電連接器接觸件的插拔和溫升特性*

賀占蜀 張遠(yuǎn)西 王培卓 湯勇 邵麗娜

(1.鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院∥抗疲勞制造技術(shù)河南省工程實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001;2.華南理工大學(xué) 表面功能結(jié)構(gòu)先進(jìn)制造廣東普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510640)

電連接器接觸件的插拔和溫升特性*

賀占蜀1張遠(yuǎn)西1王培卓1湯勇2邵麗娜1

(1.鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院∥抗疲勞制造技術(shù)河南省工程實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001;2.華南理工大學(xué) 表面功能結(jié)構(gòu)先進(jìn)制造廣東普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510640)

電連接器接觸壓力過大或過小都將導(dǎo)致不易插拔或接觸電阻過大,最終導(dǎo)致接觸失效.為了提高電連接器的接觸可靠性,對(duì)一種電連接器接觸件的插拔特性和溫升特性進(jìn)行了研究.采用ABAQUS軟件對(duì)接觸件進(jìn)行了插拔力與溫升仿真,研究了接觸件結(jié)構(gòu)參數(shù)彈舌傾角α和彈舌支撐間隙δ對(duì)插拔力的影響以及導(dǎo)線截面積S和電流對(duì)溫升的影響,并通過實(shí)驗(yàn)研究了插拔力和溫升的變化情況.結(jié)果表明:當(dāng)δ=0.12 mm時(shí),插拔力隨α的增大而增大；當(dāng)δ=0.18 mm時(shí),插拔力隨α增大先增大后減小;α一定時(shí),插拔力隨δ增大而逐漸較?。唤佑|件溫升隨電流的增大而增大,隨導(dǎo)線截面積增大而減小.實(shí)驗(yàn)得到的插拔力和溫升結(jié)果與仿真結(jié)果吻合.綜合考慮插拔與溫升,產(chǎn)品最優(yōu)參數(shù)為間隙彈舌支撐δ=0.12 mm、彈舌傾角α=15°.

電連接器；接觸電阻；插拔力；溫升；有限元仿真

電連接器是一種用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)與電流傳輸和控制的電接觸元件[1],其內(nèi)部接觸件的接觸失效是電連接器的主要失效模式,大約占失效總數(shù)的45.1%[2-3],失效的原因主要有兩個(gè)方面:①接觸壓力過大,插拔力隨之增大,將導(dǎo)致連接件不易插拔；②接觸壓力過小,導(dǎo)致插拔力不足,接觸件容易松脫,同時(shí)將導(dǎo)致接觸電阻過大,最終引起溫升過高.因此,為了提高電連接器的接觸可靠性,有必要對(duì)電連接器接觸件的插拔特性和溫升特性進(jìn)行分析研究.

國內(nèi)外學(xué)者先后采用仿真和實(shí)驗(yàn)方法對(duì)電連接器、斷路器、繼電器等電接觸元件進(jìn)行了研究.Do等[4]建立了一種高速差分電連接器的多場(chǎng)耦合模型,對(duì)不同觸點(diǎn)材料的電連接器的溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真,并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證.Angadi等[5]建立了一種汽車電連接器的機(jī)電熱多場(chǎng)耦合模型,對(duì)接觸壓力、通電電流和環(huán)境因素綜合作用下的溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真,模型中還考慮了粗糙表面對(duì)接觸電阻的影響.Carvou等[6]通過ANSYS軟件仿真了一種電連接器接觸件插拔時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)和通電時(shí)的溫度場(chǎng),插拔力大小和溫度變化都與實(shí)驗(yàn)相一致.Beloufa[7]采用仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了接觸面粗糙度對(duì)汽車用銅合金電連接器接觸件的接觸電阻的影響.

