绞线插针在微型连接器中的应用研究

刘后伦

(中国兵器装备集团自动化研究所有限公司，四川绵阳，621000)

1 引言

连接器是航空、航天、航海、陆战远程巡航攻击等军事应用系统中重要基础元件，而飞机(飞行器)以及航空电子设备系统则是军用航空连接器最大和最集中的应用领域，连接器在飞机和航空电子设备系统中起着传输信号或传输功率的互连作用。

接触件是连接器的关键件，通过它来实现连接器的功能，它的性能直接影响着连接器的接触性能。比较通用的连接器接触件，一般插孔是弹性体，插针是刚性体。但弹性插孔很难进一步微型化，成为了电连接器向高密度、微型化发展的瓶颈，无法满足航空、航天、无人飞行器等要求连接器实现微型级超微型的需求。

2 绞线插针接触件介绍

绞线插针接触件(俗称麻花针)的出现，改变了接触件的作用原理，它是将弹性体的绞线插针作为插针，与刚性体的插孔物理作用实现连接，使得连接器的微型化的想法变为现实，超微型化成为可能。

它独特的结构特点使其具有良好的柔性和弹性，接触可靠性高，耐振动、抗冲击能力强。

2.1 绞线插针结构

绞线插针的结构由两层铜合金丝反向呈螺旋线绞合而成，内层1根或三根，外层多根，两端熔焊成一体，整体外形呈带手柄鼓形状。靠近针头的鼓包中空，在插针插入插孔后受正压力产生弹性形变，径向往轴心压缩，同时沿着螺旋线方向向轴向伸长，与插孔形成多点接触。

图1 绞线插针模型图

2.2 绞线插针接触件的特点

1)与刚性体的插孔对插时，对插孔的位置度适应性强；

2)插入力和分离力小，插拔柔和。经500次插拔后，其接触电阻及分离力变化小。

3)接触点多，接触可靠性高，耐冲击、振动。

4)可以实现微型化。

2.3 绞线插针接触件工作原理

图2 绞线插针插入状态图

3 绞线插针接触件工艺介绍

现有通用工艺流程是先按照一定结构组成将单根的合金丝绞合成线束(内、外层螺旋方向相反)，再把线束按需要的长度进行裁切，然后将裁切后的线束段两端熔焊在一起，最后将焊接后的线束段用模具成型得到绞线插针，这时插针的凸包就形成了。插针凸包成型后，经过特殊的时效处理后形状就稳定下来，然后表面进行镀金处理。最后，将绞线插针组装入不同的针体中，再通过压接装置铆接成不同的插针合件。

图3 绞线插针工艺流程图

4 绞线插针接触件的应用现状

在无人机中主要采用以下几种连接器：小形连接器、微型(1.27mm间距)/纳型(0.635mm间距)连接器、小型高密度光纤连接器、复合材料轻型连接器。绞线插针接触件可以应用于以上各种连接器，以满足无人机对连接器轻便、微小、高密度、高可靠的需要。

国外公司：Glenair的微型D形连接器和纳型连接器采用的是绞线插针接触件(Twist Pin Contact)技术。

国内公司：贵州航天、中航光电、四川华丰、陕西华达等公司的微矩形连接器都是采用绞线插针接触件。

5 绞线插针接触件的应用研究

5.1 原理分析

图4 插针等效悬臂梁示意图

正压力F：

(1)

式中，H为凸包压下变形量(挠度)，且与凸包直径、节距等有关；

E为材料弹性模量，与插针材料有关；

I为插针惯性矩；

L为插针悬臂长度。

(2)

式中，d为插针直径。

Z向(轴向)受力平衡，

∑Fz=0

则插拔力如下：

Fin=n*N*(tanα+μ)

(3)

Fout=n*N*(μ-tanα)

(4)

式中，N—正压力；

μ—静摩擦系数；

α—结合面夹角；

n—绞丝数量。

图5 插入时插针悬臂梁示意图

图6 凸包弯曲变形分析示意图

(5)

式中，D为凸包直径；

P为凸包节距；

r为插孔倒圆半径；

K为结构变形修正系数。

5.2 仿真分析

通过对插针与插孔插合分离过程进行有限元分析，得出插入力与分离力的变化曲线。后续又对影响插入力和分离力的因子按照正交试验方法，建立矩阵进行有限元分析，掌握了各个因子的相关性。

图7 插拔力曲线图

6 绞线插针接触件的应用趋势

随着无人机的发展，由于其在情报侦察、目标捕获、目标攻击等方面的优势日趋突出，它的军事重要性越来越明显，已成为各军事强国大力发展的武器装备。

因无人机载荷量有限，且长时间在目标区域上空徘徊，需要减少连接器的尺寸和质量，以增大其活动范围并提高其续航能力。

互连系统的设计也要求长期耐久性、耐凝结腐蚀(特别是插合的接触件上)，并耐引擎引起的振动以及(可能的)武器振动。在机械性能方面，所有连接器均要求能承受住因燃料和溶剂暴露而导致的损害，抗EMI并且要含有定位键来防止误插。无人机的活动范围和持续航行能力是关键因素，无人机对尺寸和质量高度敏感，因此必须最大限度地减小互连元件的质量和尺寸，以便为无人机有效载荷技术、通讯、飞行控制和推进系统释放出空间。

减轻质量、尺寸、耐冲击和振动、电磁兼容、防腐以及高速/带宽数据处理是无人机内互连布缆的关键设计要求，这些要求从无人机本身延伸到包括地面控制/支持系统内使用的电子设备以及无人机电子装置的有效载荷。采用了小而轻，且满足了高性能标准的连接器，可确保无人机的可靠性、安全性和工作寿命。

随着绞线插针技术能力的提升，尺寸将做得更小，应用于超微型连接器，其尺寸约为微型连接器的1/8，质量约为微型连接器的1/4，耐冲击和振动性能明显优于后者。无人机，包括空基、陆基、海基无人机系统，都可以从连接器尺寸和质量的减小中获得极大益处。

军用无人机应用连接器的典型电子系统包括：引擎控制和传感器、着陆/对接系统、飞行控制、燃料电池传感器、数据处理与导航，以及有效载荷技术，如高清晰红外相机系统、高速图像处理、专用安全数据通讯电子、目标与火控(武器)系统、水雷探测、声纳、雷达或无线电装置，

7 结束语

本文介绍了绞线插针的工作原理、制作工艺，并对其进行受力分析与仿真分析，及其在军事领域的应用。作为连接器的关键件，对它的深入研究与推广应用，将促进连接器的微型化，并将对国防军事产生深远影响。