Анализ изогнутого штифта - Bent pin analysis

Анализ изогнутого штифта особый вид анализ режимов и последствий отказов (FMEA) выполнено на электрические разъемы, и, как следствие, его также можно использовать для FMEA интерфейсной разводки. Этот анализ обычно применим к критически важным и критические системы безопасности и особенно применимо к самолет, где отказы низкотехнологичных элементов, таких как проводка, могут, а иногда и действительно влияют на безопасность.

Как работают коннекторы

Электрические соединители передают сигналы и питание между частями системы, которые, возможно, потребуется разделить во время производство, во время использования или когда требуется техническое обслуживание. Каждый разъем, который является частью пары сопрягаемых разъемов, может быть частью сборки электрического кабеля (в котором разъем без сопряжения имеет некоторую свободу движения) или частью шасси или другой узел (в котором положение разъема фиксировано).

Рисунок 1 - Основные детали соединителя для анализа изогнутого пальца

В большинстве пар сопрягаемых разъемов один разъем снабжен набором контактов гнезда, а другой разъем имеет соответствующий набор штыревых контактов (или контактов другой формы), как показано на рисунке 1. Их иногда называют гнездовыми и штыревыми контактами. Контакты удерживаются в фиксированных положениях внутри корпуса разъема с помощью твердого прямоугольного или цилиндрического блока изолирующий материал называется вставкой (заштрихована красным на иллюстрации). Во вставке есть отверстия для размещения контактов. Во многих современных разъемах, используемых для передачи сигналов и питания по проводам, контакты поставляются отдельно от корпуса разъема. Неприкосновенные концы контактов гофрированный или же припаян к проводам, а затем при помощи специального инструмента вставляются ответные части контактов во вставки разъема. Правильно вставленный контакт блокируется во вставке, и для его извлечения необходимо использовать другой специальный инструмент. В некоторых типах разъемов контакты постоянно удерживаются во вставке, поэтому может потребоваться замена всего разъема, если один из контактов поврежден.

Не все разъемы соединены с проводами, как показано на рисунке. Например, некоторые разъемы могут быть заполнены контактами, у которых на неподключенных концах есть печатная схема (ПК) хвосты, а не отверстия для проводов, так что контакты могут быть присоединены непосредственно к печатной монтажной плате.

Большинство разъемов также включают в себя внешнюю металлическую оболочку, называемую оболочкой (на рисунке заштрихованной синим цветом), которая удерживает вставку в фиксированном положении по отношению к оболочке. Оболочка обеспечивает средства для работы с разъемом, обеспечивая при этом некоторую защиту контактов от повреждений. Корпуса в паре сопрягаемых разъемов предназначены для сопряжения точно в одной ориентации по отношению друг к другу, так что их вставки выравнивают контакты разъема и штыря для сопряжения без повреждения, когда разъемы сдвигаются вместе. Корпуса в большинстве типов разъемов также обеспечивают механизм блокировки сопряженных разъемов вместе для предотвращения непреднамеренного отсоединения из-за стресс или вибрация. Металлические корпуса часто электрически подключаются к заземлению шасси в целях безопасности и для контроля электромагнитная интерференция (EMI).

Разъем, корпус которого помещается в корпус сопрягаемого разъема, называется вилкой, а другой разъем - розеткой. На рисунке показаны вилка со штыревыми контактами и розетка с контактами розетки, но противоположное расположение также является распространенным.

Как выходят из строя коннекторы

Разъемы, как и любые другие детали системы, подвержены выходу из строя. Металлические корпуса могут выйти из строя механически, в результате чего пары разъемов не смогут оставаться соединенными. Анализ изогнутых выводов исследует наиболее распространенные виды отказа разъема, связанные с контактами разъема. К ним относятся потеря электрическая проводимость по намеченному пути из-за коррозия на сопрягаемых поверхностях электрических контактов, на проводах, которые оторвались от контактов, а также на физически поврежденных или погнутых контактах. Изогнутый контакт не может сопрягаться с соответствующим контактом ответного разъема. Эти гнутые контакты обычно называют гнутыми штырями. Хотя некоторые контакты на самом деле не являются штырями с круглым поперечным сечением, любой изгибаемый штыревой контакт обычно называется штифтом.

