智能化波音737NG引氣系統健康測試設備設計

汪天京 褚清健 吳金寶 劉一瑋

摘要：針對波音737NG飛機引氣健康測試工作的重要性和現有引氣健康測試設備的不足，基于高精度傳感器、數據采集模塊、通用觸控設備和外圍支持部件，設計并試制了智能化737NG飛機引氣健康測試設備。經驗證，該設備提高了引氣健康測試的數據精度，降低了人為因素造成測試結果失真的概率，基本實現了系統健康狀態的自動識別和故障的自動診斷。

關鍵詞：引氣健康測試；發動機；自動測試；故障診斷

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

0 引言

波音737NG飛機發動機引氣系統為飛機氣源系統提供經調壓、調溫后的氣體，并分配至各個系統。737NG飛機的發動機引氣系統部件多為機械控制，不具備系統監控和故障診斷功能，且相關部件故障率較高，排故分析較難準確定位故障原因，對飛機的運行造成了不利影響。

現有飛機維修手冊提供了發動機引氣系統健康檢查程序和設備，為提高發動機引氣系統的運行狀態起到了關鍵作用，但經一線反饋發現部分不足之處，改進后可使工作效率、工作質量和工作范圍得到進一步提升。

1 波音737NG飛機發動機引氣健康測試

737NG飛機發動機引氣系統分別從高壓9級和高壓5級壓氣機引氣（見圖1）。

發動機引氣健康測試的內容是測試737NG發動機引氣系統的三個主要部分：高壓級控制器和高壓級活門部分；壓力調節器和壓力調節關斷活門部分；預冷器控制活門及390F傳感器的壓力作動部分（不涉及溫度控制功能）。三個主要部分的壓力調節功能均為氣動氣控。由引氣管路提供的上游壓力為供壓信號Ps，由高壓控制器、壓力調節器、預冷器控制活門輸出的壓力為控制壓力Pc?？刂茐毫c驅動活門作動，活門通過膜盒比較Pc與下游管道壓力，實現對活門開度的控制。

引氣健康測試設備通過將外接氣源調節至所需壓力作為Ps壓力接入系統，通過壓力表測量Pc壓力是否在標準范圍內，觀察活門是否按邏輯進行開關作動，綜合觀察Pc壓力和活門作動情況，輔以相應的邏輯判斷和隔離操作，最終確定被測試部分的健康狀況。

2 引氣健康測試設備現狀及存在問題

現有飛機維修手冊推薦的發動機引氣系統健康測試設備均為機械式儀表配合管路、閥門使用（見圖2），使用中存在以下問題。

1）使用過程復雜，測試精度受機械員技能水平影響較大。引氣健康測試設備需要使用4塊氣壓表、1個調壓閥、一個針閥，根據測試項目不同，分別通過管路進行連接。日常測試中多次發生因操作不當導致錯誤的問題。

2）高精度機械儀表在高振動、高低溫等惡劣環境中使用時易導致精度降低甚至損壞。引氣監控測試設備的機械儀表對精度要求較高，為±0.5%FS。機械壓力表在外場惡劣環境中使用，儀表使用壽命較短，精度降低較快，設備需頻繁維修校驗。

3）缺少故障診斷功能。測試結果和故障位置的判斷需要機械員根據手冊和工作經驗進行，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飛機引氣健康測試設備

針對上述問題，基于現有引氣健康測試程序的基本測試邏輯和設備構型，采用高精度傳感器和數字化嵌入式設備，重新設計和試制了智能化737NG飛機引氣系統健康測試設備。該設備是融合了先進總線、嵌入式系統、虛擬儀器和智能診斷等領域知識的智能系統，已成為測試評估的有效手段[1]。該智能化設備由三部分組成，如圖3所示。

1）供壓部分（Ps部分）

供壓部分通過設備接口將外部壓縮空氣或氮氣接入系統，經高壓調節器調節后，通過設備接口和適當的管路接入發動機引氣的供壓信號管，通過設備內的壓力傳感器探測Ps壓力，用于顯示和邏輯判斷。

2）控制壓力部分（Pc部分）

控制壓力部分通過設備接口和適當的管路將發動機引氣的控制壓力接入設備，設備內的壓力傳感器探測Pc壓力，用于顯示和邏輯判斷。設備內電伺服針閥（閉環步進電機和針閥直連）受顯示控制組件控制，在需要控制Pc壓力降低時打開。

3）設備控制指示部分

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轉換為RS485總線信號?？偩€信號傳入觸摸屏一體機，用于顯示和控制。

