考慮氣氛環(huán)境的含間隙斷路器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)磨損預(yù)測(cè)

劉 創(chuàng)， 劉宏昭， 張 磊， 李 來

(西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，西安 710048)

磨損是造成機(jī)械零件功能退化以致失效的重要因素。輕量磨損能導(dǎo)致機(jī)構(gòu)定位不準(zhǔn)確、產(chǎn)生振動(dòng)，嚴(yán)重磨損則能使機(jī)構(gòu)強(qiáng)度不足而發(fā)生斷裂[1]。由于大容量發(fā)電機(jī)斷路器造價(jià)昂貴、精度和可靠性要求較高，其磨損試驗(yàn)存在成本高、周期長(zhǎng)等實(shí)際問題[2]，因此通過建立磨損模型，對(duì)磨損量進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算是行之有效的途徑。長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就機(jī)構(gòu)磨損進(jìn)行了很多研究。國(guó)志剛等[3-4]基于Archard模型建立了機(jī)構(gòu)磨損預(yù)測(cè)模型；Flores等[5-6]采用Archard模型通過迭代程序?qū)C(jī)構(gòu)的磨損進(jìn)行了預(yù)測(cè)。然而，磨損系數(shù)與運(yùn)動(dòng)副工況密切相關(guān)，并非固定值，因此鄧培生等[7-8]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用銷盤磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了磨損預(yù)測(cè)模型，對(duì)運(yùn)動(dòng)副的磨損進(jìn)行了預(yù)測(cè)。考慮到轉(zhuǎn)動(dòng)副與銷盤磨擦副的摩擦模型存在差異以及氣氛環(huán)境對(duì)材料磨損性能的影響，為更好探究機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副的磨損情況，本課題組自主研制了一種軸-套式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)[9]，該試驗(yàn)機(jī)可在特定氣氛下對(duì)試件進(jìn)行磨損試驗(yàn)。生產(chǎn)實(shí)際中，很多機(jī)構(gòu)工作在一定的化學(xué)氣氛中。如某大型高壓斷路器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，為了滅弧需要，就工作在SF6環(huán)境中，在對(duì)斷路器檢修時(shí)，機(jī)構(gòu)軸套磨損嚴(yán)重。然而SF6處理不當(dāng)就會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，甚至引起人員傷亡[10]，因此本次試驗(yàn)用同樣具有絕緣性的氮?dú)鈦硖骄坎牧显跓o氧環(huán)境下的磨損規(guī)律，并基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了磨損預(yù)測(cè)模型，結(jié)合間隙機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真，對(duì)斷路器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)危險(xiǎn)關(guān)節(jié)的磨損進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。以期用來指導(dǎo)該類機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及故障診斷，也為此類機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)與運(yùn)動(dòng)副磨損相互耦合的復(fù)雜問題提供了有效的分析方法。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)設(shè)備

軸套試樣材料選用灰鑄鐵HT250，尺寸為φ38 mm×φ54 mm×38 mm；軸試樣材料選用45鋼，尺寸為φ38 mm×65 mm，經(jīng)表面淬火后硬度為55～58 HRC。試樣結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示。

摩擦磨損試驗(yàn)在本課題組自主研制的已獲國(guó)家發(fā)明專利的軸套式摩擦磨損試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。該試驗(yàn)機(jī)為旋轉(zhuǎn)式磨損試驗(yàn)機(jī)，可用于特定氣氛下材料的摩擦磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)由機(jī)械磨損系統(tǒng)、氣路及密封系統(tǒng)、控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖1(b)所示。其中，軸試樣為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件，軸套試樣為固定件，使用專用的夾具進(jìn)行固定。采用自主設(shè)計(jì)的電磁加載裝置對(duì)摩擦磨損配副進(jìn)行徑向加載，通過調(diào)節(jié)電流可以連續(xù)無級(jí)改變摩擦軸和軸套試樣之間的接觸壓力，其加載力可調(diào)范圍為0～300 N。試驗(yàn)采用變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，可連續(xù)無級(jí)調(diào)節(jié)摩擦副之間的相對(duì)滑動(dòng)速度，調(diào)節(jié)范圍為0～1 500 r/min。試驗(yàn)機(jī)配備有試驗(yàn)加載力、運(yùn)動(dòng)副摩擦力、轉(zhuǎn)速和溫度傳感器及其數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示。為探究摩擦副在特定氣氛下的摩擦磨損性能，設(shè)計(jì)了可以快速拆裝且便于觀察的密封裝置及抽氣、充氣系統(tǒng)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證該快速拆裝密封裝置操作方便、密封性良好，能提供穩(wěn)定的氣氛環(huán)境，適用于模擬斷路器的工況環(huán)境。