В большинстве разъемов, как показано на Рисунке 1, контакты гнезда полностью удерживаются внутри вставки, и только сопрягаемый конец контакта розетки доступен на сопрягаемой поверхности вставки. При таком расположении контакты гнезда имеют хорошую защиту от неожиданного повреждения во время обращения, и поэтому контакты гнезда при таком расположении не подвергаются непреднамеренному изгибу. Напротив, сопрягаемые концы штифтовых контактов выступают над поверхностью вставки, и неправильное обращение может привести к изгибу одного или нескольких из этих штифтов. Например, изгиб может произойти, если человеку не удается тщательно выровнять корпуса двух сопрягаемых разъемов перед их соединением, потому что корпус разъемного разъема иногда может быть прижат к открытым контактам на штыревом разъеме. Или человек, работающий с кабельной сборкой, может прижать конец кабеля со штыревым контактным соединителем к углу рабочего места, оставив несколько согнутых контактов. В то время как один или несколько штифтов могут иметь лишь небольшой изгиб из-за неправильного обращения, попытка соединить две половинки может заставить слегка изогнутый штифт, который больше не совпадает с отверстием его контакта в гнезде, скользить между сопрягаемыми поверхностями двух вставки и сворачиваются плашмя между ними. К сожалению, штыревые контакты тонкие и могут легко изгибаться во многих типах разъемов, и влияние этого изгиба на стыковку обычно не заметно, когда человек прилагает относительно сильную силу, необходимую для сопряжения пары разъемов. Скорее, повреждение становится известно только тогда, когда система не работает должным образом.

(Некоторые более новые разъемы имеют совершенно противоположное расположение - выступающие контакты гнезда и утопленные контакты штырей. Идея состоит в том, что более уязвимые контакты защищены, а более жесткие гнезда обнажены, и если жесткое гнездо изогнуто из-за неправильного обращения, повреждение становится сразу очевидно, потому что практически невозможно соединить два соединителя. Поскольку поврежденный соединитель не может быть соединен и, предположительно, система не будет работать, нет причин применять анализ изогнутых контактов для такого типа соединителя.)

Влияние погнутого штифта на работу системы может быть очевидным, а может и не сразу, но потенциально катастрофическим.[1] Есть несколько возможных режимов отказа. Если штырь, который обычно передает сигнал или питание, погнулся, электрический путь нарушен. Если согнутый штифт не касается соседнего штифта или заземленной оболочки, то замыкания на другие пути нет. На рис. 2 показано, как расстояние между выводами и диаметр одного распространенного разъема военного типа таковы, что изогнутый вывод может упасть между двумя другими, не соприкасаясь.

Рисунок 2 - Контакты разъема с перегородками

Если изогнутый штифт касается заземленный корпус, то сигнал контакта теперь закорочен на массу корпуса. Если согнутый штифт касается другого контакта (или двух других контактов), то есть короткое замыкание между двумя (или тремя) путями (Рисунок 3). В некоторых очень часто используемых миниатюрах Разъемы D, возможно, что изогнутый штифт может коснуться двух соседних контактов плюс заземленный корпус разъема, тем самым замкнув заземление шасси на три электрических пути. Разъем на рис. 3 является примером: его ответный штекерный разъем (не показан) входит в корпус розетки на рис. 3, и поэтому корпус штекера находится ближе к контактам, чем корпус розетки. Это означает, что изогнутый штифт на рисунке может касаться раковины.

Рисунок 3 - Закороченное трио

Особые соображения при анализе изогнутого штифта

Как и при любом другом FMEA, при анализе изогнутых выводов одновременно учитывается только один вид отказа. Простой (и традиционный) анализ изогнутого штифта рассматривает последствия изгиба каждого штифта для каждого из его соседей и оболочки. 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 единичным режимом отказа одного изогнутого штифта.

Анализ изогнутых штифтов также определяет влияние неиспользуемых штифтов, которые могут изгибаться. Непроволенный, но изогнутый «запасной» штифт может вообще не вызвать заметного эффекта, но он также может замкнуть два других пути вместе или может замкнуть соседний путь на заземленную оболочку.

Режимы отказа без изгиба

При анализе изогнутого штифта также учитываются открытые пути между сопряженными контактами. Хотя открытый путь может быть вызван изогнутым контактом, который не касается какого-либо соседнего контакта (в зависимости от плотности контактов, это возможно в некоторых разъемах и невозможно в других), но открытый путь также может быть вызван другими режимами отказа, кроме изгиб. Как отмечалось выше, одним из распространенных видов отказа является коррозия сопрягаемых поверхностей контактов, но коррозия также может повлиять на поверхность раздела, где провод соединяется с контактом. Другой вид отказа - это неправильно установленный контакт (тот, который не был должным образом зафиксирован в своей вставке во время изготовления, или тот, при котором блокирующий механизм контакта выходит из строя), так что 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 удаляется от своего ответного контакта и прерывает электрический путь.

