CC BY
432
УДК 621.3.019.3
ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ ОБЖИМНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В БОРТОВОЙ КАБЕЛЬНОЙ СЕТИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА С ЦЕЛЬЮ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК
И. С. Васильев1, С. Б. Сунцов1, С. В. Ефремов1, В. С. Ким2
1ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва»
Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
E-mail: vasilyev_is@sibmail.com Национальный исследовательский Томский политехнический университет Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 30. E-mail: kim_vs@rambler.ru
В ходе испытаний обжимных электрических соединений получен ряд характеристик. На основе результатов испытаний выполнен расчет переходного электрического сопротивления нового типа электрических соединительных элементов бортовой кабельной сети современных космических аппаратов. Проведен учет причин возникновения переходного сопротивления для реальных конструкций обжимных соединительных элементов. Результаты расчета сравнены с данными измерений переходных сопротивлений. Предлагается использовать полученные данные для построения модели старения обжимных электрических контактов, применимой к новым конструктивным решениям.
Ключевые слова: испытания, обжимные электрические соединения, бортовая кабельная сеть, надежность, полуэмпирическая модель.
TESTING OF CRIMPED ELECTRIC CONNECTIONS IN ON-BOARD DC HARNESS OF SPACECRAFT FOR DETERMINATION OF THEIR PROPERTIES
I. S. Vasilyev1, S. B. Suntsov1, S. V. Efremov1, V. S. Kim2
1 JSC “Information satellite system” named after academician M. F. Reshetnev”
52, Lenin str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662971, Russian Federation E-mail: vasilyev_is@sibmail.com 2Tomsk National Research Polytechnic University 30, Lenin Av., Tomsk, 634050, Russian Federation E-mail: kim_vs@rambler.ru
Some performances have been obtained as the result of testing of crimped electrical connections. On the basis of test results performance calculate transient electrical resistance of the new type of electric connection items implemented in on-board DC harness of modern spacecrafts. The causes of appearance of transient resistance in actual designs of crimped connection items were taken into account. The calculation results are compared to the transient resistance measurements. It is proposed to use the obtained data when building a model of crimped electrical connections ageing, applicable to new design solutions.
Keywords: tests, crimped electrical connections, on-board DC harness, reliability, semiempirical model.
Проведение испытаний технического устройства является обязательной частью процесса изготовления продукции. Испытания можно разделить на несколько основных групп [1]:
- предварительные испытания;
- предъявительские испытания;
- приемосдаточные испытания;
- периодические испытания;
- типовые испытания.
Все испытания учитывают влияние внешних воздействующих факторов (ВВФ) и включают ряд методов контроля, направленных на мониторинг изменения характеристик. Проведение испытаний позволяет подтвердить соответствие качества изготавливаемой продукции и допустить ее дальнейшую эксплуатацию. Для вновь разрабатываемых изделий, а также
при необходимости эксплуатации в более жестких условиях, проводят дополнительный вид испытаний на определение надежности изделия. Эти испытания более длительны по времени и требуют большего объема выборки испытуемых образцов. Они позволяют определить максимальный ресурс изделия и свести к минимуму вероятность возникновения нештатных ситуаций в пределах срока активного существования (САС). Особое значение такие испытания приобретают в случае штучных или мелкосерийных изделий, к которым относятся изделия космического назначения. В отличие от других видов испытаний, испытание на надежность является разовым, но его результаты распространяются на все изделия данного конструктивного исполнения.
В настоящее время ОАО «ИСС» является лидером в России по объему и качеству изготавливаемых космических аппаратов (КА). Достижение такого высокого результата возможно лишь при комплексном подходе к проектированию, изготовлению и испытанию продукции. На протяжении многих лет в ОАО «ИСС» постоянно проводятся испытания изделий и материалов с целью определения как качества изготовленной продукции, так и степени изменений в материалах, используемых при изготовлении КА под воздействием ВВФ. Существенное место в обеспечении длительного САС КА занимают испытания на надежность как отдельных элементов, так и целых блоков каждого изделия.
КА является сложным многокомпонентным техническим устройством, включающим множество систем. Одной из таких систем является бортовая кабельная сеть (БКС) КА, которая выполняет связующую функцию между бортовыми системами, обеспечивая электропитание и обмен информацией. Фактически, обеспечение надежности БКС является базовым фактором для обеспечения штатного функционирования всего КА. В свою очередь, надежность функционирования БКС зависит от надежности всех ее элементов, среди которых наиболее уязвимыми являются электрические соединители.