國內(nèi)劉幗巾等[8]對(duì)接觸器式繼電器發(fā)生接觸不良的失效機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)接觸器式繼電器的主要失效模式是觸點(diǎn)間接觸不良，觸點(diǎn)間過大且不穩(wěn)定地接觸電阻.潘駿等[9]針對(duì)電連接器接觸件進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)與接觸情況研究,利用ANSYS軟件對(duì)接觸件的接觸情況進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,得到了接觸過程中接觸壓力、插拔力的變化情況和應(yīng)力分布情況.任萬濱等[10-11]采用ANSYS軟件仿真了密封電磁繼電器在高、低溫環(huán)境條件下的溫度場(chǎng),結(jié)果表明觸點(diǎn)的電流密度是影響穩(wěn)態(tài)溫升的關(guān)鍵因素;不僅如此,還仿真了電連接器接觸件的插拔力,分析了摩擦系數(shù)、過盈量等因素對(duì)插拔特性的影響,并建立電熱耦合模型對(duì)接觸電阻進(jìn)行仿真分析.周澤廣等[12]采用熱網(wǎng)絡(luò)分析法研究了溫差發(fā)電器冷端在空氣自然對(duì)流、強(qiáng)制對(duì)流以及水冷等3種不同散熱條件下的傳熱特性，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.Wang等[13]基于渦流場(chǎng)、氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng),多場(chǎng)耦合模擬了自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流條件下的整個(gè)開關(guān)柜溫升分布,并對(duì)彈簧接觸結(jié)構(gòu)、真空斷路器和電流互感器進(jìn)行了優(yōu)化以減小溫升.

雖然國內(nèi)外對(duì)電連接器的研究取得了一定成果,但針對(duì)接觸件結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)插拔特性的影響研究較少.為了提高電連接器接觸可靠性,文中針對(duì)一種電連接器接觸件的插拔特性和溫升特性進(jìn)行深入研究,采用ABAQUS軟件對(duì)接觸件進(jìn)行了插拔與溫升仿真,研究了接觸件結(jié)構(gòu)參數(shù)彈舌傾角α和彈舌支撐間隙δ對(duì)插拔力的影響以及導(dǎo)線截面積S和電流對(duì)溫升的影響,并通過試驗(yàn)研究了插拔力和溫升的變化情況.

1 理論分析

1.1 接觸件插拔特性

電連接器中的接觸件都是成對(duì)出現(xiàn)的,圖1為一種電連接器接觸件,包括插頭端子和插座端子.當(dāng)插頭端子插入插座端子時(shí),因受到彈力的作用,接觸件間產(chǎn)生接觸壓力,這將直接成為插拔時(shí)的阻力.根據(jù)胡克定律,當(dāng)彈性接觸件的彈力越大,也就是接觸件間的接觸壓力越大時(shí),為克服此力產(chǎn)生的阻力而所需的力也越大,也就是插拔力越大;反之亦然.在插入與拔出過程中,如圖1(a)所示,接觸件受到的插拔力、接觸壓力、摩擦力保持穩(wěn)定:

(1)

摩擦力主要取決于兩個(gè)接觸件之間的摩擦系數(shù),對(duì)于需要多次插拔的電連接器來說,接觸件表面的磨損將導(dǎo)致摩擦系數(shù)變化.而接觸壓力是影響插拔力的主要因素,它不但與接觸件材料的性能有關(guān),還與接觸件內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān),如圖1(b)中的彈舌傾角α和彈舌支撐間隙δ.

1.2 接觸壓力與接觸電阻

接觸壓力不僅影響插拔力,在它的作用下接觸件相互得以接觸,電流接通,接觸電阻也隨之產(chǎn)生[13],而接觸電阻與接觸件的生熱率直接相關(guān).隨著接觸壓力的增大,接觸件上用于傳輸電流的真實(shí)電接觸面(非表觀面積)也將增大,那么接觸電阻也將隨之減小.經(jīng)驗(yàn)公式為

R=K(0.102P)m

(2)

式中，R為接觸電阻，P為接觸力，K為與接觸材料性質(zhì)和接觸表面情況有關(guān)的系數(shù)，m為與接觸形式、壓力、范圍和實(shí)際接觸面的數(shù)目有關(guān)的指數(shù)(實(shí)驗(yàn)證明,在接觸壓力不太大的范圍內(nèi),對(duì)于點(diǎn)接觸,m=0.5;對(duì)于線接觸,m=0.7;對(duì)于面接觸,m=1).為了減小接觸電阻,要求接觸壓力盡可能大，但過大的接觸壓力也將導(dǎo)致插拔力過大而不易插拔，而且接觸壓力大到一定程度,接觸電阻減小幅度變小,此時(shí)再通過增大接觸壓力來減小接觸電阻反而得不償失.因此，設(shè)計(jì)接觸件時(shí)要選擇合適的接觸壓力,既保證較小的插拔力又保證溫升不至過大.

