О балансирању пропелера авиона у условима на терену

1. Предговор

Пре две и по године, наше предузеће је започело серијску производњу уређаја "Балансет-1", намењеног за балансирање ротационих механизама у сопственим лежајевима.

До данас је произведено више од 180 комплета. Они се ефикасно користе у различитим индустријама, укључујући производњу и рад вентилатора, дуваљки, електромотора, машинских вретена, пумпи, дробилица, сепаратора, центрифуга, карданских и радилицастих склопова и сличних механизама.

Вибромера је у последње време добила велики број упита од организација и појединаца у вези са могућношћу коришћења наше опреме за балансирање елиса авиона и хеликоптера у теренским условима.

Нажалост, наши стручњаци, упркос дугогодишњем искуству у балансирању разних машина, никада раније нису имали посла са овим специфичним проблемом. Савети и препоруке које смо могли да дамо нашим купцима били су стога прилично општи и нису им увек омогућавали да ефикасно реше задатак.

Ова ситуација је почела да се мења на боље овог пролећа, захваљујући активном учешћу В. Д. Чвокова, који је организовао и учествовао заједно са нама у раду на балансирању елиса авиона Јак-52 и Су-29, којима он пилотира.

Током овог рада стечене су одређене вештине и развијена је технологија за балансирање елиса авиона у теренским условима коришћењем уређаја "Balanset-1", укључујући:

• одређивање локација и метода за инсталирање (монтирање) сензора вибрација и фазног угла на авиону;
• одређивање резонантних фреквенција неколико структурних елемената авиона (вешање мотора, лопатице елисе);
• идентификовање фреквенција обртања мотора (режима рада) које обезбеђују минимално достижну преосталу неравнотежу током балансирања;
• успостављање толеранција за преосталу неравнотежу пропелера.

Поред тога, добијени су занимљиви подаци о нивоима вибрација авиона опремљених моторима М-14П.

У наставку су извештајни материјали састављени на основу резултата овог рада. Поред резултата балансирања, приказани су и подаци са истраживања вибрација авиона Јак-52 и Су-29, добијени током земаљских и летних испитивања. Ови подаци могу бити од интереса како за пилоте авиона, тако и за стручњаке који се баве њиховим одржавањем.

2. Балансирање и вибрационо истраживање Јак-52

2.1. Увод

У мају–јулу 2014. године, изведени су радови на испитивању вибрација авиона Јак-52, опремљеног авионским мотором М-14П, и балансирању његовог двокрилног пропелера.

Балансирање је извршено у једној равни коришћењем комплета "Balanset-1", серијски број 149.

Шема мерења је приказана на слици 2.1. Током балансирања, сензор вибрација (акцелерометар) 1 је инсталиран на предњем поклопцу мењача мотора помоћу магнетног носача на специјално дизајнираном носачу. Ласерски сензор фазног угла 2 такође је био инсталиран на поклопцу мењача и оријентисан према рефлектујућој ознаци нанесеној на једну од лопатица пропелера.

Аналогни сигнали са сензора су се кабловима преносили до мерне јединице уређаја "Балансет-1", где је вршена прелиминарна дигитална обрада. Ови сигнали у дигиталном облику су затим улазили у рачунар, где је вршена софтверска обрада и израчунавани су маса и угао корекционог тега потребни за компензацију неравнотеже елисе.

Током овог рада, узимајући у обзир искуство стечено балансирањем елиса и Су-29 и Јак-52, спроведен је низ додатних студија:

• одређивање природних фреквенција осцилација мотора и елисе авиона Јак-52;
• мерење магнитуде вибрација и спектралног састава у кабини другог пилота током лета након балансирања елисе;
• мерење вибрација након балансирања пропелера и након подешавања силе затезања амортизера мотора.

2.2. Природне фреквенције осцилација мотора и пропелера

Природне фреквенције осцилација мотора, монтираних на амортизерима у телу авиона, одређене су помоћу спектралног анализатора AD-3527 произвођача A&D (Јапан) путем ударног побуђивања.

