1. Förord

För två och ett halvt år sedan inledde vårt företag serieproduktionen av enheten "Balanset-1", designad för att balansera rotationsmekanismer i sina egna lager.

Hittills har mer än 180 set tillverkats. De används effektivt inom olika industrier, inklusive produktion och drift av fläktar, blåsmaskiner, elmotorer, maskinspindlar, pumpar, krossar, separatorer, centrifuger, kardan- och vevaxelaggregat och liknande mekanismer.

Nyligen har Vibromera fått ett stort antal förfrågningar från organisationer och privatpersoner gällande möjligheten att använda vår utrustning för balansering av flygplans- och helikopterpropellrar i fältförhållanden.

Tyvärr hade våra specialister, trots många års erfarenhet av att balansera olika maskiner, aldrig tidigare hanterat just detta problem. De råd och rekommendationer vi kunde ge våra kunder var därför ganska generella och gjorde det inte alltid möjligt för dem att effektivt lösa den aktuella uppgiften.

Denna situation började förändras till det bättre i våras, tack vare VD Chvokovs aktiva engagemang, som organiserade och deltog tillsammans med oss i arbetet med att balansera propellrarna på Yak-52 och Su-29 flygplan, som han själv styr.

Under detta arbete förvärvades vissa färdigheter och en teknik för att balansera flygplanspropellrar i fältförhållanden med hjälp av "Balanset-1"-enheten utvecklades, inklusive:

• bestämma platser och metoder för installation (montering) av vibrations- och fasvinkelsensorer på flygplanet;
• bestämning av resonansfrekvenserna för flera strukturella element i flygplanet (motorupphängning, propellerblad);
• identifiering av motorns rotationsfrekvenser (driftslägen) som säkerställer minsta möjliga kvarvarande obalans under balansering;
• fastställande av toleranser för propellerns kvarvarande obalans.

Dessutom erhölls intressanta data om vibrationsnivåerna hos flygplan utrustade med M-14P-motorer.

Nedan följer rapportmaterialet som sammanställts utifrån resultaten av detta arbete. Utöver balanseringsresultaten presenteras data från vibrationsundersökningar av Yak-52 och Su-29 flygplan, erhållna under mark- och flygtester. Dessa data kan vara av intresse både för flygplanspiloter och för specialister som är involverade i deras underhåll.

2. Balanserings- och vibrationsundersökning av Yak-52

2.1. Inledning

I maj–juli 2014 utfördes arbete med vibrationsundersökningen av Yak-52-flygplanet, utrustat med M-14P-flygmotorn, och balanseringen av dess tvåbladiga propeller.

Balansering utfördes i ett plan med hjälp av byggsatsen "Balanset-1", serienummer 149.

Mätschemat visas i figur 2.1. Under balansering, vibrationssensor (accelerometer) 1 installerades på motorns växellådas framkåpa med hjälp av ett magnetiskt fäste på ett specialdesignat fäste. Laserfasvinkelsensor 2 installerades också på växellådskåpan och orienterades mot det reflekterande märket som var applicerat på ett av propellerbladen.

Analoga signaler från sensorerna överfördes via kablar till mätenheten i "Balanset-1"-enheten, där preliminär digital bearbetning utfördes. Dessa signaler i digital form matades sedan in i datorn, där programvarubearbetning utfördes och massan och vinkeln för den korrektionsvikt som behövdes för att kompensera för propellerns obalans beräknades.

Under detta arbete genomfördes ett antal ytterligare studier, med hänsyn till erfarenheterna från balansering av propellrarna på både Su-29 och Yak-52:

• bestämning av egenfrekvenserna för motorns och propellerns oscillationer i Yak-52;
• mätning av vibrationsmagnituden och den spektrala sammansättningen i den andra pilotens kabin under flygning efter propellerbalansering;
• mätning av vibrationer efter propellerbalansering och efter justering av motorns stötdämpares åtdragningskraft.

2.2. Naturliga frekvenser för motor- och propellersvängningar

De naturliga frekvenserna för motoroscillationerna, monterade på stötdämpare i flygplanskroppen, bestämdes med hjälp av en spektrumanalysator AD-3527 från A&D (Japan) genom stötexcitation.

I spektrumet av naturliga svängningar i Yak-52-motorupphängningen (Fig. 2.2) identifierades fyra huvudfrekvenser: 20 Hz, 74 Hz, 94 Hz, 120 Hz.

