不同材質(zhì)載流部件組合使用時(shí)的承載能力研究

王會(huì)玖 鄭立和 王俊夫 陳 翰 尹軍平

（公牛集團(tuán)股份有限公司 慈溪 315314）

前言

大量電器的出現(xiàn)對產(chǎn)品的電氣連接提出了更嚴(yán)格的要求。插頭和插排的組合連接成為了一個(gè)主流的電氣連接方式。通過排插取電已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)最普遍的取電方式，插排因其體積小巧，價(jià)格便宜，取電方便，可以為多個(gè)用電器同時(shí)供電等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛地用于生活，工業(yè)中。

插排使用場景豐富，并且與人密切接觸，所以安全就成為研發(fā)該產(chǎn)品時(shí)的重中之重。因用電器在使用過程中電流的不穩(wěn)定性，設(shè)備啟動(dòng)、堵轉(zhuǎn)、短路時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生大電流損壞插排。

通過網(wǎng)絡(luò)及面談話方式采訪調(diào)查者200人。其中男性調(diào)查者120人，女性調(diào)查者80人。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)36 %的調(diào)查者考慮安全，25 %的調(diào)查者考慮價(jià)格，然后再是考慮功能和產(chǎn)品造型。62 %的調(diào)查者認(rèn)為現(xiàn)有插排的安全系數(shù)不夠高[1]。

經(jīng)客戶反饋及研究發(fā)現(xiàn)目前市面上的一些插座使用過程中，產(chǎn)品的主要失效形式為：插孔面板燒壞（插套/座子完好）；端子燒壞；無線銅條連接條燒斷（面板/座子完好）三種，如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品的主要失效形式

因此研究插排的承載能力不僅使得客戶在使用過程中更加安全，也是一個(gè)產(chǎn)品品牌的保證。

1 研究對象和方法

市面上常見的插排內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由L插套、N極插套、E極插套以及與之對應(yīng)的導(dǎo)電電線組成，為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加明顯我們將連接插套所用的電線改為導(dǎo)電條，如圖2所示。將其作為本實(shí)驗(yàn)的研究對象。

圖2 插排內(nèi)部導(dǎo)電結(jié)構(gòu)介紹

在選擇材料時(shí)，安全是最大的因素。材料的選擇應(yīng)按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選用，并充分考慮各種可能預(yù)的危險(xiǎn)[2]。所以本實(shí)驗(yàn)采用的連接條材料為紫銅T2，XYK-6、H62。采用的插套材料為XYK-6和QSn4-0.3。

市面上價(jià)格紫銅T2>XYK-6>H62。

產(chǎn)品燒壞的問題主要源自于載流部件(本文特指銅質(zhì)插套與銅質(zhì)連接條)發(fā)熱，給載流部件通一定的電流，因載流部件存在電阻，會(huì)發(fā)熱，使得其溫度上升，當(dāng)其溫度上升至材料熔點(diǎn)（熔點(diǎn)：固態(tài)液態(tài)的溫度臨界值）或者相鄰零件的熔點(diǎn)，載流部件或與之相鄰的零件開始熔化。

根據(jù)熱學(xué)公式：

其中：

c—比熱容；

m—導(dǎo)體質(zhì)量；

S—導(dǎo)體橫截面積；

I—通電電流；

ρ—電阻率；

L—導(dǎo)體長度。

由此可知載流部件的熔斷與其自身的材料性質(zhì)和長度，橫截面積等有關(guān)，除此之外還與通電的電流有關(guān)。根據(jù)實(shí)際反饋發(fā)現(xiàn)相似結(jié)構(gòu)的插座其毀壞率差異較大，分析發(fā)現(xiàn)其載流部件材質(zhì)不同。所以假設(shè)載流部件的材質(zhì)是影響插座載流能力的重要因素之一。

本文實(shí)驗(yàn)通過更換產(chǎn)品內(nèi)部的插套以及連接條的材質(zhì)，通過不同材質(zhì)載流部件的組合使用來驗(yàn)證其對產(chǎn)品承載能力的影響。

研究不同材料載流部件組合的電流承載能力，不但能在產(chǎn)品研發(fā)中對載流部件的選擇提供有力的支持，還能結(jié)合產(chǎn)品的成本選出合適成本范圍內(nèi)載流能力最強(qiáng)的方案。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

插排的損壞大多見于工業(yè)取電中，工業(yè)產(chǎn)業(yè)設(shè)備如電鎬、電焊機(jī)、切割機(jī)，手持電鉆，手持切割機(jī)等在設(shè)備啟動(dòng)瞬間電流峰值可以提升5～8倍，可以達(dá)到96 A左右。為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加明顯將本實(shí)驗(yàn)設(shè)備的最大電流136 A作為實(shí)驗(yàn)的電流。

