矿用电缆连接器可靠性技术研究

2019-06-18 版权声明 举报文章

【摘要】电缆连接器是通信的主要传输介质,矿用电缆连接器是井下控制系统的信号传输介质,其可靠性直接影响系统的稳定性。多年的现场应用经验表明,由于井下的特殊环境,直接影响连接器可靠性的因素主要为连接器的锁紧、防护及连接器接触对的结构及材质等。本文通过针对连接器的专项研究和试验,总结相关参数、工艺和设计方法,为矿用电缆连接器的改进和设计提供参考数据。

【关键词】连接器;可靠性;锁紧;防护;接触对

1.引言

矿用多芯电缆连接器一般是井下工业控制系统的主连接器,其可靠性直接关系到系统的稳定性,保证系统的正常运行。近年来随着井下工业控制系统的不断拓展,对于矿用多芯电缆连接器可靠性的要求越来越高,因此保证连接器可靠性的技术解决方案成为了系统设计应用的关键技术之一。

近期,针对目前部分产品使用的电缆连接器及电缆组件在加工和现场使用中出现的问题进行了国内外先进连接器的信息收集,经调研、学习后,不难发现,保证连接器的可靠性主要在于把握连接器的关键技术点,本文总结论述电缆连接器的关键技术点,由于时间有限,本文部分数据还须通过实际生产或试验验证。

本文主要围绕以下几个方面进行论述:

1)连接器头座连接锁紧方式;2)连接器外壳材质及表面处理;3)连接器接触对结构、材质及表面处理。

2.连接器可靠性技术

2.1 连接器插头和插座连接锁紧方式

连接器的插头和插座的可靠连接是保证系统信号稳定传输的前提,井下连接器的使用环境特殊,主要表现为空间狭小、有振动,这对于选择连接器插头插座的连接方式提出了新的要求,必须操作简便和锁紧可靠,可以简单的归纳为“易锁难解”。图1-1是国外一款圆柱形插拔自锁连接器,插拔原理主要是通过插头前部的六瓣锁定弹片与插座里的锁定凹槽配合,完成插拔自锁,该结构锁紧方式简单可靠,插座和插头插合后防护等级可以达到IP68,可靠性很高,但其对连接器内部的结构设计要求较高,对锁定弹片的设计要求也较高,或者强度不够,则会影响到连接器的使用寿命和抗振能力,由于该结构对加工对加工等要求较高,国内矿用连接器使用该结构较少。

目前井下的电缆连接器使用较多的方式为U型卡快速插拔式(如图1-2),插头与插座连接后,插入U型卡,通过U型卡的形变夹紧力实现插头和插座的可靠连接。此方式安装简单,连接也较可靠。此类连接方式要求U型卡必须具备相应的强度,刚度和韧度都有要求。井下胶带运输机沿线振动强烈,如果U型卡强度不够,则极易发生松脱的情况,使得连接失效。U型卡的材料可以选弹簧钢,经热处理(退火)后改善其机械性能,表面镀层处理以防锈防腐蚀。此外,U型卡的可靠锁紧还与插座上U型卡插入孔的中心距及U型卡本身的形状结构相关,这两个结构因素直接影响插头插座的锁紧及端面密封的可靠性,各厂家的设计生产各不相同,只要通过插拔疲劳试验并能够达到目标解锁力,就可以认为是有效的U型卡机构。U型卡在井下连接器中被广泛使用,主要原因在于其锁紧原理简单、操作便捷及造价较低。

目前井下连接器还有少部分使用螺纹连接锁紧式,该形式较之快速插拔式的连接方式,可以减少因振动而导致的连接松脱现象,但根据实际使用的情况,会发生螺纹生锈腐蚀以后无法拧紧或卸装的情况,这说明,螺纹连接方式对外壳的材质有防锈的要求,关于外壳材质在下一部分论述中再作细述。此外螺纹连接方式还必须有辅助防松结构,防止连接器锁紧螺纹在振动、冲击环境下的松脱。螺纹锁紧连接器,螺纹拧合扣数不宜太多,应不多于六扣,且有明显的到位感而非到位标识,井下光线不足,操作者很难辨识到位标识。根据调研,螺纹锁紧式连接器不适合用于大型连接器,一般适合用于回转直径不大于15mm的小型连接器,使用螺纹连接锁紧式的连接器,设备应在结构上留足操作空间。

