一种线簧孔式电连接器可靠性模型的构建方法、应用和构建系统

摘要

本发明公开了一种线簧孔式电连接器可靠性模型的构建方法、应用和构建系统，属于电连接器技术领域，所述构建方法包括：确定线簧孔式电连接器的失效条件；筛选可靠性相关的指标，并建立所述指标的表达式；根据所述表达式和失效条件，建立可靠性模型。可靠性模型描述了各个指标和失效条件之间的关系，通过对线簧孔式电连接器的各个指标的测试或评价，可以得出可靠性的评估，利于判断否满足型号装备的配套要求，提高型号装备的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及电连接器技术领域，具体涉及一种线簧孔式电连接器可靠性模型的构建方法、应用和构建系统。

背景技术

电连接器广泛用于航空、航天、机械、交通、通信等领域，是电气设备与电气系统之间实现连接的重要元件之一。随着科学技术的发展，电子设备越来越复杂，对电连接器性能和可靠性的要求也越来越高。

电连接器作为型号装备上传递信号和电能的一种基础机电元件，对在装备与地面之间、各单元之间及系统间的连接与分离起到至关重要的作用。任何一个电连接器出现失效都会导致整个型号装备的瘫痪。目前应用在型号装备上的电连接器种类繁多，根据接触件类型的不同，电连接器可分为线簧孔式、开槽收口式、绞线式、方形簧片式以及冠簧孔式等类型。

线簧孔式电连接器具有接触电阻较小、插拔力柔和、接触可靠性较高等优点，在各种型号装备中得到广泛地应用。

线簧孔式电连接器由接触件、绝缘件以及壳体三部分组成，如图1所示，其中接触件是线簧孔式电连接器实现电信号传输的核心功能部件，由插针11和线簧丝12组成的线簧孔两部分组成，线簧孔有多根并联的线簧丝12与插针11形成电接触。接触的可靠性作为线簧孔式电连接器的核心要求，对型号装备的整体可靠性至关重要。目前对于线簧孔式电连接器的研究主要集中于接触件的力学性能和机械性能上，缺乏有关接触可靠性的研究，无法评估电连接器的可靠性和判断否满足型号装备的配套要求。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种线簧孔式电连接器可靠性模型的构建方法、应用和构建系统，通过建立可靠性模型对线簧孔式电连接器的可靠性进行评估。

本发明公开了一种线簧孔式电连接器可靠性模型的构建方法，所述构建方法包括：确定线簧孔式电连接器的失效条件；筛选可靠性相关的指标，并建立所述指标的表达式；根据所述表达式和失效条件，建立可靠性模型。

优选的，所述指标包括以下任一参数或它们的组合：接触电阻、接触表面氧化和线簧丝应力松弛。

优选的，接触电阻r包括：接触体电阻r

r＝r

根据电接触理论，公式2-1表示为：

其中，ρ

优选的，平均隧道电阻率的变化规律表示为：

其中，

k

将公式3-7代入公式2-6，得出：

优选的，线簧丝应力松弛模型表示为：

其中，F

优选的，接触压力F随时间t的变化规律表示为：

F＝F

其中，C

根据公式2-6、3-9和5-6，得出：

其中：

其中，α表示为膜层退化率，膜层退化率α服从对数正态分布：

α～LN(μ

对数均值μ

其中，Z

优选的，构建可靠性模型的方法包括：

根据接触对的失效条件，得出接触对的寿命表达式；

根据接触对的寿命表达式，得出接触对的失效分布函数；

根据所述接触对失效分布函数，得出电连接器的接触寿命；

根据电连接器的接触寿命，构建电连接器的接触可靠性表达式；

根据所述接触可靠性表达式，获得可靠性模型。

优选的，所述失效条件包括：在贮存条件下，线簧孔式电连接器的接触电阻r

接触对寿命T

T

达到接触对寿命Te时，接触电阻值r

接触对的失效分布函数Fe(t)表示为:

电连接器的接触寿命分布函数F(t)表示为：

F(t)＝P{T≤t}＝1-P{T≥t}＝1-[1-F

其中，g表示为电连接器的接触对数量，F

线簧孔式电连接器t时刻的接触可靠度R(t)表示为：

可靠性模型表示为：

所述失效条件包括：在贮存条件下，线簧孔式电连接器的接触电阻r

接触对寿命T

T

达到接触对寿命Te时，接触电阻值r

接触对的失效分布函数Fe(t)表示为:

