智能化波音737NG引氣系統(tǒng)健康測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)

汪天京 褚清健 吳金寶 劉一瑋

摘要：針對(duì)波音737NG飛機(jī)引氣健康測(cè)試工作的重要性和現(xiàn)有引氣健康測(cè)試設(shè)備的不足，基于高精度傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、通用觸控設(shè)備和外圍支持部件，設(shè)計(jì)并試制了智能化737NG飛機(jī)引氣健康測(cè)試設(shè)備。經(jīng)驗(yàn)證，該設(shè)備提高了引氣健康測(cè)試的數(shù)據(jù)精度，降低了人為因素造成測(cè)試結(jié)果失真的概率，基本實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)健康狀態(tài)的自動(dòng)識(shí)別和故障的自動(dòng)診斷。

關(guān)鍵詞：引氣健康測(cè)試；發(fā)動(dòng)機(jī)；自動(dòng)測(cè)試；故障診斷

Keywords：bleed health test；engine；auto-test；fault diagnosis

0 引言

波音737NG飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)引氣系統(tǒng)為飛機(jī)氣源系統(tǒng)提供經(jīng)調(diào)壓、調(diào)溫后的氣體，并分配至各個(gè)系統(tǒng)。737NG飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)引氣系統(tǒng)部件多為機(jī)械控制，不具備系統(tǒng)監(jiān)控和故障診斷功能，且相關(guān)部件故障率較高，排故分析較難準(zhǔn)確定位故障原因，對(duì)飛機(jī)的運(yùn)行造成了不利影響。

現(xiàn)有飛機(jī)維修手冊(cè)提供了發(fā)動(dòng)機(jī)引氣系統(tǒng)健康檢查程序和設(shè)備，為提高發(fā)動(dòng)機(jī)引氣系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)起到了關(guān)鍵作用，但經(jīng)一線反饋發(fā)現(xiàn)部分不足之處，改進(jìn)后可使工作效率、工作質(zhì)量和工作范圍得到進(jìn)一步提升。

1 波音737NG飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)引氣健康測(cè)試

737NG飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)引氣系統(tǒng)分別從高壓9級(jí)和高壓5級(jí)壓氣機(jī)引氣（見(jiàn)圖1）。

發(fā)動(dòng)機(jī)引氣健康測(cè)試的內(nèi)容是測(cè)試737NG發(fā)動(dòng)機(jī)引氣系統(tǒng)的三個(gè)主要部分：高壓級(jí)控制器和高壓級(jí)活門(mén)部分；壓力調(diào)節(jié)器和壓力調(diào)節(jié)關(guān)斷活門(mén)部分；預(yù)冷器控制活門(mén)及390F傳感器的壓力作動(dòng)部分（不涉及溫度控制功能）。三個(gè)主要部分的壓力調(diào)節(jié)功能均為氣動(dòng)氣控。由引氣管路提供的上游壓力為供壓信號(hào)Ps，由高壓控制器、壓力調(diào)節(jié)器、預(yù)冷器控制活門(mén)輸出的壓力為控制壓力Pc?？刂茐毫c驅(qū)動(dòng)活門(mén)作動(dòng)，活門(mén)通過(guò)膜盒比較Pc與下游管道壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)活門(mén)開(kāi)度的控制。

引氣健康測(cè)試設(shè)備通過(guò)將外接氣源調(diào)節(jié)至所需壓力作為Ps壓力接入系統(tǒng)，通過(guò)壓力表測(cè)量Pc壓力是否在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，觀察活門(mén)是否按邏輯進(jìn)行開(kāi)關(guān)作動(dòng)，綜合觀察Pc壓力和活門(mén)作動(dòng)情況，輔以相應(yīng)的邏輯判斷和隔離操作，最終確定被測(cè)試部分的健康狀況。

2 引氣健康測(cè)試設(shè)備現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

現(xiàn)有飛機(jī)維修手冊(cè)推薦的發(fā)動(dòng)機(jī)引氣系統(tǒng)健康測(cè)試設(shè)備均為機(jī)械式儀表配合管路、閥門(mén)使用（見(jiàn)圖2），使用中存在以下問(wèn)題。

1）使用過(guò)程復(fù)雜，測(cè)試精度受機(jī)械員技能水平影響較大。引氣健康測(cè)試設(shè)備需要使用4塊氣壓表、1個(gè)調(diào)壓閥、一個(gè)針閥，根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目不同，分別通過(guò)管路進(jìn)行連接。日常測(cè)試中多次發(fā)生因操作不當(dāng)導(dǎo)致錯(cuò)誤的問(wèn)題。

