在现场条件下平衡飞机螺旋桨

1. 前言

两年半前，我们企业开始批量生产"Balanset-1"装置，该装置设计用于平衡旋转机构在其自身轴承中的重量。.

迄今为止，已生产超过180套。它们有效地应用于各个行业，包括风扇、鼓风机、电动机、机床主轴、泵、破碎机、分离器、离心机、万向节和曲轴组件以及类似机构的生产和运行。.

最近，Vibromera 收到了来自组织和个人的大量咨询，询问能否使用我们的设备在野外条件下平衡飞机和直升机螺旋桨。.

遗憾的是，尽管我们的专家在平衡各种机器方面拥有多年经验，但此前从未处理过这种特殊问题。因此，我们能够为客户提供的建议和推荐都比较笼统，并不总能帮助他们有效解决问题。.

今年春天，情况开始好转，这要归功于 VD Chvokov 的积极参与，他组织并与我们一起参与了 Yak-52 和 Su-29 飞机螺旋桨的平衡工作，而他本人就是这些飞机的飞行员。.

在此过程中，我们掌握了一些技能，并开发了一种利用"Balanset-1"装置在野外条件下平衡飞机螺旋桨的技术，其中包括：

• 确定在飞机上安装（安装）振动传感器和相位角传感器的位置和方法；;
• 确定飞机几个结构部件（发动机悬架、螺旋桨叶片）的共振频率；;
• 确定在平衡过程中能够实现最小残余不平衡的发动机转速（运行模式）；;
• 建立螺旋桨残余不平衡的容差范围。.

此外，还获得了关于装有 M-14P 发动机的飞机振动水平的有趣数据。

以下是根据这项工作成果汇编的报告材料。除了平衡结果外，报告还提供了在地面和飞行测试期间对雅克-52和苏-29飞机进行的振动调查数据。这些数据可能对飞行员和飞机维护专家都很有用。.

2. 雅克-52的平衡和振动调查

2.1.导言

2014 年 5 月至 7 月，对配备 M-14P 航空发动机的雅克-52 飞机进行了振动调查，并对其双叶螺旋桨进行了平衡。.

使用"Balanset-1"套件（序列号 149）在一个平面上进行平衡。.

测量方案如图 2.1 所示。在平衡过程中，振动传感器（加速度计） 1 激光相位角传感器通过磁性底座安装在发动机变速箱前盖上，底座安装在特制支架上。 2 还安装在变速箱盖上，并朝向螺旋桨叶片上的反光标记。.

来自传感器的模拟信号通过电缆传输到"Balanset-1"设备的测量单元，在那里进行初步的数字处理。这些数字信号随后进入计算机，由软件进行处理，计算出补偿螺旋桨不平衡所需的校正配重的质量和角度。.

在这项工作中，考虑到从苏-29和雅克-52螺旋桨平衡中获得的经验，还进行了许多额外的研究：

• 确定雅克-52发动机和螺旋桨振荡的固有频率；;
• 测量螺旋桨平衡后飞行过程中第二驾驶舱的振动幅度和频谱成分；;
• 在螺旋桨平衡后以及调整发动机减震器紧固力后测量振动。.

2.2. 发动机和螺旋桨振荡的固有频率

利用日本 A&D 公司生产的 AD-3527 型频谱分析仪，通过冲击激励，确定了安装在飞机机身减震器上的发动机振荡的固有频率。.

在雅克-52发动机悬架固有振动的频谱中（图2.2），确定了四个主要频率： 20赫兹、74赫兹、94赫兹、120赫兹.

74 Hz、94 Hz 和 120 Hz 的频率可能与发动机安装（悬挂）到机身的特性有关。20 Hz 的频率很可能与飞机起落架底盘的固有振动有关。.

采用冲击激励法测定了螺旋桨叶片的固有频率。确定了四个主要频率： 36赫兹、80赫兹、104赫兹和134赫兹.

发动机悬架和螺旋桨叶片固有振动频率的数据对于平衡过程中螺旋桨旋转频率的选择至关重要。选择该频率的主要条件是确保其与飞机结构元件固有振动频率之间具有最大的失谐，因为在共振频率下，振动测量的精度和重复性会受到显著影响。.

