插座插套的夾持力系數衰減因素研究

王萬松 龔光輝 馬 騰 施狄 余林茂 劉俊芳

（寧波公牛電器有限公司 慈溪 315314）

引言

目前插座國標的壽命標準較低，僅5 000 次[1]，難以勝任機場、車站等公共場所頻繁使用的需要。為此能源部于2021 年又專門最新出臺了公共插座的行業標準，壽命要求提升至20 000 次[2]。但目前電工行業插座的壽命普遍在5 000～10 000 次之間，因此急需高壽命插座技術。插套作為影響插座壽命的主要因素，插套性能提升的研究非常關鍵。公牛公司作為行業頭部企業，始終致力于產品安全和性能的研究，經分析，插套壽命的核心影響因素之一是夾持力系數的衰減速度。

因此，本文針對夾持力系數的衰減因素進行研究，并提出優化方向。

1 插套夾持力計算

1.1 銅材力學參數的采集和有限元校核

插套是用銅帶經沖壓工藝制作而成，因此首先需要對銅材的折彎參數進行測試采集，然后與有限元分析結果對比，經過修正后，確定后續有限元分析使用的力學參數。使用ABQUS 軟件對銅片彎曲進行有限元力學分析，通過調整彈性模量（E=110 GPa），屈服強度（425 MPa），硬化模量（應變0.35 時應力600 MPa ），仿真和試驗結果基本一致。

1.2 拔出力計算：沖壓與插拔力有限元計算對標

銅材力學參數確定后，需要對插套成型過程進行仿真和夾持力的計算。首先提取了一個插套的模具加工圖紙，根據實際加工步驟，進行有限元模擬。使用模具A 的3D 和ABQUS 模擬四步沖壓過程，仿真得到的插套開口大約0.1 mm，真實沖壓得到的插套開口是（0.1 ～0.2 ）mm，兩者基本一致。所使用的材料參數為，彈性模量E=（105 ～115）GPa)，屈服強度（420 ～430）MPa 和硬化模量（應變0.35 時應力600 MPa）。

由于插套及插頭插銷的主要材質都是銅材，其硬度接近，因此插套與插銷之間的磨損可看做“黏著磨損”[3]。根據庫侖摩擦定律[4]，得出插銷拔出力F（等于摩擦力f之和）與插套夾持力N（即正壓力）之間的關系：

式中：

F—插銷的拔出力；

f—插銷的摩擦力；

μ—插銷與插套的表面摩擦系數；

N—插套的夾持力。

前期經過大量試驗得出其動摩擦系數μ=0.17。然后通過有限元計算得出夾持力的大小，采用了3 個型號的樣品進行比對，如圖1 和表1 所示。由于夾持力值N 不好測試，因此采用拔出力值F 進行比較，使用專用設備測試。從圖中可以看出，實際插銷和插套之間的摩擦系數μ 存在波動性，因此須盡量剔除其影響。

圖1 拔出力分析和測試

表1 拔出力對比

2 插套夾持力系數衰減研究

2.1 何為夾持力系數

根據經驗可知，插套的夾持力N 隨著使用次數增加而下降，假設插套初始開口為0，磨損量d=0，摩擦系數μ也是常數，因此它可以用夾持力系數k 來表示。根據前文的結論，拔出力F 公式如下：

式中：

F—插銷的拔出力；

μ—插銷與插套的表面摩擦系數；

N—插套的夾持力；

k—插套的夾持力系數；

d—插套的磨損厚度。

夾持力系數k 與插套的材料、形狀和尺寸密切相關。它究竟是如何變化的，是接下去研究的重點。

2.2 夾持力系數衰減理論研究

根據金屬循化塑性安定理論[5]：金屬發生一定拉伸塑性變形后應變為εmax，反向加載使發生拉伸塑性變形的區域受壓，應變為εmin。反復循環一定次數后，平均應力從正值變成0。循環塑性軟化的現象應該是正向塑性變形和反向塑性變形疊加相互作用產生的。根據循環塑性安定理論，插套的夾持力變化應該是一個緩慢下降的過程。

