一種基于復雜環境下的機載空氣增壓裝置性能測試系統

李玲，林和平，宋靜，王柯，曾永，汪俊梅（廣州廣電計量檢測股份有限公，廣州 510000）

引言

目前針對機載空氣增壓裝置更多的還是從產品設計角度，對相關功能性能指標的實現進行研發設計，但如何在高壓、低壓、高溫、低溫、高濕等復雜環境下對空氣增壓裝置的功能性能指標，如：排氣壓力、過濾性能、充氣速率、散熱性能、流體阻力等技術參數進行測試驗證，還未查到有相關研究及實物模型。

由于戰機執行飛行任務環境復雜，那么要驗證安裝于戰機的空氣增壓裝置在復雜工況環境下的性能指標、壽命、可靠性等方面是否滿足要求，需要設計制造出一套測試系統進行測試驗證。新型空氣增壓裝置采用先進技術及材料，后續會運用于多型號軍機、民機等，具有較大市場前景。鑒于此，基于復雜環境下的機載空氣增壓裝置性能測試系統的開發，可填補該產品在復雜環境下的功能性能測試技術空白。

1 空氣增壓裝置

空氣增壓裝置是一種新型的充、補氣增壓裝置，主要運用于戰機信息支援控制空氣能源系統中，安裝于飛機左后設備艙內，為飛機空氣能源系統提供所需的高壓壓縮空氣，以提高效能，每臺戰機安裝1套。空氣增壓裝置在復雜運行環境下的性能優劣對戰機的作戰效能起著決定性作用，所以空氣增壓裝置在各類復雜環境條件下的功能性能穩定性、可靠性尤為重要。空氣增壓裝置功能性能指標要求如表1所示，工作工況如表2所示。

表1 空氣增壓裝置功能性能指標

表2 空氣增壓裝置工作工況

2 方案設計

空氣增壓裝置測試系統設計主要由3個分系統組成：進氣控制系統、冷卻系統、數據采集測量系統，各分系統設計原理如下：

2.1 空氣增壓裝置不同工況環境條件下進氣控制系統方案設計原理

空氣增壓裝置在不同工況條件工作時進氣要求，建立自然、高壓、低壓、低溫、高溫、振動環境進氣模型，確保進氣系統在供氣壓力（40～350）kPa（絕壓）穩定可調，供氣流量不小于120 SL/min，采集壓力傳感器信號反饋數據，自動調節抽壓裝置控制進氣壓力大小，根據設定的目標壓力值自動調節儲氣裝置壓力。

2.2 冷卻系統設計原理

空氣增壓裝置在制氣過程中會產生大量的熱量，對該裝置的正常工作有影響，所以配置滿足機上環境散熱條件的冷卻系統，通過冷卻系統將空氣增壓裝置工作時產生的熱量帶走，做到系統有效的熱交換。空氣增壓裝置散熱功率大于2 kw，經設計計算：冷卻系統循環冷卻液壓力（1±0.02）MPa可調、流量（5±0.5）L可調、散熱能力大于7.5 kw，在（5～35）℃任一溫度點恒定控溫，采用航空65#冷卻液作為循環散熱介質，溫度傳感器和壓力傳感器反饋信號，自動調節控制液冷系統相關參數配置。

2.3 數據采集、測量系統設計原理

數據采集控制部分主要由工業專用微處理器、A/D轉換器、只讀存儲器ROM、隨機存貯器RAM、顯示控制器、液晶顯示器、鍵盤控制器、報警電路、時鐘電路等部分組成，以單片微處理器為核心，對各種數據進行采集和處理，被記錄數據可送至隨機存貯器RAM上存貯，或送至液晶顯示屏上顯示。

通過相關傳感器信號反饋控制及各類閥門的自動化控制設計，實時采集、記錄空氣增壓裝置的進氣流量、進氣濕度、進氣壓力、冷卻液流量、冷卻液壓力、冷卻液溫度、出氣流量、出氣濕度、出氣壓力等參數，驗證測試系統控制邏輯是否滿足空氣增壓裝置功能性能指標測試需求，同時高壓氣瓶中壓力達到35 MPa時，通過減壓模塊設計，將壓力減壓至0.4 MPa，安全有效測量出口空氣品質空氣增壓裝置測試系統硬件設計圖見圖1。

