電氣連接接頭緊固準則研究*

□ 許曉文 □ 孫后環 □ 華廣勝

1.南京工業大學 機械與動力工程學院 南京 211800

2.中國合格評定國家認可委員會 北京 100032

1　問題的提出

目前，國內各車輛廠對列車上的電氣連接接頭、線纜的選型，以及工具的使用比較雜亂，工人普遍采用普通扳手進行電氣連接接頭的緊固。由于不同人的扭緊力矩不一致，即使同一個人，每次的扭緊力矩也不可能完全相同，導致電氣連接接頭的安裝效果各不相同。通過對電氣連接接頭緊固性能的研究，解決目前電氣連接接頭緊固密封的問題，并形成統一標準，建立相關優選數據庫，既可方便新項目的開發設計和工藝選型匹配，又可避免生產車間和售后服務方面的異常狀況，從而提高生產率和列車性能［1］。

2　試驗設計

通過對不同電氣連接接頭匹配不同電纜，在不同扭力及密封等級的實際工況下進行大量試驗，建立電氣連接接頭從緊固密封到電纜最終破壞的主要多項式曲線和相關數據庫，確認不同電氣連接接頭與不同電纜之間的匹配關系。試驗項目一旦成功，不僅可以提高工效，而且可以實現統一安裝，提高產品質量，縮短設計開發周期。這一試驗項目的方案實施路線如下：調研→預估試驗數據的大致量級→購置試驗器具及材料→實施試驗→試驗數據整理和分析比對→繪制主要數據曲線→形成力矩優選數據庫→補充試驗→建立電纜外觀檢測標準→整理驗收報告。

3　防水性試驗

3.1　試驗過程

根據技術要求和試驗實施方案，需要設計一套工裝夾具方便試驗操作。在設計工裝夾具過程中，首先要確保工裝夾具的結構強度能夠滿足試驗強度的要求，工裝夾具各部位變形量不超過試驗允許值；其次要通過拓撲優化，合理設計工裝夾具結構，減小夾具的總質量，從而有效提高試驗的可靠性與穩定性。

工裝夾具如圖1所示，由試驗箱與安裝架組裝而成，試驗箱由四塊鋁合金板焊接而成。為了提高試驗箱體的穩定性，設計使用加強筋對試驗箱的前后兩面進行加固。試驗箱的四個面均可進行裝夾試驗，從而提高了試驗效率。設計安裝架用于固定試驗箱，以保證安裝架自身不產生晃動。安裝架的高度為0.9 m左右，材料選用方形鋼管，邊長為50 mm，壁厚為3 mm。

試驗使用pH試紙測試防水性能，試驗中使用的水為自來水與乙酸的混合液，原因是pH試紙遇到含酸性的液體會變色。經查閱有關文獻資料，在常溫條件下，任何濃度的乙酸溶液中，鉻鎳系不銹鋼均不會受到腐蝕影響，且電纜的硬質橡膠對乙酸的穩定性較好［2-3］。pH試紙沾到自來水乙酸混合液后為橘紅色，顏色變化顯著，容易區分，且試紙變色后不會因為水分蒸發而變回原色，因此選用呈弱酸性的自來水乙酸混合液作為試驗用水。

試驗針對每一種規格型號的電氣連接接頭和與之匹配的電纜，至少進行20次匹配試驗。將截取的電纜固定在工裝夾具上，在電纜的底部粘上pH試紙，并使用膠帶固定，如圖2所示。

使用活動扳手對電氣連接接頭進行預擰緊，然后使用數顯式力矩扳手對四個加載面的電氣連接接頭進行擰緊試驗，如圖3所示，并依次記錄試驗數據。同一型號的不同電氣連接接頭，施加的擰緊力矩應有所不同。

擰緊試驗完成后，使用保鮮膜將試驗箱的左右兩個面包裹起來，確保兩個面沒有縫隙。水槍加壓至3 MPa后噴向電氣連接接頭，對每個面朝上的加載面連續噴射1 min后靜置1 h，然后更換噴射另一個加載面，再次靜置1 h，直至4個加載面全部試驗完畢［4］，如圖4所示。

靜置時間結束后，將保鮮膜取下，并依次查看pH試紙的變色情況，統計數據。在進行擰緊試驗時，根據力矩值從小到大的順序進行預緊。設定防水性試驗合格的標準是一組試驗的前3～5個電氣連接接頭發生漏水情況，其它沒有漏水。若發現防水性試驗不合格，如同一種規格的電氣連接接頭全部沒有漏水、全部漏水或電氣連接接頭漏水順序混亂，則無法檢測出防水的最小力矩值時，需要再次加載力矩重新試驗，直至防水性試驗合格。電氣連接接頭漏水情況如圖5所示。