2）高精度機(jī)械儀表在高振動(dòng)、高低溫等惡劣環(huán)境中使用時(shí)易導(dǎo)致精度降低甚至損壞。引氣監(jiān)控測(cè)試設(shè)備的機(jī)械儀表對(duì)精度要求較高，為±0.5%FS。機(jī)械壓力表在外場(chǎng)惡劣環(huán)境中使用，儀表使用壽命較短，精度降低較快，設(shè)備需頻繁維修校驗(yàn)。

3）缺少故障診斷功能。測(cè)試結(jié)果和故障位置的判斷需要機(jī)械員根據(jù)手冊(cè)和工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，效率較低且受工作者技能水平和熟練程度影響較大。

3 智能化737NG飛機(jī)引氣健康測(cè)試設(shè)備

針對(duì)上述問(wèn)題，基于現(xiàn)有引氣健康測(cè)試程序的基本測(cè)試邏輯和設(shè)備構(gòu)型，采用高精度傳感器和數(shù)字化嵌入式設(shè)備，重新設(shè)計(jì)和試制了智能化737NG飛機(jī)引氣系統(tǒng)健康測(cè)試設(shè)備。該設(shè)備是融合了先進(jìn)總線、嵌入式系統(tǒng)、虛擬儀器和智能診斷等領(lǐng)域知識(shí)的智能系統(tǒng)，已成為測(cè)試評(píng)估的有效手段[1]。該智能化設(shè)備由三部分組成，如圖3所示。

1）供壓部分（Ps部分）

供壓部分通過(guò)設(shè)備接口將外部壓縮空氣或氮?dú)饨尤胂到y(tǒng)，經(jīng)高壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后，通過(guò)設(shè)備接口和適當(dāng)?shù)墓苈方尤氚l(fā)動(dòng)機(jī)引氣的供壓信號(hào)管，通過(guò)設(shè)備內(nèi)的壓力傳感器探測(cè)Ps壓力，用于顯示和邏輯判斷。

2）控制壓力部分（Pc部分）

控制壓力部分通過(guò)設(shè)備接口和適當(dāng)?shù)墓苈穼l(fā)動(dòng)機(jī)引氣的控制壓力接入設(shè)備，設(shè)備內(nèi)的壓力傳感器探測(cè)Pc壓力，用于顯示和邏輯判斷。設(shè)備內(nèi)電伺服針閥（閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)和針閥直連）受顯示控制組件控制，在需要控制Pc壓力降低時(shí)打開(kāi)。

3）設(shè)備控制指示部分

控制和指示部分使用模擬量采集模塊，將Ps、Pc壓力傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS485總線信號(hào)。總線信號(hào)傳入觸摸屏一體機(jī)，用于顯示和控制。

通過(guò)對(duì)飛機(jī)維修手冊(cè)的研讀和對(duì)比測(cè)試，兼顧精度要求和設(shè)備開(kāi)發(fā)、維護(hù)成本需求，對(duì)主要部件進(jìn)行如下選型：

● Pc壓力傳感器：量程1000kPa，精度0.1%FS；

● Ps壓力傳感器：量程300kPa，精度0.1%FS；

● 數(shù)據(jù)采集模塊：高精度高速AD模塊，具備8通道16bit模擬量輸入，2通道12bit DA模擬量輸出；

● 調(diào)壓器：FESTO減壓閥，耐壓1.6MPa；

● 針閥：不銹鋼儀表針型閥；

● 閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)：VSMD143-010T一體機(jī)；

● 嵌入式觸控屏：恒泰克7in嵌入式觸控屏。

為實(shí)現(xiàn)智能化737NG飛機(jī)引氣監(jiān)控測(cè)試設(shè)備的高精度和便捷性目標(biāo)，核心部件采用了2個(gè)高精度擴(kuò)散硅壓力傳感器。傳感器量程為1000kPa和300kPa，精度等級(jí)0.1%FS，過(guò)載能力為滿量程的200%，輸出信號(hào)為0～10VDC。擴(kuò)散硅壓力傳感器具有線性好、量程寬、輸出大、頻響高等特點(diǎn)，便于批量生產(chǎn)和微機(jī)械加工，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛 [2]。

數(shù)據(jù)采集模塊作為傳感器和觸控屏之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?，將壓力傳感器?～10VDC模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為16bit精度為±0.02%FSR的數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)通過(guò)RS485總線以MODBUS-RTU協(xié)議發(fā)送給嵌入式觸控屏，用于信號(hào)的顯示和處理。經(jīng)分析，發(fā)動(dòng)機(jī)引氣系統(tǒng)的壓力響應(yīng)時(shí)間在1s以內(nèi)[3]，且引氣系統(tǒng)健康測(cè)試不需對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，因此采樣頻率選用10次/s可滿足測(cè)試需求。

作為一種方便、簡(jiǎn)單的操作手段，嵌入式觸控屏具有良好的人機(jī)交互性，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)嵌入式產(chǎn)品[4]。在智能化737NG飛機(jī)引氣監(jiān)控測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)中，通過(guò)組態(tài)軟件的編輯，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和輸出的功能，設(shè)備的智能性主要由此實(shí)現(xiàn)。

