智能化波音737NG引气系统健康测试设备设计

2022-04-28汪天京褚清健吴金宝刘一玮

航空维修与工程 2022年3期

汪天京褚清健吴金宝刘一玮

摘要：针对波音737NG飞机引气健康测试工作的重要性和现有引气健康测试设备的不足，基于高精度传感器、数据采集模块、通用触控设备和外围支持部件，设计并试制了智能化737NG飞机引气健康测试设备。经验证，该设备提高了引气健康测试的数据精度，降低了人为因素造成测试结果失真的概率，基本实现了系统健康状态的自动识别和故障的自动诊断。

关键词：引气健康测试；发动机；自动测试；故障诊断

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

0 引言

波音737NG飞机发动机引气系统为飞机气源系统提供经调压、调温后的气体，并分配至各个系统。737NG飞机的发动机引气系统部件多为机械控制，不具备系统监控和故障诊断功能，且相关部件故障率较高，排故分析较难准确定位故障原因，对飞机的运行造成了不利影响。

现有飞机维修手册提供了发动机引气系统健康检查程序和设备，为提高发动机引气系统的运行状态起到了关键作用，但经一线反馈发现部分不足之处，改进后可使工作效率、工作质量和工作范围得到进一步提升。

1 波音737NG飞机发动机引气健康测试

737NG飞机发动机引气系统分别从高压9级和高压5级压气机引气（见图1）。

发动机引气健康测试的内容是测试737NG发动机引气系统的三个主要部分：高压级控制器和高压级活门部分；压力调节器和压力调节关断活门部分；预冷器控制活门及390F传感器的压力作动部分（不涉及温度控制功能）。三个主要部分的压力调节功能均为气动气控。由引气管路提供的上游压力为供压信号Ps，由高压控制器、压力调节器、预冷器控制活门输出的压力为控制压力Pc。控制压力Pc驱动活门作动，活门通过膜盒比较Pc与下游管道压力，实现对活门开度的控制。

引气健康测试设备通过将外接气源调节至所需压力作为Ps压力接入系统，通过压力表测量Pc压力是否在标准范围内，观察活门是否按逻辑进行开关作动，综合观察Pc压力和活门作动情况，辅以相应的逻辑判断和隔离操作，最终确定被测试部分的健康状况。

2 引气健康测试设备现状及存在问题

现有飞机维修手册推荐的发动机引气系统健康测试设备均为机械式仪表配合管路、阀门使用（见图2），使用中存在以下问题。

1）使用过程复杂，测试精度受机械员技能水平影响较大。引气健康测试设备需要使用4块气压表、1个调压阀、一个针阀，根据测试项目不同，分别通过管路进行连接。日常测试中多次发生因操作不当导致错误的问题。

2）高精度机械仪表在高振动、高低温等恶劣环境中使用时易导致精度降低甚至损坏。引气监控测试设备的机械仪表对精度要求较高，为±0.5%FS。机械压力表在外场恶劣环境中使用，仪表使用寿命较短，精度降低较快，设备需频繁维修校验。

3）缺少故障诊断功能。测试结果和故障位置的判断需要机械员根据手册和工作经验进行，效率较低且受工作者技能水平和熟练程度影响较大。

3 智能化737NG飞机引气健康测试设备

针对上述问题，基于现有引气健康测试程序的基本测试逻辑和设备构型，采用高精度传感器和数字化嵌入式设备，重新设计和试制了智能化737NG飞机引气系统健康测试设备。该设备是融合了先进总线、嵌入式系统、虚拟仪器和智能诊断等领域知识的智能系统，已成为测试评估的有效手段[1]。该智能化设备由三部分组成，如图3所示。

1）供压部分（Ps部分）

供压部分通过设备接口将外部压缩空气或氮气接入系统，经高压调节器调节后，通过设备接口和适当的管路接入发动机引气的供压信号管，通过设备内的压力传感器探测Ps压力，用于显示和逻辑判断。

