响应曲面法优化电阻触头烧结工艺参数的研究_丁宁.pdf

电工材料 2023 No.1丁宁等：响应曲面法优化电阻触头烧结工艺参数的研究响应曲面法优化电阻触头烧结工艺参数的研究丁宁1，马利民2，王海洪1，安玉康1（1.天水西电长城合金有限公司，甘肃天水 741000；2.西安西电高压开关有限责任公司，西安 710000）摘要：电阻触头是高压断路器的关键零件，是控制并联合闸电阻接入、退出线路的执行元件。电阻率作为电阻触头最重要的性能参数，受到生产过程中多个烧结工艺参数的影响。采用响应曲面法，以烧结温度、推舟速度、水套冷却温度为主要工艺参数，研究了不同烧结工艺参数组合对电阻触头电阻率的影响。通过开展针对以上工艺参数的正交旋转组合试验，利用Design-expert软件的回归分析方法和响应曲面分析法，绘制了三因素两两交互影响的函数图像,获得了电阻触头最优烧结参数。根据最优工艺参数对模型的验证，表明烧结温度为1280 1290、推舟速度为170 min/舟185 min/舟、水套冷却温度为52 58 时，实际值与预测值接近，证实所获得的模型可以准确预测电阻触头的电阻率。关键词：正交旋转组合设计；电阻触头；电阻率；烧结工艺中图分类号：TM503+.5 DOI：10.16786/ki.1671-8887.eem.2023.01.005Optimization the Sintering Parameters of Resistance Contact Using the Response Surface MethodDING Ning1,MA Limin2,WANG Haihong1,AN Yukang1(1.Tianshui XD Great Wall Electrical Alloy Co.,Ltd.,Gansu Tianshui,741000,China;2.Xian XD high voltage apparatus Co.,Ltd.,Xian 710000,China)Abstract:The resistance contact is a key component of the high-voltage circuit breaker,and is the actuating element that controls and unites the gate resistance access and exit lines.Resistivity is the most important performance parameter of resistive contacts and is influenced by several sintering parameters during the production process.In this paper,the effect of different combinations of sintering parameters on the resistivity of resistive contacts is investigated using the response surface method with sintering temperature,pushing boat speed and water jacket cooling temperature as the main process parameters.By conducting the orthogonal rotation combination test for the above process parameters,the regression analysis method and the response surface analysis method of the Design-expert software were employed to draw the functional image of the two-two interaction of three factors,and the optimal sintering parameters of the resistance contacts were obtained.The validation of the model based on the optimal process parameters showed that the actual values were close to the predicted values when the sintering