电连接器的接触寿命分布函数F(t)表示为：

F(t)＝P{T≤t}＝1-P{T≥t}＝1-[1-F

其中，g表示为电连接器的接触对数量，F

线簧孔式电连接器t时刻的接触可靠度R(t)表示为：

可靠性模型表示为：

本发明还提供一种上述构建方法所构建的可靠性模型的应用，所述可靠性模型用于电连接器可靠性的评估。

本发明还提供一种用于实现上述构建方法的构建系统，包括指标筛选模块、指标表达式构建模块、电连接器失效分析模块和模型构建模块，所述指标筛选模块用于筛选可靠性评估相关的指标；所述指标表达式构建模块用于建立所述指标的表达式；所述电连接器失效分析模块用于确定线簧孔式电连接器的失效条件；所述模型构建模块用于根据所述表达式和失效失效条件，建立可靠性模型。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：可靠性模型描述了各个指标和失效条件之间的关系，通过对线簧孔式电连接器的各个指标的测试或评价，可以得出可靠性的评估，利于判断否满足型号装备的配套要求，提高型号装备的可靠性。

附图说明

图1是线簧孔式电连接器的结构示意图；

图2是单根线簧丝的中心线示意图；

图3是单根线簧丝的投影示意图；

图4是线簧丝弯曲变形示意图；

图5是插针与线簧丝的接触面投影示意图；

图6是本发明的线簧孔式电连接器可靠性模型构建方法的流程图；

图7是本发明的线簧孔式电连接器可靠性模型构建系统的逻辑框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

一种线簧孔式电连接器可靠性模型的构建方法，如图6所示，所述构建方法包括：

步骤101：确定线簧孔式电连接器的失效条件。在一个具体实施例中，线簧孔式电连接器的接触电阻r

步骤102：筛选可靠性相关的指标，并建立所述指标的表达式。指标包括以下任一参数或它们的组合：接触电阻、接触表面氧化和线簧丝应力松弛。通过对各个指标的影响因素等进行研究，获得各个指标的表达式。

步骤103：根据所述表达式和失效条件，建立可靠性模型。

可靠性模型描述了各个指标和失效条件之间的关系，通过对线簧孔式电连接器的各个指标的测试或评价，可以得出可靠性的评估，利于判断否满足型号装备的配套要求，提高型号装备的可靠性。

在一个具体实施例中，指标表达式及可靠性模型的构建包括以下六个步骤：

步骤S1：根据待测线簧孔式电连接器的型号，确定线簧孔式电连接器的接触失效机理：基于型号装备的实际贮存环境，确定可加速线簧孔式电连接器接触性能退化的主要环境应力为温度，接触失效的主要表现形式为接触电阻超过失效域值，接触电阻的增长主要接触件表面的氧化反应和线簧丝的应力松弛。

步骤S2：建立线簧孔式电连接器接触件的接触电阻表达式。

接触件的接触电阻是由接触件本身的接触体电阻r

r＝r

根据电接触理论，收缩电阻r

其中，ρ

F＝HS

根据电接触理论，膜层电阻r

公式2-4中，

根据电接触理论，单个线簧孔接触对的收缩电阻和膜层电阻可近似为各线簧丝与插针接触产生的收缩电阻和膜层电阻的并联值，可以得出具有n根线簧丝的线簧孔式电连接器接触件的接触电阻表达式：

步骤S3：确定接触件表面氧化膜层的增长规律。

根据电接触理论和隧道效应理论，平均膜层隧道电阻率

公式3-1中，k

ρ(d)＝εd

公式3-2中，ε和ξ是待定系数。

基于反应动力学理论，单个孔隙中的氧化物生成速率有：

公式3-3中，ΔV

忽略孔隙中的氧化物体积，并且认为生成的氧化物均匀的覆盖在镀金层表面，在面积大小为S的镀金层表面的孔隙总数目为S×ρ(d)，则在t时刻，生成的氧化物总体积为S×ρ(d)×ΔV

则贮存环境下，膜层平均隧道电阻率

公式3-7中：

当电连接器的材料和工艺确定后，c、k

将公式3-7代入公式2-6，可以得出：

步骤S4：根据接触件的力学模型和线簧丝应力松弛的热激活过程，确定线簧丝的应力松弛规律。

在实际情况中，如图1，线簧丝12与插针11由开始插合的线接触，到插针11与线簧孔插合稳定后，线簧丝表面产生变形，变为面接触，且线簧丝与插针接触部分受到分布面载荷。

