某型航空主減速器試車(chē)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

譚杰 湯寶平 卓偉偉 李雁龍

摘要：針對(duì)某型航空主減速器地面試車(chē)臺(tái)建設(shè)的自動(dòng)測(cè)試需求，基于航空總線(xiàn)VXI硬件和虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套航空主減速器地面試車(chē)臺(tái)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。滿(mǎn)足某型航空主減速器在地面試車(chē)臺(tái)上的磨合試驗(yàn)、檢驗(yàn)試驗(yàn)和雙發(fā)試驗(yàn)等自動(dòng)測(cè)試需求，自動(dòng)測(cè)試任務(wù)可在試驗(yàn)前編輯、試車(chē)臺(tái)過(guò)程中調(diào)用和修改，減少傳統(tǒng)手動(dòng)試車(chē)中的人為差錯(cuò)，提高了試車(chē)安全和效率。

關(guān)鍵詞：航空主減速器；VXI；自動(dòng)測(cè)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(jī)的關(guān)鍵傳動(dòng)部件，直接將發(fā)動(dòng)機(jī)的功率傳遞到主旋翼并間接通過(guò)中、尾減速器傳遞功率到尾槳，使直升機(jī)完成飛行任務(wù)。航空主減速器輸入端連接單臺(tái)或多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，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(fā)電機(jī)、風(fēng)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(jī)產(chǎn)生升力；尾槳通過(guò)尾減速器連接到中減速器，使直升機(jī)產(chǎn)生側(cè)向力；交流發(fā)電機(jī)為直升機(jī)提供動(dòng)力電源；風(fēng)扇用于主減速器散熱；液壓泵為直升機(jī)提供液壓動(dòng)力源；滑油泵用于主減速器潤(rùn)滑與冷卻。

目前國(guó)內(nèi)的中等載荷主減速器分為進(jìn)口米系列型和國(guó)產(chǎn)直系列型，分別配裝匹配型號(hào)的直升機(jī)[1]。米系列直升機(jī)主減速器采用雙發(fā)動(dòng)機(jī)輸入設(shè)計(jì)，國(guó)產(chǎn)相近功率某型主減速器采用三發(fā)動(dòng)機(jī)輸入設(shè)計(jì)。主減速器在裝上直升機(jī)試飛前，需要在地面試車(chē)臺(tái)上進(jìn)行性能參數(shù)測(cè)試，以保證使用的可靠性[2，3]。

總結(jié)國(guó)內(nèi)外情況，航空主減速器地面試車(chē)臺(tái)的設(shè)計(jì)主要有三種加載方式：機(jī)械功率封閉、電功率封閉和開(kāi)放功率加載。閉式試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資小、耗能少、經(jīng)濟(jì)適用性強(qiáng)，在齒輪及其傳動(dòng)裝置試驗(yàn)研究中得到了廣泛的應(yīng)用[4]。國(guó)內(nèi)主要采用機(jī)械功率流封閉方式實(shí)現(xiàn)主減速器功率的加載和吸收，消耗的功率采用電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償。在總結(jié)工廠(chǎng)現(xiàn)有進(jìn)口雙發(fā)動(dòng)機(jī)輸入型主減速器試車(chē)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法上，為提高新建國(guó)產(chǎn)某三發(fā)動(dòng)機(jī)輸入型主減速器試車(chē)臺(tái)效率，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于航空VXI硬件和虛擬儀器技術(shù)的國(guó)產(chǎn)某三發(fā)動(dòng)機(jī)輸入型主減速器試車(chē)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，可滿(mǎn)足航空主減速器產(chǎn)品地面的自動(dòng)測(cè)試需求。

1 總體方案

根據(jù)工廠(chǎng)建設(shè)的機(jī)械功率封閉試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)需求，基于VXI硬件和LabwindowsCVI、Labview開(kāi)發(fā)語(yǔ)言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種主減速器的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于：計(jì)算機(jī)可識(shí)別自動(dòng)試驗(yàn)的工藝配置；試車(chē)過(guò)程中操作者可靈活再配置試驗(yàn)流程而不影響當(dāng)前試驗(yàn)進(jìn)度；試車(chē)過(guò)程中閉環(huán)控制精確，轉(zhuǎn)速和自動(dòng)加載同步匹配。