2.2 连接器外壳材质及表面处理

螺纹锁紧式连接器在实际使用中易发生螺纹生锈的问题,影响了连接器的连接,失效分析后我们了解到,一般此类连接器外壳材质为钢,然后表面喷漆或者电镀处理,这种材质和处理方式在受潮和受到腐蚀性气液体侵蚀时很容易发生生锈的情况,所以建议井下设备连接器应尽量避免选用钢材质,可以采用06Cr19Ni10(美标304),表面钝化处理,试验表明,48小时酸性盐雾试验后(氯化钠溶液,pH值3.3左右)外壳无锈蚀,可以作为连接器外壳的选材。不锈钢材质不需要做表面的镀层处理,但是不锈钢的加工性能较差,因此不锈钢的连接器价格昂贵,成本较高。调研时发现国外的一些金属连接器外壳多采用铜合金,先镀1μm,然后镀镍3-6μm,然后镀亚光铬或黑铬0.3-1μm,其他小的零件如电缆夹、螺母等则采用铜合金表面镀亚光镍6-8μm,在抗工业废气、盐雾和大多数腐蚀剂方面,均有出色效果。对于非常恶劣的使用环境,这些连接器则选用AISI 303或304号不锈钢,耐腐蚀。我们可以看到,国外的连接器使用的材质主要是铜合金和不锈钢。主要原因在于黄铜或者铜合金的加工性能很好,因此目前国内也普遍采用,但是对镀层的工艺要求很严格,镀层的材料、厚度必须达到相应的标准才能满足防护等级的要求。镀层在遇到恶劣的腐蚀性环境时,很容易受侵蚀,针对这种情况,采用铜合金,必须按照严格的工艺流程先镀铜,再镀镍,在镍基基础上再镀铬,并适当加厚镀镍层的厚度(约加至8-10μm),以提升外壳的表面的抗腐蚀能力。实际连接器的外壳材质选用可以综合材料价格、可加工性、后处理工艺等各方面的因素来确定,前提是必须保证其抗腐蚀性能。

2.3 连接器接触对结构、材质及表面处理

接触对是连接器的核心部分,结构、强度、材质和表面镀层等都是接触对的重要参数。接触对的结构直接影响其强度,应严格按照国标或者各企业的企标(一般高于国标)来设计制造。在实际生产过程中,发现有焊杯强度不够的情况,与接触对连接的芯线的面积不同,所采用的结构、壁厚必然不同;接触对与芯线的连接方式的不同,也必然导致接触对的结构不同。图3-1是国外某品牌连接器的三类插针,可以看到因为连接方式不同而导致插针结构的不同,材料均为铜合金,表面镀镍1.25μm,然后镀金0.75μm,国内外连接器接触对的镀层要求一般也与此相似,各厂家略有区别,接触对的导通电阻一般应不大于5mΩ。

表1为某款连接器的针芯(焊接)直径与电缆芯线直径的匹配表。

从表1我们可以看出,针芯的直径是与与其焊接的电缆芯线的直径相关的,两者严格匹配。接触对的结构是多样的,尤以插孔结构的多样性更为常见,插孔的结构直接决定接触对连接的可靠性。常见的连接器插孔有簧片孔(表1中所示)、线簧孔、冠带孔等,总结可以发现,主要是实现与插针之间的线面接触及在振动等情况下的接触补偿等,以实现可靠连接。根据以上所述,连接器接触对的设计和工艺要求必须依据接触特性和使用环境,执行严格的参照标准,通过科学的结构设计和制作工艺流程方能实现可靠的连接。

3.结语

井下的特殊使用环境对电缆连接器的性能提出了特殊要求,实现其可靠性需要对其关键技术的把握,连接器头座连接锁紧方式、外壳材质及表面处理及接触对结构、材质及表面处理,这是影响连接器使用性能的关键,以上的调研范围还不够全面,需要在实际的使用中和更多的试验来确定更科学的关键参数,并将这些数据运用与电缆连接器的设计和生产制造中,最终保证电缆连接器的可靠性。

参考文献

[1]GB3836.1爆炸性环境第1部分:设备通用要求[S].中国标准出版社,2011.

[2]李书常.电连接器选用手册[S].化学工业出版社,2010.

[3]黄红军.金属表面处理与防护技术[M].冶金工业出版社,2011.

[4]雷莫电子(上海)有限公司.LEMO(雷莫)连接器选型指南[M].2012.

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