此外，了解各个部件的固有频率有助于识别飞机运行过程中可能出现的各种发动机转速模式下振动急剧增加（共振现象）的原因。.

2.3.平衡结果

如上所述，螺旋桨平衡是在一个平面内进行的，从而动态地补偿了螺旋桨的力不平衡。.

在两个平面上进行动态平衡（还可以补偿力矩不平衡）是不可行的，因为 Yak-52 的螺旋桨设计只允许一个修正平面。.

平衡是在 1150 rpm (60%) 的旋转频率下进行的，在该频率下，每次运行都能获得最稳定的振动测量结果，包括振幅和相位。.

采用经典的"两跑"战术：

1. 在第一次运行中，确定了初始状态下螺旋桨旋转频率处的振动幅值和相位。.
2. 在第二次运行中，在螺旋桨上安装 7 克试验质量后，确定了振动的振幅和相位。.
3. 基于这些数据，软件计算出：校正质量 M = 19.5 克 以一定角度 F = 32°.

由于螺旋桨的设计特点，无法将修正配重安装在所需的 32° 角，因此安装了两个等效配重：

• M1 = 14 g，角度 F1 = 0°
• M2 = 8.3 g，角度 F2 = 60°

2.4. 其他运行模式下的振动

表 2.1 列出了地面试验期间其他发动机运行模式下的振动检查结果。可以看出，平衡对 Yak-52 在所有模式下的振动产生了积极影响。.

此外，地面测试中发现，随着螺旋桨转速的增加，振动明显减小。这可以解释为，在高转速下，螺旋桨转速与飞机机身固有振动频率（推测为20 Hz）之间的失谐更大。.

2.5. 减震器调整前后的飞行中振动

除了螺旋桨平衡后的地面振动测试（第 2.3 节）外，还对 Yak-52 进行了飞行振动测量。.

使用日本A&D公司生产的AD-3527便携式频谱分析仪，在5至200（500）Hz的频率范围内，测量了第二驾驶舱在垂直方向上的飞行振动。测量是在五种主发动机转速模式下进行的：最大转速分别为60%、65%、70%、82%和94%。.

调整减震器之前获得的结果如表 2.2 所示。.

如表2.2所示，主要振动分量出现在螺旋桨旋转频率V处。_p1, 曲轴频率V_c1, 空气压缩机（和/或频率传感器）驱动 V_n, 及其高次谐波。.

最大总振动 V_Σ 在 82% (1580 rpm) 和 94% (1830 rpm) 模式下发现了该现象。这些模式下的主要成分出现在曲轴旋转频率 V 的二次谐波处。_c2, 在 4800 次/分钟时达到 12.5 毫米/秒，在 5520 次/分钟时达到 15.8 毫米/秒。.

可以推断，该成分与活塞组相关（曲轴每旋转一周，活塞进行两次运动时产生的冲击过程）。82%（第一额定工况）和 94%（起飞工况）模式下的急剧增加很可能并非由活塞组缺陷引起，而是由发动机在其减震器上的共振振荡所致。固有频率测量结果支持了这一结论，测量结果显示发动机悬架频率分别为 74 Hz（4440 次/分钟）、94 Hz（5640 次/分钟）和 120 Hz（7200 次/分钟）。其中两个频率——74 Hz 和 94 Hz——接近第一额定工况和起飞工况下的曲轴二次谐波频率。.

由于在V处发现了显著的振动_c2, 对发动机减震器的紧固力进行了检查和调整。对比结果见表2.3。.

从表 2.3 可以看出，减振器调整并未导致飞机主要振动分量发生显著变化。.

还应注意的是，螺旋桨不平衡分量V_p1 在模式 82% 和 94% 下，其值分别比 V 低 3-7 倍。_c2 在这些模式下。在其他飞行模式下，V_p1 速度范围为 2.8 至 4.4 毫米/秒，其模式之间的变化主要不是由平衡质量决定的，而是由与飞机结构元件固有频率的失谐程度决定的。.

2.6 结论

2.6.1.

在雅克-52飞机螺旋桨转速为1150转/分（60%）时进行平衡，可将螺旋桨在该转速下的振动从10.2毫米/秒降低至4.2毫米/秒。考虑到使用"Balanset-1"设备平衡雅克-52和苏-29飞机螺旋桨所积累的经验，完全有可能进一步降低振动水平——特别是通过在平衡过程中选择更高的螺旋桨转速，这将使螺旋桨与测量中确定的飞机固有振动频率20赫兹（1200次/分）之间的偏差更大。.

