駱燕燕 馬 旋 李曉寧 王 振

1.河北工業(yè)大學電氣工程學院，天津， 3001302.中鐵電氣工業(yè)有限公司，保定， 0710513.北京航天萬源科技公司，北京， 100176

0 引言

電連接器是一種使導線(導體)與合適的配對元件相連接，實現(xiàn)電路接通和斷開的機電元件，具有信號傳輸和電傳輸兩大基本功能。電連接器廣泛應用于軍事裝備和航空航天設備中，特別是飛機上的應用最多，其可靠性高低直接決定系統(tǒng)能否正常工作。因此，除滿足功能要求外，電連接器還須具有良好的電接觸和高可靠性等性能[1-2]。

電連接器的可靠接觸是靠接觸件(插針與插孔)間穩(wěn)定的接觸壓力實現(xiàn)的。插孔是彈性元件，在長期受到接觸壓力和熱應力的作用下，其彈性形變會不斷轉化為塑性形變，從而使接觸壓力減小，接觸電阻增大，接觸性能退化,因此，熱應力對電連接器可靠性的影響不容忽視。不同形式的熱應力如高溫、低溫及熱沖擊等引發(fā)的電連接器的失效模式各不相同。目前對電連接器的研究主要致力于根據(jù)接觸電阻的變化規(guī)律研究恒定溫度應力條件下的可靠性問題。靳哲峰[3]、錢萍等[4]通過加速壽命試驗得出了恒定溫度應力和振動應力作用下，電連接器的可靠性指標。潘駿等[5]通過加速壽命試驗得出航空電連接器壽命服從威布爾分布。王浩偉等[6-9]提出了加速熱應力條件下基于Gamma過程、退化量分布、Wiener模型的壽命預測方法以及基于退化數(shù)據(jù)與壽命數(shù)據(jù)的壽命預測方法。付霖宇等[10]通過改進PSO-REFNN算法，對某型電連接器進行了壽命預測。陳田海[11]運用ANSYS軟件分析微型電連接器使用時的應力應變情況，結合其彈簧片材料的S-N曲線對危險部位進行疲勞壽命預測。PARK等[12-13]研究了25～185 ℃范圍內不同高溫條件下錫銅合金觸頭接觸電阻隨微動次數(shù)的變化特點和失效機理。ABDI等[14]分析了鍍錫汽車電連接器在機械振動和18～110 ℃溫度循環(huán)條件下接觸電阻隨振動次數(shù)的變化特點。文獻[15-16]研究了不同負載和環(huán)境溫度條件下電連接器的接觸電阻和接觸壓力隨時間的變化規(guī)律，并分析了電連接器應力松弛引起的性能退化現(xiàn)象。LIAO等[17]分析了10次熱沖擊試驗后電連接器接觸壓力減小量與電阻增大率之間的關系。本文主要由插孔應變量的變化規(guī)律研究熱循環(huán)應力對航空電連接器性能退化的影響，結合加速壽命試驗理論對其壽命預測進行研究。

1 熱循環(huán)加速試驗

電連接器具有可靠性高、壽命長的特點，在循環(huán)熱應力條件下，其性能退化過程極其緩慢，因此，本文結合加速壽命試驗理論進行試驗方案設計，以期達到縮短產品性能退化進程和快速預測航空電連接器壽命的目的。

1.1 試驗方案設計

1.1.1 基本方案

A——第一個循環(huán)開始 B——第一個循環(huán)結束，第二個特環(huán)開始圖1 航空電連接器熱循環(huán)試驗方案示意圖Fig.1 The schematic diagram of thermal cycling test scheme of aviation electrical connectors

電工電子產品環(huán)境試驗標準[18-20]中試驗方法一箱法(Nb)是規(guī)定變化速率的溫度變化試驗，用于評定產品經受高低溫變化環(huán)境的工作能力和溫度變化期間的電氣性能與機械性能，本文參照試驗方法Nb，結合加速壽命試驗理論設計航空電連接器熱循環(huán)加速試驗，其基本試驗方案見圖1。由圖1可以看出，每個熱循環(huán)試驗周期均包括高溫期、低溫期和兩個條件試驗溫度間的交替轉換期。θA為熱循環(huán)中的低溫應力值，θB為熱循環(huán)中的高溫應力值,t1為低溫/高溫應力值下的暴露時間。

1.1.2 高/低溫應力值的確定

本文設定的溫度應力值主要參考航空電連接器的工作環(huán)境溫度范圍(一般限定在-40～100 ℃間)及文獻[19-20]中的環(huán)境試驗低溫、高溫推薦值。鑒于高低溫引發(fā)的電連接器的失效模式不同，為避免性能退化因素和失效機理過于復雜，本文熱循環(huán)試驗中低溫應力值設為-10 ℃。

