航天電連接器的可靠性分析

　　電連接器及其組件是航天系統(tǒng)工程重要的配套接口元件，散布在各個(gè)系統(tǒng)和部位，負(fù)責(zé)著信號和能量的傳輸。其連接好壞，直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。由電連接器互連組成各種電路，從高頻到低頻、從圓形到矩形、從通過上百安培的大電流連接器到通過微弱信號的高密度連接器、從普通印制板連接器到快速分離脫落等特種連接器，幾乎所有類型品種的電連接器在航天系統(tǒng)工程中都得到了大量應(yīng)用。
    例如某型號地面設(shè)備就使用了各種電連接器400套。任何一個(gè)電連接器接點(diǎn)失靈，都將導(dǎo)致航天器的發(fā)射和飛行失敗。戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈彈體內(nèi)的導(dǎo)引頭、戰(zhàn)斗機(jī)、發(fā)動機(jī)、自動駕駛儀等關(guān)鍵部件，都是通過由電連接器為基礎(chǔ)器件，使成百上千個(gè)接點(diǎn)的電纜網(wǎng)組成一個(gè)完整的武器互連系統(tǒng)，一個(gè)接點(diǎn)出現(xiàn)故障，即會導(dǎo)致整個(gè)武器系統(tǒng)的失效。
    一、航天電連接器的可靠性分析
    電連接器的可靠性包括固有可靠性和使用可靠性兩方面。圖1列出了影響電連接器可靠性的主要因素。

    1．固有可靠性
    電連接器的固有可靠性一般是指電連接器制造完成時(shí)所具有的可靠性，它取決于電連接器的設(shè)計(jì)、工藝、制造、管理和原材料性能等諸多因素。電連接器制作完成后，其失效模式和失效機(jī)理已固定，因此只有在可靠性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，保證生產(chǎn)線上嚴(yán)格采取可靠性技術(shù)措施（如生產(chǎn)工藝的嚴(yán)格控制、生產(chǎn)環(huán)境條件的控制、各工序過程中的質(zhì)量檢測等），才能保證電連接器的固有可靠性。
    (1)設(shè)計(jì)可靠性
    ①合理選材
    選材是保證電連接器電性能和可靠性的重要前提，電連接器所用材料決定了工作溫度上限，而起決定作用的是絕緣材料、環(huán)境密封電連接器所用的密封材料、膠粘材料、殼體和接觸件所用材料等。材料選用涉及連接器的力學(xué)、電氣、環(huán)境等性能要求和材料本身的理化性能等。其中材料熱學(xué)性能（耐熱溫度、熱導(dǎo)率、高溫強(qiáng)度及熱變形等）是設(shè)計(jì)必須考慮的主要因素。電連接器絕緣體選用不同的絕緣材料，其絕緣耐壓等電氣性能也有明顯差異。電連接器殼體和接觸件選用時(shí)，除考慮導(dǎo)電、導(dǎo)熱和結(jié)構(gòu)剛度外，還應(yīng)考慮相互配合和接觸材料的電化學(xué)相容性和硬度匹配性。
    ②結(jié)構(gòu)型式
    結(jié)構(gòu)型式是決定產(chǎn)品可靠性的重要因素，合理的結(jié)構(gòu)型式既避免了誤插，又提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
    (2)工藝可靠性
    殼體的加工工藝、絕緣體的注塑和膠接工藝、接觸件的成型和鍍金工藝、電連接器總裝工藝和與線纜的端接工藝等，對產(chǎn)品固有可靠性至關(guān)重要。
    鍍金接觸件用手工滾鍍，往往導(dǎo)致個(gè)別插孔內(nèi)壁局部沒有膜層，呈氧化色，而引進(jìn)超聲波鍍金生產(chǎn)線，并用儀器嚴(yán)格監(jiān)控鍍金層厚度，使內(nèi)壁形成均勻膜層，提高了接觸可靠性。
    (3)檢驗(yàn)可靠性
    電連接器在各關(guān)鍵工序加強(qiáng)檢驗(yàn)，通過嚴(yán)格的工藝篩選，剔除失效產(chǎn)品。交收試驗(yàn)時(shí)，除檢查常規(guī)電性能指標(biāo)外，還應(yīng)百分之百進(jìn)行外觀質(zhì)量檢查，特別是多余物檢查十分重要，除目視和借助放大鏡外，必要時(shí)可用體視顯微鏡判定缺陷性質(zhì)。在交收試驗(yàn)和二次補(bǔ)充篩選過程中，必須按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的質(zhì)量水平嚴(yán)格控制。當(dāng)超過不合格率時(shí)，應(yīng)對每批產(chǎn)品進(jìn)行失效分析，查清失效原因，并采取有效的改進(jìn)措施。
    2．使用可靠性
    電連接器在使用過程中會遇到電、熱、機(jī)械和化學(xué)等應(yīng)力的作用，如忽視了正確選型和貯存使用等情況，即使使用經(jīng)二次補(bǔ)充篩選的產(chǎn)品，仍會出現(xiàn)失效。特別是隨著近年來許多小型化、高密度、多功能等新型電連接器的不斷出現(xiàn)，許多設(shè)計(jì)工藝人員還未正確掌握這些新型電連接器的使用方法，導(dǎo)致由于使用不當(dāng)造成的失效案例在整個(gè)電連接器失效統(tǒng)計(jì)中占有較大比例。
    (1)選型可靠性
    應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場使用實(shí)際要求選擇最適當(dāng)?shù)碾娺B接器型號，主要考慮以下幾點(diǎn)因素。
    ①電氣參數(shù)：工作電壓（取耐電壓值的三分之一）、額定電流、內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體的接觸電阻、特性阻抗、電壓駐波比、屏蔽性能及抗干擾性能等。
    ②機(jī)械參數(shù)：振動沖擊、碰撞機(jī)械壽命、單孔分離和總分離力等。
    ③環(huán)境參數(shù)：溫度、濕度、振動、沖擊、鹽霧、灰塵、輻射、電磁干擾及密封性能（包括漏率、水壓、淋雨）等。
    ④安全參數(shù)：接點(diǎn)間和接點(diǎn)與外殼間的絕緣電阻、耐電壓、阻燃性、質(zhì)量等。
    ⑤端接方式：焊接、壓接、繞接、刺破連接、螺釘連接等。
    ⑥結(jié)構(gòu)形式：接觸件的可拆卸性、接觸件的種類和結(jié)構(gòu)形式等。
    ⑦連接、鎖緊方式：卡口式、直插式式、螺紋連接式、中心螺紋桿式等。
    ⑧安裝方式：面板式、電纜式、螺母式、穿墻式等。
    ⑨操作適宜性：操作空間大小、防誤操作結(jié)構(gòu)、連接到位指示等。
    ⑩尾部附件形式。
    ⑾外形尺寸。
    ⑿應(yīng)根據(jù)在整機(jī)系統(tǒng)中的作用和地位，選擇適宜的質(zhì)量等級。
    ⒀界面型譜的選擇。應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用的芯數(shù)，查取接觸件額定電流下降Q值（見表1）。

