航空發(fā)動(dòng)機(jī)智能化試車應(yīng)用研究

■ 蔡衍 吳志勇 言潔奕 湯玉輝 / 中國(guó)航發(fā)動(dòng)研所

航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車涉及專業(yè)眾多，流程復(fù)雜且需要投入大量人力物力。智能化試車技術(shù)的研究與應(yīng)用能夠有效地提高試驗(yàn)效率、試驗(yàn)質(zhì)量和試驗(yàn)安全保障能力。

數(shù)字化被視作航空發(fā)動(dòng)機(jī)體系革命的重要載體，能更好地將仿真和分析技術(shù)融合到產(chǎn)品的全生命周期中。通過(guò)人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和新的分析手段對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，能大幅提高產(chǎn)品論證的效率。我國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制也經(jīng)歷了無(wú)紙化設(shè)計(jì)、單點(diǎn)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)、企業(yè)級(jí)信息平臺(tái)建設(shè)三個(gè)階段，信息化基礎(chǔ)條件和應(yīng)用能力取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，有力地保障了航空發(fā)動(dòng)機(jī)重點(diǎn)型號(hào)研制任務(wù)的順利完成，促進(jìn)了企業(yè)創(chuàng)新和管理變革。作為中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的主要單位，中國(guó)航發(fā)動(dòng)研所正處于數(shù)字化轉(zhuǎn)型的起步階段，科研生產(chǎn)水平有了顯著提升，數(shù)字化能力得到快速發(fā)展。尤其在“十三五”期間，動(dòng)研所重點(diǎn)對(duì)產(chǎn)品研發(fā)、基礎(chǔ)資源等各個(gè)主要業(yè)務(wù)領(lǐng)域進(jìn)行了數(shù)字化改造，研發(fā)手段實(shí)現(xiàn)了信息化，綜合設(shè)計(jì)能力顯著提升，基礎(chǔ)資源不斷擴(kuò)充，在數(shù)字化建設(shè)與應(yīng)用上取得了一定的成效。通過(guò)開(kāi)展整機(jī)試驗(yàn)自動(dòng)化試車和試驗(yàn)故障診斷技術(shù)研究等工作，動(dòng)研所積累了航空發(fā)動(dòng)機(jī)智能化試車研究與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

智能化試車技術(shù)研究

試車臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

動(dòng)研所有幾十個(gè)整機(jī)試驗(yàn)車臺(tái)，可進(jìn)行渦槳、渦軸、渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和輔助動(dòng)力裝置（APU）的試驗(yàn)，為了提高工作效率、提高試驗(yàn)質(zhì)量、保證試驗(yàn)安全，動(dòng)研所分別在不同的型號(hào)試驗(yàn)車臺(tái)開(kāi)展了自動(dòng)化試車、試驗(yàn)數(shù)據(jù)在線分析、試驗(yàn)故障診斷，以及試驗(yàn)過(guò)程管理等技術(shù)研究。

自動(dòng)化試車

自動(dòng)化試車技術(shù)通過(guò)集成試車臺(tái)的各個(gè)系統(tǒng)，用數(shù)字化控制器完成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)狀態(tài)和試車臺(tái)設(shè)備的全方位監(jiān)視和控制，自動(dòng)完成發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)過(guò)程并記錄和分析試驗(yàn)全流程數(shù)據(jù)，能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和試車臺(tái)設(shè)備進(jìn)行故障預(yù)警、報(bào)警以及安全保護(hù)。自動(dòng)化試車技術(shù)的應(yīng)用可以有效地提高試驗(yàn)控制精度、試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性、試驗(yàn)效率和試驗(yàn)?zāi)芰?，同時(shí)減少試驗(yàn)件和設(shè)備損耗，降低試驗(yàn)成本。