圖1 空氣增壓裝置測試系統硬件設計圖

3 方案實現

空氣增壓裝置性能測試系統實現方法步驟如下：

1）基于環境試驗技術、空氣壓力控制理論，提出高壓、低壓、高溫、低溫環境條件下進氣條件模擬方法；

2）針對不同的環境條件，分別建立不同的環境條件下進氣模型；

3）分別采用自動化控制技術（PLC）、制冷控制技術、空氣壓力控制技術等對測試系統的冷卻、壓力控制、數據采集分析、自動控制系統進行設計方法研究，并通過技術指標驗證其可靠性和穩定性。

3.1 具體解決的方法和途徑

3.1.1 不同環境工況條件下進氣控制系統設計

1）自然進氣

空氣增壓裝置進氣軟管不與氣源系統連接，軟管暴露空氣中，空氣增壓裝置工作，軟管上傳感器監測進氣溫度、進氣濕度、進氣壓力數據，在自然進氣環境下測試空氣增壓裝置相關性能指標（結合數據采集、測量系統），原理設計圖見圖2。

2）高壓進氣

空氣增壓裝置進氣軟管與氣源系統連接，啟動空氣壓縮機對2立方壓力容器進行供壓，至壓力容器壓力達到（600～800）kPa， 通過減壓流量控制閥進行調節，調節氣源出口壓力至350 kPa（絕壓），啟動空氣增壓裝置在高壓進氣環境下工作，并測試空氣增壓裝置相關性能指標（結合數據采集、測量系統），原理設計圖見圖2。

3）低壓進氣

空氣增壓裝置進氣軟管與氣源系統連接，設定抽壓裝置控制器壓力參數為57 kPa（絕壓），啟動抽壓裝置，當壓力達到57 kPa時，打開正常大氣閥門，自動抽壓裝置調節壓力平衡在57 kPa，啟動空氣增壓裝置在低壓進氣環境下工作，并測試空氣增壓裝置相關性能指標，原理設計圖見圖2。

圖2 自然、高壓、低壓環境進氣系統設計圖

4）低溫進氣

空氣增壓裝置和進氣軟管放入高低溫試驗箱中，將試驗箱溫度設定為-55 ℃，空氣增壓裝置在-55 ℃環境下貯存[3]，貯存時間為技術要求時間或達到溫度穩定時間，啟動空氣增壓裝置前，啟動液冷系統工作10 min，空氣增壓裝置在低溫進氣環境下工作，并測試空氣增壓裝置相關性能指標（結合數據采集、測量系統），原理設計圖見圖3。

5）高濕進氣

進氣軟管末端放入高低溫濕熱試驗箱中，空氣增壓裝置放置于試驗箱外，將試驗箱溫度設定為40 ℃、濕度60 %RH[4]，試驗箱溫度濕度穩定后，啟動空氣增壓裝置，空氣增壓裝置在吸入高濕空氣下工作，并測試空氣增壓裝置相關性能指標（結合數據采集、測量系統），原理設計圖見圖3。

6）高溫進氣

空氣增壓裝置和進氣軟管末端分別放入兩個高低溫試驗箱中，將空氣增壓裝置所在試驗箱溫度設定為70 ℃，進氣軟管末端所在試驗箱溫度設定為60 ℃，空氣增壓裝置在70 ℃環境下貯存[2]，貯存時間為技術要求時間或達到溫度穩定時間，啟動空氣增壓裝置，空氣增壓裝置在低溫進氣環境下工作，并測試空氣增壓裝置相關性能指標（結合數據采集、測量系統），原理設計圖見圖3。

圖3 高濕、高溫、低溫環境進氣系統設計圖

3.1.2 冷卻控制系統設計

將液冷系統的出液口與空氣增壓裝置進液口連接，液冷系統的回液口與空氣增壓裝置出液口連接，設定液冷系統溫度為25 ℃，通過進液壓力傳感器與回液流量計傳感器數據，調節液冷系統供壓及供流，調節冷卻液壓力達到（1±0.02）MPa，調節冷卻液流量達到（5±0.5）L，在空氣增壓裝置工作的情況下，檢測進出液溫度值、流量數據、壓力值，計量空氣增壓裝置散熱量，散熱量=冷卻液流量×冷卻液熱容×（液冷出口溫度—液冷入口溫度）［1］，空氣增壓裝置流阻=液冷入口壓力-液冷出口壓力-管路固有流阻，原理設計圖見圖4。

圖4 冷卻控制系統原理設計圖

3.1.3 數據采集、測量系統設計

采集空氣增壓裝置進氣控制系統的容器壓力、減壓閥壓力值，靠近空氣增壓裝置進氣口的氣體溫度、氣體濕度、氣體壓力，采集空氣增壓裝置冷卻系統的供液管路溫度值、壓力值，回液管路的溫度值、壓力值、流量值，采集以上數據做空氣增壓裝置散熱量、流阻的計算。

