某新型飞机气动元件综合测试系统的设计.pdf
2 0 1 2年 5月 第 4 0卷 第 1 0期 机床与液压 MAC HI NE T O0L & HYDRAUL I CS Ma y 2 01 2 Vo 1 . 4 0 No . 1 0 D OI 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 1 3 8 8 1 . 2 0 1 2 . 1 0 . 0 3 9 某新型飞机气动元件综合测试系统的设计 王 占勇,周凯,刘振 岗 海军航空工程学院青岛分院,山东青岛 2 6 6 0 4 1 摘要针对飞机气动系统的发展趋势及维修管理要求 ,设计一种新型飞机气动元件综合测试系统。主要介绍气动系统 和控制系统的功能特点 、设计方案、基本组成和工作原理。使用结果表明所设计的测试系统精度高、稳定性好、工作可 靠,具有可行性和实用性。 关键词飞机;气动元件;综合测试系统 中图分类号T H1 3 8 . 1 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 01 2 2 4 De s i g n o f I n t e g r a t i v e Te s t S y s t e m o f Pn e uma t i c Co mp o n e n t s f o r a Ne w Ai r c r a f t W ANG Z h a n y o n g, ZHOU Ka i , LI U Zh e n g a n g Q i n g d a o B r a n c h o f N a v a l A e r o n a u t i c a l E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e ,Q i n g d a o S h a n d o n g 2 6 6 0 4 1 ,C h i n a Ab s t r a c t A c c o r d i n g t o t h e d e v e l o p me n t t r e n d a n d ma i n t e n a n c e ma n a g e me n t r e q u e s t o f a i r c r a f t p n e u ma t i c s y s t e m ,i n t e g r a t i v e t e s t s y s t e m o f p n e u m a t i c c o mp o n e n t s w a s d e s i g n e d f o r a n e w a i r c r a f t .T h e f u n c t i o n c h a r a c t e r s ,d e s i g n p r o j e c t s ,f u n d a m e n t a l s t r u c t u r e a n d wo r k i n g p r i n c i p l e o f t h e p n e u ma t i c s y s t e m a n d c o n t r o l s y s t e m w e r e ma i n l y i n t r o d u c e d . B y u s i n g for o n e y e a r , i t i s s h o w e d t h a t t h e i n t e gra t i v e t e s t s y s t e m h a s h i g h p r e c i s i o n,s t a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t y . I t i s f e a s i b l e a n d p r a c t i c a b l e . Ke ywo r dsAi r c r a f t ; Pn e u ma t i c c o mp o n e n t ; I n t e g r a t i v e t e s t s y s t e m 气动系统不仅具有压缩性大、流动阻力小、膨胀 快和传动迅速等特点 ,而且还具有管路结构简单、维 护使用方便、安全可靠和寿命长等优点,因此在国内 外各型飞机上仍广泛采用。