駱燕燕 王永鵬 孫自航 梁 弘

1.河北工業(yè)大學(xué)省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室，天津，300130 2.國網(wǎng)冀北電力公司供電公司，唐山，063200 3.國網(wǎng)天津市電力公司檢修公司，天津，300232

0 引言

電連接器是實現(xiàn)器件之間電氣連接和信號傳遞的元件，廣泛用于軍事裝備和航空航天設(shè)備。電連接器可靠性的高低對系統(tǒng)的安全可靠運行具有重要影響。振動應(yīng)力是影響電連接器可靠性的重要因素之一，持續(xù)的機械振動應(yīng)力會引起電連接器插針與插孔發(fā)生微動磨損，導(dǎo)致接觸性能退化甚至失效[1-2]。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于電連接器微動磨損的研究主要包括試驗方法、性能退化規(guī)律和退化模型。微動磨損試驗主要以不同鍍層材料制備的接觸對試樣為對象，利用研制的微動試驗臺驅(qū)動其相對移動，監(jiān)測接觸電阻等與電連接器接觸性能退化相關(guān)的參數(shù)[3-4]。微動磨損性能退化規(guī)律的研究主要圍繞振幅、溫度等因素對電連接器接觸電阻的影響，以及不同階段的退化特征而展開[5-6]。微動磨損的影響因素主要包括環(huán)境因素、結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)和負(fù)載參數(shù)等[7-8]。退化模型大多以接觸電阻與微動次數(shù)和影響因素的函數(shù)關(guān)系來表達，如以振動頻率和微動位移為變量的功率電連接器銀鍍層材料的微動磨損退化模型[9]、結(jié)合Eyring模型構(gòu)建的圓形電連接器振動和電流綜合應(yīng)力加速退化的可靠性評估模型[10]，以及銀鍍層接觸件壽命極限值與微動載荷和鍍層厚度的函數(shù)關(guān)系模型[11]等，上述模型以接觸電阻作為表征量無法動態(tài)解釋微動磨損的演變行為。

超聲檢測技術(shù)利用材料的聲學(xué)性質(zhì)對超聲波傳播特性的影響，能精準(zhǔn)檢測出被測試件表面或內(nèi)部缺陷[12-13]。本文選用此方法檢測電連接器微動磨損程度，搭建了電連接器微動磨損超聲檢測試驗平臺并進行了微動磨損試驗，根據(jù)監(jiān)測的磨屑特征值和接觸電阻分析接觸件磨屑的分布特征和演變規(guī)律，以及接觸件性能的退化規(guī)律；分析試品的磨屑特征值總量和接觸電阻之間的關(guān)聯(lián)性；構(gòu)建麻雀搜素算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(SSA-BP)性能退化模型，對電連接器磨損狀態(tài)及性能退化進行分析。

1 電連接器微動磨損的演變過程及狀態(tài)識別

1.1 電連接器微動磨損的演變過程

電連接器插針與插孔以過盈配合的方式機械連接，插針與插孔插合時發(fā)生彈性變形，產(chǎn)生接觸壓力。振動應(yīng)力作用下，插針與插孔間極易發(fā)生微動磨損現(xiàn)象。微動初期，插針與插孔相互黏著的接觸斑點發(fā)生黏著磨損，被小振幅振動剪斷成磨屑；磨屑增多并被氧化后，磨損變成磨粒磨損，若干接觸斑點合并成小平臺；隨后，磨屑繼續(xù)增多且被氧化，同時磨粒逐漸碎化，細(xì)小的氧化顆粒在兩接觸表面間形成第三體床；接觸區(qū)域內(nèi)氧化磨粒的產(chǎn)生和溢出達到動態(tài)平衡時，插針、插孔與磨屑的接觸完全替代了插針與插孔的接觸；最后，接觸區(qū)域壓力因為磨屑的存在而改變，中心壓力增高，邊緣壓力降低，使中心的磨粒磨損加重、凹坑加深，如圖1所示[9-10]。如此反復(fù)，電連接器磨損逐漸加劇，導(dǎo)致接觸性能惡化甚至失效。

(a)黏著磨損，少量磨屑產(chǎn)生 (b)磨粒磨損，磨屑開始形成

(c)二體接觸轉(zhuǎn)化成三體接觸 (d)接觸區(qū)中心磨粒磨損加重圖1 電連接器接觸件間磨屑的產(chǎn)生及演變Fig.1 Generation and evolution of wear debris between electrical connector contacts

