Анализ изогнутого штифта

Анализ изогнутых контактов — это особый вид анализа видов и последствий отказов (FMEA), выполняемый на электрических разъемах , и, как следствие, его также можно использовать для FMEA интерфейсной проводки. Этот анализ обычно применим к критически важным системам и системам, критичным для безопасности , и особенно применим к самолетам , где отказы низкотехнологичных элементов, таких как проводка, могут, а иногда и действительно влияют на безопасность.

Как работают соединители

Электрические разъемы передают сигналы и питание между частями системы, которые, возможно, придется разъединить во время производства , во время использования или при необходимости технического обслуживания. Каждый разъем, являющийся частью пары сопрягаемых разъемов, может быть частью узла электрического кабеля (в котором несопряженный разъем имеет некоторую свободу перемещения) или частью шасси или другого узла (в котором положение разъема фиксировано).

Рисунок 1. Основные детали соединителя для анализа изогнутого штыря

В большинстве пар сопрягаемых разъемов один разъем оснащен набором гнездовых контактов, а другой разъем имеет соответствующий набор штыревых (или другой формы) контактов, как показано на рисунке 1. Их иногда называют гнездовыми и штыревыми контактами. Контакты удерживаются в фиксированных положениях внутри корпуса разъема с помощью сплошного прямоугольного или цилиндрического блока из изоляционного материала, называемого вставкой (на рисунке заштриховано красным). Вставка имеет отверстия для размещения контактов. Во многих современных разъемах, используемых для передачи сигналов и питания по проводам, контакты подаются отдельно от корпуса разъема. Несопрягаемые концы контактов обжимаются или припаиваются к проводам, а затем с помощью специального инструмента вставляются во вставки разъемов сопрягаемые концы контактов. Правильно вставленный контакт зафиксируется во вставке, и для его извлечения необходимо использовать другой специальный инструмент. В некоторых типах разъемов контакты постоянно зафиксированы во вставке, поэтому может потребоваться замена всего разъема, если один контакт повредится.

Не все разъемы соединены с проводами, как показано на рисунке. Например, некоторые разъемы могут быть заполнены контактами, чьи несопрягаемые концы имеют выводы печатной схемы (ПК), а не отверстия для проводов, так что контакты можно соединить непосредственно с печатной монтажной платой.

Большинство разъемов также имеют внешнюю металлическую оболочку, называемую оболочкой (на рисунке она выделена синим цветом), которая удерживает вставку в фиксированном положении относительно оболочки. Оболочка позволяет обращаться с разъемом, обеспечивая при этом некоторую защиту контактов от повреждений. Корпуса в паре сопрягаемых разъемов предназначены для соединения ровно в одной ориентации по отношению друг к другу, так что их вставки выравнивают гнездовые и штыревые контакты для сопряжения без повреждений при сближении разъемов. Корпуса большинства типов разъемов также обеспечивают механизм фиксации сопрягаемых разъемов вместе, чтобы предотвратить непреднамеренное рассоединение из-за напряжения или вибрации. Металлические корпуса часто электрически соединяются с заземлением шасси в целях безопасности и для контроля электромагнитных помех (ЭМП).

Разъем, корпус которого входит в корпус ответного разъема, называется вилкой, а другой разъем — розеткой. На рисунке изображена вилка со штыревыми контактами и розетка с гнездовыми контактами, но распространено и обратное расположение.

Как выходят из строя соединители

Разъемы, как и любые другие детали системы, подвержены отказам. Металлические корпуса могут выйти из строя механически, в результате чего пары разъемов не смогут оставаться соединенными. Анализ изогнутых контактов позволяет изучить наиболее распространенные виды отказов разъемов, связанные с контактами разъема. К ним относятся потеря электропроводности на заданном пути из-за коррозии на сопрягаемых поверхностях электрических контактов, оторвавшихся от контактов проводов, а также физически поврежденных или погнутых контактов. Погнутый контакт не может соприкоснуться с соответствующим контактом ответного разъема. Эти изогнутые контакты обычно называют изогнутыми штырями. Хотя некоторые контакты на самом деле не являются штырями с круглым поперечным сечением, любой сгибаемый штекерный контакт обычно называют штифтом.

