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(shè)的自動測試需求，基于航空總線VXI硬件和虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計了一套航空主減速器地面試車臺自動測試系統(tǒng)。滿足某型航空主減速器在地面試車臺上的磨合試驗(yàn)、檢驗(yàn)試驗(yàn)和雙發(fā)試驗(yàn)等自動測試需求，自動測試任務(wù)可在試驗(yàn)前編輯、試車臺過程中調(diào)用和修改，減少傳統(tǒng)手動試車中的人為差錯，提高了試車安全和效率。

關(guān)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(jī)的關(guān)鍵傳動部件，直接將發(fā)動機(jī)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(jī)完成飛行任務(wù)。航空主減速器輸入端連接單臺或多臺發(fā)動機(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)提供液壓動力源；滑油泵用于主減速器潤滑與冷卻。

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

總結(jié)國內(nèi)外情況，航空主減速器地面試車臺的設(shè)計主要有三種加載方式：機(jī)械功率封閉、電功率封閉和開放功率加載。閉式試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)簡單、投資小、耗能少、經(jīng)濟(jì)適用性強(qiáng)，在齒輪及其傳動裝置試驗(yàn)研究中得到了廣泛的應(yīng)用[4]。國內(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)工廠現(xiàn)有進(jìn)口雙發(fā)動機(jī)輸入型主減速器試車臺測試系統(tǒng)的設(shè)計方法上，為提高新建國產(chǎn)某三發(fā)動機(jī)輸入型主減速器試車臺效率，設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一種基于航空VXI硬件和虛擬儀器技術(shù)的國產(chǎn)某三發(fā)動機(jī)輸入型主減速器試車臺測控系統(tǒng)，可滿足航空主減速器產(chǎn)品地面的自動測試需求。

1 總體方案

根據(jù)工廠建設(shè)的機(jī)械功率封閉試驗(yàn)臺自動測試系統(tǒng)需求，基于VXI硬件和LabwindowsCVI、Labview開發(fā)語言設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一種主減速器的自動測試系統(tǒng)。

設(shè)計難點(diǎn)在于：計算機(jī)可識別自動試驗(yàn)的工藝配置；試車過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；試車過程中閉環(huán)控制精確，轉(zhuǎn)速和自動加載同步匹配。

該設(shè)計的最大創(chuàng)新在于：探索了某型航空主減速器自動測試系統(tǒng)的設(shè)計實(shí)現(xiàn)，總結(jié)了該類型航空產(chǎn)品自動測試系統(tǒng)的框架和相匹配的閉環(huán)控制流程，在航空產(chǎn)品地面自動測試系統(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

測試系統(tǒng)以工業(yè)計算機(jī)為核心，其功能通常包括信號激勵、信號測量、數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果顯示等[5]。

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

3 軟件設(shè)計

針對不同的測試任務(wù)，選擇合適的程序設(shè)計方法，有利于簡化軟件開發(fā)過程、縮短開發(fā)周期，同時便于其進(jìn)一步升級改造和維護(hù)[8]。本次自動測試系統(tǒng)軟件的設(shè)計中，VXI硬件驅(qū)動層，采用LabwindowsCVI進(jìn)行模塊代碼測試后，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，軟件啟動運(yùn)行后，初始軟件界面的位置停留在計算機(jī)屏幕正中，方便操作。當(dāng)產(chǎn)生報警信號時，能夠在用戶界面中顯示相關(guān)報警信息。

2）副計算機(jī)功能：副計算機(jī)程序的設(shè)計具備數(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、數(shù)據(jù)回放和數(shù)據(jù)報表等功能。數(shù)據(jù)存儲需求，包括兩部分：一是主減速器試驗(yàn)全過程的數(shù)據(jù)存儲，儲存時間間隔1s；二是主減速器產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)存儲具有用戶手動和自動儲存兩種功能，用戶可設(shè)定自動存儲時間。

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

3.2 軟件設(shè)計實(shí)現(xiàn)

測試系統(tǒng)軟件開發(fā)主要包括兩部分：一部分是副計算機(jī)的程序開發(fā)；另外一部分是主計算機(jī)的程序開發(fā)。副計算機(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、數(shù)據(jù)回放、數(shù)據(jù)報表、數(shù)據(jù)管理和報表生成、打印等功能[10]，副計算機(jī)功能設(shè)計如圖4所示。

主計算機(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)管理和自動流程試驗(yàn)等功能，主計算機(jī)功能設(shè)計如圖5所示。

