一种综合充气检压装置的研制

李秋艳

（空军工程大学 航空机务士官学校， 河南 信阳 464000）

0 引言

氮气稳定性好， 腐蚀性小， 在飞机上使用越来越广泛。现代飞机常采用压缩氮气作为气动系统的能源，用来进行座舱盖密封，应急刹车等。 飞机的减震支柱、轮胎也灌充的是压缩氮气。气动系统、缓冲支柱和轮胎中的气压是否符合规定，直接关系到其是否能够正常工作。在机务维护中， 必须经常检查其充气压力， 并及时补充到规定值。 因此，氮气的灌充和压力检测是一项经常性工作。 现有的大多数充氮装置，是采用手动操作充气、目视观察指针式压力表的形式来完成充气和检压。而且，对不同充气部位，要采用不同的充气装置。 针对这一现象，本文研制了一种综合充气检压装置， 操作员只需要根据充气的部位和环境温度，选择相应充气模式，就能够自动完成充气检压，操作便捷，综合性和智能化程度高。

1 总体设计思路

1.1 功能需求及总体组成

该装置需要实现在人工操作前提下自动完成充气检压，同时还要具备给飞机气动系统、轮胎、减震支柱、蓄压器以及其它需要充气检压等不同设备进行充气检压的功能。 根据功能需求，装置需具备硬件系统和软件系统。 硬件系统包括主机和附件。 主机完成控制、状态采集、显示等功能。 装置主体通用，输出压力可调；主机面板按人工化设计， 布局合理适合机务人员操作。 附件部分实现连接、辅助等功能。 配套的转接接头可满足不同部件物理连接需求，使装置具备较高的综合化程度。 硬件系统采用开放系统架构，模块尽可能采用货架产品，相关的组件也要提供通用设备接口、以便系统能够识别。 硬件的结构采用过渡板安装产品组件并留有适当的空间余量， 保证在生命周期内组件更换时不会引起整机结构更改。 软件系统架构采用面向对象和中间件技术架构， 保证组件之间具有互操作性、 产品具有扩展性。 标准模块驱动需要贯彻IVI 技术规范， 保证产品组件的互操作性和平滑升级能力；应用CORBA 软件总线和相应的IDL 协调专业组件驱动模块接口设计，保证驱动模块具有平台和语言无关性，支持产品生命周期内的技术升级。

1.2 工作原理

该装置通过采用计算机自动控制系统和智能传感器测量技术，实现自动检压和充气。装置以控制计算机为核心，自动控制各部件协调工作。压力传感器和温度传感器把当前的压力值和温度值转换成数字信号， 进入控制计算机运算单元。 控制计算机根据温度传感器和压力传感器测得的值， 结合人工通过显示器上的导航键和键盘的输入数据，自动计算出合理的理论气压值，通过控制电磁阀的通断来控制自动排气或充气， 使得充气部位的氮气压力符合要求。

检压时，需检压部件内气体进入装置相应接口，通过操作控制计算机→开机界面→机型选择界面→工作界面，在工作界面上点击“开始”按键，“电磁阀”由常闭状态处于常开状态，气体通过电磁阀、压力传感器、单向阀，压力传感器将感受到的气体压力值显示在装置控制计算机工作界面上。操作人员可轻松便捷完成测压工作。充气时，外部气体进入装置“气源” 输入口，操作控制计算机→开机界面→机型选择界面→工作界面，选择压力通道，气体经过“电磁阀” → “调压阀” →“单向阀” →“压力传感器” →“电磁阀”，控制计算机控制“调压阀”自动设置压力值；点击“开始”按键，气体经“电磁阀”→装置接口→软管→转接接头→充气部位，当“压力传感器” 感受到的气体压力值达到装置的设定值时，“电磁阀” 由常开状态处于常闭状态，由控制计算机使装置自动停止向飞机系统充气。

