电气连接接头紧固准则研究*

□ 许晓文 □ 孙后环 □ 华广胜

1.南京工业大学 机械与动力工程学院 南京 211800

2.中国合格评定国家认可委员会 北京 100032

1　问题的提出

目前，国内各车辆厂对列车上的电气连接接头、线缆的选型，以及工具的使用比较杂乱，工人普遍采用普通扳手进行电气连接接头的紧固。由于不同人的扭紧力矩不一致，即使同一个人，每次的扭紧力矩也不可能完全相同，导致电气连接接头的安装效果各不相同。通过对电气连接接头紧固性能的研究，解决目前电气连接接头紧固密封的问题，并形成统一标准，建立相关优选数据库，既可方便新项目的开发设计和工艺选型匹配，又可避免生产车间和售后服务方面的异常状况，从而提高生产率和列车性能［1］。

2　试验设计

通过对不同电气连接接头匹配不同电缆，在不同扭力及密封等级的实际工况下进行大量试验，建立电气连接接头从紧固密封到电缆最终破坏的主要多项式曲线和相关数据库，确认不同电气连接接头与不同电缆之间的匹配关系。试验项目一旦成功，不仅可以提高工效，而且可以实现统一安装，提高产品质量，缩短设计开发周期。这一试验项目的方案实施路线如下：调研→预估试验数据的大致量级→购置试验器具及材料→实施试验→试验数据整理和分析比对→绘制主要数据曲线→形成力矩优选数据库→补充试验→建立电缆外观检测标准→整理验收报告。

3　防水性试验

3.1　试验过程

根据技术要求和试验实施方案，需要设计一套工装夹具方便试验操作。在设计工装夹具过程中，首先要确保工装夹具的结构强度能够满足试验强度的要求，工装夹具各部位变形量不超过试验允许值；其次要通过拓扑优化，合理设计工装夹具结构，减小夹具的总质量，从而有效提高试验的可靠性与稳定性。

工装夹具如图1所示，由试验箱与安装架组装而成，试验箱由四块铝合金板焊接而成。为了提高试验箱体的稳定性，设计使用加强筋对试验箱的前后两面进行加固。试验箱的四个面均可进行装夹试验，从而提高了试验效率。设计安装架用于固定试验箱，以保证安装架自身不产生晃动。安装架的高度为0.9 m左右，材料选用方形钢管，边长为50 mm，壁厚为3 mm。

试验使用pH试纸测试防水性能，试验中使用的水为自来水与乙酸的混合液，原因是pH试纸遇到含酸性的液体会变色。经查阅有关文献资料，在常温条件下，任何浓度的乙酸溶液中，铬镍系不锈钢均不会受到腐蚀影响，且电缆的硬质橡胶对乙酸的稳定性较好［2-3］。pH试纸沾到自来水乙酸混合液后为橘红色，颜色变化显著，容易区分，且试纸变色后不会因为水分蒸发而变回原色，因此选用呈弱酸性的自来水乙酸混合液作为试验用水。

试验针对每一种规格型号的电气连接接头和与之匹配的电缆，至少进行20次匹配试验。将截取的电缆固定在工装夹具上，在电缆的底部粘上pH试纸，并使用胶带固定，如图2所示。

使用活动扳手对电气连接接头进行预拧紧，然后使用数显式力矩扳手对四个加载面的电气连接接头进行拧紧试验，如图3所示，并依次记录试验数据。同一型号的不同电气连接接头，施加的拧紧力矩应有所不同。

拧紧试验完成后，使用保鲜膜将试验箱的左右两个面包裹起来，确保两个面没有缝隙。水枪加压至3 MPa后喷向电气连接接头，对每个面朝上的加载面连续喷射1 min后静置1 h，然后更换喷射另一个加载面，再次静置1 h，直至4个加载面全部试验完毕［4］，如图4所示。

静置时间结束后，将保鲜膜取下，并依次查看pH试纸的变色情况，统计数据。在进行拧紧试验时，根据力矩值从小到大的顺序进行预紧。设定防水性试验合格的标准是一组试验的前3～5个电气连接接头发生漏水情况，其它没有漏水。若发现防水性试验不合格，如同一种规格的电气连接接头全部没有漏水、全部漏水或电气连接接头漏水顺序混乱，则无法检测出防水的最小力矩值时，需要再次加载力矩重新试验，直至防水性试验合格。电气连接接头漏水情况如图5所示。

3.2　试验结果与分析

防水性试验以电气连接接头的安全防护等级（IP代码）为因变量，建立IP代码和力矩值之间的数学回归模型［5］。根据相关执行标准，使用IP代码将电器的防尘防湿特性加以分级，试验只需考虑防湿等级参数。为了便于运用数学方法分析电气连接接头IP代码和扭紧力矩之间的关系［6］，在同等试验条件下，依据试验过程中pH试纸的颜色指示和对应的IP代码，对其中一组试验结果进行量化处理，见表1。

应用MATLAB软件对试验结果进行后期处理。以力矩值为自变量，以电气连接接头的IP代码为因变量，建立两者之间的函数关系进行拟合分析，使用不同的多项式函数建立两者之间的关系模型，并得到不同多项式次数下的对比回归结果［7-8］。

