航空發(fā)動機(jī)電氣附件絕緣性能測試系統(tǒng)設(shè)計

石旭東　夏友斌　王家林　孫兆榮

(中國民航大學(xué)航空地面特種設(shè)備民航研究基地，天津　300300)

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航空發(fā)動機(jī)電氣附件絕緣性能測試系統(tǒng)設(shè)計

石旭東夏友斌王家林孫兆榮

(中國民航大學(xué)航空地面特種設(shè)備民航研究基地，天津300300)

針對目前國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)電氣附件絕緣性能測試時間長、精度低、誤差大等問題，提出了基于數(shù)據(jù)庫驅(qū)動的航空發(fā)動機(jī)電氣附件絕緣性能測試系統(tǒng)。利用LabVIEW圖形化編程環(huán)境和工控機(jī)、兆歐表、矩陣開關(guān)之間的網(wǎng)絡(luò)通信，實現(xiàn)了對任意航空發(fā)動機(jī)型號中電氣附件絕緣性能的自動測試、故障診斷和定位。試驗驗證表明，該系統(tǒng)可用于電氣附件的絕緣性能測試，實現(xiàn)了測試自動化，并且具有較高的測試速度和測量精度。

航空發(fā)動機(jī)電氣附件傳感器工控機(jī)絕緣性能測試自動化診斷網(wǎng)絡(luò)通信LabVIEW

DiagnosisNetworkcommunicationLabVIEW

0　引言

航空發(fā)動機(jī)內(nèi)部有大量的電氣附件，主要包括各種電阻器件、傳感器、分流器、電路連接裝置、電路保護(hù)裝置和電路控制裝置等,可以分為純電子、機(jī)電一體和機(jī)械三類。它們用于獲取各種電氣參數(shù)、調(diào)節(jié)相關(guān)控制系統(tǒng)、在電路故障時進(jìn)行切斷和保護(hù)等。航空發(fā)動機(jī)內(nèi)部的電氣附件工作環(huán)境十分惡劣，其絕緣介質(zhì)不可避免地承受著熱、電、磁、化學(xué)、機(jī)械等諸多因素的作用。在這些因素的共同作用下，航空發(fā)動機(jī)電氣附件的絕緣介質(zhì)會發(fā)生絕緣老化現(xiàn)象，并最終導(dǎo)致電氣附件出現(xiàn)絕緣故障。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)役的各型號發(fā)動機(jī)附件故障占發(fā)動機(jī)故障的70%以上，成為影響發(fā)動機(jī)可靠性指標(biāo)的主要因素。因此，設(shè)計航空發(fā)動機(jī)電氣附件絕緣性能測試系統(tǒng)具有重要意義[1-4]。

1　附件維修問題

在整個航空發(fā)動機(jī)的電氣設(shè)備中，電氣附件數(shù)量多、形式多樣、分布廣、工作原理各不相同。目前，國內(nèi)電氣附件維修過程中主要存在以下問題。

①為了降低航空發(fā)動機(jī)全壽命周期成本、提高其可靠性，發(fā)動機(jī)維修廠商采用視情況維修的方式盡量減少對發(fā)動機(jī)的拆卸。這種情況將導(dǎo)致潛在的電氣附件故障在發(fā)動機(jī)服役的過程中暴露，給飛行安全帶來較大的隱患。

②雖然發(fā)動機(jī)電子控制組件(engineelectroniccontrol,EEC)可以對電氣附件線路進(jìn)行自檢，但是由于電氣附件存在大量的冗余設(shè)計,EEC無法將故障定位到某一具體的電氣附件。在發(fā)動機(jī)進(jìn)場大修時，對于EEC檢測到的故障，需要根據(jù)飛機(jī)手冊，對電氣附件線路進(jìn)行測試，以使后續(xù)的維修更具針對性。同時，這種維修方法采用分離儀器人工點對點的測試，會占用大量的維修時間，又易造成漏檢、誤檢等人為差錯。

③若電氣附件出現(xiàn)屏蔽網(wǎng)絲穿透絕緣層這種類型的故障時，會產(chǎn)生時斷時連的間接性故障。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于地面停車狀態(tài)時，這種情況是難以發(fā)現(xiàn)的；而在實際的運(yùn)行過程中，由于發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的振動，間歇故障才表現(xiàn)出來。對于這種情況，目前還沒有有效的技術(shù)設(shè)備予以應(yīng)對。

④電氣附件絕緣層磨損故障十分隱蔽，在未造成故障之前很被難發(fā)現(xiàn)。目前仍缺乏有效的技術(shù)手段解決此類隱蔽性故障。

⑤目前，我國在役民用航空發(fā)動機(jī)種類繁多，而且隨著航空事業(yè)的發(fā)展，發(fā)動機(jī)的型號也會越來越多。國內(nèi)目前的電氣附件檢測系統(tǒng)大多針對單一型號的發(fā)動機(jī)，不能隨意擴(kuò)展。

