Балансування повітряних гвинтів у польових умовах: професійний інженерний підхід
Головний інженер В.Д. Фельдман
БДТУ «Военмех» ім. Д. Ф. Устинова
Факультет озброєння та систем озброєння «Е»
Кафедра E7 «Механіка деформівного твердого тіла»
Головний інженер та розробник інструментів серії Balanset
За редакцією Н.А. Шелковенко
Оптимізовано за допомогою штучного інтелекту
Коли двигун літака відчуває надмірну вібрацію під час польоту, це не просто механічна проблема, а критична проблема безпеки, яка вимагає негайного втручання. Незбалансовані гвинти можуть призвести до катастрофічних поломок, що ставить під загрозу як цілісність літака, так і безпеку пілотів. Цей комплексний аналіз представляє перевірені в польових умовах методології для балансування пропелера використанням сучасного портативного обладнання, що базується на великому практичному досвіді роботи з різними типами літальних апаратів.
1. Передумови та мотивація для балансування польових гвинтів
Два з половиною роки тому наше підприємство розпочало серійне виробництво пристрою «Балансет 1», спеціально розробленого для балансування обертових механізмів у власних підшипникахЦей революційний підхід до обладнання для балансування поля змінило наш підхід до технічного обслуговування літаків.
На сьогоднішній день виготовлено понад 180 комплектів, які ефективно використовуються в різних галузях промисловості, включаючи виробництво та експлуатацію вентиляторів, повітродувок, електродвигунів, верстатних шпинделів, насосів, дробарок, сепараторів, центрифуг, карданних та колінчастих валів, інших механізмів. Однак, балансування пропелера літака застосування виявилося одним із найкритичніших та найскладніших.
Останнім часом наше підприємство отримало велику кількість запитів від організацій та приватних осіб щодо можливості використання нашого обладнання для балансування гвинтів літаків та вертольотів у польових умовахЦей сплеск інтересу відображає зростаюче усвідомлення важливості належного обслуговування гвинта в авіаційній безпеці.
На жаль, наші спеціалісти, маючи багаторічний досвід балансування різних машин, ніколи раніше не стикалися з цією специфічною авіаційною проблемою. Тому поради та рекомендації, які ми могли надати нашим клієнтам, були дуже загальними та не завжди дозволяли їм ефективно вирішувати складні проблеми, пов'язані з... аналіз вібрації літака і корекція дисбалансу гвинта.
Ця ситуація почала покращуватися цієї весни. Це сталося завдяки активній позиції В.Д. Чвокова, який організував та активно брав участь разом з нами в роботі над балансування пропелерів літаків Як-52 та Су-29, якими він пілотує. Його практичний авіаційний досвід у поєднанні з нашими інженерними знаннями створили ідеальну основу для розробки надійних процедури балансування гвинтів.
2. Комплексний аналіз балансування та вібрації гвинта пілотажного літака Як-52
2.1. Вступ до вдосконаленого моніторингу вібрації літаків
У травні – липні 2014 року було проведено масштабну роботу над вібраційне обстеження літака Як-52, оснащеного авіаційним двигуном М-14П, та балансування його дволопатевого гвинтаЦе комплексне дослідження є одним із найдетальніших аналізів динаміка гвинта літака будь-коли проводилися в польових умовах.
У "The балансування пропелера було виконано в одній площині з використанням балансувального комплекту «Balanset 1», серійний номер 149. Цей підхід до балансування в одній площині спеціально розроблений для динамічне балансування застосування, де співвідношення довжини ротора до діаметра дозволяє ефективну корекцію через одну площину корекції.
Схема вимірювання, що використовується під час балансування пропелера показано на рис. 2.1, де показано точне розташування датчика, критично важливе для точного аналіз вібрації.
Під час процес балансування гвинтаДатчик вібрації (акселерометр) 1 було встановлено на передній кришці коробки передач двигуна за допомогою магнітної системи кріплення на спеціально розробленому кронштейні. Таке розташування забезпечує оптимальне отримання сигналу, дотримуючись протоколів безпеки, необхідних для технічне обслуговування авіації.
Лазерний датчик фазового кута 2 також був встановлений на кришці редуктора та орієнтований на відбивну мітку, нанесену на одну з лопатей гвинта. Така конфігурація дозволяє точно вимірювати фазовий кут, що є важливим для визначення точного місцезнаходження корекція дисбалансу гвинта ваги.
Аналогові сигнали від датчиків передавались екранованими кабелями до вимірювального блоку пристрою «Balanset 1», де вони проходили складну цифрову попередню обробку для усунення шуму та покращення якості сигналу.
Потім ці сигнали в цифровому вигляді надсилалися на комп'ютер, де передові програмні алгоритми обробляли ці сигнали та розраховували масу та кут коригувальної ваги, необхідні для компенсації дисбаланс пропелераТакий обчислювальний підхід забезпечує математичну точність у балансувальні розрахунки.
Технічні анотації:
- Zk – головна шестерня коробки передач
- Zs – сателіти коробки передач
- Zn – нерухоме шестерне коробки передач
2.2. Розроблені передові методи та технології
Під час виконання цієї роботи було набуто певних критично важливих навичок та проведено комплексний технологія балансування повітряних гвинтів у польових умовах з використанням пристрою «Balanset 1» було розроблено, зокрема:
- Оптимізація встановлення датчиків: Визначення оптимальних місць та методів встановлення (кріплення) датчиків вібрації та фазового кута на конструкції літака для максимізації якості сигналу при одночасному забезпеченні дотримання вимог безпеки;
- Аналіз резонансної частоти: Визначення резонансних частот кількох конструктивних елементів літака (підвіска двигуна, лопаті гвинта) для уникнення збудження під час процедур балансування;
- Вибір режиму роботи: Визначення частот обертання двигуна (режимів роботи), що забезпечують мінімальний залишковий дисбаланс під час операції з балансування гвинтів;
- Стандарти якості: Встановлення допусків на залишковий дисбаланс гвинта відповідно до міжнародних авіаційних стандартів та вимог безпеки.
