昝海斌，盧一鵬，楊存平，杜勝杰，徐立立，吳超云

（1.成都中車四方所科技有限公司，成都 610511；2.資陽(yáng)中車電氣科技有限公司，資陽(yáng) 641300；3.廣州廣電計(jì)量檢測(cè)股份有限公司，廣州 510656）

引言

電連接器要求在各種惡劣的環(huán)境、各種苛刻的條件下可靠地溝通電路、傳遞信息、實(shí)現(xiàn)特定的功能[1]，其可靠性直接影響到系統(tǒng)能否可靠地工作，由于電連接器的失效而導(dǎo)致系統(tǒng)故障的事例時(shí)有發(fā)生。YH400 系列連接器主要用在動(dòng)車組間主電路、輔助電路跨接連接，已大批量在CRH2 系列動(dòng)車組、CRH6 系列動(dòng)車組、CRH380 系列動(dòng)車組裝車運(yùn)用，其失效時(shí)有發(fā)生，因此確認(rèn)其故障模式，掌握其使用壽命分步情況，對(duì)連接器檢修周期的確定提供參考。

1 壽命試驗(yàn)方案

根據(jù)連接器的使用環(huán)境，確定對(duì)連接器影響最大的環(huán)境應(yīng)力，并通過(guò)收集連接器在線上使用過(guò)程中出現(xiàn)的故障，分析其故障模式，確定其主要的失效模式。

1.1 故障模式分析

車端連接器最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間已超過(guò)10 年，其運(yùn)行過(guò)程中，主要出現(xiàn)的故障模式如表1 所示。

表1 連接器的典型失效模式

經(jīng)分析研究，其中連接器脫落主要是因?yàn)樵诰S護(hù)保養(yǎng)過(guò)程中，操作不當(dāng)而造成，屬于非責(zé)任故障，因此不作為本次研究的主要故障模式。本項(xiàng)目對(duì)連接器的密封失效、絕緣失效及接觸對(duì)連接失效三種故障模式開展壽命評(píng)估研究。

1.2 環(huán)境影響分析

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，該型車端連接器的外部使用自然環(huán)境因素包括：

1）環(huán)境溫度范圍（-55 ～+70）℃；

2）環(huán)境相對(duì)濕度95 %以下（該月月平均最低溫度為25 ℃）；

3）海拔高度不大于2 500 m。

車輛運(yùn)行環(huán)境因素包括：

1）機(jī)械振動(dòng)沖擊環(huán)境作用；

2）濕熱環(huán)境作用；

3）電應(yīng)力環(huán)境作用。

根據(jù)電連接器的主要故障模式，主要為燒損類故障及插針鍍層氧化，此類故障多由于連接器密封失效導(dǎo)致水汽侵入、絕緣電阻降低、接觸電阻變大等現(xiàn)象，從而產(chǎn)生放電、燒損等現(xiàn)象[1～2]?？紤]溫度對(duì)連接器尤其是密封件、絕緣件影響較大[3～4]，高溫環(huán)境下易加速此類密封件與絕緣件老化，因此本項(xiàng)目將溫度應(yīng)力作為主要的加速試驗(yàn)的應(yīng)力。同時(shí)，由于振動(dòng)沖擊等機(jī)械應(yīng)力對(duì)與連接器的結(jié)構(gòu)破壞較大，有可能造成連接器脫落，但從車輛運(yùn)行的故障統(tǒng)計(jì)來(lái)看，此類的故障模式極少概率發(fā)生，并且型式試驗(yàn)過(guò)程中已經(jīng)考核了振動(dòng)環(huán)境對(duì)連接器的影響。因此在連接器壽命試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮溫度環(huán)境對(duì)于連接器性能的影響，兼顧振動(dòng)應(yīng)力對(duì)產(chǎn)品壽命的影響，采用施加多應(yīng)力的方式加速連接器失效。

2 連接器壽命研究

2.1 試驗(yàn)樣品情況及試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

通過(guò)調(diào)研被試品主要組件的溫度耐受范圍確定連接器的高溫老化試驗(yàn)溫度不超過(guò)125 ℃。結(jié)合連接器規(guī)范中規(guī)定的高溫工作溫度，確定高溫加速試驗(yàn)的三個(gè)應(yīng)力分別為125 ℃、115 ℃、105 ℃。結(jié)合振動(dòng)及插拔次數(shù)要求，確定以下（表2）試驗(yàn)方案，YH400-G50 型連接器及關(guān)鍵部件按照表3 進(jìn)行高溫老化試驗(yàn)[3～7]。

