高速動車接觸器性能退化模型建立與壽命預(yù)測

陳春俊,昝健華

(1. 西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,四川 成都 610031;2. 軌道交通運(yùn)維技術(shù)與裝備四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610031)

1 引言

近年來我國高速鐵路發(fā)展迅速,高速動車組在運(yùn)營里程、開行列數(shù)和載客數(shù)量等方面都處于世界前列,為我國經(jīng)濟(jì)和社會的快速發(fā)展提供了堅實(shí)的保障[1]。電磁接觸器是動車組的關(guān)鍵電氣部件,廣泛應(yīng)用于動車組的配電柜和牽引變流器等設(shè)備中。隨著動車運(yùn)營里程增加,接觸器觸點(diǎn)由于燃弧侵蝕產(chǎn)生的損耗逐漸累積,長此以往將導(dǎo)致接觸器性能不斷退化,直至失效[2,3]。一旦接觸器發(fā)生失效,將會影響動車的正常運(yùn)行。接觸器電氣可靠性難以在線監(jiān)測,目前一般采取提前更換接觸器的方式來保障動車的可靠運(yùn)行,造成很大的浪費(fèi)。因此進(jìn)行接觸器剩余壽命預(yù)測研究,從科學(xué)的角度預(yù)測接觸器剩余壽命,合理規(guī)劃接觸器檢修和更換周期,對保證高速動車運(yùn)行可靠性和降低運(yùn)維成本具有重要意義。

針對接觸器等開關(guān)電器的可靠性評估和剩余壽命預(yù)測等問題,國內(nèi)外已有較多研究成果。李志剛[4]等將繼電器超程時間作為輸入變量,建立基于相空間重構(gòu)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型,實(shí)現(xiàn)對繼電器的壽命預(yù)測。焦通[5]等對交流接觸器接觸電阻數(shù)據(jù)進(jìn)行小波包變換,建立灰色預(yù)測模型,實(shí)現(xiàn)交流接觸器剩余壽命預(yù)測。李奎[6]等以交流接觸器的退化參數(shù)累積燃弧能量和吸合時間為基礎(chǔ),建立了基于MIV-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的壽命預(yù)測模型,實(shí)現(xiàn)接觸器剩余壽命預(yù)測。姚芳[7]等基于模糊概率加權(quán)移動預(yù)測模型,對靜態(tài)接觸電阻和彈跳時間進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)對繼電器觸點(diǎn)接觸性能的預(yù)測。目前針對接觸器的剩余壽命預(yù)測研究大多只是將退化參數(shù)數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)驅(qū)動模型中進(jìn)行預(yù)測,沒有將接觸器失效機(jī)理與退化數(shù)據(jù)結(jié)合起來分析,剩余壽命預(yù)測方法仍需改進(jìn)。

本文將在研究接觸器失效機(jī)理的基礎(chǔ)上推導(dǎo)觸點(diǎn)間距退化模型,對接觸器進(jìn)行電磁和動力學(xué)仿真得到吸合時間與觸點(diǎn)間距的函數(shù)關(guān)系,進(jìn)一步確定基于吸合時間的性能退化模型;設(shè)計并搭建性能試驗(yàn)測試系統(tǒng),通過性能測試軟件實(shí)時計算接觸器性能參數(shù)退化數(shù)據(jù);利用退化數(shù)據(jù)計算性能退化模型未知參數(shù)并對其剩余壽命預(yù)測效果進(jìn)行驗(yàn)證。

2 電磁接觸器性能退化模型建立

2.1 接觸器失效機(jī)理分析

高速動車某型三菱電磁接觸器的主要結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。接觸器線圈通電產(chǎn)生電磁吸力F,吸引動鐵心帶動動觸點(diǎn)向下運(yùn)動,反力彈簧提供向上的彈簧反力Ff。從線圈開始通電到動靜觸點(diǎn)第一次接觸的時間稱為吸合時間t,吸合時間內(nèi)動觸點(diǎn)移動的距離為觸點(diǎn)開距X。動靜觸點(diǎn)接觸后,動鐵心在F作用下繼續(xù)向下運(yùn)動直到動靜鐵心完全閉合,吸合過程結(jié)束。

