基于低温条件下快速插拔连接器设计

冀恩祥,刘伟,张金炜

中车唐山机车车辆有限公司 河北 唐山 063035

摘要：针对动车组快速解编的需求，需要实现车辆间跨接电缆的快速插拔，设计采用钢珠锁紧结构的连接器，通过对钢珠锁紧结构的分析，实现了跨接电缆的快速解编。通过对连接器的分析，确定了连接器可以实现耐低温要求。

关键词：动车组；钢珠锁紧；低温

1 概述

目前，国内动车组均为编组运行模型，编组后的车辆通过跨接电缆实现电气连接。当车辆发生故障，或者需要检修时，需要对车辆进行解编操作，所以解编时间的长度，严重影响整个检修作业的时间。为进一步提高检修效率，设计可以快速解编的连接器，缩短车辆解编和编组的时间，为验证连接器的适用性，对连接器的低温性能进行验证。

2快速解编连接器结构

快速解编连接器为单芯高压连接器，主要用在动车组间主电路、辅助电路跨接连接，为插入推拉式钢球锁定结构，分为插头和插座。

插头结构如图1所示：主要由连接套、压缩弹簧、插头壳体、绝缘台、插针、密封衬垫、电缆夹等部件组成，插头壳体上有钢球锁定槽结构。

图 1  插头结构示意图

插座结构如图2所示：主要由插座壳体、O形密封圈、锁定钢球、绝缘台、插孔、密封衬垫、电缆衬垫等部件组成，锁定钢球自由状态下可以上下移动。

图 2 插座结构示意图

连接器对接后，插座上的钢球受到连接套的压迫嵌入连接器插头的钢球锁定槽中（槽深度约为1.6mm），同时连接套在压缩弹簧的作用力下始终保持不动，使锁定钢球始终卡在插头壳体上的钢球锁定槽中，从而使连接器始终保持锁定状态。

图 3  连接器对接后状态示意图

连接器分离时，连接套轴向往后拉动，压缩弹簧受力被压缩。与此同时拉动连接器，连接套不再压迫锁定钢球，连接器移动，锁定钢球往上移动，从而连接器分离。

图 4  连接器分离示意图

连接器连接插头与插座配合接触为同种金属壳体，不存在由于热膨胀系统不同导致连接不上或连接损坏情况。锁紧钢球为不锈钢材质，在-40℃尺寸变化量约为0.005mm，铝合金壳体尺寸变化量约为0.007mm，远远小于1.6mm的止锁深度，因此材料膨胀系数不同不会影响连接可靠性。

3 连接器低温设计

为验证连接器的适用性，连接器需要满足在-40℃条件下的使用。

3.1材料选型及低温性能、使用寿命

车端连接器零部件使用的材料主要有两大类：金属材料，包括铝合金6061、铜合金、不锈钢；非金属材料，包括尼龙、PPS、硅橡胶。

铝合金6061，主要用于连接器壳体部件。铝合金是良好的低温材料，没有低温脆性，随着温度的降低，其机械性能会提高。因此可以满足-40℃的高寒环境要求。

铜合金用于插针部件，铜合金本身具有好的低温性能，常用于制作低温（-200℃以下）压力容器，因此可以满足-40℃的高寒环境要求。

不锈钢主要用于标准件，06Cr19Ni10不锈钢具有很好的低温性能，可在-196℃低温下使用，因此可以满足-40℃的高寒环境要求。

尼龙PA66，用于动力连接器绝缘台。PA66的脆化温度为-80℃～-35℃，可以通过改性降低脆化温度。绝缘件安装于壳体内，在连接器工作时由于插针工作发热的辐射的影响（连接器工作温升约为30℃）。现有产品在进行型式试验时，在非通电状态下（即无热辐射影响），连接器在-55℃下进行低温试验，试验后连接器的电气和机械性能并无变化。综合分析PA66材料满足-40℃的高寒环境，同时可通过低温载流、低温防护振动性试验进一步验证。

PPS材料的工作温度为-40℃～260℃，能适应-40℃的高寒环境要求。

连接器内密封件都为硅橡胶，硅橡胶脆化温度为-71℃，工作温度为-60℃～180℃，因此可以满足-40℃的高寒环境要求。同时可以通过进一步低温研究性试验进行验证，如低温防护振动性能试验等。

3.2 密封防雪及防击打

连接器设计防护等级为IP67级，表示不进入灰尘（完全阻止灰尘进入）、连接器处于水下1m位置时，水不会进入连接器内部。其防护点主要为电缆与连接器间的防护，连接器插头与插座对接后的防护。车端连接器结构如图所示，红色路径为水、冰雪可能进入连接器内部的途径。

图 5  连接器防水路径意图

连接器与电缆间的防护是通过密封衬垫实现的。密封衬垫为硅橡胶材料，如上图所示，电缆压接插针后，穿过密封衬垫，密封衬垫在电缆衬垫的压紧下，密封衬垫外圆与壳体紧密接触，密封衬垫内孔与电缆外绝缘层紧密接触，起到防水作用。

图 6  尾部线缆密封示意图

连接器插头与插座对接到位后，连接部位是通过插座壳体内的O形圈起到密封防水功能。O形圈安装在插座壳体凹槽内，O形圈外径比凹槽外径大，O形圈内径比插头壳体外径小，当插头插入插座后，插头壳体穿过O形圈，同时与插座壳体一起挤压O形圈，起到密封防水作用

图 7  插头插座对接密封示意图

3.3 冷凝水防治分级

连接器防护等级为IP67，连接器插合后形成完全密封性，外部水气、冰雪等无法进入到连接器内部，内部仅存组装时现场环境湿度下的微量水气。连接器最大内腔体积约为0.000147m3，在40℃，95%RH湿度下，空气中的水分约为48g/m3，因此连接器空腔内在最大湿度下水量约为0.007g，64芯控制电缆连接器的内腔体积约为0.000358m3，因此连接器空腔内在最大湿度下水量约为0.017g。如此微量的水，理论上不会在连接器内部形成冷凝水。可通过低温载流性能试验进一步验证。

4 结论

  综上所述，此钢珠锁紧结构连接器可以方便操作，有利于快速解编操作，可以实现车辆快速解编的要求。通过对连接器耐低温性能的研究，此连接器同样可以在低温条件下使用。