В начале 2000-х гг. ОАО «ИСС» одним из первых в России применило новый тип электрических соединителей с извлекаемыми обжимными контактами и обжимные сростки в БКС КА. Это позволило повысить технологичность производства и сократить время изготовления БКС. При заданных условиях эксплуатации надежность данных обжимных элементов обеспечивает САС не менее 15 лет. К сожалению, период летной эксплуатации обжимных соединительных элементов пока недостаточен для того, чтобы на его основе сделать вывод об их реальном максимальном ресурсе. С целью оценки реального ресурса новых соединительных элементов и возможности применения их в более жестких условиях, в ОАО «ИСС» проводятся сравнительные испытания на старение обжимных и традиционных паяных соединений. Эти испытания позволят также собрать данные, необходимые для построения полуэмпирической модели, применимой к новым конструктивным решениям. В данной работе представлены результаты теоретического
описания характеристик обжимных контактов в сравнении с данными экспериментальных измерений.
При изготовлении обжимных соединений проводятся контрольные испытания на падение напряжения, на прочность при растяжении и металлографическое исследование [2].
Результаты данных испытаний для 6 различных образцов обжимных соединений приведены в табл. 1 [3]. Результаты испытаний механических и электрических характеристик показывают, что обжимные соединения полностью удовлетворяют существующим требованиям [2].
Расчет переходного сопротивления обжимного контакта. Одной из основных характеристик электрического контакта является величина переходного сопротивления. Проведем расчет исходного переходного сопротивления, учитывающий реальные условия изготовления обжимных соединений. Такой расчет необходим для задания начальных условий при моделировании изменения переходного сопротивления контактов под воздействием условий эксплуатации.
Рассчитаем необходимую величину усилия обжатия Рь [4], которая соответствует номерам позиции ручки переключателя обжимного инструмента и геометрическим параметрам обжимаемых материалов:
Рк = 1,05 • о,
1 1
----1---
£ ё
• І0
= 1078 Н/мм2, (1)
где с* - предел текучести, МПа (для медного сплава с* = 340 МПа [5]); / - коэффициент сухого трения (для медного сплава / = 1,35 [6]); 10 - длина области хвостовика контакта, мм, на которую рабочей частью обжимной матрицы прикладывается обжимное усилие (10 = 1,9 мм); ё - внешний диаметр хвостовика контакта, мм (ё = 1,73 мм [7]); £ - толщина стенки хвостовика контакта, мм (£ = 0,53 мм, определяется согласно [7]).
Обжимной инструмент создает обжимное усилие одновременно в 8 точках в 4 областях по периметру хвостовика контакта в соответствии с рис. 1, где 1 - это электрический контакт соединителя; 2 - токопроводящие жилы обжимаемого провода; 3 - контрольное отверстие; 4 - изоляция провода; 10 - длина участка хвостовика контакта, на которое прикладывается обжимное усилие; /пр - длина участка, с которого происходит контрольное измерение падения напряжения согласно [2].
Результаты контрольных испытаний для образцов обжимных контактов соединителей
Таблица 1
№ образца Падение напряжения в образцах, мВ Величина испытательного тока, А [2] Продольное усилие, Н Металлография
Не более 4 мВ [2] Не менее 45 Н [2] Степень пустот не более 10 % [2]
1 1,4 5 54,63 -
2 1,7 5 53,29 -
3 2,1 5 52,00 -
4 1,8 5 - 3,55
5 1,4 5 - 6,4
6 2,0 5 - 4,4
Известно [8], что электрический ток протекает в зоне контакта не по всей кажущейся площади контакта, а через так называемые области а-пятен, являющихся точками непосредственного металлического контакта двух поверхностей и имеющих величину электрического сопротивления стягивания Яс. Теори-тически переходное электрическое сопротивление Япер в области обжатия можно представить как сумму параллельных сопротивлений стягивания Яс п-го числа а-пятен (рис. 2).
X X X X X X . р'1 г
/
Рис. 1
из (1) и используя значение твердости по Бринеллю медного сплава в МПа/мм2, можно рассчитать теоретическое количество точек а-пятен в области обжатия [10]:
Я
пер
п • НВ N •
[Ом],
(2)
где р - удельное сопротивление меди, Ом^м (р = = 1,72-10-8 Ом^м); к - коэффициент преобразования удельного сопротивления для медного проводника сечением 1 мм2 (к = 106); НВ - твердость медного сплава по Бринеллю.