У спектру природних осцилација суспензије мотора Јак-52 (слика 2.2) идентификоване су четири главне фреквенције: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz.

Фреквенције од 74 Hz, 94 Hz и 120 Hz су вероватно повезане са карактеристикама носача мотора (суспензије) на тело авиона. Фреквенција од 20 Hz је највероватније повезана са природним осцилацијама авиона на шасији стајног трапа.

Природне фреквенције лопатица елисе су такође одређене коришћењем методе побуђивања ударом. Идентификоване су четири главне фреквенције: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz и 134 Hz.

Подаци о природним фреквенцијама осцилација вешања мотора и лопатица елисе су од значаја првенствено за избор фреквенције обртања елисе током балансирања. Главни услов при избору ове фреквенције јесте обезбеђивање максималног разштимовања од природних фреквенција осцилација структурних елемената авиона, јер на резонантним фреквенцијама тачност и поновљивост мерења вибрација могу бити значајно нарушене.

Поред тога, познавање природних фреквенција појединачних компоненти може бити корисно за идентификовање узрока наглог повећања вибрација (резонантних феномена) при различитим режимима брзине мотора, које могу настати током рада авиона.

2.3. Резултати балансирања

Као што је горе наведено, балансирање пропелера је извршено у једној равни, чиме је динамички компензована неравнотежа сила пропелера.

Динамичко балансирање у две равни (што би додатно компензовало неравнотежу момента) није било изводљиво, јер дизајн елисе на Јак-52 дозвољава само једну раван корекције.

Балансирање је извршено на фреквенцији ротације од 1150 о/мин (60%), при којој су добијена најстабилнија мерења вибрација, како по амплитуди тако и по фази, из покретања у покретање.

Коришћена је класична шема "са два пролаза":

1. Током првог вожње одређене су амплитуда и фаза вибрација на фреквенцији ротације пропелера у почетном стању.
2. Током другог вожње, одређене су амплитуда и фаза вибрација након постављања пробне масе од 7 g на пропелер.
3. На основу ових података, софтвер је израчунао: корекциону масу М = 19,5 г под углом F = 32°.

Због конструктивних карактеристика пропелера, које нису дозвољавале постављање корекционог тега под потребним углом од 32°, постављена су два еквивалентна тега:

• M1 = 14 g под углом F1 = 0°
• M2 = 8,3 g под углом F2 = 60°

2.4. Вибрације у другим режимима рада

Резултати провера вибрација на другим режимима рада мотора током земаљских испитивања приказани су у Табели 2.1. Као што се може видети, балансирање је позитивно утицало на вибрације Јак-52 на свим режимима.

Штавише, током тестова на земљи, утврђен је јасан тренд значајног смањења вибрација са повећањем фреквенције ротације пропелера. То се може објаснити већим одступањем фреквенције ротације пропелера од природне фреквенције осцилација авиона на шасији (вероватно 20 Hz), што се јавља на вишим фреквенцијама ротације.

2.5. Вибрације у лету пре и после подешавања амортизера

Поред тестова вибрација на тлу након балансирања елисе (одељак 2.3), мерења вибрација Јак-52 су спроведена и у лету.

Вибрације у лету мерене су у кабини другог пилота у вертикалном смеру помоћу преносивог спектралног анализатора AD-3527 произвођача A&D (Јапан) у фреквентном опсегу од 5 до 200 (500) Hz. Мерења су вршена на пет главних режима брзине мотора: 60%, 65%, 70%, 82% и 94% максималне фреквенције ротације.

Резултати, добијени пре подешавања амортизера, приказани су у Табели 2.2.

Као што се види из Табеле 2.2, главне компоненте вибрација се јављају на фреквенцији ротације пропелера V_стр.1, фреквенција радилице V_ц1, погон ваздушног компресора (и/или сензора фреквенције) V_н, и њихове више хармонике.