圖1 接觸器結(jié)構(gòu)示意圖

觸點(diǎn)是接觸器的關(guān)鍵部位,在接觸器工作過程中,觸點(diǎn)間燃弧會侵蝕觸點(diǎn)造成其表面材料損失,使觸點(diǎn)開距和觸點(diǎn)壓力發(fā)生變化,嚴(yán)重時導(dǎo)致觸點(diǎn)發(fā)生斷開或粘接失效,接觸失效是接觸器的主要失效模式[8,9]。

如圖2a所示,正常狀態(tài)下觸點(diǎn)表面光滑,觸點(diǎn)斷開情況下觸點(diǎn)開距X0處于正常范圍內(nèi)。

圖2 不同狀態(tài)下觸點(diǎn)表面示意圖

由圖2b可知,當(dāng)蒸發(fā)汽化侵蝕導(dǎo)致觸點(diǎn)材料向周圍飛濺、蒸發(fā)發(fā)生轉(zhuǎn)移后,觸點(diǎn)開距隨之增大,當(dāng)觸點(diǎn)開距增大到一定程度時接觸壓力無法保證觸點(diǎn)穩(wěn)定接觸或斷開,接觸器失效。

2.2 接觸器性能退化模型

接觸器吸合時間運(yùn)動過程中,動鐵心、支架、動觸點(diǎn)和觸點(diǎn)彈簧保持相對靜止,可以看作一個整體系統(tǒng),系統(tǒng)受到向下的電磁吸力F和向上的彈簧反力Ff,根據(jù)牛頓第二定律

F-Ff=Ma

(1)

式中,M為整體系統(tǒng)的質(zhì)量;a為整體系統(tǒng)向下運(yùn)動的加速度。

動觸點(diǎn)運(yùn)動初速度為零,得到運(yùn)動位移與時間關(guān)系式

(2)

式中,xd為動觸點(diǎn)運(yùn)動位移;td為動觸點(diǎn)運(yùn)動時間。

當(dāng)動靜觸點(diǎn)第一次接觸時,動觸點(diǎn)位移為觸點(diǎn)開距X,運(yùn)動時間為吸合時間t,即

(3)

再由式(1)可得:

(4)

當(dāng)觸點(diǎn)開距由于觸點(diǎn)材料轉(zhuǎn)移發(fā)生改變時,電磁吸力、彈簧反力和整體質(zhì)量均不發(fā)生改變,由式(4)可知當(dāng)觸點(diǎn)開距增大時,吸合時間增大,吸合時間和觸點(diǎn)開距存在比例關(guān)系

t=f(X)

(5)

由以上分析可知,接觸器吸合時間和觸點(diǎn)開距存在聯(lián)系,因此可以將吸合時間作為反映接觸器退化過程的性能參數(shù)。

接觸器觸點(diǎn)失效過程實(shí)質(zhì)上是材料轉(zhuǎn)移造成觸點(diǎn)損傷逐漸累積的過程。接觸器動作產(chǎn)生的燃弧使觸點(diǎn)材料逐漸轉(zhuǎn)移,致使損失材料的觸點(diǎn)端出現(xiàn)凹坑,隨著接觸器動作次數(shù)增加,觸點(diǎn)凹坑變大,觸點(diǎn)開距隨之增大。當(dāng)觸點(diǎn)開距增大到極限值時,觸點(diǎn)對無法可靠接觸或斷開,觸點(diǎn)失效。因此根據(jù)疲勞累積損傷原理,觸點(diǎn)開距退化率模型[10]為

(6)

式中,X為觸點(diǎn)開距;N為接觸器動作次數(shù);A為電蝕系數(shù),表示燃弧能量對觸點(diǎn)開距的影響;m為退化系數(shù),表示觸點(diǎn)開距對觸點(diǎn)退化速率的影響,由文獻(xiàn)[10]可知,觸點(diǎn)開距越大,其增長速率越慢,因此m<0;W(N)表示燃弧能量和動作次數(shù)的函數(shù)關(guān)系。

對式(6)進(jìn)行積分求解,可以得到觸點(diǎn)開距的退化模型為

(7)

式中,ψ(N)為累積燃弧能量。

接觸器觸點(diǎn)開距初值存在差異,需要將其考慮在模型中,得到修正后的觸點(diǎn)開距退化模型為

(8)

