基于超程時間退化特性的電磁接觸器壽命預測方法

摘 要： 從接觸器失效機理出發(fā)，通過有限元和動力學仿真詳細分析超程時間退化過程，進而提出一種基于超程時間退化特性的電磁接觸器壽命預測方法。建立基于超程時間退化特性的電磁接觸器壽命預測模型，設計并搭建接觸器可靠性試驗平臺，并基于SJD-10048NK電磁接觸器試驗數(shù)據，分析預測接觸器的剩余壽命，相對誤差約為10%，驗證了所提方法的有效性。結果表明所提方法能夠對接觸器壽命進行準確預測，對于接觸器的可靠性狀態(tài)評估及其維護管理具有重要指導意義。

關鍵詞： 電磁接觸器; 超程時間; 退化模型; 壽命預測

中圖分類號： TM572.6

文獻標志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）02-0066-06

DOI： 10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.02.011

Life Prediction Method of Electromagnetic Contactor Based on Overtravel Time Degradation Characteristics

CHEN Sheng LIU Liang SUN Kaige1

（1.State Owned Wuhu Machinery Factory， Wuhu 241007， China;2.Shenyang Aircraft Design and Research Institute， Shenyang 110034， China）

Abstract： Starting from the failure mechanism of contactors， a detailed analysis of the overtravel time degradation process is conducted through the finite element and dynamic simulation. A life prediction method for electromagnetic contactors based on the overtravel time degradation characteristics is proposed. A life prediction model for electromagnetic contactors based on the overtravel time degradation characteristics is established. A reliability testing platform for contactors is designed and built. The remaining life of contactors is analyzed and predicted based on SJD-10048NK electromagnetic contactor testing data with a relative error of about 10%. The effectiveness of the proposed method is verified. The results indicate that the proposed method can accurately predict the life of contactors， which has important guiding significance for the reliability status evaluation and maintenance management of contactors.

Key words： electromagnetic contactor; overtravel time; degenerate model; life prediction

0 引 言

接觸器是一種用來控制接通和分斷大容量負載及控制回路的低壓電器，在航空航天、電力負載和工業(yè)自動化控制等領域應用廣泛［1-2］。隨著電氣系統(tǒng)運行可靠性的要求不斷提高，電控系統(tǒng)對接觸器電壽命和可靠性指標的要求也逐漸增加。接觸器具有控制容量大、可遠程操控等優(yōu)勢。接觸器的性能優(yōu)劣是電力設備系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要保證，然而接觸器長期連續(xù)工作在頻繁分斷的工作狀態(tài)下，一旦發(fā)生故障將造成巨大損失。有效預測電磁接觸器工作狀態(tài)及其可靠程度，實現(xiàn)主動的狀態(tài)監(jiān)測與退化狀態(tài)識別，對用電系統(tǒng)的安全運行有重要意義。

國內針對接觸器狀態(tài)檢測、壽命預測等問題進行了大量的研究。文獻［3-4］分析接觸器可靠性壽命試驗方法，并提出接觸器可靠性壽命特征評估與產品退化參數(shù)的關聯(lián)關系。文獻［5］通過采集實時線圈電流和觸頭電壓，計算接觸器吸合時間，并以此建立接觸器壽命預測模型，預測接觸器壽命。文獻［6-7］基于對接觸器觸頭表面的磨損程度的分析，結合接觸器失效機理，提出相關壽命預測方法。文獻［8-9］根據接觸電阻相關數(shù)據來建立預測模型，得到接觸器預測壽命與接觸電阻變化特性的關系。文獻［10-11］研究溫度應力等影響繼電器失效的主要因素，并基于改進灰色模型進行接觸器壽命預測。文獻［12-14］通過性能退化參數(shù)來實時評估接觸器壽命，基于隨機過程和貝葉斯估計方法實時更新并測量其性能退化參數(shù)，從而建立基于壽命特征的可靠性表達式。文獻［15-16］提出結合觸頭電阻和吸合時間兩個性能退化參數(shù)來表征接觸器的壽命，并推導基于試驗數(shù)據的壽命預測數(shù)學模型。目前針對電磁接觸器的壽命預測方法的研究，仍存在接觸器特征參數(shù)的選取和獲得缺乏依據等問題，壽命預測模型的建立仍需改進。

