宮象亮

(青島永貴科技有限公司,山東 青島 266000)

0 引言

電氣連接器作為高速動(dòng)車組上為電線和電纜端頭提供快速接通和斷開(kāi)的裝置,擔(dān)負(fù)著電能傳輸、信號(hào)控制與傳遞的功能[1]。電氣連接器的性能及可靠性受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、組裝工藝、選型匹配等多方面因素的影響,在產(chǎn)品制造、連接作業(yè)等過(guò)程中均可能出現(xiàn)各種問(wèn)題,從而引起失效[2]。一旦失效(接觸不良、絕緣不足、密封不嚴(yán)、安裝不良等),將會(huì)嚴(yán)重影響車輛整體的質(zhì)量和運(yùn)行安全[3-4]。

縮針,也稱“退針”,是電氣連接器常見(jiàn)的一種失效形式,是指電氣連接器裝配完成后,針孔件與絕緣板非正常分離的現(xiàn)象,極易造成虛接、斷路、接觸不良等連接故障[5]。在機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中因連接器縮針導(dǎo)致的設(shè)備故障,在機(jī)車故障中具有相當(dāng)高的比例,嚴(yán)重影響了機(jī)車的正常運(yùn)行[6]。本文針對(duì)一起電氣連接器縮針故障進(jìn)行原因分析并提出了改進(jìn)措施,以期為類似故障的分析及解決提供有益參考。

1 問(wèn)題的提出

2019年3月26日,CR400AF-2808列動(dòng)車組在解編時(shí)發(fā)現(xiàn),02車二位端YG714輔助/直流電連接器V、W相存在縮針故障,經(jīng)測(cè)量,插針與絕緣板端面距離V相為4.5 mm,W相為6.5 mm,而正常安裝到位時(shí)插針與絕緣板端面基本持平,距離小于1.5 mm。

2 故障檢查及原因分析

2.1 連接器結(jié)構(gòu)

YG714輔助/直流電氣連接器安裝在復(fù)興號(hào)高速動(dòng)車組車端,主要功能是實(shí)現(xiàn)不同車廂間直流、交流電的傳遞。連接器由插頭和插座組成,插頭(見(jiàn)圖1)和插座由殼體組件、絕緣板組件、插針(插頭)/插孔(插座)、蓋板組件、電纜等組成。

圖1 YG714連接器插頭組成

2.2 外觀檢查

檢查故障 V 相、W 相絕緣板,外觀狀態(tài)良好,內(nèi)部彈性卡爪倒鉤無(wú)斷齒,尺寸符合圖紙要求。連接器電纜管接頭白色防退標(biāo)記線與電纜管接頭間分別同步發(fā)生了松脫移位?？ㄗΦ广^和防退標(biāo)記線如圖2、圖3所示。

圖2 絕緣板卡爪倒鉤

圖3 電纜管接頭及防退標(biāo)記線

2.3 固定力測(cè)試

(1)標(biāo)準(zhǔn)固定力測(cè)試。模擬正常工況,軸向垂直受力無(wú)角度偏移,如圖4所示。將故障V、W相絕緣板與插針安裝到位后(不壓接電纜),進(jìn)行固定力測(cè)試(標(biāo)準(zhǔn)值不小于200 N),測(cè)得固定力分別為169 N、154 N,屬異常值。選取新絕緣板與插針裝配后使用工裝測(cè)試,測(cè)得固定力為368 N,屬正常值。因?yàn)楣收辖^緣板已受力強(qiáng)制退針,絕緣板卡爪倒鉤發(fā)生不均勻磨損及形變,故對(duì)插針固定力低于標(biāo)準(zhǔn)值。在實(shí)際使用過(guò)程中,要求絕緣板為一次性使用,退針后需要更換新絕緣板。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)固定力測(cè)試 圖5 非標(biāo)準(zhǔn)固定力測(cè)試(無(wú)角度偏移) (有角度偏移)

(2)非標(biāo)準(zhǔn)固定力測(cè)試。模擬非正常工況,插針發(fā)生徑向偏移,如圖5所示。先將插針和電纜壓接,然后將插針與絕緣板安裝到位,將絕緣板與電纜夾持位置偏移約10°后進(jìn)行固定力測(cè)試,測(cè)得固定力為188 N,屬異常值。

2.4 縮針相關(guān)的固定結(jié)構(gòu)

電纜裝配到連接器后,絕緣板提供了插針的固定力,電纜管接頭提供了電纜的鎖緊力。固定力高,則連接器部件的強(qiáng)度高,能夠確保連接器電流傳輸?shù)姆€(wěn)定性;固定力低,可能會(huì)造成連接器接觸部位虛接或斷路,使得連接器失去其本身應(yīng)有的電氣連接性[7]。電纜的鎖緊力直接關(guān)系到連接器電氣連接的可靠性、防水密封性能等。鎖緊不良,輕者造成瞬間斷電,引起車輛運(yùn)行中故障報(bào)警,重者造成連接器分離解體,影響整車運(yùn)行安全[8]。與縮針相關(guān)的固定保持結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 與縮針相關(guān)的固定結(jié)構(gòu)