Frekvenserna 74 Hz, 94 Hz och 120 Hz är sannolikt relaterade till egenskaperna hos motorns montering (fjädring) på flygplanskroppen. Frekvensen 20 Hz är troligtvis förknippad med flygplanets naturliga svängningar på landningsställschassit.

Propellerbladens egenfrekvenser bestämdes också med hjälp av stötexcitationsmetoden. Fyra huvudfrekvenser identifierades: 36 Hz, 80 Hz, 104 Hz och 134 Hz.

Data om egenfrekvenserna för oscillationerna i motorupphängningen och propellerbladen är främst viktiga för att välja propellerns rotationsfrekvens under balansering. Huvudvillkoret för att välja denna frekvens är att säkerställa maximal avvikelse från egenfrekvenserna för oscillationerna i flygplanets strukturella element, eftersom vid resonansfrekvenser kan noggrannheten och repeterbarheten hos vibrationsmätningarna försämras avsevärt.

Dessutom kan kunskap om de enskilda komponenternas naturliga frekvenser vara användbar för att identifiera orsakerna till kraftiga ökningar av vibrationer (resonansfenomen) vid olika motorvarvtal, vilka kan uppstå under flygplanets drift.

2.3. Resultat av balansering

Som nämnts ovan utfördes propellerbalanseringen i ett plan, varigenom propellerns kraftobalans dynamiskt kompenserades.

Dynamisk balansering i två plan (vilket dessutom skulle kompensera för momentobalans) var inte genomförbar, eftersom propellerkonstruktionen på Yak-52 endast tillåter ett korrigeringsplan.

Balansering utfördes vid en rotationsfrekvens på 1150 rpm (60%), där de mest stabila vibrationsmätningarna, både i amplitud och fas, erhölls från körning till körning.

Det klassiska "tvåkörnings"-schemat användes:

1. Under den första körningen bestämdes vibrationsamplituden och -fasen vid propellerns rotationsfrekvens i initialt tillstånd.
2. Under den andra körningen bestämdes vibrationens amplitud och fas efter installation av en provmassa på 7 g på propellern.
3. Baserat på dessa data beräknade programvaran: korrigeringsmassa M = 19,5 g i vinkel F = 32°.

På grund av propellerns konstruktionsegenskaper, som inte tillät installation av korrigeringsvikten vid den erforderliga vinkeln på 32°, installerades två motsvarande vikter:

• M1 = 14 g vid vinkel F1 = 0°
• M2 = 8,3 g vid vinkel F2 = 60°

2.4. Vibration vid andra driftlägen

Resultaten av vibrationskontrollerna vid andra motordriftslägen under markprov presenteras i tabell 2.1. Som framgår påverkade balanseringen positivt vibrationerna hos Yak-52 i alla lägen.

Dessutom identifierades en tydlig trend av betydande vibrationsminskning med ökande propellerrotationsfrekvens under markprov. Detta kan förklaras av en större avstämning av propellerrotationsfrekvensen från flygplanets naturliga oscillationsfrekvens på chassit (förmodligen 20 Hz), vilket sker vid högre rotationsfrekvenser.

2.5. Vibrationer under flygning före och efter justering av stötdämpare

Utöver markvibrationstesterna efter propellerbalansering (avsnitt 2.3) utfördes även vibrationsmätningar av Yak-52 under flygning.

Vibrationer under flygning mättes i den andra pilotens kabin i vertikal riktning med hjälp av en bärbar spektrumanalysator AD-3527 från A&D (Japan) i frekvensområdet 5 till 200 (500) Hz. Mätningar gjordes vid fem huvudsakliga motorvarvtalslägen: 60%, 65%, 70%, 82% och 94% med maximal rotationsfrekvens.

Resultaten, erhållna före justering av stötdämparna, presenteras i tabell 2.2.

Som framgår av tabell 2.2 uppträder de huvudsakliga vibrationskomponenterna vid propellerns rotationsfrekvens V_p1, vevaxelfrekvensen V_c1, luftkompressorn (och/eller frekvenssensorn) driver V_n, och deras högre övertoner.

