Om balansering av flygplanets propeller i fältmiljö. Del 1

1. V.D. Feldman

Chefstekniker för OU Vibromera

Vid balansering av flygplanets propeller i fältmiljö

 "Propellern är flygplanets förare,

och för att balansera det kan bara en striver"

1. I i stället för ett förord

För två och ett halvt år sedan började vårt företag massproducera Balanset-1, som är avsedd för balansering av rotormekanismer i sina egna lager.

Hittills har mer än 180 uppsättningar tillverkats, som används effektivt inom olika branscher, inklusive tillverkning och drift av fläktar, utsug, elmotorer, arbetsspindlar, pumpar, krossar, separatorer, centrifuger, drivaxlar och vevaxlar och andra mekanismer.

På senare tid har vårt företag fått ett stort antal förfrågningar från organisationer och privatpersoner om möjligheten att använda vår utrustning för att balansera propellrar på flygplan och helikoptrar i fältmiljö.

Tyvärr har våra specialister, som har stor erfarenhet av att balansera en mängd olika maskiner, aldrig hanterat detta problem. De råd och rekommendationer vi kunde ge våra kunder var därför av allmän karaktär och gjorde det inte alltid möjligt för dem att lösa problemet på ett effektivt sätt.

I våras började situationen förändras till det bättre tack vare den aktiva inställningen från V. D. Chvokov, som organiserade och tog, tillsammans med oss, den mest aktiva delen i arbetet med att balansera propellrar på YAK-52 och SU-29, där han är pilot.

Fig. 1.1. Yak-52 på flygfältet

Fig. 1.2. SU-29 på parkeringsområdet

Under denna process har vi lärt oss en viss färdighet och teknik för att balansera propellrar på flygplan i fältmiljö med hjälp av Balanset-1, inklusive:

• Fastställande av platser och metoder för installation (montering) av vibrationsgivare och fasvinkel på anläggningen;
• Bestämning av resonansfrekvenser för ett antal av flygplanets strukturella element (motorupphängning, propellerblad);
• Identifiering av motorns rotationshastigheter (driftlägen), vilket ger en minimal kvarstående obalans i balanseringsprocessen;
• fastställande av toleranser för kvarvarande obalans i propellern, etc.

Dessutom har vi fått intressanta uppgifter om vibrationsnivåerna i de flygplan som är utrustade med M-14P-motorer.

Nedan ges förslag på rapporteringsmaterial baserat på resultaten av dessa arbeten.

Tillsammans med resultaten av balanseringen innehåller de data från vibrationsmätningar av YAK-52 och SU-29 som erhållits under tester på marken och under flygning.

Dessa uppgifter kan vara av intresse både för piloter och för underhållsspecialister.

2. Resultaten av balanseringen av propellern och vibrationsprovningen av konstflygplanet YAK-52

2.1. Inledning

I maj-juli 2014 utförde vi vibrationstestning av YAK-52 utrustad med M-14P flygplansmotor, samt balansering av dess tvåbladiga propeller.

Balansering utfördes i samma plan med balanseringssetet Balanset-1, anläggning nr 149.

Det mätsystem som används vid balanseringen visas i figur 2.1.

Under balanseringsprocessen används vibrationssensorn (accelerometern) 1 monterades på motorväxelns främre kåpa med hjälp av en magnet på ett speciellt fäste.

Lasersensor för mätning av fasvinkeln 2 var också monterad på växellådslocket och styrdes av en reflekterande etikett som var fäst på ett av propellerbladen.

De analoga signalerna från sensorerna överfördes via kablar till mätenheten i Balanset-1, där den preliminära digitala bearbetningen utfördes.

Vidare överfördes dessa signaler i digital form till datorn, som bearbetade dem och beräknade massan och installationsvinkeln för den korrigeringsvikt som krävs för att kompensera för obalansen på propellern.

Fig. 2.1. Mätschema för balansering av propellern på YAK-52.

Zk - huvudväxelhjul;

Zс - redskap satelliter;

Zn - fast kugghjul.