式中,X0為與觸點(diǎn)開距有關(guān)的初值。

由式(5)和式(8)可以推導(dǎo)出基于吸合時間的性能退化模型為

(9)

吸合時間與觸點(diǎn)開距的具體函數(shù)關(guān)系需要通過建立接觸器仿真模型進(jìn)一步確定。

3 高速動車電磁接觸器仿真研究

3.1 接觸器電磁機(jī)構(gòu)動態(tài)仿真

根據(jù)接觸器實(shí)際尺寸進(jìn)行三維建模,將模型電磁機(jī)構(gòu)部分導(dǎo)入有限元軟件進(jìn)行電磁動態(tài)仿真[11]。接觸器電磁機(jī)構(gòu)模型如圖3所示。首先設(shè)置求解器為瞬態(tài)場,賦予模型材料屬性并進(jìn)行網(wǎng)格劃分,為動鐵心施加反力特性,為線圈添加電壓激勵,最后定義動鐵心運(yùn)動機(jī)械屬性,進(jìn)行仿真分析。

圖3 接觸器電磁模型

線圈電流-時間特性仿真和試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示,其中試驗(yàn)結(jié)果是在與仿真相同激勵條件下的接觸器測量得到,線圈電流-時間特性曲線的仿真結(jié)果非常接近試驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證了接觸器電磁機(jī)構(gòu)動態(tài)仿真正確性。

圖4 線圈電流-時間特性仿真和試驗(yàn)結(jié)果

3.2 接觸器動力學(xué)仿真

通過接觸器電磁機(jī)構(gòu)的動態(tài)仿真得到電磁吸力的仿真數(shù)據(jù),將其導(dǎo)入接觸器動力學(xué)仿真模型中進(jìn)行下一步分析。如圖5所示,在ADAMS中建立接觸器動力學(xué)模型。動力學(xué)模型包括觸頭系統(tǒng)、電磁機(jī)構(gòu)和支架三部分,其中觸頭系統(tǒng)包括主動靜觸點(diǎn)、主觸點(diǎn)彈簧、輔助動靜觸點(diǎn)和輔助觸點(diǎn)彈簧;電磁機(jī)構(gòu)包括動靜鐵心、反力彈簧和線圈。

圖5 電磁接觸器動力學(xué)仿真模型

首先為ADAMS模型添加約束,根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)添加質(zhì)量特性,將電磁吸力數(shù)據(jù)通過樣條函數(shù)施加到動鐵心上,進(jìn)行動力學(xué)仿真[12,13]。觸點(diǎn)開距為5.50 mm時,主動觸點(diǎn)位移-時間特性Adams仿真曲線如圖6所示,可以得到吸合時間為40.32 ms。

圖6 主動觸點(diǎn)位移-時間特性仿真曲線

通過改變觸點(diǎn)開距仿真參數(shù),得到11 組仿真數(shù)據(jù),見表1。

表1 不同觸點(diǎn)開距下的吸合時間

根據(jù)上表仿真數(shù)據(jù),利用最小二乘法進(jìn)行擬合,得到吸合時間與觸點(diǎn)開距的函數(shù)關(guān)系:

t=12.5545X-28.7141

(10)

由式(9)和式(10)可推導(dǎo)出基于吸合時間的性能退化模型表達(dá)式為

28.7141(m<0)

(11)

4 高速動車電磁接觸器性能試驗(yàn)研究

4.1 接觸器性能試驗(yàn)測試系統(tǒng)

為了得到性能退化模型的未知參數(shù)值和累計燃弧能量的表達(dá)式,需要獲取吸合時間和累積燃弧能量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。設(shè)計搭建電磁接觸器性能試驗(yàn)測試系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對接觸器的線圈電流、觸點(diǎn)電流電壓信號的實(shí)時采集和性能參數(shù)退化數(shù)據(jù)的實(shí)時計算。

接觸器性能試驗(yàn)測試系統(tǒng)如圖7所示,主要包括上位機(jī)測試軟件、程控電源、電源柜、電壓與電流傳感器、電阻負(fù)載、數(shù)據(jù)采集器、被測接觸器和冷卻風(fēng)扇。通過程控電源控制接觸器線圈周期性通斷,由傳感器測試電流電壓信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器傳輸至上位機(jī)進(jìn)行處理。