Maximal total vibration V_Σ hittades vid lägena 82% (1580 rpm) och 94% (1830 rpm). Den dominerande komponenten i dessa lägen uppträder vid den andra harmoniska övertonen av vevaxelns rotationsfrekvens V_c2, och når 12,5 mm/sek vid 4800 cykler/min och 15,8 mm/sek vid 5520 cykler/min.

Det kan antas att denna komponent är associerad med kolvgruppen (stötprocesser som sker under kolvarnas dubbla rörelse per vevaxelvarv). Den kraftiga ökningen vid lägena 82% (första nominella) och 94% (start) orsakas troligen inte av defekter i kolvgruppen, utan av motorns resonanta svängningar på dess stötdämpare. Denna slutsats stöds av mätningarna av egenfrekvensen, som visade motorns fjädringsfrekvenser vid 74 Hz (4440 cykler/min), 94 Hz (5640 cykler/min) och 120 Hz (7200 cykler/min). Två av dessa – 74 Hz och 94 Hz – ligger nära vevaxelns andra harmoniska frekvenser vid de första nominella driftlägena och startlägena.

På grund av de betydande vibrationerna som observerats vid V_c2, kontrollerades och justerades åtdragningskraften hos motorns stötdämpare. De jämförande resultaten presenteras i tabell 2.3.

Som framgår av tabell 2.3 ledde inte justeringen av dämparen till signifikanta förändringar i flygplanets huvudsakliga vibrationskomponenter.

Det bör också noteras att propellerns obalanskomponent V_p1 vid lägena 82% och 94% är respektive 3–7 gånger lägre än V_c2 i dessa lägen. I andra flyglägen, V_p1 varierar från 2,8 till 4,4 mm/sek, och dess växlingar mellan lägena bestäms huvudsakligen inte av balanseringens kvalitet, utan av graden av avstämning från de naturliga frekvenserna hos flygplanets strukturella element.

2.6. Slutsatser

2.6.1.

Genom att balansera propellern på Yak-52 vid en rotationsfrekvens på 1150 rpm (60%) kunde vibrationerna vid propellerns rotationsfrekvens minskas från 10,2 mm/sek till 4,2 mm/sek. Med beaktande av den erfarenhet som samlats under balanseringen av propellrar på både Yak-52 och Su-29 med hjälp av "Balanset-1"-anordningen, finns det en realistisk möjlighet att uppnå en ännu större minskning av vibrationsnivån – särskilt genom att välja en högre rotationsfrekvens för propellern under balanseringen, vilket i högre grad skulle möjliggöra avstämning från flygplanets naturliga svängningsfrekvens vid 20 Hz (1200 cykler/min) som identifierats under mätningarna.

2.6.2.

Som flygvibrationstesterna visar (se tabell 2.2 och 2.3) innehåller vibrationsspektra för Yak-52-flygplanet, utöver vibrationerna vid propellerrotationsfrekvensen V_p1, flera andra viktiga komponenter — associerade med vevaxeln V_c1, V_c2, V_c3, motorns kolvgrupp och luftkompressorn (och/eller frekvenssensorn) driver V_n.

Vid hastighetslägena 60%, 65% och 70% är dessa komponenter jämförbara i storlek med propellerobalanskomponenten V_p1. Följaktligen skulle även fullständig eliminering av vibrationerna orsakade av propellerobalans göra det möjligt att minska flygplanets totala vibration i dessa lägen med högst cirka 1,5 gånger.

2.6.3.

Maximal total vibration V_Σ för Yak-52-flygplanet observerades vid hastighetslägena 82% (propellerns varvtal 1580 varv/min) och 94% (propellerns varvtal 1830 varv/min). Den dominerande komponenten av denna vibration uppträder vid den andra harmoniska övertonen av vevaxelns rotationsfrekvens V_c2, vid frekvenser på 4800 cykler/min respektive 5520 cykler/min, vid vilka den når värden på 12,5 mm/sek och 15,8 mm/sek.

Som visas i avsnitt 2.5 och 2.2 orsakas den kraftiga ökningen av denna komponent vid de angivna lägena troligtvis inte av defekter i kolvgruppen, utan av motorns resonanta svängningar på dess stötdämpare. Justeringen av dämparens åtdragningskraft, som utfördes under testerna, ledde inte till signifikanta förändringar i vibrationsnivåerna.

Denna situation kan förmodligen betraktas som ett designfel (konstruktiv proschet) av flygplansutvecklarna, medgavs under valet av motorfäste (fjädring) i flygplanskroppen.