每個(gè)周期老化、振動(dòng)及插拔結(jié)束后，按以下要求對(duì)被試樣品進(jìn)行性能測(cè)試[8]：

1）連接器檢測(cè)順序按照外觀及結(jié)構(gòu)—外殼防護(hù)—接觸電阻—溫升—絕緣電阻—耐電壓；

2）電纜密封襯墊樣件、O 型密封圈樣件檢測(cè)順序按照：外觀—硬度—拉伸（按照表2 要求送樣至廣電計(jì)量）。其中，硬度測(cè)試位置在拉伸樣件的兩端進(jìn)行；

表2 YH400-G50 連接器試驗(yàn)

3）插頭絕緣臺(tái)檢測(cè)順序按照：外觀—擊穿電壓。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 關(guān)鍵部件試驗(yàn)結(jié)果分析

連接器關(guān)鍵部件隨連接器進(jìn)行了高溫老化試驗(yàn)，試驗(yàn)情況如下：

1）O 型密封圈（氯丁橡膠）在125 ℃、115 ℃、105 ℃老化一個(gè)周期后顯著硬化，測(cè)試YH400-G50 型連接器密封性（IPX7），樣件全部漏水，密封失效；

2）密封襯墊硅橡膠標(biāo)樣，完成了125 ℃下1 000 h，115 ℃下1 500 h，105 ℃下2 000 h 老化試驗(yàn)，硬度和拉伸強(qiáng)度均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，測(cè)試結(jié)果均未超出初始值的30 %；

3）插頭絕緣臺(tái)，完成了125 ℃下1 000 h，115 ℃下1 500 h，105 ℃下2 000h 老化試驗(yàn)，硬度及擊穿電壓隨老化時(shí)間延長(zhǎng)變化不明顯，性能相對(duì)較穩(wěn)定；

基于關(guān)鍵部件的試驗(yàn)結(jié)果分析，確定O 型密封圈為連接器最薄弱部件，密封圈硬化導(dǎo)致連接器密封失效，并以此推斷，O 型密封圈壽命在一定程度上可以等效為連接器壽命，因此建議在車輛檢修過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注O 型密封圈的狀態(tài)及時(shí)更換。此型號(hào)O 型密封圈使用材料為氯丁橡膠，因在125 ℃下200 h 即全部硬化，連接器全部密封失效，其使用壽命相對(duì)較短，因此在其材料選型上建議考慮性能更優(yōu)的材料。

2.2.2 連接器試驗(yàn)結(jié)果分析

在各應(yīng)力水平下，樣品的性能退化，根據(jù)試驗(yàn)方案假定同一溫度下，連接器性能退化規(guī)律遵循線性退化規(guī)律[]，將測(cè)試數(shù)據(jù)使用以下公式進(jìn)行擬合：

式中：

L—特征參數(shù)壽命；

t —老化時(shí)間，單位為小時(shí)（h）；

b—初始常數(shù)；

m—衰減系數(shù)。

按照線性擬合公式的一般形式，式（1）可以寫成

根據(jù)式（1）和式（2）可知，y=L，x=1/t

式中：

n—擬合用測(cè)試數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)。

在線性擬合分析中，需要對(duì)x、y 之間相關(guān)程度做出判斷，這就要計(jì)算相關(guān)系數(shù)，如果r2越接近于1，表明擬合程度越好。該數(shù)值應(yīng)在報(bào)告中給出。r 的計(jì)算公式如下：

YH400-G50 型連接器更換密封圈后，完成了125 ℃下1 000 h，115 ℃下1 500 h，105 ℃下2 000 h 老化試驗(yàn)，性能參數(shù)無(wú)失效。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果依據(jù)上述公式進(jìn)行擬合，可以看出隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，其接觸電阻和漏電流變化不大，溫升呈現(xiàn)明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)，如圖1～3 所示，因此將溫升作為YH400-G50 型連接器的特征參數(shù)，分析其測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)行壽命研究。

圖1 連接器接觸電阻隨老化時(shí)間變化

2.3 連接器壽命研究

2.3.1 加速模型

本文中選用Arrhenius 加速模型。通過(guò)對(duì)連接器加速模型的外推得到其偽失效壽命數(shù)據(jù)，將其視為完全壽命數(shù)據(jù)，進(jìn)行加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)推斷，采用威布爾分布的概率密度函數(shù)估計(jì)分布的未知參數(shù)以及加速試驗(yàn)的參數(shù)模型中的未知參數(shù)，給出了加速試驗(yàn)可靠性評(píng)估方法，并基于建立的可靠性統(tǒng)計(jì)模型，對(duì)系統(tǒng)在不同應(yīng)力下的特征壽命進(jìn)行可靠性評(píng)估[9～11]。