现代飞机的气动系统主要 由氮气系统 、环控 系统 、油箱通气增压系统组成。氮 气系统主要用来实现机轮刹车、减速伞操纵、座舱盖 开启和密封 以及应急放起 落架等 ;环控系统主要用来 实现座舱通风和增压、风挡除雾 、电子设备冷却、雷 达增压等;油箱通气增压系统用来提高各种油泵的高 空性 ,并作为机翼油箱 ,机翼 、机身副油箱和蓄压油 箱的输油动力。 气动系统是飞机的一个重要系统,其工作性能的 好坏将 直接影 响到飞机 的良好率 。因此 ,对气动系统 附件进行定期 检测 、保证其性能 良好 和工作可靠就成 为使用单位一项重要 的和经 常性 的工作。 目前 ,在进 行新 品装机前校验 、日常排查故 障、定期和周期性工 作时,均需要具备与列装飞机相配套的气动附件综合 检测设备。作者受使用单位的委托,采用 目前先进的 气动比例控制技术,设计、开发了某新型飞机气动元 件综合测试系统。经使用单位试用表明,综合测试系 统完全达到设计指标和使用要求。 1 设计思路与功能 1 . 1 设计 思路 1 按 照实 用 、安全 、可 靠 的原则 ,覆 盖 以往 各型飞机地面二线气动附件检测设备的功能,满足全 部气动附件规 定 的检查 项 目及技 术要 求 ,体 现综合 性 。 2 自动控 制 系统 采用 微计算 机 控制 技术 、电 气 比例控制技术和触摸屏 ,实现气动 附件性能检测手 段 的 自动化 ;软件 系统 具有 良好 的稳定 性和开 放性 , 通过设置 、输入 不同工艺参数可承担其他 系列飞机气 动附件 的测试任务 ,保证该设备具有较强的通用性 和 扩展性 ;自动控制部分能够实 时记录整个测试过程的 技术参数 ,对采集 的实测 数据与 标准数 据进行 比较 , 自动进行技术状 态的判定 ,并打印测试结果 。 3 气动附件综合测试系统具有独立的手动和 自动控制功能 ,提高工作可靠性 。 1 . 2 实现 功 能 气动 附件综合测试 系统是在借鉴 目前国内外 地面 气动附件检测设备基础上进行综合设计,必须具有使 用性强 、功能丰 富、智能化程度高和人机界面友好等 特点 。测试系统 的主要功能包括 采 集气动 附件 的正 压力、副压力、流量 、电压等性能参数,检测气动附 件的压差 、电流和启闭特性 ,监控气动附件综合测试 系统的状态信号 和报警 指示 ,并采 集 、处 理 、分 析 、 记录各种信号,具有一定的故障分析诊断功能。 2组成与工作原理 气动附件综合测试系统主要 由气 动系统 、航空 电 收稿 日期 2 0 1 1 0 7 1 4 作者简介王占勇 1 9 6 4 一 ,男,硕士,高级工程师,主要从事流体传动的教学与科研工作。Em a i l h j w z y 2 0 0 9 1 6 3 .c o n。 第 1 0期 王占勇 等 某新型飞机气动元件综合测试系统的设计 气附件测试 系统和 自动控制 系统组成 。 2 . 1 气动 系统 气动系统组成如图 1 所示。气动系统共计由供气 试回路、刹车减压阀测试部分、附件出口压力和流量 测试部分、正压力P 。 供气压力调节部分、负压力 P 。 抽气压力调节部分、附件压差检测部分等 9 个部分组 薯 ● 7 -t 87 。 18 23 26 2 l l 86 I.._一 l 盟 __J L一 o E ;7 6 1 1 16 2 1 1 2 5 o 1 } t .I- V 一 ’ I一 一 附件 出 口压 力和 流量 检测 部 分 7 q R R 供 气源 部 分 .1 压 差检 测部 分工 3 5 3 6 △ c _ _ T ]5 5 。 