高速動車接觸器性能退化模型建立與壽命預測

陳春俊,昝健華

(1. 西南交通大學機械工程學院,四川 成都 610031;2. 軌道交通運維技術與裝備四川省重點實驗室,四川 成都 610031)

1 引言

近年來我國高速鐵路發展迅速,高速動車組在運營里程、開行列數和載客數量等方面都處于世界前列,為我國經濟和社會的快速發展提供了堅實的保障[1]。電磁接觸器是動車組的關鍵電氣部件,廣泛應用于動車組的配電柜和牽引變流器等設備中。隨著動車運營里程增加,接觸器觸點由于燃弧侵蝕產生的損耗逐漸累積,長此以往將導致接觸器性能不斷退化,直至失效[2,3]。一旦接觸器發生失效,將會影響動車的正常運行。接觸器電氣可靠性難以在線監測,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行,造成很大的浪費。因此進行接觸器剩余壽命預測研究,從科學的角度預測接觸器剩余壽命,合理規劃接觸器檢修和更換周期,對保證高速動車運行可靠性和降低運維成本具有重要意義。

針對接觸器等開關電器的可靠性評估和剩余壽命預測等問題,國內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的RBF神經網絡預測模型,實現對繼電器的壽命預測。焦通[5]等對交流接觸器接觸電阻數據進行小波包變換,建立灰色預測模型,實現交流接觸器剩余壽命預測。李奎[6]等以交流接觸器的退化參數累積燃弧能量和吸合時間為基礎,建立了基于MIV-BP神經網絡的壽命預測模型,實現接觸器剩余壽命預測。姚芳[7]等基于模糊概率加權移動預測模型,對靜態接觸電阻和彈跳時間進行分析,實現對繼電器觸點接觸性能的預測。目前針對接觸器的剩余壽命預測研究大多只是將退化參數數據輸入到數據驅動模型中進行預測,沒有將接觸器失效機理與退化數據結合起來分析,剩余壽命預測方法仍需改進。

本文將在研究接觸器失效機理的基礎上推導觸點間距退化模型,對接觸器進行電磁和動力學仿真得到吸合時間與觸點間距的函數關系,進一步確定基于吸合時間的性能退化模型;設計并搭建性能試驗測試系統,通過性能測試軟件實時計算接觸器性能參數退化數據;利用退化數據計算性能退化模型未知參數并對其剩余壽命預測效果進行驗證。

2 電磁接觸器性能退化模型建立

2.1 接觸器失效機理分析

高速動車某型三菱電磁接觸器的主要結構示意圖如圖1所示。接觸器線圈通電產生電磁吸力F,吸引動鐵心帶動動觸點向下運動,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第一次接觸的時間稱為吸合時間t,吸合時間內動觸點移動的距離為觸點開距X。動靜觸點接觸后,動鐵心在F作用下繼續向下運動直到動靜鐵心完全閉合,吸合過程結束。

圖1 接觸器結構示意圖

觸點是接觸器的關鍵部位,在接觸器工作過程中,觸點間燃弧會侵蝕觸點造成其表面材料損失,使觸點開距和觸點壓力發生變化,嚴重時導致觸點發生斷開或粘接失效,接觸失效是接觸器的主要失效模式[8,9]。

如圖2a所示,正常狀態下觸點表面光滑,觸點斷開情況下觸點開距X0處于正常范圍內。

圖2 不同狀態下觸點表面示意圖

由圖2b可知,當蒸發汽化侵蝕導致觸點材料向周圍飛濺、蒸發發生轉移后,觸點開距隨之增大,當觸點開距增大到一定程度時接觸壓力無法保證觸點穩定接觸或斷開,接觸器失效。

2.2 接觸器性能退化模型

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

F-Ff=Ma

(1)

式中,M為整體系統的質量;a為整體系統向下運動的加速度。

動觸點運動初速度為零,得到運動位移與時間關系式

(2)

式中,xd為動觸點運動位移;td為動觸點運動時間。

當動靜觸點第一次接觸時,動觸點位移為觸點開距X,運動時間為吸合時間t,即

(3)

再由式(1)可得:

(4)

