高速动车接触器性能退化模型建立与寿命预测

陈春俊,昝健华

(1. 西南交通大学机械工程学院,四川 成都 610031;2. 轨道交通运维技术与装备四川省重点实验室,四川 成都 610031)

1 引言

近年来我国高速铁路发展迅速,高速动车组在运营里程、开行列数和载客数量等方面都处于世界前列,为我国经济和社会的快速发展提供了坚实的保障[1]。电磁接触器是动车组的关键电气部件,广泛应用于动车组的配电柜和牵引变流器等设备中。随着动车运营里程增加,接触器触点由于燃弧侵蚀产生的损耗逐渐累积,长此以往将导致接触器性能不断退化,直至失效[2,3]。一旦接触器发生失效,将会影响动车的正常运行。接触器电气可靠性难以在线监测,目前一般采取提前更换接触器的方式来保障动车的可靠运行,造成很大的浪费。因此进行接触器剩余寿命预测研究,从科学的角度预测接触器剩余寿命,合理规划接触器检修和更换周期,对保证高速动车运行可靠性和降低运维成本具有重要意义。

针对接触器等开关电器的可靠性评估和剩余寿命预测等问题,国内外已有较多研究成果。李志刚[4]等将继电器超程时间作为输入变量,建立基于相空间重构的RBF神经网络预测模型,实现对继电器的寿命预测。焦通[5]等对交流接触器接触电阻数据进行小波包变换,建立灰色预测模型,实现交流接触器剩余寿命预测。李奎[6]等以交流接触器的退化参数累积燃弧能量和吸合时间为基础,建立了基于MIV-BP神经网络的寿命预测模型,实现接触器剩余寿命预测。姚芳[7]等基于模糊概率加权移动预测模型,对静态接触电阻和弹跳时间进行分析,实现对继电器触点接触性能的预测。目前针对接触器的剩余寿命预测研究大多只是将退化参数数据输入到数据驱动模型中进行预测,没有将接触器失效机理与退化数据结合起来分析,剩余寿命预测方法仍需改进。

本文将在研究接触器失效机理的基础上推导触点间距退化模型,对接触器进行电磁和动力学仿真得到吸合时间与触点间距的函数关系,进一步确定基于吸合时间的性能退化模型;设计并搭建性能试验测试系统,通过性能测试软件实时计算接触器性能参数退化数据;利用退化数据计算性能退化模型未知参数并对其剩余寿命预测效果进行验证。

2 电磁接触器性能退化模型建立

2.1 接触器失效机理分析

高速动车某型三菱电磁接触器的主要结构示意图如图1所示。接触器线圈通电产生电磁吸力F,吸引动铁心带动动触点向下运动,反力弹簧提供向上的弹簧反力Ff。从线圈开始通电到动静触点第一次接触的时间称为吸合时间t,吸合时间内动触点移动的距离为触点开距X。动静触点接触后,动铁心在F作用下继续向下运动直到动静铁心完全闭合,吸合过程结束。

图1 接触器结构示意图

触点是接触器的关键部位,在接触器工作过程中,触点间燃弧会侵蚀触点造成其表面材料损失,使触点开距和触点压力发生变化,严重时导致触点发生断开或粘接失效,接触失效是接触器的主要失效模式[8,9]。

如图2a所示,正常状态下触点表面光滑,触点断开情况下触点开距X0处于正常范围内。

图2 不同状态下触点表面示意图

由图2b可知,当蒸发汽化侵蚀导致触点材料向周围飞溅、蒸发发生转移后,触点开距随之增大,当触点开距增大到一定程度时接触压力无法保证触点稳定接触或断开,接触器失效。

2.2 接触器性能退化模型

接触器吸合时间运动过程中,动铁心、支架、动触点和触点弹簧保持相对静止,可以看作一个整体系统,系统受到向下的电磁吸力F和向上的弹簧反力Ff,根据牛顿第二定律

F-Ff=Ma

(1)

式中,M为整体系统的质量;a为整体系统向下运动的加速度。

动触点运动初速度为零,得到运动位移与时间关系式

(2)

式中,xd为动触点运动位移;td为动触点运动时间。

当动静触点第一次接触时,动触点位移为触点开距X,运动时间为吸合时间t,即

(3)

再由式(1)可得:

(4)

当触点开距由于触点材料转移发生改变时,电磁吸力、弹簧反力和整体质量均不发生改变,由式(4)可知当触点开距增大时,吸合时间增大,吸合时间和触点开距存在比例关系

t=f(X)

(5)

由以上分析可知,接触器吸合时间和触点开距存在联系,因此可以将吸合时间作为反映接触器退化过程的性能参数。

接触器触点失效过程实质上是材料转移造成触点损伤逐渐累积的过程。接触器动作产生的燃弧使触点材料逐渐转移,致使损失材料的触点端出现凹坑,随着接触器动作次数增加,触点凹坑变大,触点开距随之增大。当触点开距增大到极限值时,触点对无法可靠接触或断开,触点失效。因此根据疲劳累积损伤原理,触点开距退化率模型[10]为

