■ 蔡衍 吳志勇 言潔奕 湯玉輝 / 中國航發(fā)動研所

航空發(fā)動機(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效率、試驗質(zhì)量和試驗安全保障能力。

數(shù)字化被視作航空發(fā)動機(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。通過人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和新的分析手段對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，能大幅提高產(chǎn)品論證的效率。我國的航空發(fā)動機(jī)研制也經(jīng)歷了無紙化設(shè)計、單點應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)、企業(yè)級信息平臺建設(shè)三個階段，信息化基礎(chǔ)條件和應(yīng)用能力取得了長足的發(fā)展，有力地保障了航空發(fā)動機(jī)重點型號研制任務(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)動機(jī)研制的主要單位，中國航發(fā)動研所正處于數(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，動研所重點對產(chǎn)品研發(fā)、基礎(chǔ)資源等各個主要業(yè)務(wù)領(lǐng)域進(jìn)行了數(shù)字化改造，研發(fā)手段實現(xiàn)了信息化，綜合設(shè)計能力顯著提升，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。通過開展整機(jī)試驗自動化試車和試驗故障診斷技術(shù)研究等工作，動研所積累了航空發(fā)動機(jī)智能化試車研究與應(yīng)用經(jīng)驗。

智能化試車技術(shù)研究

試車臺測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

動研所有幾十個整機(jī)試驗車臺，可進(jìn)行渦槳、渦軸、渦噴/渦扇發(fā)動機(jī)和輔助動力裝置（APU）的試驗，為了提高工作效率、提高試驗質(zhì)量、保證試驗安全，動研所分別在不同的型號試驗車臺開展了自動化試車、試驗數(shù)據(jù)在線分析、試驗故障診斷，以及試驗過程管理等技術(shù)研究。

自動化試車

自動化試車技術(shù)通過集成試車臺的各個系統(tǒng)，用數(shù)字化控制器完成對發(fā)動機(jī)試驗狀態(tài)和試車臺設(shè)備的全方位監(jiān)視和控制，自動完成發(fā)動機(jī)的試驗過程并記錄和分析試驗全流程數(shù)據(jù)，能對發(fā)動機(jī)和試車臺設(shè)備進(jìn)行故障預(yù)警、報警以及安全保護(hù)。自動化試車技術(shù)的應(yīng)用可以有效地提高試驗控制精度、試驗數(shù)據(jù)一致性、試驗效率和試驗?zāi)芰Γ瑫r減少試驗件和設(shè)備損耗，降低試驗成本。

發(fā)動機(jī)試驗控制建模技術(shù)面臨多變量控制和非線性等問題，同時又需要盡可能地簡化，以達(dá)到較好的動態(tài)性能和魯棒性。發(fā)動機(jī)試驗狀態(tài)自動控制技術(shù)涉及對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和渦輪前溫度等參數(shù)的控制，具體包括對參數(shù)動態(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。增加的自動試車報警和保護(hù)技術(shù)包括分級的保護(hù)機(jī)制、應(yīng)急機(jī)制和起動前自檢功能等，冗余保護(hù)裝置等保護(hù)功能的加入對于自動試車等新技術(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)的容錯能力。

試驗數(shù)據(jù)在線分析

試驗數(shù)據(jù)在線分析主要是對一手試驗數(shù)據(jù)的實時分析，在采集的同時能夠高效地分析計算發(fā)動機(jī)試驗的相關(guān)數(shù)據(jù)，甚至參與試驗控制和保護(hù)。例如，有的發(fā)動機(jī)測試系統(tǒng)在線分析得到的渦輪前溫度的計算值與實測值靜差極小，動態(tài)時能更明顯地反映發(fā)動機(jī)狀態(tài)的變化。

振動自動化測試主要是利用振動分析軟件的總量計算、頻譜分析、轉(zhuǎn)速跟蹤、轉(zhuǎn)速測量等功能，通過合理設(shè)置與定義參數(shù)，得到需要的振動測量與分析結(jié)果。通過設(shè)置預(yù)警或報警觸發(fā)條件，輔以邏輯函數(shù)運算，實現(xiàn)試驗發(fā)動機(jī)振動限制條件的自動判別、自檢和報警保護(hù)功能。

