某圓形電連接器絕緣體斷裂影響分析

于丹 劉春慶 魏澤宇 姜淑敏 王賀龍

摘要：以某圓形電連接器在機(jī)電作動(dòng)器沖擊試驗(yàn)時(shí)斷裂為背景，用理論計(jì)算及仿真分析相結(jié)合的手段分析絕緣體斷裂的機(jī)理，并通過沖擊試驗(yàn)結(jié)果及電連接器信號(hào)瞬斷試驗(yàn)驗(yàn)證絕緣體斷裂對(duì)系統(tǒng)電性能的影響。

關(guān)鍵詞：電連接器;絕緣體;斷裂

0? ? 引言

電連接器用于實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的傳輸和控制，在航空航天領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用，電連接器能否可靠地連接電路及傳遞信號(hào)，直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

以某圓形電連接器在機(jī)電作動(dòng)器上的應(yīng)用為背景，電連接器要跟隨機(jī)電作動(dòng)器承受多種振動(dòng)、沖擊、運(yùn)輸?shù)攘W(xué)環(huán)境的考核，原則上電連接器應(yīng)能承受機(jī)電作動(dòng)器的振動(dòng)、沖擊、運(yùn)輸?shù)攘W(xué)環(huán)境而不發(fā)生機(jī)械損壞現(xiàn)象，在實(shí)際試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)圓形連接器芯部絕緣體脫落。

本文對(duì)絕緣體斷裂的原因進(jìn)行分析，并采取試驗(yàn)驗(yàn)證的方法驗(yàn)證絕緣體斷裂后對(duì)系統(tǒng)電信號(hào)傳輸與控制的影響。

1? ? 故障現(xiàn)象

某機(jī)電作動(dòng)器在進(jìn)行Z向（切向）沖擊試驗(yàn)后，更換Y向（徑向）進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)某圓形電連接器芯部絕緣體脫落。正常絕緣體形貌及脫落絕緣體形貌如圖1所示。

2? ? 失效分析結(jié)論及機(jī)理分析

2.1? ? 失效分析結(jié)論

絕緣體斷裂后，將連接器從機(jī)電作動(dòng)器拆下送失效中心進(jìn)行分析，結(jié)論如下：絕緣體斷裂原因是由于絕緣體為懸臂梁結(jié)構(gòu)，在試驗(yàn)過程中，插頭和插座之間因存在間隙，兩者間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得插座絕緣體受到過大應(yīng)力作用而產(chǎn)生斷裂。

2.2? ? 斷裂機(jī)理分析

插座、插頭插合前結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。插頭、插座插合前，高絕緣體和方盤殼體之間存在間隙，高絕緣體在方盤殼體內(nèi)部為懸臂梁結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品插合時(shí)，連接螺帽內(nèi)徑和方盤殼體外徑配合，方盤殼體內(nèi)徑和花鍵殼體外徑配合，花鍵殼體內(nèi)徑和高絕緣體配合，高絕緣體和花鍵殼體之間、花鍵殼體和方盤殼體之間、方盤殼體和連接螺帽之間均為間隙配合，配合尺寸如表1所示。由表1數(shù)據(jù)可以算出，高絕緣體和花鍵殼體的間隙范圍為0.06～0.3 mm，花鍵殼體與方盤殼體之間的間隙范圍為0.12～0.45 mm，連接螺帽與方盤殼體之間的間隙范圍為0.05～0.39 mm，由于高絕緣體和花鍵殼體之間為間隙配合，在沖擊試驗(yàn)過程中，插頭和插座之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)使高絕緣體受力。

2.2.1? ? 理論分析

機(jī)電作動(dòng)器沖擊試驗(yàn)時(shí)，連接電纜未綁扎，沖擊時(shí)作用在產(chǎn)品上的加速度較大，甩起來的電纜和插頭在加速度作用下施加在插座絕緣體上的力為：

