電連接器接插件的優化設計與分析

□ 俞坷薇 □ 李國平 □ 周 青 □ 葛永法 □ 丁志勇

1.寧波大學 機械工程與力學學院 浙江寧波 3152112.浙江永貴電器股份有限公司 浙江臺州 317200

1 研究背景

我國生活水平不斷提高,交通運輸行業也在不斷進步。電連接器在軌道交通行業中起不可或缺的作用,廣泛應用于各車廂之間,是元件和元件、設備和設備、系統和系統之間進行電流傳輸的主要配件[1]。

目前,電連接器的可靠性是連接器行業最重要的研究課題之一。數據表明,由于元器件失效而引起系統失效在系統失效總數中約占70%,其中40%與電連接器的失效相關,電連接器已被列為公認的可靠性較差的元器件之一[2]。在電連接器失效研究方面,Zhou Yilin等[3]對某家用低壓電連接器的失效進行了一系列分析,認為電連接器失效的主要原因是微動磨損和污染;駱國平等[4]對不同城市項目使用的螺旋型電連接器進行失效分析,認為內部結構及材料對電連接器的可靠性而言尤為重要;Angadi等[5]對電連接器電流和接觸區域進行熱分析,為電連接器的失效分析提供了數據支撐。許成彬等[6]對高溫電連接器進行溫度場模擬分析,并對電連接器在不同溫度下的插拔力進行試驗分析,計算得到電連接器的接觸可靠度。

電連接器在行駛的車內或振動頻繁的狀態下工作時,壓接部位的接觸性能與電連接器電傳導效率有直接聯系[7]。在長時間使用后,壓接部位有松脫風險,影響電傳導質量,甚至會導致供電系統癱瘓,這將對整個系統的穩定運行產生影響[8-10]。特別是電連接器中電纜線采用軸向螺旋壓接方式,長時間振動沖擊后電纜線與接插件壓接部位就會出現松脫現象。現有文獻中,對電連接器接插件工作時穩態溫度場的研究較多,對電纜線與插接件壓接處進行失效分析的則較小。筆者對電連接器接插件進行優化設計,改變接插件結構,使用六方帶點壓接代替軸向螺旋壓接,以達到高可靠性。同時對各尺寸電連接器進行有限元分析,并進行拉脫試驗,得到拉脫力時間變化曲線,驗證拉脫力滿足法標NF F00-363-1995要求。

2 軸向螺旋壓接分析

軸向螺旋壓接利用螺栓在接插件空腔內將導線壓緊,是一種簡單的壓接件結構。如圖1所示,軸向螺旋壓接主要包括垂直連接的接插本體和接頭,接插本體尾部與接頭通過螺紋配合連接。接頭空腔內部攻有螺紋,壓接螺栓通過空腔內螺紋連接。與電纜壓接時,剝去外皮的電纜插入接頭,在壓接螺栓的作用下電纜線沿中心位置向四周擴展,最終壓接在有錐度的接頭內壁上[11]。

3 優化設計

對軸向螺旋壓接進行優化設計,得到六方帶點壓接。六方帶點壓接如圖2所示,主要包括插本體、彈性簧片、接頭。接頭與插本體通過彈性簧片相連,彈性簧片具有良好的延展性,起減振與電傳遞作用。六方帶點壓接中,有兩處位置與接插件的電傳遞性能直接相關。一處是電纜線壓接處,即接頭尾部。一處是另一壓接處,即插本體頭部。考慮將接插件優化為與電纜線永久壓接形式,壓接端孔徑需大于電纜線線徑。為符合壓接要求,壓接端還需留出適當距離。采用六方帶點壓接,由接頭直接插入裝有彈性簧片的插本體內,接頭與插本體之間不需要使用螺紋連接。當然,優化設計后勢必會對壓接強度產生一定影響。

4 拉脫力理論分析

電纜線由若干根芯線與外絕緣層組合而成,芯線與芯線之間排列規則,并且有自然間隙。規則排列的芯線受到徑向力時,內部排列必將受到破壞而產生各種形態。當徑向力增大到一定程度時,接插件內壁與芯線之間在機械力的作用下產生表面連接,進而達到有效壓接。

4.1 軸向螺旋壓接

拉脫力應符合法標NF F00-363-1995 第10.3條表8的要求,35 mm2、50 mm2、70 mm2電連接器的最小拉脫力要求見表1。

表1 電連接器最小拉脫力要求

創建三維模型之后,導入ABAQUS有限元分析軟件,設定材料的屬性。銅的密度為8.96×10-9t/mm3,楊氏模量為1.1×105MPa,泊松比為0.3。鋼的密度為7.8×10-9t/mm3,楊氏模量2×105 MPa,泊松比為0.3。

對三種尺寸電連接器的拉脫力進行仿真計算,結果見表2。軸向螺旋壓接應力云圖如圖3所示。

表2 軸向螺旋壓接拉脫力仿真結果

4.2 六方帶點壓接

創建三維模型之后,導入ABAQUS有限元分析軟件。材料只需要銅,設置銅的屬性,密度為8.96×10-9t/mm3,楊氏模量為1.1×105MPa,泊松比為0.3。

