某型連接器導電連接失效原因及改進效果分析

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(安徽博微長安電子有限公司，安徽六安，237000)

1 引 言

如今，各類雷達在作戰中的重要性越來越高，這就要求雷達設備除了在性能上要達到設計要求外,還必須對設備本身的可靠性和安全性進行相應的考慮。可靠性指標是衡量雷達產品質量的重要指標之一。數據統計，電連接設備中發生故障的，因為電連接器引起的占47%，戶外用連接器又占其中的大多數[1]。

某型雷達天線單元采用漸變槽線形式，連接器結構上由內、外導體、絕緣支撐等構成，局部位置結構形式如圖1所示：

連接器與天線的電導通是通過M2.5和M1.6兩個螺紋連接實現的，螺紋材質為鈹青銅。螺紋如果需要保持長時間的導電接觸，螺紋間的公差配合必須恰當，過松必然導致松動或接觸不良，過緊則增加旋緊的難度，純粹的機械咬合接觸，一旦手工旋不緊或者螺紋間隙配合不緊密，就可能導致松動或接觸不良。

圖1 連接器與饋電塊連接示意圖

圖2 插孔示意圖

圖3 內導體示意圖

2 螺紋配合分析

2.1 螺紋中徑理論差值計算

查閱《現代機械設計手冊》知道，M2.5、M1.6螺紋所對應的中徑公差范圍如表1所示：

表1 配合公差值 (單位mm)

根據表格數據，計算如下：

M1.6螺紋中徑最大差值=0.085-(-0.093)=0.178mm

M2.5螺紋中徑最大差值=0.095-(-0.121)=0.216mm

以上計算可以看出，以M1.6螺紋為例，中徑最大差值達0.178mm，完全有可能因間隙過大出現電接觸不良的情況。

2.2 螺紋擰緊力分析

為了增強螺紋連接的剛性、緊密性、防松能力和防止受橫向載荷螺栓連接的滑動，螺紋連接在裝配時都必須擰緊，使連接在承受工作載荷之前，預先受到力的作用。通常規定，擰緊后螺紋連接件的預緊力不得超過其材料屈服極σs的80%，一般連接用的螺栓連接的預緊力：

F0≤(0.6～0.7)σsA1，其中σs為螺栓材料的屈服極限；A1為螺栓危險截面的面積[2]。

在實際生產中，控制預緊力一般是利用控制擰緊力矩來實現的。擰緊力矩T與預緊力F0之間存在以下關系：T=KF0d，式中K為轉矩系數，一般取值為0.2，F0為預緊力，d為螺紋大徑，鈹青銅的屈服極限為1035MPa，因此以M1.6螺紋為例，其預緊力：

F0=0.6×1035×3.14×1.6×1.6/4=1248N，

所以，擰緊力矩T=0.2×1248×1.6=400N·mm

由于連接器結構及零件材料限制，兩處螺紋裝配均無法使用扳手，只能采用手動擰緊。通過以上計算知道，M1.6螺紋的擰緊力矩為400N·mm。因此普通人手與工件之間的摩擦力很難實現螺紋的擰緊，所以理論上該連接方式很難實現螺紋預緊，在長期戶外使用過程中，由于振動、沖擊、熱脹冷縮等環境因素，便可能導致螺紋松動接觸不良。

綜上可知，此連接器螺紋連接方式如不采取合理的防松加固，很難保證產品長期可靠使用，急需采取加固措施解決以上問題。

3 帶導電膠裝配力學分析

3.1 防松方法選擇

防松的根本問題在于防止螺旋副在載荷作用下發生相對轉動。防松的方法，按其工作原理可分為摩擦防松、機械防松以及破壞螺紋運動副關系防松等。常用的防松辦法有：加彈簧墊圈、雙螺母、扣緊螺母、涂膠黏劑等方法。因結構限制，本連接器采用彈簧墊圈、雙螺母等顯然不合適，鉚接及沖點等破壞螺紋運動副關系放松也不好實施，因此在螺紋上涂膠黏劑是最佳解決方案。本次膠黏劑加固不僅需要起到防松的目的，還必須兼顧導電性，且膠黏劑必須能在室溫下固化。經篩選認為584-29環氧雙組分導電膠最為合適，性能參數如下：最小剪切強度σ為8.28MPa，最大體電阻率為0.002Ω·CM。

3.2 帶導電膠裝配防松力計算

螺紋的圓柱螺旋線如圖4, 5所示：

以直徑1.6mm螺紋計算，每牙接觸面積S1≈每牙螺旋長度K*螺牙寬度L

圖4 螺紋圓柱螺旋線示意圖

圖5 普通粗牙螺紋示意圖

L=P=0.35mm

S1=K*L=1.886mm2

參見圖2知M1.6螺紋長度3.5mm，

螺紋牙數n=3.5/0.35≈10

因此涂滿導電膠后導電膠與螺紋接觸面積：

S≈n* S1≈18.86 mm2

由此得知M1.6螺紋帶導電膠后最小剪切力：

F=σ*S=8.28*18.86≈156N

同理計算M2.5螺紋帶導電膠后最小剪切力F約為265N

螺紋在涂導電膠裝配后剪切力可以近視為防松力，由以上計算得知M1.6螺紋連接處可至少獲得156N的防松力，理論上可極大降低連接器失效風險。

4 實際應用效果驗證

公司某型雷達天線單元使用了200余個該連接器，最初裝配時未使用導電膠，經實際使用半年后發現其中有22件天線單元出現了駐波測試超差問題，拆卸檢查后發現超差原因均是由于連接器螺紋接觸不良導致失效，與計算結果預測相符。

為解決該質量隱患，項目組決定對所有200多個天線單元的連接器進行拆卸，后帶導電膠重新裝配，經此處理后的天線單元目前已正常使用快一年，沒有發現連接器失效現象，證明加導電膠裝配能有效解決連接器失效隱患。

最后，項目組制作了2組各10個連接器試件(去除絕緣支撐和插座)，一組不加導電膠裝配，一組加導電膠裝配，進行了振動沖擊試驗，振動試驗按照GJB150.16A-2009的第7.3.1條進行，沖擊試驗按照GJB150.18A-2009的第7.2.1條進行，最后通過測量連接器電阻判定導電性，設定電阻值小于1Ω為合格。

圖6 振動沖擊試驗照片

試驗結果如表2所示：

表2 連接器振動沖擊試驗結果

結果表明，不帶導電膠的連接器在經過振動沖擊后有1個出現接觸不良現象，而帶導電膠的連接器全部合格。

5 結論

某雷達連接器單純依靠螺紋連接很難達到緊固效果，后期存在嚴重質量隱患。隨后經靜力學理論計算得知，帶導電膠裝配連接器可獲得較好的防松力。最終經過實際使用效果比較和振動沖擊試驗驗證，證明不帶導電膠裝配確實存在接觸松動隱患，而加導電膠裝配的連接器沒有發現接觸松動問題，證明措施有效。這將為后期公司類似的連接器裝配提供有效借鑒。