环境温度对飞机导线失效影响的分析及计算.docx

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环境温度对飞机导线失效影响的分析及计算

环境温度对飞机导线失效影响的

分析及计算

摘要

飞机导线是飞机电气线路互联系统的重要组成部分，它连接着飞机的各个位置的电力装置，一旦失效，将会导致整个飞机电路的运行受到影响。

飞机导线的失效因素主要是由环境温度造成的。

本文通过失效物理分析的方法分析环境温度对飞机导线失效的影响，并建立导线寿命分布模型。

分析了飞机导线在温度作用下失效的阿伦尼斯方程的推导及相关参数的计算方法，并对加速寿命实验数据的分析方法进行了研究。

根据加速寿命实验数据，利用matlab计算得到导线寿命模型相关参数，得到了导线失效率随着温度温度的升高而增大的关系。

关键词：

飞机导线，环境温度，寿命模型，失效率

Analysisandcalculationofplanewirefailurebytheeffectofenvironmentaltemperature

Abstract

Theplaneconductorisanimportantpartofaircraftelectricalcircuit,powerdevice,thelocationofeachconnectingflightoncefailure,willcausetheentireaircraftcircuitoperationaffected.Failurefactorsofaircraftwireismainlycausedbytheenvironment.Throughthefailurephysicalanalysiseffectofenvironmentaltemperatureontheairplanecablefailure,andestablishthemodeloflifedistribution.ThecomputationmethodofparametersundertemperatureAllenniceequationanalysis,researchtheaccelerationlifetestdataanalysismethod.Accordingtotheacceleratedlifetestdata,calculationofrelatedparametersareobtainedbyusingMATLABwirelifemodel,relationshipbetweenwirefailurerateincreaseswithincreasingtemperaturewasobtained.

Keywords:

aircraftwiring;environmenttemperature;lifemodel;failurerate

第一章引言

1.1研究意义

飞机导线是飞机电路的重要组成部分，作为飞机的神经系统，导线系统的重要作用之一是担负着电力、信号的输送和分配的任务。

由于飞机结构的特点，导线的体积和重量受到限制，通常使用直径较小且绝缘层较薄的导线。

在飞行过程中，导线常常遭受到化学污染、辐射、冷热、电、振动、摩擦、外力等因素的影响，其绝缘层非金属材料会出现磨损、腐蚀、老化等缺陷，金属材料也会受到腐蚀、氧化，最终导致电弧短路或者断路的故障，同时其电子设备内部电路特性也会随之退化。

其设备和线路的抗振、防潮和防腐能力均有所下降，从而使电子系统线路故障有普遍和多发的特点，并且很难发现，造成供电中断的严重后果。

飞机导线连接着飞机的各个位置的电力装置，所以一旦飞机导线失效，就会导致整个飞机电路的运行受到影响。

飞机及其部件导线故障是现代民用飞机常见的故障。

由于厂家装配不适当的原因或者随着机龄的增长，导线老化、腐蚀、磨损等原因，导线失效的故障发生比较频繁。

由于导线故障有隐蔽性的特点，因此这类问题严重威胁了飞行安全，影响了航班的正常运作，同时也给航空公司造成了较大的经济损失。

本文针对飞机导线的失效机理进行细致研究，针对老化机理和影响因素诸方面加以分析并采取相应措施以减少故障的发生。

通过本文的研究，可以对航空公司及相关飞机导线生产公司一些技术上的参考，以减少一些经济损失。

1.2影响导线失效的因素

据统计，2002年，南方航深圳维修厂执管的10架A320飞机中，就出现过多次导线故障，如起动机导线束、P2/T2导线束和EEC导线束等故障，为此而安排飞机停场修理、更换导线达十多次，影响了该公司的正常航班运营。

根据导线故障发生的规律和维修行业的运行特点，考虑到航空公司的成本、航班正常等因素，可以认为：

对于新飞机和部件，故障发生率较高与制造和修理厂家的制造工艺和技术水平有关，属于航空公司不可控因素；机龄或使用时间较长的飞机和部件也因为一些自然的不可控因素，如长期的高温、污染、低压、高频振动等等，其故障发生率也同样处于一个较高的水平。

