振动环境下电连接器接触件微动磨损与疲劳松弛试验研究

振动环境下电连接器接触件微动磨损与疲劳松弛试验研究

王玉鹏    王樱霖    艾蘅

沈阳兴华航空电器有限责任公司  辽宁沈阳  110000       空军装备部驻沈阳地区第三军事代表室  辽宁沈阳  110000            空军装备部驻沈阳地区第三军事代表室  辽宁沈阳  110000

摘要：随着社会经济的快速发展，我国“强基工程”、“互联网+行动计划”和“中国制造2025”等政策方针，为连接器行业智能制造提供难得的发展机遇。企业应根据自身集成创新现状制定智能制造发展规划。目前，连接器企业集成创新可分为以下三种类型。

关键词：振动环境；电连接器；接触件；微动磨损；疲劳松弛；试验研究

引言

电连接器是实现器件之间电气连接和信号传递的元件，广泛用于军事装备和航空航天设备。电连接器可靠性的高低对系统的安全可靠运行具有重要影响。振动应力是影响电连接器可靠性的重要因素之一，持续的机械振动应力会引起电连接器插针与插孔发生微动磨损，导致接触性能退化甚至失效[1-2]。国内外学者关于电连接器微动磨损的研究主要包括试验方法、性能退化规律和退化模型。微动磨损试验主要以不同镀层材料制备的接触对试样为对象，利用研制的微动试验台驱动其相对移动，监测接触电阻等与电连接器接触性能退化相关的参数[3-4]。微动磨损性能退化规律的研究主要围绕振幅、温度等因素对电连接器接触电阻的影响，以及不同阶段的退化特征而展开。微动磨损的影响因素主要包括环境因素、结构参数、材料参数和负载参数等。退化模型大多以接触电阻与微动次数和影响因素的函数关系来表达，如以振动频率和微动位移为变量的功率电连接器银镀层材料的微动磨损退化模型、结合Eyring模型构建的圆形电连接器振动和电流综合应力加速退化的可靠性评估模型，以及银镀层接触件寿命极限值与微动载荷和镀层厚度的函数关系模型等，上述模型以接触电阻作为表征量无法动态解释微动磨损的演变行为。

1质量检查

在人工对电连接器进行检查时，由于存在许多沟槽、深孔等特征，检查时，需要对连接器进行多方位的对光检查，同时，由于一般的存在于电连接器内部的多余物都非常细小，直径往往只有0.1mm量级左右，因此在拍照记录后，还需要将照片放大，分区域进行检查。图像的自动检查过程，主要为模拟人眼发现电连接器质量缺陷的过程。人在浏览和观察复杂场景时，能够将焦点快速定位到自己感兴趣或突出的目标上，而且能自动忽略和过滤背景信息，称为视觉选择性注意机制。因此在电连接器检查时，其中出现的多余物等质量缺陷，就是需要寻找和甄别出来的突出目标，也可以称为视觉显著性的点或区域。基于人类视觉发现的原理，国内外研究人员提出了多种视觉模型，最初的模型针对图像使用的颜色、亮度、方向的3种基础特征进行描述，提取图像中的对比度较高的目标。经过研究发现，使用生物视觉模型，往往在图像边缘处的对比度最大，因此后续的研究者从纯数学角度出发，对视觉显著性进行研究。目前，主要的视觉显著性检测方法，可以按照基于生物原理和基于纯数学计算的模型，也可以根据对比度的覆盖范围，分为局部对比度模型和全局对比度模型。基于生物视觉原理的检测方法最符合人类视觉原理，但是存在计算量大、分辨率低的问题。采用纯数学的方式，根据不同数学工具，对图像视觉注意的核心——对比度进行处理，得到显著性图像。研究人员分别从频域和空域采用不同数学模型进行图像处理，得到最终结果。在以对比度为主要指标的检测方法中，早期主要以局部对比度模型为主流，最著名的ITTI模型考虑某个像素点与其8个方向邻域像素的对比度，并且，为了解决此方法导致的考虑范围太小的问题，在多尺度上提取图像特性以兼顾大目标的局部和整体显著性。全局对比度方法关注参考点与整幅图像的对比度，有利于突出显著目标。根据以上对现有的图像视觉显著性检测方法的分析和对比，考虑航天电连接器检查过程中的相关特征和流程，采用局部对比度检测方法。在典型电连接器中，其内部的特征趋于一致，相互之间差别很小，并且，其多余物或者插针的缩针、歪针现象一般都较为细小且为极少数目标，用局部对比度检测方法更符合人眼观察习惯，且能减少计算量，能更快地检测出质量缺陷。

