研究丨基于加速退化试验的车端连接器寿命评估方法

电连接器要求在各种恶劣的环境、各种苛刻的条件下可靠地沟通电路、传递信息、实现特定的功能，其可靠性直接影响到系统能否可靠地工作，由于电连接器的失效而导致系统故障的事例时有发生。YH400系列连接器主要用在动车组间主电路、辅助电路跨接连接，已大批量在CRH2系列动车组、CRH6系列动车组、CRH380系列动车组装车运用，其失效时有发生，本文对YH400-G50型车端连接器进行寿命评估。通过分析连接器线上使用故障情况，确定其主要失效是由于密封失效导致。对连接器及关键部件进行高温加速寿命试验，确定O型密封圈为连接器最薄弱部分。以连接器的温升作为特征参数，按照使用温度为65℃，预测其使用寿命约15.7年，根据Arrhenius模型，计算连接器的激活能为0.71eV，为同类型连接器加速试验提供一种参考方法。

作者：昝海斌1，卢一鹏2，杨存平2，杜胜杰3，徐立立3，吴超云

单位：1.成都中车四方所科技有限公司；2. 资阳中车电气科技有限公司；3.广州广电计量检测股份有限公司

简介：昝海斌，教授级高级工程师，主要研究方向为电连接系统设计与开发。

寿命试验方案

根据连接器的使用环境，确定对连接器影响最大的环境应力，并通过收集连接器在线上使用过程中出现的故障，分析其故障模式，确定其主要的失效模式。

01、故障模式分析

车端连接器最长运行时间已超过10年，其运行过程中，主要出现的故障模式如表1所示。表1连接器的典型失效模式

经分析研究，其中连接器脱落主要是因为在维护保养过程中，操作不当而造成，属于非责任故障，因此不作为本次研究的主要故障模式。本项目对连接器的密封失效、绝缘失效及接触对连接失效三种故障模式开展寿命评估研究。

02、环境影响分析

经统计分析，该型车端连接器的外部使用自然环境因素包括：1）环境温度范围-55～+70℃；2）环境相对湿度95%以下 （该月月平均最低温度为25℃）；3）海拔高度不大于2500m。车辆运行环境因素包括：1）机械振动冲击环境作用；2）湿热环境作用；3）电应力环境作用。
根据电连接器的主要故障模式，主要为烧损类故障及插针镀层氧化，此类故障多由于连接器密封失效导致水汽侵入、绝缘电阻降低、接触电阻变大等现象，从而产生放电、烧损等现象。考虑温度对连接器尤其是密封件、绝缘件影响较大高温环境下易加速此类密封件与绝缘件老化，因此本项目将温度应力作为主要的加速试验的应力。同时，由于振动冲击等机械应力对与连接器的结构破坏较大，有可能造成连接器脱落，但从车辆运行的故障统计来看，此类的故障模式极少概率发生，并且型式试验过程中已经考核了振动环境对连接器的影响。因此在连接器寿命试验方案设计时，主要考虑温度环境对于连接器性能的影响，兼顾振动应力对产品寿命的影响，采用施加多应力的方式加速连接器失效。

连接器寿命研究

01.试验样品情况及试验方案设计

通过调研被试品主要组件的温度耐受范围确定连接器的高温老化试验温度不超过125℃。结合连接器规范中规定的高温工作温度，确定高温加速试验的三个应力分别为125℃、115℃、105℃。结合振动及插拔次数要求，确定以表2为试验方案，YH400-G50型连接器及关键部件按照表3进行高温老化试验。 每个周期老化、振动及插拔结束后，按以下要求对被试样品进行性能测试：1）连接器检测顺序按照外观及结构—外壳防护—接触电阻—温升—绝缘电阻—耐电压；2）电缆密封衬垫样件、O型密封圈样件检测顺序按照：外观—硬度—拉伸（按照表2要求送样至广电计量）。其中，硬度测试位置在拉伸样件的两端进行；3）插头绝缘台检测顺序按照：外观—击穿电压。表2 YH400-G50 连接器试验

02.试验结果分析

1.关键部件试验结果分析

连接器关键部件随连接器进行了高温老化试验，试验情况如下：

1）O型密封圈（氯丁橡胶）在125℃、115℃、105℃老化一个周期后显著硬化，测试YH400-G50型连接器密封性（IPX7），样件全部漏水，密封失效；

2）密封衬垫硅橡胶标样，完成了125℃下1000h，115℃下1500h，105℃下2000h老化试验，硬度和拉伸强度均呈现增大趋势，测试结果均未超出初始值的30%；

3）插头绝缘台，完成了125℃下1000h，115℃下1500h，105℃下2000h老化试验，硬度及击穿电压随老化时间延长变化不明显，性能相对较稳定；

基于关键部件的试验结果分析，确定O型密封圈为连接器最薄弱部件，密封圈硬化导致连接器密封失效，并以此推断，O型密封圈寿命在一定程度上可以等效为连接器寿命，因此建议在车辆检修过程中重点关注O型密封圈的状态及时更换。此型号O型密封圈使用材料为氯丁橡胶，因在125℃下200h即全部硬化，连接器全部密封失效，其使用寿命相对较短，因此在其材料选型上建议考虑性能更优的材料。