Максимална укупна вибрација V_Σ је пронађена у режимима 82% (1580 обртаја у минути) и 94% (1830 обртаја у минути). Доминантна компонента у овим режимима појављује се на другом хармонику фреквенције ротације радилице V_ц2, достижући 12,5 мм/с при 4800 циклуса/мин и 15,8 мм/с при 5520 циклуса/мин.

Може се претпоставити да је ова компонента повезана са клипном групом (ударајући процеси који се јављају током двоструког кретања клипова по једном обртају радилице). Нагли пораст у режимима 82% (први номинални) и 94% (полетање) највероватније није узрокован дефектима клипне групе, већ резонантним осцилацијама мотора на његовим амортизерима. Овај закључак поткрепљују мерења природне фреквенције, која су открила фреквенције суспензије мотора на 74 Hz (4440 циклуса/мин), 94 Hz (5640 циклуса/мин) и 120 Hz (7200 циклуса/мин). Две од њих — 74 Hz и 94 Hz — су близу фреквенцијама другог хармоника радилице у првом номиналном и режиму рада при полетању.

Због значајних вибрација пронађених на V_ц2, проверена је и подешена сила затезања амортизера мотора. Упоредни резултати су приказани у Табели 2.3.

Као што се види из Табеле 2.3, подешавање апсорберa није довело до значајних промена у главним компонентама вибрација авиона.

Такође треба напоменути да је компонента неравнотеже пропелера V_стр.1 у режимима 82% и 94% је респективно 3–7 пута нижи од V_ц2 у тим режимима. У другим режимима лета, V_стр.1 креће се од 2,8 до 4,4 мм/с, а његове промене између режима углавном нису одређене квалитетом балансирања, већ степеном одступања од природних фреквенција структурних елемената авиона.

2.6. Закључци

2.6.1.

Балансирање елисе авиона Јак-52 на фреквенцији ротације од 1150 о/мин (601ТП3Т) омогућило је смањење вибрација на фреквенцији ротације елисе са 10,2 мм/с на 4,2 мм/с. Узимајући у обзир искуство акумулирано током балансирања елиса авиона Јак-52 и Су-29 коришћењем уређаја "Балансет-1", постоји реална могућност постизања још већег смањења нивоа вибрација — посебно, избором веће фреквенције ротације елисе током балансирања, што би омогућило веће одступање од природне фреквенције осцилација авиона на 20 Hz (1200 циклуса/мин) идентификоване током мерења.

2.6.2.

Као што показују тестови вибрација у лету (видети табеле 2.2 и 2.3), спектри вибрација авиона Јак-52 садрже, поред вибрација на фреквенцији ротације елисе V_стр.1, неколико других значајних компоненти — повезаних са радилицом V_ц1, В_ц2, В_ц3, клипна група мотора и ваздушни компресор (и/или сензор фреквенције) покрећу V_н.

У режимима брзине 60%, 65% и 70%, ове компоненте су по величини упоредиве са компонентом V неравнотеже пропелера_стр.1. Сходно томе, чак и потпуно елиминисање вибрација изазваних неравнотежом пропелера омогућило би смањење укупних вибрација авиона у овим режимима за највише приближно 1,5 пута.

2.6.3.

Максимална укупна вибрација V_Σ вибрација авиона Јак-52 пронађена је на режимима брзине 821ТП3Т (1580 обртаја елисе) и 941ТП3Т (1830 обртаја елисе). Доминантна компонента ове вибрације појављује се на другом хармонику фреквенције обртања радилице V_ц2, на фреквенцијама од 4800 циклуса/мин и 5520 циклуса/мин респективно, на којима достиже вредности од 12,5 мм/с и 15,8 мм/с.

Као што је приказано у одељцима 2.5 и 2.2, нагли пораст ове компоненте на назначеним режимима највероватније није узрокован дефектима клипне групе, већ резонантним осцилацијама мотора на његовим амортизерима. Подешавање силе затезања амортизера, извршено током испитивања, није довело до значајних промена у нивоима вибрација.

