接觸器紅外熱成像故障預測實驗分析

王軍 李偉 俞躍 周繼雯 葉超

摘? 要： 針對電梯交流接觸器易出現接觸不良、老化、受潮等問題，提出使用紅外熱成像檢測技術對其進行故障檢測。通過模擬電梯運行情況，搭建了實驗平臺，實現對接觸器運行情況的實時監測。通過大量實驗，得到了接觸器在受環境中灰塵、接線端松動、觸頭氧化及超負荷運行下的紅外熱特征圖，能夠較好地發現其異常情況。同時，為了對接觸器剩余壽命進行提前預測，設計了加速壽命實驗，通過中位迭次法及最小二乘法分析實驗數據，采用威布爾分布模型獲得了接觸器在實驗溫度下的可靠度函數，并以90%的可靠度作為接觸器在該溫度下的剩余壽命，進而曲線擬合得到了接觸器的剩余壽命與溫度的關系函數，以此來對接觸器在不同運行溫度下的剩余壽命進行預測。實驗結果能給電梯維保人員作業提供檢測依據。

關鍵詞： 故障預測; 紅外熱成像; 接觸器; 運行監測; 剩余壽命預測; 實驗分析

中圖分類號： TN219?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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

具體實驗方法為：將接觸器開始溫度控制在40 ℃，每隔10 ℃依次往上增加溫度值進行實驗，以接觸器的通斷次數來判斷接觸器在該溫度下是否容易失效。若接觸器通斷次數超過50萬次還未損壞，則說明在該溫度下接觸器不易出現故障。

2） 第二階段，取3組溫度值在溫度閾值之上，每組8個接觸器進行實驗，記錄接觸器在該溫度值T下從正常狀態到完全損壞的運行時間t。

3? 實驗及分析

3.1? 發熱機理紅外分析

圖2為接觸器主要工作部分模型圖。接觸器因電流效應而發熱，發熱遵循焦耳定律[Q=I2Rt]，當接觸器內部發熱與外部散熱達到熱平衡時，其溫度分布將不隨時間變化。接觸器內部發熱的主要來源是其內部的接觸電阻發熱，接觸電阻主要分為收縮電阻及膜層電阻。接觸器工作時，上/下觸點由于頻繁的通斷會產生收縮電阻，導致觸頭溫度相對較高。同時由于長久的通斷，觸頭處將逐漸氧化形成一層氧化層，導致發熱嚴重。

據現場調研及以往接觸器故障分析可知，接觸器出現故障主要是由接線端松動、觸頭氧化、落入灰塵及超負荷運行導致的。如圖3所示為接觸器出現異常時的紅外熱特征圖，通過其紅外熱特征圖就能夠方便地發現接觸器異常情況及異常原因。

3.2? 剩余壽命預測

3.2.1? 求取威布爾可靠度函數

通過第一階段的實驗發現接觸器溫度在90 ℃以下通斷次數超過50萬次都不會損壞，當溫度高于90 ℃時通斷次數在50萬次以內損壞。因此，接觸器容易出現故障的溫度閾值取90 ℃。

根據第一階段獲得的溫度閾值，設計第二階段的溫度值依次為110 ℃，130 ℃及150 ℃，其實驗數據統計結果如表1所示。使用中位秩次法求得的威布爾分布函數值如表2所示。

將表2中的數據使用最小二乘法擬合，得到[y]與[x]的函數關系，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，說明擬合曲線效果較好。

根據最小二乘法擬合方程可得到接觸器在不同運行溫度下的威布爾分布函數，進而可知其威布爾分布可靠度函數為：

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

3.2.2? 接觸器剩余壽命預測

本文選取90%的可靠度作為接觸器達到該溫度時的剩余壽命，計算結果如表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的關系，如圖5所示。

其擬合得到的接觸器剩余壽命預測函數為：

[Δt=-8.15T+1 296]? ? ? ? ? （7）

式中：T>90 ℃，因為接觸器溫度在90 ℃以下基本不會損壞。由剩余壽命預測公式可得到知接觸器溫度接近160 ℃時很快就損壞，與實際實驗情況相符。圖6為接觸器損毀實物圖。

4結? 論

本文使用紅外檢測技術對接觸器異常情況進行檢測，有效克服了傳統檢測方法需停機、效率低的缺點。通過大量實驗，得到接觸器在受環境中灰塵、接線端松動、觸頭氧化及超負荷運行下的紅外熱特征圖，能夠較好地發現其異常情況。

本文使用中位秩次法及最小二乘法分析實驗數據，得到威布爾分布模型，進而得到接觸器在不同溫度下的可靠度函數，并以90%的可靠度作為接觸器在該溫度下的剩余壽命，進而曲線擬合得到了接觸器的剩余壽命與溫度的關系函數，利用該剩余壽命預測函數能夠預測接觸器在不同的運行溫度下的剩余壽命。

本文在對觸器剩余壽命預測上，由于時間的原因，實驗的數量還是過少，同時該實驗中的接觸器為正泰CJX2?1210，其他接觸器由于在材料、構造等方面的不同，其實驗結果可能存在些許誤差。因此，對接觸器紅外檢測方面還有待進一步研究及完善。

注：本文通訊作者為俞躍。

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