某型机一起电缆表面局部发黑故障分析与排除

2024-05-18郑卉婷吕志召

科学技术创新 2024年9期

郑卉婷，吕志召

（国营芜湖机械厂，安徽芜湖）

1 故障现象

在对某架飞机巡检中发现，成型架30 框处通往2号油箱的M5-У15 电缆表面可视部分发黑，疑是碳化（见图1）[1]，将M5-У15 电缆从飞机上分解下来，目视发黑部位长约为3 cm（见图2），距离M5-У15（负线）端的距离约为50 cm，距离M5-У15（5-У15“-”）端的距离约为75 cm。

图1 机上电缆状态

图2 拆解后电缆状态

2 故障分析

2.1 机理分析

M5-У15 电缆从成型架30 框壁板敷设至2 号油箱油泵，一端负线与机体连接，另一端与2 号油箱油泵连接。M5-У15（负线、5-У15“-”）电缆在进入2 号油箱孔处发黑，目视发黑部位长约为3 cm，距离M5-У15（负线）端的距离约为50 cm，距离M5-У15（5-У15“-”）端的距离约为75 cm。发黑部位的电缆，一侧发黑严重，另一侧则发黑较轻微，同时发黑处周围还可见明显的磨损痕迹，表面薄膜已发生磨损破坏，见图3（a）和图3（b）。

图3 电缆外观

将电缆发黑处截取下来后，将表皮薄膜剥落，再取完好处的电缆用于对比，外观见图4。可见发黑处仅表面薄膜发生明显的变色，长度约为3 cm，而聚乙烯内衬未见明显的异常，同时薄膜发黑处，还可见一块与薄膜呈一定角度的矩形痕迹。

图4 发黑处电缆外观

按照电缆安装状态，发黑严重区域位于导线弯折内侧，与2 号油箱孔接触区域；电缆表皮薄膜破损严重处位于导线弯折外侧与У15К3 屏蔽导线接触处。

2.2 故障树分析

电缆发黑故障树见图5。

图5 电缆发黑故障树

（1）电缆周边空间狭小，与导管、卡箍、结构锐边等靠磨，出现电缆磨损。

（2）该电缆是截面积为6 mm2的粗导线，输送电流较大，可能出现负线与机体连接效果不好,出现电流过大情况。

（3）故障飞机服役时间长，导线可能老化变色。

（4）该电缆上方有通气增压导管经过，飞机飞行时，通气增压导管温度较高，高气流使周边电缆、型材等温度升高，同时电缆与油箱出口导管孔接触，油箱内燃油温度上升较快，燃油热量传递至油箱出口导管孔，由于电缆与之接触，加剧了电缆绝缘层的老化、变色、开裂。

（5）该电缆截面积为6 mm2的镀锡铜丝俄制导线，一般用于非高温区域，导线绝缘层为聚偏氟乙烯薄膜。

2.3 宏观检查

体视显微镜下观察电缆表面形貌[2]，完好处电缆表面薄膜透明，整体呈内衬的聚乙烯，见图6（b），而电缆发黑部位则明显变色，颜色变深，同时一侧变色严重而另一侧则轻微些，见图6（a）；将表面薄膜剥离后，电缆发黑处，聚乙烯内衬未见明显异常，见图6（c），仅表面薄膜发生了明显的变色，发黑处的薄膜颜色明显比完好处的颜色深，见图6（d），而且薄膜一侧变色较为严重，另一侧则轻微些，进一步观察颜色变色区域，还可见一处宽约4 mm，长约21 mm 的矩形痕迹。

