振動對電連接器接觸性能退化的影響

駱燕燕， 蔡明， 于長潮， 王彪

1.河北工業大學 電氣工程學院， 天津 300130 2.河北省滄州渤海新區供電公司， 滄州 061000 3.中國能源建設集團 天津電力設計院有限公司， 天津 300400

振動對電連接器接觸性能退化的影響

駱燕燕1,*， 蔡明1， 于長潮2， 王彪3

1.河北工業大學 電氣工程學院， 天津 300130 2.河北省滄州渤海新區供電公司， 滄州 061000 3.中國能源建設集團 天津電力設計院有限公司， 天津 300400

長期振動作用下，電連接器插孔易出現應力松弛現象，引起接觸性能的退化。針對接觸件的結構特點，提出了一種接觸壓力監測方法和接觸性能退化試驗方案，設計了試驗電路并進行了試驗。試驗結果表明：① 接觸壓力波動程度受振動頻率與加速度共同影響，高頻振動下,接觸壓力值波動程度約為低頻振動下的3～7倍；但隨著振動加速度的增大，低頻振動下接觸壓力波動程度的增幅更為明顯；② 隨著振動次數的增加，接觸壓力逐漸減小；振幅越大，接觸壓力的降幅越明顯；試驗后插孔槽寬的變化規律與之吻合，且振幅越大，振動累積效應的差異性越明顯；但接觸電阻無明顯的變化趨勢。因此，振動引發的插孔應力松弛現象和電連接器接觸性能退化的演變極其緩慢，但振動影響的差異性可能會導致突發性偶然失效現象。

電連接器； 接觸壓力； 振動； 性能退化； 應力松弛

電連接器是器件與器件、組件與組件、系統與系統之間進行電氣連接和信號傳遞的基礎元件，其廣泛應用于航空、航天、國防等軍用和民用系統中。電連接器的可靠性水平與電氣設備的性能，以及工業控制系統和軍事武器系統的安全運行密切相關。

在儲存和使用過程中，振動應力是影響電連接器可靠性的主要環境因素之一。長期振動累積效應會造成電連接器插孔出現應力松弛現象，導致電連接器接觸件間的接觸壓力逐漸減小，接觸電阻增加，接觸性能退化，直至失效[1-3]。

國內外學者關于振動對電連接器可靠性影響的研究主要包括2個方面：① 仿真或試驗研究微動磨損規律與機理。例如， Flowers等[4]利用ABAQUS仿真軟件對針式電連接器進行了有限元建模仿真，得到了接觸件間的微動幅值、相位與激振頻率之間的對應關系。Ishimaru等[5]將宏觀球-平面接觸表面等效成二維矩形多元胞結構，配合所添加的氧化規則、玻璃規則和移動規則對微動磨損條件下接觸件的接觸電阻的蛻變規律進行了探討。任萬濱等[6]利用微動磨損測試系統研究了不同微動幅值條件下觸點接觸電阻、切向力及表面形貌的特點，并確定了微動磨損的失效模式及失效機理。支宏旭[7]研究了振動頻率、幅值、加速度、電流和環境溫度等綜合環境應力對電連接器電接觸特性的影響規律。文獻[8-11]結合結構動力學模型和有限元模型，確定了電連接器接觸電阻波動的物理機理。② 試驗驗證或壽命評估。例如，文獻[12-17]中分別對航天電連接器在溫度應力、振動應力和綜合應力作用下的加速壽命試驗的理論和方法進行了大量的研究，并對高可靠性的電連接器進行了壽命評估。

上述國內外研究主要以接觸電阻為監測量探討振動應力作用下電連接器接觸件的微動現象及微動引起的接觸磨損和失效等問題。而對于高可靠長壽命產品，其性能退化進程十分緩慢，接觸電阻監測值呈現波動變化，增長趨勢非常不明顯[18-21]。因此，本文以接觸壓力為監測參量來探究振動對電連接器接觸性能退化的影響。

