线簧丝倾角对线簧孔式电连接器贮存寿命的影响研究.pdf
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1、第 30 卷第 3 期2023 年 6 月 工程设计学报 Chinese Journal of Engineering DesignVol.30 No.3Jun.2023线簧丝倾角对线簧孔式电连接器贮存寿命的影响研究郭鸿杰1,梁淑雅1,陈文华1,钟立强1,陈哲文1,颜佳辉2(1.浙江理工大学 浙江省机电产品可靠性技术研究重点实验室,浙江 杭州 310018;2.工业和信息化部电子第五研究所 电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室,广东 广州 511370)摘 要:线簧丝倾角是线簧孔式电连接器的重要设计参数之一,对其贮存寿命有显著影响。针对该问题,分析了贮存环境下线簧丝倾角改变时线簧孔式电连
2、接器的失效机理,并建立了其贮存可靠性统计模型。在此基础上,建立了线簧孔式电连接器贮存寿命随线簧丝倾角变化的数学模型。最后,制定了恒定应力加速退化试验方案并开展相关试验,通过统计分析试验数据得到不同线簧丝倾角(710)下线簧孔式电连接器的性能退化模型参数估计值,实现了电连接器的贮存可靠性评估。结果表明,通过最小二乘法拟合得到的贮存寿命与线簧丝倾角的函数关系式的拟合优度高达0.968 1,验证了所构建模型的准确性。研究结果可为后续线簧孔式电连接器的可靠性增长设计提供一定的理论基础和参考。关键词:线簧丝倾角;线簧孔式电连接器;贮存寿命;可靠性统计模型;加速退化试验中图分类号:TB 114 文献标志码
3、:A 文章编号:1006-754X(2023)03-0390-09Research on influence of wire spring inclination angle on storage life of wire spring hole electrical connectorGUO Hongjie1,LIANG Shuya1,CHEN Wenhua1,ZHONG Liqiang1,CHEN Zhewen1,YAN Jiahui2(1.Zhejiang Province s Key Laboratory of Reliability Technology for Mechanical
4、 and Electrical Product,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018,China;2.Key Laboratory of Reliability Physics and Application Technology of Electronic Components,The Fifth Institute of Electronics,Ministry of Industry and Information Technology,Guangzhou 511370,China)Abstract:The wire spring in
5、clination angle is one of the important design parameters for the wire spring hole electrical connector,which has a significant impact on its storage life.Aiming at this problem,the failure mechanism of the wire spring hole electrical connector was analyzed when the wire spring inclination angle cha
6、nged in the storage environment,and its storage reliability statistical model was established.On this basis,a mathematical model of the storage life of wire spring hole electrical connector varing with the wire spring inclination angle was established.Finally,a constant stress accelerated degradatio
7、n test scheme was developed and relevant tests were carried out.Through statistical analysis of the test data,the performance degradation model parameter estimates of the wire spring hole electrical connector under different wire spring inclination angles(710)were obtained,achieving the storage reli
8、ability evaluation of electrical connectors.The results showed that the goodness of fit of the functional relationship between storage life and wire spring inclination angle obtained by least square method was as high as 0.968 1,which verified the accuracy of the established model.The doi:10.3785/j.
