航空电缆排布方式对燃烧特性的影响分析

2021-03-12邹积昀

工程技术研究 2021年4期

王志，邹积昀，曲芳

1.沈阳航空航天大学辽宁省飞机火爆防控及可靠性适航技术重点实验室，辽宁，沈阳 110136

2.沈阳航空航天大学安全工程学院，辽宁，沈阳 110136

在以往的电缆燃烧特性研究中，使用锥形量热仪对成品电缆进行燃烧试验并根据试验结果分析电缆燃烧性能，被认为是评价成品电缆火灾危险性的有效途径。王蔚等[1]和付强等[2]将电缆截成数段后，铺满锥形量热仪的试验铁盒进行燃烧，以此来判断不同材料电缆之间的燃烧特性差异。申婷[3]将电缆的不同组成结构分离进行燃烧试验，用于分析不同组成结构对完整电缆燃烧性能的影响。Ruiz[4]等选取同一电缆，截断后只选取3根电缆试样段以不同间距排布进行燃烧试验，对比发现电缆排布间距的改变将影响点火时间，并使热释放速率峰值发生变化。

航空器机身空间狭小，往往需要在有限的机舱内争取对空间进行最大化利用[5]，因此航空电缆在实际安装过程中并非由单一电缆进行工作，而是将多根电缆成束装配。研究航空电缆的排布方式对燃烧特性的影响至关重要。

1 试验条件

1.1 试验材料

选取航空航天用镀银铜芯四氟乙烯绝缘轻型电缆，型号规格为FF4H3-2。电缆结构由三部分组成，分别是护套、绝缘层以及导体线芯。航空电缆导体线芯材料为镀银铜芯，绝缘层材料为聚四氟乙烯，护套材料为聚全氟乙丙烯。

1.2 试验测试方法

文章使用FTT标准型锥形量热仪进行试验，设置热辐射强度为55kW/m2，研究电缆排布的间距对多根航空电缆燃烧特性的影响。将5根航空电缆试样分别以0mm、1.5mm以及2.5mm的距离间隔放置于试验铁盒中，分别代表电缆的小、中、大3种间距排布情况。所有航空电缆试样长度均截取为75mm。排布间距分析航空电缆摆放示意图见图1。

图1 排布间距分析电缆摆放示意图

2 试验结果

航空电缆在不同间距排布时的热释放速率曲线见图2。1.5mm时电缆最先开始产生热量，且峰值时间最短，因此排布间距为1.5mm的电缆燃烧剧烈程度最高。排布间距为0mm和2.5mm的电缆放热起始时间相近，虽然2.5mm的电缆最先达到热释放速率峰值，但是0mm的电缆热释放速率峰值远高于2.5mm时的释放速率峰值，因此航空电缆的燃烧剧烈程度在间距为0mm时高于间距为2.5mm的。

图2 航空电缆在不同间距排布时的热释放速率

试验结果表明，航空电缆的燃烧剧烈程度并不会随着间距的增加而减小，原因是0mm的电缆排布紧密，电缆之间的空隙比较小，与空气的接触面积少，导致试验刚开始时每根电缆水平两侧的可燃物质即护套和绝缘层没有发生充分燃烧，同时航空电缆的可燃物质在热辐射作用下由固态变成熔融态[6]。多根航空电缆的熔体融合后与空气接触的面积减少，导致航空电缆的燃烧速率降低。2.5mm时间隔距离过大，受外界热辐射的强度由位于铁盒中心位置的电缆向两侧电缆依次递减，因此该组5根电缆发生热解和燃烧的过程均存在时间差，没有及时达到可以持续燃烧的可燃气体浓度，点燃延迟且热释放速率峰值较小。排布间距为0mm的电缆热释放速率峰值比为2.5mm时的更大，原因是电缆排布间距为0mm时可燃物质相对集中。1.5mm的排布间距使电缆，能够与空气中的氧气充分接触；且每根电缆受热辐射的强度相近，发生热解和燃烧过程的时间也较为接近。短时间内产生的可燃气体浓度较高，电缆的燃烧充分，因此航空电缆排布间距在1.5mm时，其热释放速率峰值最高，峰值时间最短。

航空电缆的质量损失速率曲线见图3，1.5mm时最先开始发生质量损失，质量损失速率峰值最高，峰值时间最早，整个质量损失过程最短。观察燃烧试验结束后的电缆发现，2.5mm时最外侧的2根电缆仍有护套和绝缘层熔融的物质残留，排布间距为0mm的电缆可燃物质已经完全消耗。可见，航空电缆的质量损失同样受到航空电缆排布间距的影响，当电缆以某一固定值间距排布时，航空电缆质量损失越快，质量残留越少。

图3 航空电缆在不同间距排布时的质量损失速率

航空电缆在不同间距排布方式时的烟产生速率和CO/CO2产生速率见图4、图5。三种排布间距时电缆的烟产生速率曲线均显示有多个峰值，1.5mm和2.5mm的烟气速率曲线整体变化趋势相似。1.5mm和2.5mm时电缆燃烧的烟产生速率均高于0mm时电缆燃烧的烟产生速率，且在1.5mm和2.5mm两种间距排布情况下，烟气速率曲线出现的第1个烟气峰为电缆在点燃前，电缆中的聚合物材料持续热解，产生的烟气逐渐增多达到的峰值。第2个烟气峰为电缆燃烧熄灭时，剩余可燃物质仍在进行热解，释出的可燃气体无法燃烧，导致气体浓度增加产生的峰值。对比发现，随着航空电缆间距的增加，烟产生速率逐渐升高且峰值增大，烟气峰的个数逐渐增多。观察CO/CO2产生速率曲线发现，1.5mm时航空电缆的毒性烟气生成速率更高，峰值时间更短，在航空电缆发生燃烧之后毒性气体生成速率下降；0mm和2.5mm间距排布的航空电缆的CO/CO2产生速率峰值更小，但是整个毒性气体生成的过程时间更长，危害更大。