該設(shè)計(jì)的最大創(chuàng)新在于：探索了某型航空主減速器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，總結(jié)了該類(lèi)型航空產(chǎn)品自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的框架和相匹配的閉環(huán)控制流程，在航空產(chǎn)品地面自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)行業(yè)提供了一種可交流、學(xué)習(xí)的方法。

本設(shè)計(jì)總體方案中使用的軟件框架如圖1所示，使用的控制閉環(huán)流程如圖2所示。

2 硬件概述

測(cè)試系統(tǒng)以工業(yè)計(jì)算機(jī)為核心，其功能通常包括信號(hào)激勵(lì)、信號(hào)測(cè)量、數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果顯示等[5]。

測(cè)控系統(tǒng)硬件主要由傳感器、信號(hào)調(diào)理器、可編程控制器和測(cè)控主機(jī)等組成[6]。主硬件為基于VXI總線(xiàn)的臺(tái)架試車(chē)測(cè)試系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)測(cè)試精度高、工作穩(wěn)定可靠，有效提高了試車(chē)效率[7]；測(cè)試子系統(tǒng)采用分布式、柔性可擴(kuò)充設(shè)計(jì)理念，各子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，采用以太網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)總線(xiàn)通信相結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。測(cè)試硬件系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)不同的測(cè)試任務(wù)，選擇合適的程序設(shè)計(jì)方法，有利于簡(jiǎn)化軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程、縮短開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)便于其進(jìn)一步升級(jí)改造和維護(hù)[8]。本次自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)中，VXI硬件驅(qū)動(dòng)層，采用LabwindowsCVI進(jìn)行模塊代碼測(cè)試后，編制Labview能調(diào)用的子函數(shù)；控制上位機(jī)主程序框架采用產(chǎn)消者消息軟件框架[9]。

3.1 軟件需求

測(cè)控系統(tǒng)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(dòng)運(yùn)行后，初始軟件界面的位置停留在計(jì)算機(jī)屏幕正中，方便操作。當(dāng)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)時(shí)，能夠在用戶(hù)界面中顯示相關(guān)報(bào)警信息。

2）副計(jì)算機(jī)功能：副計(jì)算機(jī)程序的設(shè)計(jì)具備數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)接收、界面刷新、狀態(tài)指示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)回放和數(shù)據(jù)報(bào)表等功能。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求，包括兩部分：一是主減速器試驗(yàn)全過(guò)程的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，儲(chǔ)存時(shí)間間隔1s；二是主減速器產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)具有用戶(hù)手動(dòng)和自動(dòng)儲(chǔ)存兩種功能，用戶(hù)可設(shè)定自動(dòng)存儲(chǔ)時(shí)間。

3）主控計(jì)算機(jī)功能：主程序應(yīng)包括設(shè)備和主減速器產(chǎn)品所有需要的信號(hào)采集和控制等功能。主程序應(yīng)具備測(cè)試序列自定義，按照測(cè)試序列自動(dòng)完成主減速器產(chǎn)品的測(cè)試功能，測(cè)試過(guò)程中具備自保護(hù)功能。

3.2 軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

測(cè)試系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)主要包括兩部分：一部分是副計(jì)算機(jī)的程序開(kāi)發(fā)；另外一部分是主計(jì)算機(jī)的程序開(kāi)發(fā)。副計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)接受、界面刷新、狀態(tài)指示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)回放、數(shù)據(jù)報(bào)表、數(shù)據(jù)管理和報(bào)表生成、打印等功能[10]，副計(jì)算機(jī)功能設(shè)計(jì)如圖4所示。

主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)接受、界面刷新、狀態(tài)指示、數(shù)據(jù)管理和自動(dòng)流程試驗(yàn)等功能，主計(jì)算機(jī)功能設(shè)計(jì)如圖5所示。

1）總體功能架構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)總體軟件架構(gòu)分為主、副計(jì)算機(jī)的上位機(jī)程序和分布式遠(yuǎn)程下位機(jī)程序。系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)如圖6所示。

