某型航空主減速器試車臺測控系統設計

譚杰 湯寶平 卓偉偉 李雁龍

摘要：針對某型航空主減速器地面試車臺建設的自動測試需求，基于航空總線VXI硬件和虛擬儀器技術，設計了一套航空主減速器地面試車臺自動測試系統。滿足某型航空主減速器在地面試車臺上的磨合試驗、檢驗試驗和雙發試驗等自動測試需求，自動測試任務可在試驗前編輯、試車臺過程中調用和修改，減少傳統手動試車中的人為差錯，提高了試車安全和效率。

關鍵詞：航空主減速器；VXI；自動測試；虛擬儀器

Keywords：aviation main gearbox；VXI；automatic testing；virtual instrument

0 引言

航空主減速器是直升機的關鍵傳動部件，直接將發動機的功率傳遞到主旋翼并間接通過中、尾減速器傳遞功率到尾槳，使直升機完成飛行任務。航空主減速器輸入端連接單臺或多臺發動機，輸出端連接的主要功率消耗部件包括主旋翼、中減速器、交流發電機、風扇、液壓泵和滑油泵等。主減速器傳遞到主旋翼的功率使直升機產生升力；尾槳通過尾減速器連接到中減速器，使直升機產生側向力；交流發電機為直升機提供動力電源；風扇用于主減速器散熱；液壓泵為直升機提供液壓動力源；滑油泵用于主減速器潤滑與冷卻。

目前國內的中等載荷主減速器分為進口米系列型和國產直系列型，分別配裝匹配型號的直升機[1]。米系列直升機主減速器采用雙發動機輸入設計，國產相近功率某型主減速器采用三發動機輸入設計。主減速器在裝上直升機試飛前，需要在地面試車臺上進行性能參數測試，以保證使用的可靠性[2，3]。

總結國內外情況，航空主減速器地面試車臺的設計主要有三種加載方式：機械功率封閉、電功率封閉和開放功率加載。閉式試驗臺結構簡單、投資小、耗能少、經濟適用性強，在齒輪及其傳動裝置試驗研究中得到了廣泛的應用[4]。國內主要采用機械功率流封閉方式實現主減速器功率的加載和吸收，消耗的功率采用電機進行補償。在總結工廠現有進口雙發動機輸入型主減速器試車臺測試系統的設計方法上，為提高新建國產某三發動機輸入型主減速器試車臺效率，設計實現了一種基于航空VXI硬件和虛擬儀器技術的國產某三發動機輸入型主減速器試車臺測控系統，可滿足航空主減速器產品地面的自動測試需求。

1 總體方案

根據工廠建設的機械功率封閉試驗臺自動測試系統需求，基于VXI硬件和LabwindowsCVI、Labview開發語言設計實現了一種主減速器的自動測試系統。

設計難點在于：計算機可識別自動試驗的工藝配置；試車過程中操作者可靈活再配置試驗流程而不影響當前試驗進度；試車過程中閉環控制精確，轉速和自動加載同步匹配。

該設計的最大創新在于：探索了某型航空主減速器自動測試系統的設計實現，總結了該類型航空產品自動測試系統的框架和相匹配的閉環控制流程，在航空產品地面自動測試系統行業提供了一種可交流、學習的方法。

本設計總體方案中使用的軟件框架如圖1所示，使用的控制閉環流程如圖2所示。

2 硬件概述

測試系統以工業計算機為核心，其功能通常包括信號激勵、信號測量、數據分析與處理、結果顯示等[5]。

測控系統硬件主要由傳感器、信號調理器、可編程控制器和測控主機等組成[6]。主硬件為基于VXI總線的臺架試車測試系統，整個系統測試精度高、工作穩定可靠，有效提高了試車效率[7]；測試子系統采用分布式、柔性可擴充設計理念，各子系統相對獨立，采用以太網絡和工業總線通信相結合的方式進行數據交互。測試硬件系統網絡拓撲如圖3所示。

3 軟件設計

針對不同的測試任務，選擇合適的程序設計方法，有利于簡化軟件開發過程、縮短開發周期，同時便于其進一步升級改造和維護[8]。本次自動測試系統軟件的設計中，VXI硬件驅動層，采用LabwindowsCVI進行模塊代碼測試后，編制Labview能調用的子函數；控制上位機主程序框架采用產消者消息軟件框架[9]。

3.1 軟件需求

測控系統軟件主要功能需求如下。

1）程序界面：為方便操作者使用，軟件啟動運行后，初始軟件界面的位置停留在計算機屏幕正中，方便操作。當產生報警信號時，能夠在用戶界面中顯示相關報警信息。

2）副計算機功能：副計算機程序的設計具備數據通信、數據接收、界面刷新、狀態指示、數據存儲、數據回放和數據報表等功能。數據存儲需求，包括兩部分：一是主減速器試驗全過程的數據存儲，儲存時間間隔1s；二是主減速器產品性能數據存儲具有用戶手動和自動儲存兩種功能，用戶可設定自動存儲時間。

3）主控計算機功能：主程序應包括設備和主減速器產品所有需要的信號采集和控制等功能。主程序應具備測試序列自定義，按照測試序列自動完成主減速器產品的測試功能，測試過程中具備自保護功能。

3.2 軟件設計實現

測試系統軟件開發主要包括兩部分：一部分是副計算機的程序開發；另外一部分是主計算機的程序開發。副計算機系統軟件主要實現數據通信、數據接受、界面刷新、狀態指示、數據存儲、數據回放、數據報表、數據管理和報表生成、打印等功能[10]，副計算機功能設計如圖4所示。