飞机维修和工程人员要尽量降低导线故障对航空公司的影响，即尽快进入平稳区和尽量延长平稳区的时间。

根据导线故障发生的规律，可以采取主动预防的方法，在导线故障发生之前就将故障隐患进行纠正。

首先，对于新飞机和部件进行反复而仔细地检查，尽早发现其中导线装配上的问题并采取正确的方法进行纠正来降低导线失效的概率。

1.3内容安排

本文对一下内容进行安排：

1、介绍影响导线失效的因素；对环境温度影响下阿伦尼斯模型进行推导。

2、对飞机导线失效的寿命分布模型进行研究。

3、对环境温度下飞机导线加速寿命试验进行研究。

4、对加速寿命试验得到的数据进行处理计算，得到环境温度与导线失效之间的关系。

第二章飞机导线故障

2.1飞机导线故障综述

线路故障在飞机电气系统故障中是较为常见的一种，其表现形式各有不同，有指示仪表不稳定，操控机械的不工作，信号不正常等。

军用机和民用机的机龄超过10年之后，深埋在结构之中的总长可达几百千米的电线开始产生裂纹和磨损。

人们一度认为这种故障影响不大，长期被忽视，但这种故障可在一架普通的飞机中出现几百处之多，而且难检测，其所产生的电弧和电磁辐射可能是致命的。

飞机电线老化或绝缘层磨损是产生故障主要原因由于飞机本身的结构限制，布线的空间和线路非常有限，大多数导线穿梭于各金属构架之间。

当飞机在空中长时间飞行，长时间的频繁振动可使电线互相顶住、顶在连接点处或任何其他硬表面时会擦破绝缘层。

飞机维修时电线可能会被工人的钳子弄出缺口，或使它们以超过容许的半径弯曲都会破坏电线绝缘层。

绝缘层的损坏可使铜暴露，引起电弧、短路以及电磁辐射与干扰。

飞机导线的绝缘层通常厚0.5~2mm由聚酰亚胺、聚氯乙烯、尼龙、聚酯或聚四氟乙烯等材料构成。

飞机在航行中，由于高空和地面温差，机内导线周围会凝结很多湿气，长期在这种湿气中，绝缘层会变脆，产生小裂纹，从而使更多的湿气进入。

湿电弧开始沿这些裂纹流过，但因所产生的断续的电弧太小，不能使普通的断路器跳闸，甚至不会对沿电线的信号传递产生干扰。

普通的断路器是热敏双金属元件，只有在大电流通过电路时有足够长的时间使该元件加热时才跳闸。

这种功率可能为额定电流1000%，持续0.35到0.8秒。

比较起来，单电弧故障可能只持续1.25毫秒，而一系列故障事件可能持续20～30毫秒。

这些电弧故障持续时间太短，不能使断路器跳闸，但可使电线产生灾难性的局部故障，可在未触动断路器的情况下引发火灾。

而且，小电弧会使绝缘炭化，而炭又是良导体，一旦积累足够的炭，就有可能产生大的爆炸性闪光，暴露的电线也会渗出熔化的金属。

Letromec公司的工程师们曾对一架退役的波音747、A300、L-1011和两架DC-9的电线进行过测试，这些飞机的机龄都超过20年。

测试结果是：

L-1011每1000m电线中有13个裂纹，而其中一架DC-9飞机的1000m电线中有1.6个裂纹L-1011约有240km电线，裂纹总数超过3000个，每个裂纹都可能产生灾难性的电弧。

美国运输安全委员会（NTSB）1996年对环球航空公司800次航班坠毁事故漫长的调查后断定，事故原因是电线短路火花造成其中心机翼油箱爆炸。

某些设计中的飞机，如美国空军使用的B-52是1961～1962年制造的，预计可飞到2045年737飞机于1968年投入航线运营，传统型波音737分100/200/300/400/500型五种，目前均已停止生产。

