航空发动机数字化试车系统设计

航空发动机数字化试车系统设计

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中国航发动力股份有限公司 710021

提纲：随着我国数字信息技术的飞速发展，数字技术在各行业之中逐渐占领了重要地位。我国航空发动机的试车作为航空发动机生产中的重要环节，也急需引入全新的数字技术，加速推动航空发动机试车数字化、智能化转型。本文从数字化试车系统的概念、航空发动机试车目前需要解决的问题、数字化识别系统的设计理念等逐一进行展开，并且做出最后的总结。

引言

“十四五”时期，为应对新形势新挑战，国家发布了“十四五”数字经济发展规划，数字技术与各行业加速融合，企业数字化转型得以深入推进。在此背景下，航空发动机作为飞机的“心脏”、工业皇冠上的“明珠”，更是需要数字化技术释放发展潜力。而试车是航空发动机研制生产的重要一环，是检验发动机性能指标、考核发动机装配质量和零部件可靠性的最主要手段。随着科技的飞速发展，航空发动机试车也逐渐由信息化向数字化、智能化转变。研究设计航空发动机数字化试车系统是通过数字化驱动业务模式的转变，意图突破现有生产效率和质量的瓶颈，从而有效提高航空发动机试车水平。

在航空发动机制造过程之中，发动机试车的主要任务是对发动机进行功能和可靠性的验证，以对发动机的工况进行评价，在试车过程中采用了大量的测试检验技术和方法。随着现代化制造技术的飞速发展和航空发动机科研生产任务的激增，传统的检验方式已经无法满足新形势下的检验需求。检验技术、装置设备与信息技术的结合，逐渐成为航空发动机检验行业进步的必然之路。本文深入研究航空发动机数字化试车系统设计的现状以及存在的问题，并且从数字化试车系统的特点出发，利用航空发动机试验技术和测试技术推动航空发动机数字化试车系统的设计与开发，深入探究航空发动机数字化试车系统设计的重要意义。

1数字化试车系统概念

目前，航空发动机试车系统多采用信息化系统，将试车业务流程线上化，通过数据采集、存储、分析，以支撑业务的开展。信息化系统作为一种管理手段，强调的是规范与流程，通过数据电子化与信息格式化，一定程序上提高了生产效率。但信息化系统设计的思路并没过多的考虑试车人员需求的便利化，更多关注的是管理的思维。这种建立在管理思维环境下设计的信息系统，缺乏有效解决用户效率的思想。导致的结果是用户效率非常低，很多的需求得不到满足。比如数据都分散在不同的系统里，没有打通也没有真正发挥出数据的价值，缺乏有效解决用户效率的思想，很多需求得不到满足。

数字化试车系统则是在试车全业务流程进行数字化的打通，破除部门墙、数据墙，实现跨部门的系统互通、数据互联，全线打通数据融合，为业务赋能，为决策提供精准依据。信息化是数字化的基础，数字化是信息化的升级。它是把所有试车数据看做一种数字资产，充分挖掘数据价值，以数据为核心，使业务数据化、数据资产化、资产服务化、服务价值化。通过数字技术与试车业务的深度融合，实现航空发动机制造企业的数字化转型。

2拟解决的问题

航空发动机是航空飞机的重要组成部分，对于航空发动机进行系统性的测试主要是在地面上模拟航空发动机的运行环境，并且对航空发动机的性能进行测验的一种大型装置。在航空发动机正式投入使用之前，需要充分了解航空发动机的性能进行充分的了解和掌握。确保航空发动机在运行中能够有效的发挥作用，减少安全隐患。因此，航空发动机的试车系统具有十分重要的作用。航空发动机试车系统依然处于人工测试阶段。没有与高效的信息技术相结合。试车效率依然比较低下，试车成本较高。通过合理化研究分析航空发动机试车全业务预存在的问题，提出针对性的解决措施，进一步促进航空发动机试车全业务高质量发展，为我国社会主义现代化建设丰富和发展奠定坚实的物质基础。

