卡口电连接器的砂尘环境可靠性技术研究

卢向军，孙宇，刘焱

（工业和信息化部电子第五研究所，广东广州510610）

卡口电连接器的砂尘环境可靠性技术研究

卢向军，孙宇，刘焱

（工业和信息化部电子第五研究所，广东广州510610）

砂尘试验是评估产品在飞散尘埃的大气中抵抗尘埃微粒渗透的能力。按照GJB 150的要求，开展卡口电连接器的吹尘和吹砂试验，并对试验前后各项相关参数的测试结果进行对比分析。结果表明，广泛应用的卡口电连接器在吹尘试验条件下容易进入砂尘，引起接触电阻、连接扭矩和外壳弹簧爪力等性能的恶化，特别是大芯数电连接器的外壳弹簧爪力容易引起失效，建议在以后的卡口电连接器检验中将外壳弹簧爪力纳入考核项目中。

卡口连接器；外壳弹簧爪力；砂尘；可靠性

卡口类圆形电连接器是目前使用广泛的圆形连接器，因为其结构简单、工艺成熟和使用可靠，以及耐冲击、抗震动，并能实现快速插拔而在装备中广泛应用，是用户单位选用较多的类型。为保障自由端插头和固定端插座之间的迅速插拔，卡口连接器在制造过程中卡口处留有相当大的空隙，砂尘在外界气流和振动等外界因素的影响下，很容易地进入连接器内部，影响其可靠性[3-4]。在实际的砂尘鉴定检验中，一般规定插合好的电连接器应承受规定的砂尘试验，仅对啮合和分离扭矩进行考核。本文选用GJB 599系列卡口连接器产品（卡口连接器芯数分别为13芯、96芯和128芯。针对芯数的不同，分别命名为K-13、K-96、K-128），按照GJB 150.12进行了相关砂尘试验，并对试验结果进行了分析。

1 现有的砂尘试验方法标准状况

目前在军用标准范围内，环境试验的代表性标准是GJB 150《军用设备环境试验方法》，其中砂尘试验是GJB 150.12中规定的试验项目。本试验方法适用于在使用、贮存和运输过程中有可能暴露在充满干砂和尘土的大气中的所有机械、电气、电子和机电产品。砂尘试验又分为吹尘试验和吹砂试验。吹尘试验用于确定防御尘埃微粒渗透效应的能力，评价装备对分散砂尘环境的适用能力；吹砂试验用于确定防御砂粒的磨蚀和阻塞效应的能力。

GJB 360标准规定了电子及电气元件的基本环境、物理性能和基本电性能等方面的通用试验方法，适用于电阻器、电感器、电容器、连接器、开关、继电器和变压器等电子及电气元件。GJB 360在方法110中规定了砂尘试验方法，用于确定元件在分散尘埃的干燥大气中，抵抗尘埃颗粒渗透的能力。

GJB 360.110砂尘试验与GJB 150.12吹尘试验的尘粒要求、试验条件、试验程序基本一致，差别主要在于相对湿度的不一致。前者要求相对湿度控制到22%以下，而后者要求相对湿度控制到30%以下即可。已有的研究表明，30%的相对湿度对砂尘的运动和渗透影响与22%的相对湿度相同，没有必要将相对湿度控制到22%以下，因为这样将使试验设备复杂化，研制费用和试验成本有很大的增加[5-6]。因此在实际试验中，可以认为GJB 360.110砂尘试验与GJB 150.12吹尘试验是一致的。GJB 150.12吹尘试验所用的风速有两个值，即1.5 m/s和8.9 m/s；其中1.5 m/s是起动尘粒所需的最小风速，而8.9 m/s是典型的沙漠风速。因此，可以认为GJB 150.12中吹尘试验要求是最能反映实际的使用环境的。

2 卡口连接器的吹尘试验结果与分析

K-13卡口连接器按照GJB 150.12进行吹尘试验后的状况如图1所示。大量的砂尘通过卡口处的缝隙在风吹条件下可进入连接器，主要分布在插头的壳体外侧和内测及插座的壳体外测。

