電連接器接插件的優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

□ 俞坷薇 □ 李國平 □ 周 青 □ 葛永法 □ 丁志勇

1.寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院 浙江寧波 3152112.浙江永貴電器股份有限公司 浙江臺州 317200

1 研究背景

我國生活水平不斷提高,交通運(yùn)輸行業(yè)也在不斷進(jìn)步。電連接器在軌道交通行業(yè)中起不可或缺的作用,廣泛應(yīng)用于各車廂之間,是元件和元件、設(shè)備和設(shè)備、系統(tǒng)和系統(tǒng)之間進(jìn)行電流傳輸?shù)闹饕浼1]。

目前,電連接器的可靠性是連接器行業(yè)最重要的研究課題之一。數(shù)據(jù)表明,由于元器件失效而引起系統(tǒng)失效在系統(tǒng)失效總數(shù)中約占70%,其中40%與電連接器的失效相關(guān),電連接器已被列為公認(rèn)的可靠性較差的元器件之一[2]。在電連接器失效研究方面,Zhou Yilin等[3]對某家用低壓電連接器的失效進(jìn)行了一系列分析,認(rèn)為電連接器失效的主要原因是微動磨損和污染;駱國平等[4]對不同城市項(xiàng)目使用的螺旋型電連接器進(jìn)行失效分析,認(rèn)為內(nèi)部結(jié)構(gòu)及材料對電連接器的可靠性而言尤為重要;Angadi等[5]對電連接器電流和接觸區(qū)域進(jìn)行熱分析,為電連接器的失效分析提供了數(shù)據(jù)支撐。許成彬等[6]對高溫電連接器進(jìn)行溫度場模擬分析,并對電連接器在不同溫度下的插拔力進(jìn)行試驗(yàn)分析,計(jì)算得到電連接器的接觸可靠度。

電連接器在行駛的車內(nèi)或振動頻繁的狀態(tài)下工作時,壓接部位的接觸性能與電連接器電傳導(dǎo)效率有直接聯(lián)系[7]。在長時間使用后,壓接部位有松脫風(fēng)險,影響電傳導(dǎo)質(zhì)量,甚至?xí)?dǎo)致供電系統(tǒng)癱瘓,這將對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響[8-10]。特別是電連接器中電纜線采用軸向螺旋壓接方式,長時間振動沖擊后電纜線與接插件壓接部位就會出現(xiàn)松脫現(xiàn)象。現(xiàn)有文獻(xiàn)中,對電連接器接插件工作時穩(wěn)態(tài)溫度場的研究較多,對電纜線與插接件壓接處進(jìn)行失效分析的則較小。筆者對電連接器接插件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),改變接插件結(jié)構(gòu),使用六方帶點(diǎn)壓接代替軸向螺旋壓接,以達(dá)到高可靠性。同時對各尺寸電連接器進(jìn)行有限元分析,并進(jìn)行拉脫試驗(yàn),得到拉脫力時間變化曲線,驗(yàn)證拉脫力滿足法標(biāo)NF F00-363-1995要求。

2 軸向螺旋壓接分析

軸向螺旋壓接利用螺栓在接插件空腔內(nèi)將導(dǎo)線壓緊,是一種簡單的壓接件結(jié)構(gòu)。如圖1所示,軸向螺旋壓接主要包括垂直連接的接插本體和接頭,接插本體尾部與接頭通過螺紋配合連接。接頭空腔內(nèi)部攻有螺紋,壓接螺栓通過空腔內(nèi)螺紋連接。與電纜壓接時,剝?nèi)ネ馄さ碾娎|插入接頭,在壓接螺栓的作用下電纜線沿中心位置向四周擴(kuò)展,最終壓接在有錐度的接頭內(nèi)壁上[11]。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

對軸向螺旋壓接進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),得到六方帶點(diǎn)壓接。六方帶點(diǎn)壓接如圖2所示,主要包括插本體、彈性簧片、接頭。接頭與插本體通過彈性簧片相連,彈性簧片具有良好的延展性,起減振與電傳遞作用。六方帶點(diǎn)壓接中,有兩處位置與接插件的電傳遞性能直接相關(guān)。一處是電纜線壓接處,即接頭尾部。一處是另一壓接處,即插本體頭部。考慮將接插件優(yōu)化為與電纜線永久壓接形式,壓接端孔徑需大于電纜線線徑。為符合壓接要求,壓接端還需留出適當(dāng)距離。采用六方帶點(diǎn)壓接,由接頭直接插入裝有彈性簧片的插本體內(nèi),接頭與插本體之間不需要使用螺紋連接。當(dāng)然,優(yōu)化設(shè)計(jì)后勢必會對壓接強(qiáng)度產(chǎn)生一定影響。

