郭晋 高健 马丽格 夏丽芳 张林
中车长春轨道客车股份有限公司 吉林长春 130062
摘要： 接触电阻是衡量电连接器使用寿命和可靠性的重要指标，广泛应用于电气电子系统。机械振动应力过大、过大会导致电接触功能失效。本文采用四线法在机械振动环境下实时准确地记录了典型连接器的电接触电阻(ECR)。进一步研究了电子回旋共振与振动应力(包括频率和加速度)之间的关系。为了更好地理解 ECR 波动和衰减的物理机制，建立了连接器的振动传递路径和相应的动态响应模型。最后，系统总结了机械振动应力作用下电控旋转振动的主要影响因素。
关键词：动车组 电气连接器 失效模式
一．动车组电连接器失效模式概述
电子连接器是连接电子设备和电力的基本组成部分。它们的可靠性通常对系统的运行至关重要，因此确保可接受的连接性能至关重要。如果发生故障，它可能产生电磁辐射，或威胁周围的设备。有大量的研究已经考虑了不同类型的电接触，并提出了相关的接触理论。
本文以动车组中广泛使用的一种典型电子连接器为代表样本，介绍了一种在不同机械振动条件组合下实时监测 ECR 的试验台。第三部分实验研究了振动幅值、频率和加速度对电子回旋共振的影响。最后，建立了一个典型电子连接器的结构动力学模型，并在第四部分提出了 ECR 变化的物理逻辑解释。
二． 实验设计
2.1 实验设备
实验系统主要包括三个部分。第一部分，利用振动频率(f)为10-2000Hz，振动加速度 为0-196m/s2的电动振动台(型号: 中国苏氏试验仪器有限公司 D1000)提供周期性正弦振动。振动台采用独立三相电源(AC 380 v)供电，振动台外壳与中性线连接可靠。同时，测量模块采用单相电源(AC 220v)供电。为了保证电子回转器的测量精度，外壳应该连接到另一个地面，以隔离强电磁接口从振动台。
第二部分是恒温室模块。最高温度可设置为200 ℃，环境温度的实时测量采用 k 型热电偶，并由加热控制器监测，精度为 ± 1 ℃。此外，电连接器的安装方向(水平和垂直)可在腔室内改变。箱体直接固定在振动台上，可以精确控制外部应力环境。箱体和底板采用不锈钢材料制造。底板厚度为10mm，可大幅度排除振动台产生的磁干扰。
在第三部分中，测量模块配置为四线法，消除了包括焊点电阻在内的引线电阻。它有一个内置的电流源能够提供恒定的电流，这可以设置为1至1000毫安在步骤1毫安。可选的开路电压可以从5到200mv 在1 mV 的步骤。经过校准后，接触对之间的测量电阻的准确度在1% 以内。测试过程中，接触压降信号经过低噪声放大和低通滤波处理后，以250khz 的采样速率通过数据采集卡(PCI1716; Advantech，Taiwan)进行采集和存储。电压信号与接触电流的比值可以计算电子回旋共振比。该模块是连接到个人计算机(PC)使用 USB 电缆。数据采集和测井过程通过 PC 机，利用专门编制的 LabVIEW 软件进行控制。
2．2 实验条件
选择 J599Ⅲ型连接器实验样品。该连接器包含26对触点，额定电流为7.5A。如图1所示：
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图 1 J599Ⅲ型连接器示意图
2.3 实验结果分析
在频率扫描振动模式下，对数扫描频率设置为20-1000Hz，振动加速度设置为5g (g = 9.8 m/s2) ，10g 和15g。每个单独的情况保持一个恒定的加速度，扫描时间为25秒。瞬态 ECR 值如图2所示。
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图 2 在扫频振动模式下电子回旋共振的变化示意图
以5-g 情况下的振动加速度为例，给出了初始平均 ECR。在振动作用之前，0~2s 为10.08 mω。当振动开始于2 s 时，电子回旋共振峰值达到14.95 mω，随着振动频率的增加，电子回旋共振峰值逐渐降低。在10s 左右达到稳定状态，平均值为9.99 mω。在振动加速度为5、10和15g 时，峰值分别为14.95、19.78和25.85 mω。即使没有完全消除电磁干扰，实验结果仍然表明，振动加速度越大，ECR 的波动越大。在振动加速度为5、10和15g 时 ，ECR 由26、20和15mω 迅速降低到10mω 左右，扫频频率为20-1000Hz。然而，ECR 在较高频率下保持稳定。这主要是由于振动幅度的限制。
在分段变加速度扫描振动实验中， 横向振动从 t1开始，第一级加速度为5g。对数扫频频率在前30s 由20ー1000hz 增加到后30s 对称降低。5重力加速度扫描终止于 t2。对数扫描振动的加速度在 t3-t4期间为7.5 g，在 t5-t6期间为10g。整个过程可以分为三个阶段(如图8所示)。0-t1时，振动前的静接触电阻为3.7 mω。振动从 t1开始，在第一阶段保持5 g 的加速度。在前半阶段，ECR 的瞬态峰值瞬时上升，达到最大10.1 mω，然后随扫频频率的增加在20ー1000hz 范围内减小。当频率从1000赫兹回扫到20赫兹时，ECR 的瞬态峰值与前半阶段的峰值近似对称。第二阶段振动加速度为7.5 g，第三阶段振动加速度为10 g，实验过程与第一阶段相同。如图3所示，ECR 的瞬态峰值分别增加到15.8和23.8 mω，这与实验结果一致。
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图 3 变加速度横扫试验中电子回旋共振的变化
三．电子连接器物理机制分析
外部振动引起插头与插座之间的相对位移，从而导致插头与千斤顶之间接触力的波动。由于这种力的作用，销轴相对于插座端部会产生周期性的弯曲振动，造成销轴与千斤顶接触面积的波动。电子回旋共振从根本上取决于接触力和接触面积，这解释了外界振动引起电子回旋共振波动的机理。此外，插销与千斤顶之间的振动应力还具有以下附加效应: 1)微动磨损影响接触面的形貌和 ECR; 2)插销与千斤顶之间的挤压作用使接触面膨胀，降低表面粗糙度; 3)摩擦热是导致连接器温度升高的主要原因，从而引起接触面的热应力和 ECR 的变化。
四．结束语
综上，为确定电连接器在机械振动环境下的失效机理，对电连接器在不同振动幅值和振动频率组合下的响应特性进行了详细的实验研究。通过选择最大值和波动峰峰值来反映电子回路的变化特性，评价电连接器的性能。本文证实了电子回旋共振器的瞬态起伏频率与振动频率相同，只有当振动幅度超过0.1-mm 量级时，电子回旋共振器的瞬态起伏频率才有显著变化。结构动力学模型表明，插头与插座壳体螺纹连接的固有频率 p、插销的弯曲强度 EI、插销与千斤顶接触的弹性系数 k 均影响插销与千斤顶的接触刚度，从而影响插销与千斤顶的相对位移，从而导致外部振动应力作用下电控旋转振动装置的明显波动。本文的研究和初步结论可以作为预测电连接器工作寿命和机械环境耐久性能的依据。
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