李玲，林和平，宋靜，王柯，曾永，汪俊梅（廣州廣電計量檢測股份有限公，廣州 510000）

引言

目前針對機載空氣增壓裝置更多的還是從產(chǎn)品設計角度，對相關功能性能指標的實現(xiàn)進行研發(fā)設計，但如何在高壓、低壓、高溫、低溫、高濕等復雜環(huán)境下對空氣增壓裝置的功能性能指標，如：排氣壓力、過濾性能、充氣速率、散熱性能、流體阻力等技術參數(shù)進行測試驗證，還未查到有相關研究及實物模型。

由于戰(zhàn)機執(zhí)行飛行任務環(huán)境復雜，那么要驗證安裝于戰(zhàn)機的空氣增壓裝置在復雜工況環(huán)境下的性能指標、壽命、可靠性等方面是否滿足要求，需要設計制造出一套測試系統(tǒng)進行測試驗證。新型空氣增壓裝置采用先進技術及材料，后續(xù)會運用于多型號軍機、民機等，具有較大市場前景。鑒于此，基于復雜環(huán)境下的機載空氣增壓裝置性能測試系統(tǒng)的開發(fā)，可填補該產(chǎn)品在復雜環(huán)境下的功能性能測試技術空白。

1 空氣增壓裝置

空氣增壓裝置是一種新型的充、補氣增壓裝置，主要運用于戰(zhàn)機信息支援控制空氣能源系統(tǒng)中，安裝于飛機左后設備艙內(nèi)，為飛機空氣能源系統(tǒng)提供所需的高壓壓縮空氣，以提高效能，每臺戰(zhàn)機安裝1套?？諝庠鰤貉b置在復雜運行環(huán)境下的性能優(yōu)劣對戰(zhàn)機的作戰(zhàn)效能起著決定性作用，所以空氣增壓裝置在各類復雜環(huán)境條件下的功能性能穩(wěn)定性、可靠性尤為重要?？諝庠鰤貉b置功能性能指標要求如表1所示，工作工況如表2所示。

表1 空氣增壓裝置功能性能指標

表2 空氣增壓裝置工作工況

2 方案設計

空氣增壓裝置測試系統(tǒng)設計主要由3個分系統(tǒng)組成：進氣控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集測量系統(tǒng)，各分系統(tǒng)設計原理如下：

2.1 空氣增壓裝置不同工況環(huán)境條件下進氣控制系統(tǒng)方案設計原理

空氣增壓裝置在不同工況條件工作時進氣要求，建立自然、高壓、低壓、低溫、高溫、振動環(huán)境進氣模型，確保進氣系統(tǒng)在供氣壓力（40～350）kPa（絕壓）穩(wěn)定可調(diào)，供氣流量不小于120 SL/min，采集壓力傳感器信號反饋數(shù)據(jù)，自動調(diào)節(jié)抽壓裝置控制進氣壓力大小，根據(jù)設定的目標壓力值自動調(diào)節(jié)儲氣裝置壓力。

2.2 冷卻系統(tǒng)設計原理

空氣增壓裝置在制氣過程中會產(chǎn)生大量的熱量，對該裝置的正常工作有影響，所以配置滿足機上環(huán)境散熱條件的冷卻系統(tǒng)，通過冷卻系統(tǒng)將空氣增壓裝置工作時產(chǎn)生的熱量帶走，做到系統(tǒng)有效的熱交換?？諝庠鰤貉b置散熱功率大于2 kw，經(jīng)設計計算：冷卻系統(tǒng)循環(huán)冷卻液壓力（1±0.02）MPa可調(diào)、流量（5±0.5）L可調(diào)、散熱能力大于7.5 kw，在（5～35）℃任一溫度點恒定控溫，采用航空65#冷卻液作為循環(huán)散熱介質(zhì)，溫度傳感器和壓力傳感器反饋信號，自動調(diào)節(jié)控制液冷系統(tǒng)相關參數(shù)配置。