Выполнение анализа изогнутого штифта

Как и любой другой FMEA, анализ изогнутых штифтов состоит из двух частей: определения режимов отказа и определения последствий (эффектов отказа) для поведения системы.

Определение режимов отказа

Виды отказа конкретного штифта всегда включают в себя (а) разрыв цепи из-за коррозии или другого неизгибного разрушения и, по крайней мере, одно из следующего, если штифт сгибаемый: (б) изгиб до нуля, (в) изгиб в один соседний штифт, (г) изгибание к одному соседнему штифту и оболочке, (д) ​​изгибание двух соседних штифтов, (е) изгибание к двум соседним штифтам и оболочке, и (ж) изгибание к оболочке.

При анализе изогнутых выводов, как это обычно делается, виды отказов каждого вывода определяются с помощью чертежа соединителя и его выводов в масштабе. Аналитик рассматривает каждый изгибаемый штифт по одному и определяет, до каких соседних штифтов (если они есть) может дотянуться выбранный штифт, если он согнут, и может ли выбранный изогнутый штифт достичь оболочки. Анализ обычно не включает виды отказов, при которых изогнутый штифт одновременно касается более чем одного другого штифта или штифта и оболочки. Если для анализа требуется интенсивность отказов, приближение обычно делается путем присвоения средней интенсивности отказов для каждого режима отказа на основе общей частоты отказов соединителя и количества контактов.

Поскольку этот подход основан на человеческом суждении, ошибки в выводах. Даже при консервативном подходе к рассмотрению «наихудших» результатов изгиба заключение о том, что изогнутый штифт может достичь другого штифта (или оболочки), когда этот режим отказа физически невозможен, является такой же ошибкой, как и заключение о том, что изогнутый штифт не может достичь другой штифт (или оболочку), когда этот режим отказа действительно возможен.

Для определения видов отказов при изгибе и интенсивности отказов каждого из них можно применить более математический подход. Подход состоит 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 оболочки). Если радиус изогнутого штифта может достигать соседнего штифта (или оболочки), то вероятность контакта с этим предметом можно вычислить, учитывая, что штифт изогнут. Вероятность рассчитывается по пунктам 1, 2 и 3 следующего списка. Частота отказов рассчитывается из вероятности и пунктов 4 и 5.[2]

1. Размеры корпуса и штифта по военным чертежам или чертежам производителя.

2. Отношение отказов открытого тракта к отказам короткого замыкания из опубликованных данных (например, FMD-97[3]).

3. Основные правила перечислены в следующем разделе.

4. Частота отказов разъема (особенно для штыревого разъема пары ответных разъемов) из опубликованных данных (например, MIL-HDBK-217.[4])

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

Однако даже при математическом анализе результаты могут быть субъективными, особенно потому, что для определения досягаемости изогнутого штифта требуется определенная инженерная оценка. Ничто не определяет характеристики изгиба или его расположение вдоль сопрягаемой поверхности вставки. Некоторые разъемы также включают тонкое уплотнение из мягкой резины (так называемое «сопряженное уплотнение с перегородками»).[5]) на сопрягаемой поверхности вставки, чтобы минимизировать поток влаги от задней части вставки к контактным сопрягаемым поверхностям (рис. 2 является примером), и это уплотнение добавляет некоторую непредсказуемость радиусу изгиба и местоположению штифта.

Инженерная оценка также иногда требуется для определения размеров внутренней поверхности оболочки соединителя. Например, обычный миниатюрный D-гнездовой разъем, который всегда входит в контактный разъем (рисунок 3 - пример) при сопряжении, является ближайшей поверхностью корпуса к контактам. Размеры этой внутренней поверхности определяют, может ли изогнутый штифт достичь заземленной оболочки, и вероятность этого события, но эти размеры не всегда публикуются. Было бы необходимо получить их, принимая во внимание опубликованные внешние размеры и толщину материала оболочки, или производя фактические измерения.

Кроме того, поскольку опубликованные чертежи обычно включают минимальные и максимальные значения для каждого размера, требуется инженерная оценка, чтобы выбрать одно подходящее значение из заданного диапазона значений для каждого измерения, необходимого для анализа.

Такая субъективность уместна только в разъемах, где не совсем очевидно, что каждый изогнутый штифт будет или не будет контактировать с каждым соседним элементом.

Основные правила математического анализа

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

1. Штифт обозначается как сгибаемый или неизгибаемый.

2. Вероятность выхода из строя всех штифтов одинакова.

3. Штифт, если его случайно погнуть, также может погнуться в любом направлении.

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

5. Непроволенный изогнутый штифт, который может касаться двух или более электрических цепей одновременно, имеет режимы обрыва и короткого замыкания.