9、issn.1006-754X.2023.00.038收稿日期:20221021 修订日期:20221226本刊网址在线期刊:http:/ 3 期郭鸿杰,等:线簧丝倾角对线簧孔式电连接器贮存寿命的影响研究research results can provide a theoretical basis and reference for the reliability growth design of wire spring hole electrical connectors in the future.Key words:wire spring inclination angle;wire s
10、pring hole electrical connector;storage life;reliability statistical model;accelerated degradation test电连接器在各类武器、航天等装备中广泛应用,是实现系统内各零部件之间电能、电信号传输的基础元件。在装备长期贮存过程中,任何一个电连接器失效都有可能会导致后续的工作任务失败1。因此,定量地设计和评估电连接器的可靠性对装备的定寿和延寿至关重要。在长期贮存过程中,电连接器的主要失效模式为接触失效2。按接触件的种类划分,电连接器可以分为线簧孔式、绞线式、开槽收口式、冠簧孔式和方形簧片式3。相比于其他类
11、型的接触件,线簧孔式接触件具有较低的接触电阻、良好的接触可靠性等优点,其在武器装备中被广泛应用。接触件结构参数的改变会对电连接器的接触可靠性产生影响。据研究4,在与线簧丝相关的结构参数中,线簧丝倾角对接触件的可靠性有显著影响。陈原等5和袁越锦等6通过理论计算和有限元仿真分析了线簧丝倾角等设计参数对线簧孔式接触件插拔力的影响规律;凌三强等7基于稳健性设计原理,研究了包括线簧丝倾角在内的结构参数的最优组合,优化了线簧孔式接触件插拔力的质量特性分布。Zhou等8对线簧孔式接触件进行了力学计算和有限元分析,通过对比接触压力及其极限范围来评估该接触件的可靠性。Ling等9研究了线簧孔式接触件的结构设计参
12、数分布对电连接器在微动磨损下的接触可靠性的影响,并给出了微动磨损下的可靠性评估方法。综上所述,线簧丝倾角是线簧孔式接触件的重要设计参数之一,合理地选择线簧丝倾角对接触件的接触可靠性起关键作用。然而,现有文献局限于线簧丝倾角对线簧孔式电连接器接触可靠性影响的定性研究,暂未给出线簧丝倾角对线簧孔式电连接器贮存寿命的影响规律。为此,笔者拟从线簧孔式接触件的结构出发,揭示线簧丝倾角改变时接触件的失效机理;在此基础上,建立线簧孔式电连接器的贮存可靠性统计模型及其贮存寿命与线簧丝倾角的数学模型;最后,通过恒定应力加速退化试验得到不同线簧丝倾角下线簧孔式接触件的性能退化数据,以量化线簧孔式电连接器贮存寿命与
13、线簧丝倾角之间的数学关系。1 贮存寿命与线簧丝倾角的数学模型构建 1.1线簧孔式接触件的结构线簧孔式电连接器由线簧孔式接触件、绝缘件、密封件及壳体四大部分组成10。其中,线簧孔式接触件包含两部分:线簧插孔和与之配合的插针,其结构如图1所示。线簧插孔由前套、后套、内套以及线簧丝四部分组成。多根线簧丝按照单叶回转双曲面的直母线排列方式,均匀地分布在内套上并与内套的中心线形成一定角度,如图2所示;前套和后套起固定线簧丝的作用,并分别与内套压接配合。图3所示为线簧丝包络面示意,其中线簧丝与内套中心线的夹角即为线簧丝倾角,为喉圆半径。由图3可知,线簧丝倾角改变会使喉圆半径发生变化,而喉圆半径决定了线簧丝
14、的形变量,从而影响线簧丝与插针之间的接触压力。图1线簧孔式接触件结构示意Fig.1Schematic diagram of wire spring hole contact structure图2插针和线簧插孔内部接触示意Fig.2Schematic diagram of internal contact between pin and wire spring socket图3线簧丝包络面示意Fig.3Schematic diagram of wire spring envelope surface 391工程设计学报第 30 卷 1.2线簧丝倾角改变时的失效机理分析在贮存环境下,线簧孔式电连