1）做一組實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證載流部件的熔斷與其自身的長度和通電的電流有關(guān)。

我們選用材料為H62連接條和材料為QSn4-0.3的插套。將L連接條和N極連接條短接，具體實(shí)現(xiàn)方式是用一根導(dǎo)線在導(dǎo)電條末端用焊錫的方式將兩者短接。從通電開始計(jì)時(shí)，記錄連接條熔斷所需時(shí)間。

改變L極連接條的長度（分別選用長度為105 mm和長度為132.2 mm）來驗(yàn)證載流部件的熔斷與自身長度的關(guān)系。

改變通電電流（分別選用115 A和136 A的電流）來驗(yàn)證載流部件的熔斷與自身長度的關(guān)系。

2）做一組實(shí)驗(yàn)，觀察紫銅T2，XYK-6、H62的熔斷情況。

通過改變連接條的材料（保證其余特征相同），將L連接條和N極連接條短接，通以相同大小電流（選用設(shè)備所能提供的最大電流136 A），記錄熔斷所需時(shí)間。

3）做一組實(shí)驗(yàn)，觀察材料分別為紫銅T2，XYK-6、H62的連接條與材料為XYK-6和QSn4-0.3的插套組合使用時(shí)的熔斷情況。這組實(shí)驗(yàn)采用插套短接方式使電路短路。具體實(shí)現(xiàn)方法是采用一個(gè)L與N極直接連接的插頭插入插套實(shí)現(xiàn)。

本實(shí)驗(yàn)對每組數(shù)據(jù)做5～10次，去除異常數(shù)據(jù)后，取平均值作為試驗(yàn)的最后結(jié)果。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

通過1、3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)銅件熔斷開始時(shí)間與通過其電流大小成負(fù)相關(guān)，符合實(shí)驗(yàn)的依據(jù)。

通過2、3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)銅件熔斷時(shí)間與其長度成負(fù)相關(guān)，符合實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

通過2、4、5組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得相同情況下，紫銅T2開始熔斷時(shí)間大于XYK-6，且都大于H62的熔斷時(shí)間。所以相同實(shí)驗(yàn)條件下載流部件承載能力紫銅T2優(yōu)于XYK-6，且都優(yōu)于H62。

將插套材質(zhì)換成XYK-6的情況下，分別用材質(zhì)為H62、紫銅T2、XYK-6的連接條與之組合研究，在插頭短接情況下觀察其熔斷情況。得出數(shù)據(jù)6、7、8。

將插套材質(zhì)換成QSn4-0.3的情況下，分別用材質(zhì)為H62、紫銅T2、XYK-6的連接條與之組合研究，在插頭短接情況下觀察其熔斷情況。得出數(shù)據(jù)9、10、11。

通過6和9對比，7和10對比，8和11對比，可以得出當(dāng)插套材質(zhì)為XYK-6時(shí)連接條的材質(zhì)開始熔斷時(shí)間大于插套材質(zhì)為QSn4-0.3的情況。

通過以上實(shí)驗(yàn)，我們可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)連接條材料為H62時(shí)在10 s時(shí)間以內(nèi)連接條便會(huì)熔斷，承載能力不理想。所以初步選用連接條材質(zhì)為分別為紫銅T2和XYK-6，插套材質(zhì)為XYK-6的組合。

考慮到136 A電流與實(shí)際啟動(dòng)瞬間96 A的電流差距，在兩者中間取一個(gè)中間值115 A，將7、8號(hào)實(shí)驗(yàn)的電流值改為115 A，其余實(shí)驗(yàn)條件不變，得12、13組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由此數(shù)據(jù)可以得出在電流為115A情況下，連接條材質(zhì)為紫銅T2和XYK-6，插套材質(zhì)為XYK-6時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，都可達(dá)到80 s沒有熔斷。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)銅件熔斷開始時(shí)間與通過其電流大小成負(fù)相關(guān)，與其長度成負(fù)相關(guān)。通過更換連接條和插套的材料，結(jié)合工業(yè)中電器的最大電流可以得出連接條材質(zhì)為紫銅T2和XYK-6，插套材質(zhì)為XYK-6時(shí)，產(chǎn)品不易燒毀。結(jié)合成本分析可知，紫銅T2的價(jià)格高于XYK-6。所以在生產(chǎn)方面選用連接條材質(zhì)為XYK-6，插套材質(zhì)為XYK-6的方式為最優(yōu)解。

本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以為后續(xù)插排產(chǎn)品的研發(fā)提供一定的實(shí)驗(yàn)支持，實(shí)現(xiàn)在成本和質(zhì)量方面的同步保證。