本文首先基于電磁接觸器的結構特點，分析接觸器失效機理，提出了一種電磁接觸器的壽命預測模型。通過接觸器的電磁仿真和動力學仿真，建立接觸器相關特征參數(shù)之間的映射關系，修正接觸器壽命預測模型;通過搭建接觸器壽命試驗測試平臺，對接觸器開展電壽命實驗。實驗結果表明，基于所提壽命預測模型的接觸器剩余壽命的預測結果，與實際情況誤差在允許范圍之內，表明了所提壽命預測模型的有效性。

1 接觸器失效機理分析

根據電磁接觸器的結構特點和功能特性，其主要故障主要表現(xiàn)為斷開失效和閉合失效兩種，引起接觸器故障的失效模式主要有接觸失效、線圈絕緣問題和簧片故障等。接觸器觸頭是接觸器最易發(fā)生失效的部位，統(tǒng)計數(shù)據表明，觸頭失效約占接觸器失效總量的80%以上。因此，接觸器觸頭是接觸器整個接觸系統(tǒng)的核心部位，基于接觸器觸頭性能的失效機理分析是接觸器壽命預測的關鍵所在。

接觸器在一定負載下動作時，產生的電弧將侵蝕觸頭，引起觸頭材料損失或發(fā)生定向轉移，造成觸頭表面平整度和觸點間隙等性能發(fā)生變化，進而導致觸頭斷開或吸合失效。觸頭電侵蝕主要包括電弧轉移和液橋轉移兩類。前者由于電弧導致觸頭表面金屬蒸發(fā)氣化或熔化，產生噴濺損耗;后者主要因為觸頭斷開時燃弧引起金屬液橋拉斷而發(fā)生，導致觸頭兩極物質轉移。液滴噴濺，即觸頭材料在電弧作用下以小液滴的形式，從電極表面脫離而損耗的一種現(xiàn)象。電弧放電程度密切影響噴濺的形成。噴濺引起的材料損失主要發(fā)生在較大負載電流條件下，蒸發(fā)氣化主要發(fā)生在負載電流較小時。在電弧應力作用下，觸頭材料將發(fā)生各種物理化學反應。燃弧能量在觸頭表面集中釋放產生的電弧熱物理效應，導致觸頭材料熔化和蒸發(fā)，引起快速相變、裂紋和擴散等現(xiàn)象。

觸頭的電侵蝕和可靠性與燃弧能量直接相關，用燃弧能量比用燃弧時間評估觸頭工作性能更為直接。

在正常狀態(tài)下，接觸器觸頭表面相對平整，觸頭間隙和觸點超程在正常范圍內。當觸頭材料由于噴濺或蒸發(fā)氣化等原因，在觸頭之間相互轉移（假設從動觸頭到靜觸頭轉移）靜觸頭表面出現(xiàn)凸起，動觸頭出現(xiàn)凹坑，觸頭間隙將隨觸頭材料的轉移而發(fā)生變化，這也是電磁接觸器觸頭發(fā)生接觸失效的直接原因。根據疲勞損傷理論［17］，觸頭材料轉移引起觸頭間隙a隨動作次數(shù)N變化的退化率模型可表示為

dadN=A·W（N）am（1）

式中： A——侵蝕系數(shù)；

m——退化系數(shù)；

W（N）——燃弧能量與動作次數(shù)的關系。

A表征單位燃弧能量引起觸頭間隙變化的情況，主要與觸頭材料、觸頭截面積、電弧形式以及其他影響觸頭侵蝕過程的環(huán)境因素（溫度、濕度、氣壓等）有關;W（N）表征當前觸頭間隙對退化速率的影響，由于觸頭間隙大小對其增長存在負反饋關系，由此確定mlt;0;W（N）可體現(xiàn)負載電應力情況、觸頭分斷速率等因素對燃弧能量的影響。