15、接器的接触失效机理主要为接触件基底材料铜的氧化腐蚀11-12。接触件的表面通常会进行镀金处理,由于镀层较薄且往往存在孔隙,使得部分基底材料铜暴露在空气中;同时,基底材料中的 Cu+也会通过快速扩散通道(如晶体缺陷等)扩散至镀层表面13,而Cu+对空气中的氧有强烈的亲和力,易发生反应,生成腐蚀物Cu2O,且Cu2O的增长速度与Cu+的扩散速率有关。随着Cu+的不断扩散,Cu2O的厚度逐渐增大,接触件的接触电阻随之增大,直至超过失效阈值而发生接触失效。从微观层面来看,Cu+的扩散需要克服能量势垒,克服能量势垒所消耗的能量即为离子间的扩散激活能E。接触件插合时所产生的接触压力会在其接触表面形成一个挤
16、压应力J,该应力的存在会使克服能量势垒所消耗的能量增大14。根据空位扩散机制,可认为单个Cu+在挤压应力J下的受力面积为d 2,单次扩散的位移为d,则Cu+进行一次扩散所做的功为Jd 3,因此在挤压应力J下的扩散激活能为E-Jd3(J为负值)15。由上文分析可知,线簧丝倾角增大会导致线簧丝与插针之间的接触压力增大,故Cu+单次扩散时所做的功Jd 3也将增大,使得扩散激活能增大,导致单位时间内扩散至表面的Cu+数量减少,腐蚀物Cu2O的增长速度减慢,从而延长了线簧孔式接触件的贮存寿命。1.3贮存可靠性统计模型1)性能退化模型。接触件电阻r由体电阻rv和接触电阻rt(包括收缩电阻rc和膜层电阻rf
17、)组成。由电接触理论16可得,单根线簧丝与插针接触产生的收缩电阻rc0和膜层电阻rf0分别为:rc0=1+24HFrf0=mHF(1)式中:1、2分别为插针、线簧丝的电阻率;H为材料硬度;F为接触压力;m为膜层电阻率。在1对线簧孔式接触件中,每根线簧丝均按单叶回转双曲面的直母线方式排列,且线簧丝之间相互独立,可认为每根线簧丝与插针的接触情况相同,即收缩电阻与膜层电阻分别相同;电信号通过多根线簧丝传递至插针,因此多根线簧丝与插针之间的接触电阻为并联关系。现将线簧孔式接触件中所有线簧丝与插针接触产生的收缩电阻和膜层电阻分别看成一个整体,则接触件电阻可表示为:r=rv+1+24nHF+mHnF(2)
18、式中:n为线簧孔式接触件中的线簧丝数量。结合文献10,膜层电阻率m可表示为:m=Aexp(-EkT0)t(3)式中:A为与接触件材料结构参数、加工工艺参数和反应系数相关的参数;为与接触件材料有关的待定系数;k为玻尔兹曼常数;T0为热力学温度;t为时间。由失效机理分析可知,存在外部挤压应力时的扩散激活能为E-Jd3,则式(3)可以修正为:m=Aexp()-()E-Jd3kT0t(4)由此可得,线簧孔式接触件的性能退化模型可表示为:r=rv+1+24nHF+HAexp()-()E-Jd3kT0tnF(5)2)寿命分布模型。对式(5)进行简化,可得:r=r0+t(6)其中:r0=rv+1+24nHF
19、=HAexp()-()E-Jd3kT0nF式中:r0为体电阻与收缩电阻之和;为膜层电阻退化率。记A1=HA/nF,Q=(E-Jd3),对作对数处理,可得:ln=lnA1-QkT0(7)当温度一定时,Q/kT0为常数;A1为线簧孔式接触件的材料结构参数、加工工艺参数和反应系数等随机变量的组合。由中心极限定理可知,lnA1服从 正 态 分 布,则ln也 服 从 正 态 分 布,即lnN(ln,2ln),其中ln和ln分别为膜层电阻退化率的对数均值和对数标准差。根据统计学相关知识,可得膜层电阻退化率的对数均值:ln=lnA1-QkT0=z1+z21 000T+273.15(8)其中:392第 3 期