圖7 接觸器性能試驗(yàn)測試系統(tǒng)

試驗(yàn)時接觸器吸合過程動態(tài)波形如圖8所示,可以計算得到本次動作過程的吸合時間;閉合過程動態(tài)波形如圖9所示,可以得到動作過程的燃弧時間。接觸器每次動作過程中燃弧能量的計算公式為

圖8 接觸器吸合過程中的動態(tài)波形

圖9 接觸器閉合過程中的動態(tài)波形

(12)

式中,W1為燃弧能量;t1為燃弧時間;U為觸點(diǎn)電壓,I為觸點(diǎn)電流。由式(12)可以計算得到本次動作過程產(chǎn)生的燃弧能量。

為了得到退化過程中接觸器吸合時間和燃弧能量特征參數(shù)的退化數(shù)據(jù),基于LabVIEW軟件設(shè)計了接觸器性能測試軟件。測試軟件采集電壓電流信號后,對信號進(jìn)行實(shí)時處理得到吸合時間和累積燃弧能量隨接觸器動作次數(shù)變化的退化數(shù)據(jù)。本型號接觸器壽命長達(dá)幾十萬次,為減少退化數(shù)據(jù)量和去除異常值,對退化數(shù)據(jù)進(jìn)行分段平均和野值剔除,每100 個數(shù)據(jù)取平均值作為代表,前20萬次的吸合時間退化數(shù)據(jù)如圖10所示,累積燃弧能量退化數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖10 吸合時間退化數(shù)據(jù)

圖11 累積燃弧能量退化數(shù)據(jù)

選取五種典型回歸方程對累積燃弧能量退化數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,用擬合優(yōu)度R2表示擬合效果,建立累積燃弧能量隨動作次數(shù)變化的模型ψ(N),擬合結(jié)果見表2。

表2 累積燃弧能量模型擬合優(yōu)度

由表2可知,拋物線模型的擬合優(yōu)度最接近1,擬合程度最好,因此累積燃弧能量與動作次數(shù)的模型為:

ψ(N)=1.2794×10-8N2+0.0545N+134.1172

(13)

4.2 接觸器性能退化模型參數(shù)計算

由圖10和11可知,累積燃弧能量退化數(shù)據(jù)趨勢較為平滑,而吸合時間退化數(shù)據(jù)存在一些干擾噪聲,因此提取吸合時間退化數(shù)據(jù)趨勢項(xiàng)以減少無關(guān)噪聲影響[14]。如圖12所示,采用小波分析和平穩(wěn)序列檢驗(yàn)的方法提取趨勢項(xiàng)。

圖12 吸合時間退化數(shù)據(jù)趨勢項(xiàng)提取方法

將退化數(shù)據(jù)進(jìn)行多層小波分解與重構(gòu)。根據(jù)圖12可知每層小波分解后會得到一組低頻趨勢信號和高頻隨機(jī)信號,高頻信號序列可看作零均值平穩(wěn)序列。為了保證高頻信號序列不含有用的低頻信號,每次分解重構(gòu)后對高頻信號序列進(jìn)行零均值和平穩(wěn)性檢驗(yàn)。

當(dāng)高頻信號序列滿足檢驗(yàn)時,說明其不含低頻信號,繼續(xù)進(jìn)行下一層小波分解;直到高頻信號序列不滿足零均值與平穩(wěn)性檢驗(yàn)時,說明此時高頻信號序列已包含低頻信號信息,上一層小波分解得到的低頻信號即為所需趨勢項(xiàng)。接觸器試品前20萬次的吸合時間退化趨勢項(xiàng)如圖13所示。

圖13 吸合時間退化數(shù)據(jù)趨勢項(xiàng)

y=β0x+β1

(14)

通過線性擬合計算得到參數(shù)β0、β1以及對應(yīng)的擬合優(yōu)度R2,令m的取值范圍為[-10,0],得到對應(yīng)的擬合優(yōu)度如表3所示。

表3 性能退化模型擬合優(yōu)度

由表3可知,當(dāng)m=-0.001時,性能退化模型的擬合優(yōu)度最接近1,擬合程度最好,此時計算得到參數(shù)β0=1.8109×10-4,β1=39.8017,由式(13)和(14)可以得到性能退化模型表達(dá)式為:

t=2.3593×10-12N1.998+9.8979×10-6N0.999+39.8259

(15)

