商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)批產(chǎn)試車數(shù)字化檢驗(yàn)系統(tǒng)展望

江煒

摘要： 在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制、制造及大修維護(hù)等過程中，均需開展發(fā)動(dòng)機(jī)試車，其主要目的是檢驗(yàn)其性能及可靠性。當(dāng)前，在商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作中，針對(duì)科研試驗(yàn)過程的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用已呈蓬勃之勢(shì)，但對(duì)于批產(chǎn)試車，目前雖有零星探索，但總體仍為空白?；诖?，本文展望商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)批產(chǎn)試車數(shù)字化檢驗(yàn)系統(tǒng)，以期可以在未來能夠有效提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車檢驗(yàn)水平，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)智能制造戰(zhàn)略的落實(shí)提供助力。

Abstract： In the process of aero-engine development， manufacturing， and overhaul and maintenance， engine test runs are required， the main purpose of which is to test its performance and reliability. At present， in the research and development of commercial aeroengines， the application of digital technology for the scientific research and test process has shown a vigorous trend. However， although there are sporadic explorations for batch production and test runs， the overall situation is still blank. Based on this， this article looks forward to the digital inspection system for commercial aero-engine batch production test runs， in order to effectively improve the level of aero-engine test runs in the future， and provide assistance for the implementation of the aero-engine intelligent manufacturing strategy.

關(guān)鍵詞： 航空發(fā)動(dòng)機(jī);試車;數(shù)字化檢驗(yàn);展望

Key words： aero engine;test run;digital inspection;outlook

中圖分類號(hào)：V263.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）20-0193-02

1? 航空發(fā)動(dòng)機(jī)批產(chǎn)試車數(shù)字化檢驗(yàn)發(fā)展趨勢(shì)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作條件極為惡劣，對(duì)可靠性要求極高。作為目前人類技術(shù)水平可實(shí)現(xiàn)的較高難度的機(jī)械裝置之一，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)和熱力特性極為復(fù)雜，往往難以通過計(jì)算和仿真準(zhǔn)確詳盡地得出其真實(shí)的工作狀態(tài)，常常需要通過試驗(yàn)對(duì)計(jì)算和仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一型航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制工作一般需要進(jìn)行10萬小時(shí)以上的部件試驗(yàn)、4萬小時(shí)以上的材料試驗(yàn)和1萬小時(shí)以上的整機(jī)試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)是發(fā)展先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一，試驗(yàn)結(jié)果既是驗(yàn)證和修改發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，也是評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)部件和整機(jī)性能的重要判定條件。因此，試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)制造、大修維護(hù)等全生命周期中，發(fā)揮著獨(dú)特的作用。整機(jī)級(jí)試驗(yàn)設(shè)備設(shè)施，特別是地面試車臺(tái)，作為試驗(yàn)技術(shù)的典型代表，貫穿了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)制造、大修維護(hù)等多個(gè)階段，在適航取證、批產(chǎn)交付和大修維護(hù)中均發(fā)揮著重要作用。航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車臺(tái)，主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車，測(cè)量推力、流量、轉(zhuǎn)速、壓比、排氣溫度裕度、振動(dòng)等一系列氣動(dòng)、熱力以及結(jié)構(gòu)方面的參數(shù)，從而得到被試發(fā)動(dòng)機(jī)性能。典型地面試車臺(tái)由試車間、進(jìn)氣塔、引射筒、排氣塔、控制間、儀表間以及配套的水、電、油、氣等功能間所組成。試車臺(tái)的核心，是臺(tái)架測(cè)試和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過連接安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的傳感器或受感部，完成測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的批量化、自動(dòng)化采集和處理，獲得可靠的試驗(yàn)結(jié)果。