當觸點開距由于觸點材料轉移發生改變時,電磁吸力、彈簧反力和整體質量均不發生改變,由式(4)可知當觸點開距增大時,吸合時間增大,吸合時間和觸點開距存在比例關系

t=f(X)

(5)

由以上分析可知,接觸器吸合時間和觸點開距存在聯系,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。

接觸器觸點失效過程實質上是材料轉移造成觸點損傷逐漸累積的過程。接觸器動作產生的燃弧使觸點材料逐漸轉移,致使損失材料的觸點端出現凹坑,隨著接觸器動作次數增加,觸點凹坑變大,觸點開距隨之增大。當觸點開距增大到極限值時,觸點對無法可靠接觸或斷開,觸點失效。因此根據疲勞累積損傷原理,觸點開距退化率模型[10]為

(6)

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

對式(6)進行積分求解,可以得到觸點開距的退化模型為

(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,得到修正后的觸點開距退化模型為

(8)

式中,X0為與觸點開距有關的初值。

由式(5)和式(8)可以推導出基于吸合時間的性能退化模型為

(9)

吸合時間與觸點開距的具體函數關系需要通過建立接觸器仿真模型進一步確定。

3 高速動車電磁接觸器仿真研究

3.1 接觸器電磁機構動態仿真

根據接觸器實際尺寸進行三維建模,將模型電磁機構部分導入有限元軟件進行電磁動態仿真[11]。接觸器電磁機構模型如圖3所示。首先設置求解器為瞬態場,賦予模型材料屬性并進行網格劃分,為動鐵心施加反力特性,為線圈添加電壓激勵,最后定義動鐵心運動機械屬性,進行仿真分析。

圖3 接觸器電磁模型

線圈電流-時間特性仿真和試驗結果如圖4所示,其中試驗結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果非常接近試驗結果,驗證了接觸器電磁機構動態仿真正確性。

圖4 線圈電流-時間特性仿真和試驗結果

3.2 接觸器動力學仿真

通過接觸器電磁機構的動態仿真得到電磁吸力的仿真數據,將其導入接觸器動力學仿真模型中進行下一步分析。如圖5所示,在ADAMS中建立接觸器動力學模型。動力學模型包括觸頭系統、電磁機構和支架三部分,其中觸頭系統包括主動靜觸點、主觸點彈簧、輔助動靜觸點和輔助觸點彈簧;電磁機構包括動靜鐵心、反力彈簧和線圈。

圖5 電磁接觸器動力學仿真模型

首先為ADAMS模型添加約束,根據實測數據添加質量特性,將電磁吸力數據通過樣條函數施加到動鐵心上,進行動力學仿真[12,13]。觸點開距為5.50 mm時,主動觸點位移-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 主動觸點位移-時間特性仿真曲線

通過改變觸點開距仿真參數,得到11 組仿真數據,見表1。

表1 不同觸點開距下的吸合時間

根據上表仿真數據,利用最小二乘法進行擬合,得到吸合時間與觸點開距的函數關系:

t=12.5545X-28.7141

(10)

由式(9)和式(10)可推導出基于吸合時間的性能退化模型表達式為

28.7141(m<0)

(11)

4 高速動車電磁接觸器性能試驗研究

4.1 接觸器性能試驗測試系統

為了得到性能退化模型的未知參數值和累計燃弧能量的表達式,需要獲取吸合時間和累積燃弧能量的試驗數據。設計搭建電磁接觸器性能試驗測試系統,實現對接觸器的線圈電流、觸點電流電壓信號的實時采集和性能參數退化數據的實時計算。

接觸器性能試驗測試系統如圖7所示,主要包括上位機測試軟件、程控電源、電源柜、電壓與電流傳感器、電阻負載、數據采集器、被測接觸器和冷卻風扇。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過數據采集器傳輸至上位機進行處理。

圖7 接觸器性能試驗測試系統

試驗時接觸器吸合過程動態波形如圖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波形

圖9 接觸器閉合過程中的動態波形

(12)

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

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的退化數據,基于LabVIEW軟件設計了接觸器性能測試軟件。測試軟件采集電壓電流信號后,對信號進行實時處理得到吸合時間和累積燃弧能量隨接觸器動作次數變化的退化數據。本型號接觸器壽命長達幾十萬次,為減少退化數據量和去除異常值,對退化數據進行分段平均和野值剔除,每100 個數據取平均值作為代表,前20萬次的吸合時間退化數據如圖10所示,累積燃弧能量退化數據如圖11所示。

