臧竹青

(泰州市航宇電器有限公司，江蘇泰州，225300)

1 引言

電連接器是武器裝備中的重要接口元件，武器裝備系統(tǒng)的各種信號都需要靠電連接器來完成傳遞和轉(zhuǎn)接。為了保證極端氣候條件下，武器裝備系統(tǒng)內(nèi)信號傳遞的可靠性，電連接器的環(huán)境性能，特別是密封性的要求正在逐步提高。電連接器一般采用橡膠密封圈、灌封硅橡膠等方式實現(xiàn)密封，可根據(jù)具體使用場合來加以選擇。

本文介紹的圓形電連接器，通過特殊的頭殼體結構設計，提高水密功能的可靠性。

2 產(chǎn)品介紹

2.1 開發(fā)背景

該圓形密封電連接器是我公司為某研究所開發(fā)的用于軌道交通設備上的連接器?？蛻粢筮B接器有防水功能，可耐1米水深。其具體性能指標如下：

額定電壓：500V(50Hz)；

額定電流：5A；

絕緣電阻：≥5000 (MΩ)；

耐電壓：1500V(50Hz)；

環(huán)境溫度：-55℃～+200℃；

機械壽命：1000 次；

振動：10Hz～2000Hz， 196m/s2；

沖擊：980m/s2；

耐鹽霧能力： 200小時；

防護要求：于水下1米，可正常工作。

2.2 整體結構設計

圖1是電連接器的三維造型，圖2是電連接器的剖面圖。該款圓形密封電連接器采用卡口式結構，鎖緊牢靠，抗振耐沖，可滿足振動與沖擊的性能指標。插頭插座具有五種鍵位角度定位，可實現(xiàn)盲插和防錯插功能。方法蘭插座采用腰形安裝孔結構，使插座安裝有更大的兼容性。插頭插座與尾部附件的連接形式為螺紋連接，為保證產(chǎn)品密封的可靠性，插頭插座殼體末端均設計有防轉(zhuǎn)端齒。插頭插座的端接形式采用焊接式，連接牢靠，接點電阻小。

圖1 連接器結構圖

圖2 連接器剖面圖

3 零件設計

3.1 外殼

產(chǎn)品在使用過程中，外殼是主要的漏在外部的零件,故外殼零件的耐鹽霧性能，直接關系到成品的耐鹽霧性能?？蛻粢笤撨B接器的耐鹽霧性能為200小時，且對連接器的重量有所限制。圓形連接器常用的外殼材料為鋁材、銅材及不銹鋼材料，密度分別為2.7g/cm3、8.5/cm3、7.9g/cm3。根據(jù)客戶的需求，該連接器使用鋁材作為外殼材料。鋁材的表面處理一般為電鍍鎳、化學鍍鎳、陽極氧化、噴涂。鋁材電鍍鎳的耐鹽霧性能為48小時，無法滿足要求。相較電鍍鎳，化學鍍鎳的鍍層更為致密，孔隙少，所以防護性能更好，一般耐鹽霧性能為96小時。鋁材陽極氧化的耐鹽霧性能受鋁合金材質(zhì)、氧化膜的厚度及封孔影響，從幾十到幾百小時不等。鋁材噴涂的抗腐蝕性能優(yōu)良，耐酸堿鹽霧大大優(yōu)于陽極氧化，不過涂層質(zhì)地較脆，振動沖擊時易剝落。因該連接器耐鹽霧性能要求較高，且可耐振動、沖擊，我們采用6系列鋁材，鍍層為陽極氧化。

在插頭插座旋合過程中，可以聽到一聲清晰的咔噠聲。此時，插頭插座插合到位，頭殼體擠壓插座內(nèi)的座線圈，實現(xiàn)該電連接器的密封功能。此時，頭殼體受座線圈的推力與波形圈的推力，達到力平衡?？紤]到波形圈長時間持續(xù)受力，有可能存在彈性失效的風險，導致電連接器連接界面進水。為提高產(chǎn)品密封功能可靠性，于頭殼體與防跳圈配合處，設計有臺階結構，避免波形圈彈性失效時，防止頭殼體回退過大，導致座線圈沒有壓縮量，引起產(chǎn)品密封功能失效。