Крім того, цінні дані про рівні вібрації літаків оснащені двигунами М-14П, що значною мірою сприяло розвитку бази знань з технічного обслуговування авіації.
Нижче наведено детальні матеріали звіту, складені за результатами цих робіт. У них, окрім результати балансування гвинта, вичерпні дані про вібраційні дослідження наведено зображення літаків Як-52 та Су-29, отримані під час наземних та льотних випробувань.
Ці дані можуть становити значний інтерес як для пілотів літаків, так і для фахівців, що займаються технічне обслуговування літаків, надаючи практичні поради для покращення протоколи авіаційної безпеки.
Під час виконання цієї роботи, враховуючи досвід, отриманий у балансування пропелерів Щодо літаків Су-29 та Як-52, було проведено низку додаткових комплексних досліджень, зокрема:
- Аналіз власних частот: Визначення власних частот коливань двигуна та повітряного гвинта літака Як-52;
- Оцінка вібрації польоту: Перевірка величини та спектрального складу коливань у кабіні другого пілота під час польоту після балансування пропелера;
- Оптимізація системи: Перевірка величини та спектрального складу коливань у кабіні другого пілота під час польоту після балансування пропелера та регулювання сили затягування амортизаторів двигуна.
2.2. Результати досліджень власних частот коливань двигуна та гвинта
Власні частоти коливань двигуна, встановлених на амортизаторах у корпусі літака, визначалися за допомогою професійного аналізатора спектру AD-3527 виробництва A&D (Японія) шляхом контрольованого ударного збудження коливань двигуна. Ця методологія є золотим стандартом у... аналіз вібрації літака.
У спектрі власних коливань підвіски двигуна літака Як-52, приклад якого представлено на рис. 2.2, з високою точністю було визначено чотири основні частоти: 20 Гц, 74 Гц, 94 Гц, 120 Гц. Ці частоти є критично важливими для розуміння динамічна поведінка літака та оптимізація процедури балансування гвинтів.
Частотний аналіз та його наслідки:
Частоти 74 Гц, 94 Гц та 120 Гц, ймовірно, пов'язані зі специфічними характеристиками системи кріплення двигуна (підвіски) до корпусу літака. Цих частот слід ретельно уникати під час операції з балансування гвинтів щоб запобігти резонансному збудженню.
Частота 20 Гц, найімовірніше, пов'язана з власними коливаннями всього літака на шасі шасі, що представляє собою фундаментальний режим всієї конструкції літака.
Власні частоти лопатей гвинта також визначалися за допомогою того ж ретельного методу ударного збудження, що забезпечувало узгодженість методології вимірювання.
У цьому комплексному аналізі було визначено чотири основні частоти: 36 Гц, 80 Гц, 104 Гц та 134 Гц. Ці частоти представляють різні коливальні режими лопатей гвинта та є важливими для оптимізація балансування гвинта.
Інженерне значення:
Дані про власні частоти коливань гвинта та двигуна літака Як-52 можуть бути особливо важливими при виборі частота обертання гвинта використовується під час балансування. Головною умовою вибору цієї частоти є забезпечення її максимально можливого розладу від власних частот конструктивних елементів літака, тим самим уникаючи резонансних умов, які можуть посилювати коливання, а не зменшувати їх.
Крім того, знання власних частот окремих компонентів та частин літака може бути надзвичайно корисним для виявлення причин різкого збільшення (у разі резонансу) певних компонентів спектра вібрацій на різних режимах швидкості двигуна, що дозволяє розробляти стратегії прогнозного технічного обслуговування.
2.3. Результати балансування гвинта та аналіз продуктивності
Як зазначалося вище, балансування пропелера було виконано в одній площині, що призвело до ефективної динамічної компенсації дисбалансу сил гвинта. Цей підхід особливо підходить для гвинтів, у яких осьовий розмір відносно малий порівняно з діаметром.
Виконання динамічне балансування у двох площинах, що теоретично дозволило б компенсувати як силовий, так і моментний дисбаланс гвинта, було технічно неможливим, оскільки конструкція гвинта, встановленого на літаку Як-52, дозволяє утворити лише одну доступну площину корекції. Це обмеження є поширеним у багатьох установках гвинтів літаків.
У "The балансування пропелера виконувалося при ретельно підібраній частоті обертання 1150 об/хв (максимальна 60%), за якої можна було отримати найстабільніші результати вимірювання вібрації як з точки зору амплітуди, так і фази від початку до початку. Такий вибір частоти був критично важливим для забезпечення повторюваності та точності вимірювання.
У "The процедура балансування гвинта дотримувався стандартної для галузі схеми «двох проходів», яка забезпечує математично надійні результати:
- Початкове вимірювання: Під час першого запуску амплітуда та фаза коливань на частоті обертання гвинта в його початковому стані були визначені з високою точністю.
- Пробний забіг з вагою: Під час другого запуску визначалися амплітуда та фаза коливань на частоті обертання гвинта після встановлення на гвинт точно розрахованої пробної маси 7 г.
- Фаза розрахунку: На основі цих вичерпних даних за допомогою складних програмних алгоритмів було розраховано масу M = 19,5 г та кут встановлення коригувальної ваги F = 32°.