為了加快溫度循環(huán)條件下航空電連接器性能退化進程，節(jié)省試驗時間，本文結合恒定應力加速壽命試驗理論來設定熱循環(huán)加速試驗中高溫應力值：加速應力水平個數(shù)k設定為4；最小高溫應力值和最大高溫應力值分別設為55 ℃和100 ℃。根據(jù)加速壽命理論，產品壽命與加速變量應力之間滿足阿倫尼斯方程，即

(1)

(2)

式中，T1為最小應力值;Tk為最大應力值;k為應力水平個數(shù)；Δ為加速因子;Tj為除最小、最大應力值以外的其余的加速應力水平值。

由此，熱循環(huán)加速試驗方案中高溫值的其余2個應力水平值可確定為：64.7 ℃和78.6 ℃。

1.1.3 其他熱循環(huán)加速試驗條件的設定

溫度變化速率的增大會增加試驗嚴酷等級，環(huán)境試驗標準建議按照實驗目的對其進行合理選擇，推薦的數(shù)值分別為(1±0.2)℃/min、(3±0.6)℃/min和(5±1)℃/min[18]。本文主要研究晝夜溫度變化條件下航空電連接器性能退化規(guī)律，故采用(1±0.2)℃/min。

暴露時間t1取決于試驗樣品達到周圍空間溫度時的熱時間常數(shù)τ。根據(jù)相關規(guī)范，t1可取為3 h，2 h，1 h，30 min或10 min[19]。試驗樣品的熱時間常數(shù)τ與周圍介質的性質和運動速度有關，因此，暴露時間t1可參照如下原則選擇：如果t1≥5τ，則d<0.01D；如果t1≥2.5τ，則d<0.1D。d為試驗介質和試驗樣品溫度之差；D為上下限溫度之差。

本文選用的試品為某公司的三針圓形航空電連接器，經測定，其熱時間常數(shù)τ為7 min23 s，因此，熱循環(huán)加速試驗中高低溫暴露時間t1設為1 h。此外，試驗中熱循環(huán)次數(shù)設定為80次；每個應力水平等級下選用5個試品，共20個電連接器樣品。

1.1.4 試驗方案

根據(jù)上述選定的參數(shù)和試驗條件，本文進行了4組熱循環(huán)試驗，試驗方案如表1所示。

表1 航空電連接器熱循環(huán)加速試驗方案

1.1.5 試驗中的測試問題

試驗過程中，試品性能的退化往往體現(xiàn)在某些參數(shù)的變化，這些參數(shù)的變化規(guī)律可顯示或預測出產品不同的壽命階段。接觸電阻通常是衡量電接觸性能的主要參數(shù)之一，但本文在前期摸底試驗中發(fā)現(xiàn)：即使在加速應力條件下，高可靠性電連接器試品的接觸電阻在很長時期內也僅為小幅度波動，很難出現(xiàn)明顯的變化趨勢；若要獲得產品壽命預測值，試驗耗時將會很長。由連接器接觸件的結構特點及工作原理可知，在長期受熱應力作用下，插孔彈性形變會不斷轉變?yōu)樗苄孕巫儯娺B接器接觸壓力及接觸電阻均將發(fā)生變化，造成接觸性能退化。因此，本文將試品插孔的應變量作為監(jiān)測參數(shù)，觀測試品性能退化特點，并預測其熱循環(huán)壽命值。

1.2 試驗電路

本文利用光纖應變傳感器檢測電連接器接觸件插孔的微小應變，試驗電路原理見圖2。

圖2 電連接器熱循環(huán)試驗檢測電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of the thermal cycling test circuits of aviation electrical connectors

由圖2可以看出，試驗電路主要由光纖應變傳感器、信號解調器、恒流源和調溫調濕箱等組成。光纖應變傳感器檢測出電連接器接觸件的應變量后，將信號傳輸至信號解調器，信號解調器將接收到的信號解調，通過串口儲存到工控機中。恒流源的作用是提供給試品可靠穩(wěn)定的額定電流，調溫調濕箱為試驗提供所需的熱循環(huán)應力環(huán)境。

1.3 試驗測試結果

圖3為4組熱循環(huán)加速試驗中試品插孔應變量的變化趨勢圖。試驗結果表明：隨著循環(huán)次數(shù)的增加，航空電連接器接觸件插孔的應變量呈緩慢減小趨勢，但下降幅度并不大；且隨著高低溫差的增大，插孔應變量的改變量也越大，進而熱循環(huán)引起的插孔應力松弛現(xiàn)象越明顯。