Таблица 2
Результаты расчета электрических сопротивлений обжимных контактов соединителей
№ образца Величина сопротивления Як.общ, Ом Расчетная величина сопротивления Я/.пр, Ом Переходное сопротивление /-контакта Япер, Ом
1 2,8-10-4 1,02-10-4 1,77-10'4
2 3,4-10-4 2,37-10'4
3 4,2-10'4 3Д7-10'4
4 3,6-10-4 2,57-10'4
5 2,8-10'4 1,77-10'4
6 4,0-10-4 2,97-10'4
Из (2) найдем число а-пятен в области обжатия N:
п • к • р2 • НВ
N = ■
4 • Япер • Як
(3)
Рис. 2
На рис. 2: 1 - это области а-пятен с непосредственным металлическим контактом, имеющие сопротивление стягивания; 2 - линии тока; 3 - поверхностная окисная пленка; 4 - области отсутствия контакта; 5 -области квазиметаллического контакта; 6 - металл токопроводящей жилы; 7 - металл хвостовика контакта; Ив - максимальная теоретическая высота микровыступов контактных поверхностей.
Рассчитаем характеристики контактирующих поверхностей. Известно, что общее сопротивление электрического контакта Як.общ является суммой двух сопротивлений [9]:
- собственное электрическое сопротивление Я1пр соединяемых материалов, измеренное на длине 1пр, соответствующей требованиям [2];
- сопротивление Япер в зоне перехода «хвостовик контакта - обжимаемый провод», которое представляет собой сумму сопротивлений стягивания Яс.
Величину Якобщ можно определить из закона Ома, зная падение напряжения и испытательный ток (см. табл. 1). Теоретическое сопротивление на длине измеряемого участка Я1пр рассчитаем, зная геометрические параметры обжимаемых контактов и проводов. Величину Япер найдем как разницу Якобщ и Я1пр. Результаты расчета приведены в табл. 2.
Так как Япер фактически представляет собой сумму параллельных сопротивлений стягивания Яс, соответственно, зная величину давления Як [МПа/мм2], полученную после преобразования обжимного усилия Рк
Согласно [10], выражение (3) можно представить в виде
р • к
Я _
пер_ 2 • N • а„
[Ом].
(4)
Тогда теоретический средний радиус а-пятна в области обжатия ап
_ р • к
2 • N • Я„
[мм].
(5)
Используя выражение (4), определим среднюю величину сопротивления стягивания Яс одного а-пятна для /'-го образца контакта:
Яс _2^ [Ом].
2 •а п
Согласно [9], для Япер можно записать:
0Д2 •р •к •Е • кв [Ом],
Я _ -
пер _
Рк -О -Д)
(6)
(7)
откуда можно определить среднюю высоту къ микровыступов на контактной поверхности:
, Япер • Рк •(! - Д)
0,12 • р • к • Е
■ [мм],
(8)
где Е - модуль упругости, ГПа (для медного сплава Е = 120 ГПа [5]); Рк - прилагаемое обжимное усилие, Н/мм2; д - коэффициент Пуассона (для медного сплава д = 0,34 [5]).
