航空發動機電氣附件絕緣性能測試系統設計

石旭東　夏友斌　王家林　孫兆榮

(中國民航大學航空地面特種設備民航研究基地，天津　300300)

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航空發動機電氣附件絕緣性能測試系統設計

石旭東夏友斌王家林孫兆榮

(中國民航大學航空地面特種設備民航研究基地，天津300300)

針對目前國內航空發動機電氣附件絕緣性能測試時間長、精度低、誤差大等問題，提出了基于數據庫驅動的航空發動機電氣附件絕緣性能測試系統。利用LabVIEW圖形化編程環境和工控機、兆歐表、矩陣開關之間的網絡通信，實現了對任意航空發動機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，該系統可用于電氣附件的絕緣性能測試，實現了測試自動化，并且具有較高的測試速度和測量精度。

航空發動機電氣附件傳感器工控機絕緣性能測試自動化診斷網絡通信LabVIEW

DiagnosisNetworkcommunicationLabVIEW

0　引言

航空發動機內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、電路保護裝置和電路控制裝置等,可以分為純電子、機電一體和機械三類。它們用于獲取各種電氣參數、調節相關控制系統、在電路故障時進行切斷和保護等。航空發動機內部的電氣附件工作環境十分惡劣，其絕緣介質不可避免地承受著熱、電、磁、化學、機械等諸多因素的作用。在這些因素的共同作用下，航空發動機電氣附件的絕緣介質會發生絕緣老化現象，并最終導致電氣附件出現絕緣故障。據統計，現役的各型號發動機附件故障占發動機故障的70%以上，成為影響發動機可靠性指標的主要因素。因此，設計航空發動機電氣附件絕緣性能測試系統具有重要意義[1-4]。

1　附件維修問題

在整個航空發動機的電氣設備中，電氣附件數量多、形式多樣、分布廣、工作原理各不相同。目前，國內電氣附件維修過程中主要存在以下問題。

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

②雖然發動機電子控制組件(engineelectroniccontrol,EEC)可以對電氣附件線路進行自檢，但是由于電氣附件存在大量的冗余設計,EEC無法將故障定位到某一具體的電氣附件。在發動機進場大修時，對于EEC檢測到的故障，需要根據飛機手冊，對電氣附件線路進行測試，以使后續的維修更具針對性。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若電氣附件出現屏蔽網絲穿透絕緣層這種類型的故障時，會產生時斷時連的間接性故障。當發動機處于地面停車狀態時，這種情況是難以發現的；而在實際的運行過程中，由于發動機產生的振動，間歇故障才表現出來。對于這種情況，目前還沒有有效的技術設備予以應對。

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現。目前仍缺乏有效的技術手段解決此類隱蔽性故障。

⑤目前，我國在役民用航空發動機種類繁多，而且隨著航空事業的發展，發動機的型號也會越來越多。國內目前的電氣附件檢測系統大多針對單一型號的發動機，不能隨意擴展。

在保證航空發動機完整性的前提下，開發能夠對任意型號航空發動機進行絕緣性能檢測的航空發動機電氣附件絕緣性能測試系統是十分必要的[5-7]。

本文開發了基于數據庫驅動的航空發動機電氣附件絕緣性能測試系統。該系統將工控機、兆歐表和矩陣開關組成檢測平臺，并利用LabVIEW編寫的測試程序對數據進行分析，能夠在不對發動機進行任何改動的地面停車狀態下,完成各種型號航空發動機內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　測試系統的硬件設計

通過對維修手冊的整理和統計發現，航空發動機電氣附件中需要進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，其絕緣標準值也各不相同。相關統計表明，某一型號發動機電氣附件絕緣測試電壓范圍為50～500V，絕緣標準值范圍為50～200 000kΩ。

為了能夠完成航空發動機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行絕緣測試的電壓。

為了在不拆卸航空發動機的情況下，完成對電氣附件絕緣性能的測試，需要在測試設備與發動機吊艙之間使用特制的轉接電纜。測試系統總體結構框圖如圖1所示。

圖1　測試系統總體結構圖

測試設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備。飛機維修手冊中明確規定了127處測試點進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，內置±1 000V電壓源，可測量高達10pΩ的電阻，支持LabVIEW編程和網口控制。

