本文研究了機(jī)載空氣增壓裝置在高壓、低壓、高溫、低溫環(huán)境條件下進(jìn)氣機(jī)理?xiàng)l件，建立了以上不同環(huán)境條件下的模擬進(jìn)氣模型，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的冷卻、壓力控制、自動(dòng)測(cè)試、數(shù)據(jù)采集分析等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出一套用于測(cè)試機(jī)載空氣增壓裝置性能指標(biāo)的自動(dòng)化系統(tǒng)，主要運(yùn)用于某型戰(zhàn)機(jī)信息支援控制空氣能源系統(tǒng)中，安裝于飛機(jī)左后設(shè)備艙內(nèi)，為飛機(jī)空氣能源系統(tǒng)提供所需的高壓壓縮空氣，以提高效能，有助于測(cè)試機(jī)載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，檢測(cè)出轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、排污閥開(kāi)閉、檢測(cè)能力、排氣壓力、充氣速率、流體阻力、出氣口氣體品質(zhì)等技術(shù)指標(biāo)。該測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)對(duì)驗(yàn)證機(jī)載空氣增壓裝置的性能可靠性和穩(wěn)定性具有重要意義。
引言
目前針對(duì)機(jī)載空氣增壓裝置更多的還是從產(chǎn)品設(shè)計(jì)角度，對(duì)相關(guān)功能性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)，但如何在高壓、低壓、高溫、低溫、高濕等復(fù)雜環(huán)境下對(duì)空氣增壓裝置的功能性能指標(biāo)，如：排氣壓力、過(guò)濾性能、充氣速率、散熱性能、流體阻力等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，還未查到有相關(guān)研究及實(shí)物模型。
由于戰(zhàn)機(jī)執(zhí)行飛行任務(wù)環(huán)境復(fù)雜，那么要驗(yàn)證安裝于戰(zhàn)機(jī)的空氣增壓裝置在復(fù)雜工況環(huán)境下的性能指標(biāo)、壽命、可靠性等方面是否滿(mǎn)足要求，需要設(shè)計(jì)制造出一套測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。新型空氣增壓裝置采用先進(jìn)技術(shù)及材料，后續(xù)會(huì)運(yùn)用于多型號(hào)軍機(jī)、民機(jī)等，具有較大市場(chǎng)前景。鑒于此，基于復(fù)雜環(huán)境下的機(jī)載空氣增壓裝置性能測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，可填補(bǔ)該產(chǎn)品在復(fù)雜環(huán)境下的功能性能測(cè)試技術(shù)空白。
空氣增壓裝置
空氣增壓裝置是一種新型的充、補(bǔ)氣增壓裝置，主要運(yùn)用于戰(zhàn)機(jī)信息支援控制空氣能源系統(tǒng)中，安裝于飛機(jī)左后設(shè)備艙內(nèi)，為飛機(jī)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(tái)戰(zhàn)機(jī)安裝1套?？諝庠鰤貉b置在復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境下的性能優(yōu)劣對(duì)戰(zhàn)機(jī)的作戰(zhàn)效能起著決定性作用，所以空氣增壓裝置在各類(lèi)復(fù)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(biāo)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(biāo)
表2 空氣增壓裝置工作工況
方案設(shè)計(jì)
空氣增壓裝置測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由3個(gè)分系統(tǒng)組成：進(jìn)氣控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集測(cè)量系統(tǒng)，各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如下：
1、空氣增壓裝置不同工況環(huán)境條件下進(jìn)氣控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)原理
空氣增壓裝置在不同工況條件工作時(shí)進(jìn)氣要求，建立自然、高壓、低壓、低溫、高溫、振動(dòng)環(huán)境進(jìn)氣模型，確保進(jìn)氣系統(tǒng)在供氣壓力40kPa～350kPa（絕壓）穩(wěn)定可調(diào)，供氣流量不小于120SL/min，采集壓力傳感器信號(hào)反饋數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)抽壓裝置控制進(jìn)氣壓力大小，根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)壓力值自動(dòng)調(diào)節(jié)儲(chǔ)氣裝置壓力。
2、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理
