機(jī)載電子設(shè)備后矩形連接器加固分析*

馮 波，趙 亮，文 雯

(航空工業(yè)集團(tuán)公司 西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

機(jī)載電子設(shè)備作為飛機(jī)的大腦、耳目和神經(jīng)，在飛機(jī)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中占據(jù)了越來越重要的地位[1]。機(jī)載電子設(shè)備是用來接收、處理和發(fā)送各種飛行和任務(wù)信息，這就離不開設(shè)備的對外連接，一般來說，電連接器和線纜既可以實(shí)現(xiàn)機(jī)載電子設(shè)備的電器互聯(lián)，又方便拆卸實(shí)現(xiàn)獨(dú)立維護(hù)，是機(jī)載電子設(shè)備重要的組成部分。電連接器性能的好壞成為整個系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)顯示，在各種電氣系統(tǒng)的失效和故障中，70%的失效是由元器件引起的，其中由電連接器直接或間接導(dǎo)致的失效占40%左右[2]。筆者針對后矩形連接器容易與產(chǎn)品的后部緊固連接方式出現(xiàn)過定位的問題，提出了一種無銷/孔配合的后緊固連接方式，通過對連接薄弱環(huán)節(jié)的加固，使后矩形連接器滿足了大量值，長時間使用的要求，具有一定的應(yīng)用參考意義。

1 后矩形連接器應(yīng)用概述

常用的設(shè)備級電連接器從形狀上可以分為安裝于設(shè)備前面板的圓形連接器和安裝于設(shè)備后面板的后矩形連接器(又稱作金屬框架連接器)。相比于圓形連接器需要設(shè)備安裝至機(jī)體后再單獨(dú)插合連接線纜的多個插頭，后矩形連接器具有不可比擬的優(yōu)勢，它在設(shè)備端安裝插座，機(jī)架端安裝插頭，在設(shè)備推入機(jī)架時，插座直接與機(jī)架自帶的插頭完成對接，實(shí)現(xiàn)設(shè)備安裝完成即線纜連接完畢，極大的方便了地勤人員對設(shè)備的安裝維護(hù)。由于后矩形連接器必須配合機(jī)架完成裝配和拆卸，可以統(tǒng)一定制機(jī)架，實(shí)現(xiàn)多設(shè)備的集成安裝，方便線纜、通風(fēng)等管線定制排布。而且后矩形連接器一般由多個矩形腔體組成，這也決定了連接器可以采用模塊化設(shè)計(jì)，不同的絕緣體部件、插針與殼體配合可以形成多種型號，實(shí)現(xiàn)低頻、電源、射頻、光纖信號的集成化傳輸，滿足不同用戶的使用要求。

與一般電連接器一致，后矩形連接器主要由殼體，絕緣體和接觸件組成，如圖1所示。殼體主要用于包裹和保護(hù)絕緣體和接觸件，實(shí)現(xiàn)連接器與設(shè)備間的安裝，連接器插頭與插座之間的插合。常采用鋁合金、不銹鋼等金屬材料，輔以鍍鉻、鍍鎳、陽極氧化、鈍化等表面處理工藝，即可以承受震動沖擊所帶來的機(jī)械損傷，又可以防止外界環(huán)境對產(chǎn)品的腐蝕傷害。絕緣體通常由塑料和橡膠等有機(jī)高分子材料組成，對插針和插孔實(shí)現(xiàn)定位支持的同時，保證了接觸件與殼體之間的絕緣性和耐壓性。接觸件是指連接器內(nèi)部的眾多插針和插孔。其多采用銅合金材料，經(jīng)過鍍鎳和噴金等工藝，具有良好的導(dǎo)電性能與耐環(huán)境能力，保證電信號的高速穩(wěn)定傳輸。此外，后矩形連接器還包含定位銷實(shí)現(xiàn)插頭插座之間的導(dǎo)向和防差錯功能，簧片防止對外產(chǎn)生電磁輻射和被外界電磁干擾。

圖1 后矩形連接器示意圖

2 安裝定位問題及分析

機(jī)載電子設(shè)備的快缷安裝一般都是通過前后兩個緊固機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。如常用的A/B/C型前鎖緊組件，后部根據(jù)情況配合圓柱銷/圓錐銷/彈簧銷等結(jié)構(gòu)形式[3]。但是，對于使用了后矩形連接器的產(chǎn)品來說，后部緊固形式就有了新問題。因?yàn)楹蟛扛鞣N定位銷的插合方向與后矩形連接器的插頭插座插合方向是一致的，且都具有垂直于插合方向平面內(nèi)的所有約束。這就造成了同一個產(chǎn)品后部出現(xiàn)三組相同的約束，兩個銷孔配合與一個腔體配合。極容易出現(xiàn)因加工裝配誤差而造成的過定位，導(dǎo)致產(chǎn)品難以順暢的插合到位。而且此類產(chǎn)品一般都有互換性要求，也就是任意設(shè)備適配所有機(jī)架，這就是說，即使進(jìn)行后期的配裝調(diào)整，也存在對于其它機(jī)架難以插合的可能。這就衍生出另一種后部緊固方法，以后矩形連接器殼體作為后部受力的重要部件(如圖2所示)，不再設(shè)計(jì)其它的銷孔配合，這就解決了后部約束過定位后難以裝配的問題，但是對連接器的殼體強(qiáng)度，使用環(huán)境的振動條件等提出了更高的要求。