В большинстве разъемов, как показано на рисунке 1, контакты гнезда полностью удерживаются внутри вставки, и на сопрягаемой поверхности вставки доступен только ответный конец контакта гнезда. При таком расположении контакты гнезда имеют хорошую защиту от неожиданного повреждения при обращении, и поэтому контакты гнезда при таком расположении не подвергаются непреднамеренному изгибу. Напротив, сопрягаемые концы штыревых контактов выступают над поверхностью вставки, и неправильное обращение может привести к изгибу одного или нескольких из этих штырей. Например, изгиб может произойти, если человек не сможет тщательно выровнять корпуса двух сопрягаемых разъемов перед тем, как соединить их вместе, поскольку корпус гнездового разъема иногда может прижиматься к открытым контактам на штыревом разъеме. Или человек, работающий с кабельной сборкой, может позволить концу кабеля со штыревым контактным разъемом зацепиться за угол верстака, оставив несколько погнутых контактов. В то время как один или несколько штифтов могут потерпеть лишь небольшой изгиб из-за неправильного обращения, попытка соединить две половинки может привести к тому, что слегка изогнутый штифт, который больше не совпадает с отверстием контакта гнезда, скользит между сопрягаемыми поверхностями двух. вставки и оказываются ровно между ними. К сожалению, штыревые контакты тонкие и во многих типах разъемов могут легко согнуться, и влияние этого изгиба на соединение обычно не заметно, когда человек прикладывает относительно большую силу, необходимую для соединения пары разъемов. Скорее, ущерб становится известен только тогда, когда система не работает должным образом.

(Некоторые новые разъемы имеют прямо противоположное расположение — выступающие контакты гнезда и утопленные штыревые контакты. Идея состоит в том, что более уязвимые контакты защищены, а более жесткие гнезда обнажены, и если жесткое гнездо согнется из-за неправильного обращения, повреждение становится сразу очевидно, поскольку соединить два разъема практически невозможно. Поскольку поврежденный разъем невозможно соединить и предположительно система не будет работать, нет смысла применять анализ изогнутых контактов для такого типа разъема.)

Влияние изогнутого штифта на работу системы может быть или не быть очевидным сразу, но оно потенциально катастрофично. Существует несколько возможных режимов отказа. Если контакт, который обычно передает сигнал или питание, погнулся, электрический путь теперь нарушен. Если согнутый вывод не касается соседнего вывода или заземленного корпуса, то замыканий на другие пути нет. На рисунке 2 показано, как расстояние и диаметр контактов в одном обычном разъеме военного типа таковы, что изогнутый контакт может упасть между двумя другими, не вступая в контакт.

Рисунок 2 – Контакты разъема с перегородками для контактов

Если изогнутый контакт касается заземленного корпуса, то сигнал контакта теперь замыкается на землю шасси. Если согнутый штифт касается другого контакта (или двух других контактов), значит, между двумя (или тремя) цепями произошло короткое замыкание (рис. 3). В некоторых очень часто используемых миниатюрных разъемах D возможно, что изогнутый штырь может коснуться двух соседних контактов плюс заземленного корпуса разъема, тем самым закорачивая заземление шасси на три электрические цепи. Разъем на рисунке 3 является примером: его ответный разъем (не показан) помещается внутри корпуса розетки на рисунке 3, поэтому корпус вилки находится ближе к контактам, чем корпус розетки. Это означает, что изогнутый штифт на рисунке может касаться оболочки.

Рисунок 3 – Закороченное трио

Особые соображения при анализе изогнутого штифта

Как и в случае любого вида FMEA, при анализе изогнутых штифтов одновременно учитывается только один вид отказа. Простой (и традиционный) анализ изогнутого штифта рассматривает последствия изгиба каждого штифта для каждого из его соседей и корпуса. Однако, как отмечалось выше, изогнутый штифт иногда может касаться более чем одного электрического пути одновременно, поэтому более полный анализ также учитывает несколько одновременных отказов, вызванных единственным видом отказа одного изогнутого штыря.

