一種綜合充氣檢壓裝置的研制

李秋艷

（空軍工程大學(xué) 航空機(jī)務(wù)士官學(xué)校， 河南 信陽(yáng) 464000）

0 引言

氮?dú)夥€(wěn)定性好， 腐蝕性小， 在飛機(jī)上使用越來(lái)越廣泛。現(xiàn)代飛機(jī)常采用壓縮氮?dú)庾鳛闅鈩?dòng)系統(tǒng)的能源，用來(lái)進(jìn)行座艙蓋密封，應(yīng)急剎車等。 飛機(jī)的減震支柱、輪胎也灌充的是壓縮氮?dú)狻鈩?dòng)系統(tǒng)、緩沖支柱和輪胎中的氣壓是否符合規(guī)定，直接關(guān)系到其是否能夠正常工作。在機(jī)務(wù)維護(hù)中， 必須經(jīng)常檢查其充氣壓力， 并及時(shí)補(bǔ)充到規(guī)定值。 因此，氮?dú)獾墓喑浜蛪毫z測(cè)是一項(xiàng)經(jīng)常性工作。 現(xiàn)有的大多數(shù)充氮裝置，是采用手動(dòng)操作充氣、目視觀察指針式壓力表的形式來(lái)完成充氣和檢壓。而且，對(duì)不同充氣部位，要采用不同的充氣裝置。 針對(duì)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(yīng)充氣模式，就能夠自動(dòng)完成充氣檢壓，操作便捷，綜合性和智能化程度高。

1 總體設(shè)計(jì)思路

1.1 功能需求及總體組成

該裝置需要實(shí)現(xiàn)在人工操作前提下自動(dòng)完成充氣檢壓，同時(shí)還要具備給飛機(jī)氣動(dòng)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(shè)備進(jìn)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(jī)和附件。 主機(jī)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(jī)面板按人工化設(shè)計(jì)， 布局合理適合機(jī)務(wù)人員操作。 附件部分實(shí)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(gòu)，模塊盡可能采用貨架產(chǎn)品，相關(guān)的組件也要提供通用設(shè)備接口、以便系統(tǒng)能夠識(shí)別。 硬件的結(jié)構(gòu)采用過(guò)渡板安裝產(chǎn)品組件并留有適當(dāng)?shù)目臻g余量， 保證在生命周期內(nèi)組件更換時(shí)不會(huì)引起整機(jī)結(jié)構(gòu)更改。 軟件系統(tǒng)架構(gòu)采用面向?qū)ο蠛椭虚g件技術(shù)架構(gòu)， 保證組件之間具有互操作性、 產(chǎn)品具有擴(kuò)展性。 標(biāo)準(zhǔn)模塊驅(qū)動(dòng)需要貫徹IVI 技術(shù)規(guī)范， 保證產(chǎn)品組件的互操作性和平滑升級(jí)能力；應(yīng)用CORBA 軟件總線和相應(yīng)的IDL 協(xié)調(diào)專業(yè)組件驅(qū)動(dòng)模塊接口設(shè)計(jì)，保證驅(qū)動(dòng)模塊具有平臺(tái)和語(yǔ)言無(wú)關(guān)性，支持產(chǎn)品生命周期內(nèi)的技術(shù)升級(jí)。

1.2 工作原理

該裝置通過(guò)采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)和智能傳感器測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢壓和充氣。裝置以控制計(jì)算機(jī)為核心，自動(dòng)控制各部件協(xié)調(diào)工作。壓力傳感器和溫度傳感器把當(dāng)前的壓力值和溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)， 進(jìn)入控制計(jì)算機(jī)運(yùn)算單元。 控制計(jì)算機(jī)根據(jù)溫度傳感器和壓力傳感器測(cè)得的值， 結(jié)合人工通過(guò)顯示器上的導(dǎo)航鍵和鍵盤的輸入數(shù)據(jù)，自動(dòng)計(jì)算出合理的理論氣壓值，通過(guò)控制電磁閥的通斷來(lái)控制自動(dòng)排氣或充氣， 使得充氣部位的氮?dú)鈮毫Ψ弦蟆?/p>