主計算機系統軟件主要實現數據采集、數據接受、界面刷新、狀態指示、數據管理和自動流程試驗等功能，主計算機功能設計如圖5所示。

1）總體功能架構設計

測控系統總體軟件架構分為主、副計算機的上位機程序和分布式遠程下位機程序。系統軟件功能結構如圖6所示。

主計算機的程序模塊主要包括：數據采集模塊實現產品溫度、轉速、扭矩、流量和振動數據的采集；數據通信模塊通過以太網、Modbus和RS484等總線與各分布式I8000子系統進行數據交互；加載控制VXI模塊通過對液壓差動馬達的控制，實現扭矩加載；狀態控制模塊實現用戶加載附件的狀態控制；數據處理模塊實現數據的實時處理和融合；閉環控制模塊通過兩層PID閉環，實現負載加載控制；安全保護實現超溫、超轉和超扭等異常狀態下對產品和設備的保護響應；數據顯示模塊實現測試過程用戶可視化交互；數據發送模塊通過網絡UDP，將處理后的數據發送給副計算機；數據接收模塊通過網絡UDP，實現對副計算機操作數據的接收。

副計算機的程序模塊主要包括：數據接收模塊通過網絡UDP，實現主計算機數據的接收；數據管理模塊實現接收數據的管理和分發；參數換算模塊根據試車工藝進行數據換算；工程換算模塊實現所有數據通道的標定；數據操作模塊響應用戶操作；數據顯示模塊實現測試過程性能數據的顯示；后臺存儲模塊以秒為單位，實現原始數據和工程數據的實時保存；狀態識別模塊對相應數據操作，進行數據轉換；數據發送模塊通過網絡UDP，將狀態識別后的控制數據發送給主計算機；報表模塊通過CELL插件方式，實現數據報表頭操作；報表生成模塊實現產品性能數據報表的生成。

分布式下位機共有4套程序集：I8000設備數據采集控制單元，采用工業網絡Modbus總線上傳設備相關數據并進行設備狀態控制；液壓泵站單元，采用工業RS485總線進行液壓加載油源系統的遠程監測與控制；電機拖動單元，采用TCP/IP網絡進行兩臺315kW電機同步運行狀態的遠程監測與控制；振動測試單元，采用美國NI公司采集卡，實現設備和產品振動監測，通過網絡UDP上傳至副計算機。

2）主副計算機軟件實現

測試系統軟件開發主要包括兩部分：一部分是副計算機的程序開發；另外一部分是主計算機的程序開發。

主副計算機軟件主要采用NI公司 Labwindow/CVI和Labview開發，安裝網絡虛擬通信口、報表CELL組件等。操作系統為Window 7的32位版本。

主計算機軟件主界面顯示在一個27in的屏幕上。界面按功能劃分為自動測試序列數據顯示區、轉速功率狀態顯示區、操作控制區和日志顯示區等。自動測試序列數據顯示區響應用戶對自動測試文件的選擇，運行中可按需編輯；轉速功率狀態顯示區顯示當前轉速和功率狀態；操作控制區實現試驗類型選擇、輔助系統控制、電機拖動系統控制、液壓泵加載、水門控制和功率保護設置等功能；日志顯示區實時反饋用戶操作過程。

主計算機流程如圖7所示。

副計算機軟件主界面顯示在兩個27in的屏幕上。

屏幕一的界面按功能劃分為數據顯示區、操作控制區、后臺數據保存進度和通信顯示區等。數據顯示區主要顯示產品測試過程相關數據；操作控制區實現信號配置、信號列表、屏二加載、后臺數據自動保存、試驗控制鎖定和系統退出等功能。

屏幕二的界面按功能劃分為數據顯示區、報表頭操作區、數據報警區和報表生成區等。數據顯示區主要顯示設備測試過程相關數據；報表頭操作區用于定義報表頭生成的相關數據；數據報警區實時反饋測試過程的預警信息；報表生成區按需手動或自動生成報表數據。

副計算機流程圖如圖8所示。

4 驗證

選取兩臺帶履歷本的某型國產主減速器，按照技術工藝文件安裝主減速器在臺體上，接駁相應的管路、控制電纜和傳感器電纜。

按照試驗臺使用操作維護說明，進行試驗設備控制和主減速器控制。運行上位機測控軟件，進行實物驗證主減速器產品各個狀態過程（如磨合試車、雙方試車和檢驗試車）的實際性能指標。

為驗證測控系統是否滿足主減速器產品的性能試驗，降低利用主減速器真實產品進行試驗的風險，首先對測控系統進行仿真測試。通過在各子系統端施加仿真信號，模擬轉速、扭矩、壓力、溫度等，數字信號模擬用戶實際操作和反饋等，運行上位主副計算機軟件，在軟件界面驗證數據通道顯示、換算和記錄等功能。

通過驗證，設計的自動測試系統能滿足該型及后續系列主減速器產品的磨合試車試驗、雙發試車試驗和檢驗試車試驗等功能。

5 結論

本文設計了一套某型國產主減速器試車臺測控系統，實現了主減速器產品在地面試車臺的自動測試，滿足了該型主減速器的地面性能測試要求，實現了該型國產主減速器的地面裝機前的性能測試。

參考文獻

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作者簡介

譚杰，高級工程師，主要研究方向為航空地面試車臺測控系統設計。

湯寶平，教授，主要研究方向為“物聯網—邊緣計算—云平臺”模式的裝備智能運維。