圖1 軸套式摩擦磨損試驗(yàn)臺(tái)及試樣Fig.1 Pin-bushing wear tester and specimen

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料的摩擦磨損性能不僅與配副材料的結(jié)構(gòu)和性能相關(guān)，還決定于配副所處的速度、載荷、溫度、氣氛等外界條件[11-12]，其中載荷和速度是影響材料摩擦磨損性能最主要的外在因素，另外環(huán)境氣氛對(duì)其性能也有較大影響。因此，本次磨損試驗(yàn)分別在氮?dú)?SF6替代氣體)與空氣氣氛環(huán)境中，對(duì)轉(zhuǎn)速和載荷2試驗(yàn)參數(shù)各取5水平進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了對(duì)試樣實(shí)際工況更加準(zhǔn)確詳細(xì)的進(jìn)行模擬，本文采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[13]獲得25個(gè)工況點(diǎn)，如表1所示。

為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性，在試驗(yàn)前對(duì)磨損配副進(jìn)行預(yù)磨。預(yù)磨一般在低速、低載荷下進(jìn)行，使摩擦副進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段。隨著摩擦副表面的微凸體高度逐漸降低，接觸表面的相互貼合度變好、接觸面積變大。經(jīng)過預(yù)磨的軸套試樣在每個(gè)工況點(diǎn)均進(jìn)行了磨損試驗(yàn)。磨損量采用測(cè)量磨損失重的方法得到。每次試驗(yàn)前后均對(duì)軸套試樣摩擦表面進(jìn)行清潔，用精度1 mg電子天平測(cè)量軸套試樣磨損質(zhì)量損失。

表1 轉(zhuǎn)速和載荷試驗(yàn)參數(shù)

關(guān)于材料的磨損性能通常用磨損量、磨損率或耐磨性來表示[14]。試驗(yàn)采用距離磨損率來描述材料的磨損性能，磨損率W(mg/m)按式(1)計(jì)算

(1)

其物理意義為單位摩擦距離的磨損量。式中：Δw為軸套試樣的磨損質(zhì)量損失,mg；R為平均摩擦半徑即軸套試樣摩擦表面與旋轉(zhuǎn)中心的距離,m；t為軸套試樣的摩擦磨損時(shí)間,min；n為軸試樣的轉(zhuǎn)速，r/min。

為探究斷路器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)磨損規(guī)律，試驗(yàn)先在氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行，并以空氣環(huán)境下的試驗(yàn)作為對(duì)照。試驗(yàn)前，安裝好密封裝置，使摩擦副處于一密閉腔體內(nèi)。接著對(duì)腔體進(jìn)行抽真空操作，將其中的空氣抽走，充入由氮?dú)獍l(fā)生器制備的高純度氮?dú)?。然后再次抽、充氣體，此過程重復(fù)3次以保證磨損試驗(yàn)環(huán)境氣氛的純凈?？紤]到試驗(yàn)的安全性，試驗(yàn)時(shí)氮?dú)鈮毫θ≈禐?.1 MPa，即約一個(gè)大氣壓。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