多项式次数为4时可得到适宜的拟合结果，根据函数式 f（x）=px4+2px3+3px2+4px+5p，得到 4 次多项式拟合曲线图，如图6所示。函数式中p为置信区间，x为力矩。

针对不统一的电气连接接头和电缆之间的紧固密封，在大量试验的基础上，利用统计学中的回归分析方法对电气连接接头扭紧力矩和IP代码之间的函数关系进行多项式拟合，得到了两者之间的拟合函数关系。拟合结果的评价指标验证了函数关系的正确性，可为制定统一的电气连接接头紧固准则提供参考。

▲图1 工装夹具

▲图2 工装夹具上试验电缆

▲图3 拧紧试验

▲图4 防水性试验

▲图5 电气连接接头漏水情况

4　破坏性试验

4.1　试验过程

破坏性试验直接将工装夹具的试验箱固定在安装架上，然后使用数显式力矩扳手依次进行拧紧，直至电缆被破坏，记录力矩数值，并进行数据归纳、分析对比。每种型号的电气连接接头进行至少20组破坏性试验，每组试验的扭力值逐渐增大，试验目标是一组试验中后 3～5 组电气连接接头被破坏［9-10］。

表1　试验结果量化处理

表2　电缆组件外观检测标准

▲图6 4次多项式拟合曲线

4.2　试验结果与分析

破坏性试验中产生破坏的形式主要为电缆出现压痕，根据电缆受到的破坏情况，初步制定了电缆组件外观检测标准。将电缆外表面由于紧固造成的划痕宽度W和深度D作为参考依据，缺陷等级分为三类：第一类是次要缺陷（CR），电缆外表面存在轻微的压痕或损伤，轻擦外表面有刮磨感；第二类是主要缺陷（MA），电缆外表面有较明显的压痕或损伤，会影响电缆的使用性能和安全性能；第三类是严重缺陷（MI），产生严重的压痕或损伤，对电缆造成不可恢复的损坏，甚至使电缆内部线材露出［11-12］。电缆组件外观检测标准见表2。

5　结论

根据实际工况下的大量操作试验，笔者研究了不同电气连接接头匹配不同电缆在不同扭紧力矩下的防水密封与破坏情况。

（1）在试验中，当同一种规格型号的电气连接接头与多种线径的电缆匹配时，线径小的电缆所需的破坏力矩值反而大，且电气连接接头的尺寸越小，上述情况就越明显。经分析得知，扭力扳手显示的力矩值是由两部分合成的，一部分是电气连接接头锁紧电缆的力矩，另一部分是电气连接接头产生的阻滞力矩。对于同一规格型号的电气连接接头而言，其所匹配的电缆线径越小，对应的阻滞力矩就越大，从而导致总力矩值较大。

（2）对防水性试验得到的多项数据结果进行多项式拟合，获得力矩值与IP代码之间的函数关系，可以为不同电气连接接头和电缆之间的匹配标准提供参考，是制定电气连接接头紧固准则的有效依据。

（3）对破坏性试验的数据进行研究分析，得到了不同力矩下电缆或电气连接接头产生的不同破坏形式，并初步形成了电缆组件外观检测标准，使电缆在受到破坏情况时有量化的衡量标准。

［1］ 何光华，俞骏，张志坚，等.中低压电缆接头密封阻水性能评估试验研究［J］.电工技术，2016，3（3）:21-23，25.

［2］ 阮强，李具仓，靳塞特.不锈钢板材在硫酸溶液中的腐蚀行为研究［J］.热加工工艺，2015，44（22）:60-63，68.

［3］ 卢兆明，翟佳斌，钱景凌.道路车辆-防护等级（IP代码）-电器设备对外来物、水和接触的防护［J］.环境技术，2008（1）:40-45.

［4］ 杨康和.整车下线淋雨工艺技术及应用［J］.机械制造，2015，53（6）：67-70.

［5］ Degrees of Protection Provided by Enclosures（IP Code）：IEC 60529:2013［S］.

［6］ BATES D J，NEWELL A J，NIEMERG M.BertiniLab：A MATLAB Interface forSolving SystemsofPolynomial Equations［J］.Numerical Algorithms，2016，71（1）:229-244.

［7］ 周长城.交联聚乙烯绝缘电缆试验用水终端电场分析［J］.广东电力，2016，29（3）:127-131.

［8］ ZHAI C M;HAN Q H，LU Y，et al.Research on Safety Inspection of Electric Cable Tunnel with Masonry Structure［J］.Applied Mechanics and Materials，2012， 204-208:1423-1428.

［9］ 管清华.电缆防护管理系统探讨［J］.软件，2013，34（11）:136-137，156.

［10］张伟.电力电缆防外力破坏方法研究［J］.中国高新技术企业，2014 （35）:85-86.

［11］黄海燕.电线电缆检测项目研究及检测方法探讨［J］.河南科技，2014（3）:74.

［12］黄海.电线电缆的检测项目和方法［J］.科技创新与应用，2012（30）:180.