絞線插針在微型連接器中的應(yīng)用研究

劉后倫

(中國兵器裝備集團自動化研究所有限公司，四川綿陽，621000)

1 引言

連接器是航空、航天、航海、陸戰(zhàn)遠程巡航攻擊等軍事應(yīng)用系統(tǒng)中重要基礎(chǔ)元件，而飛機(飛行器)以及航空電子設(shè)備系統(tǒng)則是軍用航空連接器最大和最集中的應(yīng)用領(lǐng)域，連接器在飛機和航空電子設(shè)備系統(tǒng)中起著傳輸信號或傳輸功率的互連作用。

接觸件是連接器的關(guān)鍵件，通過它來實現(xiàn)連接器的功能，它的性能直接影響著連接器的接觸性能。比較通用的連接器接觸件，一般插孔是彈性體，插針是剛性體。但彈性插孔很難進一步微型化，成為了電連接器向高密度、微型化發(fā)展的瓶頸，無法滿足航空、航天、無人飛行器等要求連接器實現(xiàn)微型級超微型的需求。

2 絞線插針接觸件介紹

絞線插針接觸件(俗稱麻花針)的出現(xiàn)，改變了接觸件的作用原理，它是將彈性體的絞線插針作為插針，與剛性體的插孔物理作用實現(xiàn)連接，使得連接器的微型化的想法變?yōu)楝F(xiàn)實，超微型化成為可能。

它獨特的結(jié)構(gòu)特點使其具有良好的柔性和彈性，接觸可靠性高，耐振動、抗沖擊能力強。

2.1 絞線插針結(jié)構(gòu)

絞線插針的結(jié)構(gòu)由兩層銅合金絲反向呈螺旋線絞合而成，內(nèi)層1根或三根，外層多根，兩端熔焊成一體，整體外形呈帶手柄鼓形狀?？拷橆^的鼓包中空，在插針插入插孔后受正壓力產(chǎn)生彈性形變，徑向往軸心壓縮，同時沿著螺旋線方向向軸向伸長，與插孔形成多點接觸。

圖1 絞線插針模型圖

2.2 絞線插針接觸件的特點

1)與剛性體的插孔對插時，對插孔的位置度適應(yīng)性強；

2)插入力和分離力小，插拔柔和。經(jīng)500次插拔后，其接觸電阻及分離力變化小。

3)接觸點多，接觸可靠性高，耐沖擊、振動。

4)可以實現(xiàn)微型化。

2.3 絞線插針接觸件工作原理

圖2 絞線插針插入狀態(tài)圖

3 絞線插針接觸件工藝介紹

現(xiàn)有通用工藝流程是先按照一定結(jié)構(gòu)組成將單根的合金絲絞合成線束(內(nèi)、外層螺旋方向相反)，再把線束按需要的長度進行裁切，然后將裁切后的線束段兩端熔焊在一起，最后將焊接后的線束段用模具成型得到絞線插針，這時插針的凸包就形成了。插針凸包成型后，經(jīng)過特殊的時效處理后形狀就穩(wěn)定下來，然后表面進行鍍金處理。最后，將絞線插針組裝入不同的針體中，再通過壓接裝置鉚接成不同的插針合件。

圖3 絞線插針工藝流程圖

4 絞線插針接觸件的應(yīng)用現(xiàn)狀

在無人機中主要采用以下幾種連接器：小形連接器、微型(1.27mm間距)/納型(0.635mm間距)連接器、小型高密度光纖連接器、復(fù)合材料輕型連接器。絞線插針接觸件可以應(yīng)用于以上各種連接器，以滿足無人機對連接器輕便、微小、高密度、高可靠的需要。

國外公司：Glenair的微型D形連接器和納型連接器采用的是絞線插針接觸件(Twist Pin Contact)技術(shù)。

國內(nèi)公司：貴州航天、中航光電、四川華豐、陜西華達等公司的微矩形連接器都是采用絞線插針接觸件。

5 絞線插針接觸件的應(yīng)用研究

5.1 原理分析

圖4 插針等效懸臂梁示意圖

正壓力F：

(1)

