一種綜合充氣檢壓裝置的研制

李秋艷

（空軍工程大學 航空機務士官學校， 河南 信陽 464000）

0 引言

氮氣穩(wěn)定性好， 腐蝕性小， 在飛機上使用越來越廣泛?，F(xiàn)代飛機常采用壓縮氮氣作為氣動系統(tǒng)的能源，用來進行座艙蓋密封，應急剎車等。 飛機的減震支柱、輪胎也灌充的是壓縮氮氣。氣動系統(tǒng)、緩沖支柱和輪胎中的氣壓是否符合規(guī)定，直接關系到其是否能夠正常工作。在機務維護中， 必須經(jīng)常檢查其充氣壓力， 并及時補充到規(guī)定值。 因此，氮氣的灌充和壓力檢測是一項經(jīng)常性工作。 現(xiàn)有的大多數(shù)充氮裝置，是采用手動操作充氣、目視觀察指針式壓力表的形式來完成充氣和檢壓。而且，對不同充氣部位，要采用不同的充氣裝置。 針對這一現(xiàn)象，本文研制了一種綜合充氣檢壓裝置， 操作員只需要根據(jù)充氣的部位和環(huán)境溫度，選擇相應充氣模式，就能夠自動完成充氣檢壓，操作便捷，綜合性和智能化程度高。

1 總體設計思路

1.1 功能需求及總體組成

該裝置需要實現(xiàn)在人工操作前提下自動完成充氣檢壓，同時還要具備給飛機氣動系統(tǒng)、輪胎、減震支柱、蓄壓器以及其它需要充氣檢壓等不同設備進行充氣檢壓的功能。 根據(jù)功能需求，裝置需具備硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。 硬件系統(tǒng)包括主機和附件。 主機完成控制、狀態(tài)采集、顯示等功能。 裝置主體通用，輸出壓力可調(diào)；主機面板按人工化設計， 布局合理適合機務人員操作。 附件部分實現(xiàn)連接、輔助等功能。 配套的轉(zhuǎn)接接頭可滿足不同部件物理連接需求，使裝置具備較高的綜合化程度。 硬件系統(tǒng)采用開放系統(tǒng)架構，模塊盡可能采用貨架產(chǎn)品，相關的組件也要提供通用設備接口、以便系統(tǒng)能夠識別。 硬件的結(jié)構采用過渡板安裝產(chǎn)品組件并留有適當?shù)目臻g余量， 保證在生命周期內(nèi)組件更換時不會引起整機結(jié)構更改。 軟件系統(tǒng)架構采用面向?qū)ο蠛椭虚g件技術架構， 保證組件之間具有互操作性、 產(chǎn)品具有擴展性。 標準模塊驅(qū)動需要貫徹IVI 技術規(guī)范， 保證產(chǎn)品組件的互操作性和平滑升級能力；應用CORBA 軟件總線和相應的IDL 協(xié)調(diào)專業(yè)組件驅(qū)動模塊接口設計，保證驅(qū)動模塊具有平臺和語言無關性，支持產(chǎn)品生命周期內(nèi)的技術升級。

1.2 工作原理

該裝置通過采用計算機自動控制系統(tǒng)和智能傳感器測量技術，實現(xiàn)自動檢壓和充氣。裝置以控制計算機為核心，自動控制各部件協(xié)調(diào)工作。壓力傳感器和溫度傳感器把當前的壓力值和溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號， 進入控制計算機運算單元。 控制計算機根據(jù)溫度傳感器和壓力傳感器測得的值， 結(jié)合人工通過顯示器上的導航鍵和鍵盤的輸入數(shù)據(jù)，自動計算出合理的理論氣壓值，通過控制電磁閥的通斷來控制自動排氣或充氣， 使得充氣部位的氮氣壓力符合要求。