盟【 - J -L I f J . 6 2 r l I r , 、 一A 4 6 , 、 ‘ s o l ‘E l 3 7 4 5 r ⋯ V 5 3 _ 一 \ f l 广 1 / L L⋯_ . j P . 附件 供气 压力 调节 部分 , 、 函一73[7 ● I I I● - I △ ;51 一一 一 . l s7 4o q 5 2 ∈ 4q l ● I / 、41 J 。竿厂 T ]. 0 增 压 回 QD F 测试 回路 气 缸和 开关 测 试回 路 l 一 充气接头2 、s 9 、7 4 一滤清器卜 节流器4 、7 、1 2 、1 7 、2 2 、2 7 、3 5 、3 9 、4 6 、4 8 、s 3 、6 l 、6 7 、7 2 、9 1 一气压表5 、4 1 一单向阀6 一高压进气阀 8 、1 3 、l 8 、2 3 、3 6 、5 2 、5 6 、6 5 、7 8 、7 9 、8 8 一供气接头9 、1 4 、1 9 、2 4 、3 4 、3 7 、4 4 、s O 一放气 阀l 0 、l 5 、2 0 、2 8 、4 s 一减压阀 l l 、1 6 、2 l 、3 0 、3 2 、3 8 、4 0 、4 7 、5 4 、5 8 、6 9 、7 7 、8 9 、9 2 一 进气阀2 s 一附件出气接头2 6 、6 2 、6 8 、7 3 一 压力变送器2 9 一 流量变送器 3 l 、3 3 一玻璃转子流量计4 2 一 增压器4 3 一增压进气阀4 9 、7 0 、7 5 、9 卜 气瓶5 1 一气电阀5 5 一 三位四通操纵开关5 7 一气缸6 0 一正压 比例调节 阀 6 3 一放气电磁阀6 4 ~供气阀6 6 一真空泵7 l 一负压比例调节阀7 6 一进气电磁阀舯、8 l 、8 卜 两位两通电磁阀8 3 一平衡阀8 4 一左进气阀 8 5 一右进气 阀8 6 一差压变送器8 7 一差压计9 O 一刹车减压 阀 图 1 测试 系统气动 系统原理 总图 供气源部分是由各机场通配的容积 5 0 L 、压力 成刹车减压阀9 0输出减压压力、充放气时间的性能 1 1~1 3 M P a的氮气瓶 作为外 接总 气源 ,经 过 3个 减 测试 ;正压力 P 供气压 力调 节部 分 ,由供 气源减 压 压器 后 ,分 别形 成 0~1 3 MP a 、0~5 M P a 、0~ 后的较高压力氮气,通过高精度正压 比例调节阀 6 0 1 . 2 M P a 、0~ 0 . 6 M P a 4个压力段气源,向各类气动 减压后,可获得设定的输出正压力 P ;负压力 P 。 真 附件提供不同压力的氮气;气缸和开关测试回路可分 空抽气压力调节部分,选用上海诺赛泵业制造的抽速 别完成气缸和开关类附件收放等性能的检测;Q D F 快、真空度高的双级旋片真空泵 2 x 一 4 B作 为泵源, 测试回路可完成各类气压电磁阀类,不同压力条件下 通过高精度的负压比例调节阀 7 1 调节后,可获得设 通、断电时的机械和电气联合性能检测;增压回路可 定的输出负压力P 。 将输入压力提高 4倍 ,最 高可获得 2 0~ 3 5 M P a的输 2 . 2 航 空 电气 附件 测试 系统 出压力,该回路用于使用高压气或用气量不大的附 航空电气附件测试系统主要用于飞机氮气系统、 件,实现活门打开压力和附件内外密封性能试验;附 油箱通气增压系统和环控系统的电气附件的机电联合 件 出口压力和流量测试部分可完成部分附件出 口压力 性能测试 。测试 附件有气 动电磁 阀、电动机构 、压力 和流量的手动和 自动检测,其 中涡轮流量传感器 2 9 信号器和电磁调节活门等,输入电压均为直流2 7 v 。 