基于多种连接器集成的自动对接组合连接系统研究

陈浪涛，刘 立，吴 赛，何印武，孙启帆

（杭州航天电子技术有限公司，杭州 310015）

0 引言

随着连接器在航天、核电等行业的应用不断推广，相关的大型设备多为多功能集成，其内部涉及多种信号、气体动力及冷却气的传递，需要多种类型的连接器来实现其信号的传递，而多连接器的单独连接对自动化设备的要求高，依次安装对接的时间成本高，对接不畅也会导致故障，造成经济损失。目前，在连接器领域中，单连接器人工插拔在安全性与效率上已无法满足使用工况的要求[1-3]，尤其涉及高压流体、大电流连接的设备，人工操作即使做好防护措施，仍存在一定风险[4]。鉴于当前日益强烈的需求，设计开发一种集成多品种多介质连接器并可实现高精度同步自动对接的组合连接系统显得尤为重要，该系统可广泛应用于涉及无人环境以及自动化程度要求高的场景。

我国是全球最大的连接器消费市场和生产基地，随着我国现代化建设的不断推进，对连接器的需求也日趋旺盛，但旺盛需求的背后是国产连接器产品以中低端为主，高端产品占有率相对较少的现状[5]。组合连接器属于高端产品，该类产品主要依赖进口，货期、售后、技术状态完全不可控，是制约连接器行业发展的“卡脖子”难题之一。

针对电连接器的不足，本文基于连接器集成技术提出组合连接系统的概念，并从组合连接系统的意义与设计出发，简述产品的优点、功能、原理及关键技术，并提出产品结构件、电连接器、流体连接器的设计方法；提供一种新型连接器集成方案，并搭建了具体产品，为连接器集成自动对接的发展方向提供思路与参考。

1 组合连接系统

1.1 系统优点

多通道组合连接系统技术是集成各连接器模块并实现同步高精度对接的技术，产品结构紧凑，一个动作便可完成所有回路连接与分离，有助于提高设备自动化程度，优化工作空间，降低设备成本，具有调节性、安全性、扩展性好的优点。产品的特点使其在自动化设备配套中具有良好的推广性，尤其是在无人环境颇具应用前景。

1.2 系统原理

采用模块化设计思想在组合安装板上集成大电流信号、电信号、数据信号、热电偶、同轴信号、流体介质、气体介质，通过设计同一插合行程实现同步连接。产品的连接方式为直插直拔，详细工作原理如下：

（1）定板固定于设备之上，动板固定在电机上；

（2）电连接器与流体连接器插合行程保持一致，通过调整安装板高低差实现；

（3）由电机推动动板与定板对接，导柱先导向定位，各路连接器后接触，若发生位置偏差，大小导柱立刻实现纠正，动板上游动组件可确保其游动至精准对中，随后电机继续推动动板，根据限位开关反馈判断到位状态后电机停止推动，最终产品实现插合锁紧，各路保持畅通；

（4）产品分离时，电机施加反向力，各路连接器均为直插直拔设计，电机施加反向大于产品分离力后，产品实现分离复位。

1.3 系统关键技术

（1）多通道集成同步连接：采用模块化设计思想设计连接器模块，在组合安装板（或框架）上集成大电流信号、电信号、数据信号、热电偶、同轴信号、流体介质、气体介质等模块，并通过结构优化设计、同一插合行程设计，实现低插拔力同步连接。

（2）插合密封高可靠性技术：根据影响密封性能的配合尺寸的容差、压降参数漂移、力学环境和温度环境等因素，通过梳理产品的结构参数、性能参数、载荷特性与其可靠性指标之间的数学关系，建立产品可靠性设计的数学模型，通过优化关键参数实现插拔过程无滴漏的使用要求。

