振動環境下電連接器接觸性能退化機理

駱燕燕 張 樂 孟凡斌 郝 杰

1.河北工業大學省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室，天津,300130

2.河北工業大學河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室，天津,300130

3.國網河北省電力有限公司平山縣供電分公司,平山，050400

4.河北工業大學材料科學與工程學院，天津,300130

5.中鐵電氣工業有限公司，保定,071051

0 引言

電連接器廣泛應用于汽車、航空航天等軍用和民用系統中的各種電氣線路中，起著接通或斷開電路的作用。電連接器性能與可靠性直接決定系統能否安全運行。影響電連接器可靠性的因素很多，國內外關于電連接器的接觸性能退化及失效機理的研究主要包括以下3個方面：①仿真研究，即借助有限元方法在接觸、振動、熱傳導條件下進行求解，研究電連接器的性能。FLOWERS等［1］采用ABAQUS軟件對針式連接器進行了2D和3D的有限元建模仿真，得到了接觸件的微動幅值、相位與激振頻率間的關系；王安麟等［2］根據電子連接器微顫振磨損的試驗數據，通過田口方法進行仿真試驗設計與求解，建立了高品質自組織模型，獲得電子連接器微顫振磨損失效機理的高相關性表達；龍慧娟［3］分別通過ANSYS軟件和LS-DANY軟件仿真得到連接器接觸件工作狀態時的接觸壓力、相對位移以及不同振動加速度值和頻率條件下電連接器性能的仿真分析。②試驗驗證或評估。陳文華等［4?9］分別對航空電連接器在熱應力、振動應力及綜合應力下加速壽命試驗方案的評價理論及優化設計方法進行了研究，建立了相應的可靠性模型，還將bootstrap方法引入產品可靠性的回歸統計分析,通過對估計值的糾偏處理來提高產品可靠性的統計精度；HANNEL等［10］分析了微動幅值、接觸壓力與微動次數對接觸電阻變化規律的影響；PARK等［11］發現微動頻率的增加提高了金屬的氧化率，并導致了磨損及較早失效；FLOWERS等［12］分析了汽車連接器在不同振動頻率和振動加速度下接觸電阻的變化規律，指出存在一個臨界振動加速度。③材料性能退化機理研究。許金泉等［13］發現疲勞損傷演化的機理:當材料受循環應力作用時，因原子平衡位置的變化而導致熱擾動所產生的空穴不能完全相互湮滅，從而形成缺陷或導致缺陷發展；SUH［14］提出了脫層理論，發現應力場作用下次表面的裂紋平行于表面擴展并產生片狀磨屑。

本文主要探討在不同振動頻率及幅值下電連接器的性能的參數變化及內在關聯，并由微觀組織演變分析其在振動條件下的接觸性能退化機理。

1 電連接器接觸件模型分析

1.1 電連接器的基本結構

電連接器主要包括殼體、絕緣體和接觸件3大基本單元。接觸件是插針和插孔的總稱，插針為剛性元件，具有良好導電性能；插孔為彈性元件，端部為縮口結構，與插針插合時會發生彈性變形而產生接觸壓力，與插針形成良好接觸。

由電接觸理論可知，接觸件間接觸電阻可由經驗公式求解：

其中，Rj為接觸電阻，μΩ；F為接觸壓力，N；k與接觸件材料、表面狀況等因素有關；m與壓力范圍、接觸形式和實際接觸點數目等因素相關，壓力較小范圍內，點接觸時取m=0.5，線接觸時m取0.5～0.8，面接觸時取m=0.7。

1.2 接觸件的數學模型

本文試品的接觸件為四開槽式圓柱形,見圖1。由材料力學相關理論可知，單個接觸簧片可簡化為集中受力的懸臂梁模型，見圖2。模型的關系式為

式中，F為接觸壓力；E為彈性模量，MPa；δ為撓度，mm；Ix為截面關于中性層x軸的慣性矩，mm4；L為插孔的接觸簧片長度，mm。

由式（1）、式（2）可知，電連接器接觸件模型中，插孔的結構參數、材料屬性、接觸壓力和接觸電阻之間有一定關聯性。

圖1電連接器插孔實物Fig.1 Physicalgraph of electrical connector jack

圖2插孔接觸簧片懸臂梁模型Fig.2 A cantileverm odelofsingle jack con tact spring

2 電連接器振動試驗方法

2.1 試品的準備

本文試品為某型號三針圓形電連接器，其主要技術參數見表1。

表1 某型號三針圓形電連接器主要技術參數Tab.1 M ain param eters of a th ree-p in round electrical connector