2.5 分析結(jié)論

當(dāng)插針無(wú)角度偏移時(shí),卡爪固定力均勻,固定力滿足標(biāo)準(zhǔn)要求;當(dāng)插針存在徑向偏移錯(cuò)位時(shí),卡爪倒鉤與插針搭接面積不足,插針受力不均,加劇了縮針問(wèn)題的產(chǎn)生。

引起本次縮針故障的原因可能為：動(dòng)態(tài)運(yùn)行工況下,電纜扭轉(zhuǎn)及彎曲力通過(guò)電纜傳遞到接觸件上并伴隨插針徑向偏移,超過(guò)絕緣板卡爪能夠承受的最大拉力,從而導(dǎo)致縮針。

經(jīng)測(cè)試,雖然現(xiàn)有的新絕緣板固定力可以滿足不小于200 N的標(biāo)準(zhǔn)要求,且連接器裝配后正常使用時(shí),電纜鎖緊接頭與插針絕緣板在同一軸心,出現(xiàn)大角度偏移現(xiàn)象可能性較低,但為了增強(qiáng)連接器的可靠性,避免再次發(fā)生縮針故障,需要改進(jìn)絕緣板結(jié)構(gòu),提高固定力,且需要有防止插針徑向偏移的設(shè)計(jì)。另外,白色防脫標(biāo)記線與電纜管接頭間發(fā)生了位移,說(shuō)明目前電纜管接頭鎖緊力偏小,需要在不破壞電纜和管接頭的前提下增大管接頭扭矩,以提高管接頭鎖緊力。

3 改進(jìn)措施

3.1 絕緣板絕緣材料的選擇

絕緣板常用材料有尼龍PA、 PPS、PBT、PC等有較高絕緣耐壓及力學(xué)性能的工程塑料。PA材料因具有較高的電氣/力學(xué)性能及自潤(rùn)滑、耐磨、耐腐蝕等特性,因而越來(lái)越多地應(yīng)用在高電壓大電流的動(dòng)車組電氣連接器中。YG714電氣連接器采用了PA66作為絕緣材料,并在制備過(guò)程中加入了30%玻纖增韌,加入玻纖后,其電氣/力學(xué)性能和耐熱性顯著提高,可進(jìn)一步拓寬使用范圍[9-10]。

經(jīng)固定力測(cè)試結(jié)果可知,正常情況下PA66是可以滿足固定力要求的,且該材料成熟、可靠,在其他類似連接器上也有使用經(jīng)驗(yàn)。注塑過(guò)程均按照工藝要求對(duì)各工序進(jìn)行控制,可保證產(chǎn)品質(zhì)量合格及穩(wěn)定性。故本次改進(jìn),不改變材質(zhì),重點(diǎn)對(duì)絕緣板卡爪結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

3.2 絕緣板卡爪結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.2.1卡爪結(jié)構(gòu)更改

發(fā)生故障的絕緣板卡爪為12爪結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖7),為增強(qiáng)單個(gè)卡爪的接觸面積和強(qiáng)度,現(xiàn)擬將原12爪減少為8爪?？ㄗ?shù)量減少后,受到相同的力,8爪比12爪變形量小,能一定程度上減少生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用過(guò)程中由于擠壓等因素造成的卡爪變形失效[11]。同時(shí)為減少插針徑向偏移的影響,在卡爪旁增加了護(hù)臺(tái)(見(jiàn)圖8),以使絕緣板的卡爪能均勻受力,提高插針在絕緣板中的固定力。預(yù)期改進(jìn)后的固定力將提升為原來(lái)的2倍,達(dá)到400 N。12爪及8爪結(jié)構(gòu)如圖7、圖8所示。

圖7 12爪結(jié)構(gòu) 圖8 8爪結(jié)構(gòu)(新增護(hù)臺(tái))

8爪結(jié)構(gòu)增加了單爪的寬度,使單爪倒鉤面積由5.1 mm2提升至8.0 mm2,從而增加了單爪強(qiáng)度,與原12爪結(jié)構(gòu)的對(duì)比如表1所示。

表1 8爪與12爪結(jié)構(gòu)對(duì)比表

3.2.2結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真

(1)建模

用Solidworks2018 SP5軟件對(duì)卡爪強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析,基于有限元模型,施加邊界條件求解。簡(jiǎn)化模型及施加力位置如圖9所示。

圖9 簡(jiǎn)化模型及施加力位置

(2)模型前處理及仿真分析結(jié)果

考慮模型的復(fù)雜性與實(shí)際分析對(duì)象,對(duì)模型進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化處理,保留與分析對(duì)象相關(guān)的部分。模型前處理及網(wǎng)格劃分、仿真分析結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 模型前處理及網(wǎng)格劃分