Under detta arbete, med hänsyn till erfarenheterna av att balansera propellrar från SU-29 och YAK-52, utförde vi ett antal ytterligare studier, inklusive:

• bestämning av naturliga svängningsfrekvenser för motorn och propellern i YAK-52;
• Undersökning av värdet och den spektrala sammansättningen av vibrationer i andrepilotens cockpit under flygning efter balansering av propellern;
• Undersökning av vibrationsvärdet och den spektrala sammansättningen i andrepilotens cockpit under flygning efter balansering av propellern och justering av motordämparens åtdragningskraft.

2.2. Resultaten av studier av motorns och propellerns egenfrekvenser.

Egenfrekvenserna för den motor som är monterad på dämparna i flygplanskroppen bestämdes med hjälp av spektrumanalysatorn AD-3527, f. A @ D, (Japan), genom stötexcitering av motorns svängningar.

Vi bestämde 4 huvudfrekvenser, nämligen: 20 Hz, 74Hz, 94 Hz, 120 Hz i spektrumet av naturliga svängningar i motorupphängningen på YAK-52, varav ett exempel visas i fig. 2.2.

Fig. 2.2. Spektrum av naturliga svängningsfrekvenser för motorupphängningen på YAK-52

Frekvenser på 74Hz, 94Hz, 120Hz är förmodligen förknippade med funktionerna för montering (upphängning) av motorn på flygplanets kropp.

Frekvensen 20Hz är troligen förknippad med flygplanets svängningar på chassit.

Propellerbladens naturliga svängningsfrekvenser bestämdes också med hjälp av stötexcitationsmetoden.

I detta fall har vi funnit fyra huvudfrekvenser, nämligen: 36Hz, 80Hz, 104Hz och 134Hz.

Uppgifterna om egenfrekvenserna för svängningar hos propellern och motorn i YAK-52 kan vara av största vikt vid valet av den propellerrotationsfrekvens som används vid balanseringen. Det viktigaste villkoret för att välja denna frekvens är att säkerställa dess största möjliga avvikelse från de naturliga svängningsfrekvenserna för flygplanets strukturella element.

Dessutom kan kunskap om de naturliga svängningsfrekvenserna för enskilda komponenter och delar av luftfartyget vara användbar för att identifiera orsakerna till en kraftig ökning (i fallet med resonans) av vissa komponenter i vibrationsspektrumet vid olika motorvarvtal.

2.3. Balansering av resultat.

Som vi noterade ovan var propellern balanserad i samma plan, vilket ledde till att kompensation gavs för propellerns kraftobalans i dynamik.

Dynamisk balansering i två plan var inte möjlig, vilket gör det möjligt (utöver kraftplanet) att kompensera för propellerns momentobalans, eftersom utformningen av propellern monterad på YAK-52 gör det möjligt att bilda endast ett korrigeringsplan.

Propellern balanserades vid en rotationsfrekvens på 1 150 rpm (60%), vid vilken det var möjligt att erhålla de mest stabila resultaten av vibrationsmätning i amplitud och fas från start till start.

Propellern var balanserad enligt det klassiska "två start"-schemat.

Under den första uppstarten bestämde vi amplituden och fasen för vibrationen vid frekvensen för propellerrotationen i utgångsläget.

Under den andra uppstarten bestämde vi amplituden och fasen för vibrationen vid propellerrotationens frekvens efter att ha fixerat provmassan till 7 g.

Med hänsyn till dessa data beräknade vi massan M = 19,5 g på ett programmatiskt sätt och installationsvinkeln för korrigeringsvikten F = 32.

Med hänsyn till propellerns konstruktion, som inte gör det möjligt att placera korrigeringsvikten i den erforderliga vinkeln, fästs två likvärdiga vikter på propellern, inklusive:

• M1 vikt = 14g på vinkeln F1 = 0º;
• M1 vikt = 8,3 g på vinkeln F1 = 60º.

Efter att ovanstående korrigeringsvikter placerats på propellern minskade den vibration som uppmättes vid en rotationshastighet på 1 150 rpm och som förknippades med propellerns obalans från 10,2 mm/s i utgångsläget till 4,2 mm/s efter balanseringen.

Samtidigt minskade den faktiska obalansen i propellern från 2.340 g*mm till 963 g*mm.

2.4. Provning av balanseringens inverkan på vibrationsnivån hos YAK-52 på marken vid olika propellerhastigheter

Tabell 2.1 visar resultaten från vibrationsprovningen av YAK-52, utförd under andra driftförhållanden för motorn som erhållits under provningar på marken.