Анализ изогнутых штифтов также определяет влияние неиспользуемых штифтов, которые могут погнуться. Неподключенный, но согнутый «запасной» вывод может вообще не вызвать заметного эффекта, но он также может замкнуть два других пути вместе или закоротить соседний путь на заземленный корпус.

Виды отказа, не связанные с изгибом

При анализе изогнутых контактов также учитываются открытые пути между ответными контактами. Хотя открытый путь может быть вызван изогнутым контактом, который не касается соседних контактов (в зависимости от плотности контактов, это возможно в некоторых разъемах и невозможно в других), но открытый путь также может быть вызван другими видами отказа, кроме изгиб. Как отмечалось выше, одним из распространенных видов отказов является коррозия сопрягаемых поверхностей контактов, но коррозия может также затронуть интерфейс, где провод соединяется с контактом. Другим видом неисправности является неправильно установленный контакт (тот, который не был должным образом зафиксирован во вставке во время изготовления, или контакт, в результате которого фиксирующий механизм контакта выходит из строя), в результате чего контакт выталкивается из вставки во время процесса сопряжения, или он может «выйти» в результате натяжения прикрепленного к нему провода. В какой-то момент неправильно установленный контакт отходит от ответного контакта и разрывает электрический путь.

Выполнение анализа изогнутого штифта

Как и любой другой FMEA, анализ изогнутого штифта состоит из двух частей: определение видов отказа и определение последствий (влияния отказа) на поведение системы.

Определение режимов отказа

Виды отказа конкретного штыря всегда включают (а) разомкнутую цепь из-за коррозии или другого отказа, не связанного с изгибом, и по крайней мере одно из следующих, если штифт сгибается: (b) изгиб до нуля, (c) изгиб до одного соседний штифт, (d) изгиб к одному соседнему штифту и оболочке, (e) изгиб к двум соседним штырям, (f) изгиб к двум соседним штырям и оболочке и (g) изгиб к оболочке.

При анализе изогнутых контактов, как это обычно делается, виды отказа каждого контакта определяются с использованием масштабированного чертежа разъема и его контактов. Аналитик рассматривает каждый сгибаемый штифт по одному и определяет, до каких соседних штырей (если таковые имеются) выбранный штифт может дотянуться в случае сгибания и может ли выбранный изогнутый штифт достичь корпуса. Анализ обычно не включает виды отказов, при которых изогнутый штифт одновременно касается более чем одного другого штыря или штифта и корпуса. Если для анализа требуется интенсивность отказов, аппроксимацию обычно делают путем присвоения средней интенсивности отказов каждому виду отказа на основе общей интенсивности отказов разъема и количества контактов.

могут быть ошибки Поскольку этот подход основан на человеческом суждении , в выводах . Даже при консервативном подходе к рассмотрению последствий изгиба в «наихудшем случае» вывод о том, что согнутый штифт может достичь другого штыря (или корпуса), когда этот вид отказа физически невозможен, является такой же ошибкой, как и вывод о том, что согнутый штифт не может достичь другого штыря (или корпуса), когда этот вид отказа физически невозможен. другой вывод (или корпус), когда этот режим отказа действительно возможен.

Для определения видов разрушения при изгибе и интенсивности каждого из них можно применить более математический подход. Подход заключается в том, чтобы вычислить максимальный вылет изогнутого штифта как радиус от центра штифта во вставке, а затем вычислить расстояние от центра изогнутого штифта до ближайшей части каждого соседнего штифта (и корпуса). Если радиус изогнутого штифта может достигать соседнего штифта (или корпуса), то вероятность контакта с этим предметом можно вычислить, учитывая, что штифт согнут. Вероятность вычисляется на основе пунктов 1, 2 и 3 в следующем списке. Интенсивность отказов рассчитывается на основе вероятности и пунктов 4 и 5.