Правило заземления 1 означает, что штифт можно согнуть, чтобы он лежал на сопрягаемой поверхности его вставки, или он не сгибается вообще. Определенные толстые штыри (с большим поперечным сечением) и определенные виды контактов могут быть обозначены как не изгибаемые, хотя некоторые организации требуют, чтобы каждый штифт считался изгибаемым. Однако штифт, обозначенный как несгибаемый, по-прежнему является частью анализа, потому что другие штифты могут согнуться к нему, что приведет к замыканию изогнутого штифта на путь несгибаемого штифта. Несгибаемый штифт также может выйти из строя из-за коррозии.

Правило заземления 2 означает, что каждый штифт с одинаковой вероятностью изгибается, каждый штифт с одинаковой вероятностью вызовет открытый путь из-за коррозии поверхности и т. Д.

Правило заземления 3 применяется к штырям с симметричным поперечным сечением (то есть круглым или квадратным). Напротив, плоские контакты, которые иногда используются в краевых соединителях печатной платы высокой плотности, имеют более толстое поперечное сечение в одном измерении и более тонкое в другом. Можно считать, что контакты лезвий с равной вероятностью изгибаются в любом направлении их узкого размера.

Правило заземления 4 учитывает тот факт, что штифт может изгибаться, поскольку сопрягаемые поверхности заставляют его изгибаться на 90 градусов от нормального направления. Это означает, что изогнутый штифт может касаться штифта, линия обзора которого блокируется третьим штифтом, стоящим между ними, или что изогнутый штифт может одновременно касаться двух соседних штифтов, расстояние между которыми превышает диаметр изогнутого штифта. Характеристики такого изгиба субъективны.

Правило заземления 5 означает, что непроволенный «запасной» штифт, который может вызвать системные эффекты при изгибе (например, если он может замкнуть два соседних пути вместе или если он может замкнуть соседний путь на заземленную оболочку), должен быть проанализирован как непроверенный. -запасной штифт. Он будет иметь режимы как разомкнутого, так и короткого замыкания, хотя последствием разрыва цепи (без замыкания на что-либо) является «отсутствие эффекта», а также последствия короткого замыкания на другой штифт (-ы) или на корпус без системных эффектов также « нет эффекта."

С помощью этих основных правил и информации, приведенной в предыдущем разделе, каждый возможный режим отказа и связанная с ним интенсивность отказов могут быть вычислены таким образом, чтобы сумма интенсивностей отказов каждого вида отказа равнялась интенсивности отказов соединительного узла (для отказов контактов).[2] Список всех возможных режимов отказа является основой для следующей части анализа: определения последствий каждого режима отказа.

Определение последствий отказа

Как и в случае 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 вывода описания эффектов отказа на локальном уровне могут быть точно сформулированы в терминах роли сигнала изогнутого вывода (например, «вход» или «выход»), имени сигнала, действия (например, «короткое замыкание») и пути прохождения 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 отказа на локальном уровне также могут быть созданы с помощью программного обеспечения. Эффекты среднего и системного уровней обычно требуют исследования других частей системы.

Например, режим отказа может быть указан на листе FMEA как «Контакт A замыкает контакт 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 несет сигнал Y.) Обратите внимание, что режим отказа «Контакт A замыкает контакт K» сильно отличается от «Контакт K замыкает контакт A», и в целом последствия отказа также будут быть очень разными.

Сигнальные роли

При определении последствий замыкания изогнутого штифта на другой электрический путь важно учитывать, подключен ли изогнутый штифт 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 тракта питает пункт назначения или нагрузку прерванного тракта. Последствия этих двух случаев в целом сильно различаются. Например, изогнутый штифт может быть частью пути, обозначенного «+ 5VDC», но если штырь подсоединен к концу пути нагрузки, то было бы ошибкой предполагать, что штырь поставит 5 вольт на все, к чему прикасается. Чтобы предотвратить такого рода ошибки во время анализа, полезно определить роль каждого сигнала на каждом выводе. В примере из предыдущего абзаца роль сигнала была «входной», а это означало, что изогнутый штифт был подключен к нагрузке или назначению. Если бы указанная роль была «выходной», это означало бы, что изогнутый штифт был подключен к источнику сигнала или питания. Список полезных ролей для помощи в анализе может включать вход, выход, двунаправленный, питание, заземление, запасной и оболочку.

