王敏興， 朱 赫， 袁生地， 周凱迪

（1.貴州航天電器股份有限公司， 貴州 貴陽 550009；2.中國石油大學（華東）信息與控制工程學院， 山東 青島 266580）

引言

連接器在航天、石油、醫(yī)療、導彈、雷達等領域有著廣泛的應用，主要用于通信信號和電能信號的傳輸，其質量好壞直接影響通信信號和電能信號能否正常傳輸，關乎整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。常見的電連接器失效主要原因包括：接觸不良、絕緣耐壓性能不良、氣密性和密封性不良、焊接不良與振動信號傳輸中斷等[1-2]。

本文主要針對接觸不良對J27A電連接器進行分析驗證，但引起接觸不良的因素有多種：接觸件壓力或接觸力不足、接觸件材料不過關、鍍層脫落或不均勻等與結構設計不合理等[3]。針對多種接觸不良現(xiàn)象，本文在一批產(chǎn)品中選取135件樣品分離力異常的產(chǎn)品進行解剖分析，通過仿真軟件進行力學仿真驗證，并研究尺寸設計公差對接觸力和徑向壓力的影響。

1 插孔受力數(shù)學模型

J27A連接器是一種插孔與插針配合的插拔式結構，其插孔簧片尾部需進行縮口處理，使簧片發(fā)生塑性變形；插針插入插孔內，插孔簧片發(fā)生彈性形變，兩者產(chǎn)生接觸力，使得信號經(jīng)過連接器得以穩(wěn)定傳輸。為了更好地對插針與插孔之間的分離力進行分析，本文對開槽插孔與插針接觸件的數(shù)學建模進行了研究，并采用微元法對其結構進行受力分析，其中插孔的力學模型如圖1所示。插孔截面如圖2所示。

圖1 插孔的力學模型

圖2 插孔截面

由圖1知，A點為插孔簧片與插針插合的接觸點，B點為插孔簧片的頂端，L為插孔簧片的長度，a為插孔接觸點與簧片固定端的距離，α為插孔彈性簧片與插合方向的夾角，為插孔簧片接觸點的法向壓力，則插孔簧片接觸點A的撓度VA為：

式中：E為材料的彈性模量；IZ為梁的截面對中性軸Z軸的慣性矩。

由圖2可知，取角度dθ作為插孔簧片微元并進行微元分析為：

簧片微元截面對中性軸Z軸的慣性矩為：

將式（5）代入式（2），得出簧片微元在接觸點的正向力為：

假設插孔與吊鉈分離過程為勻速運動，且速度相對緩慢，吊鉈受到摩擦力f、插孔接觸點法向壓力FN和吊鉈重力G的作用，其受力分析圖如圖3所示。

圖3 插孔與吊鉈分離時彈片微元對吊鉈微元的受力分析圖

由于簧片形變相對較小，夾角α趨近于0，故sinα≈0，式（2-7）可簡化為：

設單個簧片的角度為 β，將式（6）代入式（8），則單個簧片的分離力為：

設插孔的簧片數(shù)量為m，則插孔的分離力為：

2 J27A連接器分離力異常分析

2.1 插孔合件分離力異常分析

本文中的J27A連接器其核心部件為插孔合件，如圖4所示，其中插孔合件是由插孔和護管組成，經(jīng)過縮口、套護管、壓配、鉚三點4個工序制作完成，其中護管作用為與簧片縮口鼓包接觸，其接觸面作為簧片支撐面以防止因插針插入而引起簧片較大徑向位移。

J27A連接器分離力的大小是由插孔合件分離力決定。本文對J27A連接器分離力異常的原因分析如下：

1）插孔尺寸異常。插孔尺寸異常指機加設備加工的插孔尺寸存在異常；插孔在同一工裝縮口下，其圓弧最高點的尺寸存在異常；縮口后，圓弧最高點到孔底的尺寸存在異常。此三種插孔尺寸異常均可造成分離力異常。

根據(jù)雷達回波監(jiān)測及廊橋附近的監(jiān)控視頻綜合分析(圖6),廊橋橋頂垮塌時間與合村氣象站所測得極大風速時間基本一致,在19:34—19:35左右。0.5°仰角的雷達徑向速度為27～30 m/s。同時根據(jù)現(xiàn)場調查,廊橋周邊部分樹木存在折斷、倒伏現(xiàn)象,玉米地、大棚被破壞的情況,對照蒲氏風級表對陸地地面征象表述的“九級風為煙囪及平房頂受到損壞,小屋遭受破壞;十級風為陸上少見,見時可使樹木拔起,或將建筑物吹毀”。據(jù)此判斷,廊橋橋頂垮塌時可能有10級大風。

圖4 插孔合件

2）護管尺寸異常。護管尺寸異常是指護管內徑的尺寸存在差異；護管的長度存在差異。此兩者護管尺寸異常均能引起分離力異常。

3）材料異常。材料不同，其彈性模量存在差異，故插孔尺寸相同、材料不同，分離力也會存在差異。

4）鍍層異常。鍍層異常是指鍍層厚度和鍍層粗糙度異常。鍍層越厚分離力越大，越粗糙分離力也越大。

5）工裝尺寸異常。工裝尺寸異常是指吊陀的重量、插針長度與陀針粗細存在差異，此三種差異直接影響插孔分離力的測量，導致分離力存在差異。

6）設備運行異常。在插孔合件生產(chǎn)過程中，插孔的縮口、壓接護管和卯三點均由機械設備自主完成，機械設備運行異常會導致縮口或壓接護管受力不均，進而導致插孔合件存在差異，引起插孔分離力的差異。