20、郭鸿杰,等:线簧丝倾角对线簧孔式电连接器贮存寿命的影响研究z1=lnA1z2=-Q1 000k式中:z1、z2为与接触件材料相关的参数;T为摄氏温度。记t时刻线簧孔式接触件的电阻为r(t),其失效阈值为D,则接触件电阻达到失效阈值的时间te(即寿命)可表示为:te=inft:r(t)D;t 0(9)由于膜层电阻退化率服从对数正态分布,则线簧孔式接触件的失效分布函数G(t)可表示为:G(t)=P(te t)=()lnt-ln()D-r0-ln/ln/(10)式中:()为标准正态分布函数。电连接器中单对接触件发生失效即可能会导致电信号传递失败,因此电连接器的整体寿命取决于最先发生失效的单对接触件的
21、寿命。从功能上来看,电连接器是由一系列接触件组成的串联系统,其寿命分布为最小极值问题2。因此,在同一线簧丝倾角下,具有g对接触件的线簧孔式电连接器的贮存可靠度函数R(t)可表示为:R(t)=(1-G(t)g=1-()lnt-ln()D-r0-ln/ln/g(11)1.4贮存寿命与线簧丝倾角的数学模型由式(11)可得,线簧孔式电连接器的贮存寿命tr为:tr=exp()-1()1-R1 gln(D-r0)1exp(-ln)(12)在线簧孔式电连接器的加工制造过程中,误差不可避免,因此其材料硬度H和接触压力F均为随机变量,对式(7)取均值,可得:ln=lnA+lnH-lnnF-QkT0(13)联立式
22、(12)和式(13)并化简可得:tr=exp()-1()1-R1 gln-lnH-lnA(D-r0)1exp(lnnF)exp(QkT0)(14)由失效机理分析可知,同一线簧丝倾角下的挤压应力J可视为常量。挤压应力J由线簧丝形变产生,记单根线簧丝与插针之间的接触压力均值为F,接 触 面 积 均 值 为S,则 挤 压 应 力 可 以 表 示 为J=F/S,由此可得:Q=(E-Fd3S)(15)根据统计学知识,可得:lnnF=i=1mlnnFim (16)其中:Fi=F+xi式中:m为线簧孔式电连接器中线簧丝的总数量;Fi为第i根线簧丝与插针之间的接触压力;xi为由加工制造误差导致的接触压力Fi与
23、接触压力均值F的差值。由此可得:exp(lnnF)=i=1m(F+xi)1mn1(17)联立式(14)、式(15)和式(17)可得:tr=exp(-1()1-R1 gln-lnA-lnH+EkT0)n()D-r0 i=1m()F+xi1m1exp(-Fd3SkT0)(18)由文献4,7可知,在工程实际应用中常用的线簧丝倾角范围(710)内,在除线簧丝倾角外的其他设计参数不变的情况下,线簧孔式接触件中单根线簧丝与插针之间的接触压力随线簧丝倾角的变化规律近似服从线性变化规律,即:F=a+b(19)式中:a、b为待估计参数。将式(19)代入式(18),则式(18)中最后一项可拆解为2项,将与线簧丝倾
24、角无关项与式(18)中的第1项进行合并同类项,则可得:tr=exp(-1()1-R1 gln-lnA-lnH+ES-bd3SkT0)n()D-r0 i=1m()a+b+xi1m1exp(-ad3SkT0)(20)式(20)即为线簧孔式电连接器的贮存寿命与线簧丝倾角的数学模型。但由于指数部分引起的变化远远大于幂函数部分引起的变化,为了简化模型,将幂函数部分视为与线簧丝倾角无关的一个常数,令:393工程设计学报第 30 卷 K1=exp()-1()1-R1 gln-lnA-lnH+ES-bd3SkT0 n()D-r0 i=1m()a+b+xi1m1K2=-ad3SkT0由此可得,在工程实际应用中常
25、用的线簧丝倾角范围(710)内,线簧孔式电连接器的贮存寿命与线簧丝倾角的数学模型可表示为:tr=K1exp(K2)(21)2 恒定应力加速退化试验 为了量化线簧孔式电连接器贮存寿命与线簧丝倾角之间的数学关系,并验证所构建数学模型的准确性,开展线簧孔式接触件的恒定应力加速退化试验。试验条件和方法如下。1)线簧丝倾角水平。根据工程实际应用中线簧孔式电连接器的线簧丝倾角使用范围,选择7,8,9,10四种线簧丝倾角水平。2)温度应力水平。以温度应力水平提高不改变线簧孔式电连接器失效机理为前提,得到线簧孔式接触件在158 下未出现除接触失效外的失效情况。参考前期经验,选取4组温度应力水平,最高温度T4=
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