2.3 數(shù)據(jù)采集、測量系統(tǒng)設計原理

數(shù)據(jù)采集控制部分主要由工業(yè)專用微處理器、A/D轉(zhuǎn)換器、只讀存儲器ROM、隨機存貯器RAM、顯示控制器、液晶顯示器、鍵盤控制器、報警電路、時鐘電路等部分組成，以單片微處理器為核心，對各種數(shù)據(jù)進行采集和處理，被記錄數(shù)據(jù)可送至隨機存貯器RAM上存貯，或送至液晶顯示屏上顯示。

通過相關傳感器信號反饋控制及各類閥門的自動化控制設計，實時采集、記錄空氣增壓裝置的進氣流量、進氣濕度、進氣壓力、冷卻液流量、冷卻液壓力、冷卻液溫度、出氣流量、出氣濕度、出氣壓力等參數(shù)，驗證測試系統(tǒng)控制邏輯是否滿足空氣增壓裝置功能性能指標測試需求，同時高壓氣瓶中壓力達到35 MPa時，通過減壓模塊設計，將壓力減壓至0.4 MPa，安全有效測量出口空氣品質(zhì)空氣增壓裝置測試系統(tǒng)硬件設計圖見圖1。

圖1 空氣增壓裝置測試系統(tǒng)硬件設計圖

3 方案實現(xiàn)

空氣增壓裝置性能測試系統(tǒng)實現(xiàn)方法步驟如下：

1）基于環(huán)境試驗技術、空氣壓力控制理論，提出高壓、低壓、高溫、低溫環(huán)境條件下進氣條件模擬方法；

2）針對不同的環(huán)境條件，分別建立不同的環(huán)境條件下進氣模型；

3）分別采用自動化控制技術（PLC）、制冷控制技術、空氣壓力控制技術等對測試系統(tǒng)的冷卻、壓力控制、數(shù)據(jù)采集分析、自動控制系統(tǒng)進行設計方法研究，并通過技術指標驗證其可靠性和穩(wěn)定性。

3.1 具體解決的方法和途徑

3.1.1 不同環(huán)境工況條件下進氣控制系統(tǒng)設計

1）自然進氣

空氣增壓裝置進氣軟管不與氣源系統(tǒng)連接，軟管暴露空氣中，空氣增壓裝置工作，軟管上傳感器監(jiān)測進氣溫度、進氣濕度、進氣壓力數(shù)據(jù)，在自然進氣環(huán)境下測試空氣增壓裝置相關性能指標（結(jié)合數(shù)據(jù)采集、測量系統(tǒng)），原理設計圖見圖2。

2）高壓進氣

空氣增壓裝置進氣軟管與氣源系統(tǒng)連接，啟動空氣壓縮機對2立方壓力容器進行供壓，至壓力容器壓力達到（600～800）kPa， 通過減壓流量控制閥進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)氣源出口壓力至350 kPa（絕壓），啟動空氣增壓裝置在高壓進氣環(huán)境下工作，并測試空氣增壓裝置相關性能指標（結(jié)合數(shù)據(jù)采集、測量系統(tǒng)），原理設計圖見圖2。

3）低壓進氣

空氣增壓裝置進氣軟管與氣源系統(tǒng)連接，設定抽壓裝置控制器壓力參數(shù)為57 kPa（絕壓），啟動抽壓裝置，當壓力達到57 kPa時，打開正常大氣閥門，自動抽壓裝置調(diào)節(jié)壓力平衡在57 kPa，啟動空氣增壓裝置在低壓進氣環(huán)境下工作，并測試空氣增壓裝置相關性能指標，原理設計圖見圖2。

圖2 自然、高壓、低壓環(huán)境進氣系統(tǒng)設計圖

4）低溫進氣

空氣增壓裝置和進氣軟管放入高低溫試驗箱中，將試驗箱溫度設定為-55 ℃，空氣增壓裝置在-55 ℃環(huán)境下貯存[3]，貯存時間為技術要求時間或達到溫度穩(wěn)定時間，啟動空氣增壓裝置前，啟動液冷系統(tǒng)工作10 min，空氣增壓裝置在低溫進氣環(huán)境下工作，并測試空氣增壓裝置相關性能指標（結(jié)合數(shù)據(jù)采集、測量系統(tǒng)），原理設計圖見圖3。

