飞机发动机仪表排故实验平台研制与应用

王 娟, 张文林, 樊智勇

(中国民航大学 工程技术训练中心, 天津 300300)

飞机发动机仪表排故实验平台研制与应用

王 娟, 张文林, 樊智勇

(中国民航大学 工程技术训练中心, 天津 300300)

开发了飞机发动机仪表系统排故训练实验平台。根据教学实训需要设计平台功能,从总体架构、教师主控制端和学生排故训练端3个方面介绍系统的设计和实现。最后给出了相应的实践教学设计,证明该实验平台可以进行大规模持续性深层次飞机仪表排故训练,能满足高级维修工程师和卓越工程师的培养要求。

飞机维修； 故障排除； 实验平台； 仿真组件

现代大型客机作为一种复杂的机电设备,由于人为失误、材料缺陷、制造误差、使用环境波动等因素的影响，以及疲劳、磨损和老化等效应的存在,运行过程中不可避免地会发生各种故障[1-2]。飞机故障诊断和排除是技术含量很高的复杂综合维护工作[3],涉及到系统原理结构知识、故障诊断技术、测试技术，以及飞机组件的拆卸安装和清洁、线路的维修、保险施工等维护工作,这也是培养高水平飞机维护人才的一个重要衡量标准[4]。

飞机系统故障排除(以下简称排故)普遍是教学和实训中的薄弱点,主要原因是教学设备缺乏[5]。真实飞机排故,成本昂贵到难以接受,难以满足大规模持续性的教学工作。维护模拟机成本昂贵,维护成本也高,且排故深度普遍不够,一般只能到达故障诊断的层面,很难进行实际的故障排除底层工作。飞机排故训练设备开发难度大、成本高、客户独特需求性强,市场上也少有此类产品。

针对飞机发动机仪表系统排故研发的实验平台通过设计新的仪表仿真组件和传感仿真组件,取代原来的飞机拆机组件,解决教学中的航材限制和成本昂贵的问题。该平台紧贴目前我校的飞机维护基础实习教学大纲,可以理论联系实践,进行故障诊断及实际的组件拆卸、测量、线路维修等深层次的综合维护工作,避免了常见的设备复杂、操作量小、能力锻炼不足的问题。此教学平台也在我校的实验技术创新基金验收评比中获得了优秀。

1 教学需求及平台功能设计

本实验平台应用于我校机务类电子专业本科生的一门必修实践课程。通过基础理论知识应用和相关飞机技术资料的阅读,进行故障诊断；运用各种测量工具和手段,进行综合飞机维护排故工作,包括LRU的拆装、线路标准施工、保险等,逐步掌握排故流程和方法。理论联系实际,提高学生在实际工程环境下的故障分析和排除的能力[6]。

平台要求能进行仪表的通电测试,能隐蔽地设置多种仪表系统故障,能进行组件的拆卸、安装和线路的标准施工操作,能进行保险训练,能进行一个完整的故障诊断和深层次的故障排除过程训练,给学生提供较长时间的操作和动手机会,平台经过长时间的规模教学后仍能保持低成本和可适用性。

2 平台的设计及实现

2.1 平台架构

发动机排气温度、滑油压力等是发动机系统重点的监控参数[7]。其相关仪表的排故训练是重要的机务维护培训项目。

飞机发动机仪表排故实验平台采用主从式控制结构,由一个远程的教师主控制端和若干个学生排故训练端组成(支持1～16个客户端,目前硬件上只做6个客户端,可根据需要扩展),如图1所示。在主控制端可以设置故障、查看故障排除情况。学生排故训练端可进行系统通电测试、测量、拆装及故障排除练习。主控端和训练端之间采用无线网络连接。

图1 平台总体结构

2.2 教师主控制端

教师主控制端采用普通PC机。控制界面注重人机良好交流,采用图形化界面,结合飞机仪表原理,将仪表电路以电路图的形式呈现,力求简单明了易操作,界面如图2所示。

图2 教师主控端故障设置界面

教师端控制界面上可以选择单个学生排故端,进行设置故障、清除学生端故障、重启或关闭下位机等操作,也可以进行批量操作。故障设置时,每条线路都可设置其短路、断路及组合故障,并且符合电路逻辑。学生排故端的IP、继电器、仪表、线路等编制成仪表通信配置信息表格和导线配置信息表格,主程序查表执行,便于修改,提高了系统灵活性。教师主控端程序流程见图3。

图3 教师主控制端程序流程

主控端和学生训练端之间通信方式采用局域无线网络控制[8],预留有线接口。自己定义教师主控制端和学生排故训练端之间的通信协议。表1是主控端与排故端的线路故障设置器之间的通信协议示例。

