航天線纜網(wǎng)連接器尾部線束抗擾動(dòng)工藝試驗(yàn)研究

王羚薇 王玉龍 王 威 張雪莉

設(shè)計(jì)·工藝

航天線纜網(wǎng)連接器尾部線束抗擾動(dòng)工藝試驗(yàn)研究

王羚薇 王玉龍 王 威 張雪莉

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033）

針對(duì)某項(xiàng)目電纜網(wǎng)中使用頻次較高的J14A、J36A連接器，開(kāi)展了焊接及組裝工藝試驗(yàn)研究，包括工藝實(shí)驗(yàn)過(guò)程、工藝方法、試驗(yàn)準(zhǔn)備及實(shí)施等。通過(guò)對(duì)連接器組件施加一定的擾動(dòng)力，驗(yàn)證連接器焊接及尾罩處理工藝可靠性，從微電阻阻值變化、X光影像、拉脫力測(cè)試三方面評(píng)估擾動(dòng)力對(duì)焊點(diǎn)的影響，為開(kāi)展后續(xù)電子裝聯(lián)工作提供一定的工藝保障。

高可靠性；電纜網(wǎng)；連接器；抗擾動(dòng)

1 引言

航天器上有上百臺(tái)儀器設(shè)備、上千根電線電纜，每臺(tái)儀器設(shè)備如同一個(gè)神經(jīng)單元，匯聚著上百條電線電纜，儀器設(shè)備之間的電纜網(wǎng)如同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一樣星羅棋布、縱橫交錯(cuò)[1]。電纜網(wǎng)作為航天器的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，是航天器控制信號(hào)傳輸?shù)年P(guān)鍵物理通道，因此，系統(tǒng)對(duì)電纜網(wǎng)的可靠性要求很高。

電纜網(wǎng)中的連接器端接位置是電纜網(wǎng)中影響可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，電纜網(wǎng)的電連接器與導(dǎo)線接觸區(qū)的耐環(huán)境能力遠(yuǎn)不及導(dǎo)線，又是經(jīng)受環(huán)境考核頻次較高的部位，而該部位的故障是電纜網(wǎng)失效的主要模式[2]。在電纜網(wǎng)的制作過(guò)程中，電連接器尾罩與電纜線束的工藝處理不當(dāng)會(huì)造成焊點(diǎn)受力損傷導(dǎo)致斷路，或者由于多余物進(jìn)入電連接器尾罩內(nèi)而引發(fā)焊點(diǎn)間短路的情況[3]。另外，對(duì)于質(zhì)量較大、線纜較長(zhǎng)的電纜網(wǎng)，在線纜網(wǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)和航天器整體發(fā)射過(guò)程中，應(yīng)杜絕線束因外界的擾動(dòng)產(chǎn)生的力傳遞到連接器的焊接點(diǎn)從而造成的可靠性問(wèn)題，所以連接器位置的線束可靠性是電纜網(wǎng)制作的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)[4]。

結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，選用了線纜網(wǎng)中有代表性的J14A、J36A連接器開(kāi)展了焊接及組裝工藝試驗(yàn)研究。目的是通過(guò)對(duì)連接器組件施加一定的擾動(dòng)力，驗(yàn)證連接器焊接及尾罩處理工藝可靠性，評(píng)估擾動(dòng)力對(duì)焊點(diǎn)的影響，確定工藝實(shí)施的適宜性，為工程應(yīng)用提供一定的工藝指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)方案

如圖1所示是連接器位置線束外來(lái)的擾動(dòng)力的分析圖，這種擾動(dòng)力可能來(lái)自振動(dòng)或結(jié)構(gòu)件自身的應(yīng)力變形。從圖中可以看出，垂直方向的力（1、2）和沿線束方向的力（5）均可通過(guò)線束的回彎半徑和線束余量釋放掉。這種工藝保證條件是：線束回彎半徑不小于10倍的線束直徑；線束通過(guò)熱縮帶進(jìn)行纏繞和塑形處理，保證了線束具有一定的剛度，同時(shí)也具有一定的柔韌度，確保在1、2、5方向上具有一定的釋放空間。因此確定在3和4方向施加擾動(dòng)力進(jìn)行疲勞擾動(dòng)試驗(yàn)，即在水平方向上施加擾動(dòng)力。

