某圓形電連接器絕緣體斷裂影響分析

于丹 劉春慶 魏澤宇 姜淑敏 王賀龍

摘要：以某圓形電連接器在機(jī)電作動器沖擊試驗(yàn)時斷裂為背景，用理論計(jì)算及仿真分析相結(jié)合的手段分析絕緣體斷裂的機(jī)理，并通過沖擊試驗(yàn)結(jié)果及電連接器信號瞬斷試驗(yàn)驗(yàn)證絕緣體斷裂對系統(tǒng)電性能的影響。

關(guān)鍵詞：電連接器;絕緣體;斷裂

0? ? 引言

電連接器用于實(shí)現(xiàn)電信號的傳輸和控制，在航空航天領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用，電連接器能否可靠地連接電路及傳遞信號，直接影響到整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

以某圓形電連接器在機(jī)電作動器上的應(yīng)用為背景，電連接器要跟隨機(jī)電作動器承受多種振動、沖擊、運(yùn)輸?shù)攘W(xué)環(huán)境的考核，原則上電連接器應(yīng)能承受機(jī)電作動器的振動、沖擊、運(yùn)輸?shù)攘W(xué)環(huán)境而不發(fā)生機(jī)械損壞現(xiàn)象，在實(shí)際試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)圓形連接器芯部絕緣體脫落。

本文對絕緣體斷裂的原因進(jìn)行分析，并采取試驗(yàn)驗(yàn)證的方法驗(yàn)證絕緣體斷裂后對系統(tǒng)電信號傳輸與控制的影響。

1? ? 故障現(xiàn)象

某機(jī)電作動器在進(jìn)行Z向（切向）沖擊試驗(yàn)后，更換Y向（徑向）進(jìn)行試驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)某圓形電連接器芯部絕緣體脫落。正常絕緣體形貌及脫落絕緣體形貌如圖1所示。

2? ? 失效分析結(jié)論及機(jī)理分析

2.1? ? 失效分析結(jié)論

絕緣體斷裂后，將連接器從機(jī)電作動器拆下送失效中心進(jìn)行分析，結(jié)論如下：絕緣體斷裂原因是由于絕緣體為懸臂梁結(jié)構(gòu)，在試驗(yàn)過程中，插頭和插座之間因存在間隙，兩者間有相對運(yùn)動，使得插座絕緣體受到過大應(yīng)力作用而產(chǎn)生斷裂。

2.2? ? 斷裂機(jī)理分析

插座、插頭插合前結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。插頭、插座插合前，高絕緣體和方盤殼體之間存在間隙，高絕緣體在方盤殼體內(nèi)部為懸臂梁結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品插合時，連接螺帽內(nèi)徑和方盤殼體外徑配合，方盤殼體內(nèi)徑和花鍵殼體外徑配合，花鍵殼體內(nèi)徑和高絕緣體配合，高絕緣體和花鍵殼體之間、花鍵殼體和方盤殼體之間、方盤殼體和連接螺帽之間均為間隙配合，配合尺寸如表1所示。由表1數(shù)據(jù)可以算出，高絕緣體和花鍵殼體的間隙范圍為0.06～0.3 mm，花鍵殼體與方盤殼體之間的間隙范圍為0.12～0.45 mm，連接螺帽與方盤殼體之間的間隙范圍為0.05～0.39 mm，由于高絕緣體和花鍵殼體之間為間隙配合，在沖擊試驗(yàn)過程中，插頭和插座之間存在相對運(yùn)動，會使高絕緣體受力。