Проблема практичного впровадження та її рішення:
Через конструктивні особливості гвинта, які не дозволяють встановити коригувальний вантаж під теоретично необхідним кутом 32°, на гвинті було стратегічно встановлено два еквівалентні вантажі для досягнення однакового ефекту векторної суми:
- Вага M1 = 14 г під кутом F1 = 0° (референтне положення)
- Вага M2 = 8,3 г під кутом F2 = 60° (зміщене положення)
Такий підхід з подвійною вагою демонструє гнучкість, необхідну на практиці балансування пропелера літака операції, де теоретичні рішення необхідно адаптувати до реальних обмежень.
Досягнуті кількісні результати:
Після встановлення зазначених коригувальних вантажів на гвинт, вібрацію вимірювали при частоті обертання 1150 об/хв та пов'язували з дисбаланс пропелера різко зменшився з 10,2 мм/сек у початковому стані до 4,2 мм/сек після балансування – що представляє Покращення 59% у зменшенні вібрації.
Щодо кількісної оцінки фактичного дисбалансу, дисбаланс гвинта зменшився з 2340 г*мм до 963 г*мм, демонструючи ефективність процедура балансування поля.
2.4. Комплексна оцінка вібрації на різних робочих частотах
Результати перевірки вібрації літака Як-52, виконаної на інших режимах роботи двигуна, отримані під час комплексних наземних випробувань, представлені в таблиці 2.1. Цей багаточастотний аналіз дає важливе уявлення про ефективність балансування пропелера по всій операційній зоні.
Як чітко видно з таблиці, балансування пропелера Виконані роботи позитивно вплинули на вібраційні характеристики літака Як-52 у всіх його режимах роботи, демонструючи надійність балансувального рішення.
Таблиця 2.1. Результати вібрації в різних режимах роботи
| № | Налаштування потужності двигуна (%) | Частота обертання пропелера (об/хв) | Середньоквадратичне значення швидкості вібрації (мм/с) | Рейтинг покращення |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 60 | 1153 | 4.2 | Відмінно |
| 2 | 65 | 1257 | 2.6 | Видатний |
| 3 | 70 | 1345 | 2.1 | Видатний |
| 4 | 82 | 1572 | 1.25 | Винятковий |
2.5. Аналіз вібрації під час польоту до та після регулювання амортизатора
Більше того, під час комплексних наземних випробувань було виявлено значне зниження вібрація літака було виявлено зі збільшенням частоти обертання гвинта. Це явище дає цінне уявлення про взаємозв'язок між робочими параметрами та характеристики вібрації літака.
Це зменшення вібрації можна пояснити більшим ступенем розстроювання частоти обертання гвинта від власної частоти коливань літака на шасі (ймовірно 20 Гц), що відбувається при збільшенні частоти обертання гвинта. Це демонструє важливість розуміння динамічна поведінка літака для оптимальної роботи.
Окрім комплексних вібраційних випробувань, проведених після балансування пропелера На землі (див. розділ 2.3) було проведено детальні вимірювання вібрації літака Як-52 у польоті за допомогою сучасного обладнання.
Методологія льотних випробувань: Вібрацію під час польоту вимірювали в кабіні другого пілота у вертикальному напрямку за допомогою портативного аналізатора спектру вібрації моделі AD-3527 виробництва A&D (Японія) в діапазоні частот від 5 до 200 (500) Гц. Цей широкий діапазон частот забезпечує захоплення всіх значущих складових вібрації.
Вимірювання систематично проводилися на п'яти основних режимах обертання двигуна, відповідно рівних максимальній частоті обертання 60%, 65%, 70% та 82%, що забезпечувало повний аналіз робочого спектру.
Результати вимірювань, проведених перед регулюванням амортизаторів, представлені в розгорнутій таблиці 2.2 нижче.
Таблиця 2.2. Детальний аналіз компонентів спектру коливань
| Режим | Живлення (%) | Обороти на хвилину | Vв1 (Гц) | Підсилювач Vв1 | Vн (Гц) | Підсилювач Vн | Vк1 (Гц) | Підсилювач Vк1 | Vв2 (Гц) | Підсилювач Vв2 | Vк2 (Гц) | Підсилювач Vк2 | Загальний V∑ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 60 | 1155 | 1155 | 4.4 | 1560 | 1.5 | 1755 | 1.0 | 2310 | 1.5 | 3510 | 4.0 | 6.1 |
| 2 | 65 | 1244 | 1244 | 3.5 | 1680 | 1.2 | 1890 | 2.1 | 2488 | 1.2 | 3780 | 4.1 | 6.2 |
| 3 | 70 | 1342 | 1342 | 2.8 | 1860 | 0.4 | 2040 | 3.2 | 2684 | 0.4 | 4080 | 2.9 | 5.0 |
| 4 | 82 | 1580 | 1580 | 4.7 | 2160 | 2.9 | 2400 | 1.1 | 3160 | 0.4 | 4800 | 12.5 | 13.7 |
Як приклади детального спектрального аналізу, на рисунках 2.3 та 2.4 наведено фактичні графіки спектру, отримані під час вимірювання вібрації в кабіні літака Як-52 на режимах 601ТП3Т та 941ТП3Т, що використовувалися для комплексного збору даних у таблиці 2.2.
Комплексний спектральний аналіз:
Як видно з табл. 2.2, основні складові вібрації, виміряні в кабіні другого пілота, з'являються на частотах обертання гвинта Vв1 (виділено жовтим кольором), колінчастий вал двигуна Vк1 (виділено синім кольором), а також привід повітряного компресора (та/або датчик частоти) Vн (виділено зеленим кольором), а також на їх вищих гармоніках Vв2, Vв4, Vв5і Vк2, Vк3.
Максимальна загальна вібрація V∑ було виявлено на режимах швидкості 82% (1580 об/хв гвинта) та 94% (1830 об/хв), що вказує на специфічні резонансні умови в цих критичних робочих точках.
Основна складова цієї вібрації з'являється на 2-й гармоніці частоти обертання колінчастого валу двигуна Vк2 і відповідно досягає значних значень 12,5 мм/сек при частоті 4800 циклів/хв та 15,8 мм/сек при частоті 5520 циклів/хв.