載荷和滑動(dòng)速度是研究摩擦磨損問題的兩個(gè)基本因素。在研究機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副磨損問題時(shí)，用載荷(N)來表征磨損率與外載荷的關(guān)系會(huì)使得數(shù)據(jù)的可比性差，而多采用運(yùn)動(dòng)副的接觸應(yīng)力來說明磨損率與外載荷的關(guān)系。轉(zhuǎn)動(dòng)副軸套和軸銷在外加載荷作用下，可以看作是軸線平行的圓柱體與圓柱凹面的接觸。因此，本文根據(jù)Hertz接觸理論將外加載荷轉(zhuǎn)化為摩擦表面的接觸應(yīng)力，接觸正應(yīng)力按最大Hertz接觸應(yīng)力pH計(jì)算，其表達(dá)式為

(2)

式中：Fs為單位長(zhǎng)度載荷，可以通過外加載荷與試件寬度求得；R1,R2分別為軸套試樣與軸銷的曲率半徑，兩者為間隙配合，初始間隙為0.1 mm；υ1和υ2分別為軸套和軸銷材料的泊松比；E1和E2分別為軸套和軸銷材料的彈性模量。同理將試驗(yàn)轉(zhuǎn)速換算為摩擦副接觸點(diǎn)的相對(duì)滑動(dòng)速度。

圖2(a)、圖2(b)是空氣環(huán)境中軸套試樣磨損率隨載荷、速度的變化情況；圖2(c)、圖2(d)是氮?dú)猸h(huán)境中軸套試樣磨損率隨載荷、速度的變化情況。從整體趨勢(shì)看，兩種氣氛環(huán)境中軸套試樣的磨損率變化均呈增大趨勢(shì)，即隨著接觸壓力和接觸點(diǎn)相對(duì)滑動(dòng)速度的增大磨損率逐漸增大；在試驗(yàn)范圍內(nèi)載荷p對(duì)磨損率的影響整體上較速度v更為顯著，其磨損率曲線的斜率變化也更為明顯。

對(duì)比分析兩種氣氛環(huán)境下的試驗(yàn)結(jié)果：發(fā)現(xiàn)各對(duì)應(yīng)工況條件下氮?dú)鈿夥罩械哪p率總體趨勢(shì)上高于空氣氣氛中的磨損率，且在載荷和速度都較大時(shí)，這種趨勢(shì)更為明顯。造成這一現(xiàn)象的原因是氮?dú)鈿夥兆柚沽四Σ帘砻嫜趸镔|(zhì)的形成，而金屬摩擦副摩擦過程中所產(chǎn)生的氧化物是具有減磨作用的[15]，因此氧氣的隔絕導(dǎo)致了軸套試樣在氮?dú)鈿夥障履p量的增加。

圖2 p,v值對(duì)磨損率的影響 Fig.2 Effects of p and v value on wear rate

2 磨損預(yù)測(cè)模型的建立

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及預(yù)測(cè)模型建立

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，經(jīng)過有限次迭代計(jì)算獲得反映樣本內(nèi)在規(guī)律的非線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，按照網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為前向網(wǎng)絡(luò)和遞歸網(wǎng)絡(luò)兩大類。Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種動(dòng)態(tài)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它是在BP網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)上，在隱含層中增加了一個(gè)承接層，用來記憶隱含層單元前一時(shí)刻的輸出值。承接層神經(jīng)元的輸出經(jīng)延時(shí)與存儲(chǔ)，再連接到隱含層的輸入，形成反饋網(wǎng)絡(luò)[16]。相對(duì)于傳統(tǒng)的BP網(wǎng)絡(luò)，該模型的學(xué)習(xí)記憶穩(wěn)定，訓(xùn)練速度更快，更容易避免收斂到局部極小點(diǎn)，因此本文采用Elman網(wǎng)絡(luò)建立預(yù)測(cè)模型。

為便于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副的磨損計(jì)算，本文將試驗(yàn)獲得的磨損率量綱轉(zhuǎn)化為單位距離單位面積上的材料體積損失。將25組磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)隨機(jī)取出21組作為預(yù)測(cè)模型的訓(xùn)練樣本，其余4組作為測(cè)試樣本。