式中，m為電纜未綁扎狀態(tài)甩線電纜和插頭尾罩重量，此處為0.167 kg;a為電纜插頭和電纜的加速度，此處為789g。

作用在絕緣體上的應(yīng)力為：

絕緣體在沖擊試驗(yàn)中所受應(yīng)力超過了實(shí)測(cè)彎曲強(qiáng)度，發(fā)生強(qiáng)度斷裂失效。

2.2.2? ? 仿真分析

為了分析電纜綁扎狀態(tài)對(duì)絕緣體受力的影響，采用有限元分析的方法對(duì)電纜綁扎和不綁扎兩種狀態(tài)下絕緣體受力情況進(jìn)行分析，由于電纜為柔性體，在實(shí)際沖擊過程中作用于絕緣體上的力非常復(fù)雜，在有限元分析過程中對(duì)電纜模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，電纜不綁扎狀態(tài)相當(dāng)于作用在絕緣體上的重量增大，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將插頭尾罩和電纜的重量做成一個(gè)長(zhǎng)的懸臂結(jié)構(gòu)安裝在絕緣體上;電纜綁扎后，由于綁扎支點(diǎn)的支撐，作用于懸臂梁上的重量減輕，相當(dāng)于縮短了懸臂梁的長(zhǎng)度，計(jì)算采用實(shí)際試驗(yàn)條件沖擊響應(yīng)譜，得到兩種狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變對(duì)比情況如圖4所示。由仿真結(jié)果可以看出，電纜不綁扎狀態(tài)在沖擊響應(yīng)譜條件下的最大正應(yīng)力為46 MPa，作用在絕緣體根部位置，電纜綁扎狀態(tài)下絕緣體根部的最大正應(yīng)力、正應(yīng)變均有明顯改善。仿真用沖擊響應(yīng)譜為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件，用振動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)沖擊過程時(shí)，由監(jiān)測(cè)點(diǎn)曲線可以看出，作用在線位移插座處的沖擊量級(jí)存在放大，控制點(diǎn)響應(yīng)譜加速度峰值606g時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值為1 903g;時(shí)域加速度峰值205g時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度峰值789g，量級(jí)放大了3.14～3.85倍，按此放大倍數(shù)，電纜不綁扎狀態(tài)下的最大正應(yīng)力為144～177.1 MPa，超過絕緣體強(qiáng)度極限，發(fā)生斷裂，與靜力分析結(jié)果對(duì)應(yīng)。

3? ? 絕緣體斷裂后對(duì)系統(tǒng)性能的影響

3.1? ? 沖擊試驗(yàn)

機(jī)電作動(dòng)器在沖擊試驗(yàn)時(shí)需通功率電使產(chǎn)品保持在機(jī)械零位，試驗(yàn)后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行性能測(cè)試，在絕緣體脫落前從測(cè)試儀采集的零位曲線及性能測(cè)試曲線可以看出機(jī)電作動(dòng)器產(chǎn)品測(cè)試及數(shù)據(jù)反饋正常，采集曲線如圖5所示。

3.2? ? 電連接器電氣連續(xù)性試驗(yàn)

為驗(yàn)證絕緣體斷裂的情況下產(chǎn)品的電氣性能，利用故障插座和原配套線纜在振動(dòng)試驗(yàn)條件下進(jìn)行了連接器電性能瞬斷試驗(yàn)，振動(dòng)試驗(yàn)條件如表2所示，振動(dòng)試驗(yàn)如圖6所示。

經(jīng)試驗(yàn)，故障產(chǎn)品在振動(dòng)環(huán)境下未發(fā)生大于1 μs的瞬斷，如圖7所示。

由沖擊試驗(yàn)結(jié)果及電信號(hào)瞬斷試驗(yàn)可以看出，絕緣體斷裂后在插接的情況下不影響產(chǎn)品及系統(tǒng)的電氣性能。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本文通過理論分析和仿真計(jì)算的方法對(duì)某圓形電連接器斷裂機(jī)理進(jìn)行分析，得出電纜綁扎狀態(tài)對(duì)絕緣體受力的影響。從沖擊試驗(yàn)結(jié)果及電連接器信號(hào)瞬斷試驗(yàn)得出絕緣體斷裂后在插頭、插座插合的狀態(tài)下不影響系統(tǒng)電氣性能。盡管如此，在連接器選用及使用中應(yīng)盡量保證電連接器的完整性，以萬(wàn)無(wú)一失地確保系統(tǒng)性能。

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收稿日期：2020-03-02

作者簡(jiǎn)介：于丹（1987—），女，陜西渭南人，碩士，工程師，研究方向：中大功率機(jī)電伺服系統(tǒng)。