王 娟, 張文林, 樊智勇

(中國民航大學 工程技術(shù)訓(xùn)練中心, 天津 300300)

飛機發(fā)動機儀表排故實驗平臺研制與應(yīng)用

王 娟, 張文林, 樊智勇

(中國民航大學 工程技術(shù)訓(xùn)練中心, 天津 300300)

開發(fā)了飛機發(fā)動機儀表系統(tǒng)排故訓(xùn)練實驗平臺。根據(jù)教學實訓(xùn)需要設(shè)計平臺功能,從總體架構(gòu)、教師主控制端和學生排故訓(xùn)練端3個方面介紹系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。最后給出了相應(yīng)的實踐教學設(shè)計,證明該實驗平臺可以進行大規(guī)模持續(xù)性深層次飛機儀表排故訓(xùn)練,能滿足高級維修工程師和卓越工程師的培養(yǎng)要求。

飛機維修； 故障排除； 實驗平臺； 仿真組件

現(xiàn)代大型客機作為一種復(fù)雜的機電設(shè)備,由于人為失誤、材料缺陷、制造誤差、使用環(huán)境波動等因素的影響，以及疲勞、磨損和老化等效應(yīng)的存在,運行過程中不可避免地會發(fā)生各種故障[1-2]。飛機故障診斷和排除是技術(shù)含量很高的復(fù)雜綜合維護工作[3],涉及到系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)知識、故障診斷技術(shù)、測試技術(shù)，以及飛機組件的拆卸安裝和清潔、線路的維修、保險施工等維護工作,這也是培養(yǎng)高水平飛機維護人才的一個重要衡量標準[4]。

飛機系統(tǒng)故障排除(以下簡稱排故)普遍是教學和實訓(xùn)中的薄弱點,主要原因是教學設(shè)備缺乏[5]。真實飛機排故,成本昂貴到難以接受,難以滿足大規(guī)模持續(xù)性的教學工作。維護模擬機成本昂貴,維護成本也高,且排故深度普遍不夠,一般只能到達故障診斷的層面,很難進行實際的故障排除底層工作。飛機排故訓(xùn)練設(shè)備開發(fā)難度大、成本高、客戶獨特需求性強,市場上也少有此類產(chǎn)品。

針對飛機發(fā)動機儀表系統(tǒng)排故研發(fā)的實驗平臺通過設(shè)計新的儀表仿真組件和傳感仿真組件,取代原來的飛機拆機組件,解決教學中的航材限制和成本昂貴的問題。該平臺緊貼目前我校的飛機維護基礎(chǔ)實習教學大綱,可以理論聯(lián)系實踐,進行故障診斷及實際的組件拆卸、測量、線路維修等深層次的綜合維護工作,避免了常見的設(shè)備復(fù)雜、操作量小、能力鍛煉不足的問題。此教學平臺也在我校的實驗技術(shù)創(chuàng)新基金驗收評比中獲得了優(yōu)秀。

1 教學需求及平臺功能設(shè)計

本實驗平臺應(yīng)用于我校機務(wù)類電子專業(yè)本科生的一門必修實踐課程。通過基礎(chǔ)理論知識應(yīng)用和相關(guān)飛機技術(shù)資料的閱讀,進行故障診斷；運用各種測量工具和手段,進行綜合飛機維護排故工作,包括LRU的拆裝、線路標準施工、保險等,逐步掌握排故流程和方法。理論聯(lián)系實際,提高學生在實際工程環(huán)境下的故障分析和排除的能力[6]。

平臺要求能進行儀表的通電測試,能隱蔽地設(shè)置多種儀表系統(tǒng)故障,能進行組件的拆卸、安裝和線路的標準施工操作,能進行保險訓(xùn)練,能進行一個完整的故障診斷和深層次的故障排除過程訓(xùn)練,給學生提供較長時間的操作和動手機會,平臺經(jīng)過長時間的規(guī)模教學后仍能保持低成本和可適用性。

2 平臺的設(shè)計及實現(xiàn)

2.1 平臺架構(gòu)

發(fā)動機排氣溫度、滑油壓力等是發(fā)動機系統(tǒng)重點的監(jiān)控參數(shù)[7]。其相關(guān)儀表的排故訓(xùn)練是重要的機務(wù)維護培訓(xùn)項目。