對式（1）進行積分求解，可得觸頭間隙a的退化表達式為

a=［A（1－m）Ψ（N）］11－m+a0，mlt;0（2）

式中： Ψ（N）——累積燃弧能量;

a0——與觸頭間隙有關的初值，反映模型受觸頭間隙初值的影響。

基于弦線累積模型的思想，每次動作引起的材料轉移是相互獨立的，且可以線性累加，當質量轉移達到一定程度，即觸頭間隙變化一定量后，將發(fā)生接觸失效。文獻［18］通過實驗表明接觸器電弧能量與觸頭材料侵蝕量呈線性關系，且為正比。假設單次動作轉移質量正比于單次燃弧能量，通過燃弧能量累積即可反映轉移材料質量累積過程。根據壽命試驗測得觸頭電壓和觸頭電流波形，可得接觸器單次動作燃弧能量表達式為

Wi=∫TtiUtiItidt=∫TtiPtidt（3）

式中： ti——第i次動作的燃弧時刻;

T——燃弧持續(xù)時間;

Uti、Iti、Pti——單次燃弧過程中各時刻燃弧電壓、燃弧電流和燃弧功率。

2 接觸器仿真分析

由于觸頭間隙無法直接在線實時測量，因此需要尋找與之等效且方便測量的其他特征參數(shù)，間接獲取觸頭間隙退化規(guī)律。通常，為了保證吸合過程獲得較大的靜態(tài)接觸壓力，在觸頭結構中設計了一定的觸頭超程距離，根據奧地利學者提出的接觸器觸頭等效動力學模型［19］：

t=f（a）（4）

根據式（4），進一步可將接觸器超程時間作為反映接觸器性能退化的特征參數(shù)，根據對超程時間的監(jiān)測來判定接觸器壽命變化規(guī)律。

根據所研究電磁接觸器的實際尺寸，搭建基于Maxwell軟件的接觸器有限元仿真模型。接觸器有限元仿真模型如圖1所示。通過對機構各部分進行材料定義及分配，設定線圈激勵源和合適的邊界條件，輸入運動參數(shù)，設置網格剖分規(guī)則和求解器。接觸器電磁仿真關系曲線如圖2所示。

由圖2（a）和圖2（b）可知，最終的電磁力為138 N、外加負載力為-16.5 N，正值表示該力的方向與初始定義的z軸正方向一致。外加負載力主要是在z軸負方向的分力。根據圖2（c），在18 ms時刻銜鐵由最初的位置0移動到3.2 mm，完成接觸器的通電吸合過程。此時，電磁力和外加負載力達到最大值，并達到穩(wěn)定狀態(tài)。

進一步，在仿真中改變觸頭間隙參數(shù)，得到10組觸頭間隙和超程時間的仿真數(shù)據，為固定銜鐵總行程條件下計算的結果。接觸器不同觸頭間隙下吸合時間和超程時間如表1所示。

由表1可見，隨著觸頭間隙的減小，超程時間出現(xiàn)明顯增加的趨勢，利用數(shù)據擬合的方法整理得到超程時間t和觸頭間隙a的關系式為

t=-7.775 2a+16.905（5）

觸頭間隙與超程時間的關系如圖3所示。

式中，進一步，聯(lián)立式（2）、式（4）和式（5），可得接觸器基于超程時間的退化模型表達式為

t=-7.775 2［A（1－m）Ψ（N）］11－m－7.775 2a0+16.905（6）

退化系數(shù)m、侵蝕系數(shù)A、觸頭間隙初值a0，還需進一步通過試驗數(shù)據的分析來確定。

3 接觸器壽命實驗研究

為試驗研究直流接觸器電壽命性能退化過程，并進一步求得接觸器退化模型中的未知參數(shù)，搭建了一套直流接觸器電壽命試驗自動測試系統(tǒng)。通過電壽命試驗系統(tǒng)實現(xiàn)直流接觸器的自動分合，實時采集接觸點壓降、吸合電壓以及其他特征參數(shù)，并自動記錄線圈電壓等數(shù)據，分析得到超程時間后，基于所提出的接觸器退化模型，對直流接觸器試品進行壽命預測及狀態(tài)判定。可靠性壽命試驗平臺如圖4所示;接觸器可靠性測試流程如圖5所示。