1.3 接觸件溫升特性

電連接器的溫升計(jì)算時(shí),需要考慮電連接器接觸件的生熱率以及傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射3種傳熱方式引起的熱量散失.

圖2 接觸件散熱示意圖

電連接器接觸件的生熱率是指在電連接器的接觸件上施加額定的電流時(shí),接觸件在單位時(shí)間內(nèi)釋放的熱量.除了接觸件之間的接觸電阻R1,電連接器還有接觸件自身的體積電阻R2、接觸件與導(dǎo)線之間的壓接電阻R3和導(dǎo)線自身的體積電阻R4.考慮到金屬材料的電阻率隨溫度變化,引入電阻溫度系數(shù)a,則單個(gè)接觸件的生熱率為

q=I2(R1+R2+R3+R4)[1+a(Tc-20)]

(3)

式中:I為通過導(dǎo)體的電流;Tc為元器件自身濕度.本實(shí)驗(yàn)中,R1=0.32 mΩ，R2=1.46 mΩ，R3=0.29 mΩ,導(dǎo)線電阻R4隨導(dǎo)線長度變化,輸入電阻率由仿真模型自行計(jì)算.

接觸件在通電后發(fā)出的熱量一部分通過導(dǎo)線傳導(dǎo)出去,一部分通過熱對(duì)流與熱輻射散發(fā)到空氣中,最終達(dá)到熱平衡.因此,在進(jìn)行電連接器的溫升計(jì)算時(shí),需要考慮熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射3種傳熱方式引起的熱量散失.

熱傳導(dǎo)在電連接器里是一種重要的傳熱方式,熱量經(jīng)過導(dǎo)線然后通過導(dǎo)線絕緣皮向外傳導(dǎo).由傅里葉定律可得

(4)

電連接器的熱對(duì)流方式主要是電連接器的外表面與周圍空氣之間的自然對(duì)流,在進(jìn)行計(jì)算時(shí),對(duì)流換熱系數(shù)按照空氣自然對(duì)流換熱系數(shù)來取值.熱對(duì)流可以使用牛頓冷卻方程來描述:

Φ=hA2Δt

(5)

式中:A2為與流體接觸的壁面面積;Δt為物體與流體表面間的溫差;h為為對(duì)流換熱系數(shù),針對(duì)接觸件,采用大空間自然對(duì)流換熱系數(shù).

物體表面的溫度越高,熱輻射效應(yīng)就越明顯.物體表面的輻射遵循Stefan-Boltzmann定律:

q=εσA(T4s-T4b)

(6)

式中:ε為發(fā)射率,接觸件為輕微氧化鍍錫黃銅,發(fā)射率取0.2;σ為Stefan-Boltzmann常數(shù),約為5.67×10-8W/(m2·K4);Ts為發(fā)熱體表面的絕對(duì)溫度,K;Tb為外界環(huán)境絕對(duì)溫度,K.工程中,常把輻射換熱折算成對(duì)流換熱處理.結(jié)合式(5),可以推出輻射換熱系數(shù):

(7)

本實(shí)驗(yàn)的環(huán)境溫度為25 ℃，仿真所采用的大空間自然對(duì)流換熱系數(shù)和折算后的輻射換熱系數(shù)如表1所示.