在保證航空發(fā)動機(jī)完整性的前提下，開發(fā)能夠?qū)θ我庑吞柡娇瞻l(fā)動機(jī)進(jìn)行絕緣性能檢測的航空發(fā)動機(jī)電氣附件絕緣性能測試系統(tǒng)是十分必要的[5-7]。

本文開發(fā)了基于數(shù)據(jù)庫驅(qū)動的航空發(fā)動機(jī)電氣附件絕緣性能測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)將工控機(jī)、兆歐表和矩陣開關(guān)組成檢測平臺，并利用LabVIEW編寫的測試程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠在不對發(fā)動機(jī)進(jìn)行任何改動的地面停車狀態(tài)下,完成各種型號航空發(fā)動機(jī)內(nèi)部所有電氣附件的絕緣性能測試自動化，并定位到故障的電氣附件。

2　測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計

通過對維修手冊的整理和統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，航空發(fā)動機(jī)電氣附件中需要進(jìn)行絕緣測試的點共有127處。不同的電氣附件所需要的絕緣測試電壓不同，其絕緣標(biāo)準(zhǔn)值也各不相同。相關(guān)統(tǒng)計表明，某一型號發(fā)動機(jī)電氣附件絕緣測試電壓范圍為50～500V，絕緣標(biāo)準(zhǔn)值范圍為50～200 000kΩ。

為了能夠完成航空發(fā)動機(jī)電氣附件絕緣性能測試的自動化，兆歐表需要能夠與待測的127處檢測點分別建立測量回路，以完成遍歷測量，并提供電氣附件所需要進(jìn)行絕緣測試的電壓。

為了在不拆卸航空發(fā)動機(jī)的情況下，完成對電氣附件絕緣性能的測試，需要在測試設(shè)備與發(fā)動機(jī)吊艙之間使用特制的轉(zhuǎn)接電纜。測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

測試設(shè)備主要由以下部分組成。

①兆歐表，用來測量測試點絕緣阻值的設(shè)備。飛機(jī)維修手冊中明確規(guī)定了127處測試點進(jìn)行絕緣測試時的測試電壓和最小絕緣阻值，測試電壓范圍是50～500VDC，測量絕緣阻值范圍是50～200 000kΩ。兆歐表采用的是Keysight公司的B2987A，內(nèi)置±1 000V電壓源，可測量高達(dá)10pΩ的電阻，支持LabVIEW編程和網(wǎng)口控制。

②矩陣開關(guān)，用來完成航空發(fā)動機(jī)電氣附件絕緣測試與故障定位的設(shè)備。對矩陣開關(guān)的每一個端口進(jìn)行端口定義，每一個端口對應(yīng)不同的電氣附件，以實現(xiàn)系統(tǒng)的定位功能。通過程序控制不同矩陣開關(guān)的閉合，實現(xiàn)了兆歐表與每個待測電氣附件之間的測量回路。矩陣開關(guān)采用的是Pickering公司的LXI60-310-302，其擁有600路通道，可以承受750V直流電壓，支持LabVIEW編程和網(wǎng)口控制。

③工控機(jī)，是整個測試系統(tǒng)的載體，控制兆歐表和矩陣開關(guān)的運(yùn)行，完成電氣附件的絕緣性能測試與數(shù)據(jù)分析，并顯示故障電氣附件的參數(shù)信息和位置。工控機(jī)采用的是PXI公司智能平板AMC58234。

④轉(zhuǎn)接電纜，是測試系統(tǒng)與待測發(fā)動機(jī)之間的連接橋梁。航空發(fā)動機(jī)內(nèi)部的電氣附件均和連接器EEC連接，為了不對發(fā)動機(jī)進(jìn)行任何改動，需要通過ZIF轉(zhuǎn)接插頭與本測試系統(tǒng)接口進(jìn)行對接。

⑤路由器，用于組成局域網(wǎng)，完成工控機(jī)、兆歐表和矩陣開關(guān)之間的通信。

用戶通過航空發(fā)動機(jī)電氣附件絕緣測試系統(tǒng)的人機(jī)交互界面啟動程序。工控機(jī)首先通過路由器控制兆歐表輸出直流電壓；隨后，根據(jù)測量要求，閉合矩陣開關(guān)中相對應(yīng)的開關(guān)點；待兆歐表測量出電氣附件數(shù)據(jù)后，工控機(jī)將測得的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比分析；最后，將測量得到的電氣附件參數(shù)、位置與故障判斷結(jié)果顯示在界面上，供用戶查看。硬件系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2　硬件系統(tǒng)工作流程圖

3　測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1軟件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

航空發(fā)動機(jī)電氣附件絕緣性能測試系統(tǒng)所實現(xiàn)的目標(biāo)如下。

①實現(xiàn)對任意型號航空發(fā)動機(jī)電氣附件絕緣性能測試的自動化。測試設(shè)備將自動采集所有需要進(jìn)行絕緣測試的測試點，并對測試點進(jìn)行絕緣測量。

②實現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)電氣附件絕緣性能診斷與定位。測試設(shè)備采集到電氣附件絕緣值后，分析數(shù)據(jù)，判斷電氣附件是否出現(xiàn)故障，對故障電氣附件定位。