由K-128型卡口连接器试验后的显微放大图（如图2所示）可知，砂尘大量散布在插针、插针基部、弹簧片和插孔周围。由于砂尘大量散布在插孔周围，可以判断相当部分的砂尘已进入插孔内部。由于以往的检验过程中对电连接器砂尘试验的考核仅进行外观检查（主要检查是否有砂尘进入连接器）或连接扭矩考核。针对砂尘环境对连接器参数性能可能的影响，本项目检测了不同的连接器在砂尘试验前后的绝缘电阻、接触电阻、耐电压、连接扭矩（含啮合扭矩和分离扭矩）、外壳导电性和弹簧爪力（含啮合力和分离力）。不同芯数的K-13、K-96、K-128产品试验前后的相关参数如表1、2和3所示（表中所列的接触电阻为各触点的平均接触电阻）。通过比较K-13、K-96、K-128产品试验前后的相关参数，主要的差异如下:

图1 K-13型卡口连接器吹尘试验后的状况

图2 K-128型卡口连接器吹尘试验后的状况

a）接触电阻在砂尘试验后增加近4倍。连接器的连接对是在接触力的作用下实现机械连接来进行电连接的，砂尘颗粒通过卡口进入电连接器的内部后，部分直接吸附在插针和插孔的接触表面上，这些杂质会填满接触体表面的微小凹坑，这样会使接触体的有效接触面积减小，也会阻碍电流的通过，使得接触电阻增大，电接触性能下降。

b）连接扭矩在检验中普遍用于检验连接器耐砂尘环境的适应性。3种型号连接器的连接扭矩在砂尘试验后增加明显。对于连接扭矩的增加，主要是由于砂尘进入连接器插口的内表面和插头的外表面后，在分离和啮合过程中砂尘颗粒造成对两个相互摩擦或滑动的表面外部材料的摩擦力增加，因而电连接器在试验后其连接扭矩明显地增大。

c）3种型号连接器的连接扭矩在砂尘试验后外壳弹簧爪力增大明显，其中K-128中的外壳弹簧爪啮合力和分离力试验后分别达到167.1和178.3 N，已超出GJB 599标准外壳弹簧爪力最大值156 N的要求。

卡口连接器为了解决插头与插座对接时的缝隙屏蔽问题，保证对接壳体之间屏蔽的完整性，提高屏蔽的完整性，采用了封闭式的屏蔽簧片。在正常状况下，当插头与插座插合时，插座壳体挤压屏蔽簧片，使拱形降低，同时自由端向后延伸，簧片的回弹力使其与插座壳体和插头壳体都保持紧密的接触，形成连续、封闭的导电通道，达到电磁屏蔽效果。砂尘试验后砂尘附着在弹簧片、内壳体上时，阻塞和堵塞正常的插合，使得外壳弹簧爪力的增大明显。接好线装配好的K-128电连接器插拔95次时，导致屏蔽簧片发生断裂，断裂失效的情况如图3所示。这是由于砂尘的存在使得插拔过程中用力过大，导致簧片上某个单片变形将增大，进而导致屏蔽簧片材料的使用应力超过许用值，屏蔽簧片发生强度破坏。

表1 KJY-13卡口连接器试验前后相关参数的数据对比

表2 KJY-96卡口连接器试验前后相关参数的数据对比

表3 KJY-128卡口连接器试验前后相关参数的数据对比

d）3种型号连接器的外壳导电性和耐电压在砂尘试验后有一定的增大，这是由于被气流携带的砂尘颗粒对连接器表面造成冲蚀。冲蚀通过反复磨动或扰动保护层来造成对金属表面的损坏。气流携带的砂尘使绝缘材料和绝缘体等表面变得粗糙，降低和消弱它们的性能。

图3 屏蔽簧片的断裂失效图

3 卡口连接器的吹砂试验结果与分析

K-13型卡口连接器按照GJB 150.12进行吹砂试验后的状况如图4所示。尽管吹砂试验所用的砂尘颗粒大于吹尘试验所用的砂尘颗粒，但仍有相当的砂尘通过卡口处空隙在风吹条件下进入连接器，主要分布在插头的壳体外测，以及插座的壳体外侧和内测。

