小型航空活塞发动机试验台数据采集系统设计

郑里鹫，田 钧，杨林初

(1.中国特种飞行器研究所，湖北 荆门 448035)(2.江苏科技大学机械工程学院，江苏 镇江 212003)

小型航空活塞发动机广泛应用于直升机、轻型飞机以及飞艇上。精确、直接地采集航空活塞发动机的运行数据，有助于飞行器设计人员深入了解发动机的动力性能和经济性能，为飞行器发动机的选型与安装提供有效的参考[1]，在试车台架上对航空活塞发动机与螺旋桨进行有效的安装验证，实现螺旋桨与航空活塞发动机的良好匹配并获得较高的效率，是飞机总体设计中的重要环节。对航空活塞发动机进行有效的测试也是保证飞行器飞行安全的一项重要工作，通过对航空活塞发动机的测试可以验证其滑油散热系统、水冷散热系统、进气组件等的性能是否良好，以为飞行器的安全飞行提供保障。近年来，计算机辅助测试(CAT)快速发展, 在航空发动机实际试车中得到了广泛应用[2-4]。我国在航空发动机测控领域起步较晚，起点相对较低，与发达国家相比有很大差距[5-7]。

本文以小型航空活塞发动机为研究对象，设计了一套小型航空活塞发动机试验台数据采集系统，该系统柔性较高，能采集多种类的信号。

1 系统总体设计方案

1.1 系统功能和设计要求

小型航空活塞发动机试验台数据采集系统由发动机操纵控制系统和数据采集系统构成。系统可实现单台Rotax系列发动机的油门和节气门操纵，保证数据监测正常以及试车参数实时显示，并以虚拟指针式仪表或者数字式仪表显示所测的发动机运行参数。发动机数据采集系统主要由操纵台、工控机、数据采集系统、监测显示系统、伺服电机及打印机等组成。操纵台对工控机发出操纵信号，通过伺服电机对发动机进行操纵。测试台通过传感器采集发动机的运行参数，电缆转接柜把传感器信号进行分类，然后输出至工控机。工控机对采集到的信号进行处理，监测显示屏显示运行参数。数据采集系统框图如图1所示。

图1 数据采集系统总体框图

小型航空活塞发动机试验台数据采集系统包括控制室外部的发动机试验台架、电缆转接柜和监测室内的操纵台3部分，从安全角度考虑，发动机监测室与发动机试验台应处于隔断状态，如图2所示。

1.2 数据采集系统硬件配置

数据采集系统的硬件构成主要包括以下几个部分：

1)数据采集设备。包括电流量输出传感器、操纵手柄、电压量输出传感器等，主要用于接收传感器传来的电信号与操纵信号。

图2 发动机试验台数据采集系统整体构成示意图

2)信号转接柜。放置开关电源、接线端子、电流信号发生器等，接收来自传感器的标准模拟信号，并将这些标准模拟信号分配给不同的数据采集卡。

3)数据采集卡。采用NI公司的PXI-6224系列产品，其电压量输出信号为0～10 V，电流量输出信号为4～20 mA。

4)运动控制卡。采用研华公司的PCI-1245系列运动控制卡，该卡可弹性添加各种先进运动控制功能，并具有较高的稳定性和可靠性，可支持32/64位Windows操作系统。

图3为数据采集及控制系统的硬件配置框图。

图3 数据采集及控制系统的硬件配置

2 发动机运行参数采集

2.1 发动机运行参数

采集的航空活塞发动机主要性能参数具体为：

1)气动热力参数，包括转速、转矩、功率、进气压力、进气温度、排气压力、排气温度、滑油压力、滑油温度等。

2)经济性能参数，包括燃油消耗率、拉力等。

周肇祥《琉璃厂杂记》中有一节记：“北汉刘铢用法刻深，民有过者，问其年几何，对以若干，即随其数杖之，谓之随年杖。”我好奇，怕是传说，查了一下，原来这一段出自《新五代史》，确有其事。据记这位刘大人曾做过开封府尹，当年不知有多少人被他这随年杖打怕了？

3)测试环境参数，包括大气压力、大气温度、大气湿度等。

2.2 采集方法

1)转速。采用磁电式转速传感器采集发动机的转速。

2)拉力。采用轮辐式测力传感器采集发动机的拉力，将轮辐式测力传感器安装在发动机安装滑块前，并与安装滑块固连，在发动机启动之后安装滑块产生向前运动的力，作用到测力传感器上从而采集到模拟信号，经模数转换后所得数据即为发动机拉力。