Інженерний аналіз та виявлення першопричин:
Можна обґрунтовано припустити, що ця значна вібраційна складова пов'язана з роботою поршневої групи двигуна (ударні процеси, що відбуваються під час подвійного руху поршнів за один оберт колінчастого вала), що представляє фундаментальну динаміку двигуна.
Різке збільшення цієї складової на режимах 82% (перший номінальний) та 94% (злітний) найімовірніше викликане не механічними дефектами поршневої групи, а резонансними коливаннями двигуна, встановленого в корпусі літака на амортизаторах.
Цей висновок переконливо підтверджується раніше обговореними експериментальними результатами перевірки власних частот коливань підвіски двигуна, в спектрі яких присутні 74 Гц (4440 циклів/хв), 94 Гц (5640 циклів/хв) та 120 Гц (7200 циклів/хв).
Дві з цих власних частот, 74 Гц та 94 Гц, надзвичайно близькі до частот другої гармоніки обертання колінчастого вала, які виникають на першому номінальному та стартовому режимах двигуна, створюючи класичні резонансні умови.
Через значні вібрації на 2-й гармоніці колінчастого вала, виявлені під час комплексних вібраційних випробувань на першому номінальному та стартовому режимах двигуна, було проведено систематичну перевірку та регулювання зусилля затягування амортизаторів підвіски двигуна.
Порівняльні результати випробувань, отримані до і після налаштування амортизаторів на частоту обертання гвинта (Vв1) і 2-ї гармоніки частоти обертання колінчастого вала (Vк2) представлені в Таблиці 2.3.
Таблиця 2.3. Аналіз впливу регулювання амортизатора
| Режим | Живлення (%) | Об/хв (до/після) | Vв1 Раніше | Vв1 Після | Vк2 Раніше | Vк2 Після | Покращення |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 60 | 1155 / 1140 | 4.4 | 3.3 | 3.6 | 3.0 | Помірний |
| 2 | 65 | 1244 / 1260 | 3.5 | 3.5 | 4.1 | 4.3 | Мінімальний |
| 3 | 70 | 1342 / 1350 | 2.8 | 3.3 | 2.9 | 1.2 | Значний |
| 4 | 82 | 1580 / 1590 | 4.7 | 4.2 | 12.5 | 16.7 | Погіршився |
| 5 | 94 | 1830 / 1860 | 2.2 | 2.7 | 15.8 | 15.2 | Незначний |
Як видно з таблиці 2.3, регулювання амортизаторів не призвело до суттєвих покращень основних вібраційних компонентів літака, а в деяких випадках навіть призвело до незначного погіршення.
Аналіз ефективності балансування гвинтів:
Слід також зазначити, що амплітуда спектральної складової, пов'язаної з дисбаланс пропелера Vв1, виявлена в режимах 82% та 94% (див. таблиці 2.2 та 2.3), відповідно в 3-7 разів нижча за амплітуди Vк2, присутній у цих режимах. Це демонструє, що балансування пропелера був дуже ефективним у вирішенні основного джерела вібрації, пов'язаної з гвинтом.
На інших режимах польоту складова Vв1 коливається від 2,8 до 4,4 мм/с, що є прийнятним рівнем для нормальної експлуатації літака.
Більше того, як видно з таблиць 2.2 та 2.3, його зміни при переході з одного режиму в інший визначаються переважно не якістю балансування пропелера, а ступенем розлаштування частоти обертання гвинта від власних частот різних конструктивних елементів літака.
2.6. Професійні висновки та інженерні рекомендації
2.6.1. Ефективність балансування гвинта
У "The балансування гвинта літака Як-52, проведене при частоті обертання гвинта 1150 об/хв (60%), успішно досягло значного зниження вібрації гвинта з 10,2 мм/с до 4,2 мм/с, що свідчить про суттєве покращення плавності роботи літака.
Враховуючи великий досвід, накопичений під час балансування гвинтів літаків Як-52 та Су-29 Використовуючи професійний прилад «Балансет-1», можна впевнено припустити, що існує реальна можливість досягнення ще більшого зниження рівня вібрації гвинта літака Як-52.
Цього додаткового покращення можна досягти, зокрема, шляхом вибору іншої (вищої) частоти обертання гвинта під час процедури його балансування, що дозволяє більше відхилення від власної частоти коливань літака 20 Гц (1200 циклів/хв), яка була точно визначена під час комплексних випробувань.
2.6.2. Багатоджерельний вібраційний аналіз
Як показали результати комплексних вібраційних випробувань літака Як-52 у польоті, його вібраційні спектри (окрім вищезгаданої складової, що з'являється на частоті обертання гвинта) містять кілька інших суттєвих складових, пов'язаних з роботою колінчастого вала, поршневої групи двигуна, а також приводу повітряного компресора (та/або датчика частоти).
Величини цих коливань у режимах 60%, 65% та 70% порівнянні з величиною вібрації, пов'язаної з дисбаланс пропелера, що вказує на те, що кілька джерел вібрації впливають на загальну вібраційну сигнатуру літака.
Детальний аналіз цих коливань показує, що навіть повне усунення вібрації з дисбаланс пропелера зменшить загальну вібрацію літака в цих режимах не більше ніж у 1,5 раза, що підкреслює важливість цілісного підходу до управління вібрацією літака.
2.6.3. Ідентифікація критичного режиму роботи
Максимальна загальна вібрація V∑ літака Як-52 було виявлено на режимах швидкості 821ТП3Т (1580 об/хв гвинта) та 941ТП3Т (1830 об/хв гвинта), що визначило їх як критичні експлуатаційні умови, що потребують особливої уваги.