用于氮气流量 的自动测试,玻璃转子流量计 3 1 、3 3 电气附件测试系统只需外接 2 2 0 V交流电作为输入电 用于氮气流量的手动测试 ;压差检测部分可完成氮气 源,经直流稳压电源整流后,变为电压为 0~3 0 V、 流经气动附件时,产生的压力损失在 0~1 0 0 k P a范 预置电流为0~1 5 A的直流电。 围内的手动或自动检测 ;刹车减压阀测试部分能够完 航空电气附件测试系统 由2 7 V直流电源、电压 1 2 4 机床与液压 第4 0卷 表 、电流表 、微电脑计 时仪 、各种继 电器 、操 纵电门 和各类航 空电气 附件功能测试模块组成 。 2 . 3 自动控制系统 气动附件综合测试 系统 以可编程逻辑控制 器 简称 P L C 、比例调节阀和触摸屏作为其 自动控制 系统的核心 ,对测试 系统工作状 态进行 控制 和调节 , 能够完成气动附件性 能的 自动检测 ,并能对测试 系统 各部分 的工作和测试 结果进行实时显示和打印 。 2 . 3 . 1 P LC P L C的功用是确保测试系统高效、准确、可靠地 完成气动附件的性能检测工作。由硬件和软件部分构 成。 1 硬件部分 图 2是硬件 部分组 成框 图 ,主要 由 P L C、正/ 负 压 比例调 节 阀 、触 摸屏 、打 印机 、输 入/ 输 出模 块 、 压力变送器 、流量变送器 、电磁通断 阀和各开关按钮 等组成 。 压力 传感 器 压 差传 感器卜 | 一 A, D 模 负 压传感 器卜 | 一 拟 气 量 流 量传感 器卜 | 一 动 触摸屏 k P 系 上 L 统 C 正 压 比 例 调 节 阀 D, A 打 印 机l 广 _ 叫负 压比 例 调 节 阀卜 _ _ _ . 开 叫 开 关 量 输 出 电 磁 阀 等卜 - 关 量 开关量输入开关、按钮等 l 图 2 P L C控制系统组成 具体选用 P L C采用三菱公 司的 F X 4 8 MR,能 满足控制系统所需求的开关输入、输出点数量 ;A / D 模拟量输入模块采用 F X 8 A D;D / A模拟量输出模 块 采用 F X 孙 广 4 D A。 整个系统设有人工和 自动两种控制方式。其中人 工控制是指通过控制 面板开关 、按钮分别 操纵各执行 机构,这种方式可以用于系统调试和维修,并作为自 动控制 的补充 。 自动控制是一 种高效 的工作程序 ,一 般用于正常的工作过程 ,由P L C控制完成 。 2 软件部分 P L C编程 程 序 采用 三 菱公 司 的 G x D e v e l o p e r 软 件 。G x D e v e l o p e r 编程软件 具有使 用简单 、功 能强大 的特点,能够在线编程 ,方便控制系统调试与故障诊 断。考虑到使用习惯及硬件本身的要求 ,P L C软件采 用模块化设计结构 ,每个模 块完成 一个确定 的功 能 , 各个模块 间具有相对的独立性 。P L C软件 主要 由初始 化模块 、压力特性模块 、流量特性模块 、数据采集传 输模块 、数据处理分析模块和报警程序模块等组成 。 2 . 3 . 2 气动压力 比例调节 随着微电子技术 的快速发展和计算机技术的广泛 应用,机、电、气一体化和应用数字计算机对气动系 统进行控制是流体传动与控制技术发展的一个重要趋 势。气动比例调节阀体积小、控制精度高,对气源要 求低 ,输 出压力 、流量可不受负载变化 的影 响 ,具有 压力补偿功能 ,可按给定 的输入信号连续地 、按 比例 地控制气流 的压力 、流量 等 ,从 而实现连续可调 的高 精度控制 。 1 正压 力的调节 附件输 出控制 正压力 P 的调 节 ,采用 E t 本 S MC 公司生产的电气比例减压阀 I T V 2 0 9 0 ,压力控制范围 0~ 0 . 4 9 M P a 。该阀采用了半导体压力传感器与电子 回路的反馈控制 ,根据电气输入信号可连续地高精度 地控制正压力的输出,以使输出压力与输入信号成比 例变化 ,其输/ V 输 出特性 见 图 3所示 ,其 结构原 理 如图 4所示 。 