于向陽(yáng) 姚凌虹 趙 時(shí) 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(hào)的載體，可謂飛機(jī)的“神經(jīng)脈絡(luò)”。隨著機(jī)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(guò)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(jì)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(jī)前開(kāi)展有針對(duì)性的型號(hào)試驗(yàn)，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有適用性較為廣泛的性能試驗(yàn)研究體系；裝機(jī)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(duì)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(duì)絕緣層進(jìn)行離線人工目視檢，受人員維護(hù)經(jīng)驗(yàn)、檢測(cè)設(shè)備的限制，故障不易探查，給飛機(jī)線路的日常維護(hù)帶來(lái)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(guò)熱成像精確地讀出所檢測(cè)部位的溫度分布，通過(guò)對(duì)紅外特征的分析、比對(duì)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(cè)等優(yōu)勢(shì)，其在線路的檢測(cè)以及故障診斷中發(fā)揮了越來(lái)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(duì)紅外技術(shù)是否具備對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行故障診斷的能力及其影響因素等進(jìn)行了深入研究，制定了紅外技術(shù)對(duì)故障診斷能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)，認(rèn)為利用紅外技術(shù)對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行故障診斷的核心是準(zhǔn)確獲取被測(cè)設(shè)備的溫度分布狀態(tài)以及故障點(diǎn)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(duì)飛機(jī)導(dǎo)線實(shí)際敷設(shè)方式，設(shè)計(jì)并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在一定工作狀態(tài)下針對(duì)導(dǎo)線的不同敷設(shè)方式開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)紅外熱像儀對(duì)選取部位進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，分析其溫度場(chǎng)紅外特征，提取其特征參數(shù)，并對(duì)典型部位進(jìn)行在線數(shù)據(jù)分析與處理，對(duì)其在線診斷及預(yù)防進(jìn)行有益探索。

2 飛機(jī)線路熱狀態(tài)模型

機(jī)載電路網(wǎng)中的導(dǎo)線，在實(shí)際走勢(shì)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(yùn)行會(huì)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(guò)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(guò)一段時(shí)間達(dá)到熱平衡，考慮到飛機(jī)線路的實(shí)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(jìn)行精確的計(jì)算，相關(guān)影響因子的確定一般由實(shí)驗(yàn)方法近似取值。通常導(dǎo)線產(chǎn)生的大部分熱量（80%～90%）以對(duì)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(duì)流傳熱，當(dāng)發(fā)熱與散熱達(dá)到熱平衡時(shí)，溫度分布趨于穩(wěn)定。

忽略溫度對(duì)導(dǎo)體直流電阻的影響，當(dāng)有電流I通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，就有電能轉(zhuǎn)換為熱能。按照焦耳定律，在時(shí)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(fù)載電流（安）；R 為單位長(zhǎng)度的導(dǎo)線電阻（歐姆）。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)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?chē)橘|(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?chē)橘|(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(guò)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(dāng)t=0時(shí)，θ=θ0，則得

微分方程的特解為

當(dāng)穩(wěn)定溫度值一定時(shí)，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(shí)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(shí)際因素。導(dǎo)線的額定穩(wěn)定溫度值更多的由其敷設(shè)實(shí)際情況確定，熱負(fù)荷過(guò)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(shí)時(shí)獲取導(dǎo)線的表面溫度譜，進(jìn)而確定其熱狀態(tài)［8～12］。

3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)方案的選取應(yīng)考慮測(cè)試平臺(tái)技術(shù)手段等實(shí)施的有效性，同時(shí)測(cè)量點(diǎn)的選擇應(yīng)考慮機(jī)載電氣線路敷設(shè)的實(shí)際；針對(duì)機(jī)載電氣線路易于產(chǎn)生局部熱應(yīng)力的敷設(shè)方式，試驗(yàn)分別從匯線、余量處理、線路防護(hù)、走勢(shì)等方面選取多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，適當(dāng)配置外部參數(shù)，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.1 外部參數(shù)的設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)采用的測(cè)量?jī)x器為紅外熱像儀，型號(hào)為FLUKETi400，測(cè)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(yáng)輻射、風(fēng)力等外界環(huán)境因素影響；試驗(yàn)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(jī)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(guò)10A，實(shí)驗(yàn)中工作電流（施加應(yīng)力）由功率滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)。

