張元峰，郝世勇，趙志斌，于春風(fēng)

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東青島 266041）

飛機典型電氣系統(tǒng)排故訓(xùn)練裝置研究

張元峰，郝世勇，趙志斌，于春風(fēng)

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東青島 266041）

針對航空地勤電氣維修保障專業(yè)一線維護人員系統(tǒng)級電路的分析和排故能力培養(yǎng)難點，選取飛機典型電氣系統(tǒng)，開展排故訓(xùn)練裝置的研究與設(shè)計工作。通過配備各類故障電纜、故障設(shè)備、外場檢測儀器、排故工具箱及Multisim電路仿真訓(xùn)練考核系統(tǒng)，為培訓(xùn)人員提供立體式系統(tǒng)級電路排故訓(xùn)練平臺，培養(yǎng)人員排故思路、方法和技能。

飛機電氣系統(tǒng)；排故訓(xùn)練；訓(xùn)練裝置

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.10.12

0 引言

系統(tǒng)級電路的分析和排故能力是航空地勤電氣維修保障專業(yè)一線設(shè)備維護人員的核心能力，也是人員日常業(yè)務(wù)培訓(xùn)的重點和難點，同時也對培訓(xùn)手段提出了更高的要求[1]。為此，選取飛機上電路結(jié)構(gòu)、控制關(guān)系較為復(fù)雜的典型電氣系統(tǒng)構(gòu)建排故訓(xùn)練裝置，通過制定規(guī)范化的訓(xùn)練考核工卡，借助故障電纜及故障件設(shè)置典型故障，輔以外場各類檢測儀器及工具箱，開展訓(xùn)考工作，增強人員排故思路、方法及技能的理解和掌握。

1 需求分析

1.1 設(shè)備供電需求

系統(tǒng)工作電源采用單一的單相交流220 V/50 Hz（功率≥2000 W）市電供電，滿足各模擬設(shè)備和部件的通電運行需求，對供電電源要求較低。采用單相交流電源供電，能簡化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減輕設(shè)備重量，提高設(shè)備儀器工作可靠性，適應(yīng)較多的使用環(huán)境。

1.2 使用環(huán)境及場合

裝置使用環(huán)境包括外場及內(nèi)場。內(nèi)場使用環(huán)境要求較低，而外場的使用環(huán)境較為惡劣，主要特點：溫濕度變化大，振動劇烈，電磁環(huán)境復(fù)雜，存在雨雪、霉菌、沙塵等不利于設(shè)備正常工作的各種因素。因此，應(yīng)對訓(xùn)練裝置提出要求：①采用符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的市場成熟貨架原材料及電子元器件，解決抗摔、抗振、防塵、防水等使用要求；②由于該裝置有外場使用要求，應(yīng)具有一定的溫濕度適應(yīng)性，因此，儀器電子附件等采用工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)，使用溫度-10～50℃，濕度≤85%。

1.3 轉(zhuǎn)運及存放需求

該訓(xùn)練裝置由機型教員及受訓(xùn)學(xué)員使用，具有使用頻率高、工作地點多變等特點，對其便攜性及運輸可靠性要求較高，因此，裝置應(yīng)盡可能減小體積重量，適應(yīng)便攜及靈活轉(zhuǎn)運需求。同時，應(yīng)保證該設(shè)備具有良好的干燥、堅固等特點，以適應(yīng)較為一般的存放環(huán)境。

1.4 維修保障需求

訓(xùn)練裝置95%以上電氣元件均采用技術(shù)成熟的市場貨架產(chǎn)品，貨源充足，保證設(shè)備出現(xiàn)非設(shè)定故障時，具有良好的可替換性，進而提高維修效率。需要配套詳細的電路施工圖冊、相關(guān)設(shè)備說明書，并備份主要控制設(shè)備以及多種易損耗器件，方便人員快速維修。