A320系列飞机1988年获适航证并交付使用。

我国内地正在运营的民航客机中，波音737-300和A320系列占了很大的比例，部分飞机已渐渐进入老龄化。

更新而不是更换老飞机已成为省钱的普遍做法。

总的来说，飞机内部导线会因为机龄，或对水、紫外线、温度、振动和过载的暴露，以及在正常使用和维修期间所受的应力等而老化。

机龄超过20年的飞机肯定存在电线问题，其中许多问题是在例行维修期间发现的。

更换电线系统也是非常花钱的事情，一架典型的飞机的电线更换费用为100万～500万美元。

飞机电线的维修成本也相当高，据估计，美国海军每年在飞机电线系统排故和修理方面要花费180万人时。

由此可见，降低飞机电线故障维修成本的关键在于选用快速多功能的测试仪表对电线故障进行分析定位，从而减少飞机故障停场时间。

2.2影响飞机导线失效的原因

2.2.1接触失效

1、导线的电接触是由接触对来实现的，接触对又是由插孔和插针组成的，插孔是弹性零件，其质量的优劣对接触是否良好起着决定性的作用。

当插针插入插孔时，插孔产生弹性变形，对插针产生接触压力，接触压力的大小及其稳定性，对电接触产生直接影响。

接触压力的不稳定或减小，引起电接触不稳定。

甚至在一定机械应力作用下造成瞬断。

插孔插入指针后，孔给针一个接触压力，而针反过来对孔产生一个反作用力，插孔长期受到这反作用力的作用，会逐渐产生永久变形出现应力松弛、弹性疲劳现象。

在长期高温负载的条件下，插孔也会出现蠕变现象，其结果使得孔对针之间的接触压力逐渐减小。

当接触压力小到一定限度后，接触电阻随接触压力减小而增大，最后造成接触不良。

2、为了改善接触对的导电性能，减小接触电阻，使接触稳定。

一般要在铜合金加工的接触对的表面镀银，接触对的镀银层在贮存和使用过程中，遇到空气中的有害工业气体再加上空气中一定的潮温度（相对湿度在65%以上时），接触对表面镀银层就会产生化学反应或电化学腐蚀。

在镀银层表面生成硫化物（黑色）或氧化物（棕黄色）。

4Ag+2H2S+O2=2AgS2+2H2O

2Ag+SO2+2H2=AgS2+2H2O

4Ag+O2=2Ag2O

随时间的增加，这层化合物膜层也会增厚，使镀银层表面逐渐失去光泽而锈蚀变色。

接触对受到腐蚀后，生成的这层化合物电阻率很大，覆盖到银层表面。

在接触压力小到难以擦破这层薄膜，或接触对工作在低电平场合，小信号的弱电流或低电压小到难以击穿这层薄膜时，就会出现接触电阻增大，电接触不良及接触断开，信号通不过的现象。

3、接触对在长期高温作用下，镀银层硫化或氧化反应的速度加快，膜层蔓延速度加快。

由于接触对镀银层受到腐蚀，接触对表面状态发生了改变。

逐步由镀银层与镀银层的接触，转变到银的化合物（主要是银的硫化物和氧化物）与银的化合物的接触。

随着膜层增厚，接触状态改变，使接触电阻产生紊乱性增加。

4、为了防止接触对的氧化和硫化腐蚀造成的接触不良，往往在接触对表面镀金；黄金是生成氧化物最少的一种金属，通常在金的表面吸附了一层氧，虽然第二层氧化物也随之产生，但强度很弱，在轻微的接触压力作用下就能去掉，对其导电性能没有影响；另外，也不会受到H2S和SO2等气体的腐蚀，在任何恶劣的环境中都能保持良好的化学稳定性。

