插座插套的磨損因素研究

王萬松 龔光輝 馬 騰 彭美南 張 帥 黃超文

（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，而插套壽命的核心影響因素之一是磨損。

因此，本文在現有材料的基礎上，針對插套的磨損因素進行研究，并提出結構優化方向。

1 磨損的影響因素理論分析

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]。根據摩擦學方程[3]：

式中：

V—磨損體積；

P—插套的夾持力；

K—磨損顆粒脫落概率；

σ—材料硬度；

X—摩擦行程。

插套的磨損體積V 與夾持力P、摩擦行程X 和磨損顆粒脫落概率K 成正比，與材料硬度σ 成反比。公牛公司的插套材料是磷青銅，其綜合性能在行業內名列前茅。因此本次研究范圍僅針對插套的形狀、尺寸等，磨損顆粒脫落概率K 和材料硬度σ 作為常量看待。

2 磨損影響因素研究

2.1 初始夾持力的設計

根據前述摩擦學方程，插套夾持力P 與磨損體積V成正比。根據“GBT 2099.1-2021 家用和類似用途插頭插座 第1 部分：通用要求”規定，插套拔出力F 最低要求為1.5 N，否則易導致安全事故。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P（即正壓力）之間的關系：

式中：

F—插套拔出力；

μ—插銷與插套的表面摩擦系數；

P—插套夾持力；

k—插套的夾持力系數；

d—插套的磨損厚度。

插銷與插套摩擦過程，若插套初始夾持力P 過高，則磨損速度快，則拔出力F 容易達到最低值；插套初始夾持力P 過低，雖然磨損速度減慢，但起點低，則拔出力F 也容易達到最低值。因此我們設計了專門的測試方法，來找出插套較優的初始夾持力值。我們用拔出力來替代夾持力。通過對14 只不同初始拔出力值的插套進行對比測試，得出最佳初始拔出力值在（10～11）N，如圖1 所示。

圖1 初始拔出力與壽后拔出力的關系圖

2.2 摩擦行程

我們對摩擦行程也進行了研究?！安逄椎哪ゲ列谐獭钡亩x：插銷插入和拔出的一個周期過程中，與插銷接觸摩擦的插套某一點上，插銷經過的總行程。根據前述摩擦學方程，摩擦行程X 小，則磨損體積V 也小。

根據“GBT 1002-2021 家用和類似用途單相插頭插座 型式、基本參數和尺寸”規定，插套離插座表面的距離定義為K 值，K 值有最小值要求，以確保用電安全。但是插套的深度也不能太深，否則插座產品的底座過大，導致用戶安裝困難。

因此在設計插套的形狀時，就需要有選擇和優化。經典的插套形狀有A 型和R 型等，A 型占用投影面積小，適合緊湊型插座使用，R 型壽命更優，適合常規使用。如圖2 所示，A 型插套的磨損行程L1 較大，因此其磨損速度快，厚度容易減薄，因此壽命短。相比較，R 型插套的效果好很多，因為底部插銷經過行程L2 小很多。

圖2 插套摩擦行程對比

2.3 磨損面的設計

雖然R 型插套比A 型插套更耐磨損，使用壽命高，但其占用空間也大，因此A 型插套仍然有應用價值。

對于A 型插套，主要須解決縱向磨損行程L1 大的問題。因此我們須在不改變插套總體高度的情況下，盡量降低插套的最終夾持點，以減小最終夾持點的摩擦行程。為此我們研究了一款新型插套，如圖3 所示。新插套由2 個自由臂1、底座2、接線腳3 組成。自由臂1 上端設有導向坡1.1、弧形夾持區1.2 和支撐點1.3。重要特征：弧形夾持區1.2 開口兩頭大中間小，上端開口d1，中間開口為d0，下端開口為d2，d0 ＜d1，d1 ≈d2。

圖3 A 型插套優化

插銷插拔壽命測試過程中，插套2 個自由臂1 會有磨損現象。由于插銷與弧形夾持區1.2 始終保持線接觸，夾持點1.4 處于運動狀態，因此插套的磨損得到了有效分擔，使得局部磨損減輕，整體磨損均勻，也就是插套使用壽命越長。

另外，根據梁在簡單載荷下變形受力公式[5]，推導出插套的夾持力公式：

式中：

P—插套的夾持力；

Ei—材料剛度，為常數；

ΔS—撐開量；

L—力臂。

力臂L 與夾持力P 成反比，由于d0 ＜d1，根據撐開量公式：

式中：

ΔS—撐開量；

T—插銷的厚度，常數；

d—夾持區開口。

推出ΔS0 ＞ΔS1，且L0 ＜L1, 最終得出F1 ＜F0,因此插銷插入過程中，初始插入力F1 較小，然后逐漸由小變大，手感體驗好。

總的來說，此A 型插套設計，不但提高了耐磨性能，且手感體驗好，綜合性能優秀。

對于R 型插套，主要須解決動邊磨損寬度的問題。根據理論公式可知，磨損是用磨損體積ΔV 來衡量的，其值為磨損厚度b 與磨損面寬度s 的積分乘積，如圖4所示。根據經驗，插套拔出力的損失ΔF 與插套夾持力的損失ΔP 成正，因此ΔF 與厚度損失b 成也正比。因此延緩插套厚度損失b 就是提高插套的壽命。

圖4 磨損面分析

不難推算，相同磨損條件下，若要減小磨損厚度b，則必須加大磨損面的寬度s。本著這個原則，我們提出了“大弧度+平面”和“平面+平面”兩種接觸面改善方案，如圖5。由于“平面+平面”方案對尺寸控制要求過高，因此實際不好采用。

圖5 R 型插套接觸面優化

圖6 是“大弧度+平面”插套插銷插入過程及磨損過程示意圖。插銷插入前，接觸點位于自由臂（大弧面）101 遠端，力臂長度為L1。插銷插入后，接觸點位于自由臂101（大弧面）中間，力臂長度為L2，由圖可知，L2 ＜L1。根據前述夾持力公式，插套夾持力P 與力臂L成反比，因此P2 ＞P1，即整個插銷插入過程中，夾持力由P1 逐漸增大到P2，使得插銷插入更加順暢，手感更好。

圖6 插入及磨損過程分析

插銷插拔壽命測試過程中，插套自由臂101 會有磨損現象。由于自由臂101 是大弧面，磨損面s 較寬，因此更加耐磨，即磨損厚度b 增加更慢。根據插套磨損后撐開量公式：

得出新的夾持力公式：

上述兩式中：

ΔS—撐開量；

d—插套初始開口間隙；

T—插銷厚度，常數；

b—磨損厚度；

Ei—材料剛度，為常數；

L—力臂。

夾持力P 與磨損厚度b 成反比。即磨損越慢，夾持力損失越少，也就是插套使用壽命越長。

3 結語

本文首先對插座插套的磨損影響因素進行了理論分析。然后通過試驗，分析了夾持力的優化設計。然后對不同造型的插套的磨損行程進行了對比，并進行了優選。最后對插套的接觸面形狀進行了分析和優化。由于材料硬度的提高對于減緩磨損的作用顯而易見，此次沒有進行專門的研究。

本次研究成果對于高性能插套的設計，有重要的指導意義?？梢允共遄圃焐桃宰顑灥某杀荆羁斓乃俣仍O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。