基于多種連接器集成的自動對接組合連接系統(tǒng)研究

陳浪濤，劉 立，吳 賽，何印武，孫啟帆

（杭州航天電子技術(shù)有限公司，杭州 310015）

0 引言

隨著連接器在航天、核電等行業(yè)的應(yīng)用不斷推廣，相關(guān)的大型設(shè)備多為多功能集成，其內(nèi)部涉及多種信號、氣體動力及冷卻氣的傳遞，需要多種類型的連接器來實現(xiàn)其信號的傳遞，而多連接器的單獨連接對自動化設(shè)備的要求高，依次安裝對接的時間成本高，對接不暢也會導(dǎo)致故障，造成經(jīng)濟損失。目前，在連接器領(lǐng)域中，單連接器人工插拔在安全性與效率上已無法滿足使用工況的要求[1-3]，尤其涉及高壓流體、大電流連接的設(shè)備，人工操作即使做好防護措施，仍存在一定風險[4]。鑒于當前日益強烈的需求，設(shè)計開發(fā)一種集成多品種多介質(zhì)連接器并可實現(xiàn)高精度同步自動對接的組合連接系統(tǒng)顯得尤為重要，該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于涉及無人環(huán)境以及自動化程度要求高的場景。

我國是全球最大的連接器消費市場和生產(chǎn)基地，隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的不斷推進，對連接器的需求也日趨旺盛，但旺盛需求的背后是國產(chǎn)連接器產(chǎn)品以中低端為主，高端產(chǎn)品占有率相對較少的現(xiàn)狀[5]。組合連接器屬于高端產(chǎn)品，該類產(chǎn)品主要依賴進口，貨期、售后、技術(shù)狀態(tài)完全不可控，是制約連接器行業(yè)發(fā)展的“卡脖子”難題之一。

針對電連接器的不足，本文基于連接器集成技術(shù)提出組合連接系統(tǒng)的概念，并從組合連接系統(tǒng)的意義與設(shè)計出發(fā)，簡述產(chǎn)品的優(yōu)點、功能、原理及關(guān)鍵技術(shù)，并提出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件、電連接器、流體連接器的設(shè)計方法；提供一種新型連接器集成方案，并搭建了具體產(chǎn)品，為連接器集成自動對接的發(fā)展方向提供思路與參考。

1 組合連接系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)優(yōu)點

多通道組合連接系統(tǒng)技術(shù)是集成各連接器模塊并實現(xiàn)同步高精度對接的技術(shù)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊，一個動作便可完成所有回路連接與分離，有助于提高設(shè)備自動化程度，優(yōu)化工作空間，降低設(shè)備成本，具有調(diào)節(jié)性、安全性、擴展性好的優(yōu)點。產(chǎn)品的特點使其在自動化設(shè)備配套中具有良好的推廣性，尤其是在無人環(huán)境頗具應(yīng)用前景。

1.2 系統(tǒng)原理

采用模塊化設(shè)計思想在組合安裝板上集成大電流信號、電信號、數(shù)據(jù)信號、熱電偶、同軸信號、流體介質(zhì)、氣體介質(zhì)，通過設(shè)計同一插合行程實現(xiàn)同步連接。產(chǎn)品的連接方式為直插直拔，詳細工作原理如下：

（1）定板固定于設(shè)備之上，動板固定在電機上；

（2）電連接器與流體連接器插合行程保持一致，通過調(diào)整安裝板高低差實現(xiàn)；

（3）由電機推動動板與定板對接，導(dǎo)柱先導(dǎo)向定位，各路連接器后接觸，若發(fā)生位置偏差，大小導(dǎo)柱立刻實現(xiàn)糾正，動板上游動組件可確保其游動至精準對中，隨后電機繼續(xù)推動動板，根據(jù)限位開關(guān)反饋判斷到位狀態(tài)后電機停止推動，最終產(chǎn)品實現(xiàn)插合鎖緊，各路保持暢通；

（4）產(chǎn)品分離時，電機施加反向力，各路連接器均為直插直拔設(shè)計，電機施加反向大于產(chǎn)品分離力后，產(chǎn)品實現(xiàn)分離復(fù)位。