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)控制建模技術(shù)面臨多變量控制和非線性等問(wèn)題，同時(shí)又需要盡可能地簡(jiǎn)化，以達(dá)到較好的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)狀態(tài)自動(dòng)控制技術(shù)涉及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和渦輪前溫度等參數(shù)的控制，具體包括對(duì)參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、超調(diào)量和靜態(tài)控制精度等指標(biāo)的控制。增加的自動(dòng)試車報(bào)警和保護(hù)技術(shù)包括分級(jí)的保護(hù)機(jī)制、應(yīng)急機(jī)制和起動(dòng)前自檢功能等，冗余保護(hù)裝置等保護(hù)功能的加入對(duì)于自動(dòng)試車等新技術(shù)的應(yīng)用提供了強(qiáng)力的保障，大大提高了新技術(shù)研發(fā)的容錯(cuò)能力。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)在線分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)在線分析主要是對(duì)一手試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析，在采集的同時(shí)能夠高效地分析計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，甚至參與試驗(yàn)控制和保護(hù)。例如，有的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)在線分析得到的渦輪前溫度的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值靜差極小，動(dòng)態(tài)時(shí)能更明顯地反映發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的變化。

振動(dòng)自動(dòng)化測(cè)試主要是利用振動(dòng)分析軟件的總量計(jì)算、頻譜分析、轉(zhuǎn)速跟蹤、轉(zhuǎn)速測(cè)量等功能，通過(guò)合理設(shè)置與定義參數(shù)，得到需要的振動(dòng)測(cè)量與分析結(jié)果。通過(guò)設(shè)置預(yù)警或報(bào)警觸發(fā)條件，輔以邏輯函數(shù)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)限制條件的自動(dòng)判別、自檢和報(bào)警保護(hù)功能。

動(dòng)態(tài)自動(dòng)化測(cè)試監(jiān)測(cè)主要從以下幾方面考慮：通過(guò)設(shè)置合適的觸發(fā)條件，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)記錄的開(kāi)始與停止、試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄和存儲(chǔ)；考慮車臺(tái)實(shí)際情況，動(dòng)態(tài)測(cè)試進(jìn)行一些參數(shù)預(yù)警判斷，包括發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間、點(diǎn)火時(shí)間、最高排氣溫度、起動(dòng)電機(jī)電壓電流波動(dòng)等。

試驗(yàn)故障診斷

試驗(yàn)故障診斷系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備工作原理、時(shí)序、設(shè)計(jì)要求、特性和試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，來(lái)確定被測(cè)對(duì)象可能發(fā)生的狀態(tài)S和測(cè)量特性可能取值范圍Y之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，辨識(shí)正常狀態(tài)的對(duì)應(yīng)Y-S關(guān)系，以此為依據(jù)診斷故障及潛在故障。

故障診斷軟件按試驗(yàn)前/準(zhǔn)備、試驗(yàn)運(yùn)行、試驗(yàn)后數(shù)據(jù)分析三個(gè)流程分別診斷。試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)按照冷吹、假起動(dòng)、起動(dòng)運(yùn)行三個(gè)運(yùn)行狀態(tài)分別診斷滑油系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、測(cè)功系統(tǒng)、負(fù)載設(shè)備、測(cè)功系統(tǒng)、測(cè)試數(shù)據(jù)（測(cè)試系統(tǒng)以及振動(dòng)）、發(fā)動(dòng)機(jī)性能數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)異常進(jìn)行提示和記錄。對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行編碼：故障碼不同時(shí)，故障現(xiàn)象自動(dòng)記錄和提示；故障碼相同時(shí)，不重復(fù)記錄/提示。根據(jù)故障現(xiàn)象搜索故障數(shù)據(jù)庫(kù)，指導(dǎo)故障診斷和排除。

試驗(yàn)故障診斷系統(tǒng)特別適合長(zhǎng)試時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，一方面是以本機(jī)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)作模型，準(zhǔn)確度高；另一方面，長(zhǎng)試時(shí)人員輪班，參試人員不一定很熟悉發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)，加之長(zhǎng)試時(shí)人容易疲勞，數(shù)據(jù)變化不易察覺(jué)，故障診斷計(jì)算機(jī)則能長(zhǎng)期值守、實(shí)時(shí)報(bào)警，即使沒(méi)有及時(shí)觀察到報(bào)警信號(hào)，也可以隨時(shí)查看故障信息記錄，了解試驗(yàn)情況，便于分析數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)過(guò)程管理