檢壓時(shí)，需檢壓部件內(nèi)氣體進(jìn)入裝置相應(yīng)接口，通過(guò)操作控制計(jì)算機(jī)→開機(jī)界面→機(jī)型選擇界面→工作界面，在工作界面上點(diǎn)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(guò)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(jì)算機(jī)工作界面上。操作人員可輕松便捷完成測(cè)壓工作。充氣時(shí)，外部氣體進(jìn)入裝置“氣源” 輸入口，操作控制計(jì)算機(jī)→開機(jī)界面→機(jī)型選擇界面→工作界面，選擇壓力通道，氣體經(jīng)過(guò)“電磁閥” → “調(diào)壓閥” →“單向閥” →“壓力傳感器” →“電磁閥”，控制計(jì)算機(jī)控制“調(diào)壓閥”自動(dòng)設(shè)置壓力值；點(diǎn)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(dāng)“壓力傳感器” 感受到的氣體壓力值達(dá)到裝置的設(shè)定值時(shí)，“電磁閥” 由常開狀態(tài)處于常閉狀態(tài)，由控制計(jì)算機(jī)使裝置自動(dòng)停止向飛機(jī)系統(tǒng)充氣。

1.3 技術(shù)性能指標(biāo)

（1）工作介質(zhì)。 工業(yè)氮?dú)狻?/p>

（2）輸入氣源。 氮?dú)廛嚮?5MPa 氮?dú)馄俊?/p>

（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(jí)；0～15MPa，精度0.5 級(jí)。

（5）電源。 機(jī)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(biāo)。工作溫度-40℃～60℃；存儲(chǔ)溫度-55℃～70℃；相對(duì)濕度不大于85%。

（7）計(jì)量周期。 1 年。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)

充氣測(cè)壓裝置的設(shè)計(jì)需要考慮綜合化、 小型化，因此，在主機(jī)的設(shè)計(jì)上通過(guò)模塊化來(lái)達(dá)到要求。

（1）機(jī)箱。 主機(jī)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(jì)算機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為了達(dá)到通用化、系列化和小型化的設(shè)計(jì)要求，采用CI945C 型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了計(jì)算機(jī)、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(dòng)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(fù)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(dòng)切換到鋰電池，提高裝置的可靠性。 DC-DC 提供控制計(jì)算機(jī)需要的12V 電源。電磁閥驅(qū)動(dòng)電路，根據(jù)控制計(jì)算機(jī)輸出的開關(guān)量信號(hào)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)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(hào)轉(zhuǎn)換成0～5V 電壓信號(hào)，并進(jìn)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?dú)鈴臍庠吹叫璩錃獠课坏牧鹘?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(guò)濾氣源氣體雜質(zhì)，充放電磁閥根據(jù)壓力顯示測(cè)控儀的設(shè)置控制充氣和放氣的開啟與關(guān)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(cè)控儀，開關(guān)打開或關(guān)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(shè)計(jì)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(shè)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(jī)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?dú)廛嚮虻獨(dú)馄枯敵鲕浌芙涌诳芍苯訉?duì)接。 裝置中配套的對(duì)機(jī)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(hào)的接口對(duì)接， 以滿足各種充氣組件的物理連接需求。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)充氣（檢壓）的過(guò)程控制。 環(huán)境控制子程序主要功能是對(duì)裝置的內(nèi)部工作環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 自檢子程序具有上電自檢、啟動(dòng)自檢、周期自檢等BIT 自測(cè)試功能，可完成自身置信度測(cè)試、故障隔離測(cè)試。數(shù)據(jù)管理子程序?qū)Ω鶕?jù)主程序的調(diào)動(dòng)完成數(shù)據(jù)的保存、查詢。軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要采用LabView、Delphi、access 等進(jìn)行編寫。 軟件系統(tǒng)起動(dòng)后，自動(dòng)完成自檢，并運(yùn)行環(huán)境控制子程序，然后進(jìn)入主界面。 在主界面下，根據(jù)操作者點(diǎn)選功能按鈕，進(jìn)入相應(yīng)子程序。主控程序根據(jù)所運(yùn)行子程序，啟用數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、處理和保存等，并將操作者選取的功能程序運(yùn)行結(jié)果顯示在上顯示屏上。 若子程序運(yùn)行出現(xiàn)問(wèn)題或操作員需要對(duì)裝置進(jìn)行檢測(cè)， 主程序啟用自檢子程序，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

為了測(cè)試在不同模式下裝置的正確性和穩(wěn)定性，進(jìn)行了廠內(nèi)例行試驗(yàn)、儀表計(jì)量、環(huán)境試驗(yàn)等。