2.6.4.

Data som erhållits under propellerbalanseringen och de ytterligare utförda vibrationstesterna tyder på att regelbunden vibrationsövervakning kan vara användbar för diagnostisk bedömning av flygplansmotorns tekniska skick, inklusive utvärdering av kolvgruppens, vevaxelns, motorlagrens och luftkompressorns drivning.

Sådant arbete kan utföras till exempel med hjälp av enheten "Balanset-1" (som för närvarande produceras som Balanset-1A), i vars programvara funktionen för spektral vibrationsanalys är implementerad.

3. Balansering av MTV-9-KC/CL 260-27 propeller- och vibrationsundersökning av Su-29

3.1. Inledning

Den 15 juni 2014 utfördes arbete med balansering av den trebladiga propellern av typen MTV-9-KC/CL 260-27, installerad på M-14P-flygmotorn i det aerobatiska flygplanet Su-29.

Enligt uppgifter från tillverkaren (MT-Propeller) hade den angivna propellern preliminärt statiskt balanserats, vilket framgår av att en korrigeringsvikt installerades på propellern i plan 1 vid tillverkningsanläggningen.

Balansering av propellern, installerad direkt på utgående axel från Su-29-växellådan (dvs. på platsen för dess permanenta installation), utfördes med hjälp av vibrationsbalanseringssatsen "Balanset-1", serienummer 149.

Mätschemat (Fig. 3.1) var i allmänhet likt det som användes för Yak-52. Vibrationssensor (accelerometer) 1 installerades på motorns växellådas hus med hjälp av ett magnetiskt fäste på ett specialdesignat fäste. Laserfasvinkelsensor 2 monterades likaledes på växellådshuset och orienterades mot det reflekterande märket som var applicerat på ett av propellerbladen. Analoga signaler från sensorerna överfördes via kablar till mätenheten i "Balanset-1"-enheten, där preliminär digital bearbetning utfördes. Därefter matades signalerna in i datorn i digital form, där programvarubearbetning utfördes och massan och vinkeln för den korrigeringsvikt som behövdes för att kompensera för propellerobalansen beräknades.

Innan detta arbete, och med hänsyn till erfarenheterna från balansering av Yak-52-propellern, genomfördes ytterligare studier:

• bestämning av egenfrekvenserna för Su-29-motorns och propellerns oscillationer;
• kontroll av magnituden och den spektrala sammansättningen av baslinjevibrationer i den andra pilotens kabin före balansering.

3.2. Naturliga frekvenser för motor- och propelleroscillationer

Med samma stötexciteringsmetod som användes i AD-3527-analysatorn identifierades sex huvudfrekvenser i motorns fjädringsspektrum (bild 3.2): 16 Hz, 22 Hz, 37 Hz, 66 Hz, 88 Hz, 120 Hz.

Frekvenserna 66 Hz, 88 Hz och 120 Hz är förmodligen direkt relaterade till särdragen hos motorupphängningssystemet (fjädringen) i flygplanskroppen. Frekvenserna 16 Hz och 22 Hz är troligtvis förknippade med flygplanets naturliga svängningar som helhet på dess chassit. När det gäller frekvensen 37 Hz är den förmodligen relaterad till den naturliga frekvensen för svängningarna hos flygplanets propellerblad.

Detta sista antagande bekräftas av resultaten av mätningar av propellerbladens oscillationsfrekvenser (Fig. 3.3), i vars spektrum tre huvudfrekvenser identifierades: 37 Hz, 100 Hz och 174 Hz.

Kunskap om de naturliga frekvenserna hos motorupphängningen och propellerbladen på Su-29 är av stor praktisk betydelse. För det första möjliggör det ett motiverat val av propellerrotationsfrekvens för balansering, vilket säkerställer maximal avstämning från flygplanets strukturella resonanser. För det andra ger det den nödvändiga grunden för korrekt tolkning och diagnos av vibrationsorsaker som observeras vid olika motordriftlägen, vilket kommer att demonstreras i de efterföljande avsnitten i denna rapport.