2 設(shè)計思路及方法

訓(xùn)練裝置采用類實物物理模擬方式構(gòu)建訓(xùn)練系統(tǒng)，所有器件和設(shè)備用工業(yè)級產(chǎn)品替代或制作，部附件接口定義、線纜標(biāo)號等與飛機系統(tǒng)基本一致，空間位置與飛機系統(tǒng)基本一致或相似；將啟動、燃油電氣系統(tǒng)作為排故訓(xùn)練的重點。這些系統(tǒng)具有一定程度的復(fù)雜性和典型性，出現(xiàn)故障種類、現(xiàn)象多，排查難度大，適合較多的排故方法訓(xùn)練，且具有一定的排故方法研究價值，適于進行排故科目的設(shè)置；采用簡易框架搭建結(jié)構(gòu)平臺，外形不追求極似，關(guān)注設(shè)備、器件安裝和電纜敷設(shè)的大致位置和關(guān)系；結(jié)構(gòu)平臺具有開透性，便于進行排故訓(xùn)練，便于教學(xué)操作。結(jié)構(gòu)平臺具有可拆性，便于移動，適應(yīng)不同教學(xué)場所；整個系統(tǒng)的工作電源采用單一的220 V市電供電，滿足各模擬設(shè)備和部件的通電運行需求，對供電電源要求較低；故障設(shè)置方法采用兩種人為手動方式進行，一是更換故障設(shè)備、電纜或器件方式，二是人工原位手動設(shè)置各類故障。不采用自動設(shè)置技術(shù)，避免破壞整個系統(tǒng)的完整性，把系統(tǒng)的可靠性放在第一位，不過于追求實現(xiàn)技術(shù)的先進性和復(fù)雜性，采用各組件獨立設(shè)計模式；在排故科目設(shè)置上，基于飛機電氣系統(tǒng)實際使用與維護的特點，更多關(guān)注系統(tǒng)控制關(guān)系及線路元器件所出現(xiàn)的問題，一定程度考慮關(guān)鍵設(shè)備故障問題，復(fù)雜集成設(shè)備內(nèi)部器件故障不作考慮。

3 實現(xiàn)過程

3.1 系統(tǒng)組成及原理

排故訓(xùn)練系統(tǒng)電路插銷型號、接口關(guān)系及座艙面板布局同實際飛機保持一致。在此前提下，依據(jù)實際飛機電路圖冊及編制的施工圖冊，按照線路施工標(biāo)準(zhǔn)開展電氣線路布線。整個排故訓(xùn)練系統(tǒng)主要由供配電設(shè)備、人機控制設(shè)備、飛機啟動系統(tǒng)電氣設(shè)備、燃油系統(tǒng)電氣設(shè)備及相應(yīng)的故障件、故障電纜、輔助檢測儀器組成，其電路連接關(guān)系如圖1所示。

訓(xùn)練裝置平臺結(jié)構(gòu)框架采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)鋁型材及鋁合金材料構(gòu)成，分為前艙、后艙和設(shè)備艙等3個部分，系統(tǒng)平臺布局如圖2所示。其中，前艙和后艙均設(shè)計有電源艙、儀表板、左操縱臺（立面和平面）和右操縱臺（立面和平面），安裝動力控制盒、電源控制盒、斷路器板、輸油開關(guān)板、告警信號燈盒、雙操縱轉(zhuǎn)換開關(guān)、交流電壓、電流指示器及直流電壓、電流指示器等。前機身、后機身及設(shè)備艙分為3部分設(shè)計，便于拆卸和安裝。機身內(nèi)部由鋁合金型材搭建支架，安裝配電系統(tǒng)、發(fā)動機啟動電氣控制系統(tǒng)、燃油電氣系統(tǒng)的連接插銷、設(shè)備、部件和電纜，系統(tǒng)配套的地面輔助檢測設(shè)備如圖3所示，用于排故時展開相關(guān)設(shè)備的功能性測試。

