一种用于模拟触头开断的销盘式载流摩擦试验装置及方法

本发明涉及高压断路器，更具体的说是涉及一种用于模拟触头开断的销盘式载流摩擦试验装置及方法。

背景技术：

1、电触头在开断过程中通常伴随着强电流加载、接触分离及电弧产生等复杂物理过程，其服役状态涉及电、热、力多物理场强耦合作用。为揭示触头材料在开断瞬间的电弧烧蚀与载流摩擦行为机理，亟需开展可控条件下的模拟试验研究。目前，针对电触头性能的实验研究多依赖实际断路器开断试验或简化的电弧烧蚀实验，但前者成本高、重复性差且难以实现关键参数的精确调控，后者则往往忽略了触头在分断过程中不可避免的滑动接触与载流摩擦行为，难以真实反映触头服役工况。

2、现有摩擦磨损试验装置虽可用于研究材料在接触状态下的摩擦学性能，但大多不具备稳定加载电流及模拟开断电弧的能力，无法实现载流摩擦与电弧烧蚀的耦合模拟；部分改进型载流摩擦试验设备虽然引入了通电模块，但普遍存在电流加载不稳定、接触状态不可控以及难以模拟触头开断瞬间分离过程等问题。此外，传统装置多针对稳态滑动工况设计，缺乏对接触、分离、电弧产生、再接触等动态开断过程的有效模拟手段，难以支撑对触头失效机制的深入研究。

3、因此，亟需开发一种结构合理、功能集成的销盘式载流摩擦试验装置，在实现稳定载流摩擦的基础上，能够模拟触头开断过程中的动态分离与电弧作用过程，从而为研究触头材料在真实服役条件下的磨损行为、电弧烧蚀特性及多物理场耦合损伤机制提供可靠的实验平台。

技术实现思路

1、针对现有试验装置多侧重于单一摩擦磨损或电弧烧蚀行为，难以同时考虑载流接触、动态分离及电弧放电等多因素耦合作用，导致实验结果与实际工况存在偏差的问题，本发明提出了一种用于模拟触头开断的销盘式载流摩擦试验装置及方法，通过引入开断模拟组件，实现摩擦副在受控条件下的周期性分离与再接触，从而能够模拟触头实际工作过程中的接触、分离、电弧、再接触全过程。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明实施例提供一种用于模拟触头开断的销盘式载流摩擦试验装置，包括：摩擦副组件，其沿架体竖直方向自上而下依次设有：加载机构、销试样、盘试样和绝缘支撑底板，所述销试样的下端面与所述盘试样的上表面形成接触配合；

4、开断模拟组件，沿所述销试样的法向加载路径与所述摩擦副组件串联布置，驱动所述销试样沿法向方向脱离所述盘试样表面，在分离瞬间形成间隙放电以模拟触头开断过程中的电弧行为；

5、供电载流组件，与所述销试样和盘试样电连接，在二者的接触区域形成载流摩擦回路；

6、监测测量组件，通过传感器实时采集试验过程中的多物理场参数；

7、控制组件，分别与所述开断模拟组件、加载机构、供电载流组件、监测测量组件及旋转驱动组件信号连接；

8、旋转驱动组件，设置在盘试样侧面，驱动所述盘试样旋转。

9、进一步的，所述旋转驱动组件包括：驱动电机和旋转主轴，所述旋转主轴一端与驱动电机连接，另一端与盘试样连接。

10、进一步的，所述供电载流组件包括：直流电源、导电滑环、导电电刷；其中，所述直流电源与导电滑环和导电电刷电连接，所述导电滑环安装于旋转主轴上并与盘试样电连接，所述导电电刷与导电滑环滑动接触，将电流引入盘试样，在销试样与盘试样的接触区域形成载流摩擦回路。

11、进一步的，所述监测测量组件包括：力传感器、温度传感器、转速传感器及电参数采集单元；其中，所述力传感器为三维力传感器，串联设置于所述加载机构的施力端与销试样的上端面之间；

12、所述温度传感器设置于所述销试样与所述盘试样的接触区域的一侧；

13、所述转速传感器设置于所述盘试样的侧面，与所述盘试样的外周面间隔相对设置；

14、所述电参数采集单元与所述供电载流组件电连接，采集载流摩擦回路中的电流信号与电压信号。

15、进一步的，所述控制组件包括：控制器、调速单元及保护单元，用于统一控制所述旋转驱动组件的转速、所述供电载流组件的电流输出及所述开断模拟组件的动作时序。

16、进一步的，所述开断模拟组件包括：位移控制组件和快速分离机构；所述快速分离机构包括气缸、活塞和活塞杆；所述气缸与所述位移控制组件通过气路连接，所述活塞滑动设置于所述气缸内部，所述活塞杆的一端与所述活塞固定连接，另一端伸出所述气缸并与所述销试样的上端面固定连接；

