于向陽 姚凌虹 趙 時 馬 曾 劉鈞賢

（1.海軍航空大學(xué)青島校區(qū) 青島 266000）（2.海軍潛艇學(xué)院 青島 266000）

1 引言

航空導(dǎo)線作為配送電能及傳輸控制信號的載體，可謂飛機的“神經(jīng)脈絡(luò)”。隨著機載系統(tǒng)及其設(shè)備的增加，導(dǎo)線以不同的布線方式并以捆扎成束的方式在各隔框、艙段間穿梭，在安裝密度過大的區(qū)域易造成熱應(yīng)集中，加速熱老化，不可避免地造成了絕緣性能顯著下降，成為故障頻發(fā)的安全隱患。

目前，涉及航空導(dǎo)線性能的研究主要集中在更具經(jīng)濟意義的絕緣性能老化及剩余壽命研究等方向，因不同產(chǎn)品絕緣材料的差異性，往往在裝機前開展有針對性的型號試驗，目前國內(nèi)還沒有適用性較為廣泛的性能試驗研究體系；裝機后的敷設(shè)方式、環(huán)境等因素也是影響其性能的重要因素，對于因敷設(shè)環(huán)境、方式不同而引起的故障，往往是在系統(tǒng)出現(xiàn)異常后，沿著敷設(shè)路徑針對絕緣層進行離線人工目視檢，受人員維護經(jīng)驗、檢測設(shè)備的限制，故障不易探查，給飛機線路的日常維護帶來了極大的困難。

隨著紅外熱像技術(shù)的不斷發(fā)展提高，特別是熱像儀精度的提高，可以通過熱成像精確地讀出所檢測部位的溫度分布，通過對紅外特征的分析、比對等，直接判斷設(shè)備內(nèi)部工作情況及其完好性；加之體積小、效率高、適合大面積在線監(jiān)測等優(yōu)勢，其在線路的檢測以及故障診斷中發(fā)揮了越來越重要的作用［1～4］。

海軍工程大學(xué)的孫豐瑞教授、楊立教授等對紅外技術(shù)是否具備對機電設(shè)備進行故障診斷的能力及其影響因素等進行了深入研究，制定了紅外技術(shù)對故障診斷能力的評價指標，認為利用紅外技術(shù)對機電設(shè)備進行故障診斷的核心是準確獲取被測設(shè)備的溫度分布狀態(tài)以及故障點的溫度或溫升值，此數(shù)值不僅能比較直觀判斷設(shè)備是否有存在故障，而且也是判別故障原因、影響因素以及故障程度的重要依據(jù)［5～7］。

本文針對飛機導(dǎo)線實際敷設(shè)方式，設(shè)計并搭建了實驗平臺。在一定工作狀態(tài)下針對導(dǎo)線的不同敷設(shè)方式開展實驗研究，通過紅外熱像儀對選取部位進行在線監(jiān)測，分析其溫度場紅外特征，提取其特征參數(shù)，并對典型部位進行在線數(shù)據(jù)分析與處理，對其在線診斷及預(yù)防進行有益探索。

2 飛機線路熱狀態(tài)模型

機載電路網(wǎng)中的導(dǎo)線，在實際走勢路徑上，往往捆扎成束并以不同的敷設(shè)方式安裝在狹窄的隔框內(nèi)，在一定電流下運行會產(chǎn)生熱效應(yīng)，導(dǎo)線工作的熱狀態(tài)“因地制宜”。導(dǎo)線內(nèi)芯導(dǎo)體通過絕緣材料、線束包裹、敷設(shè)路徑向外傳遞熱量，其溫度通常高于環(huán)境溫度，經(jīng)過一段時間達到熱平衡，考慮到飛機線路的實際工作情況，導(dǎo)線工作的熱狀態(tài)受多種因素共同影響，難以進行精確的計算，相關(guān)影響因子的確定一般由實驗方法近似取值。通常導(dǎo)線產(chǎn)生的大部分熱量（80%～90%）以對流方式散去；剩下的熱量幾乎全部由輻射方式散去，導(dǎo)線的絕緣層表面與敷設(shè)環(huán)境自然對流傳熱，當發(fā)熱與散熱達到熱平衡時，溫度分布趨于穩(wěn)定。

忽略溫度對導(dǎo)體直流電阻的影響，當有電流I通過導(dǎo)線時，就有電能轉(zhuǎn)換為熱能。按照焦耳定律，在時間dt內(nèi)電流I所產(chǎn)生的熱量為

式中:Q發(fā)為發(fā)熱量（焦耳）；I 為負載電流（安）；R 為單位長度的導(dǎo)線電阻（歐姆）。

經(jīng)過一段時間dt 所產(chǎn)生的熱量一部分用于使導(dǎo)線加熱，其值為GCdθ；另一部分以熱的形式散熱到周圍介質(zhì)中，其值為

式中，G 為導(dǎo)線重量；C 為比熱容；θ0為導(dǎo)線周圍介質(zhì)溫度；θ-θ0為導(dǎo)線的溫升；S散為導(dǎo)線散熱表面積；K為散熱系數(shù)。

