航空电连接器热循环试验与寿命预测

骆燕燕 马 旋 李晓宁 王 振

1.河北工业大学电气工程学院，天津， 3001302.中铁电气工业有限公司，保定， 0710513.北京航天万源科技公司，北京， 100176

0 引言

电连接器是一种使导线(导体)与合适的配对元件相连接，实现电路接通和断开的机电元件，具有信号传输和电传输两大基本功能。电连接器广泛应用于军事装备和航空航天设备中，特别是飞机上的应用最多，其可靠性高低直接决定系统能否正常工作。因此，除满足功能要求外，电连接器还须具有良好的电接触和高可靠性等性能[1-2]。

电连接器的可靠接触是靠接触件(插针与插孔)间稳定的接触压力实现的。插孔是弹性元件，在长期受到接触压力和热应力的作用下，其弹性形变会不断转化为塑性形变，从而使接触压力减小，接触电阻增大，接触性能退化,因此，热应力对电连接器可靠性的影响不容忽视。不同形式的热应力如高温、低温及热冲击等引发的电连接器的失效模式各不相同。目前对电连接器的研究主要致力于根据接触电阻的变化规律研究恒定温度应力条件下的可靠性问题。靳哲峰[3]、钱萍等[4]通过加速寿命试验得出了恒定温度应力和振动应力作用下，电连接器的可靠性指标。潘骏等[5]通过加速寿命试验得出航空电连接器寿命服从威布尔分布。王浩伟等[6-9]提出了加速热应力条件下基于Gamma过程、退化量分布、Wiener模型的寿命预测方法以及基于退化数据与寿命数据的寿命预测方法。付霖宇等[10]通过改进PSO-REFNN算法，对某型电连接器进行了寿命预测。陈田海[11]运用ANSYS软件分析微型电连接器使用时的应力应变情况，结合其弹簧片材料的S-N曲线对危险部位进行疲劳寿命预测。PARK等[12-13]研究了25～185 ℃范围内不同高温条件下锡铜合金触头接触电阻随微动次数的变化特点和失效机理。ABDI等[14]分析了镀锡汽车电连接器在机械振动和18～110 ℃温度循环条件下接触电阻随振动次数的变化特点。文献[15-16]研究了不同负载和环境温度条件下电连接器的接触电阻和接触压力随时间的变化规律，并分析了电连接器应力松弛引起的性能退化现象。LIAO等[17]分析了10次热冲击试验后电连接器接触压力减小量与电阻增大率之间的关系。本文主要由插孔应变量的变化规律研究热循环应力对航空电连接器性能退化的影响，结合加速寿命试验理论对其寿命预测进行研究。

1 热循环加速试验

电连接器具有可靠性高、寿命长的特点，在循环热应力条件下，其性能退化过程极其缓慢，因此，本文结合加速寿命试验理论进行试验方案设计，以期达到缩短产品性能退化进程和快速预测航空电连接器寿命的目的。

1.1 试验方案设计

1.1.1 基本方案

A——第一个循环开始 B——第一个循环结束，第二个特环开始图1 航空电连接器热循环试验方案示意图Fig.1 The schematic diagram of thermal cycling test scheme of aviation electrical connectors

电工电子产品环境试验标准[18-20]中试验方法一箱法(Nb)是规定变化速率的温度变化试验，用于评定产品经受高低温变化环境的工作能力和温度变化期间的电气性能与机械性能，本文参照试验方法Nb，结合加速寿命试验理论设计航空电连接器热循环加速试验，其基本试验方案见图1。由图1可以看出，每个热循环试验周期均包括高温期、低温期和两个条件试验温度间的交替转换期。θA为热循环中的低温应力值，θB为热循环中的高温应力值,t1为低温/高温应力值下的暴露时间。