(6)

式中,X为触点开距;N为接触器动作次数;A为电蚀系数,表示燃弧能量对触点开距的影响;m为退化系数,表示触点开距对触点退化速率的影响,由文献[10]可知,触点开距越大,其增长速率越慢,因此m<0;W(N)表示燃弧能量和动作次数的函数关系。

对式(6)进行积分求解,可以得到触点开距的退化模型为

(7)

式中,ψ(N)为累积燃弧能量。

接触器触点开距初值存在差异,需要将其考虑在模型中,得到修正后的触点开距退化模型为

(8)

式中,X0为与触点开距有关的初值。

由式(5)和式(8)可以推导出基于吸合时间的性能退化模型为

(9)

吸合时间与触点开距的具体函数关系需要通过建立接触器仿真模型进一步确定。

3 高速动车电磁接触器仿真研究

3.1 接触器电磁机构动态仿真

根据接触器实际尺寸进行三维建模,将模型电磁机构部分导入有限元软件进行电磁动态仿真[11]。接触器电磁机构模型如图3所示。首先设置求解器为瞬态场,赋予模型材料属性并进行网格划分,为动铁心施加反力特性,为线圈添加电压激励,最后定义动铁心运动机械属性,进行仿真分析。

图3 接触器电磁模型

线圈电流-时间特性仿真和试验结果如图4所示,其中试验结果是在与仿真相同激励条件下的接触器测量得到,线圈电流-时间特性曲线的仿真结果非常接近试验结果,验证了接触器电磁机构动态仿真正确性。

图4 线圈电流-时间特性仿真和试验结果

3.2 接触器动力学仿真

通过接触器电磁机构的动态仿真得到电磁吸力的仿真数据,将其导入接触器动力学仿真模型中进行下一步分析。如图5所示,在ADAMS中建立接触器动力学模型。动力学模型包括触头系统、电磁机构和支架三部分,其中触头系统包括主动静触点、主触点弹簧、辅助动静触点和辅助触点弹簧;电磁机构包括动静铁心、反力弹簧和线圈。

图5 电磁接触器动力学仿真模型

首先为ADAMS模型添加约束,根据实测数据添加质量特性,将电磁吸力数据通过样条函数施加到动铁心上,进行动力学仿真[12,13]。触点开距为5.50 mm时,主动触点位移-时间特性Adams仿真曲线如图6所示,可以得到吸合时间为40.32 ms。

图6 主动触点位移-时间特性仿真曲线

通过改变触点开距仿真参数,得到11 组仿真数据,见表1。

表1 不同触点开距下的吸合时间

根据上表仿真数据,利用最小二乘法进行拟合,得到吸合时间与触点开距的函数关系:

t=12.5545X-28.7141

(10)

由式(9)和式(10)可推导出基于吸合时间的性能退化模型表达式为

28.7141(m<0)

(11)

4 高速动车电磁接触器性能试验研究

4.1 接触器性能试验测试系统

为了得到性能退化模型的未知参数值和累计燃弧能量的表达式,需要获取吸合时间和累积燃弧能量的试验数据。设计搭建电磁接触器性能试验测试系统,实现对接触器的线圈电流、触点电流电压信号的实时采集和性能参数退化数据的实时计算。

接触器性能试验测试系统如图7所示,主要包括上位机测试软件、程控电源、电源柜、电压与电流传感器、电阻负载、数据采集器、被测接触器和冷却风扇。通过程控电源控制接触器线圈周期性通断,由传感器测试电流电压信号经过数据采集器传输至上位机进行处理。

图7 接触器性能试验测试系统

试验时接触器吸合过程动态波形如图8所示,可以计算得到本次动作过程的吸合时间;闭合过程动态波形如图9所示,可以得到动作过程的燃弧时间。接触器每次动作过程中燃弧能量的计算公式为

图8 接触器吸合过程中的动态波形

图9 接触器闭合过程中的动态波形

(12)

式中,W1为燃弧能量;t1为燃弧时间;U为触点电压,I为触点电流。由式(12)可以计算得到本次动作过程产生的燃弧能量。

为了得到退化过程中接触器吸合时间和燃弧能量特征参数的退化数据,基于LabVIEW软件设计了接触器性能测试软件。测试软件采集电压电流信号后,对信号进行实时处理得到吸合时间和累积燃弧能量随接触器动作次数变化的退化数据。本型号接触器寿命长达几十万次,为减少退化数据量和去除异常值,对退化数据进行分段平均和野值剔除,每100 个数据取平均值作为代表,前20万次的吸合时间退化数据如图10所示,累积燃弧能量退化数据如图11所示。