通过梳理航空发动机试车全业务域的现状，分析其中存在的典型问题有以下几个方面：

1）决策缺乏数据支撑，管理细致度不够。主要体现在试车信息传递过程多靠计划员沟通协商，时效性不足，生产计划不能做到实时管控；试车设备的维护和故障处理缺乏预判能力，问题较多等。

2）试车过程管控和性能调整多依赖技术、技能人员水平，在控制品质分析、性能趋势监控、试车故障预防和处理等方面缺乏数据模型的应用。

3）各类试车数据库分散，与各业务部门的信息化平台集成度不足，导致信息不能直达工位等。

4）试车历史数据量巨大，造成保存及追溯困难，及时性和准确性差。航空发动机试车测试参数有几百个种类，如温度、压力、推力、振动、转速、角度和流量等。平均每次试车过程产生约10GB的原始试车数据，当进行历史数据查询时，需读取试车历史数据光盘进行试车过程的重现。查询和存储上述数据需要花费大量的时间，使得工作效率降低。

5）试车数据记录偏差。试车过程大量记录单全部由人工填写，由于人的水平、能力、素质等自然属性不同，有可能使记录过程中信息不准确。在某些试车状态时刻，需要同时记录5个以上参数数据，记录难度及数据误读率进一步增大。

6）发动机结构复杂，由数以万计的零部件组成，状态、特征、故障模型的表现形式很难通过人工找到规律。在发动机故障排除过程中，特征数据的提取、分析准确性得不到保证。有些故障甚至需要多种类数据耦合分析、解析来获取故障特征。这是靠人的经验无法实现的。

7）传统的试车过程中，对工艺规程的执行基本是靠油门杆操纵者的经验来达到标准。同一个操作者对不同的发动机或不同操作者对同一台发动机，其输入均难以达到对工艺文件的一致性。

3数字化试车系统设计理念

以问题为导向，设计数字化试车系统，实现以数据驱动试车业务的开展，进而完成业务模式的创新，大幅提高试车效率。

根据试车业务的主要内容，数字化试车系统应包含试车数采与控制系统、设备管理系统、计划管理系统、工艺管理系统和人才培养系统五个方面内容。

3.1试车数采与控制系统

试车数采与控制系统是完成航空发动机试车任务的直接工作系统，包含试车参数采集、判断、存储、分析以及状态控制等基本内容。首先通过结构化试车数据，将其分为性能数据、台份数据和故障数据，建立统一的数据库，对接各数据应用平台，具备性能判断和调整建议、性能趋势监控和预警、发动机控制品质分析、故障预警和处置建议、自动应急处理等能力。其中数据的统一管理和深度挖掘是核心，如数据自动提取和汇总分析可以解放人力，提高效率；性能监控和故障预警依托发动机试车数据模型和故障模型的建立，如采用朴素贝叶斯算法或DBSCAN聚类算法可以进行性能和故障的预测，从而更好体现人的价值；自动应急处置需要依靠发动机风险分析和数据预警，提高处置的及时性和准确性，从而保证发动机安全。最重要的是试车检验发动机质量的过程由“人工监控”向“数字化过程管控”转变，改变了业务模式。

3.2设备管理系统

试车台设备是航空发动机试车的硬件设施，直接用于发动机质量和性能的评定，其重要性不言而喻。确保试车设备运行可靠、试验数据准确是发动机研制和生产的重要前提。从工作内容上，试车设备管理系统包含定期维护、寿命管理和备品管理三个方面。建立设备数据库，依托设备故障信息库，通过分析设备故障频次、各试车台故障率等数据，将以往的每个设备固化的定期维护改变为动态维护，实现设备“被动维修”向 “预判性维护”转变，降低设备故障率，并缩减维护周期和成本，同时可根据故障信息自动生产设备改进建议，作为试车台设备改进的决策依据；将设备使用周期与试车周期关联，进行设备使用寿命的实时监控，设置到期提取预警，避免出现超期使用的风险，保证发动机试车安全；依托备品数据库，分析备品损耗率，动态制定备品储备量，并在需要补充时，提示发起采购流程，与采购部门业务平台对接，完成整个流程的监控和闭环，实现仓储 “人工管理”向“数字化仓储管理”转变。