以采用S6型后矩形連接器，前部使用B型前鎖緊器的某機(jī)載電子設(shè)備為例，在設(shè)備進(jìn)行三軸向各16 h的耐久振動后，連接器出現(xiàn)殼體斷裂問題。經(jīng)過分析，當(dāng)設(shè)備機(jī)箱與安裝架通過前鎖緊器彈簧施加拉力鎖緊后，連接器的插頭插座端面緊密貼合，并在振動過程中承受交變應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力值長時間超過材料疲勞極限時，發(fā)生法蘭部位的斷裂，如圖3所示。

后矩形連接器的設(shè)計(jì)指標(biāo)是參考ARINC600標(biāo)準(zhǔn)[4]，耐久振動條件按照15～200 Hz隨機(jī)振動，最大功率譜密度0.201 g2/Hz，三軸向各2.5 h的條件完成考核。而應(yīng)用環(huán)境根據(jù)飛機(jī)類型和安裝位置的不同，考核設(shè)備的試驗(yàn)量值千差萬別。如本設(shè)備應(yīng)用于螺槳式飛機(jī)的高量值艙區(qū)，振動譜值包含多個窄帶尖峰，如圖4所示激勵曲線，相比于ARINC600標(biāo)準(zhǔn)更為惡劣。特別是設(shè)備安裝架對振動的傳遞容易在峰值處產(chǎn)生放大，會導(dǎo)致連接器受力變得更加不可控，如圖4所示響應(yīng)曲線。

圖2 無銷/孔配合的后緊固示意 圖3 連接器法蘭斷裂圖

圖4 加固前連接器響應(yīng)曲線

3 加固措施與驗(yàn)證

經(jīng)過上述分析，引起連接器斷裂的原因有2個，分別是連接器法蘭受到的疲勞應(yīng)力過大和安裝架傳遞的振動放大較大。針對這兩個問題，提出兩種改進(jìn)方案，調(diào)整安裝架剛度和減小連接器受力。

一般產(chǎn)品安裝架是由銑削的鋁合金底座、安裝板結(jié)合鈑金彎折的導(dǎo)向件組成。從試驗(yàn)測試圖譜可以看出，共振放大出現(xiàn)在頻譜第三個峰值處，若想減小振動放大，需提高安裝架的剛度，將一階固有頻率提高，錯開頻譜的峰值頻率，避免高能量區(qū)域的量值放大。因此，優(yōu)化安裝架采用銑削加工，螺釘拼接的形式，并增加受力部位的加強(qiáng)筋。

為了減小連接器的受力，可以使用在連接器兩側(cè)增加限位約束的方法，如圖5所示。

圖5 限位墊塊示意

在連接器插頭、插座完全插合到位前，使限位墊塊作用于兩個面板之間，提高了裝配后系統(tǒng)的整體剛性，減小了插頭與插座之間的扭轉(zhuǎn)力矩，同時不會造成垂直于插合面內(nèi)的過定位問題。

對實(shí)施了上述措施的產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)備進(jìn)行三軸向各16 h的耐久振動后，連接器無損壞，能夠滿足試驗(yàn)要求。加固后的振動響應(yīng)測試曲線如圖6所示，可以看出加固措施有效的改善了連接器區(qū)域的振動情況，峰值處未出現(xiàn)共振放大，且高頻波動較小，具體的量值對比如表1所列。

圖6 加固后連接器響應(yīng)曲線

表1 隨機(jī)振動響應(yīng)曲線對比

4 結(jié)論與展望

為了保證機(jī)載電子設(shè)備上后矩形連接器的順暢拔插及互換性要求，采用無銷/孔配合的后緊固連接方式，并通過優(yōu)化安裝架剛度避免振動量值放大，增加限位墊塊減小連接器受力兩個措施，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備上后矩形連接器的加固應(yīng)用。從連接器附近的振動測試響應(yīng)和耐久振動試驗(yàn)可以看出，加固措施效果顯著，能夠有效提高產(chǎn)品在大量值、長時間使用條件下的可靠性。

當(dāng)然，實(shí)例僅從應(yīng)用的角度實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)電連接器的加固，而更加根本的改進(jìn)是國內(nèi)廠商能夠研發(fā)出適用復(fù)雜環(huán)境條件的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。當(dāng)前的電連接器領(lǐng)域依然主要靠借鑒國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品，國內(nèi)的研究數(shù)據(jù)和應(yīng)用積累仍然相對較少，且大多停留在單一影響因素的條件下。相信隨著我國各類電子設(shè)備的發(fā)展壯大，電連接器相關(guān)的微動摩擦、失效模式、可靠性試驗(yàn)、性能退化等方面研究會不斷深入[5-7]，充分發(fā)揮國內(nèi)自主創(chuàng)新能力的電連接器產(chǎn)品必將取得更優(yōu)秀的成果。