1 電連接器接觸壓力的測試方法

本文研究的電連接器陰極接觸件(插孔)是圓柱式四開槽型，如圖1所示，即插孔的前端被均分為4個接觸簧片。

圖1 圓柱式四開槽型接觸件Fig.1 Cylindric four-slotted contactor

與陽極接觸件(插針)插合時，插孔發生彈性變形而產生穩定的接觸壓力，與插針形成緊密接觸，其接觸面為圓柱面。這種特殊接觸形式下的壓力很難用常規的壓力傳感器來監測，因此，本文提出了一種以插孔應變量來測試接觸壓力的方法。

1.1 電連接器接觸件模型

與插針插合時，插孔接觸簧片的變形可簡化為典型的集中力作用型懸臂梁結構[21]，如圖2所示，圖中δ為撓度(插孔收口處單個接觸簧片的變形量)。

圖2 集中力作用型懸臂梁Fig.2 Cantilever beam subjected to concentrated force

圖2中，插孔接觸簧片i處的應變值εi與接觸簧片端部的接觸壓力F的關系為[22-23]

(1)

式中：l為接觸簧片的長度；i為距接觸簧片根部的距離；Wi為接觸簧片i處的抗彎模量；E為接觸簧片的彈性模量。

根據機械手冊和電連接器插孔接觸簧片的結構尺寸可得[24]：Wi=2.084×10-10m3；E=103 GPa；l=0.01 m。將上述參數代入式(1)中，則有

(2)

由式(2)可知，電連接器接觸件接觸壓力的檢測可通過測量插孔簧片應變量來實現。

1.2 接觸壓力的測試電路

采用圖3所示的應變測試儀進行插孔接觸簧片的應變量測試[25]。

圖3中，插孔應變量由直流電橋測量，經濾波、放大單元輸出測量電壓U，其表達式為

(3)

式中：UAC為橋電壓，UAC=2 V；k為增益，k=1 000；K為應變片靈敏度系數，K=2；則

U=1 000εi

(4)

將式(4)代入式(2)得

(5)

因此，測試中確定了應變傳感片粘貼位置與接觸簧片根部的距離i后，由應變儀的輸出電壓值U即可得到接觸件接觸壓力F的數值。

圖3 應變測試電路原理圖[25]Fig.3 Schematic diagram of strain testing circuit[25]

2 接觸性能退化試驗方案

2.1 試驗樣品

本文選用的試樣為某型號三針圓形電連接器，其主要技術參數如表1所示。

表1電連接器試樣的主要技術參數

Table1Maintechnicalparametersofelectricalconnectorsamples

ParameterValueCorenumber3PRatedcurrent/voltage15A/250VContactresistance/mΩ5Soldercupaperture/mm2.4Contactaperture/mm3.45

由掃頻和駐頻試驗測得電連接器試樣的固有頻率為166 Hz。

2.2 試驗方案

根據GJB 1217A—2009《電連接器試驗方法》標準中的規定[26]，試驗的基本條件設定為：環境溫度為15～35 ℃；相對濕度為20%～80%；大氣壓力為73～106 kPa。試樣的激勵條件為振動頻率(包括低頻段和高頻段)、振幅和振動加速度。

試驗內容主要分為振動的沖擊和累積效應測試試驗兩部分，試驗方案如表2和表3所示。

表2電連接器在各種振動條件下振動沖擊效應的試驗方案

Table2Testschemeforvibrationimpacteffectofelectricalconnectorsundervariousvibrationconditions

TestNo.Vibrationfrequency/HzAmplitudeofvibrationacceleration/gSampleNo.Ⅰ 201,3,5,725-28Ⅱ 351,3,5,725-28Ⅲ 501,3,5,725-28Ⅳ 651,3,5,725-28Ⅴ1511,3,5,729-32Ⅵ1661,3,5,729-32Ⅶ1811,3,5,729-32

Note： 1g=9.8 m/s2

表3電連接器在各種振動條件下振動累積效應的試驗方案

Table3Testschemeforvibrationcumulativeeffectofelectricalconnectorsundervariousvibrationconditions