②矩陣開關，用來完成航空發動機電氣附件絕緣測試與故障定位的設備。對矩陣開關的每一個端口進行端口定義，每一個端口對應不同的電氣附件，以實現系統的定位功能。通過程序控制不同矩陣開關的閉合，實現了兆歐表與每個待測電氣附件之間的測量回路。矩陣開關采用的是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編程和網口控制。

③工控機，是整個測試系統的載體，控制兆歐表和矩陣開關的運行，完成電氣附件的絕緣性能測試與數據分析，并顯示故障電氣附件的參數信息和位置。工控機采用的是PXI公司智能平板AMC58234。

④轉接電纜，是測試系統與待測發動機之間的連接橋梁。航空發動機內部的電氣附件均和連接器EEC連接，為了不對發動機進行任何改動，需要通過ZIF轉接插頭與本測試系統接口進行對接。

⑤路由器，用于組成局域網，完成工控機、兆歐表和矩陣開關之間的通信。

用戶通過航空發動機電氣附件絕緣測試系統的人機交互界面啟動程序。工控機首先通過路由器控制兆歐表輸出直流電壓；隨后，根據測量要求，閉合矩陣開關中相對應的開關點；待兆歐表測量出電氣附件數據后，工控機將測得的數據與標準數據庫進行對比分析；最后，將測量得到的電氣附件參數、位置與故障判斷結果顯示在界面上，供用戶查看。硬件系統工作流程如圖2所示。

圖2　硬件系統工作流程圖

3　測試系統的軟件設計

3.1軟件系統的總體結構

航空發動機電氣附件絕緣性能測試系統所實現的目標如下。

①實現對任意型號航空發動機電氣附件絕緣性能測試的自動化。測試設備將自動采集所有需要進行絕緣測試的測試點，并對測試點進行絕緣測量。

②實現航空發動機電氣附件絕緣性能診斷與定位。測試設備采集到電氣附件絕緣值后，分析數據，判斷電氣附件是否出現故障，對故障電氣附件定位。

③實現自動生成數據報表，并可以瀏覽歷史數據及打印。對每一次測試自動建立excel表格，并保存數據及測試結果，可以對歷史數據進行瀏覽或者打印。

啟動航空發動機電氣附件絕緣測試系統時，需要填寫航空發動機的類型和序號，系統自檢正常后，可以根據用戶需要進行人工絕緣測試和自動絕緣測試，也可以對歷史測試數據進行查看、打印。軟件系統整體結構圖如圖3所示[8]。

圖3　軟件系統整體結構圖

3.2測試程序設計

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

軟件系統流程圖如圖4所示。

圖4　軟件系統流程圖

4　試驗結果

對航空發動機電氣附件絕緣性能測試系統進行試驗驗證。該系統的優越性體現在以下幾個方面。

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

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

③擴展性強，可以對任意型號發動機進行電氣附件絕緣性能測試。通過調用不同的航空發動機電氣附件數據庫，操作人員可以選擇對不同型號的發動機進行電氣附件絕緣性能測試。

④測試精度高。系統所采用的設備均為最新研發產品，測試速度快，受外界影響程度小，測試精度高。

5　結束語

本文設計的航空發動機電氣附件絕緣性能測試系統利用LabVIEW虛擬平臺，將工控機、兆歐表和矩陣開關融為一體，實現了電氣附件絕緣性能的自動化測試，并且操作簡單、運行可靠、效率高。同時，該測試設備具有高度可擴展性，通過調用不同的電氣附件標準參數數據庫，可以測量任意型號發動機的絕緣性能。該設備具有廣闊的應用前景。

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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年畢業于哈爾濱工業大學機械電子工程專業，獲博士學位，教授；主要從事航空地面測試設備與故障診斷技術方向的研究。

TH7;TP216+.1

ADOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201609020

國家自然科學基金資助項目(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。