接觸器紅外熱成像故障預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)分析

王軍 李偉 俞躍 周繼雯 葉超

摘? 要： 針對(duì)電梯交流接觸器易出現(xiàn)接觸不良、老化、受潮等問(wèn)題，提出使用紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行故障檢測(cè)。通過(guò)模擬電梯運(yùn)行情況，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸器運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，得到了接觸器在受環(huán)境中灰塵、接線(xiàn)端松動(dòng)、觸頭氧化及超負(fù)荷運(yùn)行下的紅外熱特征圖，能夠較好地發(fā)現(xiàn)其異常情況。同時(shí)，為了對(duì)接觸器剩余壽命進(jìn)行提前預(yù)測(cè)，設(shè)計(jì)了加速壽命實(shí)驗(yàn)，通過(guò)中位迭次法及最小二乘法分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用威布爾分布模型獲得了接觸器在實(shí)驗(yàn)溫度下的可靠度函數(shù)，并以90%的可靠度作為接觸器在該溫度下的剩余壽命，進(jìn)而曲線(xiàn)擬合得到了接觸器的剩余壽命與溫度的關(guān)系函數(shù)，以此來(lái)對(duì)接觸器在不同運(yùn)行溫度下的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果能給電梯維保人員作業(yè)提供檢測(cè)依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 故障預(yù)測(cè); 紅外熱成像; 接觸器; 運(yùn)行監(jiān)測(cè); 剩余壽命預(yù)測(cè); 實(shí)驗(yàn)分析

中圖分類(lèi)號(hào)： TN219?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）04?0108?04

Experimental analysis for infrared thermal imaging fault prediction of contactor

WANG Jun1， LI Wei1， YU Yue2， ZHOU Jiwen3， YE Chao2

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering， Jiangxi University of Science and Technology， Ganzhou 341000， China;

2. China Institute of Special Equipment Detection， Beijing 100029， China;

3. School of Electrical Engineering and Automation， Jiangxi University of Science and Technology， Ganzhou 341000， China）

Abstract： As the elevator AC contactor is prone to poor contact， aging and dampness， it is proposed to apply the infrared thermal imaging detection technology to detect its fault. The experimental platform is built by the simulation of elevator operation to realize real?time monitoring of the contactor operation. The infrared thermal feature map of contactor under the conditions of dust， wiring terminal loose， contact terminal oxidation and overload operation was obtained in a lot of experiments， by which the contactor′s abnormal situation can be better detected. At the same time， the accelerated life experiment is designed to predict the remaining life of the contactor in advance， and the experimental data are analyzed by means of the median iteration method and the least square method. The reliability function of contactor at the experimental temperature is acquired with the Weibull distribution model， the 90% reliability is taken as the remaining life of the contactor at this temperature， and the relation function between the remaining life of the contactor and the temperature is obtained by curve fitting， so as to predict the remaining life of the contactor at different operation temperatures. The experimental results can provide the detection basis for the elevator maintenance personnel.

Keywords： fault prediction; infrared thermal imaging; contactor; operational monitoring; residual life prediction; experimental analysis

具體實(shí)驗(yàn)方法為：將接觸器開(kāi)始溫度控制在40 ℃，每隔10 ℃依次往上增加溫度值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以接觸器的通斷次數(shù)來(lái)判斷接觸器在該溫度下是否容易失效。若接觸器通斷次數(shù)超過(guò)50萬(wàn)次還未損壞，則說(shuō)明在該溫度下接觸器不易出現(xiàn)故障。

2） 第二階段，取3組溫度值在溫度閾值之上，每組8個(gè)接觸器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄接觸器在該溫度值T下從正常狀態(tài)到完全損壞的運(yùn)行時(shí)間t。