圖10 吸合時間退化數據

圖11 累積燃弧能量退化數據

選取五種典型回歸方程對累積燃弧能量退化數據進行擬合,用擬合優度R2表示擬合效果,建立累積燃弧能量隨動作次數變化的模型ψ(N),擬合結果見表2。

表2 累積燃弧能量模型擬合優度

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

ψ(N)=1.2794×10-8N2+0.0545N+134.1172

(13)

4.2 接觸器性能退化模型參數計算

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

圖12 吸合時間退化數據趨勢項提取方法

將退化數據進行多層小波分解與重構。根據圖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信號,高頻信號序列可看作零均值平穩序列。為了保證高頻信號序列不含有用的低頻信號,每次分解重構后對高頻信號序列進行零均值和平穩性檢驗。

當高頻信號序列滿足檢驗時,說明其不含低頻信號,繼續進行下一層小波分解;直到高頻信號序列不滿足零均值與平穩性檢驗時,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。接觸器試品前20萬次的吸合時間退化趨勢項如圖13所示。

圖13 吸合時間退化數據趨勢項

y=β0x+β1

(14)

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

表3 性能退化模型擬合優度

由表3可知,當m=-0.001時,性能退化模型的擬合優度最接近1,擬合程度最好,此時計算得到參數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測

在利用接觸器前期試驗數據計算得到性能退化模型表達式后,為了對性能退化模型的壽命預測效果進行驗證,繼續試驗直到接觸器失效,得到接觸器全壽命周期試驗數據。

如圖14所示,當動作次數達到2.944×105次時,吸合時間退化趨勢加劇,并且此時出現噪聲及異味,判斷接觸器發生失效。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測接觸器的使用壽命為2.88927×105次,預測誤差為1.86 %。

圖14 吸合時間全壽命周期退化趨勢項

接觸器剩余壽命S=2.88927×105-N,由式(15)進一步得到接觸器性能退化模型表達式為

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

(16)

為驗證性能退化模型的剩余壽命預測效果,采用廣泛應用的回歸預測模型作為對比。利用傳統回歸方程對接觸器試品前20萬次試驗數據進行擬合得到三種回歸方程的剩余壽命預測模型,如表4所示。

表4 回歸方程剩余壽命預測模型

取接觸器試品后期9.44×104次試驗數據為檢驗樣本。如表5所示,以0.05ms吸合時間為間隔共取15 組驗證數據。

表5 接觸器剩余壽命實際值

在相同的驗證樣本下,分別采用性能退化模型和三種回歸預測模型對接觸器剩余壽命進行預測,預測結果如圖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 不同預測模型下預測結果的誤差

圖15 不同預測模型下接觸器剩余壽命預測結果

圖16 不同預測模型下預測結果的相對誤差

從表6中可以看出,性能退化模型對接觸器剩余壽命預測結果的誤差優于傳統回歸退化預測模型。與傳統回歸退化預測模型相比,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。結果表明性能退化模型相較于傳統回歸預測模型有效提高了高速動車接觸器剩余壽命預測精度,具有較高的使用價值。

6 結論

本文針對高速動車電磁接觸器的剩余壽命預測問題,在分析接觸器失效機理和建立接觸器電磁和動力學仿真模型的基礎上,提出并建立了基于吸合時間的接觸器性能退化模型。設計接觸器性能試驗測試系統對接觸器進行性能退化測試,得到接觸器全壽命周期試驗數據。利用接觸器前20萬次退化數據計算得到了性能退化模型的未知參數;同時建立廣泛應用的回歸退化預測模型與之對比預測效果。通過檢驗樣本對性能退化模型和回歸退化預測模型的剩余壽命預測效果進行檢驗。結果顯示,性能退化模型的剩余壽命預測結果誤差最小,在11%以下,預測精度最高。綜上所述,本文建立的高速動車接觸器性能退化模型能夠對接觸器剩余壽命進行準確預測,對合理規劃接觸器檢修和更換周期,保證高速動車運行可靠性和降低運維成本具有重要意義。