摘 要：

應用Ansys軟件對電連接器整體模型在高溫振動環(huán)境下的動態(tài)響應進行仿真，深入分析接觸件尾部線纜質量、溫度、分離力、應力松弛等指標對微動幅值的影響?；诜抡娴贸鲈O計在高溫振動中會發(fā)生失效的結論，優(yōu)化設計接觸正壓力和尾部線纜質量。結合仿真分析結果和計算，得到電連接器在指定高溫振動條件下不發(fā)生失效的設計指標范圍，即分離力應盡量接近上限值2.5 N，每個接觸件尾部線纜質量應盡量控制在1.2 g以內。通過試驗驗證了仿真和優(yōu)化的正確性，研究結果可為電連接器抗高溫振動提供設計與優(yōu)化思路。

關鍵詞：

電連接器; 高溫振動; 接觸; 仿真; 失效; 磨損

中圖分類號： TM503+.5

文獻標志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）07-0079-08

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.07.013

Simulation Study on High Temperature Vibration Failure of Electrical Connector

Abstract：

The dynamic response of electrical connector in high temperature vibration environment is analyzed with Ansys software.The influence of the quality of the cable at the tail of the contact piece，temperature，separation force，stress relaxation，etc.on the micro motion amplitude is deeply analyzed.Based on the simulation，it is concluded that the original design will fail in high temperature vibration.The design of the contact positive pressure and the quality of the tail cable are optimized.Combined with the simulation analysis results and the relevant calculation，the design index range for the electrical connector to not fail under the specified high temperature vibration conditions is obtained，which means that the separation force should be as close as possible to the upper limit of 2.5 N，and the quality of the cable at the tail of each contact should be controlled within 1.2 g.The correctness of the simulation and optimization is verified by the test，which provides the design and optimization ideas for the high temperature vibration resistance of the electrical connector.

Key words：

electrical connector; high temperature vibration; contact; simulation; failure; wear

0 引 言

電連接器是傳輸電流或信號的關鍵元器件，廣泛應用于航空、航天、船舶等領域，上至飛機、火箭，下至電視、手機等設備都需要使用各類電連接器。電連接器是各個系統(tǒng)電流或信號的傳輸中樞［1］，其能否正常工作對于整個系統(tǒng)的可靠性影響很大。

電連接器的基本性能可分為機械性能、電氣性能和環(huán)境性能。機械性能中的接觸力是電連接器接觸件可靠接觸的基礎，會影響接觸電阻，且電連接器的接觸電阻會在振動、溫度等環(huán)境條件作用下因為微動磨損而發(fā)生波動［2-3］，從而影響電連接器的電氣性能，因此環(huán)境性能中的振動、溫度是影響電連接器可靠性的2個最重要因素［4-5］。

隨著科技的進步，電連接器特別是軍用連接器對使用環(huán)境要求越來越高。如軍用宇航級J599型電連接器要求在200 ℃高溫條件下進行振動試驗，且振動量級較大，這對連接器的可靠性提出了極大的挑戰(zhàn)。該款連接器接觸件為撐簧圈固定模式，在基座中存在一定的軸向浮動量;插頭插座外殼對接后需由螺套進行固定，而螺套和外殼之間通過彈性墊圈和動靜棘輪提供軸向限位時也有一定浮動量，即整個產品在接觸件對接方向有多處浮動設計。當產品在振動環(huán)境下特別是接觸件軸向振動時，接觸對之間容易發(fā)生較大量級的相對滑動，這將產生較大的磨損［6］，而200 ℃的高溫條件又加劇了接觸件表面的氧化腐蝕，因此J599產品高溫振動條件下很容易出現失效現象［7］，有必要對產品在高溫振動條件下的失效機理進行深入研究并提出優(yōu)化改進建議，以保證產品可靠性。