3? 實(shí)驗(yàn)及分析

3.1? 發(fā)熱機(jī)理紅外分析

圖2為接觸器主要工作部分模型圖。接觸器因電流效應(yīng)而發(fā)熱，發(fā)熱遵循焦耳定律[Q=I2Rt]，當(dāng)接觸器內(nèi)部發(fā)熱與外部散熱達(dá)到熱平衡時(shí)，其溫度分布將不隨時(shí)間變化。接觸器內(nèi)部發(fā)熱的主要來(lái)源是其內(nèi)部的接觸電阻發(fā)熱，接觸電阻主要分為收縮電阻及膜層電阻。接觸器工作時(shí)，上/下觸點(diǎn)由于頻繁的通斷會(huì)產(chǎn)生收縮電阻，導(dǎo)致觸頭溫度相對(duì)較高。同時(shí)由于長(zhǎng)久的通斷，觸頭處將逐漸氧化形成一層氧化層，導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及以往接觸器故障分析可知，接觸器出現(xiàn)故障主要是由接線(xiàn)端松動(dòng)、觸頭氧化、落入灰塵及超負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致的。如圖3所示為接觸器出現(xiàn)異常時(shí)的紅外熱特征圖，通過(guò)其紅外熱特征圖就能夠方便地發(fā)現(xiàn)接觸器異常情況及異常原因。

3.2? 剩余壽命預(yù)測(cè)

3.2.1? 求取威布爾可靠度函數(shù)

通過(guò)第一階段的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)接觸器溫度在90 ℃以下通斷次數(shù)超過(guò)50萬(wàn)次都不會(huì)損壞，當(dāng)溫度高于90 ℃時(shí)通斷次數(shù)在50萬(wàn)次以?xún)?nèi)損壞。因此，接觸器容易出現(xiàn)故障的溫度閾值取90 ℃。

根據(jù)第一階段獲得的溫度閾值，設(shè)計(jì)第二階段的溫度值依次為110 ℃，130 ℃及150 ℃，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。使用中位秩次法求得的威布爾分布函數(shù)值如表2所示。

將表2中的數(shù)據(jù)使用最小二乘法擬合，得到[y]與[x]的函數(shù)關(guān)系，如圖4所示。

[y]與[x]的擬合方程如表3所示，其[R2] 均大于0.9，說(shuō)明擬合曲線(xiàn)效果較好。

根據(jù)最小二乘法擬合方程可得到接觸器在不同運(yùn)行溫度下的威布爾分布函數(shù)，進(jìn)而可知其威布爾分布可靠度函數(shù)為：

[Rt=exp-t594.505.963，? T=110 ℃exp-t304.766.824，? T=130 ℃exp-t154.423.530，? T=150 ℃]? ? （6）

3.2.2? 接觸器剩余壽命預(yù)測(cè)

本文選取90%的可靠度作為接觸器達(dá)到該溫度時(shí)的剩余壽命，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

再次利用最小二乘法獲得接觸器的剩余壽命與不同溫度時(shí)的關(guān)系，如圖5所示。

其擬合得到的接觸器剩余壽命預(yù)測(cè)函數(shù)為：

[Δt=-8.15T+1 296]? ? ? ? ? （7）

式中：T>90 ℃，因?yàn)榻佑|器溫度在90 ℃以下基本不會(huì)損壞。由剩余壽命預(yù)測(cè)公式可得到知接觸器溫度接近160 ℃時(shí)很快就損壞，與實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況相符。圖6為接觸器損毀實(shí)物圖。

4結(jié)? 論

本文使用紅外檢測(cè)技術(shù)對(duì)接觸器異常情況進(jìn)行檢測(cè)，有效克服了傳統(tǒng)檢測(cè)方法需停機(jī)、效率低的缺點(diǎn)。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，得到接觸器在受環(huán)境中灰塵、接線(xiàn)端松動(dòng)、觸頭氧化及超負(fù)荷運(yùn)行下的紅外熱特征圖，能夠較好地發(fā)現(xiàn)其異常情況。

本文使用中位秩次法及最小二乘法分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到威布爾分布模型，進(jìn)而得到接觸器在不同溫度下的可靠度函數(shù)，并以90%的可靠度作為接觸器在該溫度下的剩余壽命，進(jìn)而曲線(xiàn)擬合得到了接觸器的剩余壽命與溫度的關(guān)系函數(shù)，利用該剩余壽命預(yù)測(cè)函數(shù)能夠預(yù)測(cè)接觸器在不同的運(yùn)行溫度下的剩余壽命。

本文在對(duì)觸器剩余壽命預(yù)測(cè)上，由于時(shí)間的原因，實(shí)驗(yàn)的數(shù)量還是過(guò)少，同時(shí)該實(shí)驗(yàn)中的接觸器為正泰CJX2?1210，其他接觸器由于在材料、構(gòu)造等方面的不同，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能存在些許誤差。因此，對(duì)接觸器紅外檢測(cè)方面還有待進(jìn)一步研究及完善。

注：本文通訊作者為俞躍。

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