（3）大范围浮动对接技术：通过设计动板浮动机构，柔性安装、连接器自浮动结构、排布力矩平衡、导向公差带包络补偿等技术途径实现多连接器大范围同步对接。

（4）自动对接技术：通过设计伺服系统、到位反馈、传动结构、齿轮副配比等实现产品位姿调整与高精度对接。

（5）长寿命技术：提高导柱导套硬度，减少对接磨损；降低关键配合部位粗糙度为R0.8，减少对接摩擦；采用冠簧、圈簧等形式接触件实现降低电连接对接损伤。

（6）自锁紧技术：通过设计传感器-液压锁紧机构，可实现到位自动锁紧，最大锁紧力可达294 kN（约30吨物体重力）。

（7）自动对接技术：通过设计伺服系统、到位反馈、传动结构、齿轮副配比等实现产品角度、位置调整与高精度对接。

1.4 系统结构组成

某项目组合板是为实现核环境下电信号以及液冷介质的传输与分离而研发的组合连接系统，产品通过电机驱动，实现自动插拔功能，同时还具有浮动对接功能。产品包括定板、动板、电连接器、流体连接器、传感器、导柱导套以及浮动组件等部件，具体为3 组水电组合结构，即两水组合板、两水三电组合板、四水五电组合板，具体三维图如图1～2所示。

图1 四水五电组合板

图2 两水及两水三电组合板

2 重要结构设计

2.1 浮动结构

在动板设计中，引入浮动机构以保证插合过程中在X、Y、Z方向上分别有±3、±3、±1 mm 的浮动量，以及在角度上有±0.5°的浮动量。浮动机构主要由4 组碟簧螺杆、碟簧、螺母组成。通过碟簧螺杆和动板安装孔之间的6.2 mm 间隙和碟簧的一个中心复位的弹力，可以在插合的过程中，对可能出现的±3 mm 内对位偏差进行弥补，以避免连接器插合损伤。动板的浮动机构如图3所示。

图3 动板的浮动机构主要构成

2.2 导向柱导向套

以KHJG4-02、03 的一对小导柱导套为例：为实现动板和定板的对接，产品设计有二级导向柱和导向套结构。其具体原理：在渐进插合的过程中，有一个初始定位（允许最大偏差为6.1 mm）和一个精定位（间隙偏差在0.1 mm 以内）。二级导向柱分为两段，第一段直径ϕ17.9 mm、长39 mm，第二段直径ϕ23.9 mm、长31 mm。二级导向套同样分为两段，第一段直径ϕ24 mm、长31 mm，第二段直径ϕ18mm、长20mm。二级导柱导套主要参数如图4所示，大导柱导套如图5所示。

图4 二级导柱导套主要参数

图5 大导柱、大导套

2.3 电连接器总体设计

电连接器作为电连接的基础元件，广泛应用于航空航天、工业设备、通信等重要领域[6-7]。电连接器由插头座壳体、绝缘体、插针、插孔、插头座壳体电缆罩等部分组成，主要分为壳体、绝缘体和接触体3 个部分[8-9]。上述几个部分，针、孔接触件起着传导电信号的作用，由导电性能优良的铜合金制造，绝缘体组件一方面对内部各接触件实现正确的定位和支撑，另一方面保证内部各通路之间以及各通路与外壳之间的电气绝缘[10]。金属外壳组件式电连接器的整个骨架，是电连接器实现正确连接、锁紧、分离的载体，同时也起到对内部各组件的行程保护。

依据GJB 101A《耐环境快速分离小圆形电连接器总规范》，分别对接触件、壳体、型谱进行设计以及材料选择判定，再进行接触长度、安装等尺寸链计算；电性能、绝缘性能、力学性能、可靠性等复核复算，同时优化薄弱环节；产品绝缘体与接触件配合采用过盈、固定爪等安装方式，插孔采用冠簧孔，绝缘体与壳体安装通过筋槽定位。再根据Q/Ag0.005 设计公差，最终保证产品能满足技术指标要求。组合板用电连接器外形如图6所示。