1.3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

（1）多通道集成同步連接：采用模塊化設(shè)計思想設(shè)計連接器模塊，在組合安裝板（或框架）上集成大電流信號、電信號、數(shù)據(jù)信號、熱電偶、同軸信號、流體介質(zhì)、氣體介質(zhì)等模塊，并通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、同一插合行程設(shè)計，實現(xiàn)低插拔力同步連接。

（2）插合密封高可靠性技術(shù)：根據(jù)影響密封性能的配合尺寸的容差、壓降參數(shù)漂移、力學(xué)環(huán)境和溫度環(huán)境等因素，通過梳理產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)參數(shù)、性能參數(shù)、載荷特性與其可靠性指標之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，建立產(chǎn)品可靠性設(shè)計的數(shù)學(xué)模型，通過優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù)實現(xiàn)插拔過程無滴漏的使用要求。

（3）大范圍浮動對接技術(shù)：通過設(shè)計動板浮動機構(gòu)，柔性安裝、連接器自浮動結(jié)構(gòu)、排布力矩平衡、導(dǎo)向公差帶包絡(luò)補償?shù)燃夹g(shù)途徑實現(xiàn)多連接器大范圍同步對接。

（4）自動對接技術(shù)：通過設(shè)計伺服系統(tǒng)、到位反饋、傳動結(jié)構(gòu)、齒輪副配比等實現(xiàn)產(chǎn)品位姿調(diào)整與高精度對接。

（5）長壽命技術(shù)：提高導(dǎo)柱導(dǎo)套硬度，減少對接磨損；降低關(guān)鍵配合部位粗糙度為R0.8，減少對接摩擦；采用冠簧、圈簧等形式接觸件實現(xiàn)降低電連接對接損傷。

（6）自鎖緊技術(shù)：通過設(shè)計傳感器-液壓鎖緊機構(gòu)，可實現(xiàn)到位自動鎖緊，最大鎖緊力可達294 kN（約30噸物體重力）。

（7）自動對接技術(shù)：通過設(shè)計伺服系統(tǒng)、到位反饋、傳動結(jié)構(gòu)、齒輪副配比等實現(xiàn)產(chǎn)品角度、位置調(diào)整與高精度對接。

1.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

某項目組合板是為實現(xiàn)核環(huán)境下電信號以及液冷介質(zhì)的傳輸與分離而研發(fā)的組合連接系統(tǒng)，產(chǎn)品通過電機驅(qū)動，實現(xiàn)自動插拔功能，同時還具有浮動對接功能。產(chǎn)品包括定板、動板、電連接器、流體連接器、傳感器、導(dǎo)柱導(dǎo)套以及浮動組件等部件，具體為3 組水電組合結(jié)構(gòu)，即兩水組合板、兩水三電組合板、四水五電組合板，具體三維圖如圖1～2所示。

圖1 四水五電組合板

圖2 兩水及兩水三電組合板

2 重要結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 浮動結(jié)構(gòu)

在動板設(shè)計中，引入浮動機構(gòu)以保證插合過程中在X、Y、Z方向上分別有±3、±3、±1 mm 的浮動量，以及在角度上有±0.5°的浮動量。浮動機構(gòu)主要由4 組碟簧螺桿、碟簧、螺母組成。通過碟簧螺桿和動板安裝孔之間的6.2 mm 間隙和碟簧的一個中心復(fù)位的彈力，可以在插合的過程中，對可能出現(xiàn)的±3 mm 內(nèi)對位偏差進行彌補，以避免連接器插合損傷。動板的浮動機構(gòu)如圖3所示。

圖3 動板的浮動機構(gòu)主要構(gòu)成

2.2 導(dǎo)向柱導(dǎo)向套

以KHJG4-02、03 的一對小導(dǎo)柱導(dǎo)套為例：為實現(xiàn)動板和定板的對接，產(chǎn)品設(shè)計有二級導(dǎo)向柱和導(dǎo)向套結(jié)構(gòu)。其具體原理：在漸進插合的過程中，有一個初始定位（允許最大偏差為6.1 mm）和一個精定位（間隙偏差在0.1 mm 以內(nèi)）。二級導(dǎo)向柱分為兩段，第一段直徑?17.9 mm、長39 mm，第二段直徑?23.9 mm、長31 mm。二級導(dǎo)向套同樣分為兩段，第一段直徑?24 mm、長31 mm，第二段直徑?18mm、長20mm。二級導(dǎo)柱導(dǎo)套主要參數(shù)如圖4所示，大導(dǎo)柱導(dǎo)套如圖5所示。