檢壓時，需檢壓部件內(nèi)氣體進入裝置相應接口，通過操作控制計算機→開機界面→機型選擇界面→工作界面，在工作界面上點擊“開始”按鍵，“電磁閥”由常閉狀態(tài)處于常開狀態(tài)，氣體通過電磁閥、壓力傳感器、單向閥，壓力傳感器將感受到的氣體壓力值顯示在裝置控制計算機工作界面上。操作人員可輕松便捷完成測壓工作。充氣時，外部氣體進入裝置“氣源” 輸入口，操作控制計算機→開機界面→機型選擇界面→工作界面，選擇壓力通道，氣體經(jīng)過“電磁閥” → “調(diào)壓閥” →“單向閥” →“壓力傳感器” →“電磁閥”，控制計算機控制“調(diào)壓閥”自動設置壓力值；點擊“開始”按鍵，氣體經(jīng)“電磁閥”→裝置接口→軟管→轉(zhuǎn)接接頭→充氣部位，當“壓力傳感器” 感受到的氣體壓力值達到裝置的設定值時，“電磁閥” 由常開狀態(tài)處于常閉狀態(tài)，由控制計算機使裝置自動停止向飛機系統(tǒng)充氣。

1.3 技術性能指標

（1）工作介質(zhì)。 工業(yè)氮氣。

（2）輸入氣源。 氮氣車或15MPa 氮氣瓶。

（3）輸出壓力。 低壓輸出接口：0～3MPa，流量不大于500ml/min；高壓輸出接口：0～15MPa，流量不大于500ml/min。

（4）壓力傳感器量程及精度。0～3MPa，精度0.5 級；0～15MPa，精度0.5 級。

（5）電源。 機載或地面：DC28V，功率不大于60W。 內(nèi)置鋰電池：28V 4000mAH。

（6）環(huán)境指標。工作溫度-40℃～60℃；存儲溫度-55℃～70℃；相對濕度不大于85%。

（7）計量周期。 1 年。

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 主機

充氣測壓裝置的設計需要考慮綜合化、 小型化，因此，在主機的設計上通過模塊化來達到要求。

（1）機箱。 主機箱為便攜式鋁合金儀器箱。 箱體面板采用航空鋁合金制作， 綜合充氣檢壓裝置功能部件全部固定或連接在其上面。

（2）控制模塊。控制模塊的核心是以控制計算機為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為了達到通用化、系列化和小型化的設計要求，采用CI945C 型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了計算機、顯示器、A/D 和I/O。

（3）電氣模塊。 電氣模塊的主要包括整流橋、內(nèi)外電源切換電路、DC-DC、 電磁閥驅(qū)動電路和電流-電壓變換電路等組成。 整流橋保證裝置在外接電源正負極接反的情況下，裝置能夠正常工作，提高裝置的安全性。 內(nèi)外電源切換電路能夠保證在外接電源斷電的情況下裝置能夠自動切換到鋰電池，提高裝置的可靠性。 DC-DC 提供控制計算機需要的12V 電源。電磁閥驅(qū)動電路，根據(jù)控制計算機輸出的開關量信號，驅(qū)動相應的電磁閥工作，控制電磁閥的接通和斷開。 電流-電壓變換電路，將壓力傳感器輸出的4～20mA 電流信號轉(zhuǎn)換成0～5V 電壓信號，并進行隔離。 裝置的電氣模塊內(nèi)部組成見圖1。

圖1 裝置電氣模塊內(nèi)部組成框圖

（4）氣路系統(tǒng)。氣路是氮氣從氣源到需充氣部位的流經(jīng)途徑。裝置的氣路系統(tǒng)的內(nèi)部組成見圖2。充氣嘴連接外接氣源，氣濾過濾氣源氣體雜質(zhì)，充放電磁閥根據(jù)壓力顯示測控儀的設置控制充氣和放氣的開啟與關閉，壓力變送器將氣體壓力變送為4～20ma 電流輸入到壓力顯示測控儀，開關打開或關閉氣體輸入或輸出。由于氣源壓力較高，為了保證安全和流量控制的穩(wěn)定性， 在氣路系統(tǒng)中設計有可調(diào)減壓器。可調(diào)減壓器可將5～15MPa 的氣體壓力減壓至3MPa。 單向活門可防止氣體回流和設備內(nèi)氣體串流。