4.1 可靠性

在裝置的研制過(guò)程中， 可靠性設(shè)計(jì)是全系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。為了確保可靠性指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，在具體設(shè)計(jì)過(guò)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(shè)計(jì)有自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式，在控制計(jì)算機(jī)故障的情況下，如果無(wú)法快速排出故障，可以應(yīng)急使用手動(dòng)模式完成充氣檢壓工作。 元器件的選用采用降額、冗余、簡(jiǎn)化、動(dòng)態(tài)和環(huán)境的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；控制計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)盡量采用中大規(guī)模集成電路，來(lái)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(shí)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(qiáng)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(jī)使用；在結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)中，充分重視通風(fēng)、散熱、耐振動(dòng)沖擊等問(wèn)題，提高專用檢定裝置的環(huán)境適應(yīng)能力，提高專用檢定裝置的整體可靠性水平。裝置經(jīng)過(guò)使用驗(yàn)證，其整機(jī)平均無(wú)故障時(shí)間可達(dá)到目標(biāo)值2000h、最低可接受值1000h 的可靠性指標(biāo)。

4.2 維修性

裝置設(shè)計(jì)上簡(jiǎn)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(cuò)措施及識(shí)別標(biāo)志，維修的可達(dá)性好，按照維修時(shí)的狀況提供操作空間，保證維修安全、方便；設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，能夠快速定位，快速更好部附件、元器件；平均修復(fù)時(shí)間滿足維修性指標(biāo)要求。

4.3 安全性

采用安全電壓無(wú)電磁輻射，電氣系統(tǒng)接地良好，設(shè)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(cè)使用過(guò)程中， 使用機(jī)場(chǎng)氮?dú)夂蜋C(jī)場(chǎng)DC28V電源或自身DC28V 內(nèi)置電源，設(shè)備安全接地，在使用過(guò)程中不會(huì)造成機(jī)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(huì)造成壓力過(guò)高；當(dāng)可調(diào)減壓器調(diào)整壓力和測(cè)量壓力大于設(shè)置壓力時(shí)， 電磁閥可即時(shí)切斷氣源進(jìn)氣， 從而保證飛機(jī)氣密檢查系統(tǒng)的壓力不大于規(guī)定值。 當(dāng)輸入?yún)?shù)超出機(jī)型部件安全壓力范圍時(shí)，裝置可以自動(dòng)告警提示，杜絕超限值輸入，損壞裝置；設(shè)置安全操作提示，在面板設(shè)置警示標(biāo)志；裝置設(shè)置有專門的殘余氣體泄放功能， 在進(jìn)行泄放時(shí)能夠自動(dòng)識(shí)別未關(guān)位置，并停止放氣。

5 裝置的特點(diǎn)

5.1 綜合化

裝置主體通用，壓力可調(diào)，具備給飛機(jī)輪胎、減震支柱、蓄壓器以及其它需要充氣、檢壓等設(shè)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。克服了以往不同系統(tǒng)部件充氣測(cè)壓時(shí)， 需要準(zhǔn)備不同設(shè)備的問(wèn)題。通過(guò)使用通用的主體，操作員只需要選擇配套的相應(yīng)附件即可。裝置使用方便快捷，大大節(jié)省了機(jī)務(wù)人員的時(shí)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(jì)算機(jī)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)， 輸入通過(guò)導(dǎo)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(jī)后，通過(guò)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(rèn)裝置開始工作。此時(shí)，在控制計(jì)算機(jī)的控制下， 選擇壓力通道， 自動(dòng)設(shè)置壓力值，開始增壓，達(dá)到規(guī)定壓力時(shí)自動(dòng)關(guān)閉增壓管路，開始計(jì)時(shí)并保持壓力， 同時(shí)測(cè)量飛機(jī)系統(tǒng)壓力值。 進(jìn)行檢壓時(shí)，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(guò)觀察指針式壓力表來(lái)判斷壓力；充氣時(shí)，操作人員不需要通過(guò)觀察指針式壓力表來(lái)判斷壓力再關(guān)斷充氣開關(guān)，只需在軟件界面上確認(rèn)充氣完成即可。 全程機(jī)務(wù)人員在軟件的提示下進(jìn)行工作，裝置自行完成工作過(guò)程，測(cè)壓數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，充氣檢壓過(guò)程安全簡(jiǎn)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(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、合理優(yōu)化、使用安全，已經(jīng)做到了最小；在考慮維修性設(shè)計(jì)的前提下，各導(dǎo)管長(zhǎng)度已壓縮至最短。主機(jī)箱內(nèi)部空間已經(jīng)得到合理利用，外形尺寸已無(wú)壓縮空間。 小型化使得該裝置在綜合化程度高的基礎(chǔ)上，便于攜帶，提高了該裝置實(shí)用性。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的綜合充氣檢壓裝置，具備對(duì)航空裝備不同系統(tǒng)、部件包括氣動(dòng)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(guò)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(jī)務(wù)人員進(jìn)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。