動態(tài)自動化測試監(jiān)測主要從以下幾方面考慮：通過設(shè)置合適的觸發(fā)條件，實現(xiàn)動態(tài)測試數(shù)據(jù)記錄的開始與停止、試驗過程數(shù)據(jù)的自動記錄和存儲；考慮車臺實際情況，動態(tài)測試進(jìn)行一些參數(shù)預(yù)警判斷，包括發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)時間、點火時間、最高排氣溫度、起動電機(jī)電壓電流波動等。

試驗故障診斷

試驗故障診斷系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備工作原理、時序、設(shè)計要求、特性和試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)，來確定被測對象可能發(fā)生的狀態(tài)S和測量特性可能取值范圍Y之間的對應(yīng)關(guān)系，辨識正常狀態(tài)的對應(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前/準(zhǔn)備、試驗運行、試驗后數(shù)據(jù)分析三個流程分別診斷。試驗運行時按照冷吹、假起動、起動運行三個運行狀態(tài)分別診斷滑油系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、測功系統(tǒng)、負(fù)載設(shè)備、測功系統(tǒng)、測試數(shù)據(jù)（測試系統(tǒng)以及振動）、發(fā)動機(jī)性能數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)異常進(jìn)行提示和記錄。對故障現(xiàn)象進(jìn)行編碼：故障碼不同時，故障現(xiàn)象自動記錄和提示；故障碼相同時，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，指導(dǎo)故障診斷和排除。

試驗故障診斷系統(tǒng)特別適合長試時數(shù)據(jù)監(jiān)測，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，長試時人員輪班，參試人員不一定很熟悉發(fā)動機(jī)當(dāng)前狀態(tài)，加之長試時人容易疲勞，數(shù)據(jù)變化不易察覺，故障診斷計算機(jī)則能長期值守、實時報警，即使沒有及時觀察到報警信號，也可以隨時查看故障信息記錄，了解試驗情況，便于分析數(shù)據(jù)。

試驗過程管理

通過集成試驗控制（TC）系統(tǒng)和試驗數(shù)據(jù)管理（TDM）系統(tǒng)，可以實現(xiàn)試驗文件（包括試驗技術(shù)要求、試驗大綱、試驗件、技術(shù)通知單以及試驗完成后編制的試驗報告和試驗分析報告）、試驗任務(wù)發(fā)布組織實施和試驗數(shù)據(jù)處理分析的全數(shù)字化閉環(huán)管理。

對于持久試車等長試任務(wù)，試車臺設(shè)計了長試進(jìn)程管理功能，能夠配合試車系統(tǒng)自動地對試驗進(jìn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計管理，包括試驗譜循環(huán)次數(shù)和有效運行時間等。通過引入長試任務(wù)規(guī)則，可以對發(fā)動機(jī)更換試驗譜、定檢和清洗等工作進(jìn)行自動提示。

智能化試車的應(yīng)用情況

進(jìn)氣流量校準(zhǔn)車臺自動化

進(jìn)氣流量校準(zhǔn)車臺的主要作用為校準(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，以文氏管流量計作為標(biāo)準(zhǔn)流量，同時在旋轉(zhuǎn)測量段上安裝測量探針，利用旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)120°，進(jìn)行壓力場測量，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)試驗中，按照流量設(shè)定值自動調(diào)節(jié)變頻器控制進(jìn)氣流量，在流量穩(wěn)定的情況下，自動控制旋轉(zhuǎn)測量機(jī)構(gòu)按照預(yù)定的角度旋轉(zhuǎn)，錄取流場特性。自動化的應(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)完成一個狀態(tài)點的試驗，提高了試驗的一致性。