1.2 微動磨損狀態(tài)的超聲檢測方法

研究表明，磨屑是微動磨損的產(chǎn)物，也是電連接器微動磨損接觸性能退化及失效的根本原因。微動產(chǎn)生的磨屑顆粒大小一般為納米級，磨屑堆積層厚度為微米級，磨屑作為第三體分布于接觸件的接觸表面。超聲波在物體中傳播時，遇到聲阻抗不同的介質(zhì)界面(如缺陷或被測物底面等)就會產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換。本文利用這一特性檢測接觸件間接觸表面的微動磨損狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 接觸件微動磨損狀態(tài)超聲識別示意圖Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic identification of fretting wear state of contact parts

超聲波傳播至接觸面磨屑堆積處發(fā)生反射的反射波信號可被超聲探頭接收；磨屑堆積層的面積、厚度不同時，超聲波的反射波幅值也不同。本文將試驗前后反射波幅值的差異

ΔU=Ui-U0

(1)

式中，Ui為試驗過程中第i次測試時超聲反射波的幅值，mV；U0為試驗前超聲發(fā)射波的幅值，mV。

作為磨屑特征值，用于識別和表征電連接器接觸件微動磨損狀態(tài)。磨屑特征值即反射波幅值差值越大，磨屑堆積越多，磨損越嚴(yán)重。

2 電連接器微動磨損試驗

2.1 試驗樣品

本文以直插式M型圓形電連接器接觸件為試品。接觸件長度為65 mm，直徑為10 mm，表面積為3060 mm2，由hpb59-1級黃銅(含銅60%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、鉛1.9%、鎳1%、鐵0.5%和鋅)和金鎳鍍層制成。接觸件試品實物如圖3所示。

圖3 電連接器接觸件Fig.3 Electrical connector contact

2.2 試驗裝置

本文設(shè)計的電連接器微動磨損超聲檢測試驗裝置主要包括微動驅(qū)動單元(Ⅰ)、超聲檢測單元(Ⅱ)和接觸電阻檢測單元(Ⅲ)，如圖4所示。

(a)硬件原理圖

(b)微動驅(qū)動單元

(c)超聲檢測單元圖4 電連接器微動磨損超聲檢測裝置的原理與實物圖Fig.4 Schematicand physical diagram of ultrasonic inspection device for fretting wear of electrical connector

微動驅(qū)動單元給固裝于振動臺的試品施加振動激勵，促使接觸件間產(chǎn)生微動磨損。超聲檢測單元包括驅(qū)動控制單元、機械運動掃查單元、超聲信號發(fā)射與采集單元。試品固定在滾珠絲杠前端的旋鈕，檢測時，驅(qū)動控制單元產(chǎn)生的運動激勵經(jīng)機械運動掃查單元，帶動與之相連的滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，使電連接器接觸件進行旋轉(zhuǎn)和軸向步進運動；超聲信號發(fā)射與采集單元采集超聲反射波變化量。

接觸表面磨屑層的超聲掃查與磨屑超聲檢測裝置各部分的連接如圖5所示。超聲波型選用對缺陷定位敏感的縱波；超聲探頭選用縱波單晶直探頭5P6，探頭的發(fā)射頻率為2.5 MHz，探頭的發(fā)射面積為6 mm×6 mm。磨屑超聲掃查過程中，接觸件的轉(zhuǎn)速為600 r/min，軸向速率為100 mm/s。

(a)超聲掃查示意圖

(b)超聲檢測裝置示意圖圖5 超聲掃查與超聲檢測裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of ultrasonic scanning and ultrasonic testing device

接觸件運動過程中，超聲探頭檢測的接觸件接觸表面可分為24個子區(qū)域，由插針中間的劈槽分割為A、B兩大區(qū)域，如圖6所示。

圖6 超聲探頭檢測區(qū)域劃分圖Fig.6 Ultrasonic probe detection area division diagram

2.3 試驗方案

本試驗旨在探究不同振動條件下電連接器的微動磨損引起的性能退化規(guī)律。參照《電連接器試驗方法—2005 振動》(GJB1217A—2009)推薦的試驗與振動條件設(shè)定試驗激勵條件——振動方向、振動頻率、振動加速度、振動次數(shù)。如表1所示，試驗中，3個不同振動方向(X、Y、Z)各有18小組試品，每組試品4個；每振動105次就采集試品接觸電阻及接觸件接觸表面各子區(qū)域的磨屑特征值，g=9.8 m/s2。試驗過程中，溫度為15～35 ℃，相對濕度為20%～80%，大氣壓力為73～106 kPa。