2）控制压力部分（Pc部分）

控制压力部分通过设备接口和适当的管路将发动机引气的控制压力接入设备，设备内的压力传感器探测Pc压力，用于显示和逻辑判断。设备内电伺服针阀（闭环步进电机和针阀直连）受显示控制组件控制，在需要控制Pc压力降低时打开。

3）设备控制指示部分

控制和指示部分使用模拟量采集模块，将Ps、Pc压力传感器的模拟信号转换为RS485总线信号。总线信号传入触摸屏一体机，用于显示和控制。

通过对飞机维修手册的研读和对比测试，兼顾精度要求和设备开发、维护成本需求，对主要部件进行如下选型：

● Pc压力传感器：量程1000kPa，精度0.1%FS；

● Ps压力传感器：量程300kPa，精度0.1%FS；

● 数据采集模块：高精度高速AD模块，具备8通道16bit模拟量输入，2通道12bit DA模拟量输出；

● 调压器：FESTO减压阀，耐压1.6MPa；

● 针阀：不锈钢仪表针型阀；

● 闭环步进电机：VSMD143-010T一体机；

● 嵌入式触控屏：恒泰克7in嵌入式触控屏。

为实现智能化737NG飞机引气监控测试设备的高精度和便捷性目标，核心部件采用了2个高精度扩散硅压力传感器。传感器量程为1000kPa和300kPa，精度等級0.1%FS，过载能力为满量程的200%，输出信号为0～10VDC。扩散硅压力传感器具有线性好、量程宽、输出大、频响高等特点，便于批量生产和微机械加工，应用领域广泛 [2]。

数据采集模块作为传感器和触控屏之间数据传输的桥梁，将压力传感器的0～10VDC模拟信号转换为16bit精度为±0.02%FSR的数字信号。数字信号通过RS485总线以MODBUS-RTU协议发送给嵌入式触控屏，用于信号的显示和处理。经分析，发动机引气系统的压力响应时间在1s以内[3]，且引气系统健康测试不需对调节过程进行监控，因此采样频率选用10次/s可满足测试需求。

作为一种方便、简单的操作手段，嵌入式触控屏具有良好的人机交互性，广泛应用于各类嵌入式产品[4]。在智能化737NG飞机引气监控测试设备的设计中，通过组态软件的编辑，实现了人机交互、数据处理、数据储存和输出的功能，设备的智能性主要由此实现。

因无合适电伺服针阀产品可选用，决定将闭环减速步进电机与仪表针阀直连，组成电伺服针阀。使用中通过RS485总线向闭环减速步进电机输出控制信号，电机驱动仪表针阀，实现针阀的开度控制。闭环减速步进电机的选用兼顾了阀门开度的闭环控制功能和产品开发的经济性。

4 智能化737NG飞机引气健康测试设备的使用

根据飞机维修手册步骤和发动机引气健康测试设备改进需求，设备的基本功能设定如图4所示。

在图4的“输入基本信息”栏中，输入信息包括所测试的飞机注册号、发动机位置、执行工作的工作者职工编号。基本信息和测试项目选择页界面如图5所示。

选择测试项目包括3个基本模块，流程如下。

1）可选择在设备引导下执行3个引气健康测试的主要流程。每个流程基本相同。第一步，通过图示提供信号管路连接方法；第二步，以问答的形式引导执行引气健康测试步骤，并对测量数值进行判断；第三步，如认可数值有效，可根据设备判断和引导执行后续的系统恢复或故障隔离工作；第四步，记录测试结果并生成报表（见图6、图7）。

2）可选择人工测试，测试过程与原发动机引气健康测试设备使用步骤基本相同。按手册步骤调节调压器，观察输出Ps压力和飞机系统反馈的Pc压力，在此过程中观察活门作动情况。按手册步骤手动操作针阀的开度，调节Pc压力并观察活门作动情况。最后按手册判断发动机引气系统状况。

5 总结

经过多次使用样机实际执行引气健康测试，测试结果与采用传统波音公司提供的引气健康测试设备（见图8）相同。