2.2 插孔合件分離力數(shù)學統(tǒng)計分析

本文對135只分離力偏小的不良品進行解剖分析，采用銼刀從護管的鉚三點處搓開，將護管與插孔分離，利用針規(guī)對護管進行測量，其測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 護管內徑測量數(shù)據(jù)

由表1可知，在135只不良品中，22只不良品屬于護管尺寸超差，其中通規(guī)測量值為1.30 mm和止規(guī)測量值為1.31 mm，合格護管共113只，占比83.7%；通規(guī)測量值為1.31 mm、止規(guī)測量值為1.31 mm，不合格護管共14只，占比10.37%；通規(guī)測量值為1.32 mm、止規(guī)測量值為1.33 mm，不合格護管共6只，占比4.45%；通規(guī)測量值為1.33 mm、止規(guī)測量值為1.34 mm，不合格護管共2只，占比1.48%。

根據(jù)插孔的力學模型可知，將上述參數(shù)代入式10，求得F在0.3～0.8 N，其分離力大小范圍與圖紙文件設計要求一致。本文將合格護管零件與不良品插孔零件組裝在一起，進行插孔合件分離力驗證實驗，分離力恢復，其值均在0.3～0.8 N范圍內。

針對113只不良品插孔縮口尺寸和插孔簧片厚度進行測量，其測量結果如表2所示。

表2 簧片厚度和縮口尺寸統(tǒng)計

綜上分析，護管超差、簧片厚度超差、縮口尺寸超差是造成分離力異常的主要原因。在實際生產(chǎn)中可將設為，并調整縮口設備穩(wěn)定性，從而提高產(chǎn)品合格率。

3 插孔合件分離力仿真分析

通過對135組插孔合件的分離力試驗的數(shù)學統(tǒng)計分析和理論分析，插孔簧片的厚度直接影響插孔與插針接觸的正向壓力，正向壓力與分離力的大小成正比，故可將分離力轉換成正向壓力進而對插孔合件進行力學仿真分析[4]。本節(jié)對插孔簧片不同的粗糙度、鍍層厚度以及插孔簧片厚度分別進行受力仿真對比分析，其中鍍層厚度可轉換成簧片厚度。

由于護管起到限制插針簧片移位過大的作用，其不作為主要受力分析對象，故在對插孔合件進行仿真分析時，不針對其進行分析。當插針插入插孔內部0～1 s內，本文對插孔縮口后3個簧片的應力和形變量進行分析。

3.1 粗糙度影響

插孔電鍍后簧片內表面的粗糙度與摩擦系數(shù)u成正比，本文材料為鈹青銅C17200，通過仿真不同摩擦系數(shù)如圖5所示，以驗證粗糙度對插針應力和徑向位移的影響，其仿真參數(shù)為：插針與插孔3個簧片的接觸面積為0.381 mm2，分離力為0.6 N。

圖5 粗糙度差異的力學仿真對比分析圖

仿真得出，尺寸、鍍層厚度與分離力均相同而粗糙度不同的兩種插孔，其插孔的應力和徑向位移不同。分別對比圖5-1和5-2可知，摩擦系數(shù)為0.18插孔的最大應力比摩擦系數(shù)為0.15插孔的最大應力小11 MPa，其應力主要分布在簧片鼓包處外部表面和鼓包處開槽內部，其插孔的徑向位移主要集中在簧片的縮口處。

3.2 插孔簧片影響

相同外徑的插孔簧片厚度直接影響插針應力和徑向位移。本文對材料為鈹青銅C17200，厚度相差0.075 mm的兩種插孔進行仿真驗證，如圖6所示，其仿真參數(shù)為插針與插孔3個簧片的接觸面積為0.381 mm2，分離力分別為0.6 N和1.5 N。

圖6 簧片厚度差異的力學仿真對比分析圖

仿真得出，插孔外徑尺寸、鍍層厚度與粗糙度均相同，因簧片厚度差異導致內徑不同的兩種插孔，其插孔應力和徑向位移不同。分別對比圖6-1和6-2可知，簧片厚度為0.25 mm插孔的最大應力比簧片厚度為0.325 mm插孔的最大應力小280 MPa，其應力主要分布在簧片鼓包處外部表面和鼓包處開槽內部；其插孔的徑向位移主要集中在簧片的縮口處。

通過上述仿真可知，粗糙度對插孔簧片的應力和徑向位移影響較小，而彈片厚度對插孔簧片的應力和徑向位移影響相對較大。

4 結論

1）建立了插孔分離力的數(shù)學模型，并結合仿真軟件進行了力學仿真驗證，研究表明鍍層厚度、鍍層粗糙度對插孔的應力和徑向位移影響較小，而插孔縮口尺寸、簧片厚度對插孔應力和徑向位移影響較大；插孔的應力主要存在于簧片槽內孔的根部以及根部外表面處；插孔的最大應力存在于簧片槽內孔的根部；插孔的最大徑向位移位于縮口處，其徑向位移沿著簧片根部逐步減小。

2）通過對135只不合格產(chǎn)品進行數(shù)學統(tǒng)計，其中護管超差占比16.3%；簧片厚度超差占比33.3%；護管尺寸與簧片厚度均合格而縮口尺寸超差占比26.7%。

插孔分離力異常主要由簧片厚度超差、護管內徑尺寸超差、縮口尺寸超差（設備運行不穩(wěn)定）三方面因素造成。