2.2.1? ? 理論分析

機(jī)電作動器沖擊試驗(yàn)時，連接電纜未綁扎，沖擊時作用在產(chǎn)品上的加速度較大，甩起來的電纜和插頭在加速度作用下施加在插座絕緣體上的力為：

式中，m為電纜未綁扎狀態(tài)甩線電纜和插頭尾罩重量，此處為0.167 kg;a為電纜插頭和電纜的加速度，此處為789g。

作用在絕緣體上的應(yīng)力為：

絕緣體在沖擊試驗(yàn)中所受應(yīng)力超過了實(shí)測彎曲強(qiáng)度，發(fā)生強(qiáng)度斷裂失效。

2.2.2? ? 仿真分析

為了分析電纜綁扎狀態(tài)對絕緣體受力的影響，采用有限元分析的方法對電纜綁扎和不綁扎兩種狀態(tài)下絕緣體受力情況進(jìn)行分析，由于電纜為柔性體，在實(shí)際沖擊過程中作用于絕緣體上的力非常復(fù)雜，在有限元分析過程中對電纜模型進(jìn)行簡化，電纜不綁扎狀態(tài)相當(dāng)于作用在絕緣體上的重量增大，為簡化計(jì)算，將插頭尾罩和電纜的重量做成一個長的懸臂結(jié)構(gòu)安裝在絕緣體上;電纜綁扎后，由于綁扎支點(diǎn)的支撐，作用于懸臂梁上的重量減輕，相當(dāng)于縮短了懸臂梁的長度，計(jì)算采用實(shí)際試驗(yàn)條件沖擊響應(yīng)譜，得到兩種狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變對比情況如圖4所示。由仿真結(jié)果可以看出，電纜不綁扎狀態(tài)在沖擊響應(yīng)譜條件下的最大正應(yīng)力為46 MPa，作用在絕緣體根部位置，電纜綁扎狀態(tài)下絕緣體根部的最大正應(yīng)力、正應(yīng)變均有明顯改善。仿真用沖擊響應(yīng)譜為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件，用振動臺實(shí)現(xiàn)沖擊過程時，由監(jiān)測點(diǎn)曲線可以看出，作用在線位移插座處的沖擊量級存在放大，控制點(diǎn)響應(yīng)譜加速度峰值606g時，監(jiān)測點(diǎn)峰值為1 903g;時域加速度峰值205g時，監(jiān)測點(diǎn)加速度峰值789g，量級放大了3.14～3.85倍，按此放大倍數(shù)，電纜不綁扎狀態(tài)下的最大正應(yīng)力為144～177.1 MPa，超過絕緣體強(qiáng)度極限，發(fā)生斷裂，與靜力分析結(jié)果對應(yīng)。

3? ? 絕緣體斷裂后對系統(tǒng)性能的影響

3.1? ? 沖擊試驗(yàn)

機(jī)電作動器在沖擊試驗(yàn)時需通功率電使產(chǎn)品保持在機(jī)械零位，試驗(yàn)后對產(chǎn)品進(jìn)行性能測試，在絕緣體脫落前從測試儀采集的零位曲線及性能測試曲線可以看出機(jī)電作動器產(chǎn)品測試及數(shù)據(jù)反饋正常，采集曲線如圖5所示。

3.2? ? 電連接器電氣連續(xù)性試驗(yàn)

為驗(yàn)證絕緣體斷裂的情況下產(chǎn)品的電氣性能，利用故障插座和原配套線纜在振動試驗(yàn)條件下進(jìn)行了連接器電性能瞬斷試驗(yàn)，振動試驗(yàn)條件如表2所示，振動試驗(yàn)如圖6所示。

經(jīng)試驗(yàn)，故障產(chǎn)品在振動環(huán)境下未發(fā)生大于1 μs的瞬斷，如圖7所示。

由沖擊試驗(yàn)結(jié)果及電信號瞬斷試驗(yàn)可以看出，絕緣體斷裂后在插接的情況下不影響產(chǎn)品及系統(tǒng)的電氣性能。

4? ? 結(jié)語

本文通過理論分析和仿真計(jì)算的方法對某圓形電連接器斷裂機(jī)理進(jìn)行分析，得出電纜綁扎狀態(tài)對絕緣體受力的影響。從沖擊試驗(yàn)結(jié)果及電連接器信號瞬斷試驗(yàn)得出絕緣體斷裂后在插頭、插座插合的狀態(tài)下不影響系統(tǒng)電氣性能。盡管如此，在連接器選用及使用中應(yīng)盡量保證電連接器的完整性，以萬無一失地確保系統(tǒng)性能。

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收稿日期：2020-03-02

作者簡介：于丹（1987—），女，陜西渭南人，碩士，工程師，研究方向：中大功率機(jī)電伺服系統(tǒng)。