Результаты расчетов теоретических параметров а-пятен в области обжатия для 6 образцов приведены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты расчета характеристик контактной поверхности обжимных контактов соединителей
№ образца Количество а-пятен Средний радиус а-пятен, мм Средняя площадь а-пятна, мм2 Сопротивление стягивания Яс одного а-пятна, Ом Средняя высота микровыступов Нв, мм
1 2341 2,0-10-3 1,355 10-3 0,415 5,0-10-4
2 1306 2,7-10-3 2,427-10-3 0,310 6,7-10-4
3 730 3,7-10-3 4,340 10-3 0,232 8,9-10-4
4 1111 3,0-10-3 2,854^10"3 0,286 7,3-10"4
5 2341 2,0-10-3 1,355 10-3 0,415 5,0-10-4
6 832 3,4-10-3 3,810 • 10-3 0,248 8,4-10-4
Таблица 4
Величина электрического сопротивления обжимных сростков йк.общ в зависимости от числа термоциклов
№ образца Rк.обш, Ом Як.общ, %, на 622 цикле к циклу 0
Цикл 0 Цикл 103 Цикл 209 Цикл 300 Цикл 404 Цикл 531 Цикл 622
Ср1 4,4-10"4 4,37-10"4 4,38-10-4 4,36-10-4 4,45-10-4 4,36-10-4 4,36-10-4 -0,930
Ср2 4,38-10-4 4,36-10"4 4,361 • 10-4 4,359-10-4 4,41 • 10-4 4,35-10-4 4,35-10-4 -0,685
Ср3 4,34-10-4 4,312-10-4 4,308-10-4 4,314-10-4 4,34-10-4 4,30-10-4 4,29-10"4 -1,15
Ср4 4,31-10-4 4,27-10"4 4,26-10"4 4,27-10"4 4,28-10"4 4,28-10"4 4,25-10-4 -1,39
Ср5 4,41-10-4 4,38-10"4 4,37-10-4 4,38-10"4 4,37-10-4 4,38-10-4 4,36-10-4 -1,13
Измерение электрического сопротивления обжимных контактов. В ОАО «ИСС» проводятся испытания обжимных сростков, соединяющих провода в кабелях-типопредставителях, с целью определения допустимых условий их эксплуатации при максимально возможном САС. Испытания на надежность направлены на контроль изменения электрического сопротивления в области обжатия сростка и провода. Условия эксплуатации имитируются термоциклиро-ванием в термовакуумной камере в диапазоне квалификационных температур от -110 до +120 оС при давлении 10-5 Па. Образцы обжимных сростков постоянно находятся под токовой нагрузкой. В настоящее время проведено 622 цикла изменения температуры. Контроль изменения электрических характеристик производился примерно через 100 термоциклов. Результаты испытаний приведены в табл. 4.
Для наглядности средние значения электрического сопротивления Якобщ испытуемых образцов представлены в виде графиков. Пример графика зависимости электрического сопротивления Якобщ по 5 образцам от количества термоциклов показан на рис. 3.
«Ом
0.439
0.431
0.429'
0 I 1 »
100 200 300 400 М» 600 »• вп
Рис. 3
Как видно из табл. 4, среднее уменьшение контактного сопротивления в образцах по итогам проведенного этапа испытаний составило порядка 1 %, что указывает на высокую устойчивость обжимных электрических соединений к воздействию знакопеременных температур в условиях вакуума в течение длительного времени.
Результаты контрольных операций по определению механических и электрических характеристик обжимных электрических контактов показывают, что обжимные соединения полностью удовлетворяют существующим требованиям [2]. Испытания обжимных электрических контактов в условиях, приближенных к условиям эксплуатации, показали устойчивость характеристик контактной области обжимных сростков к влиянию внешних факторов.
Результаты расчета сопротивления обжимного контакта находятся в качественном согласии с данными измерений и в пределах одного порядка значений. Необходимо отметить, что отличия (менее 30 %) расчетных значений Якобщ для разных образцов в табл. 2 обусловлены различием конструкционного исполнения соединительных элементов, допусками в длине Д/пр = (±3-5) мм, с которой происходит измерение падения напряжения, разным типом обжимаемых проводов, величина поперечного сечения которых отличается в два раза. В табл. 4 приведены измеренные значения Якобщ для образцов обжимных сростков и проводов одного типа и сечения. Как видно из табл.
4, разброс значений Якобщ до старения (цикл 0) между образцами не более 3 %.
В целом можно констатировать, что результаты расчета неплохо согласуются с измерениями величины Якобщ. Измеренные значения в табл. 4 систематически завышены по сравнению с расчетными в табл. 2 в пределах 50 %. Это может быть вызвано тем, что в расчете не учитывается влияние оксидных пленок
и структурных изменений токопроводящего металла при обжимке на величину сопротивления. Таким образом, для повышения точности модели необходимо учитывать структурные и геометрические параметры обжимных соединений.
Результаты расчета количества контактных точек, средней площади а-пятен и сопротивления стягивания Яс а-пятна в области обжатия отражают состояние обжимных соединительных элементов на стадии изготовления. Для построения модели изменения характеристик контакта необходимо провести расчет изменения площади а-пятен в ходе эксплуатации. Такая модель позволит прогнозировать изменение переходного сопротивления новых конструктивных решений обжимных соединений, выполненных из различных металлов, и оценивать их максимально возможный ресурс с меньшими экономическими затратами.
Библиографические ссылки
1. ГОСТ РВ 15.307-2002. Система разработки и постановки на производство. Военная техника. Испытания и приемка серийных изделий. Основные положения. 2004. 32 с.