對三種尺寸電連接器的拉脫力進行仿真計算,結果見表3。六方帶點壓接應力云圖如圖4所示。

表3 六方帶點壓接拉脫力仿真結果

4.3 對比

將軸向螺旋壓接、六方帶點壓接對應的電連接器拉脫力和法標NF F00-363-1995規定的最小拉脫力與電連接器尺寸的關系繪制為曲線,如圖5所示。由圖5可以明顯看出,軸向螺旋壓接、六方帶點壓接對應的拉脫力都滿足標準要求,而且六方帶點壓接對應的拉脫力大于軸向螺旋壓接對應的拉脫力。

5 試驗

接插件與電纜線壓接后進行拉脫力試驗,實質為測試壓接后的結構抗力是否可與外界綜合效應抵抗,即測試拉脫力極限狀態。對于不同結構抗力和綜合作用效應下的極限狀態可靠性,可以用結構功能函數Z來描述[12]:

Z=g(R,S)=R-S

(1)

式中:R為結構抗力;S為綜合作用效應。

結構功能函數中的結構抗力與綜合作用效應可以分解為若干變量,此時極限狀態函數的表達式為:

Z=g(x1,x2,...,xn)+kg(Δx1,Δx2,...,Δxn)

(2)

式中:x1,x2,...,xn為基本變量,表示接插件所受到的各種方向的應力;Δx1,Δ2,...,Δxn為單位時間內各種應力的變化幅度;k為待定參數。

當Z大于0時,接插件可靠。當Z等于0時,接插件處于極限狀態。當Z小于0時,接插件為失效狀態。因此,由式(2)可知基本變量與單位時間內各種應力的變化幅度共同決定了接插件的極限水平。

試驗材料為已進行六方帶點壓接的35 mm2、50 mm2、75 mm2電連接器接插件,壓接之后的狀態如圖6所示。

試驗裝置如圖7所示,由兩部分組成,一部分為控制系統,另一部分為伺服萬能材料試驗機。伺服萬能材料試驗機由夾持裝置與力傳感器組成。試樣安裝好后啟動控制系統,由力傳感器導出數值至控制系統。

按照GB/T 5095.8—1997《電子設備用機電元件 基本試驗規程及測量方法 第8部分:連接器、接觸件及引出端的機械試驗》的相關規定進行拉脫力試驗,在伺服萬能材料試驗機上的夾具中夾緊試樣尾部,施加張力,伺服萬能材料試驗機頭部以30 mm/min的速度平穩向上移動拉伸。試驗中任意一端電連接器接插件拉脫時所顯示的力即為拉脫力。

試驗中三種尺寸電連接器接插件力變化曲線如圖8所示,拉脫力試驗結果與仿真結果對比見表4。

表4 拉脫力對比

試驗結果與仿真結果存在誤差屬于正常現象,誤差的產生與拉脫時電纜線的狀態有很大關系,并且壓接后再進行拉脫力試驗,結果也會有所不同。電纜線的壓接和拉出是一個復雜的物理過程,從壓入開始,電纜線就會發生各種狀態的扭曲變形,在不斷壓緊的過程中,狀態不斷變化,部分銅絲還會發生斷裂。

同樣方法對軸向螺旋壓接后的電連接器接插件進行拉脫力試驗,得到試驗結果。將仿真和試驗得到的兩種接插件結構的電連接器拉脫力和法標NF F00-363-1995規定的最小拉脫力與電連接器尺寸的關系繪制為曲線,如圖9所示。

仿真中,六方帶點壓接對應的拉脫力稍大于軸向螺旋壓接對應的拉脫力,這是由于進行六方帶點壓接時,不僅六面受力均勻,而且有加強電纜線在接插件內部緊固的作用。在試驗中,六方帶點壓接對應的拉脫力遠遠大于軸向螺旋壓接對應的拉脫力,這是由實際操作過程所決定的。在軸向螺栓壓接時,螺栓頭部會對電纜線產生一個向前的作用力,導致電纜線滑動,無法保證接插件內腔中壓接了足夠多的電纜線,拉脫力較小。

由以上分析可見,六方帶點壓接的可靠度高于軸向螺旋壓接。采用六方帶點壓接代替軸向螺旋壓接,不僅可以提高電連接器的可靠度,而且可以降低列車更換接插件的頻次,節約成本。

6 結束語

筆者從壓接方式轉變導致拉脫力變化的原理出發,對電連接器接插件進行優化設計,將軸向螺旋壓接改為六方帶點壓接。分析結果表明,六方帶點壓接對應的拉脫力遠遠大于軸向螺栓壓接對應的拉脫力,可以提高電纜線與接插件的壓接強度,有效提高電連接器的可靠性。法標NF F00-363-1995規定35 mm2、50 mm2、70 mm2電連接器最小拉脫力依次為2 800 N、3 300 N、3 900 N,同尺寸六方帶點壓接對應的拉脫力依次達到3 502 N、4 510 N、6 014 N,滿足標準要求。采用六方帶點壓接,能夠降低電連接器在工作過程中的失效概率,具有實用價值。