圖4 二級導(dǎo)柱導(dǎo)套主要參數(shù)

圖5 大導(dǎo)柱、大導(dǎo)套

2.3 電連接器總體設(shè)計

電連接器作為電連接的基礎(chǔ)元件，廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)設(shè)備、通信等重要領(lǐng)域[6-7]。電連接器由插頭座殼體、絕緣體、插針、插孔、插頭座殼體電纜罩等部分組成，主要分為殼體、絕緣體和接觸體3 個部分[8-9]。上述幾個部分，針、孔接觸件起著傳導(dǎo)電信號的作用，由導(dǎo)電性能優(yōu)良的銅合金制造，絕緣體組件一方面對內(nèi)部各接觸件實現(xiàn)正確的定位和支撐，另一方面保證內(nèi)部各通路之間以及各通路與外殼之間的電氣絕緣[10]。金屬外殼組件式電連接器的整個骨架，是電連接器實現(xiàn)正確連接、鎖緊、分離的載體，同時也起到對內(nèi)部各組件的行程保護。

依據(jù)GJB 101A《耐環(huán)境快速分離小圓形電連接器總規(guī)范》，分別對接觸件、殼體、型譜進行設(shè)計以及材料選擇判定，再進行接觸長度、安裝等尺寸鏈計算；電性能、絕緣性能、力學(xué)性能、可靠性等復(fù)核復(fù)算，同時優(yōu)化薄弱環(huán)節(jié)；產(chǎn)品絕緣體與接觸件配合采用過盈、固定爪等安裝方式，插孔采用冠簧孔，絕緣體與殼體安裝通過筋槽定位。再根據(jù)Q/Ag0.005 設(shè)計公差，最終保證產(chǎn)品能滿足技術(shù)指標要求。組合板用電連接器外形如圖6所示。

圖6 組合板用電連接器

所設(shè)計的項目產(chǎn)品接觸件具體設(shè)計方案如表1所示。

從電連接器失效模式出發(fā)進行細節(jié)設(shè)計可提升電連接器可靠性。電連接器在動態(tài)環(huán)境失效的主要原因：（1）接觸件之間的位置度相差較大，插頭與插座插合后，插針與插孔之間受力不均勻；（2）插針與插孔接觸部位表面粗糙，在動態(tài)環(huán)境中，接觸件之間的磨損加劇；（3）插孔中冠簧在動態(tài)環(huán)境時出現(xiàn)回彈，使插孔與插針之間接觸處出現(xiàn)失效。接觸件表面鍍金層磨損后，銅合金在2～3 s 內(nèi)就會出現(xiàn)氧化，使接觸對之間的接觸電阻明顯增大，出現(xiàn)失效。

針對上述原因，采用3 個方案進行設(shè)計：（1）根據(jù)航天標準對接觸件與絕緣體的配合尺寸進行設(shè)計，對絕緣體的尺寸定位、尺寸公差按模具壓制成型的最高要求進行控制，插孔卷邊后竄動量控制在0.1 mm 以內(nèi)；（2）提高接觸件的表面粗糙度Ra至0.8，增加鍍金層厚度為1.27 μm，提高鍍金層硬度，以減小動態(tài)環(huán)境中接觸件之間的磨損；（3）更改接觸件基體材料為鈹青銅，減小插孔簧片的回彈，提高插拔壽命。鈹青銅是一種典型的沉淀析出強化型高導(dǎo)電高彈性銅合金[11-12]，使用其作為電連接器的彈性材料可保證連接器的插拔力和保持力穩(wěn)定[13-14]。接觸件實物如圖7所示。