空氣增壓裝置在制氣過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，對(duì)該裝置的正常工作有影響，所以配置滿(mǎn)足機(jī)上環(huán)境散熱條件的冷卻系統(tǒng)，通過(guò)冷卻系統(tǒng)將空氣增壓裝置工作時(shí)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2kw，經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)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7.5kw，在5℃~35℃任一溫度點(diǎn)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(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)控制液冷系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)配置。
3、數(shù)據(jù)采集、測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理
數(shù)據(jù)采集控制部分主要由工業(yè)專(zhuān)用微處理器、A/D轉(zhuǎn)換器、只讀存儲(chǔ)器ROM、隨機(jī)存貯器RAM、顯示控制器、液晶顯示器、鍵盤(pán)控制器、報(bào)警電路、時(shí)鐘電路等部分組成，以單片微處理器為核心，對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，被記錄數(shù)據(jù)可送至隨機(jī)存貯器RAM上存貯，或送至液晶顯示屏上顯示。
通過(guò)相關(guān)傳感器信號(hào)反饋控制及各類(lèi)閥門(mén)的自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)采集、記錄空氣增壓裝置的進(jìn)氣流量、進(jìn)氣濕度、進(jìn)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(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)控制邏輯是否滿(mǎn)足空氣增壓裝置功能性能指標(biāo)測(cè)試需求，同時(shí)高壓氣瓶中壓力達(dá)到35MPa時(shí)，通過(guò)減壓模塊設(shè)計(jì)，將壓力減壓至0.4MPa，安全有效測(cè)量出口空氣品質(zhì)空氣增壓裝置測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖1。
圖1 空氣增壓裝置測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖
方案實(shí)現(xiàn)
空氣增壓裝置性能測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法步驟如下：
1）基于環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)、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(jìn)氣條件模擬方法；
2）針對(duì)不同的環(huán)境條件，分別建立不同的環(huán)境條件下進(jìn)氣模型；
3）分別采用自動(dòng)化控制技術(shù)（PLC）、制冷控制技術(shù)、空氣壓力控制技術(shù)等對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的冷卻、壓力控制、數(shù)據(jù)采集分析、自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)方法研究，并通過(guò)技術(shù)指標(biāo)驗(yàn)證其可靠性和穩(wěn)定性。
1.具體解決的方法和途徑
1.1不同環(huán)境工況條件下進(jìn)氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1）自然進(jìn)氣
空氣增壓裝置進(jìn)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(cè)進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣濕度、進(jìn)氣壓力數(shù)據(jù)，在自然進(jìn)氣環(huán)境下測(cè)試空氣增壓裝置相關(guān)性能指標(biāo)（結(jié)合數(shù)據(jù)采集、測(cè)量系統(tǒng)），原理設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖2。
2）高壓進(jìn)氣
空氣增壓裝置進(jìn)氣軟管與氣源系統(tǒng)連接，啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)對(duì)2立方壓力容器進(jìn)行供壓，至壓力容器壓力達(dá)到600kPa~800kPa， 通過(guò)減壓流量控制閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)氣源出口壓力至350kPa（絕壓），啟動(dòng)空氣增壓裝置在高壓進(jìn)氣環(huán)境下工作，并測(cè)試空氣增壓裝置相關(guān)性能指標(biāo)（結(jié)合數(shù)據(jù)采集、測(cè)量系統(tǒng)），原理設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖2。
3）低壓進(jìn)氣
空氣增壓裝置進(jìn)氣軟管與氣源系統(tǒng)連接，設(shè)定抽壓裝置控制器壓力參數(shù)為57kPa（絕壓），啟動(dòng)抽壓裝置，當(dāng)壓力達(dá)到57kPa時(shí)，打開(kāi)正常大氣閥門(mén)，自動(dòng)抽壓裝置調(diào)節(jié)壓力平衡在57kPa，啟動(dòng)空氣增壓裝置在低壓進(jìn)氣環(huán)境下工作，并測(cè)試空氣增壓裝置相關(guān)性能指標(biāo)，原理設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖2。