圖1 訓(xùn)練裝置電路連接關(guān)系

圖2 訓(xùn)練裝置結(jié)構(gòu)平臺

圖3 地面輔助檢測設(shè)備

3.2 分系統(tǒng)介紹

3.2.1 供配電系統(tǒng)

依據(jù)飛機啟動電氣控制系統(tǒng)及燃油電氣控制系統(tǒng)用電需求，訓(xùn)練模擬裝置簡化電源系統(tǒng)的組成及控制方式，由交流電源顯示與控制系統(tǒng)、直流地面電源系統(tǒng)、直流應(yīng)急電源系統(tǒng)和直流配電系統(tǒng)等4部分為主。以交流配電控制與指示面板為例，其設(shè)計面板如圖4所示，其中，“交流供電總開關(guān)”控制市電，接通其余相應(yīng)開關(guān)，對應(yīng)的電源開始工作。

圖4 交流配電控制與指示

3.2.2 發(fā)動機啟動電氣控制系統(tǒng)

發(fā)動機啟動電氣控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是控制發(fā)動機的啟動過程，使其按程序達到穩(wěn)定工作狀態(tài)，其主要設(shè)備如圖1中“啟動系統(tǒng)電氣控制設(shè)備”所示。其中，啟動總開關(guān)、啟動選擇開關(guān)、風(fēng)門開關(guān)及一些指示燈均位于動力控制盒，整個系統(tǒng)具備實現(xiàn)地面雙發(fā)同時啟動和空中啟動功能。部分啟動設(shè)備如圖5所示，當(dāng)設(shè)備正常工作，相應(yīng)信號燈亮，若設(shè)備工作線路出現(xiàn)異常，則指示燈不亮。

圖5 部分啟動設(shè)備附件

3.2.3 燃油電氣控制系統(tǒng)

考慮整個燃油系統(tǒng)各分系統(tǒng)電路復(fù)雜程度，燃油電氣控制系統(tǒng)主要模擬飛機輸油順序電氣控制電路、防火電氣線路、應(yīng)急供油電氣電路及應(yīng)急關(guān)斷燃油電路[2]。其主要設(shè)備如圖1中“燃油系統(tǒng)電氣控制設(shè)備”所示。以燃油防火電動開關(guān)模擬設(shè)備為例，其實物如圖6所示，當(dāng)發(fā)動機出現(xiàn)火情需要關(guān)斷燃油，打開座艙控制面板中“供油路斷”開關(guān)，防火電動開關(guān)執(zhí)行關(guān)斷燃油動作。

圖6 燃油防火設(shè)備

4 難點及解決措施

4.1 基于標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)型材的通用訓(xùn)練平臺制作技術(shù)

為方便教學(xué)實施，并適應(yīng)不同教學(xué)場所的需要，訓(xùn)練裝置架構(gòu)需具備開透性、可拆性、強度高、便于移動等特點。經(jīng)過多次市場調(diào)研并結(jié)合飛機線路訓(xùn)練考核裝置開發(fā)經(jīng)驗，整個架構(gòu)采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)鋁合金材料搭建前艙、后艙及機身設(shè)備艙以滿足設(shè)計需求。由于該技術(shù)涉及到專用鋁型材加工設(shè)備，且對材料切割尺寸精度、接合強度等要求較高，同時面臨加工工作量大的難題。經(jīng)過大量的支架模型開發(fā)、承重試驗等措施，解決了加工精度差、結(jié)構(gòu)強度不足的難題，提高了訓(xùn)練平臺設(shè)計與施工水平。

4.2 基于電路仿真軟件的模擬設(shè)備輔助設(shè)計技術(shù)