Основна складова цієї вібрації з'являється на 2-й гармоніці частоти обертання колінчастого валу двигуна Vк2 (при частотах 4800 циклів/хв або 5520 циклів/хв), де вона відповідно досягає значень 12,5 мм/с та 15,8 мм/с.
Можна обґрунтовано зробити висновок, що цей компонент пов'язаний з фундаментальною роботою поршневої групи двигуна (ударні процеси, що відбуваються під час подвійного руху поршнів за один оберт колінчастого вала).
Різке збільшення цієї складової на режимах 82% (перший номінальний) та 94% (злітний) найімовірніше викликане не механічними дефектами поршневої групи, а резонансними коливаннями двигуна, встановленого в корпусі літака на амортизаторах.
Систематичне регулювання амортизаторів, проведене під час випробувань, не призвело до суттєвого покращення вібраційних характеристик.
Цю ситуацію, ймовірно, можна розглядати як конструктивний аспект розробниками літаків під час вибору системи кріплення (підвіски) двигуна в корпусі літака, що вказує на потенційні області для оптимізації конструкції літака в майбутньому.
2.6.4. Рекомендації щодо діагностичного моніторингу
Вичерпні дані, отримані під час балансування пропелера та додаткові вібраційні випробування (див. результати льотних випробувань у розділі 2.5) дозволяють зробити висновок, що періодичні моніторинг вібрації може бути надзвичайно корисним для діагностичної оцінки технічного стану авіаційного двигуна.
Такі діагностичні роботи можна ефективно виконувати, наприклад, за допомогою професійного приладу «Балансет-1», в якому передове програмне забезпечення включає складні функції спектрального вібраційного аналізу, що дозволяє розробляти стратегії прогнозного обслуговування.
3. Комплексні результати балансування гвинта MTV-9-KC/CL 260-27 та дослідження вібрацій пілотажного літака Су-29
3.1. Вступ до балансування трилопатевого гвинта
15 червня 2014 року комплексний балансування трилопатевого гвинта MTV-9-KC/CL 260-27 Розрахунок авіаційного двигуна М-14П акробатичного літака Су-29 було проведено з використанням передових методів польового балансування.
За словами виробника, гвинт був попередньо статично збалансований на заводі, про що свідчить наявність коригувальної ваги в площині 1, встановленої на заводі-виробнику. Однак, як пізніше показав наш аналіз, балансування на заводі часто виявляється недостатнім для оптимальної роботи в польових умовах.
У "The балансування пропелера, безпосередньо встановлений на літак Су-29, було проведено з використанням професійного комплекту для балансування вібрацій «Balanset-1» серійний номер 149, що продемонструвало ефективність обладнання для балансування поля для авіаційних застосувань.
Схема вимірювання, що використовується під час балансування пропелера Процедура показана на рис. 3.1, що ілюструє точність, необхідну для балансування трилопатевого гвинта.
Під час процес балансування гвинтаДатчик вібрації (акселерометр) 1 був встановлений на корпусі коробки передач двигуна за допомогою магнітної системи кріплення на спеціально розробленому кронштейні, що забезпечувало оптимальне отримання сигналу для аналіз вібрації літака.
Лазерний датчик фазового кута 2 також був встановлений на корпусі редуктора та орієнтований на відбивну мітку, нанесену на одну з лопатей гвинта, що забезпечувало точне вимірювання фазового кута, необхідне для точного корекція дисбалансу гвинта.
Аналогові сигнали від датчиків передавались екранованими кабелями до вимірювального блоку пристрою «Балансет-1», де вони проходили складну цифрову попередню обробку для забезпечення якості та точності сигналу.
Потім ці сигнали надсилалися в цифровому вигляді на комп'ютер, де проводилася розширена програмна обробка цих сигналів та визначалася маса та кут нахилу коригувальної ваги, необхідні для компенсації дисбаланс пропелера були розраховані з математичною точністю.
Технічні характеристики коробки передач:
- Zk – головна шестерня коробки передач з 75 зубцями
- Zc – сателіти коробки передач у кількості 6 штук по 18 зубів кожен
- Zn – нерухоме шестерне коробки передач з 39 зубами
Перш ніж проводити цю комплексну роботу, враховуючи цінний досвід, отриманий балансування гвинта літака Як-52було проведено низку додаткових критичних досліджень, зокрема:
- Аналіз власних частот: Визначення власних частот коливань двигуна та гвинта літака Су-29 для оптимізації параметрів балансування;
- Базова оцінка вібрації: Перевірка величини та спектрального складу початкової вібрації в кабіні другого пілота перед балансуванням для встановлення базових умов.
3.2. Результати досліджень власних частот коливань двигуна та гвинта
Власні частоти коливань двигуна, встановлених на амортизаторах у корпусі літака, визначалися за допомогою професійного аналізатора спектру AD-3527 компанії A&D (Японія) шляхом контрольованого ударного збудження коливань двигуна, що забезпечувало точне... аналіз вібрації літака.
У спектрі власних коливань підвіски двигуна (див. рис. 3.2) з високою точністю було визначено шість основних частот: 16 Гц, 22 Гц, 37 Гц, 66 Гц, 88 Гц, 120 Гц. Цей комплексний частотний аналіз має вирішальне значення для оптимізації процедури балансування гвинтів.
Частотний аналіз та інженерна інтерпретація:
З цих визначених частот вважається, що частоти 66 Гц, 88 Гц та 120 Гц безпосередньо пов'язані зі специфічними характеристиками системи кріплення (підвіски) двигуна до корпусу літака, що являє собою структурні резонанси, яких необхідно уникати під час операції з балансування гвинтів.
Частоти 16 Гц та 22 Гц, найімовірніше, пов'язані з власними коливаннями всього літака на шасі, що представляють фундаментальні структурні режими літака.