1.1.2 高/低温应力值的确定

本文设定的温度应力值主要参考航空电连接器的工作环境温度范围(一般限定在-40～100 ℃间)及文献[19-20]中的环境试验低温、高温推荐值。鉴于高低温引发的电连接器的失效模式不同，为避免性能退化因素和失效机理过于复杂，本文热循环试验中低温应力值设为-10 ℃。

为了加快温度循环条件下航空电连接器性能退化进程，节省试验时间，本文结合恒定应力加速寿命试验理论来设定热循环加速试验中高温应力值：加速应力水平个数k设定为4；最小高温应力值和最大高温应力值分别设为55 ℃和100 ℃。根据加速寿命理论，产品寿命与加速变量应力之间满足阿伦尼斯方程，即

(1)

(2)

式中，T1为最小应力值;Tk为最大应力值;k为应力水平个数；Δ为加速因子;Tj为除最小、最大应力值以外的其余的加速应力水平值。

由此，热循环加速试验方案中高温值的其余2个应力水平值可确定为：64.7 ℃和78.6 ℃。

1.1.3 其他热循环加速试验条件的设定

温度变化速率的增大会增加试验严酷等级，环境试验标准建议按照实验目的对其进行合理选择，推荐的数值分别为(1±0.2)℃/min、(3±0.6)℃/min和(5±1)℃/min[18]。本文主要研究昼夜温度变化条件下航空电连接器性能退化规律，故采用(1±0.2)℃/min。

暴露时间t1取决于试验样品达到周围空间温度时的热时间常数τ。根据相关规范，t1可取为3 h，2 h，1 h，30 min或10 min[19]。试验样品的热时间常数τ与周围介质的性质和运动速度有关，因此，暴露时间t1可参照如下原则选择：如果t1≥5τ，则d<0.01D；如果t1≥2.5τ，则d<0.1D。d为试验介质和试验样品温度之差；D为上下限温度之差。

本文选用的试品为某公司的三针圆形航空电连接器，经测定，其热时间常数τ为7 min23 s，因此，热循环加速试验中高低温暴露时间t1设为1 h。此外，试验中热循环次数设定为80次；每个应力水平等级下选用5个试品，共20个电连接器样品。

1.1.4 试验方案

根据上述选定的参数和试验条件，本文进行了4组热循环试验，试验方案如表1所示。

表1 航空电连接器热循环加速试验方案

1.1.5 试验中的测试问题

试验过程中，试品性能的退化往往体现在某些参数的变化，这些参数的变化规律可显示或预测出产品不同的寿命阶段。接触电阻通常是衡量电接触性能的主要参数之一，但本文在前期摸底试验中发现：即使在加速应力条件下，高可靠性电连接器试品的接触电阻在很长时期内也仅为小幅度波动，很难出现明显的变化趋势；若要获得产品寿命预测值，试验耗时将会很长。由连接器接触件的结构特点及工作原理可知，在长期受热应力作用下，插孔弹性形变会不断转变为塑性形变，电连接器接触压力及接触电阻均将发生变化，造成接触性能退化。因此，本文将试品插孔的应变量作为监测参数，观测试品性能退化特点，并预测其热循环寿命值。

1.2 试验电路

本文利用光纤应变传感器检测电连接器接触件插孔的微小应变，试验电路原理见图2。

图2 电连接器热循环试验检测电路原理图Fig.2 Schematic diagram of the thermal cycling test circuits of aviation electrical connectors

由图2可以看出，试验电路主要由光纤应变传感器、信号解调器、恒流源和调温调湿箱等组成。光纤应变传感器检测出电连接器接触件的应变量后，将信号传输至信号解调器，信号解调器将接收到的信号解调，通过串口储存到工控机中。恒流源的作用是提供给试品可靠稳定的额定电流，调温调湿箱为试验提供所需的热循环应力环境。