通過(guò)集成試驗(yàn)控制（TC）系統(tǒng)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理（TDM）系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)文件（包括試驗(yàn)技術(shù)要求、試驗(yàn)大綱、試驗(yàn)件、技術(shù)通知單以及試驗(yàn)完成后編制的試驗(yàn)報(bào)告和試驗(yàn)分析報(bào)告）、試驗(yàn)任務(wù)發(fā)布組織實(shí)施和試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析的全數(shù)字化閉環(huán)管理。

對(duì)于持久試車等長(zhǎng)試任務(wù)，試車臺(tái)設(shè)計(jì)了長(zhǎng)試進(jìn)程管理功能，能夠配合試車系統(tǒng)自動(dòng)地對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)管理，包括試驗(yàn)譜循環(huán)次數(shù)和有效運(yùn)行時(shí)間等。通過(guò)引入長(zhǎng)試任務(wù)規(guī)則，可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)更換試驗(yàn)譜、定檢和清洗等工作進(jìn)行自動(dòng)提示。

智能化試車的應(yīng)用情況

進(jìn)氣流量校準(zhǔn)車臺(tái)自動(dòng)化

進(jìn)氣流量校準(zhǔn)車臺(tái)的主要作用為校準(zhǔn)雙曲線型流量管和徑向進(jìn)氣型流量管的流量特性。其原理為利用鼓風(fēng)機(jī)抽風(fēng)產(chǎn)生一定的空氣流量，以文氏管流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)流量，同時(shí)在旋轉(zhuǎn)測(cè)量段上安裝測(cè)量探針，利用旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)120°，進(jìn)行壓力場(chǎng)測(cè)量，調(diào)節(jié)閥微調(diào)流量，達(dá)到精確調(diào)節(jié)進(jìn)氣速度的目的，從而可以得到速度與流量的關(guān)系曲線。

在流量校準(zhǔn)試驗(yàn)中，按照流量設(shè)定值自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器控制進(jìn)氣流量，在流量穩(wěn)定的情況下，自動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)測(cè)量機(jī)構(gòu)按照預(yù)定的角度旋轉(zhuǎn)，錄取流場(chǎng)特性。自動(dòng)化的應(yīng)用提高了調(diào)節(jié)流量的精度和調(diào)節(jié)速度，免去了人工調(diào)節(jié)分為粗調(diào)、細(xì)調(diào)和微調(diào)的復(fù)雜操作，能在3min內(nèi)完成一個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的試驗(yàn)，提高了試驗(yàn)的一致性。

輕型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)車臺(tái)

輕型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)目前主要用于完成發(fā)動(dòng)機(jī)的出廠試驗(yàn)，可測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的13種工作狀態(tài)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)要求精度高。對(duì)該試車臺(tái)實(shí)施了發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)全程的自動(dòng)控制與調(diào)節(jié)流程，使其可以按要求自動(dòng)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)收試車、發(fā)動(dòng)機(jī)校準(zhǔn)試車、持久試車等發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)曲線譜試驗(yàn)。

輔助動(dòng)力裝置試驗(yàn)車臺(tái)

利用工控機(jī)通過(guò)RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口與測(cè)功器以及車臺(tái)可編程邏輯控制器（PLC）建立了三方通信，可以同時(shí)監(jiān)控輔助動(dòng)力裝置（APU）和測(cè)功器等的工作狀態(tài)：根據(jù)試驗(yàn)譜向APU發(fā)送控制指令；監(jiān)控測(cè)功器工作模式和轉(zhuǎn)速、扭矩、閥門位置等參數(shù)；按照預(yù)存“電動(dòng)閥門開(kāi)度—當(dāng)量功率曲線”，對(duì)照目標(biāo)要求當(dāng)量功率，自動(dòng)計(jì)算電動(dòng)閥開(kāi)度。

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)車臺(tái)

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)AMT試驗(yàn)自動(dòng)試車系統(tǒng)