導(dǎo)線在發(fā)熱過程中的熱平衡方程式為

解此微分方程，可以得到通解:

代入初始條件:當t=0時，θ=θ0，則得

微分方程的特解為

當穩(wěn)定溫度值一定時，為導(dǎo)線的在特定線束、敷設(shè)方式下的允許溫度值，其與工作電流值、絕緣材料的性能等相關(guān)聯(lián)；在實際工作中，導(dǎo)線的敷設(shè)方式是決定導(dǎo)線散熱系數(shù)及散熱表面積的實際因素。導(dǎo)線的額定穩(wěn)定溫度值更多的由其敷設(shè)實際情況確定，熱負荷過大引起局部熱應(yīng)力，致使性能退化；紅外熱像技術(shù)利用紅外輻射效應(yīng)，實時獲取導(dǎo)線的表面溫度譜，進而確定其熱狀態(tài)［8～12］。

3 實驗方案

實驗方案的選取應(yīng)考慮測試平臺技術(shù)手段等實施的有效性，同時測量點的選擇應(yīng)考慮機載電氣線路敷設(shè)的實際；針對機載電氣線路易于產(chǎn)生局部熱應(yīng)力的敷設(shè)方式，試驗分別從匯線、余量處理、線路防護、走勢等方面選取多個測量點，適當配置外部參數(shù)，獲取實驗數(shù)據(jù)。

3.1 外部參數(shù)的設(shè)置

本實驗采用的測量儀器為紅外熱像儀，型號為FLUKETi400，測量精度±2℃或2%。發(fā)射率為ε=0.9，環(huán)境溫度t0=15℃～19℃，空氣濕度50%，室內(nèi)不考慮太陽輻射、風力等外界環(huán)境因素影響；試驗樣品選取0.75mm 銅芯聚氯乙烯高溫導(dǎo)線，其額定耐壓值450/750V，電阻約為0.01Ω/m，外接額定工作電壓27.5V；鑒于機上用電設(shè)備工作電流在5A～7A范圍內(nèi)為數(shù)較多，通常不超過10A，實驗中工作電流（施加應(yīng)力）由功率滑動變阻器調(diào)節(jié)。

3.2 測量點的選取

實驗中測量點的選取，應(yīng)考慮機載電氣線路敷設(shè)的實際，能夠反映被測量點熱狀態(tài)特征的同時，便于進行熱特征參數(shù)的獲?。幌噜彍y量點之間應(yīng)保持一定的間隔，以減少紅外輻射及外界環(huán)境熱條件的影響；將測量點的相對“熱”因子的靈敏度作為選取測量點的重要參考依據(jù)，若某一測量點其相對靈敏度較高，說明該測量點能夠顯著反映導(dǎo)線敷設(shè)的實際工作狀態(tài)。

綜合考慮機載電氣線路的實際敷設(shè)情況以及對測量點的要求，本實驗選取了4種匯線方式、3種余量處理方式、2 種防護方式及6 種不同走勢進行具體分析，具體情況如表1。

表1 實驗中的敷設(shè)方式

3.3 實驗流程

考慮到紅外熱成像儀本身長時間工作產(chǎn)生的熱輻射對試驗線路的影響，實驗中以20min 為間隔進行一次采集，得到實驗樣本圖像。考慮到飛行任務(wù)的實際情況，連續(xù)通電時間一般為2h。

4 紅外特征分析

4.1 溫度場內(nèi)溫度峰值

圖1～圖3 比較了窗口內(nèi)溫度場不同敷設(shè)方式的最高溫度值（峰值）在部分工作狀態(tài)下，隨采集時間的變化情況。

如圖1所示，當I=0.5A，各測量點在t1～t7時刻，其最高溫度值隨時間推移走勢基本一致，呈緩慢上升趨勢且溫差不超過1℃。t4為測量拐點，在時間點t1～t4時刻之間測量點溫度上升速度相對較快；t4～t5時刻后溫度開始趨于穩(wěn)定，t1與t7時刻間各測量點溫差近3℃。

圖1 I=1.5A，部分測量點的最高溫度值Tmax比較情況

圖2 I=4.4A，部分測量點的最高溫度值Tmax比較情況

如圖2 所示，當I=4.4A，各測量點溫度迅速上升，與前序狀態(tài)相比，各測量點趨于穩(wěn)定溫度進一步前移，經(jīng)過t3時刻，各測量點趨于穩(wěn)定溫度明顯前移。隨著通電時間的增加，各測量點整體趨勢開始出現(xiàn)一定溫差。

圖3 I=8.8A，部分測量點的最高溫度值Tmax比較情況

如圖3 所示，I=8.8A，經(jīng)過t2時刻，各測量點溫度迅速上升且趨于穩(wěn)定。隨著通電時間的增加，各測量點整體趨勢溫差較為明顯，部分測量點的最高穩(wěn)定溫度已超過40℃。