圖1 線纜束受力分析圖

本試驗(yàn)通過(guò)往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)線束施加水平方向的擾動(dòng)力，驗(yàn)證連接器尾罩處理工藝的可靠性。試驗(yàn)中使用的1套往復(fù)運(yùn)動(dòng)電機(jī)、電源和調(diào)速器各一個(gè)，如圖2所示。

圖2 往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

往復(fù)電機(jī)行程可調(diào)節(jié)為12mm、16mm、20mm、25mm，見(jiàn)圖3，不同的行程對(duì)應(yīng)的扭力也不同，試驗(yàn)中選用的往復(fù)電機(jī)具體參數(shù)為：直流電電壓24V，行程25mm，產(chǎn)生的扭力為0.9kg·cm。使用此電機(jī)逐一對(duì)X1、X2、X3、X4連接器進(jìn)行擾動(dòng)試驗(yàn)，每次僅對(duì)一個(gè)連接器進(jìn)行擾動(dòng)試驗(yàn)。

圖3 往復(fù)電機(jī)行程

針對(duì)此次擾動(dòng)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了專用試驗(yàn)工裝，如圖4所示。底面板尺寸為600mm×500mm，每個(gè)連接器設(shè)置了三組線卡固定點(diǎn)，間距為200mm、300mm、400mm。側(cè)面板的尺寸為600mm×150mm，在側(cè)面板上設(shè)置了4個(gè)連接器安裝孔，可安裝J14A和J36A兩種型號(hào)的4個(gè)連接器，安裝位號(hào)定義為X1、X2、X3、X4。

圖4 試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)圖

本次擾動(dòng)試驗(yàn)選用實(shí)際工況中使用的J14A、J36A連接器，導(dǎo)線選擇C55-0122-22-6/9、C55-1122-22-6/9、C55-0122-22-6三種型號(hào)，X1～X4共4組連接器，只對(duì)連接器插頭進(jìn)行電裝，連接器插座依次固定在工裝件上，實(shí)驗(yàn)時(shí)，連接器插頭逐個(gè)與插座互連在一起。X1～X4連接器插頭的工藝實(shí)施流程為：下線、分類后標(biāo)記線束、處理導(dǎo)線端頭、完成連接器單端焊接、X1和X2連接器使用熱縮帶對(duì)線卡位置的線束纏繞并塑形處理，線卡處的熱縮帶漏出線卡3～10mm。X3連接器在用熱縮帶對(duì)線束防護(hù)的基礎(chǔ)上點(diǎn)GD414，X4連接器在用熱縮帶對(duì)線束防護(hù)的基礎(chǔ)上點(diǎn)環(huán)氧膠。

壓線卡位置線束在常規(guī)工藝處理的基礎(chǔ)上分別做點(diǎn)GD414硅橡膠、3M-2216環(huán)氧膠、不點(diǎn)膠處理。具體的樣品準(zhǔn)備清單及工藝狀態(tài)如表1所示。

表1 試驗(yàn)樣品準(zhǔn)備清單及工藝狀態(tài)

連接器組件制作工藝實(shí)施流程為：下線、分類→線束標(biāo)記→導(dǎo)線端頭處理→連接器焊接→尾罩處理及安裝。連接器組件制作后，逐一用往復(fù)電機(jī)對(duì)每個(gè)連接器進(jìn)行5000次的擾動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)后從微電阻阻值變化、X光影像、拉脫力測(cè)試三方面評(píng)估擾動(dòng)力對(duì)焊點(diǎn)的影響。通過(guò)比對(duì)擾動(dòng)前后電阻值的變化，初步判斷焊點(diǎn)是否開(kāi)裂，并從X光影像對(duì)每個(gè)焊點(diǎn)進(jìn)一步觀察焊點(diǎn)形態(tài)是否有變化，最后對(duì)線束進(jìn)行拉脫力測(cè)試，比較不同的尾罩處理工序抗拉力值的差異。

3 抗擾動(dòng)試驗(yàn)實(shí)施方法

3.1 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)流程為連接器組件制作→試驗(yàn)件安裝→電阻測(cè)試→擾動(dòng)試驗(yàn)→開(kāi)蓋檢查→拉脫力測(cè)試→X-RAY檢查→電阻測(cè)量。