3.2　試驗結果與分析

防水性試驗以電氣連接接頭的安全防護等級（IP代碼）為因變量，建立IP代碼和力矩值之間的數學回歸模型［5］。根據相關執行標準，使用IP代碼將電器的防塵防濕特性加以分級，試驗只需考慮防濕等級參數。為了便于運用數學方法分析電氣連接接頭IP代碼和扭緊力矩之間的關系［6］，在同等試驗條件下，依據試驗過程中pH試紙的顏色指示和對應的IP代碼，對其中一組試驗結果進行量化處理，見表1。

應用MATLAB軟件對試驗結果進行后期處理。以力矩值為自變量，以電氣連接接頭的IP代碼為因變量，建立兩者之間的函數關系進行擬合分析，使用不同的多項式函數建立兩者之間的關系模型，并得到不同多項式次數下的對比回歸結果［7-8］。

多項式次數為4時可得到適宜的擬合結果，根據函數式 f（x）=px4+2px3+3px2+4px+5p，得到 4 次多項式擬合曲線圖，如圖6所示。函數式中p為置信區間，x為力矩。

針對不統一的電氣連接接頭和電纜之間的緊固密封，在大量試驗的基礎上，利用統計學中的回歸分析方法對電氣連接接頭扭緊力矩和IP代碼之間的函數關系進行多項式擬合，得到了兩者之間的擬合函數關系。擬合結果的評價指標驗證了函數關系的正確性，可為制定統一的電氣連接接頭緊固準則提供參考。

▲圖1 工裝夾具

▲圖2 工裝夾具上試驗電纜

▲圖3 擰緊試驗

▲圖4 防水性試驗

▲圖5 電氣連接接頭漏水情況

4　破壞性試驗

4.1　試驗過程

破壞性試驗直接將工裝夾具的試驗箱固定在安裝架上，然后使用數顯式力矩扳手依次進行擰緊，直至電纜被破壞，記錄力矩數值，并進行數據歸納、分析對比。每種型號的電氣連接接頭進行至少20組破壞性試驗，每組試驗的扭力值逐漸增大，試驗目標是一組試驗中后 3～5 組電氣連接接頭被破壞［9-10］。

表1　試驗結果量化處理

表2　電纜組件外觀檢測標準

▲圖6 4次多項式擬合曲線

4.2　試驗結果與分析

破壞性試驗中產生破壞的形式主要為電纜出現壓痕，根據電纜受到的破壞情況，初步制定了電纜組件外觀檢測標準。將電纜外表面由于緊固造成的劃痕寬度W和深度D作為參考依據，缺陷等級分為三類：第一類是次要缺陷（CR），電纜外表面存在輕微的壓痕或損傷，輕擦外表面有刮磨感；第二類是主要缺陷（MA），電纜外表面有較明顯的壓痕或損傷，會影響電纜的使用性能和安全性能；第三類是嚴重缺陷（MI），產生嚴重的壓痕或損傷，對電纜造成不可恢復的損壞，甚至使電纜內部線材露出［11-12］。電纜組件外觀檢測標準見表2。

5　結論

根據實際工況下的大量操作試驗，筆者研究了不同電氣連接接頭匹配不同電纜在不同扭緊力矩下的防水密封與破壞情況。

（1）在試驗中，當同一種規格型號的電氣連接接頭與多種線徑的電纜匹配時，線徑小的電纜所需的破壞力矩值反而大，且電氣連接接頭的尺寸越小，上述情況就越明顯。經分析得知，扭力扳手顯示的力矩值是由兩部分合成的，一部分是電氣連接接頭鎖緊電纜的力矩，另一部分是電氣連接接頭產生的阻滯力矩。對于同一規格型號的電氣連接接頭而言，其所匹配的電纜線徑越小，對應的阻滯力矩就越大，從而導致總力矩值較大。

（2）對防水性試驗得到的多項數據結果進行多項式擬合，獲得力矩值與IP代碼之間的函數關系，可以為不同電氣連接接頭和電纜之間的匹配標準提供參考，是制定電氣連接接頭緊固準則的有效依據。

（3）對破壞性試驗的數據進行研究分析，得到了不同力矩下電纜或電氣連接接頭產生的不同破壞形式，并初步形成了電纜組件外觀檢測標準，使電纜在受到破壞情況時有量化的衡量標準。

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