表1 接觸件換熱系數(shù)

2 仿真與實(shí)驗(yàn)

2.1 插拔的仿真與實(shí)驗(yàn)設(shè)置

在Solid Works2014中建立電連接器接觸件模型,然后導(dǎo)入到ABAQUS6.12軟件，采用通用靜態(tài)分析步進(jìn)行有限元仿真.在Property模塊中定義各零件的材料屬性,插頭端子與插座端子材料均為H65,其力學(xué)性能為:彈性模量105 GPa，泊松比0.35，屈服強(qiáng)度420 MPa.為保證ABAQUS/Standard 求解收斂,將插拔過程分成3個(gè)分析步:Incompact、In和Out,即預(yù)接觸分析步、插入分析步和拔出分析步.在Interaction模塊中定義各零件的接觸情況,插頭端子和插座端子之間接觸模型中使用有限滑移,定義庫倫摩擦,摩擦系數(shù)為0.2.在Load模塊中初始分析步中設(shè)置插座端子上下底部采用完全固定約束.在插頭端子參考點(diǎn)上設(shè)置位移載荷,插入分析步位移量為3.5 mm,拔出分析步位移量則為0,即返回初始位置.插頭端子與插座端子均采用C3D10M網(wǎng)格,即修正的二次四面體單元,圖3為劃分網(wǎng)格后的接觸件.

圖3 接觸件網(wǎng)格劃分

為了驗(yàn)證仿真分析的正確性,對(duì)電連接器進(jìn)行插拔實(shí)驗(yàn),測(cè)量插入力和拔出力.在插拔實(shí)驗(yàn)之前,采用深圳潔盟清洗設(shè)備有限公司生產(chǎn)的JP-020S超聲波清洗機(jī)對(duì)接觸件清洗10 min,以去除油污和其他雜質(zhì).然后采用深圳三思縱橫科技股份有限公司生產(chǎn)的連接器插拔力專用試驗(yàn)機(jī)(UTM2103)進(jìn)行插拔實(shí)驗(yàn)(圖4),試驗(yàn)機(jī)下方的力傳感器將采集的力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī).

圖4 插拔力實(shí)驗(yàn)機(jī)

2.2 溫升的仿真與實(shí)驗(yàn)設(shè)置

在插拔仿真之后,將插入狀態(tài)下變形后的網(wǎng)格信息提取出來,替換原有文件中的初始網(wǎng)格信息,并重新生成、導(dǎo)入該文件,進(jìn)行溫升仿真.電連接器兩端的連接導(dǎo)線實(shí)際由多根細(xì)銅絲組成,仿真時(shí)為了簡(jiǎn)化模型,把導(dǎo)線所有細(xì)銅絲等效為單根相同截面積的三維圓柱體導(dǎo)線模型,導(dǎo)線對(duì)流傳熱可以表示為

Φ=hcA3Δt=heqA3eqΔt

(8)

式中:hc為導(dǎo)線對(duì)流換熱系數(shù);A3為導(dǎo)線所有銅絲的總換熱面積，該數(shù)值可幾何計(jì)算得出;Δt為物體與環(huán)境溫度之間的溫差，該數(shù)值通過熱電偶測(cè)量得出;heq為等效的單根導(dǎo)線對(duì)流換熱系數(shù),該數(shù)值通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算相結(jié)合的方法得出;A3eq為等效的單根導(dǎo)線換熱面積，該數(shù)值也可幾何計(jì)算得出;實(shí)驗(yàn)采用了3種不同截面積的導(dǎo)線,分別為0.85,1.00和1.25 mm2,對(duì)應(yīng)的等效對(duì)流換熱系數(shù)分別為60.0、51.5和50.5 W/(m2·K).

材料的熱學(xué)和電學(xué)特性如表2所示.接觸件接觸部位、接觸件與導(dǎo)線接觸部位的接觸屬性都選擇為Tie.分析步模塊中定義測(cè)量分析步并選擇熱電耦合計(jì)算方式.設(shè)置接觸電傳導(dǎo)系數(shù)Ecc:

(9)

式中，R1為接觸電阻，Ac為電接觸面積.設(shè)置接觸熱傳導(dǎo)系數(shù)Tcc如下:

(10)

式中，k為電阻率，ρ為熱導(dǎo)率.將熱輻射折算成輻射換熱系數(shù),與自然對(duì)流換熱系數(shù)一并輸入.最后加載面電流載荷,得到溫度分布云圖.