3.3计划管理系统

试车计划往往受制于发动机装配进度，因此试车计划的制定应同时对接管理部门的任务计划和装配部门的生产计划，并根据各试车台的生产现状、标准试车周期等数据，合理制定发动机试车计划。已制定的计划可根据试车实时状态进行动态更新，实现生产“人工管控”向“数据决策管控”转变。

3.4工艺管理系统

工艺管理系统是在现有PDM系统基础上，开展工艺结构化分析，建立试车工艺文件库，并将各工艺文件按结构、功能模块设计，形成标准技术文件模板，对接设计文件要求，方便快捷的生成所需的工艺文件，然后依靠信息化平台，传递至操作工位，实现技术文件从生成到下发的标准化、便捷化。

3.5人才培养系统

航空发动机试车对试车人员的要求较高，通常培养一名成熟的技能人员需要数年时间，因此人才培养系统也作为试车系统的重要组成部分。区别于一般的模拟培训考试系统，试车人才培养系统应建立各型号发动机的知识库，通过建立标准化的培训教材，并依照岗位分工形成各岗位的应知应会，从而使培训更加有针对性。同时建立人才库，形成试车人员的能力矩阵，与培养计划进行挂钩，生成各人专属的培养计划，从上岗开始即开启进阶之路，从而快速提升人才水平，创造价值。

4航空发动机试车系统设计应用的数字技术优势

4.1计算机数据存储与计算

航空发动机试车系统可以借助电子计算机的存储运算能力，利用计算机高速计算、智能分析、处理、存储数据的优势，把工程技术人员从海量的试车数据分析中脱离出来。建立发动机试车过程专用数据库，并具备对系统所产生的数据进行检索、查询、统计和分析功能。

4.2信息分析处理

利用大数据，将存储的海量数据进行挖据、筛选和提取，最后找到规律，发现故障特征、表现形式的原因。避免传统人工试车在处理数据时可能出现的失误。在设计、制造过程、改进工艺过程中得以借鉴参考，从而提高制造水平。

4.3检测标准化

数字化的试车控制，使工艺在约束范围之内，保证输入的一致性，发动机各类参数准确性得到提高。避免人工标准不严格造成的数据统计偏差，利用数字技术可以实时记录发动机试车过程中的各项参数和实际故障及问题，形成发动机试车全过程的数字化档案，生成试车历程报告。

4.4优化系统稳定性

对试车数据进行趋势分析，试车告警进行故障根源分析，整机进行健康度分析。优化系统稳定性，使其不受其它系统故障的干扰和影响。

4.5建立故障专家系统

缩短试车调整及故障分析时间，从而降低试车成本，为提高试车效率、改善试车流程、优化试车工艺、评估试车成本提供有力的决策支持，从而提高航空发动机试车管理水平。

5结论

本文针对航空发动机数字化试车系统设计，提出以试车数据作为驱动，为试车各业务需求提供决策参考。在充分地对现有检验流程和检验项目及数据特点进行了详实的分析基础上，借助现代测试技术，网络技术，数据库技术对航空发动机试车系统建设进行参考，在建立航空发动机数字化检验系统时，引入信息技术，利用工艺模块管理、标准图谱库管理功能解决了试车过程输入不一致的技术难题。采用关系型数据库实现了试车阶段与检验过程的信息共享，使检验过程的相关信息完整、一致。充分挖掘数据的应用场景，从而将人员从简单重复的数据统计、记录工作中解放出来，转向数据模型的建立、预测算法的研究以及处置策略的制定等更需体现人工价值的地方，进一步提高试车效率，为航空发动机制造产业的数字化转型提供支撑，同时也为后续试车的智能化发展奠定基础。

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