插套反復受載，撐開時發生正向塑性變形，卸載后彈性部分會迫使塑性部分發生一定反向變形，但是會不會發生反向塑性變形？如圖2 所示。理論上較難得知，需要試驗。

圖2 金屬的循環塑性安定理論演示

2.3 夾持力系數衰減試驗

為了確定插套是否遵循循環塑性安定理論，我們專門設計了以下試驗：為確保試驗過程中無磨損，摩擦系數也不會發生較大改變，因此使用塑料POM 材料制作的插銷，對多種型號的插拔壽命試驗。

在試驗過程中測試插套的拔出力。對多種插套多個樣本測試后發現，即便是已經1.5 ～4 萬次插拔后拔出力依然沒有顯著變化，但是一旦過了1.5 ～4 萬次后就有可能發生拔出力突然降低的現象，經過檢查發現結構已經開裂，如圖3 所示。

圖3 POM 插銷測試插套壽命

可見循環塑性軟化現象對插套是不存在的，原因可能是插銷把插套撐開后，并沒有力把插套拉到原來的初始位置，插套并沒有發生反向塑性變形。

2.4 夾持力系數衰減因素研究

由上述可知，如何延長開裂壽命是保證插套使用壽命的關鍵。根據材料學理論、有限元計算和實際經驗，識別出插套包圓直徑?、材料紋理Good way/Bad way 和包圓圓度等3 個主要因素。

2.4.1 包圓直徑?

為了了解包圓直徑大小對于折彎應力的影響，我們進行了有限元分析。原始的插套包圓半徑R=3.5～4 mm較小，沖壓后存在極大的殘余內應力，如圖5 所示。改進的插套包圓半徑R=4.5～5 mm 較大，沖壓后殘余內應力大幅度降低，灰色的屈服區域非常少。殘余應力的減小，有助于降低插套插入前后的平均等效塑性應變，增加插拔開裂壽命。因此包圓直徑越大，插套開裂壽命越高。但是實際工程應用中，包圓直徑的大小受到結構空間以及成本的制約，須根據實際情況進行優選。

圖4 夾持力系數衰減因素

圖5 不同包圓直徑有限元應力分析

2.4.2 材料紋理Good way/Bad way

根據銅材生產廠家博威公司提供的某型號銅材的數據，金屬板材Good way 的折彎性能遠遠好于Bad way。具體表現折彎半徑與材料厚度的比值R/T 值，R/T 值越高，說明材料折彎性能越差，如圖6 所示。

圖6 銅材軋制與折彎方向說明

因此我們使用POM 銷，對同一個插套但不同紋理加工的樣品進行測試。結果表明：Good way 開裂壽命大大高于Bad way，如圖7 所示。同一插套，使用Good way制作時，開裂壽命達到7 萬次以上。而使用Bad way 制作時，開裂壽命僅4.5 萬左右。

圖7 材料紋理不同開裂壽命測試

2.4.3 包圓圓度

根據經驗和有限元分析，包圓圓度好壞，關系到插套的包圓處的沖壓殘余應力大小，故而影響插套的疲勞壽命。為了進行驗證，我們對同一個插套分別用兩個不同的試驗模進行制作，以做出不同的包圓效果。包圓效果好的插套，包圓內側增加了定型銷，如圖8 所示。經過對包圓度不同的插套進行POM 插銷壽命測試發現，包圓圓潤的插套開裂壽命比包圓不好的樣品高1.5 萬次以上。因此插套包圓圓度越好，其開裂壽命越高。要注意模具工藝的改進，我們在實踐中還發現，增加沖壓成型的步驟，也可以改善包圓圓度。

3 結語

本文對插座插套的成型過程進行了有限元仿真。并對插套的夾持力系數衰減的理論依據進行了探討，然后通過有限元分析和試驗，弄清了插套夾持力系數衰減的過程。最后對夾持力系數衰減因素，包圓直徑?、材料紋理good way/bad way 和包圓圓度等進行了研究，并找到了優化方向。

本次研究成果對于高性能插套的設計，有重要的指導意義。可以使插座制造商以最優的成本，最快的速度設計出滿足特定壽命要求的插套。可以省去工程師們反復試錯造成的資源浪費，社會意義重大。