表2 接觸件和導(dǎo)線熱力學(xué)特性

本實(shí)驗(yàn)采用熱電偶法進(jìn)行測(cè)量.溫升實(shí)驗(yàn)仍然采用清洗過的接觸件,將多對(duì)相同接觸件通過不同粗細(xì)的導(dǎo)線壓接并串聯(lián)起來.實(shí)驗(yàn)采用圖5所示W(wǎng)YK-50A直流穩(wěn)壓電源,通入不同大小的恒定電流,將K形熱電偶粘到每個(gè)插座端子表面測(cè)量溫度,再通過8422-51多通道數(shù)據(jù)記錄儀將采集的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),傳輸?shù)接?jì)算機(jī).

圖5 溫升實(shí)驗(yàn)裝置

3 結(jié)果分析

3.1 插拔的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

插拔時(shí),插座端子的兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)彈舌傾角α和彈舌支撐間隙δ直接決定著接觸壓力和插拔力的大小.為了確定最優(yōu)參數(shù),在仿真時(shí)調(diào)整α和δ的大小,分析接觸壓力和插拔力的變化.

插頭端子插入插座端子后,插座端子彈舌最高點(diǎn)下降的高度設(shè)置為0.15 mm.當(dāng)間隙δ小于0.15 mm時(shí),如圖6(a)所示,δ=0.12 mm,α從9°增大到42°,接觸壓力、插入力和拔出力分別從11.2、4.7和4.4 N增大到35.5、19.7和7.8 N;當(dāng)間隙δ大于0.15 mm時(shí),如圖6(b)所示,δ=0.18 mm,接觸壓力、插入力和拔出力隨α從9°增大到42°而先增大后減小,在α=24°時(shí)達(dá)到最大值,分別為13.0、6.6和3.7 N.這是因?yàn)樵谄渌麠l件不變的情況下,接觸壓力和插拔力的大小主要由插入時(shí)彈舌支撐腳與水平面的夾角α′和彈舌支撐腳產(chǎn)生的撓度決定.而不論間隙為何值,α增大會(huì)使α′增大,同時(shí)彈舌支撐腳長度減小,將導(dǎo)致插入后的彈舌支撐腳撓度減小.在兩者共同作用下,接觸壓力和插拔力隨α增大先增大后減小.而δ增大使彈舌支撐腳撓度減小量增大,從而使接觸壓力達(dá)到最大值的角度α減小.所以當(dāng)δ=0.12 mm、α在9°～42°時(shí)，接觸壓力和插拔力尚未到達(dá)最大值,所以隨α增大持續(xù)增大;而當(dāng)δ=0.18 mm時(shí),接觸壓力和插拔力在α=24°時(shí)達(dá)到最大值,因此隨α從9°增大到42°而先增大后減小.

圖6 角度α對(duì)接觸壓力和插拔力的影響Fig.6 Effects of α on contact force and insertion-extraction force

如圖7所示，α=15°時(shí),隨著δ從0增大到0.3 mm,接觸壓力、插入力和拔出力分別從15.7、8.8和4.0 N逐漸減小至2.6、1.0和1.0 N,δ從0.3 mm增大至0.4 mm,接觸壓力和插拔力保持不變.這是因?yàn)?當(dāng)δ小于0.1 mm時(shí),插座端子發(fā)生塑性變形,即便間隙再減小,接觸壓力也不再增大;當(dāng)δ在0.1～0.3 mm時(shí),隨著間隙增大,接觸壓力減小;當(dāng)δ大于0.3 mm時(shí),即便角度再增大,尾部也不再支撐起作用,插拔接觸壓力不再變化.所以δ應(yīng)在0.1～0.3 mm之間.

圖7 間隙δ對(duì)接觸壓力和插拔力的影響

為了減小接觸電阻,接觸壓力要足夠大,但隨著接觸壓力增大,插拔力也相應(yīng)增大,對(duì)彈性接觸件的性能要求也越高,接觸件的磨損也增大.所以從使用者的角度考慮,接觸壓力不宜過大.綜合考慮接觸壓力對(duì)插拔力和接觸電阻的影響,最優(yōu)參數(shù)為δ=0.12 mm、α=15°.圖8為δ=0.12 mm、α=15°接觸件插入時(shí)插座端子的應(yīng)力分布云圖.可以看出插座端子的最大應(yīng)力出現(xiàn)在彈舌最高點(diǎn)和折彎處,但均未超過材料的屈服強(qiáng)度,接觸件未發(fā)生塑性變形.