1）總體功能架構(gòu)設(shè)計

測控系統(tǒng)總體軟件架構(gòu)分為主、副計算機(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、流量和振動數(shù)據(jù)的采集；數(shù)據(jù)通信模塊通過以太網(wǎng)、Modbus和RS484等總線與各分布式I8000子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；加載控制VXI模塊通過對液壓差動馬達(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)時處理和融合；閉環(huán)控制模塊通過兩層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)測試過程用戶可視化交互；數(shù)據(jù)發(fā)送模塊通過網(wǎng)絡(luò)UDP，將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給副計算機(jī)；數(shù)據(jù)接收模塊通過網(wǎng)絡(luò)UDP，實(shí)現(xiàn)對副計算機(jī)操作數(shù)據(jù)的接收。

副計算機(jī)的程序模塊主要包括：數(shù)據(jù)接收模塊通過網(wǎng)絡(luò)UDP，實(shí)現(xiàn)主計算機(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)用戶操作；數(shù)據(jù)顯示模塊實(shí)現(xiàn)測試過程性能數(shù)據(jù)的顯示；后臺存儲模塊以秒為單位，實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)和工程數(shù)據(jù)的實(shí)時保存；狀態(tài)識別模塊對相應(yīng)數(shù)據(jù)操作，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)發(fā)送模塊通過網(wǎng)絡(luò)UDP，將狀態(tài)識別后的控制數(shù)據(jù)發(fā)送給主計算機(jī)；報表模塊通過CELL插件方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報表頭操作；報表生成模塊實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)報表的生成。

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總線進(jìn)行液壓加載油源系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制；電機(jī)拖動單元，采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行兩臺315kW電機(jī)同步運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制；振動測試單元，采用美國NI公司采集卡，實(shí)現(xiàn)設(shè)備和產(chǎn)品振動監(jiān)測，通過網(wǎng)絡(luò)UDP上傳至副計算機(jī)。

2）主副計算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)

測試系統(tǒng)軟件開發(fā)主要包括兩部分：一部分是副計算機(jī)的程序開發(fā)；另外一部分是主計算機(jī)的程序開發(fā)。

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

主計算機(jī)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(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。自動測試序列數(shù)據(jù)顯示區(qū)響應(yīng)用戶對自動測試文件的選擇，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)類型選擇、輔助系統(tǒng)控制、電機(jī)拖動系統(tǒng)控制、液壓泵加載、水門控制和功率保護(hù)設(shè)置等功能；日志顯示區(qū)實(shí)時反饋用戶操作過程。

主計算機(jī)流程如圖7所示。

副計算機(jī)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(shù)據(jù)顯示區(qū)、操作控制區(qū)、后臺數(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)品測試過程相關(guān)數(shù)據(jù)；操作控制區(qū)實(shí)現(xiàn)信號配置、信號列表、屏二加載、后臺數(shù)據(jù)自動保存、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)、報表頭操作區(qū)、數(shù)據(jù)報警區(qū)和報表生成區(qū)等。數(shù)據(jù)顯示區(qū)主要顯示設(shè)備測試過程相關(guān)數(shù)據(jù)；報表頭操作區(qū)用于定義報表頭生成的相關(guān)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)報警區(qū)實(shí)時反饋測試過程的預(yù)警信息；報表生成區(qū)按需手動或自動生成報表數(shù)據(jù)。

副計算機(jī)流程圖如圖8所示。

4 驗(yàn)證

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

按照試驗(yàn)臺使用操作維護(hù)說明，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)測控軟件，進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證主減速器產(chǎn)品各個狀態(tài)過程（如磨合試車、雙方試車和檢驗(yàn)試車）的實(shí)際性能指標(biāo)。

為驗(yàn)證測控系統(tǒng)是否滿足主減速器產(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，首先對測控系統(tǒng)進(jìn)行仿真測試。通過在各子系統(tǒng)端施加仿真信號，模擬轉(zhuǎn)速、扭矩、壓力、溫度等，數(shù)字信號模擬用戶實(shí)際操作和反饋等，運(yùn)行上位主副計算機(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。

通過驗(yàn)證，設(shè)計的自動測試系統(tǒng)能滿足該型及后續(xù)系列主減速器產(chǎn)品的磨合試車試驗(yàn)、雙發(fā)試車試驗(yàn)和檢驗(yàn)試車試驗(yàn)等功能。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一套某型國產(chǎn)主減速器試車臺測控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了主減速器產(chǎn)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(shí)現(xiàn)了該型國產(chǎn)主減速器的地面裝機(jī)前的性能測試。

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作者簡介

譚杰，高級工程師，主要研究方向?yàn)楹娇盏孛嬖囓嚺_測控系統(tǒng)設(shè)計。

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