表1 通信协议示例

2.3 学生训练端

学生训练端可以进行仪表通电测试、拆卸安装、线路标准施工训练、保险训练及真实的故障排除练习。学生训练端的结构如图4所示。教师控制端通过网络向学生操作台的主控制器发送控制指令,如正常工作指令、自检指令、故障现象指令等。学生训练端上的控制器接受到指令,对指令解码分析,送到故障设置器进行线路故障设置或直接通过USB进行仪表组件状态控制。故障设置器是一个外观封闭的部件,通过继电器开关影响各发动机仪表的正常指示。

发动机仪表及传感器组件采用自制仿真组件[9],包括双机组位的滑油压力指示器、滑油温度指示器、燃油压力指示器,取代原来的飞机拆机组件,降低了成本,便于维修。仿真组件外观上与真实组件相似,行为表现和电气接口特性与真实组件一致。图5为仿真仪表外观,为了模拟飞机上LRU组件上施工,特别设计仪表的安装卡环。仿真的指示器中单片机采集传感器信号,并提供给电机控制模块,驱动指针偏转。可以在组件上设置故障,组合出多种仪表故障,充分锻炼学生的仪表排故能力。

图6为压力表内电路。发动机滑油压力表的主处理芯片采用STM32增强型[10],该系列芯片属于32 B ARM 微控制器,由意法半导体( ST) 公司出品,内核是Cortex-M3 处理器,具有低功耗、低成本、高性能的优点。压力表感受传感器的输入,经仪表电路耦合后,通过放大处理,送入单片机的端口DATA_INPUT、DATA_INPUT1,计算处理后经端口PB-4、PB-5、PB-6、PB-7输出到驱动电路,带动电机运转,指示器偏转相应的角度。

2.4 平台维护

作为大规模重复持续使用的平台,维护问题需要着重考虑。基于先预防和易维护的原则,采用下列措施:(1)评估学生可能误操作造成的损坏,设置预防措施,如避免通电不当安装了保险、前置开关和电压表采用防差错接头等；(2)预留视频、USB和串口接口,可以在不打开设备的情况下,查看内部状况,如端口的连接情况,估计损坏的原因和位置；(3)学生排故端硬件采用板材搭建,任何一个部分有问题,可以只拆卸附近的盖板进行修理,不必整机拆卸；(4)机箱内的部件和线路采用模块化处理方法,即使要整体拆开,也易拆卸和安装。

图4 学生排故训练端结构

图5 仿真仪表外观

3 教学设计及应用

传统的飞机系统故障排除实践教学的授课方式是教师给学生设定一个故障现象,直接引导学生开始排故,基本是讲解一步,引导学生做一步,受设备条件限制,几乎只能进行故障分析。由于系统排故项目涉及到系统原理、结构组成和各种维护工作综合施工,课程完成后学生还是茫然，不解为什么要这样做,中间出现问题比较多,觉得排故项目难度大。

图6 压力表内电路

为此，本实验平台开发时,创新教学模式和教学流程。排故之前学生查询系统的技术资料,多思考,动手操作之前做很多构思设计工作。教师的角色转变为顾问和教练,支持学生在教师的鼓励下进行讨论、推理和探讨问题,引导学生自己形成一个完整的脉络清晰的维修过程[11-12]。

教师在实验教学平台上设置故障后,学生几人组成一个团队,自己编制一个FIM手册排故流程程序,然后在学生排故训练端进行完整故障排除工作。关键是如何编制排故程序。前续课程的飞机维修文件中学习过故障隔离手册FIM[13],可引导学生参考。一般每组学生都能制定图7的排故流程。虽然不是一个工程产品,整个维修过程符合构思—设计—实施—运行的CDIO模式[14]。构思阶段,要明确故障现象,并结合原理分析可能的故障原因[15]；设计阶段,根据故障原因分别设计排故方案,并确定先后顺序；实施阶段,要综合运用多种工具、技能和系统知识进行具体排故工作；运行阶段,排故完成后,再次测试确认故障现象消失,系统正常工作。学生在构思、设计、实施和运行的每个阶段都需要深入思考和讨论协商，必要时教师可以点拨一下。在构思阶段,整个排故流程结束,学生感觉理解透彻,经过2年CDIO试点班教学,反映效果良好。

图7 学生制定的排故流程

4 结语

飞机发动机仪表排故实验平台能设置线路、组件及组合故障,充分锻炼学生的仪表排故能力；采用仿真组件,减少成本,且由于模型、软件和接口自己开发定义,可运用到虚拟仿真中心建设的半实物仿真飞机中；平台能进行大规模持续性的深层次排故练习,容易维护。经过2年近千人次的教学实践,反映良好。

References)

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[15] 赵铮.飞机故障信息管理系统研究与开发[D].南京:南京航空航天大学,2013.

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

中国民航局科技项目重大专项(MHRD20130112);中国民航大学重点教学改革研究项目(CAUC-ETRI-2015-01)

王娟(1981—),女,山东烟台,硕士,讲师,研究方向为航空电子设备测试与维修的研究.

E-mail：juanwang@cauc.edu.cn

V263.6;G434

B

1002-4956(2017)12-0091-06