航空发动机电气附件绝缘性能测试系统设计

石旭东　夏友斌　王家林　孙兆荣

(中国民航大学航空地面特种设备民航研究基地，天津　300300)



航空发动机电气附件绝缘性能测试系统设计

石旭东夏友斌王家林孙兆荣

(中国民航大学航空地面特种设备民航研究基地，天津300300)

针对目前国内航空发动机电气附件绝缘性能测试时间长、精度低、误差大等问题，提出了基于数据库驱动的航空发动机电气附件绝缘性能测试系统。利用LabVIEW图形化编程环境和工控机、兆欧表、矩阵开关之间的网络通信，实现了对任意航空发动机型号中电气附件绝缘性能的自动测试、故障诊断和定位。试验验证表明，该系统可用于电气附件的绝缘性能测试，实现了测试自动化，并且具有较高的测试速度和测量精度。

航空发动机电气附件传感器工控机绝缘性能测试自动化诊断网络通信LabVIEW

DiagnosisNetworkcommunicationLabVIEW

0　引言

航空发动机内部有大量的电气附件，主要包括各种电阻器件、传感器、分流器、电路连接装置、电路保护装置和电路控制装置等,可以分为纯电子、机电一体和机械三类。它们用于获取各种电气参数、调节相关控制系统、在电路故障时进行切断和保护等。航空发动机内部的电气附件工作环境十分恶劣，其绝缘介质不可避免地承受着热、电、磁、化学、机械等诸多因素的作用。在这些因素的共同作用下，航空发动机电气附件的绝缘介质会发生绝缘老化现象，并最终导致电气附件出现绝缘故障。据统计，现役的各型号发动机附件故障占发动机故障的70%以上，成为影响发动机可靠性指标的主要因素。因此，设计航空发动机电气附件绝缘性能测试系统具有重要意义[1-4]。

1　附件维修问题

在整个航空发动机的电气设备中，电气附件数量多、形式多样、分布广、工作原理各不相同。目前，国内电气附件维修过程中主要存在以下问题。

①为了降低航空发动机全寿命周期成本、提高其可靠性，发动机维修厂商采用视情况维修的方式尽量减少对发动机的拆卸。这种情况将导致潜在的电气附件故障在发动机服役的过程中暴露，给飞行安全带来较大的隐患。

②虽然发动机电子控制组件(engineelectroniccontrol,EEC)可以对电气附件线路进行自检，但是由于电气附件存在大量的冗余设计,EEC无法将故障定位到某一具体的电气附件。在发动机进场大修时，对于EEC检测到的故障，需要根据飞机手册，对电气附件线路进行测试，以使后续的维修更具针对性。同时，这种维修方法采用分离仪器人工点对点的测试，会占用大量的维修时间，又易造成漏检、误检等人为差错。

③若电气附件出现屏蔽网丝穿透绝缘层这种类型的故障时，会产生时断时连的间接性故障。当发动机处于地面停车状态时，这种情况是难以发现的；而在实际的运行过程中，由于发动机产生的振动，间歇故障才表现出来。对于这种情况，目前还没有有效的技术设备予以应对。

④电气附件绝缘层磨损故障十分隐蔽，在未造成故障之前很被难发现。目前仍缺乏有效的技术手段解决此类隐蔽性故障。

⑤目前，我国在役民用航空发动机种类繁多，而且随着航空事业的发展，发动机的型号也会越来越多。国内目前的电气附件检测系统大多针对单一型号的发动机，不能随意扩展。

在保证航空发动机完整性的前提下，开发能够对任意型号航空发动机进行绝缘性能检测的航空发动机电气附件绝缘性能测试系统是十分必要的[5-7]。

本文开发了基于数据库驱动的航空发动机电气附件绝缘性能测试系统。该系统将工控机、兆欧表和矩阵开关组成检测平台，并利用LabVIEW编写的测试程序对数据进行分析，能够在不对发动机进行任何改动的地面停车状态下,完成各种型号航空发动机内部所有电气附件的绝缘性能测试自动化，并定位到故障的电气附件。

2　测试系统的硬件设计

通过对维修手册的整理和统计发现，航空发动机电气附件中需要进行绝缘测试的点共有127处。不同的电气附件所需要的绝缘测试电压不同，其绝缘标准值也各不相同。相关统计表明，某一型号发动机电气附件绝缘测试电压范围为50～500V，绝缘标准值范围为50～200 000kΩ。

为了能够完成航空发动机电气附件绝缘性能测试的自动化，兆欧表需要能够与待测的127处检测点分别建立测量回路，以完成遍历测量，并提供电气附件所需要进行绝缘测试的电压。

为了在不拆卸航空发动机的情况下，完成对电气附件绝缘性能的测试，需要在测试设备与发动机吊舱之间使用特制的转接电缆。测试系统总体结构框图如图1所示。

图1　测试系统总体结构图

测试设备主要由以下部分组成。

①兆欧表，用来测量测试点绝缘阻值的设备。飞机维修手册中明确规定了127处测试点进行绝缘测试时的测试电压和最小绝缘阻值，测试电压范围是50～500VDC，测量绝缘阻值范围是50～200 000kΩ。兆欧表采用的是Keysight公司的B2987A，内置±1 000V电压源，可测量高达10pΩ的电阻，支持LabVIEW编程和网口控制。

②矩阵开关，用来完成航空发动机电气附件绝缘测试与故障定位的设备。对矩阵开关的每一个端口进行端口定义，每一个端口对应不同的电气附件，以实现系统的定位功能。通过程序控制不同矩阵开关的闭合，实现了兆欧表与每个待测电气附件之间的测量回路。矩阵开关采用的是Pickering公司的LXI60-310-302，其拥有600路通道，可以承受750V直流电压，支持LabVIEW编程和网口控制。