國內外學者對接觸件的微動磨損進行了大量研究，主要圍繞發(fā)生機理、仿真、試驗測試和壽命評估開展研究工作。文獻［8］利用ABAQUS仿真軟件對接觸對和尾部線纜進行仿真，并進行了試驗驗證，評估閾值振動水平與激勵頻率、導線連接長度、導線質量、界面摩擦系數和法向力的關系。文獻［9］通過試驗研究了振動條件下連接器的微動磨損參數，分析了振動幅值對磨損的影響并計算出不發(fā)生微動磨損的振動閾值，最后推導出振動中接觸件的力矩模型。任萬濱等［10］研究了在不同微動幅值條件下銅鍍金觸點的接觸電阻、切向力和觸點表面形貌的特點，并確定了微動磨損的失效模式及失效機理。陳文華等［11］應用線性極值統(tǒng)計模型求解出電連接器在隨機振動作用下的可靠性參數估計值，通過加速壽命試驗數據統(tǒng)計分析驗證了統(tǒng)計模型的正確性，為振動環(huán)境下電連接器的可靠性評估奠定了基礎。

國內外現有研究以單個接觸件常溫振動條件為主，對于整個產品的高溫振動分析較少。要分析高溫振動條件下發(fā)生失效的電連接器情況，需要充分考慮整個模型的動力學響應，并分析溫度、振動量級對微動磨損的影響。因此本研究以整個連接器產品為研究對象，分析產品在高溫振動條件下的可靠性。

1 電連接器振動模型

J599插頭插座對接結構圖如圖1所示。插頭插座對接后通過螺套進行連接，螺套和插頭外殼之間通過螺紋連接，兩者可以視為相互綁定。螺套和插座外殼之間通過彈性墊圈和動靜棘輪連接，插座外殼可視為在一定范圍內浮動且插座外殼和螺套之間存在彈性連接，剛度等于彈性墊圈和界面密封墊的剛度之和?；霞惭b在外殼內且用膠固定，因此可以認為基座合件和外殼之間綁定，接觸件安裝在基座合件內，軸向通過撐簧圈進行限位。接觸件尾部有導線，在Ansys分析中可以簡化為質量點。

J599電連接器動力學模型如圖2所示。插頭外殼和插座螺套依靠螺紋緊固連接，插頭外殼和插頭撐簧圈、插座外殼和插座撐簧圈則是通過基座灌膠連接（可近似為剛性連接），插座外殼和插座螺套之間通過彈性墊圈和動靜棘輪進行連接，螺套和插座外殼之間的剛度k1根據彈性墊圈和界面密封墊的剛度計算得出。

插針、插孔之間通過接觸壓力產生連接，插針、插孔和撐簧圈之間均有0.1 mm浮動量，撐簧圈和基座（和外殼簡化成一體）對插針、插孔形成限位。插針、插孔尾部各加上線纜質量m1、m2，線纜質量為懸空段線纜的質量，受綁扎方式和綁扎松緊的影響。主要關注軸向振動對微動磨損的影響，因此振動方向選取接觸件軸向方向。

根據達朗貝爾原理及振動理論，得到電連接器水平振動微分方程［12］為

式中： m1～m9——圖2中9個零件對應質量;

Z4——插孔、線纜的水平位移;

c3——撐簧圈和插孔之間阻尼;

Z2——插座外殼、撐簧圈的水平位移;

k3——撐簧圈和插孔之間剛度;

F——插針對插孔的作用力;

Z3——插針、線纜的水平位移;

c2——撐簧圈和插針之間阻尼;

Z1——插頭外殼、螺套、撐簧圈的水平位移;

k2——撐簧圈和插針之間剛度;

c1——螺套和插座外殼之間阻尼;

k1——螺套和插座外殼之間剛度;

A——正弦加速度幅值;

f——正弦加速度頻率;

t——時間。

插針對插孔的作用力為

式中： μ——摩擦系數;

E——插孔材料彈性模量;

I——單片插孔臂對于中心軸的慣性矩;

h——插孔和插針之間的徑向過盈量;

