新型飛機用中頻低耗平衡軟電纜的研制

鄧一權,李章學,張海竹

(四川川東電纜有限責任公司,達州 635000)

0 引 言

隨著國家《“十四五”民用航空發展規劃》等發展規劃和實施方案的落地實施,國內航空產業將迎來高速發展階段,越來越多的中頻設備被用于飛機上,與之配套的400 Hz 中頻飛機用低耗平衡軟電纜的用量大幅度增長。因電纜性能要求高、結構復雜、應用場景苛刻,目前國內無法生產,必須依賴進口。近年來,用戶對電纜的耐磨性能、耐曲撓性能、耐低溫性能等提出了要求,因此,開發符合新要求的新型飛機用中頻低耗平衡軟電纜,搶占市場,從而打破國外產品的壟斷已迫在眉睫。本工作開發了一款新型飛機用中頻低耗平衡軟電纜,并對電纜成纜設備進行了改進。

1 電纜的設計

1.1 產品特點

飛機用中頻低耗平衡軟電纜是一種為飛機檢測、檢修、維護保養和機載設備供電的專用電纜,由主線芯、地線芯和控制線芯組成。電纜卷繞在卷筒上,使用時需要將電纜從卷筒上放出并牽引到飛機上,工作完成后將電纜回收到卷筒上,在此過程中,電纜要經受彎曲、扭轉、拖曳、地面摩擦、機械輾壓、油污、紫外線、酸堿、鹽霧和高低溫等物理或化學因素的作用,其工作環境惡劣,容易產生控制線芯斷芯、電纜破口、麻花狀等問題,致使電纜報廢。目前,國內仿制品的壽命約3 個月,進口產品壽命約兩年,頻繁地更換電纜會造成經濟損失。

1.2 性能要求

按照Q/21070305-4.60—2020《飛機用中頻低耗平衡軟電纜》標準[1],與進口電纜相比,本工作研制的電纜滿足以下特殊性能要求。

1)耐磨性能:溫度在15～25 ℃范圍內,施加規定的垂直作用力,往復2 000 次,電纜護套不磨穿,且不漏出內部的絕緣線芯。

2)曲撓拖曳性能:在半徑為5～6 倍電纜直徑的卷筒上,加載主線芯導體標稱截面積×芯數×10 N 的張力負荷,以20 m·min-1的速率曲撓拖曳15 000 個周期后,電纜護套表面無破損、無短路、斷路現象,且絕緣線芯能通過浸水耐壓試驗。

3)耐寒性能:在-57～-53 ℃溫度條件下,絕緣和護套斷裂伸長率不小于30%;在-57～-53 ℃溫度條件下,于4～5 倍電纜外徑的試棒上彎曲180°,絕緣和護套表面無裂紋。

1.3 電纜結構設計

為提高電纜的柔軟性能、耐寒性能、耐扭性能、曲撓拖曳性能和使用壽命,本工作主要從整體復合設計、導體結構、控制線芯組、絕緣層、護層這5 個方面,對新型飛機用中頻低耗平衡軟電纜進行結構上的優化設計。

1.3.1 整體復合設計

新型飛機用中頻低耗平衡軟電纜結構示意圖見圖1。

圖1 新型飛機用中頻低耗平衡軟電纜結構示意圖

新型飛機用中頻低耗平衡軟電纜采用改進型“1+3+3+6”的均勻對稱結構,電纜由1 根中心加強芯、3 根主線芯、3 根地線芯、6 組控制線芯組、內護套、編織加強層和外護套組成。中心加強芯置于3 根主線芯的中央;3 根地線芯均勻地分布在3 根主線芯的間隙中;6 組控制線芯組分別置于主線芯與地線芯形成的間隙中。內護套應填滿纜芯外部所有間隙,內護套外有芳綸編織加強層。外護套與內護套應黏接在一起,以確保各組件受力均勻,結構穩定,從而具有更好的彎曲性能和電纜電容、電感平衡、抗干擾的能力,提高了電纜的使用壽命,具有傳輸中頻電能和信號的功能,比進口產品性能更優。

1.3.2 導體結構設計

電纜的導體采用第6 種軟銅導體,所有股線采用同向束線,再以小節距且等節徑比復絞;主線芯導體由四等份分割導體股塊組成,每份分割導體股塊以聚四氟乙烯帶繞包隔離,再復絞成主線芯導體,并在其中心和外緣間隙處填充芳綸纖維,此設計不僅減小了導體電阻和電抗,大幅度降低導體“集膚效應”帶來的影響[2],還提高了電纜的柔軟性能、曲撓拖曳性能和機械強度;地線芯導體絞合方向與主線芯的絞合方向相反,可抵消主線芯扭轉應力,防止電纜扭曲變形呈麻花狀。

1.3.3 控制線芯組設計

電纜的6 個控制線芯組,均勻分布在主線芯和地線芯形成的間隙中。每個控制線芯組由4 根絕緣線芯、1 根高彈性尼龍線、4 根芳綸纖維、聚四氟乙烯包帶組成,其結構示意圖見圖2。