3.2 工藝實(shí)施過(guò)程

按照表1規(guī)定的線型下線，下線長(zhǎng)度控制在(600±5)mm。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)劃，共計(jì)4組連接器，每組分為頭和座，連接器座直接安裝在工裝上，不需要下線處理，因此只需對(duì)連接器頭對(duì)應(yīng)的線纜進(jìn)行下線處理，下線后進(jìn)行線束分類，線束不套外防護(hù)套，使用綁線綁扎，綁扎間距為200～300mm，待用。

下線完成后，使用標(biāo)簽打印機(jī)對(duì)分組后的線束線纜標(biāo)記，隨后對(duì)導(dǎo)線束處理端頭、焊接及安裝連接器引線。使用熱縮帶對(duì)線卡位置的線束纏繞并塑形處理，確保熱縮帶形狀與線卡形狀相當(dāng)，線卡處的熱縮帶應(yīng)漏出線卡3～10mm，按照表1規(guī)定的工況，對(duì)尾罩處理后的線束根部進(jìn)行點(diǎn)膠處理（X1、X2不點(diǎn)膠，X3點(diǎn)GD414硅橡膠、X4點(diǎn)3M-2216環(huán)氧膠）。點(diǎn)膠時(shí)應(yīng)保證每根線束都有膠，且膠液不得超過(guò)線卡壓接范圍。

3.3 試驗(yàn)件安裝

將預(yù)先制作好的電連接器組件安裝到“L”型試驗(yàn)工裝上（工裝面板安裝連接器座，連接器頭去向?yàn)閹Ь€束的連接器組件），在距離連接器尾罩200mm處將線束固定在骨架上，然后將往復(fù)運(yùn)動(dòng)電機(jī)擾動(dòng)桿按照?qǐng)D5方向固定在線束角的頂點(diǎn)。

圖5 試驗(yàn)件安裝圖示

每次實(shí)驗(yàn)僅安裝一個(gè)連接器，每個(gè)連接器安裝到預(yù)定工位處，保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中除連接器狀態(tài)不同外其他實(shí)驗(yàn)因素均相同。

3.4 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)前，使用微電阻測(cè)試儀對(duì)4組電纜組件逐點(diǎn)測(cè)量電阻值并記錄，然后對(duì)X1～X4連接器和線纜進(jìn)行5000次的擾動(dòng)試驗(yàn)，往復(fù)電機(jī)的工作頻率是1min做83次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)往復(fù)電機(jī)對(duì)每根線纜進(jìn)行60.2min的水平擾動(dòng)后，逐點(diǎn)測(cè)量電阻值、記錄，與擾動(dòng)試驗(yàn)前的電阻值對(duì)比，通過(guò)電阻值變化的幅度判斷擾動(dòng)試驗(yàn)對(duì)焊點(diǎn)連接可靠性影響的大小。做完擾動(dòng)力試驗(yàn)后，通過(guò)X光觀察連接器焊點(diǎn)形態(tài)，即擾動(dòng)試驗(yàn)是否使焊點(diǎn)出現(xiàn)開(kāi)裂、疲勞等現(xiàn)象。通過(guò)X光觀察焊點(diǎn)是否存在可靠性問(wèn)題；再對(duì)4根線束分別進(jìn)行拉脫力測(cè)試，在每根電纜的不同位置隨機(jī)選擇6根線進(jìn)行抗拉力試驗(yàn)，記錄拉力值，最后對(duì)連接器開(kāi)蓋檢查，觀察焊點(diǎn)形態(tài)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬仿真分析，載荷發(fā)射過(guò)程中，線束的微擾動(dòng)約在2000次，為驗(yàn)證連接器焊接及尾罩處理工藝可靠性，試驗(yàn)參數(shù)翻倍，對(duì)線束進(jìn)行約5000次的擾動(dòng)，通過(guò)結(jié)果比對(duì)哪種工藝處理方式更可靠。

4.1 微電阻測(cè)量

使用微電阻測(cè)試儀對(duì)線纜束擾動(dòng)試驗(yàn)（5000次）前后進(jìn)行了微電阻測(cè)試，從前后測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比看，微電阻測(cè)量值無(wú)明顯變化，沒(méi)有出現(xiàn)阻值階躍性變化，說(shuō)明在連接器焊點(diǎn)及線束鏈路上沒(méi)有出現(xiàn)線束斷路、焊點(diǎn)開(kāi)裂情況，圖6是4種連接器試驗(yàn)前后各點(diǎn)微電阻分布圖。從圖中分析認(rèn)為，微電阻數(shù)量在試驗(yàn)前后基本能夠擬合，沒(méi)有大的數(shù)據(jù)突變。