2.2 試驗方案的設計

依據正弦掃頻試驗和駐頻試驗確定出的電連接器試品的固有頻率（166 Hz），本文將試驗激勵條件中振動頻率設定為2個頻段：共振頻段和低頻頻段；每個振頻條件下設定3個不同的振幅，則試驗方案共包含18組振動試驗，見表2。

試驗過程中，對電連接器的接觸電阻進行了定期監測；試驗前后，測量了電連接器插孔簧片槽寬、插拔力和表面形貌，并分析了金相組織。

表2 振動試驗方案Tab.2 Vib ration test schem e

2.3 試驗電路的設計

電連接器振動試驗電路結構原理圖見圖3。試驗電路中，信號發生單元、功率放大單元、驅動單元、振動臺及振動參數測試單元主要實現振動臺狀態的監測與控制；負載電路為試品提供正常工作電流；電壓放大單元和數據采集單元完成試品接觸電阻的監測。

圖3 振動試驗電路結構原理框圖Fig.3 Schem atic d iagram of circuit structu re for vibration test

3 試驗結果分析

3.1 接觸件接觸電阻的變化規律

本文進行的18組試驗中，試品的接觸電阻值雖有不同程度波動且隨振動次數增加呈緩慢增大的趨勢，但均未達到失效的極限值（5mΩ），也未發現瞬斷現象。共振頻段和低頻段接觸電阻波動量的對比分析見圖4，圖中，柱狀圖表示波動量ΔR，曲線表示增加量B。

圖4 不同振動條件下接觸電阻波動量的對比分析Fig.4 Com parative analysis of contact resistancewave mom entum under different vibration conditions

由圖4可見，在相同振頻條件下，隨著振幅A的增大，接觸電阻的波動量ΔR增大；相同振幅條件下，低頻區段隨振頻增大，接觸電阻亦增大；振幅值較小時，波動量增幅B亦較小；共振頻段，接觸電阻波動量呈類拋物線規律，固有頻率處波動量達到峰值。此外，隨著振動應力水平的增大，低頻區段接觸電阻波動量的增速與增幅均比共振頻段的大，其原因如下：振動頻率的增大會引起插孔表面溫度的升高和應變率的增大，加劇其微動磨損和微動腐蝕，從而使接觸面狀況惡化，接觸電阻增大；低頻振動期間表面金屬和大氣反應的時間相對較長，化學作用機制增強，被氧化的磨屑起到了一定的潤滑作用，因此，與相同振幅、共振頻段相比，其磨損程度應較低，接觸電阻波動幅度較小。但是本文設定的低頻區段振動幅值比共振頻段大很多，其間，試品的接觸電阻波動量增幅較大，接觸性能退化比較明顯。

3.2 與接觸電阻相關聯參數的分析

為了驗證接觸電阻變化規律，本文對與其相關聯的參數（接觸件孔徑和插拔力）試驗前后數值變化分別進行分析。

3.2.1 接觸件孔徑的變化規律

電連接器插孔插合端設計為收口結構，收口處劈槽的寬度比槽根部小,收口處劈槽的寬度與插孔孔徑直接相關,亦與插孔接觸簧片懸臂梁中撓度以及接觸電阻相關（見圖2、式（1）、式（2））。振動試驗前后,插孔收口處劈槽寬度平均變化量對比分析見圖5。

圖5 試驗前后插孔槽寬平均變化量對比Fig.5 Com parison of the average variation of the jackslotw id th before and after the test

由圖5可知，試驗后，電連接器插孔接觸簧片槽寬平均值均有所增加；相同振動頻率下隨著振動幅值的增大，接觸簧片槽寬平均值增量Δb的增大，即插孔孔徑增大。這說明，在振動應力作用下電連接器接觸件出現了應力松弛現象。插孔接觸簧片逐漸由彈性變形轉變為塑性變形。由式（1）、式（2）可推理出，δ增大，F減小，Rj增大。這與圖4中的接觸電阻的變化規律相符，但由于變形微小，引起Rj改變的作用也較小。

3.2.2 電連接器插拔力的變化規律

試驗前后電連接器插拔力的數據變化見圖6。由圖6可知，試驗前后電連接器插拔力有增有減。這是由于電連接器插拔力與接觸壓力和表面摩擦因數均成正比。振動過程中，隨著振動次數的增加，接觸件會發生應力松弛現象，導致接觸壓力減小；而微動磨損現象會使接觸件表面存有碎屑、磨痕，導致接觸件表面的摩擦力增大。兩種現象的綜合作用導致插拔力有增減之別，但這兩種現象的發展趨勢均會促使接觸電阻增大。