1. Размеры корпуса и пальца взяты из военных чертежей или чертежей производителя.

2. Отношение отказов открытого тракта к отказам короткого замыкания по опубликованным данным (например, FMD-97 ).

3. Основные правила перечислены в следующем разделе.

4. Интенсивность отказов разъема (особенно для штыревого разъема сопряженной пары разъемов) по опубликованным данным (например, MIL-HDBK-217. )

5. Время воздействия (период, для которого рассчитывается интенсивность отказов).

Однако даже при математическом анализе результаты могут быть субъективными, особенно потому, что определение радиуса действия изогнутого штифта требует некоторой инженерной оценки. Ничто не определяет характеристики изгиба или его расположение вдоль сопрягаемой поверхности вставки. Некоторые разъемы также имеют тонкое уплотнение из мягкой резины (так называемое «сопряженное уплотнение с барьерами для штырей»). ) на сопрягаемой поверхности вставки, чтобы свести к минимуму поток влаги от задней части вставки к контактным сопрягаемым поверхностям (рис. 2 является примером), и это уплотнение добавляет некоторую непредсказуемость к радиусу изгиба и расположению штифта.

Иногда требуется инженерная оценка для определения размеров внутренней поверхности корпуса разъема. Например, обычный миниатюрный разъем D-гнезда, который при соединении всегда помещается внутри штыревого разъема (пример на рис. 3), является поверхностью корпуса, ближайшей к контактам. Размеры этой внутренней поверхности определяют, может ли изогнутый штифт достичь заземленного корпуса, а также вероятность этого события, но эти размеры не всегда публикуются. Их необходимо будет получить, приняв во внимание опубликованные внешние размеры и толщину материала корпуса или проведя фактические измерения.

Кроме того, поскольку опубликованные чертежи обычно включают минимальные и максимальные значения для каждого размера, необходимо инженерное решение выбрать одно подходящее значение из заданного диапазона значений для каждого размера, необходимого для анализа.

Такого рода субъективность актуальна только для разъемов, где не совсем очевидно, будет или не будет контактировать каждый изогнутый штифт с каждым соседним элементом.

Основные правила математического анализа

Математический подход требует основных правил для единообразной обработки входных данных для каждого вывода.

1. Штифт бывает сгибаемым и несгибаемым.

2. Все контакты имеют одинаковую вероятность выхода из строя.

3. Штифт, если его случайно погнуть, с одинаковой вероятностью погнется в любом направлении.

4. Изогнутый штифт, прижатый к сопрягаемой поверхности вставки, может быть слегка изогнут.

5. Неподключенный изогнутый штифт, который может одновременно касаться двух или более электрических цепей, имеет режимы отказа: размыкание и замыкание.

Основное правило 1 означает, что штифт может быть согнут так, чтобы лежать на сопрягаемой поверхности вставки, или он не сгибается вообще. Некоторые толстые контакты (имеют большое поперечное сечение) и определенные типы контактов могут обозначаться как несгибаемые, хотя некоторые организации требуют, чтобы каждый контакт считался сгибаемым. Однако штифт, обозначенный как несгибаемый, по-прежнему является частью анализа, поскольку другие штыри могут сгибаться к нему, что приводит к замыканию изогнутого штифта на путь несгибаемого штифта. Несгибаемый штифт также может выйти из строя из-за коррозии.

Основное правило 2 означает, что каждый штифт с одинаковой вероятностью погнется, каждый штифт с одинаковой вероятностью приведет к открытию пути из-за поверхностной коррозии и т. д.

Основное правило 3 применяется к штырям с симметричным поперечным сечением (т.е. круглым или квадратным). Напротив, ножевые контакты, которые иногда используются в краевых разъемах печатных плат высокой плотности, имеют поперечное сечение толще в одном измерении и тоньше в другом. Можно считать, что ножевые контакты с одинаковой вероятностью будут изгибаться в любом направлении своего узкого размера.