圖8 應(yīng)力分布云圖

插拔力的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖9所示.以插頭端子與插座端子開始接觸點(diǎn)為位移零點(diǎn),插入力為正,拔出力為負(fù).隨著插頭端子的逐漸插入,彈舌撓度不斷增加,插入力逐漸增大,在插頭端子到達(dá)彈舌最高點(diǎn)時(shí)達(dá)到最大值.此時(shí)仿真最大插入力為6.86 N,略小于實(shí)驗(yàn)最大插入力7.22 N.隨著插頭端子繼續(xù)插入,進(jìn)入平穩(wěn)插入階段,接觸壓力方向由垂直于彈舌表面變成垂直于插頭端子表面,所以在平穩(wěn)插入階段插入力減小并趨于穩(wěn)定.在拔出階段,拔出力由穩(wěn)定狀態(tài)逐漸減小,仿真最大拔出力為6.02 N,與實(shí)驗(yàn)最大拔出力6.09 N吻合.在拔出階段,插頭端子經(jīng)過彈舌最高點(diǎn)后,接觸壓力方向又變成垂直于彈舌表面,有助于插頭端子拔出,拔出力驟然減小.在最后拔出階段，隨著彈舌的撓度逐漸減小，插頭端子受到的拔出力逐漸減小到零.仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合.

圖9 插拔力實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

Fig.9 Contrast of insertion-extraction forces obtained from experiment and simulation

3.2 溫升的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

電連接器工作時(shí),通入的電流大小會(huì)對(duì)溫升產(chǎn)生影響,因此仿真分析了不同電流(5,8,11,14,17,20 A)下的溫升,圖10為施加20 A電流條件下,穩(wěn)定后的溫度分布云圖.可以看出,接觸件最高溫度產(chǎn)生在兩端子接觸區(qū),最大溫升為72.3 ℃,插頭和彈舌部位溫升最高;因散熱表面積相對(duì)較大,插座端子最高溫度小于插頭端子.

圖10 溫度分布云圖

為了評(píng)估接觸電阻和輻射散熱對(duì)電連接器溫升的影響,對(duì)不考慮接觸電阻和輻射散熱的情況進(jìn)行了溫升仿真.圖11為導(dǎo)線截面積為0.85 mm2時(shí)接觸電阻和輻射散熱對(duì)最大溫升的影響.在加載不同電流的情況下,去除接觸電阻，接觸件最大溫升下降11%,由此可知接觸電阻對(duì)最大溫升影響明顯;而在不考慮輻射散熱的情況下,接觸件最大溫升增大了4%,輻射散熱效應(yīng)相對(duì)較小.

圖11 接觸電阻和輻射散熱對(duì)溫升的影響

Fig.11 Effects of contact resistance and heat radiation on temperature rise

圖12所示為施加14 A恒定電流時(shí)仿真和實(shí)驗(yàn)得到的接觸件溫升瞬態(tài)曲線.可以看到仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致,溫度在150 s內(nèi)迅速升高達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),且溫升趨勢(shì)符合熱量指數(shù)增長規(guī)律[15]:

(11)

圖12 溫升實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

Fig.12 Contrast of temperature obtained from experiment and simulation

在進(jìn)行溫升實(shí)驗(yàn)時(shí),連接導(dǎo)線的規(guī)格也會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響,導(dǎo)線截面積S對(duì)接觸件溫升的影響如圖13所示.在相同的導(dǎo)線截面積下,接觸件最大溫升均隨電流的增大而逐漸增大,這是因?yàn)殡娏鞯脑龃髮?dǎo)致產(chǎn)生的熱量增加.而在電流一定時(shí),接觸件最大溫升隨導(dǎo)線截面積增大而減小.這是因?yàn)檫B接導(dǎo)線較粗時(shí),一方面自身電阻降低,另一方面?zhèn)鳠崮芰υ鰪?qiáng)，同時(shí)會(huì)額外起到散熱的作用.在20 A電流時(shí),S從0.85 mm2增加到1.0 mm2,增加了17%,最大溫升從78 ℃下降到65 ℃,下降了20%;S再增加到1.25 mm2,增加25%,最大溫升下降到59 ℃,只下降10%.這說明為了降低溫升,可以適當(dāng)增大導(dǎo)線直徑,但導(dǎo)線截面積增大到一定程度后,溫升下降幅度減緩,此時(shí)再通過增大直徑來降低溫升反而得不償失.