但在我们长期贮存和长期工作寿命试验中，发现镀了金的接触对表面也会变色发黑。

这是由于镀金层结晶成一种网状结构，且镀金层很薄，在镀金过程中不可避免地会在镀金层中出现一些微孔和裂纹。

5、导线插合分开时，插针与插孔之间在一定的接触压力作用下，由于相对运动而产生摩擦，摩擦力的大小为：

F=接触压力p×摩擦系数u

在摩擦过程中，会出现接触表面的光洁度损伤，几何形状改变、擦伤、粘连、产生磨屑，材料转移等，同时还伴随有热量产生。

随着插拔次数的增加，插针插孔的表面镀层金属被磨损，露出基底金属，在周围环境作用下产生腐蚀，形成接触不良。

接触对表面磨损的程度与接触压力的大小，接触摩擦部位表面光洁度，接触对表面镀层品种、硬度、质量、接触对导向部位圆角是否光滑以及插孔接触部位几何形状等因素有关。

在接触压力大，插针头部及插孔内孔口部圆角连接差，接触部位粗糙度高，镀层材料硬度低，镀层质量差的情况下，接触对磨损更为严重。

电连接器的插拔寿命也低，接触稳定性也差。

6、插针由于结构设计不合理，在冲制成形时焊线槽根部圆角太小，材料变形量大，产生应力集中，以致在内应力的作用下出现断裂。

2.2.2绝缘失效

1、有的导线的绝缘材料，如酚醛塑料，其吸水性极大，在潮湿的环境中长期贮存和使用时，水分子不仅附着在绝缘材料表面，而且还能沿材料的毛细孔渗透到绝缘体内部。

在交变潮热的情况下，再加上毛细孔作用，绝缘材料吸潮更为严重。

由于绝缘体表面和内部都有水分子，使得它的表面电阻和体积电阻都下降，从而使整个绝缘电阻大大下降。

2、绝缘安装板的原材料中混有金属屑，磁选时未清除干净，在压制成形时金属屑镶嵌在安装板中。

3、产品的结构设计不合理，造成组装后的产品内有金属多余物，这种金属多余物缩短了绝缘有效距离，降低了绝缘电阻和抗电强度，最易使绝缘体击穿。

4、导线在插拔过程中，接触对被磨损后掉下来的金属磨屑附着在绝缘安装板表面。

此外，电连接器在潮湿并加极化电压的情况下，在电位差作用下形成电解场，产生镀层金属离子迁移现象，其结果也减少了绝缘有效距离，降低了绝缘电阻和抗电强度。

5、导线在生产制造或贮存使用过程中，由于环境清洁条件差，使灰尘及其它污物粘附在绝缘安装板表面，以使接点之间，接点与外壳之间的绝缘电阻和抗电强度降低。

6、固定绝缘板的涨圈，受到多次温度冲击，镀锌层由于急剧热胀冷缩，引起大块的起泡或脱落，严重时形成外壳与接点之间的短路，造成绝缘失效。

7、导线的接触对由绝缘安装板固定其相互位置，接触对之间，接触对与外壳之间由绝缘板和空气隙组成，绝缘板的绝缘抗电强度一般比空气隙高，因此在正常条件和低气压条件下，电击穿通常首先发生在空气隙中，特别是在尖角棱边处空气隙击穿产生电弧，由于电弧的高温将附近的绝缘材料表面烧焦碳化而短路，造成绝缘失效。

2.2.3机械连接失效的主要原因

1、电连接器在使用连接到位后，还过力紧固，造成部件损坏，连接卡死，或者使用中不慎跌落，造成外壳变形，螺纹损伤。

连接器头座不能连接。

2、绝缘材料的机械强度差，特别是抗冲击性能差，安装板的台阶薄，内台圆角半径过小，安装板塑压成形后，卸模冷却的过程中容易产生应力集中，在运输过程中受到冲击碰撞外力作用，而使安装板开裂掉块。

3、导线的针孔接触部位长，在连接螺帽旋开后，插针与插孔还未完全脱离接触。

为了克服插孔对插针的分离力，需用人力硬将插头从插座拨出，在插拔过程中头与座的中心偏斜，插针头部将安装板孔周围的塑料崩落下来，造成安装板掉块。

5、导线在长期潮湿条件下，绝缘板吸潮膨胀，或在过高的温度下，绝缘板软化变形，几何形状和尺寸发生了改变，使得头与座无法配合或分离，不能插拔造成连接失效。

6、导线接触对的可焊性差。

2.2.4环境温度对飞机导线的影响

1、温度对导线的影响

当讨论产品寿命时,一般采用"0℃规则"的表达方式。

具体应用时可以表达为“10℃规则”等，当周围环境温度上升10℃时，产品寿命就会减少一半；当周围环境温度上升20℃时，产品寿命就会减少到四分之一。

这种规则可以说明温度是如何影响导线寿命（失效）的。

高温对导线的影响：

老化、氧化、化学变化、热扩散、电迁移、金属迁移、熔化、汽化变型等。

低温对导线的影响：

脆化、结冰、粘度增大和固化、机械强度的降低、物理性收缩等。

2、湿度对导线的影响

高温高湿条件作用试验样品上，可以构成水气吸附、吸收和扩散等作用。

许多材料在吸湿后膨胀、性能变坏、引起物质强度降低及其他主要机械性能的下降，吸附了水气的绝缘材料不但会引起电性能下降，在一定条件下还会引发各种不同的失效，是影响电子产品最主要的失效环境。