圖3 頭殼體結構圖

3.2 基座

表1是常用工程塑料的熱變形溫度。該連接器的使用環(huán)境溫度為-55℃～+200℃，由表1可知，滿足該連接器使用溫度要求的有PT610，PA46，PA6T，LCP。綜合考慮該連接器的尺寸穩(wěn)定性的要求及材料成本，我們選擇了PT610作為絕緣體和蓋板的原材料。

表1 常用工程塑料熱變形溫度表

3.3 接觸件

3.3.1 接觸件類型、材料及鍍層選擇

為了滿足插拔力小、壽命長的要求，該圓形密封電連接器選擇可靠性高的線簧孔結構，線簧孔具有插拔柔和、接觸電阻小、抗振動沖擊、壽命長等特點。

該電連接器插針為細長結構，因此插針選用錫青銅材質(zhì)。插孔基材采用H62銅，接觸件表面鍍金。

3.3.2 接觸件直徑

電流與接觸件的關系如式⑴所示：

I= k·π·(d/2)2·S

⑴

式中，I為接觸對載流量，A；d為接觸對直徑，mm；k為接觸系數(shù)；S為導體單位面積的最大安全電流，A/mm2，對銅導體一般取6 A/mm2。

接觸系數(shù)k取決于接觸對的發(fā)熱和散熱狀況。發(fā)熱狀況取決于接觸電阻和接觸面積，散熱狀況則取決于接觸對和連接器的結構。一般k在0.9～1之間，根據(jù)連接器插頭插座的結構特點和使用環(huán)境，k取0.95。

由式⑴可以計算出：d=1mm。

為確保產(chǎn)品設計的合理性，我們對該連接器的溫升值進行了理論計算摸底。連接器的溫升結果除了受接觸件的發(fā)熱影響外，還受到其散熱方式及產(chǎn)品結構的影響，為簡化估算過程，我們需對連接器的各項參數(shù)進行假定，我們假定連接器接觸件的分布是均勻的，其載流量假定是相同的，此時連接器達到熱平衡后的溫度值可按下述方法估算：

Tc=q/(4·π·L·k)+Ts(℃)

(2)

Ts=q/(π·D·L·h)+Ta(℃)

(3)

q=I2·R·N·[1+α·(Tc-20)] (W)

(4)

其中：Ts—連接器外表面溫度(℃)；

Tc—連接器圓截面內(nèi)部最高溫度(℃)；

Ta—環(huán)境溫度 (℃)；

L—連接器總長；(m)

k—絕緣材料熱導率(W/m·℃)

D—連接器外圓直徑(m)

I—單個接觸件負載電流(A)

α—電阻溫度系數(shù)(1/℃)

R—20℃接觸電阻 (Ω)

N—連接器芯數(shù)

h—連接器表面對流傳熱系數(shù)與輻射傳熱系數(shù)之和(W/m2·℃)

合并式⑵、⑶、⑷，最終簡化得到：

Tc=[M·(1-20·α)+ Ta] (1-M·α)-1

⑸

M=I2·R·N·(π·L)-1[(4·k) -1+(D·h)-1]

⑹

對該款連接器在標準大氣壓條件下，正常工作時溫升進行估算，各項數(shù)值取值如下：I=5A，R=5×10-3Ω，L=55×10-3m，N=7，D=23×10-3m，k=1.2 W/m·℃，h=7.2 W/m·℃，α=0.004/℃，Ta=25℃。按式⑹計算可得M=31.6℃，按式⑸計算可得Tc=61.9℃，溫升T=Tc- Ta=61.9℃-25℃=36.9℃。該連接器工作時的溫升為36.9℃，其影響可忽略不計，故我們選擇了直徑為1mm的接觸件。

4 總結

本文通過對我司開發(fā)圓形密封電連接器的設計分析，得到以下結論：

⑴ 頭殼體與防跳圈配合處，設計有臺階結構，避免波形圈彈性失效引起的產(chǎn)品密封失效，提高產(chǎn)品可靠性。

⑵ 根據(jù)產(chǎn)品性能指標要求，逐一分解，正向設計，充分驗證，保證產(chǎn)品設計質(zhì)量。

⑶ 接觸件直徑及溫升的理論計算可以有效的指導設計，規(guī)避質(zhì)量風險。