(a)應變量

(b)應變量的變化量圖3 4組熱循環(huán)加速試驗中試品插孔應變量的變化Fig.3 The strain change of jacks in 4 groups of the accelerated thermal cycling tests

2 電連接器應變量臨界值的理論推導

在電連接器的試驗標準中，接觸電阻閾值通常被作為判定產品失效的判據(jù)。電連接器插孔應變量與其接觸電阻間存在關聯(lián)性，因此，本文進行插孔應變量臨界值的理論推導，以此作為產品失效判據(jù)來預測其熱循環(huán)壽命。

本文選取的航空電連接器試品接觸電阻的閾值Rj=5 mΩ。依據(jù)電接觸基本理論，接觸電阻可由下式估算：

Rj=K(0.102F)-m

(3)

式中，F(xiàn)為接觸壓力；Rj為接觸電阻；m為與接觸形式有關的系數(shù);K為關于接觸材料密度和材料強度的函數(shù)。

本試驗用航空電連接器接觸件的接觸形式為線接觸，取m=0.7。K與表面膜情況有關，其值通常由試驗確定，本文試品的接觸材料為黃銅-黃銅，K=670。則由式(3)得F=0.555 N。

電連接器接觸件的接觸壓力取決于接觸件的幾何結構和材料的性能。本文試品插孔屬4開槽結構，由4道槽平均分為4個接觸簧片，單個接觸簧片可近似視為變形小的懸梁臂結構，如圖4所示。L、W、h分別為接觸簧片的長度、寬度和厚度，L=14.8 mm，W=3.2 mm，h=0.68 mm。

圖4 插孔接觸簧片懸臂梁示意圖Fig.4 Cantilever model of single jack contact spring

電連接器插孔任一接觸簧片與插針間的接觸應力和接觸壓力的關系為

(4)

由此，可得σ=33 MPa。

線性硬化材料的σ-ε曲線可近似視為兩條斜率不同的曲線，如圖5所示。

圖5 線性硬化材料σ-ε曲線Fig.5 Stress-strain curves of linear hardening material

由圖5可以看出，線段of表示材料處于線彈性變形階段，其斜率為E；線段fg表示材料處于硬化階段，其斜率為Et。由此，線性硬化模型材料σ-ε關系可表示為

(5)

式中，σs為屈服極限;εy為縱向應變量。

本試驗電連接器接觸件屬于線性硬化模型，σs=200 MPa，E=119 GPa，Et=1.0 GPa，由式(5)得縱向應變量εy=34 000×10-6。

本文測試電路中光纖應變傳感器測量的應變量為插孔橫向應變量εx。在材料的比例極限內，由于縱向應力的作用，產生的橫向應變量εx與對應的縱向應變量εy之比的絕對值稱為泊松比μ(其值通常由試驗來測定)，即

本文試驗樣品泊松比為μ=0.324，則電連接器失效時，其插孔應變量臨界值為10 780×10-6。

3 熱循環(huán)壽命預測

本文以-10～55 ℃熱循環(huán)試驗數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)，分別利用灰色模型預測法、時間序列法和神經網(wǎng)絡時間序列法對航空電連接器進行熱循環(huán)壽命預測分析(即插孔應變量達到應變量臨界值時經歷的熱循環(huán)周期數(shù))。

3.1 灰色模型法預測

灰色模型GM(1,1)的灰色微分方程為

x(0)(k)+az(1)(k)=bk=1，2，…n

式中，a為發(fā)展灰數(shù)，反映x(0)與x(1)的發(fā)展態(tài)勢；b為內生控制灰數(shù)，反映數(shù)據(jù)變化的關系；z(1)為x(1)的緊鄰均值生成序列。

利用GM(1,1)原理對熱循環(huán)試驗數(shù)據(jù)(-10～55 ℃)進行建模，可得：發(fā)展灰數(shù)a=2.964 5×10-5，內生控制灰數(shù)b=1.512 8×104。發(fā)展灰數(shù)a=2.964 5×10-5<0.3，表明該灰色模型適合做長期預測。

取x(1)(0)=x(0)(1)，得出灰色預測模型：

x(t)=15 128e-2.964 5×10-5q

式中，q為熱循環(huán)周期數(shù)。

通過推算，熱循環(huán)條件(-10～55 ℃)下電連接器的熱循環(huán)壽命為η=11 445次。

3.2 時間序列法預測

熱循環(huán)試驗(-10～55 ℃)原始數(shù)據(jù)并不平穩(wěn)(圖6a)，本文將其進行差分處理后(圖6b)，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)平穩(wěn)。由此可斷定，試驗數(shù)據(jù)可以進行時間序列分析。