圖6 四種連接器擾動(dòng)前后微電阻雷達(dá)分布圖

4.2 焊點(diǎn)的X光影像

在對(duì)4個(gè)連接器各自進(jìn)行擾動(dòng)5000次擾動(dòng)試驗(yàn)后，對(duì)焊點(diǎn)在X-RAY條件下檢查，引線與焊杯對(duì)位良好，所有線芯均插入了焊杯底部，焊錫量飽滿，沒(méi)有焊點(diǎn)開(kāi)裂、導(dǎo)線斷開(kāi)等開(kāi)路現(xiàn)象，如圖7～圖10所示。

圖7 X1連接器X-RAY影像

圖8 X2連接器X-RAY影像

圖9 X3連接器X-RAY影像

圖10 X4連接器X-RAY影像

4.3 拉脫力測(cè)試

4.3.1 X1連接器拉脫力測(cè)試結(jié)果

對(duì)4種工況的連接器進(jìn)行拉脫力測(cè)試（X1尾罩填充熱縮帶、X2尾罩填充熱縮帶、X3尾罩填充熱縮帶+GD414硅橡膠、X4尾罩填充熱縮帶+3M-2216環(huán)氧膠），采用設(shè)備型號(hào)為PT-20的拉脫力測(cè)試儀，拉伸速度設(shè)定為25mm/min，隨機(jī)抽取6根線進(jìn)行拉力測(cè)試，評(píng)估線束尾罩處理工藝對(duì)抗拉力的影響。分析如下：

表2是X1連接器拉力測(cè)試結(jié)果。其中，3號(hào)、18號(hào)、37號(hào)導(dǎo)線從連接器尾罩內(nèi)側(cè)斷裂，14號(hào)、16號(hào)、20號(hào)導(dǎo)線從連接器尾罩外側(cè)斷裂，均值53.17N。經(jīng)開(kāi)蓋觀察發(fā)現(xiàn)，如圖11所示，焊點(diǎn)良好未發(fā)現(xiàn)存在疲勞現(xiàn)象，拉斷表象為抽斷，沒(méi)有在焊杯根部斷裂。導(dǎo)線存在內(nèi)外側(cè)均有斷裂的現(xiàn)象，說(shuō)明擾動(dòng)的應(yīng)力經(jīng)連接器尾罩已經(jīng)對(duì)連接器線卡內(nèi)部的線束有了一定的影響，但應(yīng)力未對(duì)焊點(diǎn)造成影響。

表2 X1連接器拉脫力測(cè)試結(jié)果

圖11 X1連接器3號(hào)導(dǎo)線焊點(diǎn)檢查

4.3.2 X2連接器拉脫力測(cè)試結(jié)果

表3是X2連接器拉脫力測(cè)試結(jié)果。X2連接器型號(hào)是J36A-38，使用的是22#雙絞線，連接器尾夾使用熱縮帶填充。對(duì)X2連接器線束隨機(jī)抽取6根線進(jìn)行拉力測(cè)試，均值為85N，其中，2號(hào)、24號(hào)導(dǎo)線從連接器尾夾外側(cè)斷裂，7號(hào)、8號(hào)、18號(hào)、19導(dǎo)線從連接器尾夾里側(cè)斷裂，8號(hào)、18號(hào)、19號(hào)導(dǎo)線出現(xiàn)了針被抽出的現(xiàn)象，觀察焊點(diǎn)，在內(nèi)側(cè)拉斷處均未在焊點(diǎn)位置，均為抽斷，說(shuō)明擾動(dòng)試驗(yàn)未造成焊杯根部線束疲勞。試驗(yàn)中出現(xiàn)的抽針現(xiàn)象與連接器本身結(jié)構(gòu)有關(guān)，但也說(shuō)明存在外界干擾應(yīng)力傳遞現(xiàn)象，但未對(duì)焊點(diǎn)造成影響。