5）高濕進氣

進氣軟管末端放入高低溫濕熱試驗箱中，空氣增壓裝置放置于試驗箱外，將試驗箱溫度設定為40 ℃、濕度60 %RH[4]，試驗箱溫度濕度穩(wěn)定后，啟動空氣增壓裝置，空氣增壓裝置在吸入高濕空氣下工作，并測試空氣增壓裝置相關性能指標（結(jié)合數(shù)據(jù)采集、測量系統(tǒng)），原理設計圖見圖3。

6）高溫進氣

空氣增壓裝置和進氣軟管末端分別放入兩個高低溫試驗箱中，將空氣增壓裝置所在試驗箱溫度設定為70 ℃，進氣軟管末端所在試驗箱溫度設定為60 ℃，空氣增壓裝置在70 ℃環(huán)境下貯存[2]，貯存時間為技術要求時間或達到溫度穩(wěn)定時間，啟動空氣增壓裝置，空氣增壓裝置在低溫進氣環(huán)境下工作，并測試空氣增壓裝置相關性能指標（結(jié)合數(shù)據(jù)采集、測量系統(tǒng)），原理設計圖見圖3。

圖3 高濕、高溫、低溫環(huán)境進氣系統(tǒng)設計圖

3.1.2 冷卻控制系統(tǒng)設計

將液冷系統(tǒng)的出液口與空氣增壓裝置進液口連接，液冷系統(tǒng)的回液口與空氣增壓裝置出液口連接，設定液冷系統(tǒng)溫度為25 ℃，通過進液壓力傳感器與回液流量計傳感器數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)液冷系統(tǒng)供壓及供流，調(diào)節(jié)冷卻液壓力達到（1±0.02）MPa，調(diào)節(jié)冷卻液流量達到（5±0.5）L，在空氣增壓裝置工作的情況下，檢測進出液溫度值、流量數(shù)據(jù)、壓力值，計量空氣增壓裝置散熱量，散熱量=冷卻液流量×冷卻液熱容×（液冷出口溫度—液冷入口溫度）［1］，空氣增壓裝置流阻=液冷入口壓力-液冷出口壓力-管路固有流阻，原理設計圖見圖4。

圖4 冷卻控制系統(tǒng)原理設計圖

3.1.3 數(shù)據(jù)采集、測量系統(tǒng)設計

采集空氣增壓裝置進氣控制系統(tǒng)的容器壓力、減壓閥壓力值，靠近空氣增壓裝置進氣口的氣體溫度、氣體濕度、氣體壓力，采集空氣增壓裝置冷卻系統(tǒng)的供液管路溫度值、壓力值，回液管路的溫度值、壓力值、流量值，采集以上數(shù)據(jù)做空氣增壓裝置散熱量、流阻的計算。

采集空氣增壓裝置出氣口相關性能指標數(shù)據(jù)，測量出氣口氣體溫度是否滿足設計要求，空氣增壓裝置啟動工作時電流自動開始計時，29 L氣瓶充滿至35 MPa，空氣增壓裝置停止工作，通過采集29 L氣瓶初始質(zhì)量和結(jié)束質(zhì)量，計算出空氣增壓裝置平均充氣速率， 檢測空氣增壓裝置制氣品質(zhì)步驟：先調(diào)節(jié)減壓模塊將35 MPa壓縮氣體減壓至0.4 MPa，再接入壓縮空氣品質(zhì)分析儀進行氣體濕度和含油量的檢測。

測量系統(tǒng)中的自動化控制：使用傳感器自動控制空氣增壓裝置制滿氣體停機，氣體品質(zhì)測量減壓模塊開關使用遠控電磁閥通斷，35 MPa高壓氣瓶排空，使用遠控電磁閥通斷控制減壓閥排空氣體。 數(shù)據(jù)采集、測量系統(tǒng)原理設計圖見圖5。