湿度对导线的影响：

腐蚀、离子迁移、扩散、水解、爆裂、霉菌、

3、冷热温度冲击对导线的影响

高温和低温的失效都会反映在冷热温度冲击试验中，冷热冲击试验只是加速了高温和低温失效的产生。

下面归纳了实际生产或使用环境中存在的具有代表性的冷热温度冲击环境，这些冷热冲击环境常常是导致导线失效的主要原因。

（1）设备可能在温度较低的环境中连接到电源上，导致设备内部产生陡峭的温度梯度。

在温度较低的环境中切断电源可能会导致设备内部产生相反方向陡峭的温度梯度；

（2）设备可能会因为降雨而突然冷却；

（3）当航空器起飞或者降落时，航空器机载外部器材可能会出现温度的急剧变化。

2.3基于阿伦尼斯模型导线失效率计算方法

2.3.1阿伦尼斯模型数学推导

产品的特性退化直至失效，是由于构成其物质的原子或分子因化学或物理原因随时间变化发生了不良的变化（反应）。

这种变化或反应的结果使变化积累到一定程度就发生失效。

失效就是产品寿命的终结。

所以反应速度越快，寿命越短。

1889年阿伦尼斯在研究温度对酸催化蔗糖水转化反应的基础上总结出：

某产品性能退化速率与激活能的指数成反比。

其表达式为：

                                    （2-12）

式中，M为产品某特性值的退化量；∂M/∂t表示温度在T（热力学温度）时的退化速率，退化速率是时间t的线性函数；玻耳兹曼常数k=8.617×10-5eV/℃；T为绝对温度；A0为常数；t为反应时间；ΔE为失效机理激活能，以eV为单位，对同一类产品的同一种失效模式为常数。