5 高速動車電磁接觸器剩余壽命預(yù)測

在利用接觸器前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)計算得到性能退化模型表達(dá)式后,為了對性能退化模型的壽命預(yù)測效果進(jìn)行驗(yàn)證,繼續(xù)試驗(yàn)直到接觸器失效,得到接觸器全壽命周期試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

如圖14所示,當(dāng)動作次數(shù)達(dá)到2.944×105次時,吸合時間退化趨勢加劇,并且此時出現(xiàn)噪聲及異味,判斷接觸器發(fā)生失效。接觸器最終壽命為2.944×105次,此時吸合時間失效閾值為42.84 ms。將吸合時間失效閾值代入式(15)性能退化模型中可以預(yù)測接觸器的使用壽命為2.88927×105次,預(yù)測誤差為1.86 %。

圖14 吸合時間全壽命周期退化趨勢項(xiàng)

接觸器剩余壽命S=2.88927×105-N,由式(15)進(jìn)一步得到接觸器性能退化模型表達(dá)式為

t=2.3593×10-12(2.88927×105-S)1.998+9.8979×10-6(2.88927×105-S)0.999+39.8259

(16)

為驗(yàn)證性能退化模型的剩余壽命預(yù)測效果,采用廣泛應(yīng)用的回歸預(yù)測模型作為對比。利用傳統(tǒng)回歸方程對接觸器試品前20萬次試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到三種回歸方程的剩余壽命預(yù)測模型,如表4所示。

表4 回歸方程剩余壽命預(yù)測模型

取接觸器試品后期9.44×104次試驗(yàn)數(shù)據(jù)為檢驗(yàn)樣本。如表5所示,以0.05ms吸合時間為間隔共取15 組驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

表5 接觸器剩余壽命實(shí)際值

在相同的驗(yàn)證樣本下,分別采用性能退化模型和三種回歸預(yù)測模型對接觸器剩余壽命進(jìn)行預(yù)測,預(yù)測結(jié)果如圖15所示,其相對誤差如圖16所示,不同表示方法下的誤差見表6。

表6 不同預(yù)測模型下預(yù)測結(jié)果的誤差

圖15 不同預(yù)測模型下接觸器剩余壽命預(yù)測結(jié)果

圖16 不同預(yù)測模型下預(yù)測結(jié)果的相對誤差

從表6中可以看出,性能退化模型對接觸器剩余壽命預(yù)測結(jié)果的誤差優(yōu)于傳統(tǒng)回歸退化預(yù)測模型。與傳統(tǒng)回歸退化預(yù)測模型相比,性能退化模型的最大絕對誤差、平均絕對誤差、最大相對誤差與平均相對誤差均為最小,且最大相對誤差為10.98 %,在11 %以下。結(jié)果表明性能退化模型相較于傳統(tǒng)回歸預(yù)測模型有效提高了高速動車接觸器剩余壽命預(yù)測精度,具有較高的使用價值。

6 結(jié)論

本文針對高速動車電磁接觸器的剩余壽命預(yù)測問題,在分析接觸器失效機(jī)理和建立接觸器電磁和動力學(xué)仿真模型的基礎(chǔ)上,提出并建立了基于吸合時間的接觸器性能退化模型。設(shè)計接觸器性能試驗(yàn)測試系統(tǒng)對接觸器進(jìn)行性能退化測試,得到接觸器全壽命周期試驗(yàn)數(shù)據(jù)。利用接觸器前20萬次退化數(shù)據(jù)計算得到了性能退化模型的未知參數(shù);同時建立廣泛應(yīng)用的回歸退化預(yù)測模型與之對比預(yù)測效果。通過檢驗(yàn)樣本對性能退化模型和回歸退化預(yù)測模型的剩余壽命預(yù)測效果進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)果顯示,性能退化模型的剩余壽命預(yù)測結(jié)果誤差最小,在11%以下,預(yù)測精度最高。綜上所述,本文建立的高速動車接觸器性能退化模型能夠?qū)佑|器剩余壽命進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測,對合理規(guī)劃接觸器檢修和更換周期,保證高速動車運(yùn)行可靠性和降低運(yùn)維成本具有重要意義。