2. ECSS-Q-ST-70-26C. Гарантирование космической продукции. Обжимка высоконадежных электрических соединений / Европейская Кооперация по Космической стандартизации. 2008. 41 с.
3. Васильев И. С., Ким В. С., Ефремов С. В. Надежность электрических соединений в бортовой кабельной сети перспективных космических аппаратов // Науковедение : сетевой журн. 2013. № 3. URL: http://naukovedenie.ru/index.php7pHssue-3-13 -technics.
4. Пат. № 2366049. Российская Федерация. Способ опрессовки кабельных наконечников методом радиального прессования / Леонтьев И. В., Гусев Л. Г., Кузьмин В. В. Опубл. 27.08.2009, Бюл. № 24.
5. Третьяков А. В., Зюзин В. И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. 2-е изд. М. : Металлургия, 1973. 224 с.
6. Крагельский И. В., Щедров В. С. Развитие науки о трении. Сухое трение. М. : Изд-во Академии наук СССР, 1956.
7. Детальная спецификация ESCC № 3401 005. Контакты, электрические, обжимные для соединителей 3401/002. 5-е изд. Июнь. 2009. 18 с.
8. Хольм Р. Электрические контакты. М. : Изд-во иностранной литературы, 1961.
9. Бондаренко И. Б., Гатчин Ю. А., Иванова Н. Ю., Шилкин Д. А. Соединители и коммутационные устройства : учеб. пособие. СПб. : СПбГУ ИТМО, 2007. 151 с.
10. Сафонов А., Сафонов Л. Радиочастотные электрические соединители. Вопросы теории и состояния
развития производства // Технологии в электронной промышленности. 2010. № 5.
References
1. GOST RV 15.307-2002. Sistema razrabotki i postanovki na proizvodstvo. Voennaja tehnika. Ispytanija i priemka serijnyh izdelij. Osnovnye polozhenija [GOST RV 15.307-2002. System development and putting into production. Military equipment. Tests and acceptance of serial products . Key provisions]. 2004. 32 p.
2. ECSS-Q-ST-70-26C. Garantirovanie kosmicheskoj produkcii. Obzhimka vysokonadezhnyh jelektricheskih soedinenij. Evropejskaja Kooperacija po Kosmicheskoj standartizaii [ECSS-Q-ST- 70 -26C. Guaranteeing space products . Swage highly electrical connections. European Cooperation for Space Standardization]. 2008. 41 p.
3. Vasilyev I. S., Kim V. S., Efremov S. V. [Reliability of the electrical connections onboard cabling advanced spacecraft]. Naukovedeni. 2013. no. 3. (In Russ.) Available at: http://naukovedenie.ru/index.php7pHssue-3-13-technics.
4. Leont'ev I. V., Gusev L. G., Kuz'min V. V. Spo-sob opressovki kabel'nyh nakonechnikov metodom ra-dial'nogo pressovanija [Method of crimping ferrules by radial compression]. Patent RF, no. 2366049, 2009.
5. Tret'jakov A. V., Zjuzin V. I. Mehanicheskie svo-jstva metallov i splavov pri obrabotke davleniem (The mechanical properties of metals and alloys by pressure treatment). 2nd ed. Moscow, Metallurgy Publ., 1973. 224 p.
6. Kragel'skij I. V., Shhedrov V.S. Razvitie nauki o trenii. Suhoe trenie (Development of the science of friction. Dry friction). Moscow, Academy of Sciences of the USSR, 1956.
7. Detal'naja specifikacija ESCC № 3401 005. Kon-takty, jelektricheskie, obzhimnye dlja soedinitelej 3401/002 [Detailed specification ESCC № 005 3401. Contacts, electrical crimp connectors for 3401/002]. 5th ed. June 2009. 18 p.
8. Hol'm R. Jelektricheskie kontakty (Electrical contacts). Moscow, Izdatel'stvo inostrannoj literatury Publ., 1961.
9. Bondarenko I. B., Gatchin Ju. A., Ivanova N. Ju.,
Shilkin D. A. Soediniteli i kommutacionnye ustrojstva (Connectors and switchgear). Proc. allowance. St.
Petersburg, St. Petersburg State University of Information Technologies, 2007. 151 p.
10. Safonov A., Safonov L. [RF connectors. The
theory and the state of development of production]. Tehnologii v jelektronnojpromyshlennosti. 2010, no. 5.
© Васильев И. С., Сунцов С. Б., Ефремов С. В., Ким В. С., 2014
