□ 丁志勇 □ 王海波 □ 周 青 □ 于爱兵 □ 俞坷薇

1.宁波大学 机械工程与力学学院 浙江宁波 3150002.浙江永贵电器股份有限公司 浙江台州 318000

1 研究背景

随着社会的发展,电连接器行业竞争压力增大。当技术发展达到一定阶段时,制造成本、质量、服务成为主要竞争环节,降本增效成为企业发展的一个方向。这其中,技术方面的降本增效是重要课题。电连接器在设计时需要满足设备的使用要求,根据设备的使用环境、工况等,选用合适的安全余量。既要保证电连接器的运行安全性,也要避免安全余量过大造成浪费,导致成本偏高。因此,在综合考虑功能性、使用性、安全性、美观性等性能之外,还必须对电连接器进行经济性评价[1]。

电连接器是一种电接触元件,广泛应用于电流传输、网络通信、控制信号传输等领域。电连接器连接性能、质量、可靠性对整个设备或系统具有不可忽视的制约和影响作用[2]。电连接器从结构上分为接插件、绝缘体、外壳、附件,其中,接插件是决定电连接器性能的主要因素[3]。接插件主要由插针、插孔组成,材质多选用导电性能优异的铜合金,表面采用镀银、镀金,达到接触电阻小、防腐蚀的目的。

在大电流电连接器接插件基体材质方面,刘文轩等[4]对触头材料及环境气氛对接触电阻的影响机理进行论述,明确触头接触电阻与气氛、触头材料之间具有复杂的非线性关系。袁名扬等[5]对触头接触电阻的影响因素进行了分析,阐述金属导体电阻率对接触电阻的影响规律,提出常态下导电性能最好的金属银、铜适合用作触头材料。杨坚等[6]对紫铜类插孔零件进行加工工艺研究,提高了紫铜零件的加工生产效率。王珩等[7]对触点材料接触电阻的测量方法进行了汇总,目前触点材料接触电阻测试设备精度大多为毫欧级,所以对于基体电阻相差很小的两种材质,无法精准测量计算得到电阻差。

目前,在电连接器方面关于基体材质的研究大多针对接触电阻的测量方法及影响接触电阻的因素,应用方面的研究则较少。行业中应用于大电流传输的接插件,插配端直径相同,规格不同,所用基体材质相同,当压接配对的电缆线横截面积较小时,电连接器整体的载流能力主要受电缆线载流能力制约。笔者通过理论计算和试验相结合的方法,对插配端直径相同的大电流电连接器接插件压接小规格电缆线时基体材质由黄铜替代紫铜进行可行性研究,分析大电流电连接器接插件基体材质可以实现替代的规格范围,使材料性能利用最大化,并降低成本。

2 数据分析模型

研究所针对的大电流电连接器为环簧结构,如图1所示。大电流电连接器插配端直径为14.5 mm,可接电缆线规格为35 mm2、50 mm2、70 mm2、95 mm2、120 mm2,接插件插针、插孔根据所接电缆线规格,具有相对应的尾孔尺寸。插针参数如图2所示,插孔参数如图3所示。

紫铜作为接插件基体材质,具体选用T2铜。黄铜作为接插件选用H62铜[8]。考虑到仅是接插件基体材质发生替代,绝缘体、壳体等其它结构均不改变,因此主要分析基体材质替代对大电流电连接器壳体内总电阻及通电后温升的影响。

3 壳体内总电阻理论计算

对总电阻进行理论分析时,压接电阻、接触电阻非实测值,按照标准GB/T 34119—2017规定[9],只要电阻在标准规定的范围内,都满足要求。因此,计算选用标准规定的最大值较为合理。另一方面,标准规定在环境温度为40 ℃时载流曲线所对应的电流为电连接器的额定电流,因此以环境温度40 ℃为基线进行计算分析。

大电流电连接器壳体内总电阻由四部分组成,四部分分别为接触电阻、压接电阻、基体电阻、壳体内电缆线电阻。

(1) 接触电阻。接触电阻与接插件尾孔及压接电缆规格无关,只与插配端直径有关。根据标准GB/T 34119—2017,在插配端直径为14.50 mm时,紫铜、黄铜基体接插件接触电阻相等,均为0.15 mΩ。

(2) 压接电阻。紫铜、黄铜基体接插件外形和结构尺寸相同,采用相同的压模进行压接,因此压接电阻相等。根据标准GB/T 34119—2017可得,压接规格为35 mm2、50 mm2、70 mm2、95 mm2、120 mm2的电缆线时,大电流接插件最大压接电阻见表1。