表1 接觸件額定電流下降Q值表

    根據(jù)接觸件承載電流通過以下公式計(jì)算接觸件額定電流
    單個(gè)接觸件額定電流≥單個(gè)接觸件承載電流／（1-Q）     (1)
    再根據(jù)計(jì)算出的接觸件額定電流值查出接觸件插配直徑（見表2）。

表2 接觸件插配直徑表

    最后選擇所需要的電連接器型譜。注意應(yīng)使電纜線芯與接觸件接線孔直徑匹配，避免過粗的線芯損傷接觸件端接處。
    (2)貯存可靠性
    貯存環(huán)境的溫度、濕度、清潔度和腐蝕性氣體都將影響電連接器的性能參數(shù)，特別是濕度對絕緣電阻尤為敏感。如H2S、SO2等氣體，會使接觸件鍍層表面生成一層氧化物或硫化物絕緣膜，在潮濕環(huán)境中反應(yīng)速度更快，生成更厚的絕緣膜，嚴(yán)重影響電連接器的接觸可靠性。為此，對航天等高可靠電連接器的貯存環(huán)境條件要求十分嚴(yán)格。特別是經(jīng)二次篩選的電連接器，必須十分重視貯存環(huán)境條件。根據(jù)QJ2227“航天用電子元器件貯存和超期復(fù)驗(yàn)要求”，電連接器的貯存環(huán)境條件分為三類，見表3。