磊 输 入 电流 DC / mA 1 2 3 4 5 输 入 电压 DC / V 图 3 I T V 2 0 0 0输入/ 输 出特性 磁 阀 感 器 图4 I T V 2 0 0 0结构原理图 当输人信号增大,供气用电磁阀接通 ,排气用电 磁阀断开。因此 ,供给压力 通过供气用 电磁 阀作用于 先导室 内,先 导室 内压力增 大 ,作用 在膜 片的上 面。 其结果是,和膜片连动的供气阀被打开,供给压力的 一 部分就变成输出压力。这个输出压力通过压力传感 器反馈至控制回路。在这里进行修正动作 ,直到输出 第 1 O期 王占勇 等某新型飞机气动元件综合测试系统的设计 1 2 5 压力与输入信号成比例,以使输出压力总是与输入信 号成比例变化。其框图如图5所示。 供给 压 力 图 5 I T V 2 0 0 0框 图 该电气比例阀的迟滞为 1 %F . S .以下 ,线形为 0 . 5 %F . S .以下 ,重复精度为 0 . 5 %F . S .以下 ,响 应时间为 0 . 6 S以下。结构紧凑 、精度高、响应快、 可压力监视。 2 真空负压力 P 的调节 真空控制压力P 的调节 ,采用 日本 S MC公司生 产的真空电气比例减压阀 E V 2 1 0 0 ,压力控制范围0~ 一 1 0 1 . 3 k P a 。其输 出压力与输入信号成 比例变化 , 输入/ 输出特性见图 6所示,横轴表示为当信号直流 电压为 0 ~ 5 V时 ,从信号源 4~ 2 0 m A的直流电流流 入 E V 2 1 0 0内部 。其结构原理如图 7 所示 。 输 入 信号 DC / mA 0 1. 0 2. 0 3. 0 4. 0 5. 0 输 入信 号 DC / V 图6 1 T V 2 0 9 0输入/ 输出特性 图7 I T V 2 0 9 0结构原理图 当输入信号增大 ,真空压用电磁阀接通 ,大气用 电磁 阀断开 ,则 V A C口与先导 室接 通 ,先导 室 的压 力变成负压 ,该负压作用在膜片的上部。其结果是与 膜片连 动的真 空压 阀芯开启 ,V A C口与 O U T口接通 , 则设定压力变成负压。此负压通过压力传感器反馈 至控制回路 ,在这里进行修正动作 ,直到 O U T口的 真空压力与输入信号成 比例变化。其框图如图 8所 不 。 VAC 图 8 I T V2 0 9 0框 图 2 . 3 . 3流量 测试 涡轮流量传感器 2 9选用南京仪度 自动化仪表生 产的 L WQ 一 2 5 。当氮气流经传感器壳体时,由于叶轮 的叶片与流向有一定的角度 ,流体的冲力使叶片具有 转动力矩 ,在克服摩擦力矩和流体阻力之后叶片旋 转 ,当力矩平衡后转速稳定。在一定条件下,转速与 流速成正 比。由于叶片有导磁性 ,它处 于信号检测器 的磁场 中,旋转的叶片切割磁力线 ,周期性地改变线 圈的磁通量 ,从而使线圈两端感应出电脉冲信号,此 信号经过放大器放大 整形 ,形成有一定幅度 的连续矩 形 脉冲波。 在一定 的流量范 围 内,涡 轮流量传 感器 2 9发 出 的脉冲信号的频率_厂 与流经传感器的瞬时流量 Q成正 比,有一定的对应关系 ,只需计算出脉冲的频率 ,就 可知道流量。流量方程 为 Q3 6 0 0 f / k 式中 _ 厂 为脉冲频率 H z ;k为传感器的仪表系数 1 / m ,由校验单给出;3 6 0 0为换算系数。L WQ 一 2 5 流量 范 围 2~ 4 0 m 。 / h ,为 4~ 2 0 m A两 线制 电流输 出。 F X - 4 8 M R的X 0 一X 7 8 个输入点可以作为高速脉 冲输入用,F X - 4 8 M R内置高速计数器 ,可以对高速 脉冲进行计数。该系统中的涡轮流量传感器的输出信 号就是脉冲 ,P L C的编程指令 S P D计算 单位时间 内的 脉冲个数 。