Основное правило 4 учитывает тот факт, что штифт может искривиться, поскольку сопрягаемые поверхности заставляют его изгибаться на 90 градусов от нормального направления. Это означает, что изогнутый штифт может коснуться штифта, линия обзора которого заблокирована третьим штифтом, стоящим между ними, или что изогнутый штифт может одновременно коснуться двух соседних штифтов, расстояние между которыми больше, чем диаметр изогнутого штифта. Характеристики такого изгиба субъективны.

Основное правило 5 означает, что неподключенный «запасной» контакт, который может вызвать системные эффекты при изгибе (например, если он может замкнуть два соседних пути вместе или если он может замкнуть соседний путь на заземленный корпус), должен анализироваться как не - запасной штифт. Он будет иметь режимы отказа как с размыканием, так и с замыканием, хотя последствием разомкнутой цепи (без замыкания на что-либо) является «отсутствие эффекта», а последствием замыкания на другой вывод(ы) или на корпус без системных эффектов также является « никакого эффекта».

С помощью этих основных правил и информации, приведенной в предыдущем разделе, каждый возможный вид отказа и связанная с ним интенсивность отказов могут быть рассчитаны таким образом, чтобы сумма интенсивности отказов каждого вида отказа равнялась интенсивности отказов узла разъема (для отказов контактов). Список всех возможных режимов отказа является основой для следующей части анализа: определения последствий каждого вида отказа.

Определение последствий отказа

Как и в случае с FMEA в целом, для каждого режима отказа обычно существует три уровня последствий отказа: локальный или низкий уровень, средний уровень и системный или конечный уровень. Для анализа изогнутого контакта описания последствий отказа на локальном уровне могут быть точно сформулированы с точки зрения сигнальной роли изогнутого контакта (например, «вход» или «выход»), имени сигнала, действия (например, «замыкание») и затронутого пути сигнала. (например, «нормальный путь xyz»). Это означает, что описания последствий отказов низкого уровня могут быть составлены без учета каких-либо других частей системы. Поскольку этот текст не зависит от других действий системы, описания последствий сбоев на локальном уровне также могут быть созданы программным обеспечением. Эффекты среднего и системного уровня обычно требуют исследования других частей системы.

Например, режим отказа может быть указан в таблице FMEA как «Вывод A замыкает вывод K», а соответствующий эффект отказа на локальном уровне может быть «Входной сигнал X замыкает нормальный путь сигнала Y». (Здесь изогнутый контакт A передает сигнал X, а неповрежденный контакт K передает сигнал Y.) Обратите внимание, что режим отказа «контакт A замыкает контакт K» сильно отличается от режима «контакт K замыкает контакт A», и последствия отказа в целом также будут быть совсем другим.

Сигнальные роли

При определении последствий замыкания изогнутого контакта на другой электрический путь важно учитывать, подключен ли изогнутый контакт к источнику сигнала или мощности, а не к месту назначения или нагрузке. В первом случае изогнутый штифт передает свой сигнал или питание на соседний путь; в последнем случае сигнал или мощность нормального пути подает пункт назначения или нагрузку нарушенного пути. Последствия этих двух случаев, как правило, весьма различны. Например, изогнутый контакт может быть частью пути, обозначенного «+5 В постоянного тока», но если контакт подключен к концу пути, находящемуся под нагрузкой, то было бы ошибкой предполагать, что этот контакт подаст напряжение 5 В на что бы то ни было. касается. Чтобы предотвратить ошибки такого рода во время анализа, полезно определить роль каждого сигнала на каждом выводе. В примере из предыдущего абзаца роль сигнала была «вход», и это означало, что изогнутый штифт был подключен к нагрузке или назначению. Если бы указанная роль была «выходной», это означало бы, что изогнутый вывод был подключен к источнику сигнала или питания. Список полезных ролей, помогающих при анализе, может включать вход, выход, двунаправленность, питание, землю, резерв и оболочку.