發(fā)動(dòng)機(jī)試車檢驗(yàn)過程，即是對(duì)數(shù)以百計(jì)乃至千計(jì)的通道參數(shù)進(jìn)行全過程的數(shù)據(jù)監(jiān)控、采集、判讀，通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的不斷調(diào)整，使得各項(xiàng)性能參數(shù)均能滿足出廠要求，以最合格的狀態(tài)提供飛行動(dòng)力。發(fā)動(dòng)機(jī)的檢驗(yàn)試車主要是為驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配質(zhì)量、各項(xiàng)性能、各附件與主機(jī)的匹配性，順利完成提交任務(wù)。檢驗(yàn)結(jié)果直接反應(yīng)出發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量情況，從而決定了發(fā)動(dòng)機(jī)能否交付，因此在整個(gè)試車過程中起到舉足輕重的作用。

傳統(tǒng)的人工檢驗(yàn)方式，大量試驗(yàn)過程記錄均由人工填寫，由于不同人員的能力水平的差異，記錄的數(shù)據(jù)質(zhì)量良莠不齊。同時(shí)，紙質(zhì)版數(shù)據(jù)在保存和檢索、追溯方面均存在巨大的困難。對(duì)于某些故障的判斷，紙質(zhì)記錄無法及時(shí)調(diào)取作為排故過程參考，過度依賴現(xiàn)場(chǎng)人員經(jīng)驗(yàn)，影響排故效率。此外，由于目前的航空發(fā)動(dòng)機(jī)越來越多地應(yīng)用了全權(quán)限發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器（FADEC）、發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)等高度數(shù)字化信息化的系統(tǒng)，大量數(shù)據(jù)潛藏在后臺(tái)，現(xiàn)有的人工檢驗(yàn)方式往往僅聚焦于前臺(tái)呈現(xiàn)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，無法關(guān)注到后臺(tái)潛藏的一些數(shù)據(jù)，從而無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)檢驗(yàn)試車過程中的潛在缺陷、故障或其征兆。近年來，隨著數(shù)字化信息化系統(tǒng)的應(yīng)用程度、試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)能力的不斷提升，單次發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的試驗(yàn)前臺(tái)及后臺(tái)數(shù)據(jù)的種類和數(shù)量均在大幅度增長(zhǎng)。這對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分類和管理提出了新的挑戰(zhàn)，數(shù)字化技術(shù)和新型信息系統(tǒng)在試車臺(tái)的進(jìn)一步應(yīng)用，已是箭在弦上。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也不斷深入。國內(nèi)的很多行業(yè)紛紛嘗試將數(shù)字化制造、數(shù)字化裝配和數(shù)字化檢驗(yàn)等理念引入，并實(shí)際應(yīng)用在生產(chǎn)過程中。國內(nèi)在已知的公開文獻(xiàn)或報(bào)導(dǎo)中，沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司針對(duì)人員、設(shè)備等生產(chǎn)要素大量介入的復(fù)雜過程展開了深入研究，在試車過程監(jiān)控中積極引入數(shù)字化概念，其通過計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的綜合運(yùn)用，構(gòu)建了航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)樣機(jī)庫和判據(jù)庫，建立了試車過程數(shù)字化檢驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了試車過程的狀態(tài)透明，為數(shù)據(jù)使用、分析和處理奠定了基礎(chǔ)。[1]中國燃?xì)鉁u輪研究院基于其“一院多點(diǎn)”的模式，部署了涵蓋試驗(yàn)過程的綜合管理信息化系統(tǒng)，主要是實(shí)現(xiàn)了管理過程的信息化。[2]公開文獻(xiàn)中可查閱到的國外航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車過程數(shù)字化應(yīng)用的信息較為有限。目前已知的應(yīng)用案例有通用電氣（GE）航空集團(tuán)，其從發(fā)動(dòng)機(jī)批產(chǎn)試車交付到發(fā)動(dòng)機(jī)在翼過程均實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和健康管理跟蹤，并成功地應(yīng)用了數(shù)字化工具對(duì)海量發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)，通過數(shù)據(jù)分析對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)狀況及維修需求進(jìn)行預(yù)測(cè)性判斷，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性，延長(zhǎng)其在翼時(shí)間，助力其全周期成本的降低。上述案例均為在發(fā)動(dòng)機(jī)試車檢驗(yàn)或其相關(guān)領(lǐng)域成功應(yīng)用數(shù)字化工具的典型案例，對(duì)于商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)批產(chǎn)試車數(shù)字化檢驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用前景指明了方向，起到了積極的引導(dǎo)作用。