表1 電連接器微動磨損超聲檢測試驗方案Tab.1 Ultrasonic testing scheme for fretting wear of electrical connectors

不同振動方向的試品等間距安裝于振動臺。如圖7所示，X向振動試品的振動方向與其接觸件軸向垂直和插針劈槽方向相同；Y向振動試品的振動方向與其接觸件軸向和劈槽方向相同；Z向振動試品的振動方向與其接觸件軸向和劈槽方向垂直。

圖7 試品安裝示意圖Fig.7 Schematic diagram of sample installation

3 微動磨損及性能退化規(guī)律分析

3.1 接觸件磨屑特征值總量的變化規(guī)律

表2～表4所示分別為不同方向振動下的磨屑特征值總量。

表2 X向振動下的磨屑特征值總量Tab.2 Total characteristic value of wear debris under X-direction vibration mV

表3 Y向振動下的磨屑特征值總量Tab.3 Total characteristic value of wear debris under Y-direction vibration mV

表4 Z向振動下的磨屑特征值總量Tab.4 Total characteristic value of wear debris under Z-direction vibration mV

由表2～表4可知：

(1)隨著振動次數(shù)的增大，試品的磨屑特征值總量增長趨勢大致分為3個階段。振動開始至20萬次，磨屑特征值總量大幅增加，平均增加2 mV左右；20萬次至40萬次之間的增長變緩，磨屑特征值總量變化相對較小；40萬次至100萬次之間的特征值總量再次增大，增幅約200%。X、Y、Z向在100萬次的磨屑特征值總量分別比20萬次時增長約2.5倍、3.0倍和2.8倍。

磨屑特征值總量的變化規(guī)律分為三個階段：微動磨損初期(磨合期)，插針與插孔間的接觸斑點被剪切成磨屑，磨損率很高，磨合期在預(yù)期壽命期中占比很??；隨著磨屑的增多并被氧化，接觸斑點合并成小平臺，插針、插孔處于穩(wěn)定的摩擦狀態(tài)，磨損程度相對較低且穩(wěn)定；隨著磨損進一步加劇，磨屑量類似線性增長，插針與插孔的接觸表面間摩擦加劇，改變其配合間隙，磨屑的堆積使電接觸性能退化，最終引起電連接器失效。

(2)振動次數(shù)相同(如100萬次)時，相比于振動加速度，振動頻率對磨屑特征值總量的影響相對較小。21號、45號、69號試品X向的磨屑特征值總量分別為5.550 mV、5.814 mV和6.052 mV，頻率由50 Hz增加至150 Hz時，磨屑特征值總量僅增大約8.28%；50 Hz振頻下，振動加速度由4g增加至12g，磨屑特征值總量由13號試品的4.74 mV增加至21號試品的5.550 mV，增幅約17.09%。

(3)相同振動條件下，Y向振動試品的磨屑特征值總量普遍高于X向和Z向振動試品，由此推斷：接觸件Y向振動的磨損比X向和Z向更為嚴(yán)重。基于上述分析可知：微動磨損程度主要取決于微動的次數(shù)和微動位移的大小，微動次數(shù)相同時，振動加速度的增大可能會增大每次微動時的微動位移量；Y向振動(軸向振動)時，接觸件間的相對位移量增大，造成更為嚴(yán)重的微動磨損。

3.2 接觸電阻的變化規(guī)律

不同振動條件下部分試品接觸電阻如圖8所示，各個振動條件下接觸件接觸電阻的變化規(guī)律與磨屑特征值總量的變化規(guī)律相似。

(a)X向振動(50 Hz) (b)X向振動(100 Hz) (c)X向振動(150 Hz)

(d)Y向振動(50 Hz) (e)Y向振動(100 Hz) (f)Y向振動(150 Hz)

(g)Z向振動(50 Hz) (h)Z向振動(100 Hz) (i)Z向振動(150 Hz)圖8 接觸電阻變化折線圖Fig.8 Broken line diagram of contact resistance change

(1)隨振動次數(shù)的增加，接觸電阻總體呈增大趨勢。初始振動時，接觸電阻變化較明顯，其原因是插針與插孔在初始振動20萬次時，接觸表面間要進行初步磨合。隨著振動次數(shù)的增加，接觸電阻比20萬次時波動程度逐漸增大并出現(xiàn)波動。這是因為微動過程中，接觸件不斷產(chǎn)生磨屑的同時，遷移概率也增大，造成接觸電阻處于波動狀態(tài)，振動前后試品接觸電阻總的變化范圍是0.02～0.10 mΩ。