2.连接器试验结果分析

在各应力水平下，样品的性能退化，根据试验方案假定同一温度下，连接器性能退化规律遵循线性退化规律，将测试数据使用以下公式进行拟合：

L = mt + b                 （1）

式中：

L——特征参数寿命；

t ——老化时间，单位为小时（h）；

b——初始常数；

m——衰减系数。

按照线性拟合公式的一般形式，式（1）可以写成

y = m×x + b                   （2）

根据式（1）和式（2）可知，y=L，x=1/t

式中：

n——拟合用测试数据的点数。

在线性拟合分析中，需要对x、y之间相关程度做出判断，这就要计算相关系数，如果r2越接近于1，表明拟合程度越好。该数值应在报告中给出。r的计算公式如下：

YH400-G50型连接器更换密封圈后，完成了125℃下1000h，115℃下1500h，105℃下2000h老化试验，性能参数无失效。根据试验结果依据上述公式进行拟合，可以看出随着老化时间的延长，其接触电阻和漏电流变化不大，温升呈现明显增长趋势，如图1~图3所示，因此将温升作为YH400-G50型连接器的特征参数，分析其测试数据，进行寿命研究。

图1 连接器接触电阻随老化时间变化

图2 连接器漏电流随老化时间变化

图3 连接器温升随老化时间变化

03.连接器寿命研究

1.加速模型本文中选用Arrhenius加速模型。通过对连接器加速模型的外推得到其伪失效寿命数据，将其视为完全寿命数据，进行加速试验数据统计推断，采用威布尔分布的概率密度函数估计分布的未知参数以及加速试验的参数模型中的未知参数，给出了加速试验可靠性评估方法，并基于建立的可靠性统计模型，对系统在不同应力下的特征寿命进行可靠性评估。高温加速老化符合Arrhenius加速模型：

式中：v—反应速率；A0—与材料相关的常数；Ea—激活能（eV）T —试验温度（K）；k——玻尔兹曼常数（8.6173×10-5  eV/K）由于特征参数的失效时间与反应速率的倒数成正比，因此公式（6）可以写成：

式中：L—寿命；A—常数；为方便数据分析，将公式8两边取对数进行线性化处理，公式（7）可以写成：

式中：a—ln(A)为常数；b—Ea/k。按照线性拟合公式的一般形式，公式（8）可以写成y = m×x +n                       （9）根据公式（8）和公式（9）可知，y=为寿命的对数，x=1/T为温度的倒数，m= Ea/k，n= ln(A)为常数。
2.寿命评估通过随温升测试数据进行分析，考虑105℃在第4和第5周期性能测试环境改变，测试数据异常，因此只选取前3个周期测试结果（表3~表5）进行数据分析拟合，拟合结果见图4。以温升55K为截止点，推测三个温度下温升55K的截止时间如表6所示。表3 连接器125℃下温升随老化时间变化

表4 连接器115℃下温升随老化时间变化

表5 连接器105℃下温升随老化时间变化

图4 连接器温升数据拟合结果表6 连接器寿命寿命预测结果

高温加速老化符合Arrhenius加速模型，寿命预测结果按照2.3.1节公式（8）~（10）进行数据线性拟合，拟合结果件表7和图5。表8 连接器寿命预测结果

图5 连接器寿命分析结果根据寿命预测结果进行数据拟合得到线性关系：

y=8248.1x-13.447，R2=0.9733             （10）

根据上式确定m=Ea/k=8248.1，YH400-50型连接器激活能Ea=8248.1×8.6173×10-5 =0.711eV。

考虑温升使用过程中，连接器通入大电流，连接器的连接部位处于高温使用环境，按照平均使用环境为65℃（338K）进行预估，即x=1/T=1/338，带入公式（10）中得出计算y=ln（L）= 10.9557，从而得出温升失效时间为L=57278h。按照连接器线上每天使用10h进行预估，则连接器的温升失效时间约为15.7年。
3.加速因子计算根据Arrhenius 加速模型，计算高温环境下连接器参数退化的加速因子Af：

式中：T—连接器使用温度，按开式温度338K（65℃）计算；T’—加速温度；Ea—激活能0.711eV。将加速温度带入公式（11）中，得出398K（125℃）温度下的加速倍数约39.6倍，388K（115℃）温度下加速倍数约23.2倍，378K（105℃）温度下加速倍数约13.2倍。

结论

1）连接器激活能约为0.71eV；

2）以温升为寿命特征参量推测连接器性能失效时间：考虑温升使用过程中，连接器通入大电流，连接器的连接部位处于高温使用环境，按其工作状态平均温度65℃进行计算，其失效时间为57277h。按照连接器线上每天使用10h进行预估，则连接器的性能失效时间约为15.7年。

3）车端连接器中O型密封圈为其最薄弱部分，在车辆检修中应重点关注，同时在材料选型上建议选用性能更优的材料。

引用本文：

昝海斌，卢一鹏，杨存平，杜胜杰，徐立立，吴超云.一种基于加速退化试验的车端连接器寿命评估方法[J].环境技术,2022,40(03):74-79.