temperature was 1280 1290,the pushing speed was 170 min/boat185 min/boat,and the water jacket cooling temperature was 52 58 ,which confirmed that the obtained model could be used to accurately predict the resistivity of resistance contacts.Key words:orthogonal rotation;resistance contact;resistivity;agglomeration technology引言根据输电网络的控制需求，高压断路器要求配置并联合闸电阻，以便断路器在合闸操作时能够有效抑制线路上的操作过电压。其中，电阻触头为用来控制并联合闸电阻接入、退出线路的执行元件。在具有合闸电阻的断路器进行合闸操作时，电阻触头会先于断路器主回路触头合闸，使回路先通过电作者简介：丁宁（1988-），男（汉族），甘肃天水人，工程师，研究方向为粉末冶金技术。收稿日期：2021-11-0518电工材料 2023 No.1丁宁等：响应曲面法优化电阻触头烧结工艺参数的研究阻接通，从而起到抑制电压波动的作用；随即主回路触头再接通，将电阻短路，电阻不再起作用。在进行分闸操作时，电阻触头会先于主回路触头断开，以避免承受在分闸时电弧的损伤1。因此，电阻触头的电阻率成为断路器合闸的关键参数。目前国内电阻触头的研究和制备主要以钎焊为主，钎焊法焊接这种类型结构的零件，选用银基钎料，焊接时由于没法满足定向凝固条件，在CuW合金与钢的焊接面处易出现焊接气孔等缺陷2-6。由于该零件在焊接完成后需进行磷化处理，在磷化前需进行的酸碱洗时，微小的焊接气孔在毛细管力的作用下会将酸液吸入，吸入的酸液会形成锈蚀点，造成电阻触头电阻率增大，在后续的使用过程中，较高的电阻率会在长期的合闸中造成零件开裂失效。本研究以整体烧结的方式，将CuW合金嵌入钢的凹槽中以使两者成为一个整体，如图 1所示。通过烧结炉高温烧结，获得铜钨钢界面的冶金结合。铜钨钢三相整体烧结受很多因素影响，因此，从众多因素中筛选出重要因素并确定参数以此缩短试验周期显得尤为重要。而响应曲面法（RSM）是一种广泛使用且非常有效的统计方法，通过单因素试验和显著因子的筛选，优化重要的变量水平，通过不同参数组合中各因素的相互关联性获得最优参数组合7。本研究中选取的因素之间存在相互影响，因此利用响应曲面法进行试验探究更具实际意义。本研究以电阻触头为对象，采用响应曲面法（RSM）优化铜钨钢三相烧结工艺参数，探究不同烧结温度、推舟速度、水套冷却温度对电阻触头电阻率的影响，得到了烧结温度、推舟速度、水套冷却温度各参数的回归方程，检验了回归方程的显著性。利用Design-expert绘制了多因素相互影响的数学函数图像，并优化了电阻触头最佳烧结工艺参数。1试验1.1原料及设备原材料：钨粉 FW-1，纯度 99.9%，粒度 6 m 8 m；电解铜粉FTD-2，纯度99.99%，粒度50 m。试验在 N2气氛保护烧结炉中进行，N2流量为0.8 m3/h。整体烧结完成后，对产品进行着色探伤，并在单双臂两用电桥上测试电阻率。1.2试验设计响应曲面法是利用数学和统计分析进行参数优化的方法，最早由BOX和Wilson于1951年提出。基本过程是首先确定可能含有最佳区域的条件，然后拟合响应函数与影响因素之间的一阶或者二阶模型作为真实响应函数的一个近似，最后利用该模型优化最佳工艺参数。响应曲面法能得到精确度较高的试验结果8,9。本试验采用三因素五水平二次回归正交旋转组合设计试验方法，研究烧结温度（X1）、推舟速度（X2）、水套冷却温度（X3）之间的关系，以建立电阻率（Y）为目标函数的数学模型。查徐中儒的 回归分析与试验设计10得臂长为2，共23个处理组。对各因素进行编码，得因素水平编码表如表1。试验数据采用 Design Expert 统计分析软件进行回归分析，并利用响应曲面法分析两因素间交互作用。以电阻率为指标，考察单因素对三个因变量的响应值，分别对其进行二次多项式拟合，预测模型的方程式为：Yk=bk0+i=13bkiXi+i=13bkiiX2i+i j=13bkijXiXj（1）式中：bk0为常数项；bki为一次项系数；bkii为二次项系数；bkij为交互项系数；Xij为与响应值对应的独立变量；Yk为预测响应值。