3.2 測(cè)量點(diǎn)的選取

實(shí)驗(yàn)中測(cè)量點(diǎn)的選取，應(yīng)考慮機(jī)載電氣線路敷設(shè)的實(shí)際，能夠反映被測(cè)量點(diǎn)熱狀態(tài)特征的同時(shí)，便于進(jìn)行熱特征參數(shù)的獲取；相鄰測(cè)量點(diǎn)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(cè)量點(diǎn)的相對(duì)“熱”因子的靈敏度作為選取測(cè)量點(diǎn)的重要參考依據(jù)，若某一測(cè)量點(diǎn)其相對(duì)靈敏度較高，說(shuō)明該測(cè)量點(diǎn)能夠顯著反映導(dǎo)線敷設(shè)的實(shí)際工作狀態(tài)。

綜合考慮機(jī)載電氣線路的實(shí)際敷設(shè)情況以及對(duì)測(cè)量點(diǎn)的要求，本實(shí)驗(yàn)選取了4種匯線方式、3種余量處理方式、2 種防護(hù)方式及6 種不同走勢(shì)進(jìn)行具體分析，具體情況如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)中的敷設(shè)方式

3.3 實(shí)驗(yàn)流程

考慮到紅外熱成像儀本身長(zhǎng)時(shí)間工作產(chǎn)生的熱輻射對(duì)試驗(yàn)線路的影響，實(shí)驗(yàn)中以20min 為間隔進(jìn)行一次采集，得到實(shí)驗(yàn)樣本圖像?？紤]到飛行任務(wù)的實(shí)際情況，連續(xù)通電時(shí)間一般為2h。

4 紅外特征分析

4.1 溫度場(chǎng)內(nèi)溫度峰值

圖1～圖3 比較了窗口內(nèi)溫度場(chǎng)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(shí)間的變化情況。

如圖1所示，當(dāng)I=0.5A，各測(cè)量點(diǎn)在t1～t7時(shí)刻，其最高溫度值隨時(shí)間推移走勢(shì)基本一致，呈緩慢上升趨勢(shì)且溫差不超過(guò)1℃。t4為測(cè)量拐點(diǎn)，在時(shí)間點(diǎn)t1～t4時(shí)刻之間測(cè)量點(diǎn)溫度上升速度相對(duì)較快；t4～t5時(shí)刻后溫度開(kāi)始趨于穩(wěn)定，t1與t7時(shí)刻間各測(cè)量點(diǎn)溫差近3℃。

圖1 I=1.5A，部分測(cè)量點(diǎn)的最高溫度值Tmax比較情況

圖2 I=4.4A，部分測(cè)量點(diǎn)的最高溫度值Tmax比較情況

如圖2 所示，當(dāng)I=4.4A，各測(cè)量點(diǎn)溫度迅速上升，與前序狀態(tài)相比，各測(cè)量點(diǎn)趨于穩(wěn)定溫度進(jìn)一步前移，經(jīng)過(guò)t3時(shí)刻，各測(cè)量點(diǎn)趨于穩(wěn)定溫度明顯前移。隨著通電時(shí)間的增加，各測(cè)量點(diǎn)整體趨勢(shì)開(kāi)始出現(xiàn)一定溫差。

圖3 I=8.8A，部分測(cè)量點(diǎn)的最高溫度值Tmax比較情況

如圖3 所示，I=8.8A，經(jīng)過(guò)t2時(shí)刻，各測(cè)量點(diǎn)溫度迅速上升且趨于穩(wěn)定。隨著通電時(shí)間的增加，各測(cè)量點(diǎn)整體趨勢(shì)溫差較為明顯，部分測(cè)量點(diǎn)的最高穩(wěn)定溫度已超過(guò)40℃。