飛機發(fā)動機儀表排故實驗平臺采用主從式控制結(jié)構(gòu),由一個遠程的教師主控制端和若干個學生排故訓(xùn)練端組成(支持1～16個客戶端,目前硬件上只做6個客戶端,可根據(jù)需要擴展),如圖1所示。在主控制端可以設(shè)置故障、查看故障排除情況。學生排故訓(xùn)練端可進行系統(tǒng)通電測試、測量、拆裝及故障排除練習。主控端和訓(xùn)練端之間采用無線網(wǎng)絡(luò)連接。

圖1 平臺總體結(jié)構(gòu)

2.2 教師主控制端

教師主控制端采用普通PC機?？刂平缑孀⒅厝藱C良好交流,采用圖形化界面,結(jié)合飛機儀表原理,將儀表電路以電路圖的形式呈現(xiàn),力求簡單明了易操作,界面如圖2所示。

圖2 教師主控端故障設(shè)置界面

教師端控制界面上可以選擇單個學生排故端,進行設(shè)置故障、清除學生端故障、重啟或關(guān)閉下位機等操作,也可以進行批量操作。故障設(shè)置時,每條線路都可設(shè)置其短路、斷路及組合故障,并且符合電路邏輯。學生排故端的IP、繼電器、儀表、線路等編制成儀表通信配置信息表格和導(dǎo)線配置信息表格,主程序查表執(zhí)行,便于修改,提高了系統(tǒng)靈活性。教師主控端程序流程見圖3。

圖3 教師主控制端程序流程

主控端和學生訓(xùn)練端之間通信方式采用局域無線網(wǎng)絡(luò)控制[8],預(yù)留有線接口。自己定義教師主控制端和學生排故訓(xùn)練端之間的通信協(xié)議。表1是主控端與排故端的線路故障設(shè)置器之間的通信協(xié)議示例。

表1 通信協(xié)議示例

2.3 學生訓(xùn)練端

學生訓(xùn)練端可以進行儀表通電測試、拆卸安裝、線路標準施工訓(xùn)練、保險訓(xùn)練及真實的故障排除練習。學生訓(xùn)練端的結(jié)構(gòu)如圖4所示。教師控制端通過網(wǎng)絡(luò)向?qū)W生操作臺的主控制器發(fā)送控制指令,如正常工作指令、自檢指令、故障現(xiàn)象指令等。學生訓(xùn)練端上的控制器接受到指令,對指令解碼分析,送到故障設(shè)置器進行線路故障設(shè)置或直接通過USB進行儀表組件狀態(tài)控制。故障設(shè)置器是一個外觀封閉的部件,通過繼電器開關(guān)影響各發(fā)動機儀表的正常指示。

發(fā)動機儀表及傳感器組件采用自制仿真組件[9],包括雙機組位的滑油壓力指示器、滑油溫度指示器、燃油壓力指示器,取代原來的飛機拆機組件,降低了成本,便于維修。仿真組件外觀上與真實組件相似,行為表現(xiàn)和電氣接口特性與真實組件一致。圖5為仿真儀表外觀,為了模擬飛機上LRU組件上施工,特別設(shè)計儀表的安裝卡環(huán)。仿真的指示器中單片機采集傳感器信號,并提供給電機控制模塊,驅(qū)動指針偏轉(zhuǎn)?？梢栽诮M件上設(shè)置故障,組合出多種儀表故障,充分鍛煉學生的儀表排故能力。

圖6為壓力表內(nèi)電路。發(fā)動機滑油壓力表的主處理芯片采用STM32增強型[10],該系列芯片屬于32 B ARM 微控制器,由意法半導(dǎo)體( ST) 公司出品,內(nèi)核是Cortex-M3 處理器,具有低功耗、低成本、高性能的優(yōu)點。壓力表感受傳感器的輸入,經(jīng)儀表電路耦合后,通過放大處理,送入單片機的端口DATA_INPUT、DATA_INPUT1,計算處理后經(jīng)端口PB-4、PB-5、PB-6、PB-7輸出到驅(qū)動電路,帶動電機運轉(zhuǎn),指示器偏轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度。

2.4 平臺維護

作為大規(guī)模重復(fù)持續(xù)使用的平臺,維護問題需要著重考慮?；谙阮A(yù)防和易維護的原則,采用下列措施:(1)評估學生可能誤操作造成的損壞,設(shè)置預(yù)防措施,如避免通電不當安裝了保險、前置開關(guān)和電壓表采用防差錯接頭等；(2)預(yù)留視頻、USB和串口接口,可以在不打開設(shè)備的情況下,查看內(nèi)部狀況,如端口的連接情況,估計損壞的原因和位置；(3)學生排故端硬件采用板材搭建,任何一個部分有問題,可以只拆卸附近的蓋板進行修理,不必整機拆卸；(4)機箱內(nèi)的部件和線路采用模塊化處理方法,即使要整體拆開,也易拆卸和安裝。