輕型渦噴發(fā)動機(jī)試驗車臺

輕型渦輪噴氣發(fā)動機(jī)試車臺目前主要用于完成發(fā)動機(jī)的出廠試驗，可測試發(fā)動機(jī)的13種工作狀態(tài)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)要求精度高。對該試車臺實施了發(fā)動機(jī)試驗全程的自動控制與調(diào)節(jié)流程，使其可以按要求自動實現(xiàn)發(fā)動機(jī)驗收試車、發(fā)動機(jī)校準(zhǔn)試車、持久試車等發(fā)動機(jī)試驗曲線譜試驗。

輔助動力裝置試驗車臺

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

渦軸發(fā)動機(jī)試驗車臺

渦軸發(fā)動機(jī)AMT試驗自動試車系統(tǒng)

渦軸發(fā)動機(jī)加速任務(wù)試驗（AMT）要求非常嚴(yán)苛，整個AMT試驗需要完成兩千多次基礎(chǔ)循環(huán)譜，多個試驗譜交叉進(jìn)行，試驗狀態(tài)點多，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)到適航試驗要求，動研所針對該型發(fā)動機(jī)AMT試驗開發(fā)了一套自動試車系統(tǒng)，試驗結(jié)果完全符合發(fā)動機(jī)適航試驗大綱要求。自動試車系統(tǒng)也可用來完成高風(fēng)險高難度的試驗。

渦槳發(fā)動機(jī)試驗車臺

針對大功率渦槳發(fā)動機(jī)試驗過程中螺旋槳流量大、流速高，需要調(diào)節(jié)的輔助設(shè)備多，操作動作頻繁，試驗風(fēng)險遠(yuǎn)高于普通試驗臺的特點，通過開展大功率渦槳發(fā)動機(jī)車臺的智能化試驗研究，設(shè)計了一套全面的試車前自檢程序，覆蓋車臺試車相關(guān)的幾乎所有系統(tǒng)。通過對車臺設(shè)備控制邏輯及工作原理進(jìn)行可視化設(shè)計，能夠清晰精確顯示車臺各系統(tǒng)運行情況。該系統(tǒng)不僅可以完成常規(guī)的試車自動控制任務(wù)，還可以輔助完成電源中斷滑油中斷等特種試驗，實現(xiàn)了對中斷時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)對前期的研究和應(yīng)用的經(jīng)驗總結(jié)，智能化試車可向設(shè)備數(shù)字化管理、試驗自動化和故障診斷、試驗仿真和試驗數(shù)據(jù)挖掘等幾個方向繼續(xù)發(fā)展。

一是對設(shè)備實行全生命周期數(shù)字化管理，建立數(shù)據(jù)庫，自動給出整體的設(shè)備狀態(tài)評估；建立試驗車臺現(xiàn)有能力與型號試驗需求匹配關(guān)系圖譜，型號需求實施最優(yōu)匹配關(guān)系圖譜；對設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控分析和故障診斷。

大功率渦槳發(fā)動機(jī)試車臺試車前自檢程序

二是建立試驗智能化操控與故障診斷系統(tǒng)，能有效地減少試驗風(fēng)險，提高試驗效率。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)動機(jī)性能評估、振動特性分析、振動趨勢變化分析、設(shè)備運行狀態(tài)評估、發(fā)動機(jī)特定狀態(tài)運行時長統(tǒng)計和試驗結(jié)果評估等。

三是基于數(shù)字化設(shè)計模型與試驗數(shù)據(jù)校正，利用試驗仿真軟件工具，開展試驗仿真技術(shù)研究，通過數(shù)值仿真手段，模擬發(fā)動機(jī)試驗情況，實時預(yù)測和對比物理試驗，減少性能試驗次數(shù)。

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

結(jié)束語

目前，動研所的航空發(fā)動機(jī)智能化試車應(yīng)用研究還處于起步階段，主要在車臺管理、自動試車、試驗故障診斷等方面進(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、試驗自動化和故障診斷、試驗仿真、試驗數(shù)據(jù)挖掘等方面是今后發(fā)展方向，都需要提前夯實基礎(chǔ)，并培養(yǎng)相關(guān)人才。