1.3 试验测试结果

图3为4组热循环加速试验中试品插孔应变量的变化趋势图。试验结果表明：随着循环次数的增加，航空电连接器接触件插孔的应变量呈缓慢减小趋势，但下降幅度并不大；且随着高低温差的增大，插孔应变量的改变量也越大，进而热循环引起的插孔应力松弛现象越明显。

(a)应变量

(b)应变量的变化量图3 4组热循环加速试验中试品插孔应变量的变化Fig.3 The strain change of jacks in 4 groups of the accelerated thermal cycling tests

2 电连接器应变量临界值的理论推导

在电连接器的试验标准中，接触电阻阈值通常被作为判定产品失效的判据。电连接器插孔应变量与其接触电阻间存在关联性，因此，本文进行插孔应变量临界值的理论推导，以此作为产品失效判据来预测其热循环寿命。

本文选取的航空电连接器试品接触电阻的阈值Rj=5 mΩ。依据电接触基本理论，接触电阻可由下式估算：

Rj=K(0.102F)-m

(3)

式中，F为接触压力；Rj为接触电阻；m为与接触形式有关的系数;K为关于接触材料密度和材料强度的函数。

本试验用航空电连接器接触件的接触形式为线接触，取m=0.7。K与表面膜情况有关，其值通常由试验确定，本文试品的接触材料为黄铜-黄铜，K=670。则由式(3)得F=0.555 N。

电连接器接触件的接触压力取决于接触件的几何结构和材料的性能。本文试品插孔属4开槽结构，由4道槽平均分为4个接触簧片，单个接触簧片可近似视为变形小的悬梁臂结构，如图4所示。L、W、h分别为接触簧片的长度、宽度和厚度，L=14.8 mm，W=3.2 mm，h=0.68 mm。

图4 插孔接触簧片悬臂梁示意图Fig.4 Cantilever model of single jack contact spring

电连接器插孔任一接触簧片与插针间的接触应力和接触压力的关系为

(4)

由此，可得σ=33 MPa。

线性硬化材料的σ-ε曲线可近似视为两条斜率不同的曲线，如图5所示。

图5 线性硬化材料σ-ε曲线Fig.5 Stress-strain curves of linear hardening material

由图5可以看出，线段of表示材料处于线弹性变形阶段，其斜率为E；线段fg表示材料处于硬化阶段，其斜率为Et。由此，线性硬化模型材料σ-ε关系可表示为

(5)

式中，σs为屈服极限;εy为纵向应变量。

本试验电连接器接触件属于线性硬化模型，σs=200 MPa，E=119 GPa，Et=1.0 GPa，由式(5)得纵向应变量εy=34 000×10-6。

本文测试电路中光纤应变传感器测量的应变量为插孔横向应变量εx。在材料的比例极限内，由于纵向应力的作用，产生的横向应变量εx与对应的纵向应变量εy之比的绝对值称为泊松比μ(其值通常由试验来测定)，即

本文试验样品泊松比为μ=0.324，则电连接器失效时，其插孔应变量临界值为10 780×10-6。

3 热循环寿命预测

本文以-10～55 ℃热循环试验数据作为原始数据，分别利用灰色模型预测法、时间序列法和神经网络时间序列法对航空电连接器进行热循环寿命预测分析(即插孔应变量达到应变量临界值时经历的热循环周期数)。

3.1 灰色模型法预测

灰色模型GM(1,1)的灰色微分方程为

x(0)(k)+az(1)(k)=bk=1，2，…n

式中，a为发展灰数，反映x(0)与x(1)的发展态势；b为内生控制灰数，反映数据变化的关系；z(1)为x(1)的紧邻均值生成序列。

利用GM(1,1)原理对热循环试验数据(-10～55 ℃)进行建模，可得：发展灰数a=2.964 5×10-5，内生控制灰数b=1.512 8×104。发展灰数a=2.964 5×10-5<0.3，表明该灰色模型适合做长期预测。