Som framgår av tabellen hade balanseringen en positiv inverkan på vibrationerna hos YAK-52 i alla driftlägen.

Tabell 2.1

Under tester på marken upptäcktes dessutom en tendens att avsevärt minska vibrationerna i ett flygplan med en ökad rotationshastighet för propellern.

Detta fenomen kan förklaras med att propellerns rotationshastighet i högre grad avviker från den naturliga svängningsfrekvensen för flygplanet på chassit (förmodligen 20 Hz), vilket inträffar när propellerns rotationshastighet ökar.

2.5. Undersökning av vibrationerna hos YAK-52 i luften i de huvudsakliga flyglägena före och efter justering av spjällens åtdragningskraft

Utöver de vibrationsprov som utfördes efter balansering av propellern på marken (se avsnitt 2.3) gjorde vi mätningar av vibrationerna hos YAK-52 under flygning.

Vibrationer under flygning mättes i andrepilotens cockpit i vertikal riktning med hjälp av en bärbar vibrationsspektrumanalysator AD-3527 f. A@D (Japan) inom frekvensområdet 5-200 (500) Hz.

Mätningarna utfördes vid fem huvudmotorvarvtal som motsvarade 60%, 65%, 70% respektive 82% av dess maximala rotationshastighet.

Resultaten av mätningarna som gjordes innan spjällen justerades visas i tabell 2.2.

Tabell 2.2

Fig. 2.3 och 2.4 visar diagram över de spektra som erhölls vid mätning av vibrationer i cockpit på YAK-52 i lägena 60% och 94% och som användes vid ifyllandet av tabell 2.2.

Fig.2.3. Vibrationsspektrum i cockpit på YAK-52 vid 60%.

Figur 2.4. Vibrationsspektrum i cockpit. Vibrationsspektrum i cockpit på YAK-52 vid 94%.

Som framgår av tabell 2.2 uppträder de huvudsakliga vibrationskomponenterna, uppmätta i andrepilotens cockpit, vid propellerns rotationshastighet Vv1 (gulmarkerad), motorns vevaxel Vk1 (blåmarkerad) och luftkompressorns drivväxel (och/eller frekvensgivare) Vn (grönmarkerad), samt vid deras högre harmoniska Vv2, Vv4, Vv5 och Vk2, Vk3.

Maximal total vibration Vå  upptäcktes vid hastigheterna 82% (1 580 varv per minut för propellern) och 94% (1 830 varv per minut).

Huvudkomponenten i denna vibration manifesterar sig vid 2^nd harmoniska av motorns vevaxelhastighet Vk2 och når följaktligen värdena 12,5 mm/s vid en frekvens av 4800 cykler/min och 15,8 mm/s vid en frekvens av 5 520 cykler/min.

Det kan antas att denna komponent är förknippad med driften av motorns kolvblock (chockprocesser när kolvarna flyttas två gånger under ett varv på vevaxeln).

Den kraftiga ökningen av denna komponent i lägena 82% (första nominella) och 94% (start) orsakas sannolikt inte av defekter i kolvgruppen, utan av resonanssvängningar i motorn som sitter fast i flygplanskroppen på dämparen.

Denna slutsats bekräftas av ovanstående resultat från den experimentella verifieringen av motorupphängningens naturliga svängningsfrekvenser, i vars spektrum det finns 74Hz (4 440 cykler/min), 94Hz (5640 cykler/min) och 120Hz (7 200 cykler/min).

Två av dessa naturliga frekvenser, lika med 74 och 94 Hz, ligger nära frekvenserna för 2^nd harmonisk av vevaxelns rotationshastighet, som äger rum i de första nominella och startvärdena för motordrift.

På grund av att vi under vibrationstesterna avslöjade betydande vibrationer vid 2^nd harmoniska vevaxeln i den första nominella och startklassade motorn, gjordes en ansträngning för att kontrollera och justera åtdragningskraften hos motorns upphängningsdämpare.

Tabell 2.3 visar de jämförande provningsresultaten före och efter justering av dämparna för propellerns rotationshastighet (Vv1) och 2^nd harmonisk av vevaxelns rotationsfrekvens (Vk2).

Tabell 2.3

Som vi kan se i tabell 2.3 ledde justeringen av dämparna inte till några betydande förändringar av värdena för de viktigaste komponenterna i flygplansvibrationen.