③實現(xiàn)自動生成數(shù)據(jù)報表，并可以瀏覽歷史數(shù)據(jù)及打印。對每一次測試自動建立excel表格，并保存數(shù)據(jù)及測試結(jié)果，可以對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽或者打印。

啟動航空發(fā)動機(jī)電氣附件絕緣測試系統(tǒng)時，需要填寫航空發(fā)動機(jī)的類型和序號，系統(tǒng)自檢正常后，可以根據(jù)用戶需要進(jìn)行人工絕緣測試和自動絕緣測試，也可以對歷史測試數(shù)據(jù)進(jìn)行查看、打印。軟件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示[8]。

圖3　軟件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

3.2測試程序設(shè)計

在LabVIEW程序設(shè)計過程中，首先設(shè)計整個系統(tǒng)的通信功能，然后設(shè)計航空發(fā)動機(jī)電氣附件絕緣性能的測試與故障定位功能。系統(tǒng)通信[9-10]主要包括兩部分，分別是工控機(jī)與兆歐表之間的通信、工控機(jī)與矩陣開關(guān)之間的通信。在固定工控機(jī)、兆歐表和矩陣開關(guān)的IP地址后，通過交換機(jī)組成一個局域網(wǎng)。在LabVIEW虛擬平臺中，工控機(jī)、兆歐表和矩陣開關(guān)之間通過IP地址進(jìn)行通信。

軟件系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

圖4　軟件系統(tǒng)流程圖

4　試驗結(jié)果

對航空發(fā)動機(jī)電氣附件絕緣性能測試系統(tǒng)進(jìn)行試驗驗證。該系統(tǒng)的優(yōu)越性體現(xiàn)在以下幾個方面。

①系統(tǒng)操作簡單，降低了對操作人員的要求。在不必深入了解設(shè)備的情況下，操作人員只需按照由操作界面要求一步一步執(zhí)行即可。

②測試時間短，大大縮短了航空發(fā)動機(jī)電氣附件絕緣性能檢測時間。對某一型號發(fā)動機(jī)電氣附件中127處待測點的絕緣性能進(jìn)行測試時，從開始測試到結(jié)果打印只需花費幾分鐘時間，大大提高了工作效率。

③擴(kuò)展性強(qiáng)，可以對任意型號發(fā)動機(jī)進(jìn)行電氣附件絕緣性能測試。通過調(diào)用不同的航空發(fā)動機(jī)電氣附件數(shù)據(jù)庫，操作人員可以選擇對不同型號的發(fā)動機(jī)進(jìn)行電氣附件絕緣性能測試。

④測試精度高。系統(tǒng)所采用的設(shè)備均為最新研發(fā)產(chǎn)品，測試速度快，受外界影響程度小，測試精度高。

5　結(jié)束語

本文設(shè)計的航空發(fā)動機(jī)電氣附件絕緣性能測試系統(tǒng)利用LabVIEW虛擬平臺，將工控機(jī)、兆歐表和矩陣開關(guān)融為一體，實現(xiàn)了電氣附件絕緣性能的自動化測試，并且操作簡單、運(yùn)行可靠、效率高。同時，該測試設(shè)備具有高度可擴(kuò)展性，通過調(diào)用不同的電氣附件標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)數(shù)據(jù)庫，可以測量任意型號發(fā)動機(jī)的絕緣性能。該設(shè)備具有廣闊的應(yīng)用前景。

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DesignoftheTestSystemofInsulationPerformanceforElectricalAccessoriesinAircraftEngine

Inviewoftheproblemsoflongtestingtime,lowaccuracyandbigerror,etc.，thatcurrentlyexistingininsulationperformancetestsforelectricalaccessoriesofdomesticaircraftengines,theschemeofdatabasedriventestsystemisputforward.ByusingLabVIEWgraphicalprogrammingenvironmentandthenetworkcommunicationamongindustrialPC,mega-ohmmeter,andmatrixswitch,theautomatictestofinsulationperformance,faultdiagnosisandlocatingforelectricaccessoriesofcertainmodeloftheaircraftengineareimplemented.Theexperimentsshowthatthesystemcanbeappliedininsulationperformancetestforelectricalaccessories,torealizeautomationofthetests,anditprovideshighertestspeedandaccuracy.

AircraftengineElectricalaccessoriesSensorIndustrialprocesscomputer(IPC)InsulationperformancetestingAutomation

石旭東(1972—)，男，2001年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，教授；主要從事航空地面測試設(shè)備與故障診斷技術(shù)方向的研究。

TH7;TP216+.1

ADOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201609020

國家自然科學(xué)基金資助項目(編號：U51377161);中國民航局重大科技基金資助項目(編號：MHRD20140104);中央高?；A(chǔ)研究課題基金資助項目(編號：3122013P005)；天津市科技支撐計劃重點基金資助項目(編號：15ZCZDGX00350)。

修改稿收到日期：2016-02-24。