17、所述位移控制组件控制压缩气体进入所述气缸使所述活塞带动所述活塞杆沿法向方向运动，驱动所述销试样脱离所述盘试样表面。

18、第二方面，本发明实施例提供一种用于模拟触头开断的销盘式载流摩擦试验方法，应用如上述第一方面的装置，包括以下步骤：

19、s1：控制组件控制加载机构按预设参数对销试样施加法向压力，使销试样与盘试样形成稳定接触；

20、s2：接触建立后，控制组件控制旋转驱动组件启动，使盘试样达到设定转速，建立稳定机械摩擦状态；

21、s3：机械摩擦状态建立后，供电载流组件投入运行，在销试样与盘试样的接触区域形成载流摩擦回路；

22、s4：控制组件按预设时序向开断模拟组件发送触发信号，快速分离机构驱动销试样沿法向脱离盘试样表面，在分离瞬间形成间隙放电并产生电弧，监测测量组件同步记录瞬态电热数据；

23、s5：电弧熄灭后，控制组件控制位移控制组件复位，使销试样重新与盘试样接触并恢复载流摩擦状态；控制组件按预设循环次数重复执行开断动作及复位动作，完成多次接触-开断循环试验。

24、进一步的，所述步骤s1中，控制器采用分步递增加载策略施加法向载荷；控制器基于力传感器反馈的实时法向力信号，采用pid闭环控制算法生成加载调节控制量：

25、

26、其中，t为时间变量，

u(

t)为加载机构的控制输出量；

kp为比例系数；

ki为积分系数；

kd为微分系数，e(t)为载荷偏差值。

27、进一步的，其特征在于，所述步骤s3中，电参数采集单元采用移动平均滤波方式去除随机尖峰噪声；控制器基于滤波后的电流及电压信号实时计算系统等效接触电阻，并结合温度传感器监测的界面温升信号进行反馈调节。

28、进一步的，所述步骤s4中，控制器基于盘试样每转对应的角度编码信号建立旋转相位基准，当检测到盘试样旋转至预设角度位置时，向快速分离机构输出同步触发脉冲，实现开断动作与旋转相位的同步控制；对于脉冲电流试验工况，控制器根据电流波形过零点输出同步触发信号。

29、本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

30、本发明通过在销试样法向加载路径上串联布置开断模拟组件，能够在稳定载流摩擦状态下驱动销试样沿法向快速脱离盘试样表面，在分离瞬间形成间隙放电并产生电弧，从而在同一试验平台上同时模拟触头服役过程中的载流摩擦行为与开断电弧烧蚀行为，克服了现有试验装置难以兼顾二者耦合作用的缺陷，显著提高了试验结果的真实性和工程参考价值。

31、本发明通过控制组件按预设时序向开断模拟组件发送触发信号，实现销试样与盘试样在受控条件下的周期性分离与再接触，完整复现从接触、分离、电弧产生到再接触的动态开断过程。同时，控制器可基于盘试样旋转相位信号实现开断动作与特定旋转相位的同步控制，对于脉冲电流试验工况还可根据电流波形过零点输出同步触发信号，从而弥补了传统稳态摩擦试验装置无法模拟动态开断过程的不足。

32、本发明采用pid闭环控制算法对法向载荷进行精确调节，供电载流组件通过导电滑环与导电电刷的配合实现旋转状态下的稳定供电，监测测量组件同步采集力、温度、转速及电参数等多物理场信号，实现对各工况参数的系统性分析与优化，为研究不同工况对触头材料性能的影响规律提供了可靠手段。

33、本发明各单元协同工作，摩擦副组件与开断模拟组件沿法向加载路径串联布置，结构紧凑、功能集成。控制组件内置保护单元，实时监测电流、温度及转速等关键参数，当检测到异常信号时自动执行级联保护逻辑——依次切断电源、停止旋转驱动、解除法向加载并驱动销试样与盘试样分离，确保装置在异常状态下能够安全停机，有效保障试验设备和人员安全。同时，本发明实验重复性好，可为触头材料优化设计及失效机理研究提供可靠的实验平台支撑。