2.6.2.

飞行振动试验结果表明（见表2.2和表2.3），雅克-52飞机的振动频谱除了螺旋桨旋转频率V处的振动外，还包含其他振动频谱。_p1, 以及其他几个与曲轴V相关的关键部件_c1, V_c2, V_c3, 发动机活塞组和空气压缩机（和/或频率传感器）驱动V_n.

在 60%、65% 和 70% 的转速模式下，这些分量的大小与螺旋桨不平衡分量 V 相当。_p1. 因此，即使完全消除螺旋桨不平衡引起的振动，也只能使飞机在这些模式下的总振动减少约 1.5 倍。.

2.6.3.

最大总振动 V_Σ 在雅克-52飞机的82%（螺旋桨转速1580转/分）和94%（螺旋桨转速1830转/分）转速模式下发现了振动。该振动的主要分量出现在曲轴旋转频率V的二次谐波处。_c2, 分别以 4800 周期/分钟和 5520 周期/分钟的频率进行测试，此时速度分别达到 12.5 毫米/秒和 15.8 毫米/秒。.

如第2.5节和2.2节所示，该分量在指定模态下的急剧增加很可能并非由活塞组缺陷引起，而是由发动机在其减震器上的共振振动所致。测试期间调整减震器紧固力并未导致振动水平发生显著变化。.

这种情况大概可以被认为是设计上的疏忽（建设性计算飞机开发商在选择飞机机身发动机安装（悬挂）系统时承认了这一点。.

2.6.4.

在螺旋桨平衡过程中获得的数据以及额外进行的振动测试表明，周期性振动监测可用于诊断评估飞机发动机的技术状况，包括评估活塞组、曲轴、发动机轴承和空气压缩机驱动装置的状态。.

例如，可以使用"Balanset-1"设备（目前以……的名称生产）来完成此类工作。 平衡仪-1a），其中实现了光谱振动分析功能。.

3. MTV-9-KC/CL 260-27螺旋桨平衡及苏-29战斗机振动调查

3.1.导言

2014 年 6 月 15 日，对安装在 Su-29 特技飞机 M-14P 航空发动机上的 MTV-9-KC/CL 260-27 型三叶螺旋桨进行了平衡工作。.

根据制造商（MT-Propeller）提供的数据，所指示的螺旋桨已经过初步静态平衡，这可以从螺旋桨平面 1 上安装的校正配重得到证明，该配重是在制造厂安装的。.

螺旋桨直接安装在 Su-29 变速箱的输出轴上（即在其永久安装位置），使用"Balanset-1"振动平衡套件（序列号 149）进行平衡。.

测量方案（图 3.1）与 Yak-52 使用的方案基本相似。振动传感器（加速度计） 1 激光相位角传感器通过磁性底座安装在发动机变速箱壳体上，底座采用特制支架。 2 同样，传感器也安装在变速箱壳体上，并对准螺旋桨叶片上的反光标记。来自传感器的模拟信号通过电缆传输到"Balanset-1"设备的测量单元，在那里进行初步的数字处理。之后，数字信号输入计算机，由软件进行处理，计算出补偿螺旋桨不平衡所需的校正配重的质量和角度。.

在进行这项工作之前，并考虑到平衡雅克-52螺旋桨的经验，还进行了其他研究：

• 确定苏-29发动机和螺旋桨振荡的固有频率；;
• 在平衡之前，检查第二个驾驶舱内基准振动的幅值和频谱成分。.

3.2. 发动机和螺旋桨振荡的固有频率

使用 AD-3527 分析仪采用相同的冲击激励方法，在发动机悬架频谱中识别出六个主要频率（图 3.2）： 16赫兹、22赫兹、37赫兹、66赫兹、88赫兹、120赫兹.

频率 66 Hz、88 Hz 和 120 Hz 可能与飞机机身发动机安装（悬挂）系统的特性直接相关。频率 16 Hz 和 22 Hz 很可能与飞机整体在其底盘上的固有振动有关。至于频率 37 Hz，它可能与飞机螺旋桨叶片的固有振动频率有关。.