图1电阻触头结构示意图表1因素水平编码表编码值上星号臂(+2)上水平(+1)零水平(0)下水平(-1)下星号臂(-2)因素烧结温度X1/13001275125012251200推舟速度X2/(min/舟)200180160140120水套冷却温度X3/656055504519电工材料 2023 No.1丁宁等：响应曲面法优化电阻触头烧结工艺参数的研究2结果与分析2.1试验方案试验方案与结果见表2。2.2各因素对电阻率的影响2.2.1电阻率指数回归方程及方差分析不同的参数组合对电阻率指数的影响见表2，用X1、X2、X3分别表示烧结温度、推舟速度和水套冷却温度。各参数对电阻率指标的回归模型如下：Y=3.74-0.15X1-0.14X2-0.11X3-0.87X1X2-0.37X1X3+0.88X2X3+0.26X12-0.38X22-0.11X32（2）回归方程进行方差分析见表3，根据方差分析结果，检验回归方程拟合度和显著性。由表3方差分析可知，该模型极显著，说明 Design-Expert中所选择的烧结温度、推舟速度和水套冷却温度三因素是影响电阻率指标的主要因素，回归方程拟合较好。X1、X2、X3、X22、X1X3对方程影响极其显著。经过显著性检验，该模型的 F值为 30.28，而失拟项的 F检验结果不显著（P=0.08540.05），说明方程在选择的参数范围内，拟合程度较好。两个F检验均通过，说明由二次正交旋转组合设计获得的模型是有效的。将不显著项剔除后得到回归方程为：Y=3.74-0.15X1-0.14X2-0.11X3-0.37X1X3-0.38X22（3）表2试验分析方案及试验结果试验编号1234567891011121314151617181920212223自变量烧结温度X1/125012001300125012501250125012501300130012501300125012501165.9112501334.09125012001200125012501200推舟速度X2/(min/舟)160120200160160160160227.2712012016020016092.72160160160160120200160160200水套冷却温度X3/38.1865655571.81555555654555455555555555554565555545性能指标电阻率Y/(cm)4.13.73.13.73.53.73.73.73.43.73.83.23.74.34.93.74.83.843.93.73.73.720电工材料 2023 No.1丁宁等：响应曲面法优化电阻触头烧结工艺参数的研究2.2.2各因素对电阻率指标的交互影响分析（1）烧结温度和推舟速度的交互作用图 2为水套冷却温度在零水平（55）条件下烧结温度和推舟速度对电阻率指标的响应曲面图和等高线图。由图2可知，烧结温度、推舟速度在其他因素固定在零水平时对于电阻率指标的影响规律：当烧结温度处于低水平时，电阻率指标随着推舟时间的增加而降低；在160 min/舟的以后，曲线下降趋势减缓。等高线图表明两因素交互作用是显著的。当烧结温度处于高水平时，电阻率指标在两因素各自的取值范围内的下降幅度明显。其原因在于，在推舟时间较低的情况下，较高的温度可以使W-Cu颗粒间接触面增大，扩散作用加强，大尺寸颗粒中的晶界消失，从而形成较大的Cu颗粒，温度越高，聚集再结晶的程度越大。结晶中存在大量的元素偏析，也存在着大量的位错、空位、杂质等缺陷，表明晶界是一种面缺陷11。而晶粒尺寸的改变主要影响晶界的数量，即晶粒大，晶界就少；反之亦然，故晶粒尺寸越小，电阻率越大。晶界所占的体积分数越大，电子运动受到晶界的限制，从而表现出量子效应，传导电子将被表面进一步散射，影响电子的平均自由程，进而影响电阻触头的导电行为12。（2）烧结温度和水套冷却温度的交互作用图3为推舟速度在零水平（160 min/舟）条件下烧结温度和水套冷却温度对电阻率指标的响应曲面图和等高线图。由图3可知，烧结温度、水套冷却温度在其他因素固定在零水平时对于电阻率指标的影响规律：当水套温度在高水平时，电阻率随着烧结温度的升高逐渐减低；当水套冷却温度在低水平时，电阻率指标随着烧结温度升高而降低，但降低幅度不明显。另一方面，在水套冷却温度最低时，电阻率的值取得最大值，图3显示，两因素具有交互性但交互性趋势不明显。分析其原因，电阻触头在舟中推至高温区烧结熔化后，连续推舟至冷却炉水套中，冷却水套的温度过低，铜在凝固的过程中温差太大，发生的体积收缩没有及时得到高温区液态铜的补偿，电阻触头产生了疏松，造成电阻触头电阻率增大，电阻触头表面的疏松减少了触头电流通过的有效面积，进而影响了触头的电阻性能指标。（3）推舟速度和水套冷却温度的交互作用图 4为烧结温度在零水平（1250）条件下推舟速度和水套冷却温度对电阻率指标的响应曲面图和等高线图。