L——插孔彈臂長度。

通過式（1）和式（2）可以求得各個零件的位移量，而Z3-Z4是本研究關注的連接器正弦振動中接觸件的微動幅值。振動仿真按照圖2對產品三維模型進行簡化，輸入的振動載荷為Z2，系統(tǒng)阻尼設定為2%，剛度由軟件根據各個零件自動計算得出。先進行插入計算得到插針和插孔的作用力F，插座外殼加上振動載荷為Z2，計算可得整個振動過程中整體的位移結果，通過在插座插孔接觸部位取點可得Z3-Z4隨時間的變化曲線，即為接觸件在振動中的微動幅值變化曲線。

2 微動磨損理論

電連接器接觸件的接觸表面從微觀上來看有很多高低不平的峰和谷。接觸界面微觀示意如圖3所示。接觸件實際的有效接觸面積小于宏觀觀察到的接觸面積，當接觸壓力增大時，會增加現有微凸點的接觸面積以及相互接觸微凸點的數量，從而使接觸電阻降低［13］。

電連接器在振動、溫沖等環(huán)境條件作用下，接觸界面便會發(fā)生相對移動從而導致黏著磨損［14］，磨損過程中伴隨著的氧化、腐蝕等現象使得微動磨損過程極為復雜，目前被廣泛認可的一種微動磨損理論將磨損過程分為以下5個步驟［15-16］：① 接觸界面處于初始時的峰-峰接觸狀態(tài)，表面存在氧化膜;② 接觸界面發(fā)生相對位移，在正壓力的作用下表面發(fā)生磨損，氧化膜破裂露出表面鍍層;③ 在進一步的磨損過程中鍍層被氧化，一部分鍍層金屬加氧化物碎屑被推到谷中，另一部分則停留在接觸點;④ 基層金屬逐漸失去鍍層保護也開始發(fā)生氧化，氧化物碎屑越來越多，接觸電阻不斷上升;⑤ 最終接觸界面堆滿氧化物，形成厚度＞20 nm的氧化物層，接觸界面發(fā)生接觸失效［17］。

微動幅值是影響微動磨損的一個重要因素，研究表明［18］微動幅值＜14 μm時，觸點間為粘著磨損，鍍層磨損較小;微動幅值＞21 μm時，觸點間為完全滑移磨損，長時間磨損會導致表面鍍層脫離，基底材料發(fā)生氧化最終導致接觸失效。有限元仿真中，將輸出接觸件作為在振動過程中的微動幅值曲線，并以21 μm作為微動幅值超標的判定標準和優(yōu)化目標。由于本研究主要從機械角度分析失效過程，有限元分析及計算中不考慮氧化效應的影響。

3 電連接器高溫振動仿真

3.1 參數設置

對某型號J599連接器接觸件在振動中的微動幅值進行仿真，設計指標為分離力1.8 N，插頭端尾部線纜質量1 g。按照圖2的J599電連接器動力學模型將產品簡化為外殼、螺套、基座、撐簧圈和接觸件。邊界條件設置如圖4所示。

與圖2相比多了一個200 ℃的高溫載荷，該因素可影響材料的彈性模量、初始應力，在仿真材料參數中應予以考慮。整個分析過程分為2步：第1步將插頭端插入完成對接過程，同時輔以200 ℃溫度載荷;第2步對插座外殼加載正弦振動加速度對應的位移載荷進行振動仿真。第1步按靜態(tài)過程進行分析，第2步按動態(tài)過程進行分析。正弦加速度幅值為588 m/s2，頻率范圍為10～2 000 Hz，經仿真產品一階固有頻率＞2 000 Hz，取最高頻率為2 000 Hz的正弦振動進行振動分析。

插座外殼在螺套的2個平面內浮動，螺套和插座外殼之間設置彈簧連接;插頭外殼第1步加位移完成插入，第2步加正弦振動位移;撐簧圈、基座和各自的外殼綁定;接觸件在基座和撐簧圈之間浮動。J599電連接器材料參數如表1所示。材料參數按照表1進行設置。密度影響慣性力，彈性模量和泊松比影響變形量。