令产品初始状态的退化量为M1，对应时间为t1；另一状态的退化量为M2，对应时间为t2。

那么，当温度T为常数时，从t1~t2的累积退化量：

（2-13）

得

（2-14）

令

t=t2-t1

得

t=[（M2-M1）/A0]exp（∆E/kT）（2-15）

当退化量M2达到某个值Mp时，则认为该器件失效，而影响到由产品构成设备的性能参数或工作。

这时的时间差（t2-t1）就是产品从t1开始延续的寿命L。

即

（2-16）

令A=ln[（Mp-M1）/A0]，B=∆E/k，得lnL=A+（B/T）。

式中，A，B是待定参数；L为某寿命特征，如中位寿命，平均寿命等。

lnL=A+（B/T）是线性化的寿命与温度的关系模型，它符合化学反应器件的寿命L与温度T的关系。

该模型表明，寿命特征的对数是温度倒数的线性函数。

当在不同温度T1，T2下，经过时间t1，t2后特性值或退化量相同，可利用（2-1）式推出加速系数公式

（2-17）

上式是基于退化量相同导出的。

目前，国内外比较成熟的加速寿命试验数据处理方法都是基于失效数据的。

对于长寿命产品，在很长的时间内极少出现失效现象，因此传统的基于失效数据的试验数据处理方法在应用时会遇到很多困难。

2.3.2阿伦尼斯模型特点

阿伦尼斯模型有下述特点：

（1）该模型反映的是产品某特性量与激活能和所施加应力的关系；

（2）阿伦尼斯模型使用的寿命与温度的表达形式及加速因子都是基于退化量相同导出的。

这就为加速寿命试验提供了另外一条途径，即利用某性能参数或特征量退化数据对产品的可靠性进行评定、推断。

第三章导线失效寿命分布模型

在可靠性研究中，一般都认为电子元器件在工作过程中产生的失效是偶然的，其寿命服从指数分布，电连接器也不例外，这是因为指数分布：

①有时能得出一个尽管粗糙但有用的结果：

②因长期使用而被神化；③仅有一个分布参数，而且此参数是常用的可靠性特征值一失效率或平均寿命；④数据分析处理方法比其它分布都要来得简单。

但是，在工程实际中，大约仅有15％的电子产品寿命可用指数分布恰当地加以描述。

换句话讲，约有85％的电子产品其寿命不服从指数分布，其原因是电子元器件的失效分布不仅与失效模式：

失效机理和器件结构有关，还与其承受的应力和工作环境等诸多因素有关，而指数分布仅含一个参数，就难以在各种条件下恰当地刻画电予元器件的可靠性寿命特征。

3.1寿命分布模型

对于飞机导线来讲，环境应力作用下，考虑其主要失效模式，只要其中有一根导线失效，就会导致整个线路失效，因此，从功能上看，整个线路如同一个由一系列导线对组成的串联系统，其寿命分布是一个最小极值问题。

假定整个线路有n条导线，第i条导线的寿命为Ti（i=1，2，……，n），每条导线的寿命分布都为Fe（t），即Ti为服从于Fe（t）（i=1，2，……，n）的随机变量，并假设T1，T2，...,Tn是相互独立的。

现记T（l）为导线寿命T1，T2，...,Tn中的最小值，即：

T（l）=min{T1，T2，...,Tn}（3-1）

我们的目标是求得导线的寿命分布，而整个线路的寿命也就是所有导线中性能最差的导线的寿命，也就是T（l），因此，我们的目标就转化为求T（l）的分布。

先看T（l）>t的概率。

事件{T（l）>t}就是{T1>t}∩{T2>t}∩...∩{Tn>t}，这是因为T（l）是T1，T2，...,Tn中的最小者，如果最小者T（l）>t，则T1，T2，...,Tn中任何一个都应该大于t，因此，有：

P{T（l）>t}=P（{T1>t}∩{T2>t}∩...∩{Tn>t}）（3-2）

根据假定T1，T2，...,Tn是相互独立的，则有：

P{T（l）>t}=P{T1>t}P{T2>t}...P{Tn>t}（3-3）

因为分布函数Fe（t），有：

Fe（ti）=1-P{Ti>t}（i=1，2，……，n）（3-4）

又因为Ti都服从同一个分布Fe（t），则

Fe（t）=1-P{Ti>t}（i=1，2，……，n）（3-5）

代入式P{T（l）>t}=P{T1>t}P{T2>t}...P{Tn>t}得

P{Ti>t}={1-Fe（t）}n（3-6）

因此T（l）的分布函数为：

（3-7）

式（3-24）称为最小极值分布函数，也就是导线的接触寿命分布函数。

其次考虑导线的寿命分布Fe（t）。

由于接触对随着高温作用时间的增加，磨损腐蚀物（为具有可比性此腐蚀物假定为单位面积上的）的体积逐渐增大。

令Vi（i=l，2，……，n）表示第i次磨损循环后的腐蚀物体积，显然V1

Vi-Vi-1是第i次循环腐蚀物体积的增量，若设V0是腐蚀物的初始体积（其值可视为零），则可认为在第i次循环腐蚀物的增量Vi-Vi-1随机正比例于Vi-1，当腐蚀物的体积达到Vn时，导线的接触电阻超过标准规定值，导线随之失效。

即：

（i=1，2，……，n）（3-7）

式中比例Di

是随机变量，并假定它们之间是相互独立的。

若将上式求和，得

（3-8）

如果在每个循环中，Vi-Vi-1是微量，记为△Vi-1，则上式变为

（3-9）

若△Vi-1→0，而n充分大时，上式可写为：

（3-10）

或写为

（3-11）

此处要注意的是lnV0仅代表一常数，而并非认为lnV0=0而无意义。

按假定，Di（i=l，2，...，n）是相互独立的，那么，根据中心极限定理，当n→∞时，

的分布收敛于正态分布，因此，当n→∞时，lnV0就趋向于正态分布，或者说腐蚀物的体积V服从对数正态分布，其概率密度函数为：

（v>0）