航空導線熱像定量評估方法?

于向陽 姚凌虹 趙 時 馬 曾 劉鈞賢

（1.海軍航空大學青島校區 青島 266000）（2.海軍潛艇學院 青島 266000）

1 引言

航空導線作為配送電能及傳輸控制信號的載體，可謂飛機的“神經脈絡”。隨著機載系統及其設備的增加，導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域易造成熱應集中，加速熱老化，不可避免地造成了絕緣性能顯著下降，成為故障頻發的安全隱患。

目前，涉及航空導線性能的研究主要集中在更具經濟意義的絕緣性能老化及剩余壽命研究等方向，因不同產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；裝機后的敷設方式、環境等因素也是影響其性能的重要因素，對于因敷設環境、方式不同而引起的故障，往往是在系統出現異常后，沿著敷設路徑針對絕緣層進行離線人工目視檢，受人員維護經驗、檢測設備的限制，故障不易探查，給飛機線路的日常維護帶來了極大的困難。

隨著紅外熱像技術的不斷發展提高，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，直接判斷設備內部工作情況及其完好性；加之體積小、效率高、適合大面積在線監測等優勢，其在線路的檢測以及故障診斷中發揮了越來越重要的作用［1～4］。

海軍工程大學的孫豐瑞教授、楊立教授等對紅外技術是否具備對機電設備進行故障診斷的能力及其影響因素等進行了深入研究，制定了紅外技術對故障診斷能力的評價指標，認為利用紅外技術對機電設備進行故障診斷的核心是準確獲取被測設備的溫度分布狀態以及故障點的溫度或溫升值，此數值不僅能比較直觀判斷設備是否有存在故障，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［5～7］。

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

2 飛機線路熱狀態模型

機載電路網中的導線，在實際走勢路徑上，往往捆扎成束并以不同的敷設方式安裝在狹窄的隔框內，在一定電流下運行會產生熱效應，導線工作的熱狀態“因地制宜”。導線內芯導體通過絕緣材料、線束包裹、敷設路徑向外傳遞熱量，其溫度通常高于環境溫度，經過一段時間達到熱平衡，考慮到飛機線路的實際工作情況，導線工作的熱狀態受多種因素共同影響，難以進行精確的計算，相關影響因子的確定一般由實驗方法近似取值。通常導線產生的大部分熱量（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，導線的絕緣層表面與敷設環境自然對流傳熱，當發熱與散熱達到熱平衡時，溫度分布趨于穩定。

忽略溫度對導體直流電阻的影響，當有電流I通過導線時，就有電能轉換為熱能。按照焦耳定律，在時間dt內電流I所產生的熱量為

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

經過一段時間dt 所產生的熱量一部分用于使導線加熱，其值為GCdθ；另一部分以熱的形式散熱到周圍介質中，其值為

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

導線在發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

當穩定溫度值一定時，為導線的在特定線束、敷設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聯；在實際工作中，導線的敷設方式是決定導線散熱系數及散熱表面積的實際因素。導線的額定穩定溫度值更多的由其敷設實際情況確定，熱負荷過大引起局部熱應力，致使性能退化；紅外熱像技術利用紅外輻射效應，實時獲取導線的表面溫度譜，進而確定其熱狀態［8～12］。

3 實驗方案

實驗方案的選取應考慮測試平臺技術手段等實施的有效性，同時測量點的選擇應考慮機載電氣線路敷設的實際；針對機載電氣線路易于產生局部熱應力的敷設方式，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，獲取實驗數據。

3.1 外部參數的設置

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%。發射率為ε=0.9，環境溫度t0=15℃～19℃，空氣濕度50%，室內不考慮太陽輻射、風力等外界環境因素影響；試驗樣品選取0.75mm 銅芯聚氯乙烯高溫導線，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；鑒于機上用電設備工作電流在5A～7A范圍內為數較多，通常不超過10A，實驗中工作電流（施加應力）由功率滑動變阻器調節。