圖7 接觸件實物

2.4 流體連接器總體設(shè)計

流體連接器又稱為液壓快換接頭，是一種能實現(xiàn)管路流體連通或斷開的連接器，與電連接器相似，但其內(nèi)部傳輸介質(zhì)為流體[15-17]。流體連接器由插頭和插座兩部分組成，插頭和插座各相當于一個單向閥，未插入時，單向閥關(guān)閉，插頭和插座處于自密封狀態(tài)，管路中的液體無法流出；插頭推入插座時，彈簧被壓縮，插頭和插座的閥芯被推開，管路連通，流體便可在管路內(nèi)流通[17-18]。

流體連接器主要用于流體介質(zhì)的快速通斷，應(yīng)用于組合板的流體連接器設(shè)計方案為：

（1）對流體連接器的原理、類型、結(jié)構(gòu)特點、性能指標進行研究并進行攻關(guān)；

（2）流體連接器動密封根據(jù)GB/T 3452 設(shè)計O 形圈與溝槽即可滿足密封要求；

（3）根據(jù)產(chǎn)品的通徑、尾部連接方式等依次確定流道截面、外形及安裝尺寸，通過強度計算確定零件的壁厚，在保證強度的前提下，確認各零件的結(jié)構(gòu)及尺寸，通過計算及模擬仿真確認產(chǎn)品的彈簧力、流阻等性能指標；

（4）確認相關(guān)的試驗方法，根據(jù)相關(guān)的試驗規(guī)定對樣品進行試驗摸底及相關(guān)的結(jié)構(gòu)改進，確保產(chǎn)品的性能指標能滿足用戶的技術(shù)要求。

流體連接器插頭由插頭殼體、尾套、閥芯、O 形圈、彈簧、墊片和卡圈等組成，殼體和尾套通過螺紋實現(xiàn)緊固。流體連接器插頭結(jié)構(gòu)如圖8 所示，通過閥芯在彈簧作用下與殼體的配合與運動實現(xiàn)流道的通止。尾部接口尺寸根據(jù)用戶要求選用英制管螺紋（55°）G3/4”,維護便捷，易于安裝。

圖8 流體連接器插頭結(jié)構(gòu)示意

閥芯結(jié)構(gòu)如圖9 所示。閥芯作為插頭的啟閉件，在插頭封閉時，通過槽內(nèi)的O 形圈阻止內(nèi)部液體流出，并起到輔助密封的作用；在流道開啟時，實現(xiàn)對液體的充分導(dǎo)流并盡量減少截面結(jié)構(gòu)突變所造成的壓力損失，因此設(shè)計時在閥芯上開有4個與垂直方向成15°分布、直徑為7.5 mm 的導(dǎo)流孔，閥芯尾部帶有導(dǎo)向段，有助于彈簧端部的安裝定位，閥芯材料選用沉淀硬化不銹鋼，其具有良好的力學(xué)強度及抗腐蝕能力，熱處理后硬度范圍為HRC40～45，可提高產(chǎn)品的耐磨性，提升產(chǎn)品的壽命，具備良好的工藝性[19-20]。

圖9 閥芯結(jié)構(gòu)示意

流體連接器插座結(jié)構(gòu)如圖10 所示。流體連接器插座由插座殼體、尾套、閥瓣、閥桿、彈簧和O形圈等組成，殼體和尾套通過螺紋實現(xiàn)緊固，閥桿通過卡圈安裝于插座殼體中，彈簧支撐閥瓣裝于插座需要插合的一端，閥桿和插座殼體O 形圈槽內(nèi)的O 形圈實現(xiàn)封閉狀態(tài)下阻止內(nèi)部液體流出的作用，接口尺寸根據(jù)用戶要求選用英制管螺紋（55°）G3/4”。

圖10 流體連接器插座結(jié)構(gòu)示意

閥桿的作用是實現(xiàn)插頭流道的開啟，其結(jié)構(gòu)如圖11所示。閥桿尾部的圓柱段用于插合過程中對于閥瓣的導(dǎo)向，可以有效避免出現(xiàn)斜插的情況；其上開有4 個與垂直方向成15°分布、直徑為7.5 mm 的導(dǎo)流孔，可以讓液體快速、充分流通；在尾部孔的位置做了倒角，可以減小流阻，材料選擇沉淀硬化不銹鋼。

如圖12 所示，當插頭向插座移動時，插頭殼體頭部逐漸將插座上的閥瓣推離密封界面，同時插頭上的閥芯也在閥桿的作用下離開密封界面，這樣通過插合過程中閥瓣與閥芯的開啟，在內(nèi)部就形成了供液體流動的通路。