在對(duì)預(yù)測(cè)模型訓(xùn)練之前需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，這樣做可以使網(wǎng)絡(luò)的收斂速度加快?？紤]到Sigmoid轉(zhuǎn)換函數(shù)在0～1附近的變化極為平坦，網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練速度緩慢，本文將變換后的數(shù)據(jù)限制在區(qū)間[0.1,0.9]內(nèi)，使輸入落在神經(jīng)元傳遞函數(shù)梯度變化較大的地方，能夠提高網(wǎng)絡(luò)效率并使模型具有一定的外推能力，其變換原理為

xi=s+(l-s)(x-xmin)/(xmax-xmin)
x=(xi-s)(xmax-xmin)/(l-s)+xmin

(3)

式中：x為原始數(shù)據(jù)；xi為處理后的數(shù)據(jù)；xmax與xmin分別為x的最大值和最小值；s=0.1；l=0.9。

結(jié)合氮?dú)鈿夥窄h(huán)境中獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以接觸應(yīng)力、滑動(dòng)速度作為輸入數(shù)據(jù)組，磨損率作為輸出數(shù)據(jù)組，基于Matlab軟件神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱建立了磨損預(yù)測(cè)模型。經(jīng)過多次試錯(cuò)，確定預(yù)測(cè)精度較高的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為2-5-9-1，即網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由1個(gè)輸入層，2個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)；2個(gè)隱層，節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為5和9；1個(gè)輸出層，1個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)組成。神經(jīng)元之間采用S型(Sigmoid)傳遞函數(shù)來實(shí)現(xiàn)輸入到輸出的非線性映射，輸出層選用線性傳遞(Purelin)函數(shù)。

2.2 預(yù)測(cè)模型的訓(xùn)練及性能

采用trainlm算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，經(jīng)過127步訓(xùn)練后網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差達(dá)到9.77×10-6，滿足要求，如圖3(a)所示。圖3(b)為網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)訓(xùn)練樣本的回歸分析，其相關(guān)系數(shù)為0.999 8，非常接近1，說明網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練效果較好。網(wǎng)絡(luò)對(duì)訓(xùn)練樣本的驗(yàn)證，如圖3(c)所示。網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值幾乎重合，表明該模型能準(zhǔn)確的反映數(shù)據(jù)之間所蘊(yùn)含的內(nèi)在磨損規(guī)律。圖3(d)為4組測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)模型的測(cè)試結(jié)果。對(duì)比發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值之間的誤差較小。網(wǎng)絡(luò)模型的驗(yàn)證和測(cè)試結(jié)果表明，該模型學(xué)習(xí)訓(xùn)練良好、預(yù)測(cè)精度較高。同理，建立空氣環(huán)境中磨損預(yù)測(cè)模型。

圖3 預(yù)測(cè)模型訓(xùn)練及學(xué)習(xí)結(jié)果Fig.3 The training and learning result of prediction mode

3 斷路器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)磨損分析

3.1 機(jī)構(gòu)模型及ADAMS仿真

本次研究的磨損仿真對(duì)象為某大容量高壓斷路器關(guān)鍵設(shè)備的機(jī)械傳動(dòng)部分，該機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體模型，如圖4(a)所示；將其進(jìn)行簡(jiǎn)化，得機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4(b)所示。經(jīng)過對(duì)該機(jī)構(gòu)的受力分析，得知軸5與連桿6的轉(zhuǎn)動(dòng)副(圖4中標(biāo)識(shí)為E)受力最大，最易受到磨損破壞，因此本文針對(duì)該運(yùn)動(dòng)副的磨損情況進(jìn)行計(jì)算分析。