图6 组合板用电连接器

所设计的项目产品接触件具体设计方案如表1所示。

从电连接器失效模式出发进行细节设计可提升电连接器可靠性。电连接器在动态环境失效的主要原因：（1）接触件之间的位置度相差较大，插头与插座插合后，插针与插孔之间受力不均匀；（2）插针与插孔接触部位表面粗糙，在动态环境中，接触件之间的磨损加剧；（3）插孔中冠簧在动态环境时出现回弹，使插孔与插针之间接触处出现失效。接触件表面镀金层磨损后，铜合金在2～3 s 内就会出现氧化，使接触对之间的接触电阻明显增大，出现失效。

针对上述原因，采用3 个方案进行设计：（1）根据航天标准对接触件与绝缘体的配合尺寸进行设计，对绝缘体的尺寸定位、尺寸公差按模具压制成型的最高要求进行控制，插孔卷边后窜动量控制在0.1 mm 以内；（2）提高接触件的表面粗糙度Ra至0.8，增加镀金层厚度为1.27 μm，提高镀金层硬度，以减小动态环境中接触件之间的磨损；（3）更改接触件基体材料为铍青铜，减小插孔簧片的回弹，提高插拔寿命。铍青铜是一种典型的沉淀析出强化型高导电高弹性铜合金[11-12]，使用其作为电连接器的弹性材料可保证连接器的插拔力和保持力稳定[13-14]。接触件实物如图7所示。

图7 接触件实物

2.4 流体连接器总体设计

流体连接器又称为液压快换接头，是一种能实现管路流体连通或断开的连接器，与电连接器相似，但其内部传输介质为流体[15-17]。流体连接器由插头和插座两部分组成，插头和插座各相当于一个单向阀，未插入时，单向阀关闭，插头和插座处于自密封状态，管路中的液体无法流出；插头推入插座时，弹簧被压缩，插头和插座的阀芯被推开，管路连通，流体便可在管路内流通[17-18]。

流体连接器主要用于流体介质的快速通断，应用于组合板的流体连接器设计方案为：

（1）对流体连接器的原理、类型、结构特点、性能指标进行研究并进行攻关；

（2）流体连接器动密封根据GB/T 3452 设计O 形圈与沟槽即可满足密封要求；

（3）根据产品的通径、尾部连接方式等依次确定流道截面、外形及安装尺寸，通过强度计算确定零件的壁厚，在保证强度的前提下，确认各零件的结构及尺寸，通过计算及模拟仿真确认产品的弹簧力、流阻等性能指标；

（4）确认相关的试验方法，根据相关的试验规定对样品进行试验摸底及相关的结构改进，确保产品的性能指标能满足用户的技术要求。

流体连接器插头由插头壳体、尾套、阀芯、O 形圈、弹簧、垫片和卡圈等组成，壳体和尾套通过螺纹实现紧固。流体连接器插头结构如图8 所示，通过阀芯在弹簧作用下与壳体的配合与运动实现流道的通止。尾部接口尺寸根据用户要求选用英制管螺纹（55°）G3/4”,维护便捷，易于安装。

图8 流体连接器插头结构示意

阀芯结构如图9 所示。阀芯作为插头的启闭件，在插头封闭时，通过槽内的O 形圈阻止内部液体流出，并起到辅助密封的作用；在流道开启时，实现对液体的充分导流并尽量减少截面结构突变所造成的压力损失，因此设计时在阀芯上开有4个与垂直方向成15°分布、直径为7.5 mm 的导流孔，阀芯尾部带有导向段，有助于弹簧端部的安装定位，阀芯材料选用沉淀硬化不锈钢，其具有良好的力学强度及抗腐蚀能力，热处理后硬度范围为HRC40～45，可提高产品的耐磨性，提升产品的寿命，具备良好的工艺性[19-20]。

图9 阀芯结构示意

流体连接器插座结构如图10 所示。流体连接器插座由插座壳体、尾套、阀瓣、阀杆、弹簧和O形圈等组成，壳体和尾套通过螺纹实现紧固，阀杆通过卡圈安装于插座壳体中，弹簧支撑阀瓣装于插座需要插合的一端，阀杆和插座壳体O 形圈槽内的O 形圈实现封闭状态下阻止内部液体流出的作用，接口尺寸根据用户要求选用英制管螺纹（55°）G3/4”。