4 電連接器接觸性能退化機理

產品的宏觀表現往往與其微觀組織的變化有關。本文從金相分析和微觀組織演變分析入手，對電連接器的接觸性能退化機理進行研究。

圖6 試驗前后電連接器插拔力的數據變化趨勢Fig.6 Change of the insertion and w ithdraw force for the electrical connector before and after the test

4.1 接觸件表面形貌分析

試驗前后接觸簧片內表面形貌見圖7。由圖7a可見，試驗前,接觸簧片內表面比較平整、光滑，但有部分暗色區域。這些暗色區域主要是表面吸附空氣中塵埃等形成的沉積膜和表面存在的缺陷。

共振頻段、低頻段振動試驗后部分電連接器插孔接觸簧片內表面形貌圖見圖7b～圖7f。接觸簧片端部緊密接觸部位內部表面有較明顯的磨屑、黏著痕跡且較粗糙，這表明接觸簧片內表面發生了微動磨損現象。

由電接觸理論可知：振動應力使接觸件接觸區域發生微動，起初微動對清理表面氧化膜層或者污染膜層有著積極的作用，膜電阻減小，更多的導電接觸斑點從破碎處擠出，接觸電阻減小。因此，振動初期，應力松弛引起的接觸壓力減小與振動對接觸表面膜的清理作用對接觸電阻的影響正好相反，接觸電阻的增減取決于兩種作用的強弱對比；但隨著振動次數增加，接觸表面磨損逐漸加重，同時接觸壓力進一步減小，接觸電阻增大趨勢將會越來越明顯，引發接觸性能退化。

4.2 微觀組織演變

試驗后，電連接器插孔孔徑尺寸增大，這說明在交變振動作用下，插孔接觸簧片變形后的恢復力減小，逐漸由彈性形變轉變為塑性變形。塑性變形的微觀機制主要有滑移和孿生，也與晶粒尺寸相關。

4.2.1 晶粒尺寸的變化

本文對試驗后電連接器的插孔接觸簧片試樣進行了金相組織觀察和SEM觀察。振動試驗前后部分接觸簧片的金相組織樣圖見圖8。

圖7 試驗前后接觸簧片內表面形貌Fig.7 Contact spring surfacemorphology before and after test

圖8 試驗前后試品插孔的接觸簧片金相組織樣圖Fig.8 M etallograph of contact sp ring before and after test

由圖8可見，不同振頻和振幅條件下，試驗后插孔中晶粒尺寸均有不同程度的減小。由經典塑性理論可知，晶粒尺寸越小，即在一定體積內晶粒的數目和晶界越多，則在同樣變形條件下，塑性變形也可分散在更多的晶粒內進行，變形時協調性越好，塑性越好。因此，插孔的塑性應變分量逐漸增大，導致接觸件出現了應力松弛現象，插孔孔徑增大，接觸壓力減小以及接觸電阻增大，這與試驗結果中插孔孔徑和接觸電阻的變化規律相吻合。

4.2.2 滑移的演變

滑移是金屬塑性變形的基本形式。滑移是以一定晶面為界，晶體的一部分相對于另一部分沿著（界面）晶面上的一定方向發生平移滑動。一個滑移面和該面上的一個滑移方向構成一個滑移系。晶體結構不同，其滑移面和滑移方向是不同的。滑移系越少，滑移過程中可能采取的空間取向越少，滑移越不容易發生，它塑性越差［15］。

共振頻段和低頻區段振動試驗后的試品晶粒中滑移線的SEM掃描圖見圖9。

圖9 試驗后試品晶粒中滑移線的SEM掃描圖Fig.9 SEM scans of slip line in grain p roducts after test

由圖9可見，隨著振動幅值、振動頻率的增大，接觸件微觀組織出現滑移逐漸明顯，而且晶粒中滑移線的空間取向也增加。由此可推斷插孔塑性變形程度增大，接觸壓力減小，接觸電阻增加的趨勢增大。

5 結論

（1）試品的接觸電阻值隨振動次數的增加而緩慢增長，其宏觀原因是插孔孔徑增大，接觸件間接觸壓力減小。

（2）振頻與振幅的增大均會引起接觸電阻波動量的增大，固有頻率處接觸電阻的波動量最大。

（3）振動條件下，連接器插孔中微觀組織結構的變化（插孔中晶粒尺寸減小和滑移線密度增大）促進其塑性變形，引發應力松弛現象，是導致接觸可靠性和性能退化的主要原因之一。

（4）試驗后，試品插拔力數值有增有減，接觸簧片表面形貌表明，插孔出現不同程度的磨損，直接后果亦體現在接觸電阻的增大。

（5）電連接器接觸性能退化過程及失效中，微動磨損和應力松弛現象的內在作用機制與規律還有待進一步研究。