根据赫兹接触理论，将插针与线簧丝之间的接触等效为两光滑圆柱体之间的弹性接触。在实际情况中，只有线簧丝表面发生变形，且插针与线簧丝的接触投影面为椭圆。

令椭圆的长半轴为a，短半轴为b，则其计算公式如下：

式中，F

其中，θ为线簧丝与内套母线夹角。

根据赫兹接触理论，两轴线交叉的光滑圆柱体的接触面上的压力和该椭球面的纵坐标成反比,即接触压力按半椭球规律分布：

其中，q

根据赫兹接触理论，推导出m，n与

式中e为椭圆的离心率。

接触压力分布在接触投影面(椭圆)上的坐标轴上的积分值为线接触的接触部分的分布线载荷，此处坐标轴取为椭圆的短轴，即：

其中，F

如图1和图2所示，线簧孔中有n根线簧丝与插针并联形成电接触。如图3所示，以线簧丝中心线AB的中点O

式中L为线簧丝中心线AB的长度，h为内套长度。

如图5所示，由于线簧丝的弯曲变形是由中间向两端对称的，因此取线簧丝中心线AB的一半作为研究对象，并将其分为两个区域，区域I为插针与线簧丝产生接触的区域，区域II为插针与线簧丝未产生接触的区域，记两区域的临界点为P点，P点与端点B之间的距离为p。

线簧丝最大挠度δ

R

式中R

线簧丝与插针接触区域的挠曲线方程：记点G为线簧丝与插针接触区域内的一点，插针未插入线簧孔时，点G到线簧孔轴线的距离为：

当插针插入线簧孔后，点G到线簧孔轴线的距离为R

根据二项式展开定理，可将上式展开，并且略去高次微量可得线簧丝与插针接触区域的挠曲线方程为：

线簧丝与插针未接触区域的挠曲线方程：设线簧丝中心线端点B处的支座反力和弯矩分别为q和M，线簧丝与插针未接触区域的挠曲线方程y

其中，I为线簧丝的截面轴惯性矩，

将边界条件：在弯曲前后端点B处位移和转角都为0，代入公式4-22和4-23中，计算可得C

P点为接触区域与未接触区域的临界点，因此接触区域与未接触区域在P点位置处的转角、挠度、弯矩均相同，因此有：

y

联立公式4-25，可得：

由于

F

综上可得：

其中，F

步骤S5：建立线簧孔式电连接器接触性能退化轨迹模型。

由于线簧丝的应力松弛会导致插针与线簧孔之间的接触压力F不断减小，应力松弛率

式中，v

v

对公式5-2两边取对数得：

令z

由于

其中，z

由公式5-5可得，C

F＝F

根据公式2-6和公式5-6建立线簧孔式电连接器接触性能退化轨迹模型：

其中：

当材料和工艺确定后，c、k

其中，α为膜层退化率，可以看出膜层退化率受材料的硬度、镀层厚度、孔隙率、线簧丝根数的影响。对A取对数得lnA，而lnA是较多随机变量的综合，根据中心极限定理，可近似认为lnA服从正态分布，因此，膜层退化率α服从对数正态分布，即α～LN(μ

其中，z

步骤6：建立线簧孔式电连接器的可靠性模型。当产品性能首次退化到失效阀值时，认为产品失效，对应的时间即为该产品的寿命。

构建可靠性模型的方法包括：

步骤S61：根据接触对的失效条件，得出接触对的寿命表达式。

所述失效条件包括：在贮存条件下，线簧孔式电连接器的接触电阻r

接触对寿命T

T

达到接触对寿命T

步骤S62：根据接触对的寿命表达式，得出接触对的失效分布函数。

对于同型号的接触件，不同个体间的体电阻的微小差异性可以忽略不计，取各接触件体电阻的平均值作为同型号线簧孔式电连接器接触件体电阻的共同值，r

其中，

φ{z}为标准正态分布函数。

步骤S63：根据所述接触对失效分布函数，得出电连接器的接触寿命。

线簧孔式电连接器有g个接触对，第i个接触对的寿命为T

F(t)＝P{T≤t}＝1-P{T≥t}＝1-[1-F

其中，g表示为电连接器的接触对数量，F

步骤S64：根据电连接器的接触寿命，构建电连接器的接触可靠性表达式。

线簧孔式电连接器t时刻的接触可靠度R(t)表示为：

步骤S65：根据所述接触可靠性表达式，获得可靠性模型。

可靠性模型表示为：

可靠性模型中，包含了公式6-5、5-7和4-29，以及6-2中z的定义。公式4-29描述了接触件之间的结构力学的关系；公式5-7描述了接触表面氧化和线簧丝应力松弛对接触电阻的关系；公式6-5为接触可靠度的表达式。

本发明构建的可靠性模型可以用于电连接器可靠性的评估。在一个具体实施例中，电连接器的材质和工艺确定的情况下，可以得到相关的参数，例如c、k

本发明还提供一种用于实现上述构建方法的构建系统，如图7所示，包括指标筛选模块1、指标表达式构建模块2、电连接器失效分析模块3和模型构建模块4，指标筛选模块1用于筛选可靠性评估相关的指标；指标表达式构建模块2用于建立所述指标的表达式；电连接器失效分析模块3用于确定线簧孔式电连接器的失效条件；模型构建模块4用于根据所述表达式和失效失效条件，建立可靠性模型。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。