圖2 裝置氣路系統(tǒng)內(nèi)部組成框圖

2.2 附件

附件部分包括附件箱、電纜、外接電源、軟管、支柱和蓄壓器充氣檢壓裝具、輪胎充氣檢壓裝具和轉(zhuǎn)換接頭，隨機附件包括軟管、電纜、數(shù)字壓力表、輪胎充氣接頭和支柱充氣接頭等。裝置的氣源接口為充氣嘴，與氮氣車或氮氣瓶輸出軟管接口可直接對接。 裝置中配套的對機輸入軟管接口外套螺母可與管接嘴連接。支柱、輪胎充氣工具的接口可與多種型號的接口對接， 以滿足各種充氣組件的物理連接需求。

3 軟件系統(tǒng)設計

軟件系統(tǒng)包括主控制系統(tǒng)、 充氣子程序、 檢壓子程序、環(huán)境控制子程序、自檢子程序、數(shù)據(jù)管理子程序等。主控制程序完成軟件框架、 各子程序控制交聯(lián)以及顯示的功能。充氣子程序和檢壓子程序是主要的操作程序，主要實現(xiàn)充氣（檢壓）的過程控制。 環(huán)境控制子程序主要功能是對裝置的內(nèi)部工作環(huán)境進行監(jiān)測。 自檢子程序具有上電自檢、啟動自檢、周期自檢等BIT 自測試功能，可完成自身置信度測試、故障隔離測試。數(shù)據(jù)管理子程序?qū)Ω鶕?jù)主程序的調(diào)動完成數(shù)據(jù)的保存、查詢。軟件系統(tǒng)的設計主要采用LabView、Delphi、access 等進行編寫。 軟件系統(tǒng)起動后，自動完成自檢，并運行環(huán)境控制子程序，然后進入主界面。 在主界面下，根據(jù)操作者點選功能按鈕，進入相應子程序。主控程序根據(jù)所運行子程序，啟用數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，對采集數(shù)據(jù)進行篩選、處理和保存等，并將操作者選取的功能程序運行結(jié)果顯示在上顯示屏上。 若子程序運行出現(xiàn)問題或操作員需要對裝置進行檢測， 主程序啟用自檢子程序，對系統(tǒng)進行相應測試。

4 系統(tǒng)測試與分析

為了測試在不同模式下裝置的正確性和穩(wěn)定性，進行了廠內(nèi)例行試驗、儀表計量、環(huán)境試驗等。

4.1 可靠性

在裝置的研制過程中， 可靠性設計是全系統(tǒng)設計的重點之一。為了確?？煽啃灾笜说膶崿F(xiàn)，在具體設計過程中，充分考慮多種影響因素，采取各種措施，提升裝置可靠性。裝置設計有自動和手動兩種模式，在控制計算機故障的情況下，如果無法快速排出故障，可以應急使用手動模式完成充氣檢壓工作。 元器件的選用采用降額、冗余、簡化、動態(tài)和環(huán)境的設計準則；控制計算機的設計盡量采用中大規(guī)模集成電路，來替代中小規(guī)模集成電路，以減少元器件數(shù)量， 如綜合處理單元中將采用AD 公司的大規(guī)模集成電路TIGER SHARC 芯片， 可大大減少元器件數(shù)量；以FPGA 大規(guī)模可編程器件實現(xiàn)數(shù)字脈沖壓縮，降低了硬件芯片數(shù)量，提高產(chǎn)品的固有可靠性；加強元器件的二次篩選，確保所用的元器件，都按要求篩選合格后才裝機使用；在結(jié)構和工藝設計中，充分重視通風、散熱、耐振動沖擊等問題，提高專用檢定裝置的環(huán)境適應能力，提高專用檢定裝置的整體可靠性水平。裝置經(jīng)過使用驗證，其整機平均無故障時間可達到目標值2000h、最低可接受值1000h 的可靠性指標。