3.2 測量點的選取

實驗中測量點的選取，應考慮機載電氣線路敷設的實際，能夠反映被測量點熱狀態特征的同時，便于進行熱特征參數的獲取；相鄰測量點之間應保持一定的間隔，以減少紅外輻射及外界環境熱條件的影響；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，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線敷設的實際工作狀態。

綜合考慮機載電氣線路的實際敷設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。考慮到飛行任務的實際情況，連續通電時間一般為2h。

4 紅外特征分析

4.1 溫度場內溫度峰值

圖1～圖3 比較了窗口內溫度場不同敷設方式的最高溫度值（峰值）在部分工作狀態下，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，與前序狀態相比，各測量點趨于穩定溫度進一步前移，經過t3時刻，各測量點趨于穩定溫度明顯前移。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，經過t2時刻，各測量點溫度迅速上升且趨于穩定。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定溫度已超過40℃。

圖1～圖3，各測量點的溫度趨于穩定的拐點由t4逐漸提前到t2，穩定溫度也由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”法進行余量處理，熱應力比較分散；測量點6 為“小余量線圈法”處理，熱應力比較集中，散熱區域相較于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；線束的彎曲內徑及其余量處理方式等對熱應力的作用效果較為明顯，是導線溫升的重要影響因素。

圖4 不同狀態下部分測量點的相對穩定溫升Ts值比較情況

各測量點經過一定時間后，最高溫度趨于穩定，以相對穩定溫升為特征參數，即取趨于穩定的最高溫度值與初始最高溫度值作差值，記為相對穩定溫升Ts，Ts=Tmax-T0，（Tmax為某狀態趨于穩定的最高溫度值；T0，某狀態初始時刻最高溫度值），選取部分測量點在不同狀態下的相對穩定溫升值進行比較分析，如圖6所示。狀態4是曲線變化的拐點，狀態4 之前，各測量點的相對穩定溫升隨著熱應力的增加，在一定范圍內波動，基本趨于穩定；狀態3與狀態5 之間（給定電流值2.7 ≤I ≤4.4 時），部分測量點的相對穩定溫升有小幅波動，應該為測量點相對穩定溫升的鍛煉期；經過狀態4 之后（給定電流值I＞4.4 時），測量點隨熱應力的增大較為敏感，呈增大趨勢，測量點5 相對穩定溫度值最高。不同的工作電流下，各敷設方式對熱應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，各測量點相對穩定溫升的不同，表現了不同敷設方式對熱因子的敏感性，工作電流或敷設方式導致過高的熱應力值超過導線額定熱負荷，易造成導線性能退化；以溫升溢出率為特征參數，即相對穩定溫升Ts與額定最高穩定溫升Tem的比值，記為，λs=Ts/Tem。圖7為部分測量點在不同狀態下的溫升溢出率λs 值的趨勢圖與梯度譜，狀態4 是曲線變化的分水嶺，狀態4 之前，各測量點的溫升溢出率λs 值隨著熱應力（工作電流）的增加，在一定范圍內波動，基本趨于穩定；經過狀態4 之后（給定電流值I＞4.4 時），測量點隨熱應力的增大較為敏感，呈增大趨勢，已經超出導線的一般熱容量。不同的工作電流下，各敷設方式對熱應力的耐熱能力具有一定的差異性。

5 結語

本文提出了一種基于紅外特征的航空導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力較為集中的部位提取“熱”信息，形成溫度譜，認為溫度場內的最高溫度能夠準確定位并跟蹤監測部位。由于不同敷設方式對熱因子敏感性存在一定的差異性，定義了相對穩定溫升Ts和溫升溢出率λs，并將其作為特征參數，能夠在一定程度上反映了敷設方式對熱應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應用于航空導線性能評估的可行性，對線路故障的主動預防與在線診斷具有一定的技術牽引。