表3 X2連接器拉脫力測(cè)試結(jié)果

4.3.3 X3連接器拉脫力測(cè)試結(jié)果

表4是X3連接器拉力測(cè)試結(jié)果，X3型號(hào)是J36A-38，使用22#雙絞線，連接器尾罩在使用熱縮帶填充的基礎(chǔ)上點(diǎn)GD414膠。對(duì)X3連接器線束隨機(jī)抽取6根線進(jìn)行拉力測(cè)試，均值為84N，如圖12所示，2#、6#、21#、25#從尾罩里側(cè)拉斷，12#、15#從外側(cè)拉斷。開(kāi)蓋后目視檢查，焊點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)疲勞，拉斷處均未在焊杯位置，說(shuō)明擾動(dòng)力未造成焊杯位置線束疲勞。同時(shí)尾罩加入硅橡膠后，拉力值有增強(qiáng)的效果。

表4 X3連接器拉脫力測(cè)試結(jié)果

圖12 X3連接器開(kāi)蓋后檢查

4.3.4 X4連接器拉脫力測(cè)試結(jié)果

表5是X4連接器拉脫力測(cè)試結(jié)果，X4連接器型號(hào)是J14A-51，使用了22#雙絞屏蔽線和22#雙絞線，連接器尾罩在使用熱縮帶填充的基礎(chǔ)上點(diǎn)3M-2216環(huán)氧膠。隨機(jī)抽取6根導(dǎo)線進(jìn)行抗拉力測(cè)試，均值為91.42N，所有導(dǎo)線均在連接器外側(cè)被拉斷，開(kāi)蓋檢查發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)均良好，針未被抽出。試驗(yàn)結(jié)果表明添加3M-2216環(huán)氧膠后，抗拉力值有明顯的提高，且線束均在連接器外側(cè)被拉斷，證明外界的擾動(dòng)力未傳遞到連接器內(nèi)，未對(duì)焊點(diǎn)產(chǎn)生干擾。

表5 X4連接器拉脫力測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某項(xiàng)目電纜網(wǎng)中使用頻次較高的J14A、J36A連接器，開(kāi)展了焊接及組裝工藝試驗(yàn)研究，通過(guò)在水平方向施加擾動(dòng)力進(jìn)行疲勞擾動(dòng)試驗(yàn)后，在X光下觀察焊點(diǎn)，4根試驗(yàn)線纜的焊點(diǎn)均未出現(xiàn)焊點(diǎn)開(kāi)裂、導(dǎo)線斷裂等開(kāi)路現(xiàn)象，經(jīng)拉脫力測(cè)試證明，外界因擾動(dòng)產(chǎn)生的力沒(méi)有造成焊點(diǎn)開(kāi)裂，尾罩內(nèi)部拉斷線束均未在焊杯位置，可以將連接器尾罩的處理工藝應(yīng)用到線纜網(wǎng)的實(shí)際制作中。為提高連接器尾部線束的抗擾動(dòng)性，可添加GD414硅橡膠和3M-2216環(huán)氧膠，環(huán)氧膠對(duì)尾部線束加固作用強(qiáng)于GD414硅橡膠，但環(huán)氧膠的實(shí)施工藝不利于返修，可根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際工況選擇。

1 邢焰，王向軻. 航天器材料[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2018. 5

2 柴紅珍，靳志軍，艾士娟，等. 電纜網(wǎng)制作工藝及質(zhì)量改進(jìn)[J]. 設(shè)備管理與維修，2019(13)：67～68

3 黃鵬，張?jiān)讫?，張偉平，? 一種有限空間內(nèi)活動(dòng)線纜的布線工藝[J]. 電子工藝技術(shù)，2015，36(3)：158～162

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Experimental Study on Anti-disturbance Technology of Tail Harness of Aerospace Cable Network Connector

Wang Lingwei Wang Yulong Wang Wei Zhang Xueli

(Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of sciences, Changchun 130033)

In this paper, the welding and assembly process test research on the J14A and J36A connectors that are frequently used in the cable network of a project is carried out, including process test process, process method, test preparation and implementation, etc. By applying a certain disturbance force to the connector components, the reliability of the connector welding and tail cover treatment process is verified, and the influence of the disturbance force on the solder joints is evaluated from the three aspects of micro-resistance resistance change, X-ray image, and pull-off force test. Follow-up electronic assembly work provides a certain process guarantee.

high reliability；cable network；connector；anti-disturbance

TN605

A

國(guó)防預(yù)研基金（O5001SA050）。

王羚薇（1992），助理研究員，計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)；研究方向：軍工/航天產(chǎn)品電裝可靠性研究。

2021-06-18