Прочие соображения

Основания. Роль «заземления» может быть неоднозначной в системах, которые изолируют различные виды заземления (типичные изолированные заземления - это земля аналогового сигнала, земля цифрового сигнала, земля переменного тока, земля постоянного тока и земля шасси). Если разные типы путей заземления находятся на разных путях в соединителе, анализ должен рассматривать их как отдельные сигналы. Кроме того, пути, которые соединяют экраны, связанные с витыми парами и коаксиальными путями, должны рассматриваться как отдельные сигналы, даже если все они являются «заземленными» путями, потому что отключенный экран может повлиять на связанную витую пару или коаксиальный тракт.

Резервные пути. Два пути с одинаковым именем не обязательно являются избыточными. Несколько путей можно считать избыточными, только если (1) потеря одного пути не приводит к тому, что оставшиеся пути имеют небезопасную токовую нагрузку, чрезмерное падение напряжения или чрезмерный импеданс, и (2) оба пути соединены на каждый конец. Например, несколько путей с одним и тем же именем могут происходить из одного и того же источника, но если пути заканчиваются отдельными нагрузками, то изогнутый штифт может привести к тому, что одна нагрузка увидит разрыв цепи.

Эквивалентные эффекты. Во многих анализах есть несколько сигналов, последствия отказа которых идентичны для идентичных режимов отказа. Например, в соединителе, несущем пути из 32 битов данных равной важности, эффекты среднего и системного уровней любого одного открытого пути идентичны эффектам среднего и системного уровней любого другого открытого пути. Подразумевается, что анализ должен определять эффекты среднего и системного уровней только для первого вхождения пути битов открытых данных на листе. Оставшиеся 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 исправляются автоматически.

Рабочий лист FMEA с гнутыми штифтами

Рисунок 4 представляет собой упрощенный образец типичного рабочего листа FMEA для анализа изогнутых штифтов. Могут быть добавлены дополнительные столбцы информации, как показано в отдельной статье о FMEA. Этот образец основан на формате, созданном программным пакетом для анализа изогнутых выводов, и использует данные 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 («Hi») уровня не показаны, но будут предоставлены специалистами-аналитиками. В ячейке A2 этого образца «P5-1 @» означает, что контакт 1 разъема P5 открыл путь по причинам, отличным от изгиба. В ячейке A3 «P5-1» означает, что контакт 1 был открыт из-за изгиба (но не касался чего-либо еще). Хотя последствия этих двух режимов отказа одинаковы, они перечислены в таблице отдельно, потому что их частота отказов различна и отражает тот факт, что отказы открытого пути гораздо более вероятны, чем отказы короткого пути (связанные с изгибом).[3] Интенсивность отказов в столбце G дана на миллион часов, а сумма всех интенсивностей отказов равна интенсивности отказов соединителя. (Индивидуальная частота отказов выводится из частоты отказов соединителя.)

Рисунок 4 - Типовая таблица анализа изогнутого штифта

Расширения к анализу изогнутых штифтов

Варианты анализа изогнутых выводов включают анализ FMEA проводки, а не разъемов. Кабельный матричный анализ[6] - это один из вариантов, который используется для определения последствий коротких замыканий в электрических кабелях между каждым проводником и его соседями из-за нарушения изоляции проводов, учитывая правило заземления, согласно которому при возникновении таких замыканий никакие пути не прерываются. Анализ кабельной матрицы также может включать в себя эффекты отсутствия короткого замыкания, но открытых путей, а также замыкания между проводами и землей шасси, вызванные нарушением изоляции проводов.

Рекомендации

  1. ^ Airlinesafety.com. «1999, 31 января. Американские авиалинии MD-11 совершили аварийную посадку ... после обнаружения дыма в салоне ... Обследование VSCU, проведенное следователями FAA, показало, что часть печатной платы была обуглена. Обследование всей видеосистемы выявило ... короткое замыкание между двумя штырями штекера пушки, соединяющего поврежденные компоненты ». Статья
  2. ^ а б «Что не так с анализом изогнутого штифта и что с этим делать». Журнал системной безопасности, сентябрь-октябрь 2008 г.
  3. ^ а б Распределение видов / механизмов отказа. Информационный центр анализа надежности (RAIC). 1997 Ящур-97. http://www.theriac.org/riacapps/search/?category=all+products&keyword=FMD+97&newsearch=1 В архиве 2010-11-30 на Wayback Machine
  4. ^ MIL-HDBK-217F, Прогнозирование надежности электронного оборудования
  5. ^ Например, см. MIL-DTL-38999, Подробные спецификации, разъемы, электрические, круглые, миниатюрные, ..., Общие технические условия для
  6. ^ Справочник по безопасности системы FAA, глава 9, таблица 9.1, 30 декабря 2000 г.

дальнейшее чтение