Med hänsyn till ovanstående är det möjligt att betrakta en märkbar ökning av vibrationskomponenten för YAK-52 i de första nominella lägena och startlägena (enligt vår åsikt) som en konstruktiv felbedömning av flygplanskonstruktörerna, som gjordes när de valde ett motormonteringssystem (upphängning) i flygplanskroppen.

I detta avseende bör vi notera att amplituden hos den spektrala komponent som är förknippad med obalans av propellern Vv1, upptäckt i 82% lägen och 94% (se tabell 1.2 och 1.3), respektive, 3-7 gånger lägre än amplituderna Vk2 i dessa lägen.

I andra flyglägen ligger Vv1-komponenten inom 2,8-4,4 mm/s.

Dessutom, som tabell 2.2 och 2.3 visar, under övergången från ett läge till ett annat bestäms dess förändringar huvudsakligen inte av balanseringens kvalitet, utan av graden av avstämning av propellerns rotationshastighet från de naturliga svängningsfrekvenserna för vissa strukturella element i flygplanet.

2.6. Slutsatser om resultaten av arbetet

2.6.1. Balansering av propellern på YAK-52, utförd vid en rotationsfrekvens på 1150 rpm (60%), gjorde det möjligt att minska propellervibrationen från 10,2 mm/s till 4,2 mm/s.

Med hänsyn till vissa erfarenheter från balanseringen av propellrar på YAK-52 och SU-29 med Balanset-1, kan vi anta att det finns en möjlighet att ytterligare minska vibrationsnivån hos propellern på YAK-52.

Denna effekt kan framför allt uppnås genom att välja en annan (högre) rotationsfrekvens för propellern under balanseringen, vilket gör det möjligt att i högre grad frigöra sig från den naturliga svängningsfrekvensen på 20 Hz (1 200 cykler/min) som uppmättes under provningen.

2.6.2. Som resultaten av vibrationsprovningarna av YAK-52 under flygning visar, har dess vibrationsspektra (förutom den komponent som nämns ovan i punkt 2.6.1, som uppträder vid propellerns rotationsfrekvens) ett antal andra komponenter som är relaterade till driften av vevaxeln, motorns kolvgrupp och även luftkompressorns drivväxel (och/eller frekvenssensor).

Värdena för ovanstående vibrationer i lägena 60%, 65% och 70% är proportionella mot värdet för den vibration som är förknippad med obalansen i propellern.

En analys av dessa vibrationer visar att även om man helt eliminerar vibrationerna från propellerns obalans kommer flygplanets totala vibrationer i dessa lägen inte att minska mer än 1,5 gånger.

2.6.3. Den maximala totala vibrationen Vå av YAK-52 upptäcktes i höghastighetsmodus, dvs: 82% (1 580 varv per minut för propellern) och 94% (1 830 varv per minut för propellern).

Huvudkomponenten i denna vibration manifesterar sig vid 2^nd övertonen i vevaxelns rotationsfrekvens Vk2 (vid frekvenser på 4 800 cykler/min eller 5 520 cykler/min), vid vilken värden på 12,5 mm/s respektive 15,8 mm/s uppnås.

Det kan antas att denna komponent är relaterad till driften av motorns kolvgrupp (chockprocesser som uppstår när kolvarna flyttas två gånger under ett vevaxelvarv).

Den kraftiga ökningen av denna komponent i lägena 82% (första nominella) och 94% (start) orsakas troligen inte av defekter i kolvgruppen, utan av resonanssvängningar i motorn, som fixeras i flygplanskroppen på dämpare.

Under provningarna ledde justering av dämparna inte till några betydande förändringar i vibrationerna.

Denna situation kan betraktas som en konstruktiv felberäkning av flygplanskonstruktörerna, som gjordes när de valde monteringssystem (upphängning) för motorn i flygplanskroppen.

2.6.4. De data som erhållits under balansering och ytterligare vibrationsprov (se resultaten av flygprov i avsnitt 2.5) tillåter oss att dra slutsatsen att periodisk vibrationsövervakning kan vara användbar för diagnostisk utvärdering av det tekniska tillståndet hos en flygmotor.

En sådan procedur kan t.ex. utföras med hjälp av Balanset-1, vars programvara implementerar funktionen för spektral vibrationsanalys.