圖2 控制線芯組結構示意圖

由圖2 可知,高彈性尼龍線位于中心,4 根芳綸纖維加強芯位于線芯外緣間隙中,在控制線芯組外繞包1 層聚四氟乙烯帶。高彈性尼龍線發揮固定支撐和增強作用,外緣間隙采用芳綸纖維填充增加控制線芯的機械強度,光滑的聚四氟乙烯帶保證了控制線芯組的滑移性,從而提高了控制線芯組的抗拉性能和抗彎曲性能。

1.3.4 絕緣層設計

以進口的中等含乙烯量的三元乙丙橡膠作為骨架材料,采用交聯劑 WY988 和有機過氧化物(DCP)復合硫化體系,這兩種材料的并用會產生兩種不同的化學交聯鍵,即—Sx—(CH)6—Sx—鍵(x=1 或2)和碳碳鍵,其中—Sx—(CH)6—Sx—具有抗還原性和抗疲勞性,碳碳鍵具有優良的耐老化性能,兩種交聯鍵協同作用,使橡膠兼具優良的物理性能。同時,通過配合納米材料和功能性材料,使絕緣具有優良的機械強度、耐彎曲性能、耐熱性能、耐卷繞性能和電氣性能等特殊要求。采用嚙合型密閉式煉膠生產線,以三段式“逆混法”生產乙丙橡膠絕緣料,保證絕緣料的清潔度和各項性能指標的優異性。該自制專用乙丙橡膠絕緣料,具有優良的電性能(20 ℃時體積電阻率不小于1×1013Ω·m)、耐寒性能(工作溫度不小于-55 ℃)、柔軟性能、耐扭性能和耐曲撓性能。

1.3.5 護層的設計

護層由內護套、編織加強層和外護套組成。內護套采用聚醚型聚氨酯彈性體以高壓擠出成型方式擠制而成,使其填滿纜芯外緣間隙,形成甲胄式結構;加強層采用芳綸纖維,以優化的編織節距和編織角度平整均勻地編織在內護套上;外護套采用聚醚型聚氨酯彈性體高壓擠包在加強層外,并與內護套黏結成一個整體。

內護套具有固定、支撐和穩定成纜線芯結構的作用,防止扭轉、彎曲過程中絕緣線芯和控制線芯發生紊亂,增強了抗扭曲性能;芳綸纖維編織加強層提高了電纜的機械強度和抗扭曲性能;聚醚型聚氨酯彈性體外護套不僅機械性能好(抗張強度不小于30 N·mm-2,斷裂伸長率不小于300%),還具有優良的耐磨、耐油、耐酸堿、耐寒(工作溫度不小于-55 ℃)、耐鹽霧、耐氣候等性能,確保了電纜能適應機場的惡劣環境和工況。

2 成纜設備及工藝改進

2.1 成纜設備改進

電纜成纜時共有13 個單元,其中3 根主線芯和3 根地線芯是較大規格,6 組控制線芯組是小規格(0.75 mm2或1 mm2)。現有成纜設備無法生產新型飛機用中頻低耗平衡軟電纜,本工作將現有1000型成纜機支撐圓盤上的填充架,改造設計成6 個小搖籃架。成纜時,中心加強芯放在成纜機尾部放線架上,3 根主線芯和3 根地線芯均放在主搖籃架上,6 組控制線芯組放在6 個小搖籃架上,實現了所有線芯的退扭,解決了電纜成纜的難題。

2.2 工藝改進

為實現產品的柔軟性、彎曲性、抗扭曲性、抗拉性、結構穩定性和均勻性,達到設計效果,須對電纜分割導體、絕緣、成纜、內外護套和編織加強層等結構的制造工藝進行科學改進和重點控制。工藝改進的詳細內容及取得的效果見表1。

表1 工藝改進及效果

3 性能測試

按照新型飛機用中頻低耗平衡軟電纜的結構設計方案,本工作試制了MHYT-400 HZ/250 3×70+3×12+6×4×1 電纜產品,并按照Q/21070305-4.60—2020 的試驗方法進行了試驗,試驗結果見表2。

表2 產品主要性能指標測試結果

與進口產品性能相比,本工作研制的產品的耐曲撓拖曳性能通過了15 000 個周期的曲撓拖曳試驗,保證了電纜的使用壽命;電纜的最低工作溫度為-55 ℃,耐寒性能優良;通過了2 000 次的耐磨試驗;電纜的主線芯導體采用分割導體,絕緣層采用乙丙橡膠絕緣材料,比交聯聚乙烯材料更柔軟,降低了集膚效應。

4 結束語

本工作研制的新型飛機用中頻低耗平衡軟電纜,通過設計分割導體、對稱結構、加強芯、加強層、聚四氟乙烯帶、絕緣層、甲胄式等結構,結合生產設備及工藝改進,提升了電纜的柔軟性能、彎曲性能、耐扭性能、耐低溫性能、耐磨性能,滿足了機場使用環境和客戶的新要求,使用壽命更長,價格僅為進口產品的2/3。該電纜已在成都雙流機場投入使用超過3 a,目前仍運行良好,可以替代進口電纜。