由图4可知，推舟速度、水套冷却温度在其他因素固定在零水平时对于电阻率指标的影响规律：在水套冷却温度为 65 的曲线上，200 min/舟的推舟速度下，电阻率最低，随着推舟速度的图2烧结温度与推舟速度对电阻率的交互影响表3各因素对电阻率影响的方差分析表方差来源模型X1X2X3X12X22X32X1X2X1X3X2X3残差失拟项纯误差所有项平方和9.220.341.651.520.573.311.120.030.740.0210.440.340.0989.66自由度9111111111135822均方1.962.522.151.520.570.491.120.030.740.0210.0340.0680.012F值30.2810.1648.6344.9516.8497.7833.080.8921.810.062显著水平P 0.0001*0.0071*0.0001*0.0001*0.0235 0.0001*0.05690.492 0.0004*0.80660.0854注：*极显著（P 0.01）；*显著（P 0.05）。21电工材料 2023 No.1丁宁等：响应曲面法优化电阻触头烧结工艺参数的研究不断下降，曲线的上升平缓，幅度较小。在水套冷却温度为45 的曲线上，随着推舟速度的上升，曲线上升趋势增大，幅度较大，两因素的交互性较为明显。原因在于，随着推舟时间的增加二粒子接触面积增加，触头整体发生收缩和致密化，所产生的孤立空隙逐渐减少体积，其形状逐渐转变为近圆形，而且，由于推舟速度增加到200 min/舟，在高温区的时间增加，小空隙和近表面空隙几乎消失，大孔隙直径增加。另一方面，根据烧结理论，长时间的低温烧结所达到的密度比高温短时间的烧结密度低13，这也是为什么在水套温度为 65 的曲线上，随着推舟速度的变化，电阻率的变化幅度很小的原因。2.3参数优化与验证分别设定每个因素和响应值的目标值以及它们所占的权重，用Design-expert进行择优选择，得到相应约束内最优的组合方案。在最优的组合方案内随机选取试验点，试验安排和试验结果如表4。试验结果表明，采用最优组合方案，获得的电阻触头的电阻率平均值为3.23 cm，试验结果和Design-expert 优化结果接近，其电阻率数值低于GBT 8320-2007的标准要求，所以，优化的参数组合可作为电阻触头烧结的最优参数组合。3结论（1）选取烧结温度、推舟速度、水套冷却温度为自变量，按照二次回归正交旋转组合设计试验方案，设计并进行了试验。采用Design Expert软件统计分析，建立了电阻率指标的回归模型方程。（2）采用Design-expert进行参数优化分析并试验验证，确定了电阻触头烧结的参数，烧结温度为1280 1290、推舟速度为 170 min/舟185 min/舟、水套冷却温度为 52 58 时，经检验，电阻触头电阻率合格且无疏松。图3烧结温度与水套冷却温度对电阻率的交互影响图4推舟速度与水套冷却温度对电阻率的交互影响表4最优参数组合方案序号123X1/128012851290X2/（min/舟）170180185X3/525558Y/（cm）3.23.13.4（下转第27页）22电工材料 2023 No.1田野等：基于PSO-XGBoost算法的多衰退特征锂离子电池SOH估计远大于 PSO-XGBoost 模型预测误差。其中，PSO-XGBoost模型预测平均绝对误差、均方根误差以及最大误差均低于其他几种模型。同时，相比于XGBoost的平均绝对误差下降了 0.000 704，均方根误差下降了0.000 48，最大误差下降了0.003 13。综上所述，预测结果表明PSO-XGBoost模型相应的训练模型能够较好地预测电池SOH。4结论针对锂离子电池的老化特性，提出了一种基于PSO-XGBoost 模型的锂离子电池 SOH 估计方法。首先通过主成分分析法对各健康因子进行降维处理，从而得到一个表征锂离子电池老化状态的健康指标；然后利用粒子群算法对 XGBoost 超参数寻优，并与基于随机森林的方法、基于线性回归的方法和基于SVR模型进行了对比试验。结果表明，本文提出的PSO-XGBoost模型对同类电池的SOH预测精确度更高，拟合效果更好。参考文献：1 PAUL N,WANDT J,SEIDLMAYER S,et al.Aging behavior of lithium iron phosphate based 18650-type cells studied by in situ neutron diffractionJ.Power 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