式中，H為凸包壓下變形量(撓度)，且與凸包直徑、節(jié)距等有關(guān)；

E為材料彈性模量，與插針材料有關(guān)；

I為插針慣性矩；

L為插針懸臂長度。

(2)

式中，d為插針直徑。

Z向(軸向)受力平衡，

∑Fz=0

則插拔力如下：

Fin=n*N*(tanα+μ)

(3)

Fout=n*N*(μ-tanα)

(4)

式中，N—正壓力；

μ—靜摩擦系數(shù)；

α—結(jié)合面夾角；

n—絞絲數(shù)量。

圖5 插入時插針懸臂梁示意圖

圖6 凸包彎曲變形分析示意圖

(5)

式中，D為凸包直徑；

P為凸包節(jié)距；

r為插孔倒圓半徑；

K為結(jié)構(gòu)變形修正系數(shù)。

5.2 仿真分析

通過對插針與插孔插合分離過程進行有限元分析，得出插入力與分離力的變化曲線。后續(xù)又對影響插入力和分離力的因子按照正交試驗方法，建立矩陣進行有限元分析，掌握了各個因子的相關(guān)性。

圖7 插拔力曲線圖

6 絞線插針接觸件的應(yīng)用趨勢

隨著無人機的發(fā)展，由于其在情報偵察、目標(biāo)捕獲、目標(biāo)攻擊等方面的優(yōu)勢日趨突出，它的軍事重要性越來越明顯，已成為各軍事強國大力發(fā)展的武器裝備。

因無人機載荷量有限，且長時間在目標(biāo)區(qū)域上空徘徊，需要減少連接器的尺寸和質(zhì)量，以增大其活動范圍并提高其續(xù)航能力。

互連系統(tǒng)的設(shè)計也要求長期耐久性、耐凝結(jié)腐蝕(特別是插合的接觸件上)，并耐引擎引起的振動以及(可能的)武器振動。在機械性能方面，所有連接器均要求能承受住因燃料和溶劑暴露而導(dǎo)致的損害，抗EMI并且要含有定位鍵來防止誤插。無人機的活動范圍和持續(xù)航行能力是關(guān)鍵因素，無人機對尺寸和質(zhì)量高度敏感，因此必須最大限度地減小互連元件的質(zhì)量和尺寸，以便為無人機有效載荷技術(shù)、通訊、飛行控制和推進系統(tǒng)釋放出空間。

減輕質(zhì)量、尺寸、耐沖擊和振動、電磁兼容、防腐以及高速/帶寬數(shù)據(jù)處理是無人機內(nèi)互連布纜的關(guān)鍵設(shè)計要求，這些要求從無人機本身延伸到包括地面控制/支持系統(tǒng)內(nèi)使用的電子設(shè)備以及無人機電子裝置的有效載荷。采用了小而輕，且滿足了高性能標(biāo)準(zhǔn)的連接器，可確保無人機的可靠性、安全性和工作壽命。

隨著絞線插針技術(shù)能力的提升，尺寸將做得更小，應(yīng)用于超微型連接器，其尺寸約為微型連接器的1/8，質(zhì)量約為微型連接器的1/4，耐沖擊和振動性能明顯優(yōu)于后者。無人機，包括空基、陸基、海基無人機系統(tǒng)，都可以從連接器尺寸和質(zhì)量的減小中獲得極大益處。

軍用無人機應(yīng)用連接器的典型電子系統(tǒng)包括：引擎控制和傳感器、著陸/對接系統(tǒng)、飛行控制、燃料電池傳感器、數(shù)據(jù)處理與導(dǎo)航，以及有效載荷技術(shù)，如高清晰紅外相機系統(tǒng)、高速圖像處理、專用安全數(shù)據(jù)通訊電子、目標(biāo)與火控(武器)系統(tǒng)、水雷探測、聲納、雷達或無線電裝置，

7 結(jié)束語

本文介紹了絞線插針的工作原理、制作工藝，并對其進行受力分析與仿真分析，及其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。作為連接器的關(guān)鍵件，對它的深入研究與推廣應(yīng)用，將促進連接器的微型化，并將對國防軍事產(chǎn)生深遠影響。