飞机典型电气系统排故训练装置研究

张元峰，郝世勇，赵志斌，于春风

（海军航空大学青岛校区，山东青岛 266041）

飞机典型电气系统排故训练装置研究

张元峰，郝世勇，赵志斌，于春风

（海军航空大学青岛校区，山东青岛 266041）

针对航空地勤电气维修保障专业一线维护人员系统级电路的分析和排故能力培养难点，选取飞机典型电气系统，开展排故训练装置的研究与设计工作。通过配备各类故障电缆、故障设备、外场检测仪器、排故工具箱及Multisim电路仿真训练考核系统，为培训人员提供立体式系统级电路排故训练平台，培养人员排故思路、方法和技能。

飞机电气系统；排故训练；训练装置

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.10.12

0 引言

系统级电路的分析和排故能力是航空地勤电气维修保障专业一线设备维护人员的核心能力，也是人员日常业务培训的重点和难点，同时也对培训手段提出了更高的要求[1]。为此，选取飞机上电路结构、控制关系较为复杂的典型电气系统构建排故训练装置，通过制定规范化的训练考核工卡，借助故障电缆及故障件设置典型故障，辅以外场各类检测仪器及工具箱，开展训考工作，增强人员排故思路、方法及技能的理解和掌握。

1 需求分析

1.1 设备供电需求

系统工作电源采用单一的单相交流220 V/50 Hz（功率≥2000 W）市电供电，满足各模拟设备和部件的通电运行需求，对供电电源要求较低。采用单相交流电源供电，能简化内部结构，减轻设备重量，提高设备仪器工作可靠性，适应较多的使用环境。

1.2 使用环境及场合

装置使用环境包括外场及内场。内场使用环境要求较低，而外场的使用环境较为恶劣，主要特点：温湿度变化大，振动剧烈，电磁环境复杂，存在雨雪、霉菌、沙尘等不利于设备正常工作的各种因素。因此，应对训练装置提出要求：①采用符合国家相关标准的市场成熟货架原材料及电子元器件，解决抗摔、抗振、防尘、防水等使用要求；②由于该装置有外场使用要求，应具有一定的温湿度适应性，因此，仪器电子附件等采用工业级标准，使用温度-10～50℃，湿度≤85%。

1.3 转运及存放需求

该训练装置由机型教员及受训学员使用，具有使用频率高、工作地点多变等特点，对其便携性及运输可靠性要求较高，因此，装置应尽可能减小体积重量，适应便携及灵活转运需求。同时，应保证该设备具有良好的干燥、坚固等特点，以适应较为一般的存放环境。

1.4 维修保障需求

训练装置95%以上电气元件均采用技术成熟的市场货架产品，货源充足，保证设备出现非设定故障时，具有良好的可替换性，进而提高维修效率。需要配套详细的电路施工图册、相关设备说明书，并备份主要控制设备以及多种易损耗器件，方便人员快速维修。

2 设计思路及方法

训练装置采用类实物物理模拟方式构建训练系统，所有器件和设备用工业级产品替代或制作，部附件接口定义、线缆标号等与飞机系统基本一致，空间位置与飞机系统基本一致或相似；将启动、燃油电气系统作为排故训练的重点。这些系统具有一定程度的复杂性和典型性，出现故障种类、现象多，排查难度大，适合较多的排故方法训练，且具有一定的排故方法研究价值，适于进行排故科目的设置；采用简易框架搭建结构平台，外形不追求极似，关注设备、器件安装和电缆敷设的大致位置和关系；结构平台具有开透性，便于进行排故训练，便于教学操作。结构平台具有可拆性，便于移动，适应不同教学场所；整个系统的工作电源采用单一的220 V市电供电，满足各模拟设备和部件的通电运行需求，对供电电源要求较低；故障设置方法采用两种人为手动方式进行，一是更换故障设备、电缆或器件方式，二是人工原位手动设置各类故障。不采用自动设置技术，避免破坏整个系统的完整性，把系统的可靠性放在第一位，不过于追求实现技术的先进性和复杂性，采用各组件独立设计模式；在排故科目设置上，基于飞机电气系统实际使用与维护的特点，更多关注系统控制关系及线路元器件所出现的问题，一定程度考虑关键设备故障问题，复杂集成设备内部器件故障不作考虑。

3 实现过程

3.1 系统组成及原理

排故训练系统电路插销型号、接口关系及座舱面板布局同实际飞机保持一致。在此前提下，依据实际飞机电路图册及编制的施工图册，按照线路施工标准开展电气线路布线。整个排故训练系统主要由供配电设备、人机控制设备、飞机启动系统电气设备、燃油系统电气设备及相应的故障件、故障电缆、辅助检测仪器组成，其电路连接关系如图1所示。

训练装置平台结构框架采用标准工业铝型材及铝合金材料构成，分为前舱、后舱和设备舱等3个部分，系统平台布局如图2所示。其中，前舱和后舱均设计有电源舱、仪表板、左操纵台（立面和平面）和右操纵台（立面和平面），安装动力控制盒、电源控制盒、断路器板、输油开关板、告警信号灯盒、双操纵转换开关、交流电压、电流指示器及直流电压、电流指示器等。前机身、后机身及设备舱分为3部分设计，便于拆卸和安装。机身内部由铝合金型材搭建支架，安装配电系统、发动机启动电气控制系统、燃油电气系统的连接插销、设备、部件和电缆，系统配套的地面辅助检测设备如图3所示，用于排故时展开相关设备的功能性测试。

