插座插套的磨损因素研究

王万松 龚光辉 马 腾 彭美南 张 帅 黄超文

（宁波公牛电器有限公司 慈溪 315314）

引言

目前插座国标的寿命标准较低，仅5 000 次[1]，难以胜任机场、车站等公共场所频繁使用的需要。为此能源部于2021年又专门最新出台了公共插座的行业标准，寿命要求提升至20 000 次[2]。但目前电工行业插座的寿命普遍在5 000～10 000 次之间，因此急需高寿命插座技术。插套作为影响插座寿命的主要因素，插套性能提升的研究非常关键。公牛公司作为行业头部企业，始终致力于产品安全和性能的研究，经分析，而插套寿命的核心影响因素之一是磨损。

因此，本文在现有材料的基础上，针对插套的磨损因素进行研究，并提出结构优化方向。

1 磨损的影响因素理论分析

由于插套及插头插销的主要材质都是铜材，其硬度接近，因此插套与插销之间的磨损可看做“黏着磨损”[3]。根据摩擦学方程[3]：

式中：

V—磨损体积；

P—插套的夹持力；

K—磨损颗粒脱落概率；

σ—材料硬度；

X—摩擦行程。

插套的磨损体积V 与夹持力P、摩擦行程X 和磨损颗粒脱落概率K 成正比，与材料硬度σ 成反比。公牛公司的插套材料是磷青铜，其综合性能在行业内名列前茅。因此本次研究范围仅针对插套的形状、尺寸等，磨损颗粒脱落概率K 和材料硬度σ 作为常量看待。

2 磨损影响因素研究

2.1 初始夹持力的设计

根据前述摩擦学方程，插套夹持力P 与磨损体积V成正比。根据“GBT 2099.1-2021 家用和类似用途插头插座 第1 部分：通用要求”规定，插套拔出力F 最低要求为1.5 N，否则易导致安全事故。根据库仑摩擦定律[4]，得出插销拔出力F（等于摩擦力f 之和）与插套夹持力P（即正压力）之间的关系：

式中：

F—插套拔出力；

µ—插销与插套的表面摩擦系数；

P—插套夹持力；

k—插套的夹持力系数；

d—插套的磨损厚度。

插销与插套摩擦过程，若插套初始夹持力P 过高，则磨损速度快，则拔出力F 容易达到最低值；插套初始夹持力P 过低，虽然磨损速度减慢，但起点低，则拔出力F 也容易达到最低值。因此我们设计了专门的测试方法，来找出插套较优的初始夹持力值。我们用拔出力来替代夹持力。通过对14 只不同初始拔出力值的插套进行对比测试，得出最佳初始拔出力值在（10～11）N，如图1 所示。

图1 初始拔出力与寿后拔出力的关系图

2.2 摩擦行程

我们对摩擦行程也进行了研究。“插套的磨擦行程”的定义：插销插入和拔出的一个周期过程中，与插销接触摩擦的插套某一点上，插销经过的总行程。根据前述摩擦学方程，摩擦行程X 小，则磨损体积V 也小。

根据“GBT 1002-2021 家用和类似用途单相插头插座 型式、基本参数和尺寸”规定，插套离插座表面的距离定义为K 值，K 值有最小值要求，以确保用电安全。但是插套的深度也不能太深，否则插座产品的底座过大，导致用户安装困难。

因此在设计插套的形状时，就需要有选择和优化。经典的插套形状有A 型和R 型等，A 型占用投影面积小，适合紧凑型插座使用，R 型寿命更优，适合常规使用。如图2 所示，A 型插套的磨损行程L1 较大，因此其磨损速度快，厚度容易减薄，因此寿命短。相比较，R 型插套的效果好很多，因为底部插销经过行程L2 小很多。