TestNo.Vibrationfrequency/HzVibrationamplitude/mmNumberofvibration/TimesSampleNo.ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ1661811510.050.030.050.030.050.031061-45-89-1213-1617-2021-24

2.3 試驗電路

圖4所示為振動條件下接觸性能退化試驗電路，主要包括振動驅動單元(一) 、負載電路(二)、應變感測單元(三)、振動狀態監測單元(四)和數據采集單元(五)5個部分。

圖4中，振動驅動單元產生試驗所需振動激勵條件；振動狀態監測單元為振動驅動單元的反饋調節環節；負載電路為電連接器試樣提供所需的額定工作條件；應變感測單元用于感測接觸件插孔應變量并將其轉變成電壓信號；數據采集單元對輸出電壓信號進行采集存儲。

圖4 接觸性能退化試驗電路原理圖Fig.4 Block diagram of contact performance degradation testing circuit

3 試驗數據分析

3.1 振動沖擊效應的分析

3.1.1 低頻段的數據分析

據表2試驗組別Ⅰ～Ⅳ方案進行的測試試驗中，25號試樣接觸壓力的變化曲線如圖5所示。

由圖5可見，低頻振動沖擊下，電連接器接觸壓力的變化主要有如下特點：

1) 振動頻率f相同時，隨著振動加速度幅值的增大，接觸壓力波動范圍不斷變大，且波動程度的增長速率也越來越大，7g時接觸壓力的波動范圍約為1g時的2～3倍，而接觸壓力波動中心基本保持在4.32～4.33 N之間。

2) 振動加速度幅值相同時，隨著振動頻率的增加，接觸壓力的波動中心及波動程度沒有明顯的變化；7g時，接觸壓力波動范圍隨振動頻率的增加略有減小的趨勢。

圖5 低頻振動沖擊下25號試樣接觸壓力的變化Fig.5 Changes in contact force of No.25 sample under low frequency vibration impact

3.1.2 高頻段(含固有頻率)的數據分析

據表2中試驗組別Ⅴ～Ⅶ方案進行的測試試驗中，29號試樣接觸壓力的變化曲線如圖6所示。

由圖6可見，固有頻率及其附近的高頻振動沖擊對電連接器接觸壓力的影響：

1) 振動頻率相同時，隨著振動加速度幅值的增大，接觸壓力波動范圍略有增大，波動程度的增長率為0%～10.0%；而接觸壓力的波動中心基本保持在4.17～4.185 N之間。

2) 當振動加速度幅值相同時，接觸壓力的波動中心沒有明顯的變化；以固有頻率(166 Hz)為對稱軸，隨振動頻率減小或增大，接觸壓力的波動范圍呈“類拋物線”規律緩慢減小。

圖6 高頻振動沖擊下29號試樣接觸壓力的變化Fig.6 Changes in contact force of No.29 sample under high frequency vibration impact

3.1.3 高低頻段的數據對比分析

低頻區段與固有頻率及其附近高頻區段的測試結果對比分析顯示：

1) 電連接器接觸壓力波動中心受振動加速度幅值及振動頻率的影響均不明顯。

2) 固有頻率及其附近的高頻振動條件下，試樣接觸壓力的波動程度約為低頻振動條件下的3～7倍。

3) 隨振動加速度峰值的增大，低頻振動條件下接觸壓力波動范圍增幅十分明顯；而固有頻率及其附近高頻振動條件下接觸壓力的波動范圍增幅相對較小。

3.2 振動累積效應的分析

3.2.1 接觸壓力的變化

依據表3中的方案進行試驗后，電連接器接觸壓力的變化量如表4所示。

由表4可見，振動100萬次后6組試樣的接觸壓力呈現不同程度的減小，相對變化量在1.64%～10.75%；同一振動頻率條件下，振幅較大時，接觸壓力降低的相對變化量較大；同一振幅條件下，振動頻率為試樣的固有頻率時，試樣的接觸壓力變化量最大。