在振動環(huán)境特別是高溫振動環(huán)境下，電連接器接觸件正壓力會因為應力松弛而逐漸變小，這會導致接觸件微動幅值逐漸變大，因此需要分析應力松弛效應對接觸件微動幅值的影響。高溫振動應力條件下的接觸件分離力應力松弛很難進行準確仿真，因此應用試驗的方法進行測量。

取一套J599產品，在室溫條件下對每個插孔進行分離力測試，然后將整個產品進行200 ℃正弦振動試驗8 h，試驗完畢后將產品置于室溫條件下冷卻至室溫，再對每個插孔進行分離力測試。J599接觸件高溫振動前后分離力測試值如表2所示。

由表2可知，該產品在指定高溫振動條件下接觸件振動后分離力會比振動前減小約30%，相應的正壓力也將減小約30%。因此，原1.8 N的正壓力在振動后約減小到1.3 N。

3.2 高溫正弦振動仿真

仿真完成后，在插針和插孔的接觸部位各取1個點，輸出2個點的軸向位移差值，并減去第1步的插入位移值，即可得到接觸件在振動過程中的微動幅值Z3-Z4。該產品在200 ℃高溫下，正弦振動時接觸件高溫振動微動幅值曲線如圖5所示，接觸件之間的最大滑移距離達到23 μm，接觸件之間為完全滑移磨損，在長時間振動下磨損會越來越嚴重，最終在接觸界面上形成第三體氧化層，導致接觸電阻超標而失效，因此需要對該產品進行優(yōu)化設計以減小接觸件上的相對滑移距離。

由圖5可知，高溫時接觸件正壓力為0.9 N，200 ℃高溫時的正壓力為常溫正壓力的約70%。

4 高溫振動優(yōu)化與磨損量計算

4.1 優(yōu)化設計與仿真

為減小接觸件在高溫振動條件下的相對位移幅值，可以考慮通過加大接觸正壓力或者減小尾部線纜質量2個指標對產品進行改進。

對不同接觸正壓力和尾部線纜質量的接觸件在高溫振動條件下的微動位移幅值進行分析，正壓力指標要求＜2.5 N，因此對正壓力2.5 N、1.8 N分2檔進行仿真計算。正壓力2.5 N、200 ℃下接觸件振動微動幅值曲線如圖6所示;正壓力1.8 N、200 ℃下接觸件振動微動幅值曲線如圖7所示。正壓力越小對應的尾部線纜質量也越小。

由圖6可知，0.5 g和1.0 g尾部線纜質量對應接觸件微動幅值曲線呈正弦形狀，0.5 g尾部線纜質量對應接觸件微動幅值為2 μm，1 g尾部線纜質量對應接觸件微動幅值為5 μm，觸點振動屬于黏著磨損，可以保證鍍金層在振動中的完好性;1.5 g尾部線纜質量對應的微動幅值約為20 μm，2 g尾部線纜質量對應的接觸件微動幅值約為50 μm，振動中接觸件為完全滑移磨損形式，長期振動后會出現失效。因此在2.5 N分離力、200 ℃條件下振動需將每個接觸件尾部線纜質量控制在1.0 g以內。

由圖7可知，1 g尾部線纜質量對應接觸件微動幅值達到24 μm，0.5 g尾部線纜質量對應接觸件微動幅值為12 μm，因此在1.8 N分離力、200 ℃條件下振動需將尾部線纜質量控制在0.5 g以內。

綜上，尾部線纜質量、分離力、微動幅值的Contour圖如圖8所示。微動幅值需要控制在14 μm以內，可以得出振動的可靠區(qū)域為圖8中1.4E-5連線的左側，即分離力F和線纜質量m應滿足

4.2 粘著磨損量計算

插針插孔振動中插針和插孔的接觸區(qū)域長度約為0.4 mm，黏著磨損時微動幅值相對于接觸長度可以忽略，即總的磨損量是分布在基本不變的整個接觸區(qū)域上。對相同尾部線纜質量分別計算各種接觸壓力對應的磨損量，可以得出接觸件磨損量和接觸壓力的關系。