图2 插套摩擦行程对比

2.3 磨损面的设计

虽然R 型插套比A 型插套更耐磨损，使用寿命高，但其占用空间也大，因此A 型插套仍然有应用价值。

对于A 型插套，主要须解决纵向磨损行程L1 大的问题。因此我们须在不改变插套总体高度的情况下，尽量降低插套的最终夹持点，以减小最终夹持点的摩擦行程。为此我们研究了一款新型插套，如图3 所示。新插套由2 个自由臂1、底座2、接线脚3 组成。自由臂1 上端设有导向坡1.1、弧形夹持区1.2 和支撑点1.3。重要特征：弧形夹持区1.2 开口两头大中间小，上端开口d1，中间开口为d0，下端开口为d2，d0 ＜d1，d1 ≈d2。

图3 A 型插套优化

插销插拔寿命测试过程中，插套2 个自由臂1 会有磨损现象。由于插销与弧形夹持区1.2 始终保持线接触，夹持点1.4 处于运动状态，因此插套的磨损得到了有效分担，使得局部磨损减轻，整体磨损均匀，也就是插套使用寿命越长。

另外，根据梁在简单载荷下变形受力公式[5]，推导出插套的夹持力公式：

式中：

P—插套的夹持力；

Ei—材料刚度，为常数；

ΔS—撑开量；

L—力臂。

力臂L 与夹持力P 成反比，由于d0 ＜d1，根据撑开量公式：

式中：

ΔS—撑开量；

T—插销的厚度，常数；

d—夹持区开口。

推出ΔS0 ＞ΔS1，且L0 ＜L1, 最终得出F1 ＜F0,因此插销插入过程中，初始插入力F1 较小，然后逐渐由小变大，手感体验好。

总的来说，此A 型插套设计，不但提高了耐磨性能，且手感体验好，综合性能优秀。

对于R 型插套，主要须解决动边磨损宽度的问题。根据理论公式可知，磨损是用磨损体积ΔV 来衡量的，其值为磨损厚度b 与磨损面宽度s 的积分乘积，如图4所示。根据经验，插套拔出力的损失ΔF 与插套夹持力的损失ΔP 成正，因此ΔF 与厚度损失b 成也正比。因此延缓插套厚度损失b 就是提高插套的寿命。

图4 磨损面分析

不难推算，相同磨损条件下，若要减小磨损厚度b，则必须加大磨损面的宽度s。本着这个原则，我们提出了“大弧度+平面”和“平面+平面”两种接触面改善方案，如图5。由于“平面+平面”方案对尺寸控制要求过高，因此实际不好采用。

图5 R 型插套接触面优化

图6 是“大弧度+平面”插套插销插入过程及磨损过程示意图。插销插入前，接触点位于自由臂（大弧面）101 远端，力臂长度为L1。插销插入后，接触点位于自由臂101（大弧面）中间，力臂长度为L2，由图可知，L2 ＜L1。根据前述夹持力公式，插套夹持力P 与力臂L成反比，因此P2 ＞P1，即整个插销插入过程中，夹持力由P1 逐渐增大到P2，使得插销插入更加顺畅，手感更好。

图6 插入及磨损过程分析

插销插拔寿命测试过程中，插套自由臂101 会有磨损现象。由于自由臂101 是大弧面，磨损面s 较宽，因此更加耐磨，即磨损厚度b 增加更慢。根据插套磨损后撑开量公式：

得出新的夹持力公式：

上述两式中：

ΔS—撑开量；

d—插套初始开口间隙；

T—插销厚度，常数；

b—磨损厚度；

Ei—材料刚度，为常数；

L—力臂。

夹持力P 与磨损厚度b 成反比。即磨损越慢，夹持力损失越少，也就是插套使用寿命越长。

3 结语

本文首先对插座插套的磨损影响因素进行了理论分析。然后通过试验，分析了夹持力的优化设计。然后对不同造型的插套的磨损行程进行了对比，并进行了优选。最后对插套的接触面形状进行了分析和优化。由于材料硬度的提高对于减缓磨损的作用显而易见，此次没有进行专门的研究。

本次研究成果对于高性能插套的设计，有重要的指导意义。可以使插座制造商以最优的成本，最快的速度设计出满足特定寿命要求的插套。可以省去工程师们反复试错造成的资源浪费，社会意义重大。