图6 宏观形貌

由于2 号油箱孔附近无附件安装，正上方有通气增压导管经过（见图7），分析矩形痕迹可能是粗导线与2 号油箱孔边缘长时间接触导致。

图7 机上安装状态

2.4 热重分析

分别对发黑处和未发黑处的聚乙烯PE 内衬进行热重分析[3]，热重曲线见图8，可见两处PE 的热重曲线相同。

图8 PE 热重分析曲线

分别对发黑处和未发黑处的PVDF 薄膜进行热重分析，热重曲线见图9，两处PVDF 的热重曲线略有不同，发黑处PVDF 薄膜的热重曲线有向后移动的趋势，初始分解温度增大了，说明发黑处PVDF 薄膜热稳定有所提高。

图9 PVDF 热重分析曲线

2.5 差示扫描量热分析

分别对发黑处和未发黑处的聚乙烯PE 内衬进行差示扫描量热分析[4-5]，DSC 曲线见图10。可见两处PE的DSC 曲线相同，结晶温度均为114 ℃左右，而熔融温度均在128 ℃左右，未见明显差异。

图10 PE 的DSC 曲线

分别对发黑处和未发黑处的PVDF 薄膜进行差示扫描量热分析[5]，DSC 曲线见图11。可见两处PVDF的DSC 曲线略有差别，未发黑处的结晶温度在为118.7 ℃，而发黑处的结晶温度在116.2 ℃；未发黑处的熔融温度均在153.9 ℃，而发黑处的结晶温度在149.6 ℃，发黑处PVDF 薄膜的结晶温度和熔融温度均发生了前移。

图11 PVDF 的DSC 曲线

通过实验表明，M5-У15 （负线、5-У15“-”）电缆发黑是因为表层透明绝缘层变色所致，且透明绝缘层已发生老化现象，但里面的聚乙烯外绝缘层未见明显异常，未发生老化现象。

3 故障复现定位

综合故障树及导线热重分析、差示扫描量热分析试验结果，电缆发黑原因定位如下：

（1）查看发黑电缆机上安装状态，经确认电缆附近无附件安装，正上方通气增压导管经过，电缆未与导管接触，电缆与2 号油箱出口导管孔为无应力接触，所以可以排除因电缆被磨损，导致电缆击穿打火，出现发黑情况。

（2）对发黑电缆进行外观检查及分析，拆剥电缆后发现，是透明绝缘层已发生老化现象，但里面的聚乙烯绝缘层未见明显异常，可以排除电缆电流过大，电缆使用时间长的情况。

（3）对发黑电缆局部变色的内衬和薄膜进行热重分析和差示扫描量热对比分析：

a.薄膜老化变色处一侧变色较为严重，另一侧则轻微些，严重一侧为与2 号油箱孔内表面接触一侧，同时在变色严重一侧，还可见宽约4 mm，长约21 mm的矩形痕迹。b.发黑处和未发黑处聚乙烯PE 内衬的热重和DSC 曲线均相同，说明发黑处PE 内衬热物理性能未发生变化。c.发黑处和未发黑处PVDF 薄膜的热重曲线和DSC 曲线均发生了变化，进一步佐证了发黑处PVDF 薄膜发生了老化。

聚偏氟乙烯薄膜仅是与孔内表面接触的局部区域发生老化变色，而大部分区域未发生老化变色，说明在该处PVDF 薄膜受到了更为严酷的某个或某些环境因素的影响，结合电缆的实际安装情况，及局部老化薄膜明显一侧变色严重，而另一侧变色轻微些，推测薄膜老化的因素很大可能性是温度。变色严重一侧温度稍高，而变色轻微侧温度稍低，才会导致同一部位老化程度不同，故电缆周边环境温度过高、电缆材质问题可能导致电缆发黑。

综上所述，电缆局部变黑是因为局部表面聚偏氟乙烯薄膜发生老化变色。结合发黑电缆机上实际安装情况，M5-У15 电缆表面局部发黑可能与电缆本身绝缘层材质以及飞机飞行时油量控制相关，当剩余油量较少时，消耗舱内的燃油温度上升较快，消耗舱的燃油热量传递至油箱出口导管孔，由于电缆与之接触，加剧了电缆绝缘层的老化、变色、开裂。