圖2 自然、高壓、低壓環(huán)境進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖
4）低溫進(jìn)氣
空氣增壓裝置和進(jìn)氣軟管放入高低溫試驗(yàn)箱中，將試驗(yàn)箱溫度設(shè)定為-55℃，空氣增壓裝置在-55℃環(huán)境下貯存，貯存時(shí)間為技術(shù)要求時(shí)間或達(dá)到溫度穩(wěn)定時(shí)間，啟動(dòng)空氣增壓裝置前，啟動(dòng)液冷系統(tǒng)工作10min，空氣增壓裝置在低溫進(jìn)氣環(huán)境下工作，并測(cè)試空氣增壓裝置相關(guān)性能指標(biāo)（結(jié)合數(shù)據(jù)采集、測(cè)量系統(tǒng)），原理設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖3。
5）高濕進(jìn)氣
進(jìn)氣軟管末端放入高低溫濕熱試驗(yàn)箱中，空氣增壓裝置放置于試驗(yàn)箱外，將試驗(yàn)箱溫度設(shè)定為40℃、濕度60%RH，試驗(yàn)箱溫度濕度穩(wěn)定后，啟動(dòng)空氣增壓裝置，空氣增壓裝置在吸入高濕空氣下工作，并測(cè)試空氣增壓裝置相關(guān)性能指標(biāo)（結(jié)合數(shù)據(jù)采集、測(cè)量系統(tǒng)），原理設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖3。
6）高溫進(jìn)氣
空氣增壓裝置和進(jìn)氣軟管末端分別放入兩個(gè)高低溫試驗(yàn)箱中，將空氣增壓裝置所在試驗(yàn)箱溫度設(shè)定為70℃，進(jìn)氣軟管末端所在試驗(yàn)箱溫度設(shè)定為60℃，空氣增壓裝置在70℃環(huán)境下貯存，貯存時(shí)間為技術(shù)要求時(shí)間或達(dá)到溫度穩(wěn)定時(shí)間，啟動(dòng)空氣增壓裝置，空氣增壓裝置在低溫進(jìn)氣環(huán)境下工作，并測(cè)試空氣增壓裝置相關(guān)性能指標(biāo)（結(jié)合數(shù)據(jù)采集、測(cè)量系統(tǒng)），原理設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖3。
圖3 高濕、高溫、低溫環(huán)境進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖
1.2.冷卻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
將液冷系統(tǒng)的出液口與空氣增壓裝置進(jìn)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(shè)定液冷系統(tǒng)溫度為25℃，通過(guò)進(jìn)液壓力傳感器與回液流量計(jì)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(dá)到（1±0.02）MPa，調(diào)節(jié)冷卻液流量達(dá)到（5±0.5）L，在空氣增壓裝置工作的情況下，檢測(cè)進(jìn)出液溫度值、流量數(shù)據(jù)、壓力值，計(jì)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），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(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖4。
圖4 冷卻控制系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)圖
1.3.數(shù)據(jù)采集、測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)
采集空氣增壓裝置進(jìn)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(jìn)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(jì)算。
采集空氣增壓裝置出氣口相關(guān)性能指標(biāo)數(shù)據(jù)，測(cè)量出氣口氣體溫度是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，空氣增壓裝置啟動(dòng)工作時(shí)電流自動(dòng)開(kāi)始計(jì)時(shí)，29L氣瓶充滿(mǎn)至35MPa，空氣增壓裝置停止工作，通過(guò)采集29L氣瓶初始質(zhì)量和結(jié)束質(zhì)量，計(jì)算出空氣增壓裝置平均充氣速率， 檢測(cè)空氣增壓裝置制氣品質(zhì)步驟：先調(diào)節(jié)減壓模塊將35MPa壓縮氣體減壓至0.4MPa，再接入壓縮空氣品質(zhì)分析儀進(jìn)行氣體濕度和含油量的檢測(cè)。
測(cè)量系統(tǒng)中的自動(dòng)化控制：使用傳感器自動(dòng)控制空氣增壓裝置制滿(mǎn)氣體停機(jī)，氣體品質(zhì)測(cè)量減壓模塊開(kāi)關(guān)使用遠(yuǎn)控電磁閥通斷，35MPa高壓氣瓶排空，使用遠(yuǎn)控電磁閥通斷控制減壓閥排空氣體。數(shù)據(jù)采集、測(cè)量系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖5。
圖5 數(shù)據(jù)采集、測(cè)量系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)圖
關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)