4 拉脫力理論分析

電纜線由若干根芯線與外絕緣層組合而成,芯線與芯線之間排列規(guī)則,并且有自然間隙。規(guī)則排列的芯線受到徑向力時,內(nèi)部排列必將受到破壞而產(chǎn)生各種形態(tài)。當(dāng)徑向力增大到一定程度時,接插件內(nèi)壁與芯線之間在機(jī)械力的作用下產(chǎn)生表面連接,進(jìn)而達(dá)到有效壓接。

4.1 軸向螺旋壓接

拉脫力應(yīng)符合法標(biāo)NF F00-363-1995 第10.3條表8的要求,35 mm2、50 mm2、70 mm2電連接器的最小拉脫力要求見表1。

表1 電連接器最小拉脫力要求

創(chuàng)建三維模型之后,導(dǎo)入ABAQUS有限元分析軟件,設(shè)定材料的屬性。銅的密度為8.96×10-9t/mm3,楊氏模量為1.1×105MPa,泊松比為0.3。鋼的密度為7.8×10-9t/mm3,楊氏模量2×105 MPa,泊松比為0.3。

對三種尺寸電連接器的拉脫力進(jìn)行仿真計(jì)算,結(jié)果見表2。軸向螺旋壓接應(yīng)力云圖如圖3所示。

表2 軸向螺旋壓接拉脫力仿真結(jié)果

4.2 六方帶點(diǎn)壓接

創(chuàng)建三維模型之后,導(dǎo)入ABAQUS有限元分析軟件。材料只需要銅,設(shè)置銅的屬性,密度為8.96×10-9t/mm3,楊氏模量為1.1×105MPa,泊松比為0.3。

對三種尺寸電連接器的拉脫力進(jìn)行仿真計(jì)算,結(jié)果見表3。六方帶點(diǎn)壓接應(yīng)力云圖如圖4所示。

表3 六方帶點(diǎn)壓接拉脫力仿真結(jié)果

4.3 對比

將軸向螺旋壓接、六方帶點(diǎn)壓接對應(yīng)的電連接器拉脫力和法標(biāo)NF F00-363-1995規(guī)定的最小拉脫力與電連接器尺寸的關(guān)系繪制為曲線,如圖5所示。由圖5可以明顯看出,軸向螺旋壓接、六方帶點(diǎn)壓接對應(yīng)的拉脫力都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,而且六方帶點(diǎn)壓接對應(yīng)的拉脫力大于軸向螺旋壓接對應(yīng)的拉脫力。

5 試驗(yàn)

接插件與電纜線壓接后進(jìn)行拉脫力試驗(yàn),實(shí)質(zhì)為測試壓接后的結(jié)構(gòu)抗力是否可與外界綜合效應(yīng)抵抗,即測試?yán)摿O限狀態(tài)。對于不同結(jié)構(gòu)抗力和綜合作用效應(yīng)下的極限狀態(tài)可靠性,可以用結(jié)構(gòu)功能函數(shù)Z來描述[12]:

Z=g(R,S)=R-S

(1)

式中:R為結(jié)構(gòu)抗力;S為綜合作用效應(yīng)。

結(jié)構(gòu)功能函數(shù)中的結(jié)構(gòu)抗力與綜合作用效應(yīng)可以分解為若干變量,此時極限狀態(tài)函數(shù)的表達(dá)式為:

Z=g(x1,x2,...,xn)+kg(Δx1,Δx2,...,Δxn)

(2)

式中:x1,x2,...,xn為基本變量,表示接插件所受到的各種方向的應(yīng)力;Δx1,Δ2,...,Δxn為單位時間內(nèi)各種應(yīng)力的變化幅度;k為待定參數(shù)。

當(dāng)Z大于0時,接插件可靠。當(dāng)Z等于0時,接插件處于極限狀態(tài)。當(dāng)Z小于0時,接插件為失效狀態(tài)。因此,由式(2)可知基本變量與單位時間內(nèi)各種應(yīng)力的變化幅度共同決定了接插件的極限水平。

