接触器红外热成像故障预测实验分析

王军 李伟 俞跃 周继雯 叶超

摘  要： 針对电梯交流接触器易出现接触不良、老化、受潮等问题，提出使用红外热成像检测技术对其进行故障检测。通过模拟电梯运行情况，搭建了实验平台，实现对接触器运行情况的实时监测。通过大量实验，得到了接触器在受环境中灰尘、接线端松动、触头氧化及超负荷运行下的红外热特征图，能够较好地发现其异常情况。同时，为了对接触器剩余寿命进行提前预测，设计了加速寿命实验，通过中位迭次法及最小二乘法分析实验数据，采用威布尔分布模型获得了接触器在实验温度下的可靠度函数，并以90%的可靠度作为接触器在该温度下的剩余寿命，进而曲线拟合得到了接触器的剩余寿命与温度的关系函数，以此来对接触器在不同运行温度下的剩余寿命进行预测。实验结果能给电梯维保人员作业提供检测依据。

关键词： 故障预测; 红外热成像; 接触器; 运行监测; 剩余寿命预测; 实验分析

中图分类号： TN219?34                            文献标识码： A                       文章编号： 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

具体实验方法为：将接触器开始温度控制在40 ℃，每隔10 ℃依次往上增加温度值进行实验，以接触器的通断次数来判断接触器在该温度下是否容易失效。若接触器通断次数超过50万次还未损坏，则说明在该温度下接触器不易出现故障。

2） 第二阶段，取3组温度值在温度阈值之上，每组8个接触器进行实验，记录接触器在该温度值T下从正常状态到完全损坏的运行时间t。

3  实验及分析

3.1  发热机理红外分析

图2为接触器主要工作部分模型图。接触器因电流效应而发热，发热遵循焦耳定律[Q=I2Rt]，当接触器内部发热与外部散热达到热平衡时，其温度分布将不随时间变化。接触器内部发热的主要来源是其内部的接触电阻发热，接触电阻主要分为收缩电阻及膜层电阻。接触器工作时，上/下触点由于频繁的通断会产生收缩电阻，导致触头温度相对较高。同时由于长久的通断，触头处将逐渐氧化形成一层氧化层，导致发热严重。

据现场调研及以往接触器故障分析可知，接触器出现故障主要是由接线端松动、触头氧化、落入灰尘及超负荷运行导致的。如图3所示为接触器出现异常时的红外热特征图，通过其红外热特征图就能够方便地发现接触器异常情况及异常原因。

3.2  剩余寿命预测

3.2.1  求取威布尔可靠度函数

通过第一阶段的实验发现接触器温度在90 ℃以下通断次数超过50万次都不会损坏，当温度高于90 ℃时通断次数在50万次以内损坏。因此，接触器容易出现故障的温度阈值取90 ℃。

根据第一阶段获得的温度阈值，设计第二阶段的温度值依次为110 ℃，130 ℃及150 ℃，其实验数据统计结果如表1所示。使用中位秩次法求得的威布尔分布函数值如表2所示。

将表2中的数据使用最小二乘法拟合，得到[y]与[x]的函数关系，如图4所示。

[y]与[x]的拟合方程如表3所示，其[R2] 均大于0.9，說明拟合曲线效果较好。

根据最小二乘法拟合方程可得到接触器在不同运行温度下的威布尔分布函数，进而可知其威布尔分布可靠度函数为：

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

3.2.2  接触器剩余寿命预测

本文选取90%的可靠度作为接触器达到该温度时的剩余寿命，计算结果如表4所示。

再次利用最小二乘法获得接触器的剩余寿命与不同温度时的关系，如图5所示。

其拟合得到的接触器剩余寿命预测函数为：

[Δt=-8.15T+1 296]          （7）

式中：T>90 ℃，因为接触器温度在90 ℃以下基本不会损坏。由剩余寿命预测公式可得到知接触器温度接近160 ℃时很快就损坏，与实际实验情况相符。图6为接触器损毁实物图。

4结  论

本文使用红外检测技术对接触器异常情况进行检测，有效克服了传统检测方法需停机、效率低的缺点。通过大量实验，得到接触器在受环境中灰尘、接线端松动、触头氧化及超负荷运行下的红外热特征图，能够较好地发现其异常情况。

本文使用中位秩次法及最小二乘法分析实验数据，得到威布尔分布模型，进而得到接触器在不同温度下的可靠度函数，并以90%的可靠度作为接触器在该温度下的剩余寿命，进而曲线拟合得到了接触器的剩余寿命与温度的关系函数，利用该剩余寿命预测函数能够预测接触器在不同的运行温度下的剩余寿命。

本文在对触器剩余寿命预测上，由于时间的原因，实验的数量还是过少，同时该实验中的接触器为正泰CJX2?1210，其他接触器由于在材料、构造等方面的不同，其实验结果可能存在些许误差。因此，对接触器红外检测方面还有待进一步研究及完善。

注：本文通讯作者为俞跃。

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