图10 吸合时间退化数据

图11 累积燃弧能量退化数据

选取五种典型回归方程对累积燃弧能量退化数据进行拟合,用拟合优度R2表示拟合效果,建立累积燃弧能量随动作次数变化的模型ψ(N),拟合结果见表2。

表2 累积燃弧能量模型拟合优度

由表2可知,抛物线模型的拟合优度最接近1,拟合程度最好,因此累积燃弧能量与动作次数的模型为:

ψ(N)=1.2794×10-8N2+0.0545N+134.1172

(13)

4.2 接触器性能退化模型参数计算

由图10和11可知,累积燃弧能量退化数据趋势较为平滑,而吸合时间退化数据存在一些干扰噪声,因此提取吸合时间退化数据趋势项以减少无关噪声影响[14]。如图12所示,采用小波分析和平稳序列检验的方法提取趋势项。

图12 吸合时间退化数据趋势项提取方法

将退化数据进行多层小波分解与重构。根据图12可知每层小波分解后会得到一组低频趋势信号和高频随机信号,高频信号序列可看作零均值平稳序列。为了保证高频信号序列不含有用的低频信号,每次分解重构后对高频信号序列进行零均值和平稳性检验。

当高频信号序列满足检验时,说明其不含低频信号,继续进行下一层小波分解;直到高频信号序列不满足零均值与平稳性检验时,说明此时高频信号序列已包含低频信号信息,上一层小波分解得到的低频信号即为所需趋势项。接触器试品前20万次的吸合时间退化趋势项如图13所示。

图13 吸合时间退化数据趋势项

y=β0x+β1

(14)

通过线性拟合计算得到参数β0、β1以及对应的拟合优度R2,令m的取值范围为[-10,0],得到对应的拟合优度如表3所示。

表3 性能退化模型拟合优度

由表3可知,当m=-0.001时,性能退化模型的拟合优度最接近1,拟合程度最好,此时计算得到参数β0=1.8109×10-4,β1=39.8017,由式(13)和(14)可以得到性能退化模型表达式为:

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

(15)

5 高速动车电磁接触器剩余寿命预测

在利用接触器前期试验数据计算得到性能退化模型表达式后,为了对性能退化模型的寿命预测效果进行验证,继续试验直到接触器失效,得到接触器全寿命周期试验数据。

如图14所示,当动作次数达到2.944×105次时,吸合时间退化趋势加剧,并且此时出现噪声及异味,判断接触器发生失效。接触器最终寿命为2.944×105次,此时吸合时间失效阈值为42.84 ms。将吸合时间失效阈值代入式(15)性能退化模型中可以预测接触器的使用寿命为2.88927×105次,预测误差为1.86 %。

图14 吸合时间全寿命周期退化趋势项

接触器剩余寿命S=2.88927×105-N,由式(15)进一步得到接触器性能退化模型表达式为

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

(16)

为验证性能退化模型的剩余寿命预测效果,采用广泛应用的回归预测模型作为对比。利用传统回归方程对接触器试品前20万次试验数据进行拟合得到三种回归方程的剩余寿命预测模型,如表4所示。

表4 回归方程剩余寿命预测模型

取接触器试品后期9.44×104次试验数据为检验样本。如表5所示,以0.05ms吸合时间为间隔共取15 组验证数据。

表5 接触器剩余寿命实际值

在相同的验证样本下,分别采用性能退化模型和三种回归预测模型对接触器剩余寿命进行预测,预测结果如图15所示,其相对误差如图16所示,不同表示方法下的误差见表6。

表6 不同预测模型下预测结果的误差

图15 不同预测模型下接触器剩余寿命预测结果

图16 不同预测模型下预测结果的相对误差

从表6中可以看出,性能退化模型对接触器剩余寿命预测结果的误差优于传统回归退化预测模型。与传统回归退化预测模型相比,性能退化模型的最大绝对误差、平均绝对误差、最大相对误差与平均相对误差均为最小,且最大相对误差为10.98 %,在11 %以下。结果表明性能退化模型相较于传统回归预测模型有效提高了高速动车接触器剩余寿命预测精度,具有较高的使用价值。

6 结论

本文针对高速动车电磁接触器的剩余寿命预测问题,在分析接触器失效机理和建立接触器电磁和动力学仿真模型的基础上,提出并建立了基于吸合时间的接触器性能退化模型。设计接触器性能试验测试系统对接触器进行性能退化测试,得到接触器全寿命周期试验数据。利用接触器前20万次退化数据计算得到了性能退化模型的未知参数;同时建立广泛应用的回归退化预测模型与之对比预测效果。通过检验样本对性能退化模型和回归退化预测模型的剩余寿命预测效果进行检验。结果显示,性能退化模型的剩余寿命预测结果误差最小,在11%以下,预测精度最高。综上所述,本文建立的高速动车接触器性能退化模型能够对接触器剩余寿命进行准确预测,对合理规划接触器检修和更换周期,保证高速动车运行可靠性和降低运维成本具有重要意义。