因無(wú)合適電伺服針閥產(chǎn)品可選用，決定將閉環(huán)減速步進(jìn)電機(jī)與儀表針閥直連，組成電伺服針閥。使用中通過(guò)RS485總線向閉環(huán)減速步進(jìn)電機(jī)輸出控制信號(hào)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)儀表針閥，實(shí)現(xiàn)針閥的開(kāi)度控制。閉環(huán)減速步進(jìn)電機(jī)的選用兼顧了閥門(mén)開(kāi)度的閉環(huán)控制功能和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)性。

4 智能化737NG飛機(jī)引氣健康測(cè)試設(shè)備的使用

根據(jù)飛機(jī)維修手冊(cè)步驟和發(fā)動(dòng)機(jī)引氣健康測(cè)試設(shè)備改進(jìn)需求，設(shè)備的基本功能設(shè)定如圖4所示。

在圖4的“輸入基本信息”欄中，輸入信息包括所測(cè)試的飛機(jī)注冊(cè)號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)位置、執(zhí)行工作的工作者職工編號(hào)?；拘畔⒑蜏y(cè)試項(xiàng)目選擇頁(yè)界面如圖5所示。

選擇測(cè)試項(xiàng)目包括3個(gè)基本模塊，流程如下。

1）可選擇在設(shè)備引導(dǎo)下執(zhí)行3個(gè)引氣健康測(cè)試的主要流程。每個(gè)流程基本相同。第一步，通過(guò)圖示提供信號(hào)管路連接方法；第二步，以問(wèn)答的形式引導(dǎo)執(zhí)行引氣健康測(cè)試步驟，并對(duì)測(cè)量數(shù)值進(jìn)行判斷；第三步，如認(rèn)可數(shù)值有效，可根據(jù)設(shè)備判斷和引導(dǎo)執(zhí)行后續(xù)的系統(tǒng)恢復(fù)或故障隔離工作；第四步，記錄測(cè)試結(jié)果并生成報(bào)表（見(jiàn)圖6、圖7）。

2）可選擇人工測(cè)試，測(cè)試過(guò)程與原發(fā)動(dòng)機(jī)引氣健康測(cè)試設(shè)備使用步驟基本相同。按手冊(cè)步驟調(diào)節(jié)調(diào)壓器，觀察輸出Ps壓力和飛機(jī)系統(tǒng)反饋的Pc壓力，在此過(guò)程中觀察活門(mén)作動(dòng)情況。按手冊(cè)步驟手動(dòng)操作針閥的開(kāi)度，調(diào)節(jié)Pc壓力并觀察活門(mén)作動(dòng)情況。最后按手冊(cè)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)引氣系統(tǒng)狀況。

5 總結(jié)

經(jīng)過(guò)多次使用樣機(jī)實(shí)際執(zhí)行引氣健康測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與采用傳統(tǒng)波音公司提供的引氣健康測(cè)試設(shè)備（見(jiàn)圖8）相同。

因采用觸控屏作為人機(jī)界面，測(cè)試結(jié)果讀取清晰，設(shè)備操作便捷。原需3人操作的引氣健康測(cè)試工作可減為1～2人操作，測(cè)試時(shí)間由1.5h/每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)降至1h/每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。

經(jīng)實(shí)際使用驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了737NG飛機(jī)引氣系統(tǒng)健康測(cè)試的自動(dòng)化與故障判斷的智能化，提高了737NG飛機(jī)引氣系統(tǒng)健康監(jiān)控的準(zhǔn)確性，降低了維修所需工時(shí)。

同時(shí)，數(shù)字化自動(dòng)測(cè)試設(shè)備具有較強(qiáng)的擴(kuò)展和二次開(kāi)發(fā)潛力，可廣泛用于多種機(jī)型氣源系統(tǒng)部件的測(cè)試工作。通過(guò)適當(dāng)擴(kuò)展后可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的云處理、云存儲(chǔ)，進(jìn)一步提高飛機(jī)維修的數(shù)字化、智能化水平。

參考文獻(xiàn)

[1]張秦嶺，郭宏，姜旭.大型無(wú)人機(jī)電源系統(tǒng)故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，39（8）：1026-1030.

[2]喬立永，石成英，李進(jìn)軍.擴(kuò)散硅壓力傳感特性分析及其應(yīng)用舉例[J].儀器儀表用戶，2007，5（14）：49-51.

[3]趙競(jìng)?cè)?，林貴平，袁修干.飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)引氣分系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)研究[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，26（5）：527-529.

[4]劉元超.嵌入式觸摸屏的應(yīng)用研究[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）理工卷，2008（4）.