Частота 37 Гц, ймовірно, пов'язана з власною частотою коливань лопаті гвинта літака, що є критичною динамічною характеристикою гвинта.
Це припущення підтверджується результатами перевірки власних частот коливань гвинта, також отриманих методом ретельного ударного збудження.
У спектрі власних коливань лопаті гвинта (див. рис. 3.3) було визначено три основні частоти: 37 Гц, 100 Гц та 174 Гц, що підтверджує кореляцію між власними частотами гвинта та двигуна.
Інженерне значення балансування гвинта:
Дані про власні частоти коливань лопатей гвинта та двигуна літака Су-29 можуть бути особливо важливими при виборі частота обертання гвинта використовується під час балансування. Головною умовою вибору цієї частоти є забезпечення її максимально можливої розладнаності від власних частот конструктивних елементів літака.
Більше того, знання власних частот окремих компонентів та частин літака може бути надзвичайно корисним для виявлення причин різкого збільшення (у разі резонансу) певних компонентів спектра вібрацій на різних режимах швидкості двигуна, що дозволяє розробляти стратегії прогнозного технічного обслуговування.
3.3. Перевірка вібрації в кабіні другого пілота літака Су-29 на землі перед балансуванням
Початкові вібраційні характеристики літака Су-29, визначені раніше балансування пропелера, вимірювалися у другій кабіні пілота у вертикальному напрямку за допомогою портативного вібраційного спектроаналізатора моделі AD-3527 компанії A&D (Японія) в діапазоні частот від 5 до 200 Гц.
Вимірювання систематично проводилися на чотирьох основних режимах швидкості обертання двигуна, відповідно рівних 60%, 65%, 70% та 82% його максимальної частоти обертання, що забезпечувало вичерпні базові дані для аналіз вібрації літака.
Отримані комплексні результати представлені в таблиці 3.1.
Таблиця 3.1. Базовий аналіз вібрації перед балансуванням гвинта
| Режим | Живлення (%) | Обороти на хвилину | Vв1 (мм/сек) | Vн (мм/сек) | Vк1 (мм/сек) | Vв3 (мм/сек) | Vк2 (мм/сек) | Загальний V∑ (мм/сек) | Оцінювання |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 60 | 1150 | 5.4 | 2.6 | 2.0 | – | – | 8.0 | Помірний |
| 2 | 65 | 1240 | 5.7 | 2.4 | 3.2 | – | – | 10.6 | Підвищений |
| 3 | 70 | 1320 | 5.2 | 3.0 | 2.5 | – | – | 11.5 | Високий |
| 4 | 82 | 1580 | 3.2 | 1.5 | 3.0 | – | 8.5 | 9.7 | Підвищений |
Як видно з таблиці 3.1, основні компоненти вібрації з'являються на частотах обертання гвинта Vв1колінчастий вал двигуна Vк1та приводу повітряного компресора (та/або датчика частоти) Vна також на 2-й гармоніці колінчастого вала Vк2 і, можливо, 3-ю (лопатеву) гармоніку гвинта Vв3яка близька за частотою до другої гармоніки колінчастого валу.
Детальний аналіз вібраційних компонентів:
Більше того, у спектрі вібрацій на швидкісному режимі 60% було виявлено неідентифіковану складову з розрахунковим спектром на частоті 6120 циклів/хв, що може бути викликано резонансом на частоті близько 100 Гц одного з конструктивних елементів літака. Таким елементом може бути гвинт, одна з власних частот якого становить 100 Гц, що демонструє складну природу вібраційні сигнатури літаків.
Максимальна сумарна вібрація літака V∑, що досягала 11,5 мм/с, була виявлена в режимі швидкості 70%, що вказує на критичний робочий стан, що потребує уваги.
Основна складова сумарної вібрації в цьому режимі з'являється на 2-й гармоніці (4020 циклів/хв) частоти обертання колінчастого валу двигуна Vк2 і дорівнює 10,8 мм/с, що є значним джерелом вібрації.
Аналіз першопричин:
Можна обґрунтовано припустити, що цей компонент пов'язаний з фундаментальною роботою поршневої групи двигуна (ударні процеси, що відбуваються під час подвійного руху поршнів за один оберт колінчастого вала).
Різке зростання цієї складової на режимі 701ТП3Т, ймовірно, пов'язане з резонансними коливаннями одного з елементів конструкції літака (підвіски двигуна в корпусі літака) на частоті 67 Гц (4020 циклів/хв).
Слід зазначити, що крім ударних збурень, пов'язаних з роботою поршневої групи, на величину вібрації в цьому діапазоні частот може впливати аеродинамічна сила, що проявляється на лопатевій частоті гвинта (Vв3).
На швидкісних режимах 65% і 82% помітне збільшення складової Vк2 (Vв3) також спостерігається, що також можна пояснити резонансними коливаннями окремих компонентів літака.
Амплітуда спектральної складової, пов'язаної з дисбаланс пропелера Vв1визначені на основних швидкісних режимах до балансування, становили від 2,4 до 5,7 мм/с, що в цілому нижче значення Vк2 на відповідних режимах.
Причому, як видно з табл. 3.1, її зміни при переході з одного режиму на інший визначаються не тільки якістю балансування, але і ступенем розстроювання частоти обертання гвинта від власних частот елементів конструкції літака.
3.4. Результати балансування гвинта та аналіз продуктивності
У "The балансування пропелера виконувалося в одній площині з ретельно підібраною частотою обертання. В результаті такого балансування динамічний дисбаланс сил гвинта був ефективно компенсований, що демонструє ефективність балансування в одній площині для цієї конфігурації трилопатевого гвинта.
Детальний протокол балансування наведено нижче у Додатку 1, де задокументовано повну процедуру забезпечення якості та використання в майбутньому.