2电连接器的典型分类方式

电连接器分类方式有很多种，常按外形、连接方式、工作频率、接触体端接形式、环境保护、用途等分为不同类型的电连接器，本文列举了电连接器最为常见的两种分类方式：一是按电连接器的外形结构，根据其横截面分为两种，即圆形电连接器和矩形电连接器。圆形连接器是目前用军用电连接器中使用量最多的一种电连接器，该种电连接器也因材料便于加工、形成结构牢固、适合各种规格的线缆、连接方便且快速，同时还可根据不同环境的严酷程度设计成需要的形式等诸多特点，被广泛应用于航天航空、兵器装备和电子装备等各类军用装备。二是按电连接器的连接方式来进行分类，常见的电连接器的连接方式有螺纹、卡口、推拉式、卡锁和直插式连接5种。其中较为常用的螺纹连接电连接器，具有连接可靠性高，适用于长期处于强振动环境的优点，然而在使用中也暴露出插合分离速度慢，连接不方便，在极端环境中多次使用后容易出现卡死和插合后难以分离的缺点。卡口连接电连接器因本身的连接环可实现120°的大角度转动，其插合分离较快速且方便，故又别名为快速分离电连接器。研究显示，不同连接方式的电连接器其壳体的密封性有所差异，这将一定程度上影响电连接器在使用环境的中的可靠性和适应性。

3电连接器微动磨损的演变过程

电连接器插针与插孔以过盈配合的方式机械连接，插针与插孔插合时发生弹性变形，产生接触压力。振动应力作用下，插针与插孔间极易发生微动磨损现象。微动初期，插针与插孔相互黏着的接触斑点发生黏着磨损，被小振幅振动剪断成磨屑；磨屑增多并被氧化后，磨损变成磨粒磨损，若干接触斑点合并成小平台；随后，磨屑继续增多且被氧化，同时磨粒逐渐碎化，细小的氧化颗粒在两接触表面间形成第三体床；接触区域内氧化磨粒的产生和溢出达到动态平衡时，插针、插孔与磨屑的接触完全替代了插针与插孔的接触；最后，接触区域压力因为磨屑的存在而改变，中心压力增高，边缘压力降低，使中心的磨粒磨损加重、凹坑加深。如此反复，电连接器磨损逐渐加剧，导致接触性能恶化甚至失效。微动驱动单元给固装于振动台的试品施加振动激励，促使接触件间产生微动磨损。超声检测单元包括驱动控制单元、机械运动扫查单元、超声信号发射与采集单元。试品固定在滚珠丝杠前端的旋钮，检测时，驱动控制单元产生的运动激励经机械运动扫查单元，带动与之相连的滚珠丝杠转动，使电连接器接触件进行旋转和轴向步进运动；超声信号发射与采集单元采集超声反射波变化量。

结语

在电连接器行业内，目前国内电连接器的可靠性工作经过不断地探索、实践、总结，已经取得了较大的成绩。但是，实践证明国内的电连接器在使用的过程中仍然存在着大量的问题，其可靠性和质量等级与国外的相比仍然有较大的差距，所以，对于电连接器的可靠性，我们应该充分地重视接触理论的研究，将理论与实践相结合；加强失效分析的研究，充分地重视设计可靠性；加强综合环境应力加速模拟技术研究等，多方面、全方位地保障电连接器的可靠性和稳定性。

参考文献

[1]王腾,郁大照,朱蒙,等.海军某型飞机典型电连接器失效分析[J].装备环境工程,2019,25(12):28-35.

[2]王玲,赵全成,杨万均.海洋大气环境对铝合金电连接器壳体腐蚀及电气性能影响[J].装备环境工程,2019,16(15):85-89.

[3]肖阳,刘鹏亮.低磁性电连接器用铝合金镀锌的失效分析[J].电镀与涂饰,2019,38(1):963-966.

[4]孔祥泽.插拔对电连接器接触件贮存寿命影响的研究[D].杭州：浙江理工大学,2016.