主計(jì)算機(jī)的程序模塊主要包括：數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品溫度、轉(zhuǎn)速、扭矩、流量和振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集；數(shù)據(jù)通信模塊通過(guò)以太網(wǎng)、Modbus和RS484等總線(xiàn)與各分布式I8000子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；加載控制VXI模塊通過(guò)對(duì)液壓差動(dòng)馬達(dá)的控制，實(shí)現(xiàn)扭矩加載；狀態(tài)控制模塊實(shí)現(xiàn)用戶(hù)加載附件的狀態(tài)控制；數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和融合；閉環(huán)控制模塊通過(guò)兩層PID閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載加載控制；安全保護(hù)實(shí)現(xiàn)超溫、超轉(zhuǎn)和超扭等異常狀態(tài)下對(duì)產(chǎn)品和設(shè)備的保護(hù)響應(yīng)；數(shù)據(jù)顯示模塊實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程用戶(hù)可視化交互；數(shù)據(jù)發(fā)送模塊通過(guò)網(wǎng)絡(luò)UDP，將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給副計(jì)算機(jī)；數(shù)據(jù)接收模塊通過(guò)網(wǎng)絡(luò)UDP，實(shí)現(xiàn)對(duì)副計(jì)算機(jī)操作數(shù)據(jù)的接收。

副計(jì)算機(jī)的程序模塊主要包括：數(shù)據(jù)接收模塊通過(guò)網(wǎng)絡(luò)UDP，實(shí)現(xiàn)主計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的接收；數(shù)據(jù)管理模塊實(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)的管理和分發(fā)；參數(shù)換算模塊根據(jù)試車(chē)工藝進(jìn)行數(shù)據(jù)換算；工程換算模塊實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)通道的標(biāo)定；數(shù)據(jù)操作模塊響應(yīng)用戶(hù)操作；數(shù)據(jù)顯示模塊實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程性能數(shù)據(jù)的顯示；后臺(tái)存儲(chǔ)模塊以秒為單位，實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)和工程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)保存；狀態(tài)識(shí)別模塊對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)操作，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)發(fā)送模塊通過(guò)網(wǎng)絡(luò)UDP，將狀態(tài)識(shí)別后的控制數(shù)據(jù)發(fā)送給主計(jì)算機(jī)；報(bào)表模塊通過(guò)CELL插件方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)表頭操作；報(bào)表生成模塊實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)報(bào)表的生成。

分布式下位機(jī)共有4套程序集：I8000設(shè)備數(shù)據(jù)采集控制單元，采用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)Modbus總線(xiàn)上傳設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)控制；液壓泵站單元，采用工業(yè)RS485總線(xiàn)進(jìn)行液壓加載油源系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制；電機(jī)拖動(dòng)單元，采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行兩臺(tái)315kW電機(jī)同步運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制；振動(dòng)測(cè)試單元，采用美國(guó)NI公司采集卡，實(shí)現(xiàn)設(shè)備和產(chǎn)品振動(dòng)監(jiān)測(cè)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)UDP上傳至副計(jì)算機(jī)。

2）主副計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)

測(cè)試系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)主要包括兩部分：一部分是副計(jì)算機(jī)的程序開(kāi)發(fā)；另外一部分是主計(jì)算機(jī)的程序開(kāi)發(fā)。

主副計(jì)算機(jī)軟件主要采用NI公司 Labwindow/CVI和Labview開(kāi)發(fā)，安裝網(wǎng)絡(luò)虛擬通信口、報(bào)表CELL組件等。操作系統(tǒng)為Window 7的32位版本。

主計(jì)算機(jī)軟件主界面顯示在一個(gè)27in的屏幕上。界面按功能劃分為自動(dòng)測(cè)試序列數(shù)據(jù)顯示區(qū)、轉(zhuǎn)速功率狀態(tài)顯示區(qū)、操作控制區(qū)和日志顯示區(qū)等。自動(dòng)測(cè)試序列數(shù)據(jù)顯示區(qū)響應(yīng)用戶(hù)對(duì)自動(dòng)測(cè)試文件的選擇，運(yùn)行中可按需編輯；轉(zhuǎn)速功率狀態(tài)顯示區(qū)顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)速和功率狀態(tài)；操作控制區(qū)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)類(lèi)型選擇、輔助系統(tǒng)控制、電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)控制、液壓泵加載、水門(mén)控制和功率保護(hù)設(shè)置等功能；日志顯示區(qū)實(shí)時(shí)反饋用戶(hù)操作過(guò)程。