图1 训练装置电路连接关系

图2 训练装置结构平台

图3 地面辅助检测设备

3.2 分系统介绍

3.2.1 供配电系统

依据飞机启动电气控制系统及燃油电气控制系统用电需求，训练模拟装置简化电源系统的组成及控制方式，由交流电源显示与控制系统、直流地面电源系统、直流应急电源系统和直流配电系统等4部分为主。以交流配电控制与指示面板为例，其设计面板如图4所示，其中，“交流供电总开关”控制市电，接通其余相应开关，对应的电源开始工作。

图4 交流配电控制与指示

3.2.2 发动机启动电气控制系统

发动机启动电气控制系统的主要任务是控制发动机的启动过程，使其按程序达到稳定工作状态，其主要设备如图1中“启动系统电气控制设备”所示。其中，启动总开关、启动选择开关、风门开关及一些指示灯均位于动力控制盒，整个系统具备实现地面双发同时启动和空中启动功能。部分启动设备如图5所示，当设备正常工作，相应信号灯亮，若设备工作线路出现异常，则指示灯不亮。

图5 部分启动设备附件

3.2.3 燃油电气控制系统

考虑整个燃油系统各分系统电路复杂程度，燃油电气控制系统主要模拟飞机输油顺序电气控制电路、防火电气线路、应急供油电气电路及应急关断燃油电路[2]。其主要设备如图1中“燃油系统电气控制设备”所示。以燃油防火电动开关模拟设备为例，其实物如图6所示，当发动机出现火情需要关断燃油，打开座舱控制面板中“供油路断”开关，防火电动开关执行关断燃油动作。

图6 燃油防火设备

4 难点及解决措施

4.1 基于标准工业型材的通用训练平台制作技术

为方便教学实施，并适应不同教学场所的需要，训练装置架构需具备开透性、可拆性、强度高、便于移动等特点。经过多次市场调研并结合飞机线路训练考核装置开发经验，整个架构采用工业标准铝合金材料搭建前舱、后舱及机身设备舱以满足设计需求。由于该技术涉及到专用铝型材加工设备，且对材料切割尺寸精度、接合强度等要求较高，同时面临加工工作量大的难题。经过大量的支架模型开发、承重试验等措施，解决了加工精度差、结构强度不足的难题，提高了训练平台设计与施工水平。

4.2 基于电路仿真软件的模拟设备辅助设计技术

由于缺乏实际设备，需要以模拟设备替代实装。如何高效开发出满足实际使用需求的模拟设备是另一个难点。以启动系统中启动箱的研制为例，启动箱作为整个启动电气控制系统的核心，其研制难点包括：①启动箱定时机构复杂，时序多，延时精度要求高。②启动箱中继电器数量多，关键继电器触点多，对继电器质量要求较高，否则容易出现接触不良等故障；③启动箱管脚多，作为发动机启动的核心部件，其控制的对象数量、种类多，接口属性复杂。针对以上难点及现实条件，采用计算机仿真辅助模拟器设计，如用Multisim电路仿真软件对所设计的启动箱进行仿真验证，能够避免一些不易发现的逻辑错误。同时采用高精度电子式时间继电器组合来模拟原机械式定时机构，既保证了延时精度，又严格按照工作时间序列。

4.3 基于PWM技术的电机供电极性转换技术

在启动控制系统中，风门电动机构是一种执行机构。其作用是在小发启动时，打开风门，满足小发排气的需要。电动机构本质上是双线圈串激直流电机，其正转线圈和反转线圈供电分别受前座舱动力控制盒中“打开”和“关闭”双路信号的控制，而实际模拟电机通常为单线圈单级供电，为实现电机极性的自动转换及风门打开速度可调难题，采用基于PWM技术的直流电机极性转换及调速技术，实现了风门电动机构接口关系的一致性。其电路原理如图7所示，其中，YFM-T代表接线插头，当“打开”或“关闭”任意一个信号接通，电极调速控制器从“电机+”和“电机-”输出信号给实际电机的正负极，实现供电极性的转换。

4.4 基于Multisim软件的故障科目开发技术

科学地开发适合于各个教学层次的经典故障电路案例是摆在课题组面前的重要课题。课题组基于Multisim电路仿真软件开发整个启动电气控制系统及燃油电气控制系统的仿真电路，利用仿真电路，可方便的设置各种线路及设备故障，更重要的是能够一目了然的准确记录故障对应的故障现象，方便教员快速开发具有不同难易度的训练科目。图8所示为启动电气控制系统部分仿真电路，其中，GZSJ-06、GZSJ-08、GZSJ-02、GZSJ-07 和 GZSJ-03代表故障设计开关，任意选择其中一个断开，即可通过仿真观察不同故障现象，为教员编制故障现象代码提供了方便。

图7 供电极性转换控制器电路原理

图8 启动系统部分仿真电路

5 结语

本文基于航空地勤电气维修保障专业岗位任职核心能力培养的训练及考核需求，从装置需求分析、设计思路、实现过程及难点解决等方面展开典型电气系统排故训练装置的研究，对培养岗位任职合格的航空地面保障人才具有一定的指导意义。

［1］王勇，谈斌.基于案例教学的飞机电气系统排故实习研究［J］.中民航大学学报，2012，30（5）：46-50.

［2］张文浩.飞机燃油系统故障模拟培训系统的研究［D］.青岛：青岛科技大学，2013.

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〔编辑 凌 瑞〕