(2)隨著振動頻率的增加，接觸電阻的波動量逐漸增加。100萬次時，13號、37號、61號試品X向的接觸電阻分別比20萬次時約增大15.0%、17.5%、18.2%。試品在高振頻下的接觸電阻波動量大于低振頻的接觸電阻波動量，由此推測，隨著振動頻率的增加，接觸件的接觸電阻波動量增大，連接器的接觸性能進一步退化。

(3)隨著振動加速度的增大，接觸電阻變化更劇烈，接觸件磨損加重，如21號(加速度12g)、13號(加速度4g)試品Y向100萬次時的接觸電阻比20萬次時分別增大7.33%和2.17%。振動頻率大、振動加速度大的接觸電阻增量更大，如100 Hz時，45號、37號試品Y向的接觸電阻增量分別為7.33%和2.17%；150 Hz時，69號、61號試品Y向的接觸電阻增量分別為20.75%和11.36%。

(4)69號試品(150 Hz，12g)X向、Y向、Z向振動100萬次的接觸電阻比20萬次時分別增大18.18%、20.75%和18.28%，Y向振動下的試品接觸電阻增量及波動明顯大于X向和Z向。這是因為Y向振動時，插針和插孔間的軸向微動位移較大，微動磨損嚴(yán)重，產(chǎn)生的磨屑較多且遷移概率增大，導(dǎo)致接觸電阻的增大和波動加劇，接觸性能退化加重。

3.3 磨屑特征值總量和接觸電阻的關(guān)聯(lián)性分析

由表2～表4、圖8可知，磨屑特征值總量和接觸電阻的變化有類似特征。本文選取振動20萬次、40萬次、60萬次、80萬次和100萬次時試品的試驗數(shù)據(jù)，采用相關(guān)系數(shù)法分析兩者間的關(guān)聯(lián)性。

接觸電阻值與磨屑特征值總量的相關(guān)系數(shù)計算公式為

(2)

式中，r(R，∑ΔU)為接觸電阻R和磨屑特征值總量∑ΔU的相關(guān)系數(shù)；cov(R，∑ΔU)為R和∑ΔU的協(xié)方差；var(R)為R的方差；var(∑ΔU)為∑ΔU的方差。

部分試品接觸電阻與磨屑特征值總量的相關(guān)系數(shù)如表5所示，可知大部分的磨屑特征值總量與接觸電阻高度相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.8～1.0)或中度相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.5～0.8)，低相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.3～0.5)和不相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0～0.3)的數(shù)據(jù)占比較小。高頻高振動加速度下，57號和69號試品3個振動方向的接觸電阻和磨屑特征值總量的相關(guān)系數(shù)均超過0.9，呈現(xiàn)出極強的相關(guān)性。

表5 部分試品接觸電阻與磨屑特征值總量的相關(guān)系數(shù)Tab.5 Correlation coefficient between the contact resistance and the total amount of characteristic value of wear debris

由此可見，磨屑特征值總量在一定程度上可反映電連接器接觸件磨損和接觸性能退化的程度，即磨屑特征值總量越大，接觸件磨損越嚴(yán)重，接觸性能退化越明顯。

4 電連接器微動磨損性能的退化模型

通過關(guān)聯(lián)性分析可知，磨屑特征值總量與接觸電阻值具有較強的相關(guān)性，因此，本文以24個子區(qū)域磨屑特征值為輸入，以接觸電阻為輸出，利用優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建電連接器微動磨損性能退化模型。

4.1 電連接器微動磨損性能退化模型

本文基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建電連接器微動磨損性能退化模型，主要步驟如下：

(1)確定訓(xùn)練樣本數(shù)量集。本文試驗數(shù)據(jù)樣本中，每個振動方向有90組數(shù)據(jù)，取其中的80組作為訓(xùn)練樣本，10組作為預(yù)測樣本。

(2)確定模型結(jié)構(gòu)拓?fù)洹１疚膶⒃嚻?4個子區(qū)域的磨屑值作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，將接觸電阻值作為輸出，利用經(jīng)驗公式：

(3)

