menovitom a vzletovom režime (podľa nášho názoru) za konštrukčný omyl konštruktérov lietadla, ku ktorému došlo pri výbere systému uchytenia motora (zavesenia) v trupe lietadla.

V tejto súvislosti treba poznamenať, že amplitúda spektrálnej zložky spojenej s nerovnováhou vrtule Vv1, zistená v režimoch 82% a 94% (pozri tabuľky 1.2 a 1.3), je 3 až 7-krát nižšia ako amplitúdy Vk2 v týchto režimoch.

V ostatných režimoch letu sa zložka Vv1 pohybuje v rozmedzí 2,8-4,4 mm/s.

Okrem toho, ako ukazujú tabuľky 2.2 a 2.3, pri prechode z jedného režimu do druhého nie sú jeho zmeny určené najmä kvalitou vyváženia, ale stupňom odklonu otáčok vrtule od vlastných frekvencií kmitania určitých konštrukčných prvkov lietadla.

2.6. Závery o výsledkoch práce

2.6.1. Vyváženie vrtule YAK-52 vykonané pri frekvencii otáčok 1150 ot/min (60%) umožnilo znížiť vibrácie vrtule 10,2 mm/s na 4,2 mm/s.

Vzhľadom na určité skúsenosti získané pri vyvažovaní vrtúľ lietadiel YAK-52 a SU-29 pomocou Balansetu-1 môžeme predpokladať, že existuje možnosť ďalšieho zníženia úrovne vibrácií vrtule lietadla YAK-52.

Tento účinok možno dosiahnuť najmä výberom inej (vyššej) frekvencie otáčania vrtule počas jej vyvažovania, ktorá umožňuje väčší stupeň odklonu od prirodzenej frekvencie kmitania lietadla 20 Hz (1 200 cyklov/min) zistenej počas skúšky.

2.6.2. Ako ukazujú výsledky vibračných skúšok lietadla YAK-52 za letu, jeho vibračné spektrá (okrem zložky uvedenej v odseku 2.6.1, ktorá sa objavuje pri frekvencii otáčania vrtule) majú množstvo ďalších zložiek súvisiacich s činnosťou kľukového hriadeľa, piestnej skupiny motora a tiež hnacieho ústrojenstva vzduchového kompresora (a/alebo snímača frekvencie).

Hodnoty uvedených vibrácií v režimoch 60%, 65% a 70% sú úmerné hodnote vibrácií, ktoré sú spojené s nevyváženosťou vrtule.

Analýza týchto vibrácií ukazuje, že aj úplné odstránenie vibrácií spôsobených nevyváženosťou vrtule zníži celkové vibrácie lietadla v týchto režimoch najviac 1,5-krát.

2.6.3. Maximálne celkové vibrácie Vå YAK-52 bol zistený vo vysokorýchlostných režimoch, a to: 82% (1 580 ot./min. vrtule) a 94% (1 830 ot./min. vrtule).

Hlavná zložka tejto vibrácie sa prejavuje na 2^nd harmonická frekvencia otáčania kľukového hriadeľa motora Vk2 (pri frekvenciách 4 800 cyklov/min alebo 5 520 cyklov/min), pri ktorej dosahuje hodnoty 12,5 mm/s, resp. 15,8 mm/s.

Možno predpokladať, že táto zložka súvisí s činnosťou skupiny piestov motora (rázové procesy vznikajúce pri dvojnásobnom premiestnení piestov počas jednej otáčky kľukového hriadeľa).

Prudký nárast tejto zložky v režimoch 82% (prvý nominálny) a 94% (vzlet) pravdepodobne nespôsobujú chyby v piestnej skupine, ale rezonančné kmitanie motora, ktoré je upevnené v tele lietadla na tlmičoch.

Počas testov nastavenie tlmičov neviedlo k výrazným zmenám vibrácií.

Túto situáciu možno považovať za konštruktérsku chybu konštruktérov lietadla, ktorú urobili pri výbere systému montáže (zavesenia) motora v tele lietadla.

2.6.4. Údaje získané počas vyvažovania a dodatočných vibračných skúšok (pozri výsledky letových skúšok v časti 2.5) nám umožňujú dospieť k záveru, že pravidelné monitorovanie vibrácií môže byť užitočné na diagnostické hodnotenie technického stavu motora lietadla.

Takýto postup možno vykonať napríklad pomocou prístroja Balanset-1, ktorého softvér implementuje funkciu spektrálnej analýzy vibrácií.