3)油箱油量。油量传感器由外接12 V配电盒供电，配合刻度尺量取被测油量液位的变化，采集其输出电压脉冲信号, 通过传感器厂家给的计算公式换算得到油量的大小并记录分析。

4)温度。气缸温度传感器的型号为PT-100，本试验台采集的温度参数包括滑油温度、缸头水温、排气温度以及大气温度；采集温度参数时将温度传感器放置于需要测量的位置；采集滑油温度时，在主油道的入口处测量；采集缸头水温时，在气缸头处测量；排气温度在离排气管出口50 cm处采集。大气温度采用JX10600022大气温度压力传感器采集。

5)压力。采用PT301压力变送器，采集的压力参数包括滑油压力、燃油压力、进气压力和大气压力。采集滑油压力时，在滑油池前部进行测量；采集燃油压力时，在进油口处进行测量；采集进气压力时，在进气口的管壁上进行测量。大气压力采用JX10600022大气温度压力传感器测量。

3 测试系统软件设计

3.1 软件架构分析

软件是测控系统重要的组成部分，采用C++开发平台架构。软件可实现发动机运行过程中对数据采集设备输出的信号读取，对采集到的如压力、温度、转速等信号进行总体的分析、计算以及存储等，对数据处理结果进行显示。该软件具有以下几个特点：

1)可操作性。软件界面简洁明了，界面友好、简单易操作，对操作人员的专业程度要求不高。

2)可靠性。具有一定的可靠性，运用模块化的设计思路，方便使用者调试与修改。

3)可修改性。充分考虑软件维护与升级的方便，包括未来的漏洞修改、功能添加等，方便设计人员对软件进行升级与维护。

系统软件的结构框图如图4所示。

图4 软件设计结构框图

3.2 软件开发

设计的软件主界面如图5所示。

图5 软件主界面

软件设计时在前面板中加入了通道选择设置板以及频率、电压等参数的设置项，方便操作者选择与使用。启动测试系统后，点击“运行”就可以进行发动机常规性能测试。进入发动机常规性能测试设置后，可以直观地看到以下内容：转速、压力、应变、振动加速度等参数以仪器仪表的形式显示；各类温度以温度计和数字仪表的形式显示。测试结束后，点击“停止”以停止试验台的测试。测试系统软件运行流程如图6所示。

4 发动机地面台架数据采集

605研究所在某型号轻型飞机的研制中，利用设计的小型航空活塞发动机数据采集系统对发动机进行常规性能参数的采集，来验证动力系统设计的合理性。试验设备如图7～图9所示。

图6 软件运行流程

图7 监测室内操纵台

图8 信号转接柜

图9 活塞发动机试验台

采集对象为Rotax系列Rotax912ULS和Rotax912A2发动机，与其匹配的螺旋桨型号为SR200。试验场地海拔高度为101 m，外界环境温度为28 ℃，外界环境压力为101 kPa。采集的参数主要为相应发动机转速下发动机的滑油压力、滑油温度、气缸温度、燃油压力和不同螺旋桨安装角度下的发动机拉力，结果如图10～图12所示。

图10 发动机常规参数随转速变化曲线

图11 Rotax912A2发动机拉力曲线

图12 Rotax912ULS发动机拉力曲线

由图可以看出，滑油压力、滑油温度、气缸温度和燃油压力在该系列发动机用户手册给定的范围内，数据采集正常，试车参数实时显示正常；拉力数据与该型号飞机总体设计方案的拉力需求相符。由此可以说明，该系统运行可靠，可以实时、精确地采集单台Rotax系列发动机的运行参数。

5 结束语

本文设计了一套小型航空活塞发动机试验台数据采集系统，系统可用于小型通用飞机总体设计中验证发动机滑油散热系统、水冷散热系统、操纵系统以及进气组件功能是否完备、性能是否良好；验证动力系统设计的合理性，以及对螺旋桨与发动机的匹配角度进行测试。本系统不但可用于Rotax系列发动机的数据采集和性能评估，也可用于其他航空活塞发动机如莱康明360系列、540系列和大陆系列发动机的数据采集与运行控制。