表3 貯存環(huán)境條件分類表

    (3)安裝可靠性
    安裝人員應(yīng)首先了解電連接器的技術(shù)特性，不得過負(fù)荷、過應(yīng)力使用，應(yīng)按操作使用方法正確連接和分離，避免燒壞或損傷電連接器。連接前檢查是否存在多余物，是否有外殼銹蝕、針孔異樣、鎖緊機(jī)構(gòu)不靈活等現(xiàn)象，避免尾罩受力松動和電纜線芯受力損傷。使用過程中應(yīng)小自輕放，不能亂丟亂放，防止接觸件受力彎曲和受污染。連接不具備防誤操作電連接器前，必須認(rèn)真核實(shí)電連接器型號和標(biāo)識是否相對應(yīng)，并應(yīng)正確定位，防止反插或誤插。電連接器長期分離時(shí)，應(yīng)蓋上防護(hù)罩，否則容易發(fā)生插針碰歪、變形或多余物掉人等問題。對電連接器進(jìn)行性能測試時(shí)，應(yīng)使用合格和新的插頭（座）或模擬插針，不能用探針或銅棒插人插孔進(jìn)行測量，否則會造成插孔松弛導(dǎo)致接觸不良。為保證端接后電連接器的可靠性，應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范選用型號規(guī)格適的連接導(dǎo)線和接線工具，掌握正確的焊接、壓接、繞接等工藝。防止虛焊、虛壓、端接脫落、斷裂和污染等事故。特別是焊接后應(yīng)及時(shí)清理焊瘤、殘?jiān)?。分解電連接器時(shí)必須按要求拆裝和檢查，應(yīng)特別注意有無漏裝、是否到位、接點(diǎn)序號是否準(zhǔn)確、橡膠件有無絞結(jié)等。裝配后應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的試連接，以保證互換性。拆裝時(shí)應(yīng)妥善保管零件，防止松散失效。
    二、保證航天電連接器可靠性的措施
    1．選用列入國防科工委軍用元器件管理中心公布的合格產(chǎn)品清單中的電連接器。
    2．選用列入航天系統(tǒng)工程“各型號電子元器件優(yōu)選目錄”中的電連接。
    3．合理選用質(zhì)量等級。
    4．優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)或通用型電連接器，慎用非標(biāo)準(zhǔn)或新型號電連接器。
    5．做好交收試驗(yàn)和二次補(bǔ)充篩選。
    6．重視電連接器的使用可靠性。
    三、航天電連接器的可靠性預(yù)計(jì)
    對國產(chǎn)電連接器的失效率可采用國軍標(biāo)GJB/Z299B-98“電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊”進(jìn)行預(yù)計(jì)，可根據(jù)下式求出。
        λp=λb×πE×πQ×πP×πK×πC
        式中： λp—工作失效率；
                      λb—基本失效率；
                      πE一環(huán)境系數(shù)；
                      πQ—質(zhì)量系數(shù)；
                       πP—接觸件系數(shù)；
                      πK—插拔系數(shù)；
                      πC—插孔結(jié)構(gòu)系數(shù)。
    對進(jìn)口電連接器的失效率可采用美軍標(biāo)MIL-HDBK-217E“電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)”進(jìn)行預(yù)計(jì)，可根據(jù)下式求出。
            λp=λb×πE×πP×N λcyc                (3)
    式中：N—工作插腳數(shù)，對于插拔率≤40次/1000h的電連接器，λcyc項(xiàng)可忽略不計(jì)。

    四、結(jié)論
    大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在航天產(chǎn)品的質(zhì)量缺陷中，屬于電連接器問題部分約占70%，剩下的30％才屬于制造、裝運(yùn)等其它問題。航天產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)是航天產(chǎn)品質(zhì)量的源頭。因此，在航天產(chǎn)的設(shè)計(jì)工作中有效進(jìn)行電連接器的可靠性分析工作，以提高航天產(chǎn)品的質(zhì)量就顯得尤為迫切。
    不斷提高航天產(chǎn)品質(zhì)量是裝備部門、軍工企業(yè)和各科研院所不可推卸的責(zé)任。開展航天電連接器的可靠性分析工作對識別并消除航天產(chǎn)品潛在的質(zhì)量缺陷有著舉足輕重的作用。事先很好地進(jìn)行電連接器的可靠性分析工作，能夠容易地對航天產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)更改，從而減少或消除因設(shè)計(jì)帶來更大損的機(jī)會。適時(shí)進(jìn)行航天電連接器的可靠性分析工作，將極大地提高航天產(chǎn)品的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：
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[4]國軍標(biāo)GJB/Z299B-98“電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊”[K]．
[5]美軍標(biāo)MIL-HDBK-217E“電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)”[K]．