采集空氣增壓裝置出氣口相關性能指標數據，測量出氣口氣體溫度是否滿足設計要求，空氣增壓裝置啟動工作時電流自動開始計時，29 L氣瓶充滿至35 MPa，空氣增壓裝置停止工作，通過采集29 L氣瓶初始質量和結束質量，計算出空氣增壓裝置平均充氣速率， 檢測空氣增壓裝置制氣品質步驟：先調節減壓模塊將35 MPa壓縮氣體減壓至0.4 MPa，再接入壓縮空氣品質分析儀進行氣體濕度和含油量的檢測。

測量系統中的自動化控制：使用傳感器自動控制空氣增壓裝置制滿氣體停機，氣體品質測量減壓模塊開關使用遠控電磁閥通斷，35 MPa高壓氣瓶排空，使用遠控電磁閥通斷控制減壓閥排空氣體。 數據采集、測量系統原理設計圖見圖5。

圖5 數據采集、測量系統原理設計圖

4 關鍵技術及難點

1）不同工況環境下的進氣系統的設計、控制。采用自動化控制等相關技術，設計環境進氣模擬系統，建立自然、高壓、低壓、低溫、高溫、振動環境進氣模型，自動調節進氣模擬系統壓力。

2）冷卻系統設計。針對空氣增壓裝置制氣過程中頻繁啟停、高壓段制氣功率的變化，空氣增壓裝置散熱功率2 kw浮動，設計出可自動恒溫恒壓的冷卻系統。

3）性能數據指標測量與數據采集系統設計。在空氣增壓裝置制氣過程中，通過相關傳感器信號反饋控制及各類閥門的自動化控制設計，實時采集、記錄數據，能有效測量出空氣增壓裝置制氣過程中相關性能參數。

5 應用

本項目從工程應用的角度出發，進行了工程技術研究， 進氣控制系統解決了為空氣增壓裝置提供自然、高壓、低壓氣源問題，能夠控制供氣壓力為（40～350）kPa（絕壓），供氣流量≥120 SL/min，在自然進氣控制系統的基礎上，改變進氣溫度與濕度，為空氣增壓裝置提供低溫、高溫、高濕氣源；在以上進氣控制系統環境下，結合“冷卻系統”、“數據采集、測量系統”測量空氣增壓裝置排氣壓力、過濾性能、充氣速率、散熱性能、流體阻力、出氣口氣體品質等功能性能技術指標檢測。

冷卻系統模擬機載液冷環境，針對空氣增壓裝置制氣過程中頻繁啟停、高壓段制氣功率的變化，對應解決自動恒溫恒壓問題，空氣增壓裝置接入冷卻系統后，控制冷卻液壓力（1±0.02）MPa、流量（5±0.5）L、液冷溫度恒定在25 ℃，熱交換走空氣增壓裝置約2 kW熱耗，結合“數據采集、測量系統”測量空氣增壓裝置排氣壓力、過濾性能、充氣速率、散熱性能、流體阻力、出氣口氣體品質等功能性能技術指標檢測。

數據采集、測量系統解決了測試系統的數據采集及閥門組件控制，實時采集、記錄空氣增壓裝置的進氣流量、進氣濕度、進氣壓力、冷卻液流量、冷卻液壓力、冷卻液溫度、出氣流量、出氣濕度、出氣壓力等參數，在測量35 MPa高壓氣瓶中空氣品質時，通過減壓至0.4 MPa，再接入測量儀器，解決了高壓空氣品質測量問題，結合“冷卻系統”、“數據采集、測量系統”測量空氣增壓裝置排氣壓力、過濾性能、充氣速率、散熱性能、流體阻力、出氣口氣體品質等功能性能技術指標檢測。

6 結論

本文提出的基于復雜環境下的機載空氣增壓裝置性能測試系統能夠對當前某機型用空氣增壓裝置在低壓、高壓、高濕、高溫、低溫等多種環境條件下，能夠接受上位機控制，按設計控制律實現空氣增壓裝置電機的啟動、穩定運轉和停止，能夠通過上位機實時直接或間接讀取其工作時的出口氣體溫度、壓力和電機轉速；能夠實時測試出高壓氣瓶內壓力大小及重量，能夠測量空氣增壓裝置出氣口氣體品質（濕度、含油量），能夠測試出冷卻液入口和出口壓力值，由此得出其流體阻力，滿足空氣增壓裝置在復雜環境下的功能性能指標測試要求，具備驗證其可靠性和穩定性的作用。