图10 流体连接器插座结构示意

阀杆的作用是实现插头流道的开启，其结构如图11所示。阀杆尾部的圆柱段用于插合过程中对于阀瓣的导向，可以有效避免出现斜插的情况；其上开有4 个与垂直方向成15°分布、直径为7.5 mm 的导流孔，可以让液体快速、充分流通；在尾部孔的位置做了倒角，可以减小流阻，材料选择沉淀硬化不锈钢。

如图12 所示，当插头向插座移动时，插头壳体头部逐渐将插座上的阀瓣推离密封界面，同时插头上的阀芯也在阀杆的作用下离开密封界面，这样通过插合过程中阀瓣与阀芯的开启，在内部就形成了供液体流动的通路。

图12 插合状态液体流通示意

从流体连接器互换失效模式出发进行细节设计提升流体连接器可靠性。在具备与用户指定产品互换条件后，流体连接器在动态环境失效的主要原因：（1）O 形圈因过度挤压、锐边割伤或者沟槽磨损破损导致漏水；（2）阀芯端面不平整或阀芯、阀杆端面凸出使得蓄水过多导致拔出过程滴水。针对上述原因，采用2 个方案进行设计：（1）根据GB/T 3452—2005《液压气动用O形橡胶密封圈进行沟槽设计》并严格控制加工精度，增加磁力抛光工艺提升表面粗糙度，再对O形圈零件进行100%检测；（2）设计阀杆低于阀瓣端面，并设为关键尺寸控制，使得蓄水滴出现在阀杆、阀芯端面而非阀瓣处，在每次插拔后重回流道，不形成滴漏，最后对阀杆、阀芯端面粗糙度进行控制，防止车刀痕蓄水。

3 测试验证与结果分析

为验证产品可靠性，主要根据连接器国标要求的测试类目制备专用试验设备，可在线监控互换性、浮动指标、力学性能、流体连接器压力、电连接器通断、阻值、流体连接器泄漏情况，产品插拔力、寿命、到位情况等。制备的水电组合板考核专用试验机如图13所示。

对组合连接系统进行10 万次加压摸底试验，试验中对产品及连接器的各关键指标分别按详细规范与连接器国标的要求进行测试，结果如下：

（1）产品最大推力约为350 N，组合板未发生变形；

（2）产品最大浮动量大于设计要求的指标；

（3）电连接器壳体表面出现轻微磨损现象，插拔正常；

（4）电信号仍保持导通，阻值变化在1 mΩ以内；

（5）耐电压大于1 000 V、绝缘电阻大于1 000 MΩ；

（6）流体连接器插头插合面表面出现轻微磨损现象，插拔正常，最大拔出泄漏量为0.001 8 mL/次，插合时泄漏量为0；

（7）O形圈无裂纹、破裂，弹簧力无明显变化；

（8）达到要求寿命后接入使用低压测试台进行30 s低压（0.2 MPa 气压）测试，产品无气泡；使用脉冲爆破试验台进行60 s 高压（10 MPa 水压）试验，连接器无泄漏，密封性能无变化；

综上，本文研究的组合连接系统经试验验证，在10万次寿命的要求下，性能依旧满足连接器国标要求，产品可靠性高。

4 结束语

连接器的发展需要紧跟时代的潮流，随着自动化大网的不断铺开，连接器集成度、智能化越来越高，连接器行业面临着新的机遇与挑战。本文对新型的连接器组合连接系统功能、优点、原理进行了介绍，对其主要的结构组部件设计进行了阐述，可在连接器领域广泛推广。该类产品在缩小体积的同时，附上了更多的功能部件并保持了高可靠性，解决了集成对接的技术路径，且通过试验验证了产品性能。组合连接系统的发展从某种程度上预示了连接器未来的发展方向，尤其对于军用、核用连接器这一类特殊连接器。该类产品的设计对连接器集成对接具有积极的实用价值和参考意义。