圖4 學生排故訓(xùn)練端結(jié)構(gòu)

圖5 仿真儀表外觀

3 教學設(shè)計及應(yīng)用

傳統(tǒng)的飛機系統(tǒng)故障排除實踐教學的授課方式是教師給學生設(shè)定一個故障現(xiàn)象,直接引導(dǎo)學生開始排故,基本是講解一步,引導(dǎo)學生做一步,受設(shè)備條件限制,幾乎只能進行故障分析。由于系統(tǒng)排故項目涉及到系統(tǒng)原理、結(jié)構(gòu)組成和各種維護工作綜合施工,課程完成后學生還是茫然，不解為什么要這樣做,中間出現(xiàn)問題比較多,覺得排故項目難度大。

圖6 壓力表內(nèi)電路

為此，本實驗平臺開發(fā)時,創(chuàng)新教學模式和教學流程。排故之前學生查詢系統(tǒng)的技術(shù)資料,多思考,動手操作之前做很多構(gòu)思設(shè)計工作。教師的角色轉(zhuǎn)變?yōu)轭檰柡徒叹?支持學生在教師的鼓勵下進行討論、推理和探討問題,引導(dǎo)學生自己形成一個完整的脈絡(luò)清晰的維修過程[11-12]。

教師在實驗教學平臺上設(shè)置故障后,學生幾人組成一個團隊,自己編制一個FIM手冊排故流程程序,然后在學生排故訓(xùn)練端進行完整故障排除工作。關(guān)鍵是如何編制排故程序。前續(xù)課程的飛機維修文件中學習過故障隔離手冊FIM[13],可引導(dǎo)學生參考。一般每組學生都能制定圖7的排故流程。雖然不是一個工程產(chǎn)品,整個維修過程符合構(gòu)思—設(shè)計—實施—運行的CDIO模式[14]。構(gòu)思階段,要明確故障現(xiàn)象,并結(jié)合原理分析可能的故障原因[15]；設(shè)計階段,根據(jù)故障原因分別設(shè)計排故方案,并確定先后順序；實施階段,要綜合運用多種工具、技能和系統(tǒng)知識進行具體排故工作；運行階段,排故完成后,再次測試確認故障現(xiàn)象消失,系統(tǒng)正常工作。學生在構(gòu)思、設(shè)計、實施和運行的每個階段都需要深入思考和討論協(xié)商，必要時教師可以點撥一下。在構(gòu)思階段,整個排故流程結(jié)束,學生感覺理解透徹,經(jīng)過2年CDIO試點班教學,反映效果良好。

圖7 學生制定的排故流程

4 結(jié)語

飛機發(fā)動機儀表排故實驗平臺能設(shè)置線路、組件及組合故障,充分鍛煉學生的儀表排故能力；采用仿真組件,減少成本,且由于模型、軟件和接口自己開發(fā)定義,可運用到虛擬仿真中心建設(shè)的半實物仿真飛機中；平臺能進行大規(guī)模持續(xù)性的深層次排故練習,容易維護。經(jīng)過2年近千人次的教學實踐,反映良好。

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Development and application of experimental teaching platform for aircraft engine instrument troubleshooting

Wang Juan， Zhang Wenlin， Fan Zhiyong

(Engineering Techniques Training Center, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

Based on the training and teaching of the aircraft engine instrument system troubleshooting, the training platform is developed. The functions of this platform are designed according to the teaching and training needs. The system design and realization are introduced from the three aspects of the overall structure, teacher’s master control terminal and students’ troubleshooting training terminals. Finally, the corresponding practical teaching design is presented, which proves that the experimental platform can be used for the large-scale, continuous and deep level aircraft instrument troubleshooting training, meeting the training requirements of senior maintenance engineers and excellent engineers.

aircraft maintenance; troubleshooting; experimental platform; simulation component

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.023

2017-06-02修改日期2017-08-28

中國民航局科技項目重大專項(MHRD20130112);中國民航大學重點教學改革研究項目(CAUC-ETRI-2015-01)

王娟(1981—),女,山東煙臺,碩士,講師,研究方向為航空電子設(shè)備測試與維修的研究.

E-mail：juanwang@cauc.edu.cn

V263.6;G434

B

1002-4956(2017)12-0091-06