1.3 技术性能指标

（1）工作介质。 工业氮气。

（2）输入气源。 氮气车或15MPa 氮气瓶。

（3）输出压力。 低压输出接口：0～3MPa，流量不大于500ml/min；高压输出接口：0～15MPa，流量不大于500ml/min。

（4）压力传感器量程及精度。0～3MPa，精度0.5 级；0～15MPa，精度0.5 级。

（5）电源。 机载或地面：DC28V，功率不大于60W。 内置锂电池：28V 4000mAH。

（6）环境指标。工作温度-40℃～60℃；存储温度-55℃～70℃；相对湿度不大于85%。

（7）计量周期。 1 年。

2 硬件系统设计

2.1 主机

充气测压装置的设计需要考虑综合化、 小型化，因此，在主机的设计上通过模块化来达到要求。

（1）机箱。 主机箱为便携式铝合金仪器箱。 箱体面板采用航空铝合金制作， 综合充气检压装置功能部件全部固定或连接在其上面。

（2）控制模块。控制模块的核心是以控制计算机为核心的数据采集系统，为了达到通用化、系列化和小型化的设计要求，采用CI945C 型数据采集系统，该系统集成了计算机、显示器、A/D 和I/O。

（3）电气模块。 电气模块的主要包括整流桥、内外电源切换电路、DC-DC、 电磁阀驱动电路和电流-电压变换电路等组成。 整流桥保证装置在外接电源正负极接反的情况下，装置能够正常工作，提高装置的安全性。 内外电源切换电路能够保证在外接电源断电的情况下装置能够自动切换到锂电池，提高装置的可靠性。 DC-DC 提供控制计算机需要的12V 电源。电磁阀驱动电路，根据控制计算机输出的开关量信号，驱动相应的电磁阀工作，控制电磁阀的接通和断开。 电流-电压变换电路，将压力传感器输出的4～20mA 电流信号转换成0～5V 电压信号，并进行隔离。 装置的电气模块内部组成见图1。

图1 装置电气模块内部组成框图

（4）气路系统。气路是氮气从气源到需充气部位的流经途径。装置的气路系统的内部组成见图2。充气嘴连接外接气源，气滤过滤气源气体杂质，充放电磁阀根据压力显示测控仪的设置控制充气和放气的开启与关闭，压力变送器将气体压力变送为4～20ma 电流输入到压力显示测控仪，开关打开或关闭气体输入或输出。由于气源压力较高，为了保证安全和流量控制的稳定性， 在气路系统中设计有可调减压器。可调减压器可将5～15MPa 的气体压力减压至3MPa。 单向活门可防止气体回流和设备内气体串流。

图2 装置气路系统内部组成框图

2.2 附件

附件部分包括附件箱、电缆、外接电源、软管、支柱和蓄压器充气检压装具、轮胎充气检压装具和转换接头，随机附件包括软管、电缆、数字压力表、轮胎充气接头和支柱充气接头等。装置的气源接口为充气嘴，与氮气车或氮气瓶输出软管接口可直接对接。 装置中配套的对机输入软管接口外套螺母可与管接嘴连接。支柱、轮胎充气工具的接口可与多种型号的接口对接， 以满足各种充气组件的物理连接需求。

3 软件系统设计

软件系统包括主控制系统、 充气子程序、 检压子程序、环境控制子程序、自检子程序、数据管理子程序等。主控制程序完成软件框架、 各子程序控制交联以及显示的功能。充气子程序和检压子程序是主要的操作程序，主要实现充气（检压）的过程控制。 环境控制子程序主要功能是对装置的内部工作环境进行监测。 自检子程序具有上电自检、启动自检、周期自检等BIT 自测试功能，可完成自身置信度测试、故障隔离测试。数据管理子程序对根据主程序的调动完成数据的保存、查询。软件系统的设计主要采用LabView、Delphi、access 等进行编写。 软件系统起动后，自动完成自检，并运行环境控制子程序，然后进入主界面。 在主界面下，根据操作者点选功能按钮，进入相应子程序。主控程序根据所运行子程序，启用数据管理子系统，对采集数据进行筛选、处理和保存等，并将操作者选取的功能程序运行结果显示在上显示屏上。 若子程序运行出现问题或操作员需要对装置进行检测， 主程序启用自检子程序，对系统进行相应测试。