2? 航空發(fā)動(dòng)機(jī)批產(chǎn)試車流程分析

以某典型商用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為例，其典型的批產(chǎn)試車工藝過程為：①發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架安裝與準(zhǔn)備（Engine assembly & rig for test）;②發(fā)動(dòng)機(jī)冷運(yùn)轉(zhuǎn)（Dry motoring）;③視情開展發(fā)動(dòng)機(jī)水洗（Gas path cleaning，on condition）;④發(fā)動(dòng)機(jī)假開車（Wet motoring）;⑤發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火與慢車檢查（Ignition & idle check）;⑥封嚴(yán)磨合運(yùn)轉(zhuǎn)（Seal break-in）;⑦性能檢驗(yàn)（Performance test）;⑧整機(jī)油封（Engine preservation）;⑨發(fā)動(dòng)機(jī)下臺(tái)拆卸（engine de-rig & disassembly）。若完成上述工作，且發(fā)動(dòng)機(jī)試車數(shù)據(jù)符合工藝文件或發(fā)動(dòng)機(jī)手冊(cè)的相關(guān)要求，即可以認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)已滿足相關(guān)要求，通過試車檢驗(yàn)。

由上可知，通常情況下，批產(chǎn)試車的試車程序較為固定，工藝方法基本固化，錄取的試車數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)量基本固定，試車過程的檢驗(yàn)點(diǎn)易于識(shí)別，檢驗(yàn)規(guī)則易于設(shè)置，檢驗(yàn)判讀相對(duì)易于實(shí)施，通過自動(dòng)化手段重復(fù)的可實(shí)現(xiàn)性較強(qiáng)。以上這些特點(diǎn)，使得未來商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)批產(chǎn)試車數(shù)字化檢驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用具備了相當(dāng)?shù)目尚行浴?/p>

3? 航空發(fā)動(dòng)機(jī)批產(chǎn)試車數(shù)字化檢驗(yàn)系統(tǒng)功能展望

航空發(fā)動(dòng)機(jī)批產(chǎn)試車數(shù)字化檢驗(yàn)系統(tǒng)，應(yīng)達(dá)到如下幾個(gè)效果：①檢驗(yàn)工作的規(guī)范化;②檢驗(yàn)信息的數(shù)字化;③檢驗(yàn)判斷的標(biāo)準(zhǔn)化和自動(dòng)化;④檢驗(yàn)結(jié)果的直觀化;⑤檢驗(yàn)記錄的電子化;⑥用戶使用便利化[3]。

目前，數(shù)字化應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，廣泛采用的兩種主要結(jié)構(gòu)形式分別為分布式和集中式。分布式系統(tǒng)設(shè)置了中心節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)可獨(dú)立采集數(shù)據(jù)，與主節(jié)點(diǎn)間通過通信接口實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)與指令同步。分布式系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：①適應(yīng)性強(qiáng);②可靠性高;③工作負(fù)荷低;④實(shí)時(shí)性較好;⑤維修升級(jí)方便。與之對(duì)應(yīng)的集中式系統(tǒng)，主要具有如下特點(diǎn)：①開發(fā)使用方便;②成本較分布式低;③身份易變更;④主機(jī)任務(wù)重;⑤布線復(fù)雜[6]?；谠囓嚺_(tái)的特點(diǎn)、各個(gè)子系統(tǒng)的規(guī)模和分布狀況，航空發(fā)動(dòng)機(jī)批產(chǎn)試車數(shù)字化檢驗(yàn)系統(tǒng)選擇分布式設(shè)計(jì)較為適宜。