圖5 數(shù)據(jù)采集、測量系統(tǒng)原理設計圖

4 關鍵技術及難點

1）不同工況環(huán)境下的進氣系統(tǒng)的設計、控制。采用自動化控制等相關技術，設計環(huán)境進氣模擬系統(tǒng)，建立自然、高壓、低壓、低溫、高溫、振動環(huán)境進氣模型，自動調(diào)節(jié)進氣模擬系統(tǒng)壓力。

2）冷卻系統(tǒng)設計。針對空氣增壓裝置制氣過程中頻繁啟停、高壓段制氣功率的變化，空氣增壓裝置散熱功率2 kw浮動，設計出可自動恒溫恒壓的冷卻系統(tǒng)。

3）性能數(shù)據(jù)指標測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計。在空氣增壓裝置制氣過程中，通過相關傳感器信號反饋控制及各類閥門的自動化控制設計，實時采集、記錄數(shù)據(jù)，能有效測量出空氣增壓裝置制氣過程中相關性能參數(shù)。

5 應用

本項目從工程應用的角度出發(fā)，進行了工程技術研究， 進氣控制系統(tǒng)解決了為空氣增壓裝置提供自然、高壓、低壓氣源問題，能夠控制供氣壓力為（40～350）kPa（絕壓），供氣流量≥120 SL/min，在自然進氣控制系統(tǒng)的基礎上，改變進氣溫度與濕度，為空氣增壓裝置提供低溫、高溫、高濕氣源；在以上進氣控制系統(tǒng)環(huán)境下，結(jié)合“冷卻系統(tǒng)”、“數(shù)據(jù)采集、測量系統(tǒng)”測量空氣增壓裝置排氣壓力、過濾性能、充氣速率、散熱性能、流體阻力、出氣口氣體品質(zhì)等功能性能技術指標檢測。

冷卻系統(tǒng)模擬機載液冷環(huán)境，針對空氣增壓裝置制氣過程中頻繁啟停、高壓段制氣功率的變化，對應解決自動恒溫恒壓問題，空氣增壓裝置接入冷卻系統(tǒng)后，控制冷卻液壓力（1±0.02）MPa、流量（5±0.5）L、液冷溫度恒定在25 ℃，熱交換走空氣增壓裝置約2 kW熱耗，結(jié)合“數(shù)據(jù)采集、測量系統(tǒng)”測量空氣增壓裝置排氣壓力、過濾性能、充氣速率、散熱性能、流體阻力、出氣口氣體品質(zhì)等功能性能技術指標檢測。

數(shù)據(jù)采集、測量系統(tǒng)解決了測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及閥門組件控制，實時采集、記錄空氣增壓裝置的進氣流量、進氣濕度、進氣壓力、冷卻液流量、冷卻液壓力、冷卻液溫度、出氣流量、出氣濕度、出氣壓力等參數(shù)，在測量35 MPa高壓氣瓶中空氣品質(zhì)時，通過減壓至0.4 MPa，再接入測量儀器，解決了高壓空氣品質(zhì)測量問題，結(jié)合“冷卻系統(tǒng)”、“數(shù)據(jù)采集、測量系統(tǒng)”測量空氣增壓裝置排氣壓力、過濾性能、充氣速率、散熱性能、流體阻力、出氣口氣體品質(zhì)等功能性能技術指標檢測。

6 結(jié)論

本文提出的基于復雜環(huán)境下的機載空氣增壓裝置性能測試系統(tǒng)能夠?qū)Ξ斍澳硻C型用空氣增壓裝置在低壓、高壓、高濕、高溫、低溫等多種環(huán)境條件下，能夠接受上位機控制，按設計控制律實現(xiàn)空氣增壓裝置電機的啟動、穩(wěn)定運轉(zhuǎn)和停止，能夠通過上位機實時直接或間接讀取其工作時的出口氣體溫度、壓力和電機轉(zhuǎn)速；能夠?qū)崟r測試出高壓氣瓶內(nèi)壓力大小及重量，能夠測量空氣增壓裝置出氣口氣體品質(zhì)（濕度、含油量），能夠測試出冷卻液入口和出口壓力值，由此得出其流體阻力，滿足空氣增壓裝置在復雜環(huán)境下的功能性能指標測試要求，具備驗證其可靠性和穩(wěn)定性的作用。