主計(jì)算機(jī)流程如圖7所示。

副計(jì)算機(jī)軟件主界面顯示在兩個(gè)27in的屏幕上。

屏幕一的界面按功能劃分為數(shù)據(jù)顯示區(qū)、操作控制區(qū)、后臺(tái)數(shù)據(jù)保存進(jìn)度和通信顯示區(qū)等。數(shù)據(jù)顯示區(qū)主要顯示產(chǎn)品測(cè)試過(guò)程相關(guān)數(shù)據(jù)；操作控制區(qū)實(shí)現(xiàn)信號(hào)配置、信號(hào)列表、屏二加載、后臺(tái)數(shù)據(jù)自動(dòng)保存、試驗(yàn)控制鎖定和系統(tǒng)退出等功能。

屏幕二的界面按功能劃分為數(shù)據(jù)顯示區(qū)、報(bào)表頭操作區(qū)、數(shù)據(jù)報(bào)警區(qū)和報(bào)表生成區(qū)等。數(shù)據(jù)顯示區(qū)主要顯示設(shè)備測(cè)試過(guò)程相關(guān)數(shù)據(jù)；報(bào)表頭操作區(qū)用于定義報(bào)表頭生成的相關(guān)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)報(bào)警區(qū)實(shí)時(shí)反饋測(cè)試過(guò)程的預(yù)警信息；報(bào)表生成區(qū)按需手動(dòng)或自動(dòng)生成報(bào)表數(shù)據(jù)。

副計(jì)算機(jī)流程圖如圖8所示。

4 驗(yàn)證

選取兩臺(tái)帶履歷本的某型國(guó)產(chǎn)主減速器，按照技術(shù)工藝文件安裝主減速器在臺(tái)體上，接駁相應(yīng)的管路、控制電纜和傳感器電纜。

按照試驗(yàn)臺(tái)使用操作維護(hù)說(shuō)明，進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)備控制和主減速器控制。運(yùn)行上位機(jī)測(cè)控軟件，進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證主減速器產(chǎn)品各個(gè)狀態(tài)過(guò)程（如磨合試車(chē)、雙方試車(chē)和檢驗(yàn)試車(chē)）的實(shí)際性能指標(biāo)。

為驗(yàn)證測(cè)控系統(tǒng)是否滿(mǎn)足主減速器產(chǎn)品的性能試驗(yàn)，降低利用主減速器真實(shí)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)，首先對(duì)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試。通過(guò)在各子系統(tǒng)端施加仿真信號(hào)，模擬轉(zhuǎn)速、扭矩、壓力、溫度等，數(shù)字信號(hào)模擬用戶(hù)實(shí)際操作和反饋等，運(yùn)行上位主副計(jì)算機(jī)軟件，在軟件界面驗(yàn)證數(shù)據(jù)通道顯示、換算和記錄等功能。

通過(guò)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)能滿(mǎn)足該型及后續(xù)系列主減速器產(chǎn)品的磨合試車(chē)試驗(yàn)、雙發(fā)試車(chē)試驗(yàn)和檢驗(yàn)試車(chē)試驗(yàn)等功能。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套某型國(guó)產(chǎn)主減速器試車(chē)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了主減速器產(chǎn)品在地面試車(chē)臺(tái)的自動(dòng)測(cè)試，滿(mǎn)足了該型主減速器的地面性能測(cè)試要求，實(shí)現(xiàn)了該型國(guó)產(chǎn)主減速器的地面裝機(jī)前的性能測(cè)試。

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作者簡(jiǎn)介

譚杰，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹娇盏孛嬖囓?chē)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

湯寶平，教授，主要研究方向?yàn)椤拔锫?lián)網(wǎng)—邊緣計(jì)算—云平臺(tái)”模式的裝備智能運(yùn)維。