系統(tǒng)可以采用分層架構(gòu)，底層為數(shù)據(jù)采集和處理平臺(tái)，在其上為應(yīng)用平臺(tái)，可以部署必要的應(yīng)用功能模塊。系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)中，應(yīng)注重將傳統(tǒng)的典型工藝過程與數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合，實(shí)時(shí)監(jiān)控，使用自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集、記錄與報(bào)告生成代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工填寫試車過程記錄單，由計(jì)算機(jī)代替原有的人工模式，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，特別是原先人工模式下無法獲得或判定的一些后臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)的自動(dòng)化跟蹤、記錄、分析、判別，以及必要的數(shù)據(jù)后處理。同時(shí)結(jié)合新的數(shù)字化檢驗(yàn)系統(tǒng)，重新設(shè)置必要的檢驗(yàn)點(diǎn)，在各檢驗(yàn)點(diǎn)對(duì)采集到的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行檢查和驗(yàn)證，確認(rèn)其符合性。在出現(xiàn)問題時(shí)，主動(dòng)分析過程數(shù)據(jù)，形成參考意見。系統(tǒng)功能模型如圖1。

系統(tǒng)的具體功能，應(yīng)至少包含如下內(nèi)容：試驗(yàn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）將生產(chǎn)訂單和結(jié)構(gòu)化工藝傳遞至本系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至本系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的工藝過程和檢驗(yàn)要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢查和判斷，參考預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，作出檢驗(yàn)結(jié)論。系統(tǒng)同時(shí)能夠以圖形化的方式實(shí)時(shí)展示或復(fù)現(xiàn)試車過程數(shù)據(jù)，生成試車曲線、試車過程記錄單和試車報(bào)告。系統(tǒng)同時(shí)能夠在關(guān)鍵檢驗(yàn)點(diǎn)到達(dá)前，提前以某種形式提示試車操作人員。系統(tǒng)可將數(shù)據(jù)和報(bào)表傳輸至試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（TDM）;系統(tǒng)可將試車結(jié)果、故障信息和初步的故障判斷告知現(xiàn)場(chǎng)人員，并在現(xiàn)場(chǎng)人員無法決斷時(shí)，將上述內(nèi)容直接推送至試車技術(shù)專家處，并同步作為生產(chǎn)信息反饋至MES系統(tǒng)中。系統(tǒng)還應(yīng)對(duì)試車臺(tái)自身的設(shè)備健康狀況進(jìn)行一定的監(jiān)視，并作出必要的報(bào)警。系統(tǒng)通過一定程度的自學(xué)習(xí)，逐步實(shí)現(xiàn)故障類型的初步判別和解決方案提供。批產(chǎn)試車數(shù)字化檢驗(yàn)系統(tǒng)未來還應(yīng)能夠與發(fā)動(dòng)機(jī)在翼健康管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一定程度的數(shù)據(jù)交互和支持，從而最大程度地支持發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期健康管理。

4? 小結(jié)

我國商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)事業(yè)的發(fā)展，原有的人工檢驗(yàn)?zāi)Ｊ揭褲u漸無法滿足新形勢(shì)的需要，這對(duì)試車檢驗(yàn)提出了新的要求。未來，通過數(shù)字化信息化系統(tǒng)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)試車數(shù)據(jù)和試車狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)態(tài)管理，最重要的是可以通過上述系統(tǒng)，取代原有的人工復(fù)核與檢驗(yàn)的方法，實(shí)現(xiàn)試車數(shù)據(jù)后續(xù)的維護(hù)、管理、使用和追溯，甚至可以逐步通過自學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)故障類型的初步判別和解決方案提供。試車檢驗(yàn)數(shù)據(jù)還能夠與發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)交互，以發(fā)動(dòng)機(jī)在翼全生命周期健康管理。航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車數(shù)字化檢驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，必將在未來有效提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車檢驗(yàn)水平，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)智能制造戰(zhàn)略的落實(shí)提供助力。

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