Вибрации силовой установки

Источниками возбуждения колебаний являются двигатель и воздушный винт. Амплитуда колебаний в отдельных случаях достигает такой величины, что затрудняется нормальная работа приборов и механизмов и может произойти разрушение элементов конструкции. Вибрации уменьшают срок службы и надежность деталей и оборудования, они могут явиться причиной усталостных разрушений конструкции. Двигатель создает вибрации двух типов: механические и звуковые колебания. Механические колебания создаются неуравновешенностью крутящего момента, неуравновешенными силами инерции поступательно движущихся частей, моментами этих сил и динамической неуравновешенностью вращающихся деталей двигателя. Аналогично этому воздушный винт вызывает механические и звуковые колебания. Механические импульсы вызываются неполной статической, динамической и аэродинамической балансировкой винта.

Статическая неуравновешенность винта возникает при условии, что ц. т. винта не совпадает с его осью вращения. Величина этих импульсов определяется допуском на балансировку винта.

Динамическая неуравновешенность винта получается в том случае, когда ц. т. отдельных лопастей не лежат в плоскости вращения винта.

Аэродинамическая неуравновешенность возникает вследствие того, что лопасти имеют различные установочные углы и, значит, неодинаковые значения тяги, или когда центры давления лопастей лежат на различном расстоянии от оси вращения. Аэродинамическая неуравновешенность имеет большую величину на винтах изменяемого шага при неправильной работе механизма поворота лопастей. При работе винта в полете возникают колебания, обусловленные гироскопическим эффектом винта. Эти колебания образуются в криволинейном движении самолета при наличии двухлопастных винтов вследствие неравенства моментов инерции винта относительно главных осей. Сказывается также влияние крыла на винт.

Возмущающие силы, возникающие при работе силовой установки, являются периодическими, кратными оборотам вращающихся частей двигателя и воздушного винта. Под действием этих сил конструкция совершает вынужденные колебания.

Так как на крепление действуют обычно несколько возмущающих периодических сил, то перемещения, вызванные этими силами, представляют собой результат наложения перемещений, вызванных каждой силой в отдельности. При этом важное значение имеет соотношение частот собственных колебаний р и возмущающих сил .

Частоты колебаний двигателя (винта) линейно зависят от скорости вращения ротора двигателя (винта). Порядок гармоник возмущающих сил и моментов двигателя, вызывающих вибрации, такой:

для ПД: , 1, 2, , (а—число цилиндров);

для ТРД и ТВД: 1, 2, ... Порядок винтовых гармоник для k-лопастного винта: 1, 2, .... k, mk (где m —- 2, 3, ...). Порядок гармоник определяется по отношению к скорости вращения коленчатого вала (для ПД), турбины (для ТРД и ТВД) и винта.

Наиболее опасными являются вибрации с частотой , 2 — для самолетов с ПД; — для самолетов с ТРД; , 2 — для самолетов с ТВД ( и — скорости вращения ротора двигателя и воздушного винта).

Для современных самолетов с ТВД остро встал вопрос о вибрациях, вызванных аэродинамическим воздействием винта на фюзеляж. Эти вибрации имеют сравнительно высокую частоту и могут приводить к усталостному разрушению различных элементов конструкции фюзеляжа, что особенно опасно для герметических кабин самолетов.

Обычно частота собственных колебаний крепления двигателя лежит в диапазоне частот возбуждающих колебаний, из-за чего может возникнуть резонанс. Сами по себе возмущающие силы двигателя имеют незначительную величину, но при резонансе создается большой динамический эффект.

Для получения минимальных усилий в креплении двигателя и выхода из зоны резонанса необходимо, чтобы частота собственных колебаний силовой установки была меньше, чем частота возмущающих сил.

Двигатель с агрегатами обладает шестью степенями свободы: поступательными перемещениями в направлении осей х, у, z и угловыми смещениями относительно этих осей. В зависимости от расположения ц. т. силовой установки и центра жесткости крепления двигателя собственные колебания могут быть раздельными, двухсвязными и трехсвязными. Раздельные колебания возникают, когда ц. т. силовой установки совпадает с ц. т. крепления двигателя. Обычно бывают трехсвязные колебания, при которых перемещение вдоль какой-либо оси вызывает перемещение и повороты относительно двух других осей.

Частота собственных колебаний силовой установки для колебания вдоль оси: , где — жесткость всей подвески в направлении искомого перемещения; М — масса силовой установки.

Жесткостью называется сила, производящая в направлении ее действия деформацию, равную единице.

Частота собственных колебаний силовой установки для колебания вокруг оси: , где R —жесткость всей подвески вокруг оси искомого колебания; I — момент инерции ротора двигателя относительно искомого колебания.

Жесткость силовой установки неодинакова в различных направлениях и зависит от жесткости крепления двигателя и амортизации, она подсчитываете я по формуле: , где -где – жесткость силовой установки по одному из направлений; К_К и К_А — жесткости крепления и амортизации по тем же направлениям.

Жесткость амортизации зависит от типа амортизаторов и их расположения относительно ц. т. силовой установки.

Используя явление резонанса, можно при помощи вибратора, который представляет собой динамически неуравновешенную систему, закрепленную на двигателе, определить частоту собственных колебаний силовой установки экспериментальным путем. При вращении вибратора в нем возникают неуравновешенные силы инерции, которые передаются на силовую установку. Под действием колебаний вибратора силовая установка начинает колебаться с частотой, равной частоте вибратора. Колебания регистрируются при помощи осциллографа. На основе анализа вибрационных режимов выявляют возбуждающие гармоники, их порядок, источник и резонансные режимы. Частота колебаний в момент резонанса и будет частотой собственных колебаний силовой установки.