試驗(yàn)材料為已進(jìn)行六方帶點(diǎn)壓接的35 mm2、50 mm2、75 mm2電連接器接插件,壓接之后的狀態(tài)如圖6所示。

試驗(yàn)裝置如圖7所示,由兩部分組成,一部分為控制系統(tǒng),另一部分為伺服萬能材料試驗(yàn)機(jī)。伺服萬能材料試驗(yàn)機(jī)由夾持裝置與力傳感器組成。試樣安裝好后啟動控制系統(tǒng),由力傳感器導(dǎo)出數(shù)值至控制系統(tǒng)。

按照GB/T 5095.8—1997《電子設(shè)備用機(jī)電元件 基本試驗(yàn)規(guī)程及測量方法 第8部分:連接器、接觸件及引出端的機(jī)械試驗(yàn)》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行拉脫力試驗(yàn),在伺服萬能材料試驗(yàn)機(jī)上的夾具中夾緊試樣尾部,施加張力,伺服萬能材料試驗(yàn)機(jī)頭部以30 mm/min的速度平穩(wěn)向上移動拉伸。試驗(yàn)中任意一端電連接器接插件拉脫時所顯示的力即為拉脫力。

試驗(yàn)中三種尺寸電連接器接插件力變化曲線如圖8所示,拉脫力試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對比見表4。

表4 拉脫力對比

試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果存在誤差屬于正?，F(xiàn)象,誤差的產(chǎn)生與拉脫時電纜線的狀態(tài)有很大關(guān)系,并且壓接后再進(jìn)行拉脫力試驗(yàn),結(jié)果也會有所不同。電纜線的壓接和拉出是一個復(fù)雜的物理過程,從壓入開始,電纜線就會發(fā)生各種狀態(tài)的扭曲變形,在不斷壓緊的過程中,狀態(tài)不斷變化,部分銅絲還會發(fā)生斷裂。

同樣方法對軸向螺旋壓接后的電連接器接插件進(jìn)行拉脫力試驗(yàn),得到試驗(yàn)結(jié)果。將仿真和試驗(yàn)得到的兩種接插件結(jié)構(gòu)的電連接器拉脫力和法標(biāo)NF F00-363-1995規(guī)定的最小拉脫力與電連接器尺寸的關(guān)系繪制為曲線,如圖9所示。

仿真中,六方帶點(diǎn)壓接對應(yīng)的拉脫力稍大于軸向螺旋壓接對應(yīng)的拉脫力,這是由于進(jìn)行六方帶點(diǎn)壓接時,不僅六面受力均勻,而且有加強(qiáng)電纜線在接插件內(nèi)部緊固的作用。在試驗(yàn)中,六方帶點(diǎn)壓接對應(yīng)的拉脫力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸向螺旋壓接對應(yīng)的拉脫力,這是由實(shí)際操作過程所決定的。在軸向螺栓壓接時,螺栓頭部會對電纜線產(chǎn)生一個向前的作用力,導(dǎo)致電纜線滑動,無法保證接插件內(nèi)腔中壓接了足夠多的電纜線,拉脫力較小。

由以上分析可見,六方帶點(diǎn)壓接的可靠度高于軸向螺旋壓接。采用六方帶點(diǎn)壓接代替軸向螺旋壓接,不僅可以提高電連接器的可靠度,而且可以降低列車更換接插件的頻次,節(jié)約成本。

6 結(jié)束語

筆者從壓接方式轉(zhuǎn)變導(dǎo)致拉脫力變化的原理出發(fā),對電連接器接插件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),將軸向螺旋壓接改為六方帶點(diǎn)壓接。分析結(jié)果表明,六方帶點(diǎn)壓接對應(yīng)的拉脫力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸向螺栓壓接對應(yīng)的拉脫力,可以提高電纜線與接插件的壓接強(qiáng)度,有效提高電連接器的可靠性。法標(biāo)NF F00-363-1995規(guī)定35 mm2、50 mm2、70 mm2電連接器最小拉脫力依次為2 800 N、3 300 N、3 900 N,同尺寸六方帶點(diǎn)壓接對應(yīng)的拉脫力依次達(dá)到3 502 N、4 510 N、6 014 N,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。采用六方帶點(diǎn)壓接,能夠降低電連接器在工作過程中的失效概率,具有實(shí)用價值。