表4 試驗前后1～24號試樣接觸壓力的變化Table 4 Changes in contact force of Nos.1-24 samples before and after test

由此可推斷，隨著振動次數的增加，電連接器接觸件逐漸出現應力松弛現象，接觸壓力逐漸減小，產品接觸性能緩慢退化；相同振動頻率下，振動幅值越大，振動對接觸壓力的累積效應就會越大，應力松弛現象也越明顯，電連接器產品接觸性能退化得越快。

3.2.2 插孔收口尺寸的變化

由圖1可知，為了保證電連接器插針與插孔間穩定的接觸壓力，插孔插合端設計為收口結構，劈槽端部(即收口處)的寬度(以下簡稱槽寬)比其根部的寬度要小。若槽寬增大，插孔收口尺寸增加，則插針與插孔間的接觸壓力將減小。

振動累積效應試驗前后，對6組試樣非插合狀態下的插孔槽寬進行了測量，其絕對增量和相對增量如圖7和圖8所示。

圖7 試驗后插孔槽寬的絕對增量Fig.7 Absolute increment in slot width of jacks after test

圖8 試驗后插孔槽寬的相對增量Fig.8 Relative increment in slot width of jacks after test

由圖7和圖8可見，振動累積效應試驗后，插孔槽寬均有不同程度的增加。隨著振幅的增大，插孔槽寬的增量也隨之增加，而相對增量的增幅尤為明顯；且數據的分散性也增強。這說明，振幅越大，振動對電連接器的累積效應的差異性越明顯，此差異性甚至存在于同一試樣中不同接觸件間。由此可推斷振動影響的差異性可能會導致突發性偶然失效，即發生在某些振動累積效應嚴重的接觸件中。

3.2.3 插拔力的變化

試驗前后試樣插拔力的變化如表5所示。由表5 可知，試驗后約有45.8%試樣的最大分離力與最大插入力減小，且試樣插拔力的增減趨勢和量值變化隨機性較強，未顯示出與振動頻率和振動幅值間有明顯的關聯性。

表5 試驗前后試樣插拔力的變化Table 5 Changes in insertion and withdrawal force of samples before and after test

3.2.4 接觸電阻的變化

試驗中，本文對電連接器試樣的接觸電阻進行了間歇式定期監測，發現：隨著振動次數的增加，79.3%左右接觸件的接觸電阻有先減小而后緩慢增大的趨勢；振動100萬次后，依然有 45.8% 接觸件的接觸電阻相比試驗前的有些許減小，僅有29.2%接觸件的接觸電阻略有增加，其余可視為基本不變。試驗前后電連接器試樣接觸電阻的變化與振動頻率和振幅亦沒有明顯的關聯性規律，如圖9所示。

圖9 試驗前后試樣接觸電阻變化Fig.9 Changes in contact resistance of samples before and after test

3.2.5 參數變化間的內在關聯性分析

根據圖1和圖2所示的接觸件結構特點和材料力學相關理論，可推導出插孔單個接觸簧片的另一模型關系式為

(6)

式中：Ix為插孔截面關于中層軸x的慣性矩，mm4。

由電接觸基本理論可知，接觸電阻與接觸壓力間的關系為

(7)

式中：Rj為接觸電阻，μΩ；Aj為接觸材料表面情況等決定的相關系數；m為與接觸面形式相關的指數。

插拔力與接觸壓力間的關系為

Fi=μFn

(8)

式中：μ為接觸面間的摩擦系數；Fi為插拔力，N；Fn為接觸壓力法向分量，N。

試驗數據表明：不同振幅條件下振動累積效應引發插孔出現應力松弛的直觀表象是插孔收口處槽寬增加，孔徑增大，從而導致插孔懸臂梁模型中的撓度減小(見圖2)；由式(6)～式(8)的理論推算，則應伴隨有接觸壓力減小、插拔力減小和接觸電阻增加的現象發生。然而，實際的測試數據中，僅接觸壓力的變化基本與插孔槽寬變化相吻合；而接觸電阻和插拔力卻未顯現出相應的變化規律或趨勢。