4.2 維修性

裝置設計上簡化維修工作，采用的部件、元器件的互換性良好；具有完善的防錯措施及識別標志，維修的可達性好，按照維修時的狀況提供操作空間，保證維修安全、方便；設備出現(xiàn)故障時，能夠快速定位，快速更好部附件、元器件；平均修復時間滿足維修性指標要求。

4.3 安全性

采用安全電壓無電磁輻射，電氣系統(tǒng)接地良好，設備漏電小于人身允許范圍， 在故障情況下仍能保證人身安全。 正常檢測使用過程中， 使用機場氮氣和機場DC28V電源或自身DC28V 內(nèi)置電源，設備安全接地，在使用過程中不會造成機載或地面電源故障。 使用的可調(diào)減壓器可工調(diào)節(jié)壓力且自身帶有安全閥，不會造成壓力過高；當可調(diào)減壓器調(diào)整壓力和測量壓力大于設置壓力時， 電磁閥可即時切斷氣源進氣， 從而保證飛機氣密檢查系統(tǒng)的壓力不大于規(guī)定值。 當輸入?yún)?shù)超出機型部件安全壓力范圍時，裝置可以自動告警提示，杜絕超限值輸入，損壞裝置；設置安全操作提示，在面板設置警示標志；裝置設置有專門的殘余氣體泄放功能， 在進行泄放時能夠自動識別未關位置，并停止放氣。

5 裝置的特點

5.1 綜合化

裝置主體通用，壓力可調(diào)，具備給飛機輪胎、減震支柱、蓄壓器以及其它需要充氣、檢壓等設備的充氣、檢壓功能，配套的轉(zhuǎn)接接頭可滿足多種部件的物理連接需求?？朔艘酝煌到y(tǒng)部件充氣測壓時， 需要準備不同設備的問題。通過使用通用的主體，操作員只需要選擇配套的相應附件即可。裝置使用方便快捷，大大節(jié)省了機務人員的時間和精力，提高充氣檢壓工作的效率。

5.2 智能化

裝置是基于計算機的自動測試系統(tǒng)， 輸入通過導航鍵和鍵盤完成，所有參數(shù)在液晶屏上以數(shù)值的形式顯示。裝置開機后，通過裝置上的液晶屏，操作人員在操作界面上，在軟件的提示下連接軟管，確認裝置開始工作。此時，在控制計算機的控制下， 選擇壓力通道， 自動設置壓力值，開始增壓，達到規(guī)定壓力時自動關閉增壓管路，開始計時并保持壓力， 同時測量飛機系統(tǒng)壓力值。 進行檢壓時，裝置連接好后，直接在界面上讀取顯示屏上數(shù)字形式的所檢查系統(tǒng)或部件的壓力值， 操作人員不需要通過觀察指針式壓力表來判斷壓力；充氣時，操作人員不需要通過觀察指針式壓力表來判斷壓力再關斷充氣開關，只需在軟件界面上確認充氣完成即可。 全程機務人員在軟件的提示下進行工作，裝置自行完成工作過程，測壓數(shù)據(jù)準確可靠，充氣檢壓過程安全簡便。

5.3 便攜化

裝置主要功能部件采用體積小、重量輕的航空產(chǎn)品；各主要功能部件之間的安裝位置， 在保證維修的前提下設計簡潔、合理優(yōu)化、使用安全，已經(jīng)做到了最??；在考慮維修性設計的前提下，各導管長度已壓縮至最短。主機箱內(nèi)部空間已經(jīng)得到合理利用，外形尺寸已無壓縮空間。 小型化使得該裝置在綜合化程度高的基礎上，便于攜帶，提高了該裝置實用性。

6 結(jié)論

本文設計的綜合充氣檢壓裝置，具備對航空裝備不同系統(tǒng)、部件包括氣動系統(tǒng)、輪胎、支柱、蓄壓器等的充氣檢壓工作能力。 該裝置經(jīng)過試用， 證明其綜合化和智能化程度高，使用可靠、安全、便捷，大大提高到了機務人員進行充氣檢壓工作的效率，滿足現(xiàn)代航空裝備綜合化保障需求。