Другие соображения

Основания. Роль «земли» может быть неоднозначной в системах, которые изолируют различные типы заземлений (типичными изолированными заземлениями являются земля аналогового сигнала, земля цифрового сигнала, земля питания переменного тока, земля питания постоянного тока и земля шасси). Если разные типы путей заземления находятся на разных путях в разъеме, при анализе они должны рассматриваться как отдельные сигналы. Кроме того, пути, соединяющие экраны, связанные с витыми парами, и коаксиальные пути следует рассматривать как отдельные сигналы, даже если все они являются «заземляющими» путями, поскольку отсоединенный экран может повлиять на соответствующую витую пару или коаксиальный путь.

Избыточные пути. Два пути с одинаковым именем не обязательно являются избыточными. Несколько путей можно считать резервными только в том случае, если (1) потеря одного пути не приводит к тому, что остальные пути имеют небезопасную токовую нагрузку, чрезмерное падение напряжения или чрезмерное сопротивление, и (2) оба пути соединены каждый конец. Например, несколько путей с одинаковым именем могут исходить от одного и того же источника, но если пути заканчиваются на разных нагрузках, то из-за изогнутого контакта одна нагрузка может увидеть обрыв цепи.

Эквивалентные эффекты. Во многих анализах имеется несколько сигналов, последствия отказа которых идентичны для одинаковых режимов отказа. Например, в соединителе, передающем тракты из 32 битов данных одинаковой важности, эффекты любого открытого пути на среднем и системном уровне идентичны эффектам на среднем и системном уровне любого другого открытого пути. Подразумевается, что анализ должен определить эффекты среднего и системного уровня только для первого появления пути бита открытых данных на рабочем листе. Остальные 31 описание эффекта открытого пути можно сделать идентичными первому, установив для каждого соответствующие значения первого. Таким образом, исправление вносится только в первую строку, где на листе отображается режим отказа, а остальные будут исправлены автоматически.

Рабочий лист FMEA для изогнутых штифтов

На рисунке 4 представлен упрощенный образец типичной таблицы FMEA для анализа изогнутых штифтов. Могут быть добавлены дополнительные столбцы информации, как показано в отдельной статье об FMEA. Этот образец основан на формате, созданном пакетом программного обеспечения для анализа изогнутых контактов, и с использованием данных для 79-контактного разъема. (Некоторые столбцы информации были удалены из исходного формата, чтобы ограничить размер таблицы для этой статьи.) Информация, показанная на рисунке, получена из информации, связанной с соединителем, как описано выше. Описания эффектов среднего и системного уровня («Hi») не показаны, но будут предоставлены аналитиками. В ячейке A2 этого примера «P5-1@» означает, что контакт 1 разъема P5 открыл путь по причинам, отличным от изгиба. В ячейке A3 «P5-1» означает, что путь контакта 1 был открыт из-за изгиба (но не касаясь чего-либо еще). Хотя последствия этих двух видов отказов одинаковы, они перечислены в таблице отдельно, поскольку интенсивность их отказов различна и отражает тот факт, что отказы по открытому пути гораздо более вероятны, чем отказы по короткому пути (связанные с изгибом). Частота отказов в столбце G указана за миллион часов, а сумма всех частот отказов равна частоте отказов разъема. (Интенсивность отдельных отказов рассчитывается на основе интенсивности отказов соединителей.)

Рисунок 4 – Типичная таблица анализа изогнутого штифта

Расширения анализа изогнутых штифтов

Варианты анализа изогнутых контактов включают FMEA проводки, а не разъемов. Анализ кабельной матрицы Это один из вариантов, который используется для определения последствий коротких замыканий в электрических кабелях между каждым проводником и его соседями из-за разрушения изоляции проводов, учитывая основное правило, согласно которому при возникновении таких коротких замыканий пути не разрываются. Анализ матрицы кабеля также может включать в себя влияние отсутствия коротких замыканий, но открытых путей, а также коротких замыканий между проводами и заземлением шасси, вызванных нарушением изоляции проводов.

Дальнейшее чтение

• CA Ericson II, «Методы анализа опасностей для системной безопасности», глава 20, John Wiley & Sons, 2005 г.