4 系统测试与分析

为了测试在不同模式下装置的正确性和稳定性，进行了厂内例行试验、仪表计量、环境试验等。

4.1 可靠性

在装置的研制过程中， 可靠性设计是全系统设计的重点之一。为了确保可靠性指标的实现，在具体设计过程中，充分考虑多种影响因素，采取各种措施，提升装置可靠性。装置设计有自动和手动两种模式，在控制计算机故障的情况下，如果无法快速排出故障，可以应急使用手动模式完成充气检压工作。 元器件的选用采用降额、冗余、简化、动态和环境的设计准则；控制计算机的设计尽量采用中大规模集成电路，来替代中小规模集成电路，以减少元器件数量， 如综合处理单元中将采用AD 公司的大规模集成电路TIGER SHARC 芯片， 可大大减少元器件数量；以FPGA 大规模可编程器件实现数字脉冲压缩，降低了硬件芯片数量，提高产品的固有可靠性；加强元器件的二次筛选，确保所用的元器件，都按要求筛选合格后才装机使用；在结构和工艺设计中，充分重视通风、散热、耐振动冲击等问题，提高专用检定装置的环境适应能力，提高专用检定装置的整体可靠性水平。装置经过使用验证，其整机平均无故障时间可达到目标值2000h、最低可接受值1000h 的可靠性指标。

4.2 维修性

装置设计上简化维修工作，采用的部件、元器件的互换性良好；具有完善的防错措施及识别标志，维修的可达性好，按照维修时的状况提供操作空间，保证维修安全、方便；设备出现故障时，能够快速定位，快速更好部附件、元器件；平均修复时间满足维修性指标要求。

4.3 安全性

采用安全电压无电磁辐射，电气系统接地良好，设备漏电小于人身允许范围， 在故障情况下仍能保证人身安全。 正常检测使用过程中， 使用机场氮气和机场DC28V电源或自身DC28V 内置电源，设备安全接地，在使用过程中不会造成机载或地面电源故障。 使用的可调减压器可工调节压力且自身带有安全阀，不会造成压力过高；当可调减压器调整压力和测量压力大于设置压力时， 电磁阀可即时切断气源进气， 从而保证飞机气密检查系统的压力不大于规定值。 当输入参数超出机型部件安全压力范围时，装置可以自动告警提示，杜绝超限值输入，损坏装置；设置安全操作提示，在面板设置警示标志；装置设置有专门的残余气体泄放功能， 在进行泄放时能够自动识别未关位置，并停止放气。

5 装置的特点

5.1 综合化

装置主体通用，压力可调，具备给飞机轮胎、减震支柱、蓄压器以及其它需要充气、检压等设备的充气、检压功能，配套的转接接头可满足多种部件的物理连接需求。克服了以往不同系统部件充气测压时， 需要准备不同设备的问题。通过使用通用的主体，操作员只需要选择配套的相应附件即可。装置使用方便快捷，大大节省了机务人员的时间和精力，提高充气检压工作的效率。

5.2 智能化

装置是基于计算机的自动测试系统， 输入通过导航键和键盘完成，所有参数在液晶屏上以数值的形式显示。装置开机后，通过装置上的液晶屏，操作人员在操作界面上，在软件的提示下连接软管，确认装置开始工作。此时，在控制计算机的控制下， 选择压力通道， 自动设置压力值，开始增压，达到规定压力时自动关闭增压管路，开始计时并保持压力， 同时测量飞机系统压力值。 进行检压时，装置连接好后，直接在界面上读取显示屏上数字形式的所检查系统或部件的压力值， 操作人员不需要通过观察指针式压力表来判断压力；充气时，操作人员不需要通过观察指针式压力表来判断压力再关断充气开关，只需在软件界面上确认充气完成即可。 全程机务人员在软件的提示下进行工作，装置自行完成工作过程，测压数据准确可靠，充气检压过程安全简便。

5.3 便携化

装置主要功能部件采用体积小、重量轻的航空产品；各主要功能部件之间的安装位置， 在保证维修的前提下设计简洁、合理优化、使用安全，已经做到了最小；在考虑维修性设计的前提下，各导管长度已压缩至最短。主机箱内部空间已经得到合理利用，外形尺寸已无压缩空间。 小型化使得该装置在综合化程度高的基础上，便于携带，提高了该装置实用性。

6 结论

本文设计的综合充气检压装置，具备对航空装备不同系统、部件包括气动系统、轮胎、支柱、蓄压器等的充气检压工作能力。 该装置经过试用， 证明其综合化和智能化程度高，使用可靠、安全、便捷，大大提高到了机务人员进行充气检压工作的效率，满足现代航空装备综合化保障需求。