У "The балансування пропелера було виконано при частоті обертання гвинта 1350 об/хв та включало два точні вимірювальні прогони відповідно до стандартних галузевих процедур.
Процедура систематичного балансування:
- Вимірювання початкового стану: Під час першого запуску амплітуда та фаза коливань на частоті обертання гвинта у початковому стані були визначені з високою точністю.
- Вимірювання пробної ваги: Під час другого запуску були визначені амплітуда і фаза коливань на частоті обертання гвинта після встановлення на гвинт пробного вантажу відомої ваги.
- Розрахунок та реалізація: На основі результатів цих вимірювань за допомогою передових обчислювальних алгоритмів було визначено масу та кут встановлення коригувальної ваги в площині 1.
Видатні результати балансування, досягнуті:
Після встановлення на гвинт розрахункового значення коригувального вантажу, яке становило 40,9 г, вібрація на цьому швидкісному режимі різко зменшилася з 6,7 мм/сек у початковому стані до 1,5 мм/сек після балансування – що представляє собою чудовий Покращення 78% у зменшенні вібрації.
Рівень вібрації, пов'язаний з дисбаланс пропелера на інших режимах швидкості також значно зменшився та залишався в допустимому діапазоні від 1 до 2,5 мм/с після балансування, що демонструє надійність балансувального рішення в усьому робочому діапазоні.
Перевірка впливу якості балансування на рівень вібрації літака в польоті, на жаль, не була проведена через випадкове пошкодження цього гвинта під час одного з навчальних польотів, що підкреслює важливість проведення комплексних випробувань одразу після процедур балансування.
Істотні відмінності від заводського балансування:
Слід зазначити, що результат, отриманий під час цього балансування польових гвинтів суттєво відрізняється від результату заводського балансування, що підкреслює важливість балансування гвинтів у їхній фактичній робочій конфігурації.
Зокрема:
- Зменшення вібрацій: Вібрація на частоті обертання гвинта після його балансування на місці постійної установки (на вихідному валу редуктора літака Су-29) зменшилася більш ніж в 4 рази;
- Корекція положення ваги: Коригувальна вага, встановлена під час процес балансування поля була зміщена відносно ваги, встановленої на заводі-виробнику, приблизно на 130 градусів, що свідчить про суттєві відмінності між заводськими та польовими вимогами до балансування.
Можливі першопричинні фактори:
Можливі причини цієї суттєвої розбіжності можуть включати:
- Виробничі допуски: Похибки системи вимірювання балансувального стенду виробника (малоймовірні, але можливі);
- Проблеми із заводським обладнанням: Геометричні похибки місць кріплення шпиндельної муфти балансувального верстата виробника, що призводить до радіального биття гвинта при установці на шпиндель;
- Фактори встановлення літака: Геометричні похибки місць кріплення муфти вихідного валу редуктора літака, що призводять до радіального биття гвинта при установці на вал редуктора.
3.5. Професійні висновки та інженерні рекомендації
3.5.1. Виняткова продуктивність балансування
У "The балансування гвинта літака Су-29, проведене в одній площині при частоті обертання гвинта 1350 об/хв (70%), успішно досягло значного зниження вібрації гвинта з 6,7 мм/с до 1,5 мм/с, демонструючи виняткову ефективність балансування польових гвинтів техніки.
Рівень вібрації, пов'язаний з дисбаланс пропелера в інших режимах швидкості також значно зменшилася та залишалася в межах цілком прийнятного діапазону від 1 до 2,5 мм/с, що підтверджує надійність балансувального рішення в усьому робочому спектрі.
3.5.2. Рекомендації щодо забезпечення якості
Щоб з'ясувати можливі причини незадовільних результатів балансування, виконаного на заводі-виробнику, наполегливо рекомендується перевірити радіальне биття гвинта на вихідному валу редуктора авіаційного двигуна, оскільки це є критичним фактором для досягнення оптимального результати балансування гвинта.
Це дослідження дасть цінне уявлення про відмінності між заводськими та балансування поля вимоги, що потенційно може призвести до вдосконалення виробничих процесів та процедур контролю якості.
Додаток 1: Протокол професійного балансування
ПРОТОКОЛ КОМПЛЕКСНОГО БАЛАНСУВАННЯ
Пропелер MTV-9-K-C/CL 260-27 пілотажного літака Су-29
1. Клієнт: В. Д. Чвоков
2. Місце встановлення гвинта: вихідний вал коробки передач літака Су-29
3. Тип пропелера: MTV-9-KC/CL 260-27
4. Метод балансування: зібрані на місці (у власних підшипниках), в одній площині
5. Частота обертання гвинта під час балансування, об/хв: 1350
6. Модель, серійний номер та виробник балансувального пристрою: «Балансет-1», заводський номер 149
7. Нормативні документи, які використовуються під час балансування:
7.1. _____________________________________________________________
_____________________________________________________________
8. Дата балансування: 15.06.2014
9. Зведена таблиця результатів балансування:
| № | Результати вимірювань | Вібрація (мм/сек) | Дисбаланс (г*мм) | Рейтинг якості |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Перед балансуванням *) | 6.7 | 6135 | Неприйнятно |
| 2 | Після балансування | 1.5 | 1350 | Відмінно |
| ISO 1940 Допуск для класу G 6.3 | 1500 | Стандартний | ||
*) Примітка: Балансування проводилося з коригувальним вантажем, встановленим виробником, який залишався на гвинті.
10. Професійні висновки:
10.1. Рівень вібрації (залишковий дисбаланс) після балансування гвинта встановлений на вихідному валу коробки передач літака Су-29 (див. с. 9.2), зменшився більш ніж у 4 рази порівняно з початковим станом (див. с. 9.1), що являє собою виняткове покращення плавності роботи літака.