這是因為接觸電阻的數值受接觸壓力、接觸材料表面狀況及接觸面形式等綜合因素的影響(見式(7))。試驗初始階段，雖然試樣的接觸壓力減小會使接觸電阻增大，但振動應力引起的接觸件接觸區域微動，對表面氧化膜層或者污染膜層有“清理”效應，更多的導電接觸斑點會從破碎處擠出，使膜電阻降低，又會使接觸電阻有減小趨勢。因此，未達到極限累積效應前，接觸電阻值的增減取決于這2種作用“博弈”的結果。隨著振動累積效應的加深，接觸件出現磨損后，接觸表面狀況惡化，接觸電阻值才會明顯增長。圖10表明試驗后某些試樣接觸件的接觸區域已開始出現磨痕。因此，接觸件磨損狀態的差異性導致試樣接觸電阻值變化不同。

此外，接觸件磨損會造成接觸面由光滑變為粗糙，接觸面的摩擦系數增大。因此，摩擦系數增大與接觸壓力減小的綜合作用致使試驗后插拔力出現“隨機”增減的變化特點。

圖10 試樣接觸件接觸區域表面形貌對比Fig.10 Comparison of morphology of contact surface of sample contacts

綜上，振動引發的插孔應力松弛現象和電連接器接觸性能退化的演變進程非常緩慢，接觸電阻因受多種因素影響，很難展現試樣接觸性能退化過程中的微弱變化并及時窺探出潛在的失效隱患；相比之下，接觸壓力則是一個更為敏感的參數。

4 試樣接觸性能退化的預測分析

因試驗中沒有失效試樣，本文采用灰色模型對振動累積效應試驗中試樣的接觸壓力變化趨勢及其性能退化進行了預測。

以試樣的接觸壓力值為灰色模型GM(1,1)的原始序列，即

x(0)=(x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(n))

(9)

x(0)的1-AGO數列為

x(1)=(x(1)(1),x(1)(2),…,x(1)(n))

(10)

式中：

x(1)(k)=x(1)(k-1)+x(0)(k)

k=1,2,…,n

(11)

x(1)的均值序列平均值(MEAN)為

z(1)(k)=0.5x(1)(k)+0.5x(1)(k-1)

(12)

由式(9)、式(10)和式(12)中的3組序列得到中間參數包P=(c,d,e,o)可得到序列的發展系數a與灰作用量b分別為

(13)

(14)

則有GM(1,1)模型為

x(0)(k)+az(1)(k)=b

(15)

GM(1,1)白化響應式為

(16)

(17)

式(16)和式(17)即灰色理論GM(1,1)模型的擬合與預測公式。預測出的6組振動條件下接觸壓力的變化趨勢如圖11所示。

圖11 接觸壓力的變化趨勢預測Fig.11 Prediction of change trend of contact force

依據試樣的極限接觸電阻R=5 mΩ，取試樣接觸材料(黃銅)的系數K=670，接觸面形式系數m=0.7，由式(7)得到接觸壓力臨界值F=0.555 N。由灰色模型預測出試樣接觸性能退化至失效時的累積振動次數如表6所示。

表6電連接器接觸失效時的累積振動次數預測值

Table6Predictionvalueofcumulativevibrationtimesforcontactfailureofelectricalconnectors

Vibrationamplitude/mmPredictionvalue/(104times)f=151Hzf=166Hzf=181Hz0.0312232578764660.05 463033083965

5 結 論

1) 振動沖擊效應試驗中，振動加速度相同時，固有頻率附近的高頻振動條件下，電連接器接觸壓力值的波動程度約為低頻振動下的3～7倍；但隨著振動加速度的增大，低頻振動下接觸壓力波動程度的增幅現象更為明顯。