式中，m、n分別為輸入層節(jié)點數(shù)和輸出層節(jié)點數(shù)，m=24，n=1；α為1～10之間的整數(shù)。

計算模型的隱含層數(shù)。由式(3)得到模型隱含層數(shù)的取值范圍為6～15。經(jīng)驗證，l=15的三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有較好的性能。隱含層和輸出層的傳遞函數(shù)分別選取tansig函數(shù)及purelin函數(shù)。本文構(gòu)建的24-15-1三層結(jié)構(gòu)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能退化模型如圖9所示。圖9中，X=(X1，X2，…，X24)表示24個子區(qū)域的磨屑特征值，Y為試品的接觸電阻，wij、wjk分別為輸入層與隱含層、隱含層與輸出層間的權(quán)值，下標(biāo)i、j、k分別為輸入層數(shù)、隱含層數(shù)和輸出層數(shù)。

圖9 電連接器BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)退化模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic diagram of degradation model of electrical connector BP neural network

(3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初始化。隨機給定輸出層與隱含層的連接權(quán)值wij和偏置項b1、隱含層與輸出層之間的連接權(quán)值wjk和偏置項b2，設(shè)置學(xué)習(xí)速率為0.01，期望誤差為0.0001。

(5)激活正向傳播計算，計算隱含層和輸出層的神經(jīng)元的輸出值：

αj=f(wj)

(4)

(5)

(6)反向傳播計算，計算第j+1層所有神經(jīng)元的誤差：

(6)

(7)更新網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)值和偏置項。權(quán)系數(shù)修正為

Δwij=μαiδj

(7)

更新神經(jīng)元的權(quán)系數(shù)：

Δwij←wij-Δwij

(8)

(8)確定輸出層的神經(jīng)元數(shù)目為1。

(9)最大訓(xùn)練次數(shù)為1000，不斷進行步驟(4)～步驟(6)的操作并計算全局誤差，當(dāng)訓(xùn)練次數(shù)達到1000或期望誤差小于0.0001時停止。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂慢且容易陷于局部最優(yōu)解，本文采用麻雀搜索算法(sparrow search algorithm，SSA)對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值進行尋優(yōu)。電連接器微動磨損性能退化模型優(yōu)化算法的流程如圖10所示。

圖10 電連接器微動磨損性能退化模型算法流程圖Fig.10 Algorithm flow chart of fretting wear degradation model of electrical connector

優(yōu)化中，創(chuàng)建的初始種群規(guī)模為30，最大進化迭代次數(shù)為50，安全值為0.6，發(fā)現(xiàn)者、加入者和預(yù)警者的比例為7∶3∶2。

種群適應(yīng)度函數(shù)為

(9)

4.2 微動磨損性能退化模型的預(yù)測結(jié)果分析

為了評價算法模型的準(zhǔn)確性，本文選取接觸電阻的平均絕對誤差：

(10)

接觸電阻的均方根誤差：

(11)

接觸電阻的平均絕對誤差：

(12)

作為評價指標(biāo)。表6、表7所示分別為BP和SSA-BP性能退化模型不同方向的性能評價指標(biāo)，可以看出，以磨屑特征值構(gòu)建的電連接器性能退化模型能較好地反映電接觸性能的退化程度，SSA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測精度優(yōu)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

表6 BP性能退化模型不同方向的評價指標(biāo)Tab.6 Evaluation index of BP performance degradation model in different directions

表7 SSA-BP性能退化模型不同方向的評價指標(biāo)Tab.7 Evaluation index of SSA-BP performance degradation model in different directions

5 結(jié)論

(1)隨著微動次數(shù)的增加，接觸件間磨屑堆積量逐漸增大，微動磨損過程大致可分為微動磨合期、微動平穩(wěn)期和微動加劇期；相比于振動頻率，振動加速度對磨屑累積及微動磨損程度的影響更大；軸向振動時，接觸件間磨屑特征值總量最大，微動磨損程度最嚴(yán)重。

(2)微動過程中，接觸電阻和磨屑特征值總量的變化規(guī)律大致相似；隨著微動次數(shù)的增加，接觸電阻沒有階段性變化的特征，但其波動程度有所增大；隨著振動加速度的增大，軸向振動時，接觸電阻的波動均會明顯增強。

(3)高振動頻率和大加速度下，接觸電阻和磨屑特征值總量呈現(xiàn)出極大的相關(guān)性；由磨屑特征值構(gòu)建的電連接器性能退化SSA-BP模型比傳統(tǒng)BP模型的預(yù)測精度高。

今后需進一步研究該方法及模型的應(yīng)用范圍，提高預(yù)測精度。微動過程中，磨屑的遷移規(guī)律及局部接觸區(qū)域磨屑的堆積程度與接觸性能退化的關(guān)聯(lián)性也需深入探討。