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)加速任務(wù)試驗(yàn)（AMT）要求非常嚴(yán)苛，整個(gè)AMT試驗(yàn)需要完成兩千多次基礎(chǔ)循環(huán)譜，多個(gè)試驗(yàn)譜交叉進(jìn)行，試驗(yàn)狀態(tài)點(diǎn)多，調(diào)節(jié)頻繁，而且要求狀態(tài)響應(yīng)快、精度高、重復(fù)性好。為達(dá)到適航試驗(yàn)要求，動(dòng)研所針對(duì)該型發(fā)動(dòng)機(jī)AMT試驗(yàn)開(kāi)發(fā)了一套自動(dòng)試車系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果完全符合發(fā)動(dòng)機(jī)適航試驗(yàn)大綱要求。自動(dòng)試車系統(tǒng)也可用來(lái)完成高風(fēng)險(xiǎn)高難度的試驗(yàn)。

渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)車臺(tái)

針對(duì)大功率渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中螺旋槳流量大、流速高，需要調(diào)節(jié)的輔助設(shè)備多，操作動(dòng)作頻繁，試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于普通試驗(yàn)臺(tái)的特點(diǎn)，通過(guò)開(kāi)展大功率渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)車臺(tái)的智能化試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了一套全面的試車前自檢程序，覆蓋車臺(tái)試車相關(guān)的幾乎所有系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)車臺(tái)設(shè)備控制邏輯及工作原理進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)，能夠清晰精確顯示車臺(tái)各系統(tǒng)運(yùn)行情況。該系統(tǒng)不僅可以完成常規(guī)的試車自動(dòng)控制任務(wù)，還可以輔助完成電源中斷滑油中斷等特種試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)中斷時(shí)間等特殊要求的精確控制。

智能化試車的后續(xù)發(fā)展

根據(jù)對(duì)前期的研究和應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，智能化試車可向設(shè)備數(shù)字化管理、試驗(yàn)自動(dòng)化和故障診斷、試驗(yàn)仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)挖掘等幾個(gè)方向繼續(xù)發(fā)展。

一是對(duì)設(shè)備實(shí)行全生命周期數(shù)字化管理，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，自動(dòng)給出整體的設(shè)備狀態(tài)評(píng)估；建立試驗(yàn)車臺(tái)現(xiàn)有能力與型號(hào)試驗(yàn)需求匹配關(guān)系圖譜，型號(hào)需求實(shí)施最優(yōu)匹配關(guān)系圖譜；對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控分析和故障診斷。

大功率渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)試車前自檢程序

二是建立試驗(yàn)智能化操控與故障診斷系統(tǒng)，能有效地減少試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，提高試驗(yàn)效率。具體內(nèi)容至少應(yīng)包含試車模型建立、控制算法研究、故障模式建立、發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)估、振動(dòng)特性分析、振動(dòng)趨勢(shì)變化分析、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估、發(fā)動(dòng)機(jī)特定狀態(tài)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)和試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估等。

三是基于數(shù)字化設(shè)計(jì)模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)校正，利用試驗(yàn)仿真軟件工具，開(kāi)展試驗(yàn)仿真技術(shù)研究，通過(guò)數(shù)值仿真手段，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)情況，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和對(duì)比物理試驗(yàn)，減少性能試驗(yàn)次數(shù)。

三是增強(qiáng)測(cè)試手段，獲取更多更有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)體系，搭建大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析及挖掘，驗(yàn)證大數(shù)據(jù)集成及分析應(yīng)用技術(shù)路線。實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)源的融合、分析、利用，以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的深層次信息挖掘，為設(shè)計(jì)驗(yàn)證、模型校核、改進(jìn)改型提供有力支持。

結(jié)束語(yǔ)

目前，動(dòng)研所的航空發(fā)動(dòng)機(jī)智能化試車應(yīng)用研究還處于起步階段，主要在車臺(tái)管理、自動(dòng)試車、試驗(yàn)故障診斷等方面進(jìn)行了初步探索，離全面數(shù)字化智能化還有很遠(yuǎn)的路要走。設(shè)備數(shù)字化管理、試驗(yàn)自動(dòng)化和故障診斷、試驗(yàn)仿真、試驗(yàn)數(shù)據(jù)挖掘等方面是今后發(fā)展方向，都需要提前夯實(shí)基礎(chǔ)，并培養(yǎng)相關(guān)人才。