10.2. Параметри коригувальної ваги (маса, кут встановлення), що використовуються для досягнення результату в п. 10.1, суттєво відрізняються від параметрів коригувальної ваги, встановленої виробником (МТ-гвинт), що вказує на принципові відмінності між заводськими та польовими вимогами до балансування.
Зокрема, на гвинт було встановлено додатковий коригувальний вантаж масою 40,9 г під час балансування поля, який був зміщений на кут 130° відносно встановленої виробником ваги.
(Під час додаткового балансування з гвинта не знімався встановлений виробником вантаж).
Можливі технічні причини:
Можливі причини цієї значної ситуації можуть включати:
- Помилки у вимірювальній системі балансувального стенду виробника;
- Геометричні похибки в місцях кріплення шпиндельної муфти балансувального верстата виробника, що призводить до радіального биття гвинта при установці на шпиндель;
- Геометричні похибки в місцях кріплення муфти вихідного валу редуктора літака, що призводять до радіального биття гвинта при установці на вал редуктора.
Рекомендовані кроки розслідування:
Щоб визначити конкретну причину, що призводить до збільшення дисбаланс пропелера при встановленні на вихідному валу коробки передач літака Су-29 необхідно:
- Перевірте систему вимірювання та геометричну точність місць кріплення шпинделя балансувального верстата, що використовується для балансування гвинта MTV-9-K-C/CL 260-27, на заводі-виробнику;
- Перевірити радіальне биття гвинта, встановленого на вихідному валу редуктора літака Су-29.
Виконавець:
Головний спеціаліст ТОВ "Кінематика"
Фельдман В.Д.
Часті запитання про балансування пропелерів літаків
Що таке балансування гвинтів і чому воно критично важливе для безпеки польотів?
Балансування гвинта – це прецизійна процедура, яка усуває дисбаланс у гвинтах літака шляхом додавання або зміни положення коригувальних вантажів. Незбалансовані гвинти створюють надмірну вібрацію, яка може призвести до структурної втоми, пошкодження двигуна та, зрештою, катастрофічної поломки. Наші польові дослідження показують, що правильне балансування може зменшити вібрацію до 781 TP3T, значно покращуючи безпеку та термін служби літака.
Чим відрізняється польове балансування гвинтів від заводського балансування?
Балансування польових гвинтів пропонує значні переваги порівняно із заводським балансуванням, оскільки враховує фактичні умови встановлення, включаючи допуски коробки передач, нерівності кріплення та повну динаміку літака. Наше дослідження Су-29 показало, що коригувальна вага, необхідна в польових умовах, була зміщена на 130° від заводської ваги, що підкреслює важливість балансування гвинтів в їх експлуатаційній конфігурації.
Яке обладнання потрібне для професійного балансування повітряних гвинтів?
Професійний балансування пропелера літака вимагає спеціалізованого обладнання, такого як пристрій Balanset-1, який включає прецизійні акселерометри, лазерні фазові датчики та передове програмне забезпечення для аналізу. Обладнання повинно бути здатним вимірювати вібрації в діапазоні від 0,1 до 1000 Гц з високою точністю та забезпечувати фазовий аналіз у режимі реального часу для правильного розрахунку розміщення ваги.
Як часто слід балансувати гвинти літака?
Частота балансування гвинта залежить від використання літака, але зазвичай його слід виконувати під час капітальних перевірок, після ремонту пошкоджень гвинта, коли помічено надмірну вібрацію або відповідно до рекомендацій виробника. Для аеробатичних літаків, таких як досліджувані Як-52 та Су-29, може знадобитися частіше балансування через вищі умови навантаження.
Які допустимі рівні вібрації після балансування гвинта?
Згідно зі стандартами ISO 1940 для класу G 6.3, залишковий дисбаланс не повинен перевищувати 1500 г*мм. Наш практичний досвід показує, що відмінні результати досягаються при рівні вібрації нижче 2,5 мм/с RMS, а видатні результати досягають 1,5 мм/с або нижче. Ці рівні забезпечують безпечну експлуатацію та мінімальне структурне напруження літака.
Чи може балансування гвинта усунути всі коливання літака?
Поки балансування пропелера хоча він значно зменшує вібрації, пов'язані з гвинтом, він не може повністю усунути вібрації літака. Наш комплексний аналіз показав, що гармоніки колінчастого вала двигуна, динаміка поршневої групи та структурні резонанси сприяють загальній вібрації. Навіть ідеальне балансування гвинта зазвичай зменшує загальну вібрацію літака лише в 1,5 раза, що підкреслює необхідність комплексних підходів до управління вібрацією.
Рекомендації експертів для авіаційних фахівців
Для операторів повітряних суден:
- Впроваджуйте регулярно моніторинг вібрації як частина програм профілактичного обслуговування
- Розглянемо балансування польових гвинтів краще, ніж покладатися виключно на заводське балансування
- Встановіть базові вібраційні характеристики для кожного літака вашого флоту
- Навчіть обслуговуючий персонал належним процедурам балансування та протоколам безпеки
Для техніків з технічного обслуговування:
- Завжди враховуйте власні частоти під час вибору балансування обертів двигуна
- Використовуйте професійне обладнання, таке як Balanset, для точних вимірювань.
- Документуйте всі процедури балансування для забезпечення якості та відстеження
- Зрозумійте, що балансування гвинта є лише одним із компонентів загального управління вібрацією
Для пілотів:
- Негайно повідомляйте про будь-які незвичайні вібрації обслуговуючому персоналу
- Зрозумійте, що різні режими польоту можуть демонструвати різні характеристики вібрації
- Майте на увазі, що деякі вібрації можуть бути пов'язані зі структурою, а не з гвинтом.
- Прихильник регулярного балансування пропелера як інвестиція в безпеку
UK 
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
RU 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
VI