Ова ситуација се вероватно може сматрати пропустом у дизајну (конструктивни просчет) програмера авиона, признатих током избора система за ношење (вешање) мотора у телу авиона.

2.6.4.

Подаци добијени током балансирања елисе и додатно извршени вибрациони тестови указују на то да периодично праћење вибрација може бити корисно за дијагностичку процену техничког стања авионског мотора, укључујући процену стања клипне групе, радилице, лежајева мотора и погона ваздушног компресора.

Такав рад се може обавити, на пример, коришћењем уређаја "Балансет-1" (тренутно се производи као Балансет-1а), у чијем софтверу је имплементирана функција спектралне анализе вибрација.

3. Балансирање пропелера MTV-9-KC/CL 260-27 и истраживање вибрација авиона Су-29

3.1. Увод

Дана 15. јуна 2014. године изведени су радови на балансирању тролопатице елисе типа МТВ-9-КЦ/ЦЛ 260-27, уграђене на авијацијски мотор М-14П акробатског авиона Су-29.

Према подацима које је доставио произвођач (MT-Propeller), назначени пропелер је претходно био статички балансиран, што се види по присуству корективног тега инсталираног у фабрици на пропелеру у равни 1.

Балансирање елисе, инсталиране директно на излазном вратилу мењача Су-29 (тј. на месту њене сталне уградње), извршено је помоћу комплета за балансирање вибрација "Balanset-1", серијски број 149.

Шема мерења (слика 3.1) је генерално била слична оној која је коришћена за Јак-52. Сензор вибрација (акцелерометар) 1 је инсталиран на кућиште мењача мотора помоћу магнетног носача на специјално дизајнираном носачу. Ласерски сензор фазног угла 2 је такође био монтиран на кућиште мењача и оријентисан према рефлектујућој ознаци нанесеној на једну од лопатица елисе. Аналогни сигнали са сензора су се кабловима преносили до мерне јединице уређаја "Балансет-1", где је вршена прелиминарна дигитална обрада. Након тога, сигнали у дигиталном облику су улазили у рачунар, где је вршена софтверска обрада и израчунати су маса и угао корекционог тега потребни за компензацију неравнотеже елисе.

Пре овог рада, а узимајући у обзир искуство балансирања пропелера Јак-52, спроведене су додатне студије:

• одређивање природних фреквенција осцилација мотора и елисе Су-29;
• провера магнитуде и спектралног састава основне вибрације у кабини другог пилота пре балансирања.

3.2. Природне фреквенције осцилација мотора и пропелера

Користећи исту методу побуде удара са анализатором AD-3527, идентификовано је шест главних фреквенција у спектру суспензије мотора (слика 3.2): 16 Хз, 22 Хз, 37 Хз, 66 Хз, 88 Хз, 120 Хз.

Фреквенције од 66 Hz, 88 Hz и 120 Hz су вероватно директно повезане са особеностима система за ношење (вешање) мотора у телу авиона. Фреквенције од 16 Hz и 22 Hz су највероватније повезане са природним осцилацијама авиона у целини на његовој шасији. Што се тиче фреквенције од 37 Hz, она је вероватно повезана са природном фреквенцијом осцилација лопатице елисе авиона.

Ову последњу претпоставку потврђују резултати мерења природних фреквенција осцилација лопатица елисе (Сл. 3.3), у чијем спектру су идентификоване три главне фреквенције: 37 Hz, 100 Hz и 174 Hz.

Познавање природних фреквенција осовине мотора и лопатица елисе Су-29 је од суштинског практичног значаја. Прво, омогућава оправдан избор фреквенције ротације елисе ради балансирања, обезбеђујући максимално одступање од структурних резонанција авиона. Друго, пружа неопходну основу за исправно тумачење и дијагнозу узрока вибрација примећених при различитим режимима рада мотора, као што ће бити показано у наредним одељцима овог извештаја.