最后一个假设得到了螺旋桨叶片固有振动频率测量结果的证实（图 3.3），在频谱中确定了三个主要频率： 37赫兹、100赫兹和174赫兹.

了解苏-29发动机悬架和螺旋桨叶片的固有频率具有重要的实际意义。首先，它能够合理选择用于平衡的螺旋桨旋转频率，从而最大限度地降低与飞机结构共振的谐振频率。其次，它为正确解释和诊断各种发动机运行模式下观察到的振动原因提供了必要的基础，这将在本报告的后续章节中进行阐述。.

3.3. 平衡前的基线舱室振动

在进行平衡程序之前，对苏-29第二驾驶舱的基线振动水平进行了测量。与雅克-52类似，使用日本A&D公司的AD-3527便携式频谱分析仪，在5至200 Hz的频率范围内测量了垂直方向的振动。测量在四种主发动机转速模式下进行，分别对应于螺旋桨最大转速的60%、65%、70%和82%。.

这些测量结果如表 3.1 所示。.

主要振动分量出现在螺旋桨旋转频率 V 处。_p1, 曲轴 V_c1, 压缩机驱动V_n, 以及第二曲轴谐波V_c2 （在三叶螺旋桨的情况下，这可能也与叶片通过频率 V 相吻合）_p3).

在 60% 模式频谱中，还发现了一个 6120 周期/分钟的未识别分量，可能是由大约 100 Hz 的共振引起的——这是螺旋桨叶片的一个固有频率。.

在 70% 模式下，总振动幅度最大（11.5 mm/s）。该模式下的主要振动分量为 V。_c2 在 4020 次/分钟时，速度达到 10.8 毫米/秒。70% 的这种急剧增加可能是由于发动机悬架在 67 Hz（4020 次/分钟）附近的共振振荡造成的。.

还应注意的是，除了活塞组的冲击激励外，该频率范围内的振动还可能受到螺旋桨叶片通过频率（V）处的空气动力的影响。_p3在 65% 和 82% 模式下，V 值明显增加。_c2 (V_p3还观察到了分量，这同样可以用飞机各个部件的共振振荡来解释。.

螺旋桨不平衡分量 V_p1 平衡前，各模式下的速度范围为 2.4 至 5.7 毫米/秒，通常低于 V_c2 在相应的模态下。模态间的变化不仅取决于平衡的质量，还取决于与飞机结构元件固有频率的失谐程度。.

3.4.平衡结果

螺旋桨的平衡是在1350 rpm的转速下，于同一平面内进行的，采用两次测量（经典的冲击系数法）。完整的平衡流程见参考文献。 附录 1.

平衡程序包括以下步骤：

1. 在第一次运行（初始状态）期间，确定了螺旋桨旋转频率下的振动幅度和相位。.
2. 在第二次试验中，在螺旋桨上安装已知重量的试验质量后，确定了振动的振幅和相位。.
3. 根据这些测量结果，该软件计算出平面 1 中校正配重的质量和安装角度，以补偿螺旋桨不平衡。.

由于训练飞行期间螺旋桨意外损坏，因此未进行飞行中平衡质量的验证。.

造成上述差异的原因可能如下：

• 制造厂平衡台测量系统的误差（这个原因似乎最不可能）；;
• 制造厂平衡机主轴安装面的几何误差（不准确），导致主轴上的螺旋桨径向跳动；;
• 苏-29 飞机变速箱输出轴安装面的几何误差（不精确性）导致螺旋桨安装在变速箱轴上时产生径向跳动。.

3.5 结论

3.5.1.

在1350转/分（70%）的螺旋桨转速下，对苏-29飞机的螺旋桨进行单平面平衡，可使该转速下的振动从初始状态的6.7毫米/秒降低至平衡后的1.5毫米/秒。发动机其他转速模式下与螺旋桨不平衡相关的振动也显著降低，并保持在1-2.5毫米/秒的范围内。.

3.5.2.

为了查明制造厂（MT-Propeller）螺旋桨平衡结果不令人满意的原因，有必要检查苏-29飞机发动机变速箱输出轴上螺旋桨的径向跳动。.

附录 1：平衡协议