某圆形电连接器绝缘体断裂影响分析

于丹 刘春庆 魏泽宇 姜淑敏 王贺龙

摘要：以某圆形电连接器在机电作动器冲击试验时断裂为背景，用理论计算及仿真分析相结合的手段分析绝缘体断裂的机理，并通过冲击试验结果及电连接器信号瞬断试验验证绝缘体断裂对系统电性能的影响。

关键词：电连接器;绝缘体;断裂

0    引言

电连接器用于实现电信号的传输和控制，在航空航天领域受到广泛应用，电连接器能否可靠地连接电路及传递信号，直接影响到整个系统的正常运行。

以某圆形电连接器在机电作动器上的应用为背景，电连接器要跟随机电作动器承受多种振动、冲击、运输等力学环境的考核，原则上电连接器应能承受机电作动器的振动、冲击、运输等力学环境而不发生机械损坏现象，在实际试验过程中，发现圆形连接器芯部绝缘体脱落。

本文对绝缘体断裂的原因进行分析，并采取试验验证的方法验证绝缘体断裂后对系统电信号传输与控制的影响。

1    故障现象

某机电作动器在进行Z向（切向）冲击试验后，更换Y向（径向）进行试验时，发现某圆形电连接器芯部绝缘体脱落。正常绝缘体形貌及脱落绝缘体形貌如图1所示。

2    失效分析结论及机理分析

2.1    失效分析结论

绝缘体断裂后，将连接器从机电作动器拆下送失效中心进行分析，结论如下：绝缘体断裂原因是由于绝缘体为悬臂梁结构，在试验过程中，插头和插座之间因存在间隙，两者间有相对运动，使得插座绝缘体受到过大应力作用而产生断裂。

2.2    断裂机理分析

插座、插头插合前结构如图2、图3所示。插头、插座插合前，高绝缘体和方盘壳体之间存在间隙，高绝缘体在方盘壳体内部为悬臂梁结构。产品插合时，连接螺帽内径和方盘壳体外径配合，方盘壳体内径和花键壳体外径配合，花键壳体内径和高绝缘体配合，高绝缘体和花键壳体之间、花键壳体和方盘壳体之间、方盘壳体和连接螺帽之间均为间隙配合，配合尺寸如表1所示。由表1数据可以算出，高绝缘体和花键壳体的间隙范围为0.06～0.3 mm，花键壳体与方盘壳体之间的间隙范围为0.12～0.45 mm，连接螺帽与方盘壳体之间的间隙范围为0.05～0.39 mm，由于高绝缘体和花键壳体之间为间隙配合，在冲击试验过程中，插头和插座之间存在相对运动，会使高绝缘体受力。

2.2.1    理论分析

机电作动器冲击试验时，连接电缆未绑扎，冲击时作用在产品上的加速度较大，甩起来的电缆和插头在加速度作用下施加在插座绝缘体上的力为：

式中，m为电缆未绑扎状态甩线电缆和插头尾罩重量，此处为0.167 kg;a为电缆插头和电缆的加速度，此处为789g。

作用在绝缘体上的应力为：

绝缘体在冲击试验中所受应力超过了实测弯曲强度，发生强度断裂失效。

2.2.2    仿真分析

为了分析电缆绑扎状态对绝缘体受力的影响，采用有限元分析的方法对电缆绑扎和不绑扎两种状态下绝缘体受力情况进行分析，由于电缆为柔性体，在实际冲击过程中作用于绝缘体上的力非常复杂，在有限元分析过程中对电缆模型进行简化，电缆不绑扎状态相当于作用在绝缘体上的重量增大，为简化计算，将插头尾罩和电缆的重量做成一个长的悬臂结构安装在绝缘体上;电缆绑扎后，由于绑扎支点的支撑，作用于悬臂梁上的重量减轻，相当于缩短了悬臂梁的长度，计算采用实际试验条件冲击响应谱，得到两种状态下的应力应变对比情况如图4所示。由仿真结果可以看出，电缆不绑扎状态在冲击响应谱条件下的最大正应力为46 MPa，作用在绝缘体根部位置，电缆绑扎状态下绝缘体根部的最大正应力、正应变均有明显改善。仿真用冲击响应谱为标准试验条件，用振动台实现冲击过程时，由监测点曲线可以看出，作用在线位移插座处的冲击量级存在放大，控制点响应谱加速度峰值606g时，监测点峰值为1 903g;时域加速度峰值205g時，监测点加速度峰值789g，量级放大了3.14～3.85倍，按此放大倍数，电缆不绑扎状态下的最大正应力为144～177.1 MPa，超过绝缘体强度极限，发生断裂，与静力分析结果对应。

3    绝缘体断裂后对系统性能的影响

3.1    冲击试验

机电作动器在冲击试验时需通功率电使产品保持在机械零位，试验后对产品进行性能测试，在绝缘体脱落前从测试仪采集的零位曲线及性能测试曲线可以看出机电作动器产品测试及数据反馈正常，采集曲线如图5所示。

3.2    电连接器电气连续性试验

为验证绝缘体断裂的情况下产品的电气性能，利用故障插座和原配套线缆在振动试验条件下进行了连接器电性能瞬断试验，振动试验条件如表2所示，振动试验如图6所示。

经试验，故障产品在振动环境下未发生大于1 μs的瞬断，如图7所示。

由冲击试验结果及电信号瞬断试验可以看出，绝缘体断裂后在插接的情况下不影响产品及系统的电气性能。

4    结语

本文通过理论分析和仿真计算的方法对某圆形电连接器断裂机理进行分析，得出电缆绑扎状态对绝缘体受力的影响。从冲击试验结果及电连接器信号瞬断试验得出绝缘体断裂后在插头、插座插合的状态下不影响系统电气性能。尽管如此，在连接器选用及使用中应尽量保证电连接器的完整性，以万无一失地确保系统性能。

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收稿日期：2020-03-02

作者简介：于丹（1987—），女，陕西渭南人，硕士，工程师，研究方向：中大功率机电伺服系统。