取x(1)(0)=x(0)(1)，得出灰色预测模型：

x(t)=15 128e-2.964 5×10-5q

式中，q为热循环周期数。

通过推算，热循环条件(-10～55 ℃)下电连接器的热循环寿命为η=11 445次。

3.2 时间序列法预测

热循环试验(-10～55 ℃)原始数据并不平稳(图6a)，本文将其进行差分处理后(图6b)，数据呈现平稳。由此可断定，试验数据可以进行时间序列分析。

由图7可知，试验数据(-10～55 ℃)的自相关系数呈“拖尾状”，偏相关系数呈“截尾状”，因此，可判定该数据模型为AR模型。

根据最终预报误差(final prediction error,FPE)准则，当FPE值达到最小时，对应的阶数作为最佳阶数，可判断该数据最佳模型为AR(3)。由AR(3)模型进行推算，预测出：在热循环条件(-10～55 ℃)下，电连接器的热循环寿命为η=11 900。

3.3 神经网络时间序列法预测

针对热循环试验(-10～55 ℃)原始数据，本文首先进行归一化处理，将其控制在(-1，1)之间；然后取70%数据进行训练，15%数据用于训练精度检验(即修正权值和阈值)，15%数据对建立的模型进行精度检验。经过反复训练，确定模型中隐含层个数为4，延迟步数为4时，其均方差和关联度达到最优效果，其模型如图8所示。

(a)差分处理前趋势

(b)差分处理后趋势图6 数据平稳性处理(-10～55 ℃)Fig.6 Data smooth processing(-10～55 ℃)

(a)自相关函数

(b)偏相关函数图7 自相关函数和偏相关函数图Fig.7 Autocorrelation function and partial correlation function

图8 神经网络时间序列模型(-10～55 ℃)Fig.8 Neural network time series model (-10～55 ℃)

由图9～图11所示的自相关误差图、误差直方图和拟合关联度图可判定，图8所示模型满足建模要求。因此，本文将该模型进行反归一化处理后，预测出热循环条件下(-10～55 ℃)，电连接器的热循环寿命η=9 693次。

图9 自相关误差(-10～55 ℃)Fig.9 Autocorrelation error (-10～55 ℃)

图10 误差直方图(-10～55 ℃)Fig.10 Error histogram (-10～55 ℃)

(a)训练(R=0.908 9) (b)验证(R=0.989 52)

(c)检测(R=0.990 2) (d)总过程(R=0.986 08) 图11 模型拟合分布图(-10℃～55℃)Fig.11 Distribution of model fitting(-10℃～55℃)

3.4 热循环寿命预测

根据以上三种预测方法，本文四组试验中对航空电连接器寿命进行了预测分析，如表2所示。由表2的寿命预测值，本文通过曲线拟合的方法推算出航空电连接器的热循环寿命与温差的关系曲线，如图12所示。三种方法预测的热循环寿命曲线均显示：随着热循环中温差值的增大，航空电连接器热循环寿命近似呈指数规律下降。

表2 航空电连接器热循环寿命及其预测精度

图12 航空电连接器热循环寿命的预测Fig.12 Thermal cycling life prediction of aviation electrical connectors

4 结论

(1)在保证产品失效机理一致的前提下，热循环加速试验可通过增大高低温差值来加快模拟昼夜温差对产品性能退化进程的影响。

(2)在热循环加速试验中，随热循环次数增加，电连接器的接触电阻变化趋势微弱，可采用弹性接触件的应变量作为监测参数，用于分析应力松弛现象的发展和产品性能退化的进程。

(3)在热循环加速试验中，接触件的应变量随热循环次数的增加而逐渐减小；且温差越大，应变量减少量越大，应力松弛现象越明显，性能退化越快，寿命越短。随着热循环中温差值的增大，电连接器的热循环寿命近似呈指数规律下降。

热循环加速试验中温差的极限值以及温度变化速率对电连接器热循环寿命的影响还有待于深入探讨。

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