(3) 基体电阻。插针总长57 mm,插孔总长59.30 mm,插孔头部外径为19.80 mm,插入深度为13.50 mm。由于接插件不是外径一致的导体,因此插合状态时近似看作外径为19.80 mm的圆柱体,长度为102.80 mm,截面积为307.75 mm2。

表1 最大压接电阻

当环境温度保持20 ℃时,紫铜的电阻率为0.018 Ω·mm2/m,黄铜的电阻率为0.071 Ω·mm2/m[10]。紫铜和黄铜电阻率随温度变化而变化,紫铜电阻温度系数为0.003 9 K-1,黄铜电阻温度系数为0.001 7 K-1。

基体电阻与电阻率、温度、电阻温度系数之间的关系为:

Rjt=ρjc(1+aΔT)Lj/S

(1)

式中:Rjt为温度为t时的基体电阻;ρjc为温度为c时的电阻率;a为电阻温度系数;ΔT为温度增量;Lj为接插件插合后长度,S为截面积。

由此,当t为40 ℃,c为20 ℃时,紫铜基体接插件40 ℃时的基体电阻为0.006 48 mΩ,黄铜基体接插件40 ℃时的基体电阻为0.024 5 mΩ。

(4) 壳体内电缆线电阻。壳体内电缆线的长度为0.153 05 m,紫铜、黄铜基体接插件相同规格压接,选用相同电缆线,因此壳体内电缆线电阻相等。

根据标准EN 50264-3-1[11],可得环境温度为20 ℃时单位长度导体的电阻最大值。电缆线电阻随温度变化而变化,需要通过温度校正因数进行修正。根据标准GB/T 3956—2008附录A[12],有:

Rdt=RdcLd/Kt

(2)

式中:Rdt为温度为t时的壳体内电缆线电阻;Rdc为温度为c时单位长度导体电阻最大值;Ld为电缆线长度;Kt为温度为t时的温度校正因数。

当温度为40 ℃时,电缆线电阻的温度校正因数为0.926,由此,当t为40 ℃,c为20 ℃时,壳体内电缆线电阻见表2。

表2 壳体内电缆线电阻

(5) 壳体内总电阻。根据上述计算结果,汇总可得不同规格接插件压接匹配电缆线后的壳体内总电阻,见表3。表3中,RZ为紫铜基体接插件压接电缆线后壳体内总电阻,RH为黄铜基体接插件压接电缆线后壳体内总电阻。

表3 壳体内单根接插件总电阻

4 理论计算结果分析

4.1 基体电阻对壳体内总电阻的影响

已知紫铜基体接插件、黄铜基体接插件40 ℃时的基体电阻,以及RZ、RH,可以计算出基体电阻占壳体内总电阻的比值,见表4。

表4 基体电阻占壳体内总电阻比值

由表4可知,紫铜基体接插件基体电阻占壳体内总电阻比值较小,最大只有3.30%,黄铜基体接插件基体电阻占壳体内总电阻比值较大,最大达11.42%。对于规格为35 mm2、50 mm2、70 mm2的电缆线,传输电流小,接插件基体电阻不是影响温升性能的主要因素,此时适当增大接插件基体电阻占壳体内总电阻比值,仍可满足大电流电连接器温升性能要求。

4.2 焦耳定律下电流与电阻换算

由于客体内总电阻变化较小,数量级均为毫欧级,因此细微的测量误差就可能对结果产生很大影响。接插件基体材质对大电流电连接器温升的影响,在相同试验条件下最直观的体现是所通电流大小。由此,两种基体材质接插件壳体内总电阻的分析可以转换为电流的分析,这样更加贴合实际工况。

由焦耳定律可知,在通电时间相同、产生热量相等的情况下,有:

(3)

式中:IZ为紫铜基体接插件壳体内总电阻在相同时间内产生相同热量的电流值;IH为黄铜基体接插件壳体内总电阻在相同时间内产生相同热量的电流值。

引入因数M,代表IH与IZ的比值,M越接近1,说明差异性越小。电流比值理论计算结果见表5。

表5 电流比值理论计算结果

由表5可知,在相同时间内产生相同热量,黄铜基体接插件和紫铜基体接插件所需通电电流比值大于0.95,尤其是对于规格为35 mm2、50 mm2、70 mm2的电缆线,所需通电电流比值达到0.96以上。考虑这三种规格电缆线所通电流较小,因此基体材质由黄铜替代紫铜更具有可行性。当然,虽然电流比值较为接近1,但是热量的产生与电流的二次方成正比,还需要进一步通过温升试验验证。