2) 振動累積效應試驗中，隨著振動次數的增加，電連接器的接觸壓力呈指數規律衰減；固有頻率條件下，接觸性能退化最快；以固有頻率為中心，隨著振動頻率的降低或增高，接觸性能退化均減緩，且低頻側減緩的幅度較大；相同振動頻率下，振幅略有增加，電連接器接觸壓力既有較明顯的降幅，接觸性能的退化也越快，且低頻側振幅的影響更為顯著。

3) 振動累積效應試驗后，電連接器插孔槽寬有不同程度的增加(插孔孔徑增大)，表明接觸件出現了應力松弛現象；隨著振幅的增大，插孔槽寬相對增量的增幅尤為明顯；且數據分散性也增強，振動對試樣產生的累積效應的差異性更明顯。

4) 振動累積效應試驗后，電連接器試樣的插拔力和接觸電阻值未顯示出與振動頻率和振幅明顯的關聯性。

在振動引發的插孔應力松弛和電連接器接觸性能退化的緩慢演變過程中，插孔收口處的槽寬(孔徑)和接觸壓力是較為敏感的參數。而進一步研究接觸性能退化演變過程中插孔應力松弛與接觸件磨損的微觀機理，探究宏微觀間的關聯性，可能會揭示或預測出突發性失效的潛在原因與概率。

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(責任編輯： 徐曉)

*Correspondingauthor.E-mail:luoyy@hebut.edu.cn

Influenceofvibrationoncontactperformancedegradationofelectricalconnectors

LUOYanyan1,*,CAIMing1,YUChangchao2,WANGBiao3

1.CollegeofElectricalEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130,China2.HebeiProvinceCangzhouBohaiNewDistrictPowerSupplyCompany,Cangzhou061000,China3.TianjinElectricPowerDesignInstituteCo.,Ltd.,ChinaEnergyEngineeringGroup,Tianjin300400,China

Thejackoftheelectricalconnectorisanelasticelement,andiseasytoshowstressrelaxationundertheeffectoflong-termvibration,soastoleadstoperformancedegradationofelectricalconnectors.Acontactforcemonitoringmethodandcontactperformancedegradationtestschemeareproposed,andacircuitisdesignedforthetest.Thetestresultshowsthatthefluctuationofthecontactforceisinfluencedbyvibrationfrequencyandacceleration.Thecontactforcefluctuationunderhighfrequencyvibrationisabout3-7timesofthatunderlowfrequencyvibration.Thecontactforcefluctuationunderlowfrequencyvibrationincreasesmoreobviouslywiththeincreaseofvibrationacceleration.Thecontactforcedecreaseswiththeincreaseofvibrations.Thelargerthevibrationamplitudeis,themoreobviousthedecreaseofthecontactforceis.Thechangelawoftheslotwidthafterthetestisconsistentwiththatofthecontactforce.Moreover,thelargerthevibrationamplitudeis,themoreobviousthedifferenceoftheslotwidthvariationis.However,thecontactresistancehasnoobviouschangetendency.Therefore,althoughtheevolutionprocessofstressrelaxationandthecontactperformancedegradationofelectricalconnectorscausedbyvibrationareextremelyslow,thedifferenceofvibrationeffectcanleadtosuddenaccidentalfailureofelectricalconnectors.

electricalconnector;contactforce;vibration;performancedegradation;stressrelaxation

2016-11-16；Revised2017-02-22；Accepted2017-04-07；Publishedonline2017-04-261726

URL：www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20170426.1726.002.html

s：NationalNaturalScienceFoundationofChina(51107028)；ElectricalProductsReliabilityTechnologyofHebei2011CollaborativeInnovationCenterProject

2016-11-16；退修日期2017-02-22；錄用日期2017-04-07； < class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間：2017-04-261726

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20170426.1726.002.html

國家自然科學基金 (51107028)； 河北省電工產品可靠性技術2011協同創新中心項目

.E-mailluoyy@hebut.edu.cn

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http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

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V242.45; TM503+.5; TB114.3

A

1000-6893(2017)08-220936-12