圖12 插合狀態(tài)液體流通示意

從流體連接器互換失效模式出發(fā)進行細節(jié)設(shè)計提升流體連接器可靠性。在具備與用戶指定產(chǎn)品互換條件后，流體連接器在動態(tài)環(huán)境失效的主要原因：（1）O 形圈因過度擠壓、銳邊割傷或者溝槽磨損破損導(dǎo)致漏水；（2）閥芯端面不平整或閥芯、閥桿端面凸出使得蓄水過多導(dǎo)致拔出過程滴水。針對上述原因，采用2 個方案進行設(shè)計：（1）根據(jù)GB/T 3452—2005《液壓氣動用O形橡膠密封圈進行溝槽設(shè)計》并嚴格控制加工精度，增加磁力拋光工藝提升表面粗糙度，再對O形圈零件進行100%檢測；（2）設(shè)計閥桿低于閥瓣端面，并設(shè)為關(guān)鍵尺寸控制，使得蓄水滴出現(xiàn)在閥桿、閥芯端面而非閥瓣處，在每次插拔后重回流道，不形成滴漏，最后對閥桿、閥芯端面粗糙度進行控制，防止車刀痕蓄水。

3 測試驗證與結(jié)果分析

為驗證產(chǎn)品可靠性，主要根據(jù)連接器國標要求的測試類目制備專用試驗設(shè)備，可在線監(jiān)控互換性、浮動指標、力學(xué)性能、流體連接器壓力、電連接器通斷、阻值、流體連接器泄漏情況，產(chǎn)品插拔力、壽命、到位情況等。制備的水電組合板考核專用試驗機如圖13所示。

對組合連接系統(tǒng)進行10 萬次加壓摸底試驗，試驗中對產(chǎn)品及連接器的各關(guān)鍵指標分別按詳細規(guī)范與連接器國標的要求進行測試，結(jié)果如下：

（1）產(chǎn)品最大推力約為350 N，組合板未發(fā)生變形；

（2）產(chǎn)品最大浮動量大于設(shè)計要求的指標；

（3）電連接器殼體表面出現(xiàn)輕微磨損現(xiàn)象，插拔正常；

（4）電信號仍保持導(dǎo)通，阻值變化在1 mΩ以內(nèi)；

（5）耐電壓大于1 000 V、絕緣電阻大于1 000 MΩ；

（6）流體連接器插頭插合面表面出現(xiàn)輕微磨損現(xiàn)象，插拔正常，最大拔出泄漏量為0.001 8 mL/次，插合時泄漏量為0；

（7）O形圈無裂紋、破裂，彈簧力無明顯變化；

（8）達到要求壽命后接入使用低壓測試臺進行30 s低壓（0.2 MPa 氣壓）測試，產(chǎn)品無氣泡；使用脈沖爆破試驗臺進行60 s 高壓（10 MPa 水壓）試驗，連接器無泄漏，密封性能無變化；

綜上，本文研究的組合連接系統(tǒng)經(jīng)試驗驗證，在10萬次壽命的要求下，性能依舊滿足連接器國標要求，產(chǎn)品可靠性高。

4 結(jié)束語

連接器的發(fā)展需要緊跟時代的潮流，隨著自動化大網(wǎng)的不斷鋪開，連接器集成度、智能化越來越高，連接器行業(yè)面臨著新的機遇與挑戰(zhàn)。本文對新型的連接器組合連接系統(tǒng)功能、優(yōu)點、原理進行了介紹，對其主要的結(jié)構(gòu)組部件設(shè)計進行了闡述，可在連接器領(lǐng)域廣泛推廣。該類產(chǎn)品在縮小體積的同時，附上了更多的功能部件并保持了高可靠性，解決了集成對接的技術(shù)路徑，且通過試驗驗證了產(chǎn)品性能。組合連接系統(tǒng)的發(fā)展從某種程度上預(yù)示了連接器未來的發(fā)展方向，尤其對于軍用、核用連接器這一類特殊連接器。該類產(chǎn)品的設(shè)計對連接器集成對接具有積極的實用價值和參考意義。