3.3. Основне вибрације кабине пре балансирања

Пре извођења поступка балансирања, спроведена су мерења основних нивоа вибрација у другој пилотској кабини Су-29. Као и у случају Јак-52, вибрације су мерене у вертикалном правцу помоћу преносивог спектралног анализатора AD-3527 произвођача A&D (Јапан) у фреквентном опсегу од 5 до 200 Hz. Мерења су извршена на четири главна режима брзине мотора, што одговара 60%, 65%, 70% и 82% максималне фреквенције ротације елисе.

Резултати ових мерења су приказани у Табели 3.1.

Главне компоненте вибрација се јављају на фреквенцији ротације пропелера V_стр.1, радилица V_ц1, погон компресора V_н, и други хармоник радилице V_ц2 (што се у случају тролопатице елисе може поклопити и са фреквенцијом пролаза лопатице V_п3).

У спектру мода 60%, такође је пронађена неидентификована компонента на 6120 циклуса/мин, вероватно узрокована резонанцом на приближно 100 Hz — једној од природних фреквенција лопатице пропелера.

Максимална укупна вибрација (11,5 мм/с) је пронађена у режиму 70%. Доминантна компонента у овом режиму је V_ц2 на 4020 циклуса/мин, достижући 10,8 мм/с. Ово нагло повећање на 70% је вероватно последица резонантних осцилација суспензије мотора близу 67 Hz (4020 циклуса/мин).

Такође треба напоменути да, поред ударних побуђења из клипне групе, на вибрације у овом фреквентном подручју могу утицати и аеродинамске силе на фреквенцији пролаза лопатица пропелера (V_п3). У режимима 65% и 82%, приметно повећање V_ц2 (В_п3) компонента се такође примећује, што се такође може објаснити резонантним осцилацијама појединачних компоненти авиона.

Компонента неравнотеже пропелера V_стр.1 кретала се од 2,4 до 5,7 мм/с у свим режимима пре балансирања, генерално ниже од V_ц2 на одговарајућим модовима. Његова варијација између модова одређена је не само квалитетом балансирања, већ и степеном одступања од природних фреквенција структурних елемената авиона.

3.4. Резултати балансирања

Балансирање пропелера је извршено у једној равни на фреквенцији ротације од 1350 о/мин, коришћењем два мерења (класична метода коефицијената утицаја). Комплетан протокол балансирања је дат у Прилог 1.

Поступак балансирања састојао се од следећих операција:

1. Током првог вожње (почетно стање), одређене су амплитуда и фаза вибрација на фреквенцији ротације пропелера.
2. Током другог вожње, одређене су амплитуда и фаза вибрација након постављања пробне масе познате тежине на пропелер.
3. На основу ових резултата мерења, софтвер је израчунао масу и угао уградње корективног тега у равни 1, неопходне за компензацију неравнотеже елисе.

Провера квалитета балансирања у лету није спроведена због случајног оштећења елисе током тренажног лета.

Разлози за назначено неслагање могу бити следећи:

• грешке мерног система балансирајућег постоља у производном погону (овај разлог се чини најмање вероватним);
• геометријске грешке (нетачности) монтажних површина вретена балансирајуће машине у производном погону, што узрокује радијално одступање пропелера на вретену;
• геометријске грешке (нетачности) монтажних површина излазног вратила мењача на авиону Су-29, што узрокује радијално одступање елисе приликом постављања на вратило мењача.

3.5. Закључци

3.5.1.

Балансирање елисе авиона Су-29 у једној равни на фреквенцији обртања елисе од 1350 о/мин (701ТП3Т) омогућило је смањење вибрација на фреквенцији обртања елисе са 6,7 мм/с у почетном стању на 1,5 мм/с након балансирања. Вибрације повезане са неравнотежом елисе на другим режимима брзине мотора такође су се значајно смањиле и остале су у границама од 1–2,5 мм/с.

3.5.2.

Да би се разјаснили разлози незадовољавајућих резултата балансирања елисе у фабрици производње (МТ-Пропелер), потребно је проверити радијално одступање елисе на излазном вратилу мењача мотора авиона Су-29.

Додатак 1: Протокол о балансирању