③工控机，是整个测试系统的载体，控制兆欧表和矩阵开关的运行，完成电气附件的绝缘性能测试与数据分析，并显示故障电气附件的参数信息和位置。工控机采用的是PXI公司智能平板AMC58234。

④转接电缆，是测试系统与待测发动机之间的连接桥梁。航空发动机内部的电气附件均和连接器EEC连接，为了不对发动机进行任何改动，需要通过ZIF转接插头与本测试系统接口进行对接。

⑤路由器，用于组成局域网，完成工控机、兆欧表和矩阵开关之间的通信。

用户通过航空发动机电气附件绝缘测试系统的人机交互界面启动程序。工控机首先通过路由器控制兆欧表输出直流电压；随后，根据测量要求，闭合矩阵开关中相对应的开关点；待兆欧表测量出电气附件数据后，工控机将测得的数据与标准数据库进行对比分析；最后，将测量得到的电气附件参数、位置与故障判断结果显示在界面上，供用户查看。硬件系统工作流程如图2所示。

图2　硬件系统工作流程图

3　测试系统的软件设计

3.1软件系统的总体结构

航空发动机电气附件绝缘性能测试系统所实现的目标如下。

①实现对任意型号航空发动机电气附件绝缘性能测试的自动化。测试设备将自动采集所有需要进行绝缘测试的测试点，并对测试点进行绝缘测量。

②实现航空发动机电气附件绝缘性能诊断与定位。测试设备采集到电气附件绝缘值后，分析数据，判断电气附件是否出现故障，对故障电气附件定位。

③实现自动生成数据报表，并可以浏览历史数据及打印。对每一次测试自动建立excel表格，并保存数据及测试结果，可以对历史数据进行浏览或者打印。

启动航空发动机电气附件绝缘测试系统时，需要填写航空发动机的类型和序号，系统自检正常后，可以根据用户需要进行人工绝缘测试和自动绝缘测试，也可以对历史测试数据进行查看、打印。软件系统整体结构图如图3所示[8]。

图3　软件系统整体结构图

3.2测试程序设计

在LabVIEW程序设计过程中，首先设计整个系统的通信功能，然后设计航空发动机电气附件绝缘性能的测试与故障定位功能。系统通信[9-10]主要包括两部分，分别是工控机与兆欧表之间的通信、工控机与矩阵开关之间的通信。在固定工控机、兆欧表和矩阵开关的IP地址后，通过交换机组成一个局域网。在LabVIEW虚拟平台中，工控机、兆欧表和矩阵开关之间通过IP地址进行通信。

软件系统流程图如图4所示。

图4　软件系统流程图

4　试验结果

对航空发动机电气附件绝缘性能测试系统进行试验验证。该系统的优越性体现在以下几个方面。

①系统操作简单，降低了对操作人员的要求。在不必深入了解设备的情况下，操作人员只需按照由操作界面要求一步一步执行即可。

②测试时间短，大大缩短了航空发动机电气附件绝缘性能检测时间。对某一型号发动机电气附件中127处待测点的绝缘性能进行测试时，从开始测试到结果打印只需花费几分钟时间，大大提高了工作效率。

③扩展性强，可以对任意型号发动机进行电气附件绝缘性能测试。通过调用不同的航空发动机电气附件数据库，操作人员可以选择对不同型号的发动机进行电气附件绝缘性能测试。

④测试精度高。系统所采用的设备均为最新研发产品，测试速度快，受外界影响程度小，测试精度高。

5　结束语

本文设计的航空发动机电气附件绝缘性能测试系统利用LabVIEW虚拟平台，将工控机、兆欧表和矩阵开关融为一体，实现了电气附件绝缘性能的自动化测试，并且操作简单、运行可靠、效率高。同时，该测试设备具有高度可扩展性，通过调用不同的电气附件标准参数数据库，可以测量任意型号发动机的绝缘性能。该设备具有广阔的应用前景。

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DesignoftheTestSystemofInsulationPerformanceforElectricalAccessoriesinAircraftEngine

Inviewoftheproblemsoflongtestingtime,lowaccuracyandbigerror,etc.，thatcurrentlyexistingininsulationperformancetestsforelectricalaccessoriesofdomesticaircraftengines,theschemeofdatabasedriventestsystemisputforward.ByusingLabVIEWgraphicalprogrammingenvironmentandthenetworkcommunicationamongindustrialPC,mega-ohmmeter,andmatrixswitch,theautomatictestofinsulationperformance,faultdiagnosisandlocatingforelectricaccessoriesofcertainmodeloftheaircraftengineareimplemented.Theexperimentsshowthatthesystemcanbeappliedininsulationperformancetestforelectricalaccessories,torealizeautomationofthetests,anditprovideshighertestspeedandaccuracy.

AircraftengineElectricalaccessoriesSensorIndustrialprocesscomputer(IPC)InsulationperformancetestingAutomation

石旭东(1972—)，男，2001年毕业于哈尔滨工业大学机械电子工程专业，获博士学位，教授；主要从事航空地面测试设备与故障诊断技术方向的研究。

TH7;TP216+.1

ADOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201609020

国家自然科学基金资助项目(编号：U51377161);中国民航局重大科技基金资助项目(编号：MHRD20140104);中央高校基础研究课题基金资助项目(编号：3122013P005)；天津市科技支撑计划重点基金资助项目(编号：15ZCZDGX00350)。

修改稿收到日期：2016-02-24。