测定单 位时间 内的脉 冲个数 之后 ,就可以 通过流量传感器的参数计算出当前的实际流量。 2 . 3 . 4人机测试界 面 触摸屏选用北京昆仑通态公司的成熟、可靠的 T P C 1 2 6 2 H,其采用 Wi n C E操作 系统和 MC G S嵌入版 组态软件 ,具有强大 的数据处理 、硬件交互 、界面组 态和精 确的回路控制 功能。 触摸屏主界面由各典型气动附件、系统调试和打 印等测试按钮组成 ,点击触摸屏功能选择 界面中的各 典型气动 附件测试按钮 ,触摸屏上将 出现各附件测试 功能界 面。在典型气动 附件测试界面 中 ,用组态软件 下转第 1 2 9页 第 1 0期 刘念 等一种石油远程测控系统的研究 1 2 9 图 1 O 频率测 量程 序 流程图 图 1 1 通信程序 流程 图 4 结束语 该系统将虚拟仪器技术 、计算机接 口技术、通信 技术等有机地结合起来,具有数据采集、数据传输 、 分析处理 能力 ,彻底 解 决 了控制 与 现场 不及 时 的 问 题 ,能很好地实现远程监测与控制。该系统扩展功能 强大,根据应用需求升级上位机和下位机的软件就可 实现,而且开发成本和应用成本相对较低,具有很好 的应用前景 。 参考文献 【 1 】 刘君华. 虚拟仪器编程语言 L a b Wi n d o w s / C V I 教程[ M] 。 北京 电子工业 出版社 , 2 0 0 1 . 【 2 】 宋宇峰. 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P r o c e s s & C o n t r o l E n g i n e e r i n g P A C E , 2 0 0 4 , 5 7 1 2】一22 上接 第 1 2 5页 构造出各种精美画面 ,能显示附件电压 、电流、进出 口压力 、压差和实测流量 ;系统调试界面 主要模拟 了 控制柜 的控制 面板按 钮 、开关 、数 显仪表 ,可完 全替 代实物进行操纵;打印界面是对应于各测试附件在完 成性能测试后 ,将采集到的实际测试结果 以及测试结 论以表格形式储存,并由打印机打出,可作为附件的 测试记录;系统监控界面包括测试系统结构 、参数设 置和报警界 面 ,通过监控 画面 ,操作人员 可以及 时了 解 系统 当前工作状态 、出现的故障及其产生原因 ,根 据需要 对 比当前情况 ,并进行适当调整 。 3 结束语 该综合测试系统 已投入使用一年多,结果表明 将 P L C、气动比例调节阀和触摸屏技术融合在一起, 实现了机、电、气先进传动、控制和测试的一体化; 采用 P L C控制的气动附件综合测试系统既能产生连 续可调的压力 ,又能保证输出压力和流量的稳定 ,具 有 良好的控制性能及实用性 ,提高了测试的自动化程 度 ,简化了工作程序,提高了工作效率,改善了系 统的可靠性 ;以触摸屏作为人机交互信息界面,试 验数据 的实 时显 示 明确 ,测 试结 果 直观 ,使 测试 过 程具有可观性 ;该测试系统不仅结构合理、功能齐 全、综合性强 、设计精巧简捷和安全可靠,而且还 具有控 制灵活 、操作方 便等 优点 ,完 全达 到 了设 计 要求 ,能完成对各新型飞机气动系统气动附件的性 能检测 工作 。 参考文献 【 1 】成大先. 机械设计手册[ M] . 北京 化学工业出版社, 1 99 3. 【 2 】 某型飞机附件修理技术标准[ M] . 北京 空军装备技术 部 , 1 9 9 7 . 【 3 】 雷天觉. 新编液压工程手册[ M ] . 北京 北京理工大学出 版社 , 1 9 9 8 . 【 4 】王孝华. 赵中林. 气动元件及系统的使用与维修[ M] . 北 京 机械工业 出版社 , 1 9 9 6 . 【 5 1 姜秀汉. 可编程序控制器原理及应用[ M ] . 西安 西安电 子科 技大学出版社 , 2 0 0 1 .