圖11 仿真分析結(jié)果

(3)仿真分析結(jié)論

卡爪根部產(chǎn)生的應(yīng)力達(dá)到最大時(shí)(即達(dá)到PA66材料斷裂強(qiáng)度極限150 MPa),絕緣板8爪受到軸向壓力為116 N,12爪為62 N。在不考慮殘余應(yīng)力及其他因素的情況下,8卡爪能夠承受的最大軸向力為928 N,12卡爪為737 N。8卡爪是12卡爪仿真強(qiáng)度的1.3倍。

3.2.3插針在絕緣板中的固定性測(cè)試

按標(biāo)準(zhǔn)固定力測(cè)試方法,將插針?lè)謩e裝入8爪和12爪絕緣板后,施加軸向壓力直至插針從絕緣板退出。8爪和12爪絕緣板固定力對(duì)比如表2所示。

表2 8爪和12爪絕緣板固定力對(duì)比

由表2可知,8爪最低固定力為528 N,最高固定力為699 N,平均值為606 N。12爪最低固定力為347 N,最高固定力為381 N,平均值為367 N。測(cè)試完成后,卡爪均無(wú)斷裂。

從數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知,8爪絕緣板最低固定力、最高固定力以及平均固定力均高于12爪絕緣板,且滿足400 N的預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

另外,用非標(biāo)準(zhǔn)固定力測(cè)試方法,在偏移情況下對(duì)插針在絕緣板中的固定性進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)得8爪絕緣板固定力為320 N,對(duì)比12爪固定力188 N, 8爪結(jié)構(gòu)絕緣板抗徑向偏移能力明顯增強(qiáng)。

3.3 電纜管接頭鎖緊力改進(jìn)

本連接器采用M32標(biāo)準(zhǔn)電纜管接頭,防護(hù)等級(jí) IP67。

(1)電纜管接頭扭矩改進(jìn)

原電纜管接頭按13 N·m扭矩進(jìn)行緊固,鎖緊后電纜能夠承受240 N～350 N拉力,現(xiàn)取4個(gè)管接頭,每個(gè)管接頭各施加13 N·m、15 N·m、17 N·m、19 N·m扭矩,然后沿電纜軸向施加拉力直至白色防退標(biāo)記線移位,此時(shí)電纜移位時(shí)受到的拉力值即為鎖緊力,并檢查電纜、電纜管接頭螺紋、電纜管接頭橡膠件及鎖緊件外是否有破損和變形現(xiàn)象。預(yù)期將改進(jìn)后的鎖緊力提升為原標(biāo)準(zhǔn)值150 N的2倍,達(dá)到300 N。不同扭矩值時(shí)電纜管接頭鎖緊力對(duì)比如表3所示。

表3 不同扭矩值時(shí)電纜管接頭鎖緊力對(duì)比

(2)扭矩改進(jìn)結(jié)果

由表3可知,采用17 N·m鎖緊扭矩進(jìn)行緊固后,鎖緊力范圍為350～459 N;采用19 N·m鎖緊扭矩緊固后的鎖緊力范圍為394～482 N,均大于300 N。將17 N·m、19 N·m扭矩試驗(yàn)完成后的樣品拆卸后進(jìn)行檢查,除了有正常的鎖緊壓痕和旋轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦痕外,電纜、電纜管接頭螺紋、電纜管接頭橡膠件及鎖緊件均無(wú)破損、變形現(xiàn)象。

綜上,現(xiàn)選取17～19 N·m 扭矩作為改進(jìn)后的緊固扭矩范圍值。在實(shí)際操作時(shí),可采用18 N·m扭矩。使用18 N·m鎖緊扭矩后進(jìn)行測(cè)試,其鎖緊力最低值為380 N,滿足300 N的鎖緊力提升要求。

4 結(jié)論

本文分析了CR400AF高速動(dòng)車組YG714輔助/直流電氣連接器出現(xiàn)縮針故障的原因,并提出了改進(jìn)措施。通過(guò)設(shè)計(jì)仿真、實(shí)測(cè),確認(rèn)改進(jìn)后的性能達(dá)到了預(yù)期要求,即：

(1)改進(jìn)了絕緣板結(jié)構(gòu)：將卡爪由原12爪減少為8爪,并增加了防插針徑向偏移的護(hù)臺(tái)。采用力學(xué)及絕緣性能優(yōu)越的PA66材料(加30%玻纖)注塑成型。經(jīng)測(cè)試,8爪結(jié)構(gòu)絕緣板固定力最小值大于500 N,滿足其由200 N提升至400 N要求,且抗徑向偏移能力明顯增強(qiáng)。

(2)將電纜管接頭的鎖緊扭矩由13 N·m改進(jìn)到18 N·m,經(jīng)測(cè)試,扭矩改進(jìn)后的電纜管接頭鎖緊力最小為380 N,滿足鎖緊力提升至300 N的要求。

改進(jìn)后的電氣連接器已安裝在中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司產(chǎn)的E43、E51K、E32C、E63、E68等標(biāo)準(zhǔn)高速動(dòng)車組車型上,3年來(lái)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)良好,未再發(fā)生縮針等故障,極大提高了車輛運(yùn)行的可靠性和安全性。