由圖7可知，試驗數(shù)據(jù)(-10～55 ℃)的自相關系數(shù)呈“拖尾狀”，偏相關系數(shù)呈“截尾狀”，因此，可判定該數(shù)據(jù)模型為AR模型。

根據(jù)最終預報誤差(final prediction error,FPE)準則，當FPE值達到最小時，對應的階數(shù)作為最佳階數(shù)，可判斷該數(shù)據(jù)最佳模型為AR(3)。由AR(3)模型進行推算，預測出：在熱循環(huán)條件(-10～55 ℃)下，電連接器的熱循環(huán)壽命為η=11 900。

3.3 神經網(wǎng)絡時間序列法預測

針對熱循環(huán)試驗(-10～55 ℃)原始數(shù)據(jù)，本文首先進行歸一化處理，將其控制在(-1，1)之間；然后取70%數(shù)據(jù)進行訓練，15%數(shù)據(jù)用于訓練精度檢驗(即修正權值和閾值)，15%數(shù)據(jù)對建立的模型進行精度檢驗。經過反復訓練，確定模型中隱含層個數(shù)為4，延遲步數(shù)為4時，其均方差和關聯(lián)度達到最優(yōu)效果，其模型如圖8所示。

(a)差分處理前趨勢

(b)差分處理后趨勢圖6 數(shù)據(jù)平穩(wěn)性處理(-10～55 ℃)Fig.6 Data smooth processing(-10～55 ℃)

(a)自相關函數(shù)

(b)偏相關函數(shù)圖7 自相關函數(shù)和偏相關函數(shù)圖Fig.7 Autocorrelation function and partial correlation function

圖8 神經網(wǎng)絡時間序列模型(-10～55 ℃)Fig.8 Neural network time series model (-10～55 ℃)

由圖9～圖11所示的自相關誤差圖、誤差直方圖和擬合關聯(lián)度圖可判定，圖8所示模型滿足建模要求。因此，本文將該模型進行反歸一化處理后，預測出熱循環(huán)條件下(-10～55 ℃)，電連接器的熱循環(huán)壽命η=9 693次。

圖9 自相關誤差(-10～55 ℃)Fig.9 Autocorrelation error (-10～55 ℃)

圖10 誤差直方圖(-10～55 ℃)Fig.10 Error histogram (-10～55 ℃)

(a)訓練(R=0.908 9) (b)驗證(R=0.989 52)

(c)檢測(R=0.990 2) (d)總過程(R=0.986 08) 圖11 模型擬合分布圖(-10℃～55℃)Fig.11 Distribution of model fitting(-10℃～55℃)

3.4 熱循環(huán)壽命預測

根據(jù)以上三種預測方法，本文四組試驗中對航空電連接器壽命進行了預測分析，如表2所示。由表2的壽命預測值，本文通過曲線擬合的方法推算出航空電連接器的熱循環(huán)壽命與溫差的關系曲線，如圖12所示。三種方法預測的熱循環(huán)壽命曲線均顯示：隨著熱循環(huán)中溫差值的增大，航空電連接器熱循環(huán)壽命近似呈指數(shù)規(guī)律下降。

表2 航空電連接器熱循環(huán)壽命及其預測精度

圖12 航空電連接器熱循環(huán)壽命的預測Fig.12 Thermal cycling life prediction of aviation electrical connectors

4 結論

(1)在保證產品失效機理一致的前提下，熱循環(huán)加速試驗可通過增大高低溫差值來加快模擬晝夜溫差對產品性能退化進程的影響。

(2)在熱循環(huán)加速試驗中，隨熱循環(huán)次數(shù)增加，電連接器的接觸電阻變化趨勢微弱，可采用彈性接觸件的應變量作為監(jiān)測參數(shù)，用于分析應力松弛現(xiàn)象的發(fā)展和產品性能退化的進程。

(3)在熱循環(huán)加速試驗中，接觸件的應變量隨熱循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減??；且溫差越大，應變量減少量越大，應力松弛現(xiàn)象越明顯，性能退化越快，壽命越短。隨著熱循環(huán)中溫差值的增大，電連接器的熱循環(huán)壽命近似呈指數(shù)規(guī)律下降。

熱循環(huán)加速試驗中溫差的極限值以及溫度變化速率對電連接器熱循環(huán)壽命的影響還有待于深入探討。

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