黏著磨損根據Archard公式［19］進行計算。

式中： V——磨損體積;

K——磨損系數;

F正——接觸正壓力;

L——相對滑移距離;

H——材料硬度。

振動中插針的總磨損量為各時間段磨損量的總和，F正可通過分離力和摩擦系數得出，因此插針總的磨損體積可以描述為

式中： f——分離力。

其中，鍍金接觸件之間摩擦系數μ通常約為0.2。

計算不同尾部線纜質量時的相對磨損量。不同尾部線纜質量時分離力和相對磨損量的關系曲線圖如圖9所示。由圖9可知，當尾部線纜質量為0.2 g時，相對磨損量和分離力成正比，因為微動幅值基本不隨分離力變化而發(fā)生變化;當尾部線纜質量為0.5 g，分離力＜2 N時有較大的微動幅值，相對磨損量較大，隨著分離力增大至2 N以上，微動幅值迅速下降并相對穩(wěn)定，相對磨損量也趨于穩(wěn)定;當尾部線纜質量為1 g時，分離力大小對微動幅值影響很大，較小的分離力會導致很大的微動幅值，因此相對磨損量隨分離力增大而迅速減小。由此可知，在高溫振動條件下，為保證較小的相對磨損量，線纜質量應盡可能小，且接觸件分離力應盡量取接近設計上限值2.5 N。

5 試驗驗證

5.1 試驗方案

為對比不同分離力及尾部線纜質量的影響，接觸件采用不同的收口量，調整分離力為1.8～2.5 N并對其進行編號，尾部線纜質量通過調整導線長度來控制，部分導線用膠帶固定在振動夾具上來降低線纜質量［20］。J599接觸件編號如表3所示。其中13號為初始設計指標。

振動裝置圖如圖10所示。產品固定在鋁制振動夾具的3個面上，尾部線纜用膠帶綁扎在一起，部分連接器的線纜額外用膠帶固定在振動夾具上。為了控制溫度，將高低溫箱底部開1個洞，把振動臺面放進溫箱底部的洞內，周圍用高溫橡膠密封。

5.2 試驗數據分析

試驗中按1 h的測試間隔進行接觸電阻測量。接觸件接觸電阻隨振動時間變化曲線如圖11所示。根據國軍標規(guī)定，12號接觸件接觸電阻在各種試驗后應＜5.9 mΩ，則6號、11號、12號、13號的接觸件接觸電阻超標，即發(fā)生失效。通過計算可知6號、11號、12號、13號接觸件不滿足式（3），其余樣品均滿足，即不滿足仿真得到的可靠性條件的樣品振動中均發(fā)生了失效，滿足可靠性條件的樣品振動中未發(fā)生失效，試驗結果和仿真及優(yōu)化結果一致。

6 結 語

（1） 接觸件在200 ℃高溫條件下接觸正壓力會比室溫下降約30%，從而導致接觸微動幅值增大且增大幅度大于正壓力的下降幅度，使得磨損加劇。

（2） 在長時間振動后接觸件會發(fā)生應力松弛效應，在200 ℃、588 m/s2正弦振動8 h后J599產品接觸件正壓力會下降約30%，這會導致接觸件微動幅值增大，加劇微動磨損。

（3） J599產品需承受住標準規(guī)定的高溫正弦振動實驗條件，接觸件分離力應盡量接近設計上限2.5 N，每個接觸件尾部線纜質量應通過改善綁扎方式等辦法控制在1.2 g以內。

（4） 當產品慣性力小于接觸件摩擦力時，磨損量和分離力成正比或基本不變;當產品慣性力大于接觸件摩擦力時，磨損量隨分離力的減小而急劇增大。

研究結果對設計和優(yōu)化連接器抗高溫振動性能具有較強的指導意義和參考價值。

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