圖1～圖3，各測(cè)量點(diǎn)的溫度趨于穩(wěn)定的拐點(diǎn)由t4逐漸提前到t2，穩(wěn)定溫度也由20℃提高至60℃，以測(cè)量點(diǎn)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(cè)量點(diǎn)6 的溫度較高，測(cè)量點(diǎn)7、13 溫度較為一致，不同的的余量處理方式對(duì)熱應(yīng)力的敏感性不同。測(cè)量點(diǎn)5、7 的線束重疊部分長(zhǎng)度一致，測(cè)量點(diǎn)5 處采用“八字結(jié)”法進(jìn)行余量處理，熱應(yīng)力比較分散；測(cè)量點(diǎn)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(cè)量點(diǎn)7 做了捆扎處理，而測(cè)量點(diǎn)13 未作捆扎處理，溫度顯示基本一致。測(cè)量點(diǎn)6、7 重疊面積基本一致，盡管測(cè)量點(diǎn)6 彎曲內(nèi)徑較大，但溫度顯示測(cè)量點(diǎn)6 遠(yuǎn)高于測(cè)量點(diǎn)7，測(cè)量點(diǎn)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(duì)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(cè)量點(diǎn)的相對(duì)穩(wěn)定溫升Ts值比較情況

各測(cè)量點(diǎn)經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，最高溫度趨于穩(wěn)定，以相對(duì)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(duì)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(shí)刻最高溫度值），選取部分測(cè)量點(diǎn)在不同狀態(tài)下的相對(duì)穩(wěn)定溫升值進(jìn)行比較分析，如圖6所示。狀態(tài)4是曲線變化的拐點(diǎn)，狀態(tài)4 之前，各測(cè)量點(diǎn)的相對(duì)穩(wěn)定溫升隨著熱應(yīng)力的增加，在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，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(shí)），部分測(cè)量點(diǎn)的相對(duì)穩(wěn)定溫升有小幅波動(dòng)，應(yīng)該為測(cè)量點(diǎn)相對(duì)穩(wěn)定溫升的鍛煉期；經(jīng)過(guò)狀態(tài)4 之后（給定電流值I＞4.4 時(shí)），測(cè)量點(diǎn)隨熱應(yīng)力的增大較為敏感，呈增大趨勢(shì)，測(cè)量點(diǎn)5 相對(duì)穩(wěn)定溫度值最高。不同的工作電流下，各敷設(shè)方式對(duì)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(cè)量點(diǎn)λs值比較情況

在不同的工作電流下，各測(cè)量點(diǎn)相對(duì)穩(wěn)定溫升的不同，表現(xiàn)了不同敷設(shè)方式對(duì)熱因子的敏感性，工作電流或敷設(shè)方式導(dǎo)致過(guò)高的熱應(yīng)力值超過(guò)導(dǎo)線額定熱負(fù)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(duì)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(cè)量點(diǎn)在不同狀態(tài)下的溫升溢出率λs 值的趨勢(shì)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(cè)量點(diǎn)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(dòng)，基本趨于穩(wěn)定；經(jīng)過(guò)狀態(tài)4 之后（給定電流值I＞4.4 時(shí)），測(cè)量點(diǎn)隨熱應(yīng)力的增大較為敏感，呈增大趨勢(shì)，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(duì)熱應(yīng)力的耐熱能力具有一定的差異性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于紅外特征的航空導(dǎo)線性能定量評(píng)估方法。在不同工作電流作用下，對(duì)線路進(jìn)行通電實(shí)驗(yàn)，通過(guò)紅外熱像儀對(duì)熱應(yīng)力較為集中的部位提取“熱”信息，形成溫度譜，認(rèn)為溫度場(chǎng)內(nèi)的最高溫度能夠準(zhǔn)確定位并跟蹤監(jiān)測(cè)部位。由于不同敷設(shè)方式對(duì)熱因子敏感性存在一定的差異性，定義了相對(duì)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(duì)熱應(yīng)力的耐熱能力的差異性，驗(yàn)證了該方法在性能定量評(píng)估的可行性，驗(yàn)證了將熱成像技術(shù)應(yīng)用于航空導(dǎo)線性能評(píng)估的可行性，對(duì)線路故障的主動(dòng)預(yù)防與在線診斷具有一定的技術(shù)牽引。