3.3. Grundläggande kabinvibrationer före balansering

Innan balanseringsproceduren utfördes mätningar av baslinjevibrationsnivåerna i den andra pilotkabin på Su-29. Precis som i fallet med Yak-52 mättes vibrationerna i vertikal riktning med hjälp av den bärbara spektrumanalysatorn AD-3527 från A&D (Japan) i frekvensområdet 5 till 200 Hz. Mätningarna utfördes vid fyra huvudsakliga motorvarvtalslägen, motsvarande 60%, 65%, 70% och 82% av propellerns maximala rotationsfrekvens.

Resultaten av dessa mätningar presenteras i tabell 3.1.

De huvudsakliga vibrationskomponenterna uppträder vid propellerns rotationsfrekvens V_p1, vevaxel V_c1, kompressordrivning V_n, och den andra vevaxelns harmoniska V_c2 (vilket i fallet med trebladig propeller också kan sammanfalla med bladpassfrekvensen V_p3).

I 60%-lägesspektrumet hittades också en oidentifierad komponent vid 6120 cykler/min, möjligen orsakad av resonans vid cirka 100 Hz – en av propellerbladets naturliga frekvenser.

Maximal total vibration (11,5 mm/sek) observerades i 70%-läget. Den dominerande komponenten i detta läge är V_c2 vid 4020 cykler/min, vilket når 10,8 mm/sek. Denna kraftiga ökning vid 70% beror sannolikt på resonanta oscillationer i motorupphängningen nära 67 Hz (4020 cykler/min).

Det bör också noteras att, utöver stötexcitationerna från kolvgruppen, kan vibrationerna i detta frekvensområde också påverkas av aerodynamiska krafter vid propellerns bladpassagefrekvens (V_p3). I lägena 65% och 82%, en märkbar ökning av V_c2 (V_p3)-komponenten observeras också, vilket likaledes kan förklaras av resonanta oscillationer hos enskilda flygplanskomponenter.

Propellerns obalanskomponent V_p1 varierade från 2,4 till 5,7 mm/sek över lägena före balansering, generellt lägre än V_c2 vid motsvarande lägen. Dess variation mellan lägena bestäms inte bara av balanseringens kvalitet, utan också av graden av avstämning från de naturliga frekvenserna hos flygplanets strukturella element.

3.4. Resultat av balansering

Balansering av propellern utfördes i ett plan vid en rotationsfrekvens på 1350 rpm, med två mätomgångar (den klassiska metoden för influenskoefficienter). Det fullständiga balanseringsprotokollet ges i Bilaga 1.

Balanseringsproceduren bestod av följande operationer:

1. Under den första körningen (initialtillståndet) bestämdes vibrationsamplituden och -fasen vid propellerns rotationsfrekvens.
2. Under den andra körningen bestämdes vibrationsamplituden och -fasen efter att en provmassa med känd vikt installerats på propellern.
3. Baserat på dessa mätresultat beräknade programvaran massan och installationsvinkeln för korrigeringsvikten i plan 1, vilket var nödvändigt för att kompensera för propellerobalansen.

Verifiering av balanseringskvaliteten under flygning utfördes inte på grund av oavsiktlig skada på propellern under en träningsflygning.

Orsakerna till den angivna avvikelsen kan vara följande:

• fel i mätsystemet för balanseringsstativet vid tillverkningsanläggningen (denna orsak verkar vara den minst sannolika);
• geometriska fel (felaktigheter) på monteringsytorna på balanseringsmaskinens spindel i tillverkningsanläggningen, vilket orsakar radiell avvikelse av propellern på spindeln;
• geometriska fel (felaktigheter) på monteringsytorna på växellådans utgående axel på Su-29-flygplanet, vilket orsakar radiell avvikelse av propellern när den monteras på växellådans axel.

3.5. Slutsatser

3.5.1.

Genom att balansera propellern på Su-29-flygplanet i ett plan vid en propellerrotationsfrekvens på 1350 rpm (70%) kunde vibrationerna vid propellerrotationsfrekvensen minskas från 6,7 mm/sek i initialtillståndet till 1,5 mm/sek efter balansering. Vibrationerna i samband med propellerobalans vid andra motorhastigheter minskade också avsevärt och låg kvar inom 1–2,5 mm/sek.

3.5.2.

För att klargöra orsakerna till de otillfredsställande resultaten av propellerbalanseringen vid tillverkningsanläggningen (MT-Propeller) är det nödvändigt att kontrollera propellerns radiella utkast på utgående axel på motorns växellåda på Su-29-flygplanet.

Bilaga 1: Balanseringsprotokoll