由于缺乏實際設(shè)備，需要以模擬設(shè)備替代實裝。如何高效開發(fā)出滿足實際使用需求的模擬設(shè)備是另一個難點。以啟動系統(tǒng)中啟動箱的研制為例，啟動箱作為整個啟動電氣控制系統(tǒng)的核心，其研制難點包括：①啟動箱定時機構(gòu)復(fù)雜，時序多，延時精度要求高。②啟動箱中繼電器數(shù)量多，關(guān)鍵繼電器觸點多，對繼電器質(zhì)量要求較高，否則容易出現(xiàn)接觸不良等故障；③啟動箱管腳多，作為發(fā)動機啟動的核心部件，其控制的對象數(shù)量、種類多，接口屬性復(fù)雜。針對以上難點及現(xiàn)實條件，采用計算機仿真輔助模擬器設(shè)計，如用Multisim電路仿真軟件對所設(shè)計的啟動箱進行仿真驗證，能夠避免一些不易發(fā)現(xiàn)的邏輯錯誤。同時采用高精度電子式時間繼電器組合來模擬原機械式定時機構(gòu)，既保證了延時精度，又嚴(yán)格按照工作時間序列。

4.3 基于PWM技術(shù)的電機供電極性轉(zhuǎn)換技術(shù)

在啟動控制系統(tǒng)中，風(fēng)門電動機構(gòu)是一種執(zhí)行機構(gòu)。其作用是在小發(fā)啟動時，打開風(fēng)門，滿足小發(fā)排氣的需要。電動機構(gòu)本質(zhì)上是雙線圈串激直流電機，其正轉(zhuǎn)線圈和反轉(zhuǎn)線圈供電分別受前座艙動力控制盒中“打開”和“關(guān)閉”雙路信號的控制，而實際模擬電機通常為單線圈單級供電，為實現(xiàn)電機極性的自動轉(zhuǎn)換及風(fēng)門打開速度可調(diào)難題，采用基于PWM技術(shù)的直流電機極性轉(zhuǎn)換及調(diào)速技術(shù)，實現(xiàn)了風(fēng)門電動機構(gòu)接口關(guān)系的一致性。其電路原理如圖7所示，其中，YFM-T代表接線插頭，當(dāng)“打開”或“關(guān)閉”任意一個信號接通，電極調(diào)速控制器從“電機+”和“電機-”輸出信號給實際電機的正負極，實現(xiàn)供電極性的轉(zhuǎn)換。

4.4 基于Multisim軟件的故障科目開發(fā)技術(shù)

科學(xué)地開發(fā)適合于各個教學(xué)層次的經(jīng)典故障電路案例是擺在課題組面前的重要課題。課題組基于Multisim電路仿真軟件開發(fā)整個啟動電氣控制系統(tǒng)及燃油電氣控制系統(tǒng)的仿真電路，利用仿真電路，可方便的設(shè)置各種線路及設(shè)備故障，更重要的是能夠一目了然的準(zhǔn)確記錄故障對應(yīng)的故障現(xiàn)象，方便教員快速開發(fā)具有不同難易度的訓(xùn)練科目。圖8所示為啟動電氣控制系統(tǒng)部分仿真電路，其中，GZSJ-06、GZSJ-08、GZSJ-02、GZSJ-07 和 GZSJ-03代表故障設(shè)計開關(guān)，任意選擇其中一個斷開，即可通過仿真觀察不同故障現(xiàn)象，為教員編制故障現(xiàn)象代碼提供了方便。

圖7 供電極性轉(zhuǎn)換控制器電路原理

圖8 啟動系統(tǒng)部分仿真電路

5 結(jié)語

本文基于航空地勤電氣維修保障專業(yè)崗位任職核心能力培養(yǎng)的訓(xùn)練及考核需求，從裝置需求分析、設(shè)計思路、實現(xiàn)過程及難點解決等方面展開典型電氣系統(tǒng)排故訓(xùn)練裝置的研究，對培養(yǎng)崗位任職合格的航空地面保障人才具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］王勇，談斌.基于案例教學(xué)的飛機電氣系統(tǒng)排故實習(xí)研究［J］.中民航大學(xué)學(xué)報，2012，30（5）：46-50.

［2］張文浩.飛機燃油系統(tǒng)故障模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的研究［D］.青島：青島科技大學(xué)，2013.

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〔編輯 凌 瑞〕