圖4 機(jī)構(gòu)模型Fig.4 The model of the mechanism

實(shí)際機(jī)構(gòu)中，由于運(yùn)動(dòng)副間隙的存在，接觸碰撞是不可避免的，間隙主要有兩種描述方法：①約束描述方法；②力描述方法。約束描述方法建模簡(jiǎn)單、易于求解，但無法反映間隙轉(zhuǎn)動(dòng)副的碰撞特性。力描述方法是將理想模型中鉸鏈的幾何約束改為力約束，采用非線性彈簧阻尼模型來模擬含間隙轉(zhuǎn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)過程中的碰撞和能量散耗，更符合間隙機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況。本文采用力描述方法，使用基于Hertz理論的非線性彈簧阻尼模型[17]來模擬轉(zhuǎn)動(dòng)副軸銷與軸套之間的法向接觸力，表達(dá)式為

(4)

圖5 機(jī)構(gòu)ADAMS仿真Fig.5 The simulation of the mechanism with ADAMS

3.2 磨損預(yù)測(cè)分析

運(yùn)動(dòng)副磨損具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)特性，在不同載荷和速度下，磨損系數(shù)是不斷變化的，并非單一的固定值，因此，本文使用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)斷路器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)E副的磨損進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算。將ADAMS仿真獲得的E副接觸應(yīng)力與相對(duì)滑動(dòng)速度作為訓(xùn)練好的預(yù)測(cè)模型的輸入對(duì)軸套的磨損率預(yù)測(cè)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 軸套磨損率Fig.6 Bushing wear rate

磨損計(jì)算的步驟為：通過ADAMS仿真獲取間隙碰撞動(dòng)力學(xué)參數(shù)F和S，對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并帶入預(yù)測(cè)模型中計(jì)算磨損深度，在初始間隙的基礎(chǔ)上加上磨損深度獲得轉(zhuǎn)動(dòng)副元素新的間隙尺寸。然后，更新間隙機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行下一輪仿真計(jì)算，流程如圖7所示。隨著仿真步數(shù)增加，分析發(fā)現(xiàn)磨損引起的間隙變化會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力學(xué)參數(shù)改變，進(jìn)一步影響著運(yùn)動(dòng)副磨損率的改變，即磨損、間隙、動(dòng)力學(xué)參數(shù)存在著相互耦合作用。

圖7 磨損計(jì)算流程圖Fig.7 Flow chart of wear calculation

由于斷路器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)操作一次運(yùn)動(dòng)副的相對(duì)滑動(dòng)距離非常小，造成的磨損深度也非常微小，間隙變化并不明顯，因此本文以機(jī)構(gòu)操作2 000次為一個(gè)磨損周期對(duì)運(yùn)動(dòng)副模型進(jìn)行更新。在運(yùn)動(dòng)過程中，E副的接觸壓力和相對(duì)滑動(dòng)距離會(huì)隨著接觸碰撞點(diǎn)的不斷變化而變化，因此軸套表面每個(gè)位置的磨損深度是不同的。磨損率W計(jì)算公式為

W=V/AS

(5)

式中：A為名義接觸面積；S為相對(duì)滑動(dòng)距離；V為磨損體積。對(duì)式(5)進(jìn)行變換得磨損深度h計(jì)算公式

(6)

dh=WdS

(7)

考慮到磨損輪廓的光滑連續(xù)和非規(guī)則性，在進(jìn)行磨損計(jì)算時(shí)，以10°為單位對(duì)E副的角位移進(jìn)行劃分，再對(duì)每一單位內(nèi)的磨損深度進(jìn)累積求和，計(jì)算平均值作為該單位的磨損深度，公式為

h=∑hi/ΔS

(8)

式中：hi為單位內(nèi)每個(gè)位置的磨損深度；ΔS為10°對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)距離。

在獲得一個(gè)開斷操作各點(diǎn)的磨損深度后，以一個(gè)磨損周期為單位計(jì)算各點(diǎn)累積磨損深度。表2所示為氮?dú)猸h(huán)境中5個(gè)磨損周期各點(diǎn)累積磨損深度。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行插值擬合得軸套磨損深度隨E副相對(duì)轉(zhuǎn)角和開斷次數(shù)的變化情況，如圖8(a)所示。同理可計(jì)算空氣環(huán)境中軸套磨損深度的變化規(guī)律，如圖8(b)所示。