通過對飛機維修手冊的研讀和對比測試，兼顧精度要求和設備開發、維護成本需求，對主要部件進行如下選型：

● 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；

● 數據采集模塊：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；

● 調壓器：FESTO減壓閥，耐壓1.6MPa；

● 針閥：不銹鋼儀表針型閥；

● 閉環步進電機：VSMD143-010T一體機；

● 嵌入式觸控屏：恒泰克7in嵌入式觸控屏。

為實現智能化737NG飛機引氣監控測試設備的高精度和便捷性目標，核心部件采用了2個高精度擴散硅壓力傳感器。傳感器量程為1000kPa和300kPa，精度等級0.1%FS，過載能力為滿量程的200%，輸出信號為0～10VDC。擴散硅壓力傳感器具有線性好、量程寬、輸出大、頻響高等特點，便于批量生產和微機械加工，應用領域廣泛 [2]。

數據采集模塊作為傳感器和觸控屏之間數據傳輸的橋梁，將壓力傳感器的0～10VDC模擬信號轉換為16bit精度為±0.02%FSR的數字信號。數字信號通過RS485總線以MODBUS-RTU協議發送給嵌入式觸控屏，用于信號的顯示和處理。經分析，發動機引氣系統的壓力響應時間在1s以內[3]，且引氣系統健康測試不需對調節過程進行監控，因此采樣頻率選用10次/s可滿足測試需求。

作為一種方便、簡單的操作手段，嵌入式觸控屏具有良好的人機交互性，廣泛應用于各類嵌入式產品[4]。在智能化737NG飛機引氣監控測試設備的設計中，通過組態軟件的編輯，實現了人機交互、數據處理、數據儲存和輸出的功能，設備的智能性主要由此實現。

因無合適電伺服針閥產品可選用，決定將閉環減速步進電機與儀表針閥直連，組成電伺服針閥。使用中通過RS485總線向閉環減速步進電機輸出控制信號，電機驅動儀表針閥，實現針閥的開度控制。閉環減速步進電機的選用兼顧了閥門開度的閉環控制功能和產品開發的經濟性。

4 智能化737NG飛機引氣健康測試設備的使用

根據飛機維修手冊步驟和發動機引氣健康測試設備改進需求，設備的基本功能設定如圖4所示。

在圖4的“輸入基本信息”欄中，輸入信息包括所測試的飛機注冊號、發動機位置、執行工作的工作者職工編號?；拘畔⒑蜏y試項目選擇頁界面如圖5所示。

選擇測試項目包括3個基本模塊，流程如下。

1）可選擇在設備引導下執行3個引氣健康測試的主要流程。每個流程基本相同。第一步，通過圖示提供信號管路連接方法；第二步，以問答的形式引導執行引氣健康測試步驟，并對測量數值進行判斷；第三步，如認可數值有效，可根據設備判斷和引導執行后續的系統恢復或故障隔離工作；第四步，記錄測試結果并生成報表（見圖6、圖7）。

2）可選擇人工測試，測試過程與原發動機引氣健康測試設備使用步驟基本相同。按手冊步驟調節調壓器，觀察輸出Ps壓力和飛機系統反饋的Pc壓力，在此過程中觀察活門作動情況。按手冊步驟手動操作針閥的開度，調節Pc壓力并觀察活門作動情況。最后按手冊判斷發動機引氣系統狀況。

5 總結

經過多次使用樣機實際執行引氣健康測試，測試結果與采用傳統波音公司提供的引氣健康測試設備（見圖8）相同。

因采用觸控屏作為人機界面，測試結果讀取清晰，設備操作便捷。原需3人操作的引氣健康測試工作可減為1～2人操作，測試時間由1.5h/每臺發動機降至1h/每臺發動機。

經實際使用驗證，該設計實現了737NG飛機引氣系統健康測試的自動化與故障判斷的智能化，提高了737NG飛機引氣系統健康監控的準確性，降低了維修所需工時。

同時，數字化自動測試設備具有較強的擴展和二次開發潛力，可廣泛用于多種機型氣源系統部件的測試工作。通過適當擴展后可實現數據的云處理、云存儲，進一步提高飛機維修的數字化、智能化水平。

參考文獻

[1]張秦嶺，郭宏，姜旭.大型無人機電源系統故障診斷專家系統[J].北京航空航天大學學報，2013，39（8）：1026-1030.

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

[3]趙競全，林貴平，袁修干.飛機環控系統引氣分系統動態特性試驗研究[J].北京航空航天大學學報，2000，26（5）：527-529.

[4]劉元超.嵌入式觸摸屏的應用研究[J].長江大學學報（自然科學版）理工卷，2008（4）.