利用接觸器可靠性壽命試驗平臺對所選取的接觸進行全壽命測試實驗。接觸器額定負載電壓為24～30 V，實驗負載電壓為27 V。單次動作周期為1 s，通斷比為50%，每動作200次記錄一個燃弧能量（200次動作的燃弧能量平均值），由此得到前10萬次平均燃弧能量與動作次數(shù)的關系。接觸器平均燃弧能量與動作次數(shù)關系如圖6所示。再對接觸器燃弧能量平均值進行累加，得到接觸器前10萬次動作累積燃弧能量與動作次數(shù)的關系。接觸器累積燃弧能量與動作次數(shù)關系如圖7所示。

基于圖7，采用線性回歸最小二乘擬合方法建立累積燃弧能量與動作次數(shù)的關系式。根據擬合殘差平方和最小的原則，確定累積燃弧能量是動作次數(shù)的冪函數(shù)關系，即

Ψ（N）=5.022×10－5N1.083（7）

同理，每動作200次記錄一個接觸器超程時間，可得接觸器前10萬次超程時間數(shù)據。接觸器超程時間與動作次數(shù)關系如圖8所示。

根據式（6）所得接觸器超程時間退化模型，令x=［Ψ（N）］11－m，y=t，指定m為一固定值（m取值范圍為［-10，0］，每次步進值設為0.1），采用參數(shù)遍歷法實現(xiàn)整個回歸過程的參數(shù)估計。結果表明，在m為-0.1時，超程時間數(shù)據擬合殘差平方和最小，由此計算得到侵蝕系數(shù)A為7.413×10-6和觸頭間隙初值a0為2.173 3 mm，最終得到接觸器超程時間退化模型為

t=-2.894 5×10-9N1.075 2+0.002 211（8）

根據接觸器的前208 000次超程時間的試驗結果，接觸器全壽命周期超程時間與動作次數(shù)關系如圖9所示。接觸器開關動作在144 800次時，超程時間變化趨勢放緩，在159 000次后迅速變化，即接觸器開關動作144 800次后，觸頭腐蝕狀態(tài)發(fā)生異常變化，因此可以認為接觸器達到壽命周期，根據圖9可知，此時測得的接觸器超程時間的失效閾值為1.52 ms，對應的超程時間變化量超出初始值28%。

結合接觸器超程時間退化模型式（8），預測接觸器的最終壽命為128 313次，接觸器實際壽命為144 800次，預測誤差為11.38%。進一步推導接觸器剩余壽命S與超程時間t的關系為

S=128 313-8.734 6×107（0.002 211－t）0.93（9）

代入不同的接觸器超程時間，對接觸器剩余壽命進行預測。接觸器剩余壽命預測值如表2所示。

接觸器剩余壽命預測值和實際值的最大差值為4 210次，最小差值為271次，并且剩余壽命的預測值和實際值的預測誤差約為10%，由此驗證了接觸器剩余壽命預測方法的可行性。

4 結 語

本文提出了一種接觸器壽命預測方法。為了驗證所提方法的有效性，搭建接觸器全壽命周期測試平臺?；谇?0萬次測試數(shù)據分析，擬合得到所提接觸器超程時間退化模型，進一步提出接觸器剩余壽命預測模型。通過接觸器全壽命周期數(shù)據，驗證了壽命預測值與實際值誤差約為10%，進而驗證了所提基于超程時間退化過程的接觸器壽命預測方法的有效性。

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收稿日期： 20231027