5 温升试验

5.1 试验方法

利用大电流发生器和多路温度巡检仪进行大电流电连接器温升试验,大电流电连接器的三对接插件之间串联,温升试验原理如图4所示。

参考标准GB/T 5095.3—1997中的试验方法[13],在环境温度为25 ℃的条件下,将接插件压接电缆线后进行串联,由大电流发生器传输电流。多路温度巡检仪采集不同电流下大电流电连接器达到热平衡后的温度及大电流电连接器的环境温度,两个温度之差即为产生的温升。

5.2 试验过程

对于每个规格的电缆线,制作三套试验样品,由三套试验样品得到试验平均值。对于每个规格的电缆线,进行四个不同电流下的温升试验,计算得到温升。紫铜基体接插件温升试验结果见表6,黄铜基体接插件温升试验结果见表7。

表6 紫铜基体接插件温升试验结果

表7 黄铜基体接插件温升试验结果

5.3 载流曲线

通过温升试验得到的载流曲线如图5所示。图5各图中,曲线1为紫铜基体接插件由温升试验测试值绘制的基本曲线,曲线2为黄铜基体接插件由温升试验测试值绘制的基本曲线,曲线3为紫铜基体接插件温升试验测试值引入降额因数0.8后的修正曲线,曲线4为黄铜基体接插件温升试验测试值引入降额因数0.8后的修正曲线,曲线5代表电流上限,大电流电连接器材料允许的温度上限为125 ℃。

5.4 试验结果

标准GB/T 34119—2017规定,环境温度为40 ℃时载流曲线所对应的电流值为大电流电连接器的额定电流。由此,根据图5可以得出环境温度为40 ℃时大电流电连接器所能通过的最大电流,即紫铜基体接插件和黄铜基体接插件壳内电阻产生相同温升所需要的电流值,见表8。

表8 大电流电连接器可通最大电流

标准GB/T 34119—2017规定,大电流电连接器的额定电流应适配电缆线的额定电流,同时要满足规定的自身最小额定电流,见表9。

表9 大电流电连接器最小额定电流

对比分析表5中的M值和表8中的IH/IZ,理论计算值M整体略大于试验值IH/IZ,两者整体变化趋势相同。考虑到理论计算中接触电阻、压接电阻为标准参考值,试验过程中环境、人为等因素都会对结果造成一定影响,评估后确认误差在可接受范围内。

由表5、表8、表9数据可知,插配端直径为14.5 mm,电缆线规格为35 mm2和50 mm2,IH/IZ大于0.9,修正后的电流满足大电流电连接器最小额定电流要求,说明接插件基体材质使用黄铜,大电流电连接器的性能满足使用要求。插配端直径为14.5 mm,电缆线规格为70 mm2,虽然IH/IZ小于0.9,但是修正后的电流同样满足大电流电连接器最小额定电流要求,说明接插件基体材质使用黄铜,大电流电连接器的性能也可以满足使用要求。插配端直径为14.5 mm,电缆线规格为95 mm2和120 mm2,IH/IZ偏小,并且修正后的电流不满足大电流电连接器最小额定电流要求,考虑到外部环境等其它因素的影响,有失效风险,因此接插件基体材质不可使用黄铜替代。

6 结束语

笔者对大电流电连接器接插件基体材质由黄铜替代紫铜进行可行性研究,以插配端直径14.5 mm及电缆线规格35 mm2、50 mm2、70 mm2、95 mm2、120 mm2为例,进行理论计算和试验验证。可行性研究表明,基体电阻对壳内总电阻的影响较小,但热量产生与电阻和电流的二次方均呈现正相关,在电流较大的情况下,细微的电阻变化会对大电流电连接器的温升性能造成较大影响。

对于插配端直径较大的小规格型号接插件,所匹配的电缆线规格及工作电流较小,电缆线的载流能力成为制约大电流电连接器载流能力的主要因素,因此接插件基体材质可以选用导电能力略差的材料,即由黄铜替代紫铜,使材料性能利用最大化,避免材料在性能方面存在浪费。

笔者所做的可行性研究为类似产品结构设计、材料选型,以及企业降本增效提供了参考。