高溫加速老化符合Arrhenius 加速模型：

式中：

v—反應(yīng)速率；

A0—與材料相關(guān)的常數(shù)；

Ea—激活能（eV）；

T—試驗(yàn)溫度（K）；

k—玻爾茲曼常數(shù)（8.617 3×10-5eV/K）。

由于特征參數(shù)的失效時(shí)間與反應(yīng)速率的倒數(shù)成正比，因此公示（6）可以寫成：

式中：

L—壽命；

A—常數(shù)。

為方便數(shù)據(jù)分析，將公式8 兩邊取對(duì)數(shù)進(jìn)行線性化處理，公式（7）可以寫成：

式中：

a—ln(A)為常數(shù)；

b—Ea/k。

按照線性擬合公式的一般形式，公式（8）可以寫成

根據(jù)公式（8）和公式（9）可知，y=ln(L)為壽命的對(duì)數(shù)，x=1/T 為溫度的倒數(shù)，m= Ea/k，n= ln(A)為常數(shù)。

2.3.2 壽命評(píng)估

通過(guò)隨溫升測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，考慮105 ℃在第4和第5 周期性能測(cè)試環(huán)境改變，測(cè)試數(shù)據(jù)異常，因此只選取前3 個(gè)周期測(cè)試結(jié)果（表3～5）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)圖4。以溫升55 K 為截止點(diǎn)，推測(cè)三個(gè)溫度下溫升55 K 的截止時(shí)間如表6 所示。

表6 連接器壽命壽命預(yù)測(cè)結(jié)果

圖4 連接器溫升數(shù)據(jù)擬合結(jié)果

表3 連接器125 ℃下溫升隨老化時(shí)間變化

圖2 連接器漏電流隨老化時(shí)間變化

圖3 連接器溫升隨老化時(shí)間變化

高溫加速老化符合Arrhenius 加速模型，壽命預(yù)測(cè)結(jié)果按照2.3.1 節(jié)（8）～（10）進(jìn)行數(shù)據(jù)線性擬合，擬合結(jié)果件表7 和圖5。

圖5 連接器壽命分析結(jié)果

表7 連接器壽命預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)壽命預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合得到線性關(guān)系：

根據(jù)上式確定m=Ea/k=8 248.1，YH400-50 型連接器激活能Ea=8 248.1×8.617 3×10-5=0.711 eV。

考慮溫升使用過(guò)程中，連接器通入大電流，連接器的連接部位處于高溫使用環(huán)境，按照平均使用環(huán)境為65 ℃（338 K）進(jìn)行預(yù)估，即x=1/T=1/338，帶入公式（10）中得出計(jì)算y=ln（L）= 10.955 7，從而得出溫升失效時(shí)間為L(zhǎng)=57 278 h。按照連接器線上每天使用10 h 進(jìn)行預(yù)估，則連接器的溫升失效時(shí)間約為15.7 年。

表4 連接器115 ℃下溫升隨老化時(shí)間變化

表5 連接器105 ℃下溫升隨老化時(shí)間變化

2.3.3 加速因子計(jì)算

根據(jù)Arrhenius 加速模型，計(jì)算高溫環(huán)境下連接器參數(shù)退化的加速因子Af：

式中：

T—連接器使用溫度，按開式溫度338 K（65 ℃）計(jì)算；

T′—加速溫度；

Ea—激活能0.711 eV。

將加速溫度帶入公式（11）中，得出398 K（125 ℃）溫度下的加速倍數(shù)約39.6 倍，388 K（115 ℃）溫度下加速倍數(shù)約23.2 倍，378 K（105 ℃）溫度下加速倍數(shù)約13.2 倍。

3 結(jié)論

1）連接器激活能約為0.71 eV；

2）以溫升為壽命特征參量推測(cè)連接器性能失效時(shí)間：考慮溫升使用過(guò)程中，連接器通入大電流，連接器的連接部位處于高溫使用環(huán)境，按其工作狀態(tài)平均溫度65 ℃進(jìn)行計(jì)算，其失效時(shí)間為57 277 h。按照連接器線上每天使用10 h 進(jìn)行預(yù)估，則連接器的性能失效時(shí)間約為15.7 年。

3）車端連接器中O 型密封圈為其最薄弱部分，在車輛檢修中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，同時(shí)在材料選型上建議選用性能更優(yōu)的材料。