圖13 導(dǎo)線截面積和電流對(duì)溫升的影響

Fig.13 Effects of wire cross-section area and current on temperature rise

4 結(jié)論

文中通過ABAQUS有限元分析軟件,對(duì)電連接器接觸件進(jìn)行了插拔和溫升仿真，并進(jìn)行了插拔力和溫升實(shí)驗(yàn),得到以下結(jié)論:

1)當(dāng)δ=0.12 mm時(shí),插拔力和接觸壓力隨α的增大而增大;當(dāng)δ=0.18 mm時(shí),插拔力和接觸壓力隨α增大而先增大后減?。欢?dāng)α=15°時(shí),插拔力和接觸壓力隨彈舌支撐間隙δ增大而逐漸減小.

2)溫升分析表明,在相同的導(dǎo)線截面積下,接觸件最大溫升均隨電流的增大而逐漸增大;而在輸入電流一定時(shí),接觸件最大溫升均隨導(dǎo)線截面積增大而減小.

3)實(shí)驗(yàn)得到的插拔力和溫升結(jié)果與仿真結(jié)果吻合,驗(yàn)證了仿真分析的準(zhǔn)確性.綜合考慮插拔與溫升,本實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)品最優(yōu)參數(shù)為δ=0.12 mm、α=15°.

[1] 任萬斌,王鵬,馬曉明,等.微動(dòng)誘發(fā)的觸點(diǎn)電接觸間歇失效現(xiàn)象研究 [J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào),2013,33(4):382-387. REN Wan-bin,WANG Peng,MA Xiao-ming,et al.Intermittency phenomenon of electrical contacts induced by fretting behavior [J].Tribology,2013,33(4):382-387.

[2] ITO T,OGIHARA S,HATTORIY Y.Observation of structural transition of tin plated fretting contacts using FIB-SEM [J].IEICE Transactions on Electronics,2011(9):1350-1355.

[3] ITO T,NOMURA Y,HATTORIY Y.Observation of tin plated fretting contacts using FIB-SEM [J].IEICE Transactions on Electronics,2010(9):1452-1455.

[4] DO T K,COHEN T.Coupled thermal electrical finite element analysis of power contacts used in high speed diffe-rential connectors [C]∥Proceedings of the 55th IEEE Holm Conference on Electrical Contacts.Canada:[s.n.],2009:124-128.

[5] ANGADI S V,JACKSON R L,CHOE S,et al.A multi-physics finite element model of a 35A automotive connector including multiscale rough surface contact [C]∥Proceedings of the 56th IEEE Holm Conference on Electrical Contacts.Charleston:[s.n.],2010:392-402.

[6] CARVOU E,ABDI R E,RAZAFIARIVELO J,et al.Thermo-mechanical study of a power connector [J].Measurement,2012,45(5):889-896.

[7] BELOUFA A.Numerical and experimental optimization of mechanical stress,contact temperature and electrical contact resistance of power automotive connector [J].International Journal of Mechanics,2010,4(4):94-104.

[8] 劉幗巾,陸儉國,王海濤,等.接觸器式繼電器的失效分析 [J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2011,269(1):81-85. LIU Guo-jin,LU Jian-guo,WANG Hai-tao.Failure analysis of contactor relay [J].Transactions of China Electro-technical Society,2011,269(1):81-85

[9] 潘駿,靳方建,陳文華,等.電連接器接觸件結(jié)構(gòu)分析與插拔試驗(yàn) [J].中國機(jī)械工程,2013,22(12):1636-1641. PAN Jun,JIN Fang-jian,CHEN Wen-hua,et al.Structural analysis of electrical connector contacts and insertion-extraction test [J].China Mechanical Engineering,2013,22(12):1636-1641.