對(duì)比分析軸套表面磨損深度的變化規(guī)律，從整體趨勢(shì)來看：氮?dú)夂涂諝猸h(huán)境中磨損深度在軸套表面均呈現(xiàn)非均勻分布，并且在磨損深度較大處下一周期的

表2 開斷各周期磨損深度(氮?dú)猸h(huán)境中)

(a)氮?dú)猸h(huán)境下E副磨損規(guī)律

(b)空氣環(huán)境下E副磨損規(guī)律圖8 不同氣氛中磨損深度預(yù)測(cè)變化Fig.8 The prediction of wear depth in different atmosphere

磨損增量更大；在曲柄轉(zhuǎn)角20°和70°附近這種現(xiàn)象更為明顯，最終造成該位置累積磨損深度過大而使轉(zhuǎn)動(dòng)副磨損失效，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是大的磨損量將導(dǎo)致大的間隙，大的間隙又會(huì)引起大的沖擊碰撞力、大的磨損率，進(jìn)一步在該位置造成更大的磨損量。對(duì)比兩組計(jì)算結(jié)果：發(fā)現(xiàn)由于隔絕了氧氣，氮?dú)猸h(huán)境中的機(jī)構(gòu)危險(xiǎn)關(guān)節(jié)磨損更為嚴(yán)重，更容易造成機(jī)構(gòu)磨損失效。因此應(yīng)盡量避免機(jī)構(gòu)工作于這類環(huán)境中，當(dāng)無法避免(如本文研究的斷路器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為滅弧效果必須工作在SF6中)時(shí)，應(yīng)按期做好防護(hù)措施；另外應(yīng)對(duì)機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如本文研究指出在曲柄轉(zhuǎn)角20°和70°附近磨損嚴(yán)重，可通過優(yōu)化設(shè)計(jì)減小這兩個(gè)位置處的碰撞反力，使軸套磨損盡量均勻分布，以免加速機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的磨損失效。

4 結(jié) 論

(1) 鑒于大型高壓斷路器機(jī)構(gòu)系統(tǒng)試驗(yàn)成本高周期長(zhǎng)，本文通過建立虛擬樣機(jī)，在考慮運(yùn)動(dòng)副間隙的情況下，利用ADAMS仿真軟件對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，獲得了磨損計(jì)算所需的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，避免了必須依賴建立試驗(yàn)樣機(jī)的研究方法。

(2) 為探究某大型斷路器機(jī)構(gòu)系統(tǒng)在SF6中的磨損規(guī)律，采用正交試驗(yàn)法，在自主研制的軸-套式摩擦磨損試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn)。分析研究了試樣在空氣及氮?dú)?SF6替代氣體)環(huán)境下的磨損特性，發(fā)現(xiàn)磨損率隨載荷增加及速度增大呈增大趨勢(shì)；且在試驗(yàn)范圍內(nèi)，載荷相比于速度對(duì)磨損率有更大的影響；在氮?dú)鈿夥窄h(huán)境中，由于摩擦表面沒有氧化物質(zhì)的形成而導(dǎo)致磨損增大。

(3) 基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了磨損預(yù)測(cè)模型，并結(jié)合ADAMS仿真獲得的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，對(duì)斷路器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙運(yùn)動(dòng)副的磨損深度進(jìn)行了預(yù)測(cè)計(jì)算。發(fā)現(xiàn)隨著斷路器開斷次數(shù)的增加，軸套表面呈現(xiàn)非均勻磨損，且氮?dú)猸h(huán)境造成磨損加劇。本文研究為斷路器生產(chǎn)實(shí)踐、優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，減小磨損失效引發(fā)故障的概率，并為機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)與運(yùn)動(dòng)副磨損相耦合的復(fù)雜問題提供了分析方法。