K-128卡口连接器按照GJB 150.12进行吹砂试验后的状况如图5所示。与K-13型卡口连接器类似，仍有相当的砂尘通过卡口处空隙在风吹条件下进入连接器。但与吹尘试验相比，砂尘主要散布在插头外壳基部，在插针、插针基部、弹簧片和插孔周围较吹尘试验少。这主要是由于这两种试验有不同的砂尘浓度、颗粒大小和试验持续时间。针对吹砂环境对连接器参数性能可能的影响，检测了不同的连接器砂尘试验前后绝缘电阻、接触电阻、耐电压、连接扭矩（含啮合扭矩和分离扭矩）、外壳导电性和弹簧爪力（含啮合力和分离力）。不同芯数GJB 599系列的K-13、 K-96、K-128产品试验前后的相关参数如表4、5和6所示。

图4 K-13卡口连接器吹砂试验后的照片

与吹尘试验相比，连接器的连接扭矩、弹簧爪力在吹砂试验后的变化相对较小，这主要是由于吹砂试验较大的砂尘颗粒、砂尘溶度和试验持续时间较短（合计吹砂6 h），使得砂粒进入连接器内部较少。

表4 K-13卡口连接器吹砂试验前后相关参数的数据对比

表5 K-96卡口连接器吹砂试验前后相关参数的数据对比

图5 K-128卡口连接器吹砂试验后的照片

表6 K-128卡口连接器吹砂试验前后相关参数的数据对比

4 结束语

通过开展军用电连接器砂尘试验，并对试验前后各项相关参数的测试结果进行对比分析，发现有广泛应用的卡口电连接器容易进入砂尘，引起接触电阻、连接扭矩和外壳弹簧爪力等性能的劣化，特别是大芯数电连接器的外壳弹簧爪力容易引起失效，建议在以后的卡口电连接器检验中将外壳弹簧爪力加入考核中。在设计连接器时，需从连接器的材料、镀层和结构等方面进行综合考虑，以提高连接器的砂尘环境可靠性。

[1]马志宏，汪浚.砂尘环境中军用装备磨损腐蚀进展的研究[J].腐蚀科学与防护技术，2005，17（2）:112-115.

[2]马志宏，李金国，张景.军用装备砂尘环境试验技术[J].装备环境工程，2007，4（6）:30-33.

[3]尹泉.硬颗粒对电接触可靠性的机械物理影响[D].北京:北京邮电大学，2010.

[4]黄超群，许良军，王东.尘土存在条件下连接器电接触可靠性研究[J].电工电气，2010（2）:1-4.

[5]吴彦灵.国军标砂尘试验中的砂尘浓度[J].环境技术，1999（4）:31-33.

[6]陆颂梅.我国于热沙漠环境特点对电工电子产品的影响[J].环境适应性，2005（5）:16-19.

The Main Purposes and Implementation of Design for
Testability

LU Xiang-jun，SUN Yu，LIU Yan
（CEPREI，Guangzhou 510610，China）

Sand and dust test is to evaluate the penetrating resistance of the product in the flying dust environment.The blowing sand and dust testis applied to bayonet connectors according to the GJB150，and the relevant parameters of the electrical connector are analyzed before and after the test.It is found that the sand and dust can easilypenetrate into the bayonet electrical connector，which can cause the performance deterioration of the contact resistance，connection torque and shell spring finger force，especially the large number of cores of the electrical connector.It is recommended that the shell spring finger force should be added into the test of the bayonet electrical connector.

bayonet electrical connector；shell spring finger force；sand and dust；reliability

TM 503.+5；TB 24

：A

：1672-5468（2014）04-0029-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2014.04.007

0 引言

2014-02-27

2014-06-07

卢向军(1982-)，男，湖南临武人，工业和信息化部电子第五研究所元器件检测中心工程师，博士，从事元器件的检测与可靠性试验研究工作。件（特别是以连接器为代表的机电元件）可靠性技术研究我国进行得较少。

砂尘是由非常小的固体颗粒构成的，它们有不同的尺寸、硬度和化学特性，对部件、系统和设备可以在物理和化学上造成破坏，其主要损坏类型有冲蚀、磨损和腐蚀，以及渗透等。在砂尘环境可靠性方面，我国空军装备研究院雷达所等单位对砂尘恶劣环境下的装备损坏机理进行了部分探索性研究，并针对性地提出了对装备的磨损腐蚀程度进行评估和防护的方法[1-2]，但针对砂尘环境下的元器