1）不同工況環(huán)境下的進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、控制。采用自動(dòng)化控制等相關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)環(huán)境進(jìn)氣模擬系統(tǒng)，建立自然、高壓、低壓、低溫、高溫、振動(dòng)環(huán)境進(jìn)氣模型，自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)氣模擬系統(tǒng)壓力。
2）冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。針對(duì)空氣增壓裝置制氣過(guò)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2kw浮動(dòng)，設(shè)計(jì)出可自動(dòng)恒溫恒壓的冷卻系統(tǒng)。
3）性能數(shù)據(jù)指標(biāo)測(cè)量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在空氣增壓裝置制氣過(guò)程中，通過(guò)相關(guān)傳感器信號(hào)反饋控制及各類(lèi)閥門(mén)的自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)采集、記錄數(shù)據(jù)，能有效測(cè)量出空氣增壓裝置制氣過(guò)程中相關(guān)性能參數(shù)。
方案實(shí)現(xiàn)
本項(xiàng)目從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，進(jìn)行了工程技術(shù)研究， 進(jìn)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(wèn)題，能夠控制供氣壓力為40kPa～350kPa（絕壓），供氣流量≥120SL/min，在自然進(jìn)氣控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，改變進(jìn)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(jìn)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(cè)量系統(tǒng)”測(cè)量空氣增壓裝置排氣壓力、過(guò)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(shù)指標(biāo)檢測(cè)。
冷卻系統(tǒng)模擬機(jī)載液冷環(huán)境，針對(duì)空氣增壓裝置制氣過(guò)程中頻繁啟停、高壓段制氣功率的變化，對(duì)應(yīng)解決自動(dòng)恒溫恒壓?jiǎn)栴}，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2kw熱耗，結(jié)合“數(shù)據(jù)采集、測(cè)量系統(tǒng)”測(cè)量空氣增壓裝置排氣壓力、過(guò)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(shù)指標(biāo)檢測(cè)。
數(shù)據(jù)采集、測(cè)量系統(tǒng)解決了測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及閥門(mén)組件控制，實(shí)時(shí)采集、記錄空氣增壓裝置的進(jìn)氣流量、進(jìn)氣濕度、進(jìn)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(cè)量35MPa高壓氣瓶中空氣品質(zhì)時(shí)，通過(guò)減壓至0.4MPa，再接入測(cè)量?jī)x器，解決了高壓空氣品質(zhì)測(cè)量問(wèn)題，結(jié)合“冷卻系統(tǒng)”、“數(shù)據(jù)采集、測(cè)量系統(tǒng)”測(cè)量空氣增壓裝置排氣壓力、過(guò)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(shù)指標(biāo)檢測(cè)。
結(jié)論
本文提出的基于復(fù)雜環(huán)境下的機(jī)載空氣增壓裝置性能測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)Ξ?dāng)前某機(jī)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(jī)控制，按設(shè)計(jì)控制律實(shí)現(xiàn)空氣增壓裝置電機(jī)的啟動(dòng)、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)和停止，能夠通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)直接或間接讀取其工作時(shí)的出口氣體溫度、壓力和電機(jī)轉(zhuǎn)速；能夠?qū)崟r(shí)測(cè)試出高壓氣瓶?jī)?nèi)壓力大小及重量，能夠測(cè)量空氣增壓裝置出氣口氣體品質(zhì)（濕度、含油量），能夠測(cè)試出冷卻液入口和出口壓力值，由此得出其流體阻力，滿(mǎn)足空氣增壓裝置在復(fù)雜環(huán)境下的功能性能指標(biāo)測(cè)試要求，具備驗(yàn)證其可靠性和穩(wěn)定性的作用。
引用本文：
李玲，林和平，宋靜，王柯，曾永，汪俊梅.一種基于復(fù)雜環(huán)境下的機(jī)載空氣增壓裝置性能測(cè)試系統(tǒng)[J].環(huán)境技術(shù),2022,40(06):76-81+85.
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