圖1～圖3，各測量點的溫度趨于穩(wěn)定的拐點由t4逐漸提前到t2，穩(wěn)定溫度也由20℃提高至60℃，以測量點6、7、13 為例同一線束路徑上的不同部位，其余量處理方式，特別是線束彎曲內(nèi)徑存在一定差異，測量點6 的溫度較高，測量點7、13 溫度較為一致，不同的的余量處理方式對熱應(yīng)力的敏感性不同。測量點5、7 的線束重疊部分長度一致，測量點5 處采用“八字結(jié)”法進行余量處理，熱應(yīng)力比較分散；測量點6 為“小余量線圈法”處理，熱應(yīng)力比較集中，散熱區(qū)域相較于5 較小。測量點7 做了捆扎處理，而測量點13 未作捆扎處理，溫度顯示基本一致。測量點6、7 重疊面積基本一致，盡管測量點6 彎曲內(nèi)徑較大，但溫度顯示測量點6 遠高于測量點7，測量點6 的余量處理方式更容易造成熱力集中；線束的彎曲內(nèi)徑及其余量處理方式等對熱應(yīng)力的作用效果較為明顯，是導(dǎo)線溫升的重要影響因素。

圖4 不同狀態(tài)下部分測量點的相對穩(wěn)定溫升Ts值比較情況

各測量點經(jīng)過一定時間后，最高溫度趨于穩(wěn)定，以相對穩(wěn)定溫升為特征參數(shù)，即取趨于穩(wěn)定的最高溫度值與初始最高溫度值作差值，記為相對穩(wěn)定溫升Ts，Ts=Tmax-T0，（Tmax為某狀態(tài)趨于穩(wěn)定的最高溫度值；T0，某狀態(tài)初始時刻最高溫度值），選取部分測量點在不同狀態(tài)下的相對穩(wěn)定溫升值進行比較分析，如圖6所示。狀態(tài)4是曲線變化的拐點，狀態(tài)4 之前，各測量點的相對穩(wěn)定溫升隨著熱應(yīng)力的增加，在一定范圍內(nèi)波動，基本趨于穩(wěn)定；狀態(tài)3與狀態(tài)5 之間（給定電流值2.7 ≤I ≤4.4 時），部分測量點的相對穩(wěn)定溫升有小幅波動，應(yīng)該為測量點相對穩(wěn)定溫升的鍛煉期；經(jīng)過狀態(tài)4 之后（給定電流值I＞4.4 時），測量點隨熱應(yīng)力的增大較為敏感，呈增大趨勢，測量點5 相對穩(wěn)定溫度值最高。不同的工作電流下，各敷設(shè)方式對熱應(yīng)力的敏感性具有較大的差異性。

4.2 溫升溢出率

圖5 不同狀態(tài)下部分測量點λs值比較情況

在不同的工作電流下，各測量點相對穩(wěn)定溫升的不同，表現(xiàn)了不同敷設(shè)方式對熱因子的敏感性，工作電流或敷設(shè)方式導(dǎo)致過高的熱應(yīng)力值超過導(dǎo)線額定熱負荷，易造成導(dǎo)線性能退化；以溫升溢出率為特征參數(shù)，即相對穩(wěn)定溫升Ts與額定最高穩(wěn)定溫升Tem的比值，記為，λs=Ts/Tem。圖7為部分測量點在不同狀態(tài)下的溫升溢出率λs 值的趨勢圖與梯度譜，狀態(tài)4 是曲線變化的分水嶺，狀態(tài)4 之前，各測量點的溫升溢出率λs 值隨著熱應(yīng)力（工作電流）的增加，在一定范圍內(nèi)波動，基本趨于穩(wěn)定；經(jīng)過狀態(tài)4 之后（給定電流值I＞4.4 時），測量點隨熱應(yīng)力的增大較為敏感，呈增大趨勢，已經(jīng)超出導(dǎo)線的一般熱容量。不同的工作電流下，各敷設(shè)方式對熱應(yīng)力的耐熱能力具有一定的差異性。

5 結(jié)語

本文提出了一種基于紅外特征的航空導(dǎo)線性能定量評估方法。在不同工作電流作用下，對線路進行通電實驗，通過紅外熱像儀對熱應(yīng)力較為集中的部位提取“熱”信息，形成溫度譜，認為溫度場內(nèi)的最高溫度能夠準確定位并跟蹤監(jiān)測部位。由于不同敷設(shè)方式對熱因子敏感性存在一定的差異性，定義了相對穩(wěn)定溫升Ts和溫升溢出率λs，并將其作為特征參數(shù)，能夠在一定程度上反映了敷設(shè)方式對熱應(yīng)力的耐熱能力的差異性，驗證了該方法在性能定量評估的可行性，驗證了將熱成像技術(shù)應(yīng)用于航空導(dǎo)線性能評估的可行性，對線路故障的主動預(yù)防與在線診斷具有一定的技術(shù)牽引。