[10] REN W B,LIANG H M,ZHAI G F.Thermal analysis of hermetically sealed electromagnetic relay in high and low temperature condition [C]∥Proceedings of the 52nd IEEE Holm Conference on Electrical Contacts.Canada:[s.n.],2006:110-116.

[11] 任萬濱,崔黎,翟國富,等.電連接器接觸件插拔特性與接觸電阻的仿真分析 [J].機(jī)電元件,2012,32(3):40-44. REN Wan-bin,CUI Li,ZHAI GUO-fu,et al.Simulation of contacts inserted characteristics and contact resistance for electrical connector [J].Electromechanical Components,2012,32(3):40-44.

[12] 周澤廣,朱冬生,吳紅霞,等.溫差發(fā)電器的傳熱特性分析與實(shí)驗(yàn)研究 [J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,39(11):47-52. ZE Guang,ZHU Dong-sheng,WU Hong-xia,et al.Heat transfer characteristic analysis and experimental investigation of thermoelectric generator [J].Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition),2011,39(11):47-52.

[13] WANG Li-jun,ZHENG Wen-song,WANG Liu-huo,et al.Electromagnetic-thermal-flow field coupling simulation of 12kV medium voltage switchgear [J].IEEE Transactions on Components,Packaging and Manufacturing Technology,2016,6(8):1208-1220.

[14] 王召斌,翟國富,黃曉毅.電磁繼電器貯存期接觸電阻增長的動(dòng)力學(xué)模型 [J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2014,27(5):205-211. WANG Zhao-bin,ZHAI Guo-fu,HUANG Xiao-yi.Kine-tic model of contact resistance increment of electromagnetic relay in storage [J].Transactions of China Electrotechnical Society,2014,27(5):205-211.

[15] ZHU Z Y,LEE H P,CHEOK B T.Finite element analysis of thermal shock tests of RF connectors [J].Journal of Materials Processing Technology,2005,168:291-295.

Insertion-Extraction and Temperature Rise Properties of Electrical Connector

HEZhan-shu1ZHANGYuan-xi1WANGPei-zhuo1TANGYong2SHAOLi-na1

(1.School of Mechanical Engineering∥Engineering Laboratory of Anti-Fatigue Manufacturing Technology of Henan Province, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, Henan, China; 2.Key Laboratory of Surface Functional Structure Manufacturing of Guangzhou Higher Education Institutes, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

Excessive or inadequate contact force of electrical connector may result in unsmooth insertion-extraction and excessive contact resistance and further cause contact failure. In order to improve the contact reliability of electrical connectors, the insertion-extraction and temperature rise properties of an electrical connector were discussed. In the investigation, first, the insertion-extraction force and temperature rise of the contactor were simulated by using ABAQUS. Then, the effect of clearance between spring and support frameδand angle of spring tongueαon the insertion-extraction force, as well as the influence of wire’s cross-sectional areaSand current on the temperature rise were revealed. Finally, the variations of insertion-extraction force and temperature rise were measured by experiments. The results show that (1) whenδ=0.12 mm, the insertion-extraction force increases with the increase ofα; while whenδ=0.18 mm, the insertion-extraction force first increases and then decreases with the increase ofα; (2)whenαis constant,the insertion-extraction force decreases with the increase ofδ; (3) the temperature rise of the contactor increases with the increase of current, but decreases with the increase of wire’s cross-sectional area; and (4) the insertion-extraction force and temperature rise obtained by experiments are consistent with those obtained by simulation.Comprehensively considering the insertion-extraction force and temperature rise, the optimal parameters for the connector are suggested asδ=0.12 mm andα=15°.Key words:electrical connector; contact resistance; insertion-extraction force; temperature rise; finite element simulation

2016-06-07

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305408);河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(15A460029);中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015M582199);鄭州大學(xué)青年骨干教師資助計(jì)劃項(xiàng)目 Foundation items: Supported by the National Natural Science Foundation of China(51305408) and China Postdatoral Science Foundation(2015M582199)

賀占蜀(1985-),男,博士,副教授,主要從事先進(jìn)制造與精密加工研究.E-mail:hezhanshu@qq.com

1000-565X(2017)04-0059-07

TM 503+.5

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.04.009