機載電子設備后矩形連接器加固分析*

馮 波，趙 亮，文 雯

(航空工業集團公司 西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

機載電子設備作為飛機的大腦、耳目和神經，在飛機設計與生產中占據了越來越重要的地位[1]。機載電子設備是用來接收、處理和發送各種飛行和任務信息，這就離不開設備的對外連接，一般來說，電連接器和線纜既可以實現機載電子設備的電器互聯，又方便拆卸實現獨立維護，是機載電子設備重要的組成部分。電連接器性能的好壞成為整個系統安全運行的關鍵，據資料統計顯示，在各種電氣系統的失效和故障中，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致的失效占40%左右[2]。筆者針對后矩形連接器容易與產品的后部緊固連接方式出現過定位的問題，提出了一種無銷/孔配合的后緊固連接方式，通過對連接薄弱環節的加固，使后矩形連接器滿足了大量值，長時間使用的要求，具有一定的應用參考意義。

1 后矩形連接器應用概述

常用的設備級電連接器從形狀上可以分為安裝于設備前面板的圓形連接器和安裝于設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備安裝至機體后再單獨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勢，它在設備端安裝插座，機架端安裝插頭，在設備推入機架時，插座直接與機架自帶的插頭完成對接，實現設備安裝完成即線纜連接完畢，極大的方便了地勤人員對設備的安裝維護。由于后矩形連接器必須配合機架完成裝配和拆卸，可以統一定制機架，實現多設備的集成安裝，方便線纜、通風等管線定制排布。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計，不同的絕緣體部件、插針與殼體配合可以形成多種型號，實現低頻、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絕緣體和接觸件，實現連接器與設備間的安裝，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械損傷，又可以防止外界環境對產品的腐蝕傷害。絕緣體通常由塑料和橡膠等有機高分子材料組成，對插針和插孔實現定位支持的同時，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部的眾多插針和插孔。其多采用銅合金材料，經過鍍鎳和噴金等工藝，具有良好的導電性能與耐環境能力，保證電信號的高速穩定傳輸。此外，后矩形連接器還包含定位銷實現插頭插座之間的導向和防差錯功能，簧片防止對外產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

機載電子設備的快缷安裝一般都是通過前后兩個緊固機構實現的。如常用的A/B/C型前鎖緊組件，后部根據情況配合圓柱銷/圓錐銷/彈簧銷等結構形式[3]。但是，對于使用了后矩形連接器的產品來說，后部緊固形式就有了新問題。因為后部各種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的所有約束。這就造成了同一個產品后部出現三組相同的約束，兩個銷孔配合與一個腔體配合。極容易出現因加工裝配誤差而造成的過定位，導致產品難以順暢的插合到位。而且此類產品一般都有互換性要求，也就是任意設備適配所有機架，這就是說，即使進行后期的配裝調整，也存在對于其它機架難以插合的可能。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)，不再設計其它的銷孔配合，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度，使用環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型前鎖緊器的某機載電子設備為例，在設備進行三軸向各16 h的耐久振動后，連接器出現殼體斷裂問題。經過分析，當設備機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力。當應力值長時間超過材料疲勞極限時，發生法蘭部位的斷裂，如圖3所示。

后矩形連接器的設計指標是參考ARINC600標準[4]，耐久振動條件按照15～200 Hz隨機振動，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。而應用環境根據飛機類型和安裝位置的不同，考核設備的試驗量值千差萬別。如本設備應用于螺槳式飛機的高量值艙區，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標準更為惡劣。特別是設備安裝架對振動的傳遞容易在峰值處產生放大，會導致連接器受力變得更加不可控，如圖4所示響應曲線。

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 加固前連接器響應曲線

3 加固措施與驗證

經過上述分析，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，提出兩種改進方案，調整安裝架剛度和減小連接器受力。

一般產品安裝架是由銑削的鋁合金底座、安裝板結合鈑金彎折的導向件組成。從試驗測試圖譜可以看出，共振放大出現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，避免高能量區域的量值放大。因此，優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筋。

為了減小連接器的受力，可以使用在連接器兩側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，提高了裝配后系統的整體剛性，減小了插頭與插座之間的扭轉力矩，同時不會造成垂直于插合面內的過定位問題。

對實施了上述措施的產品進行試驗驗證，設備進行三軸向各16 h的耐久振動后，連接器無損壞，能夠滿足試驗要求。加固后的振動響應測試曲線如圖6所示，可以看出加固措施有效的改善了連接器區域的振動情況，峰值處未出現共振放大，且高頻波動較小，具體的量值對比如表1所列。

圖6 加固后連接器響應曲線

表1 隨機振動響應曲線對比

4 結論與展望

為了保證機載電子設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，實現了設備上后矩形連接器的加固應用。從連接器附近的振動測試響應和耐久振動試驗可以看出，加固措施效果顯著，能夠有效提高產品在大量值、長時間使用條件下的可靠性。

當然，實例僅從應用的角度實現了標準電連接器的加固，而更加根本的改進是國內廠商能夠研發出適用復雜環境條件的優質產品。當前的電連接器領域依然主要靠借鑒國外先進標準和產品，國內的研究數據和應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備的發展壯大，電連接器相關的微動摩擦、失效模式、可靠性試驗、性能退化等方面研究會不斷深入[5-7]，充分發揮國內自主創新能力的電連接器產品必將取得更優秀的成果。