基于主元分析和距離判別分析的電磁繼電器接觸失效機理判別方法

基于主元分析和距離判別分析的電磁繼電器接觸失效機理判別方法

1基于摩擦接觸狀態(tài)的接觸失效分析方法磁體振動器具有轉(zhuǎn)換深度大、輸出控制大的優(yōu)點。廣泛應用于工業(yè)、國防、武器裝備、航空航天等領域。其他電子開關和設備很難被其他開關和設備取代。電磁繼電器的觸點是最易侵蝕破壞的部位,其故障率占總故障率的80%以上。因此,研究電磁繼電器接觸失效機理的判別方法,對于了解產(chǎn)品退化過程,改進產(chǎn)品設計、制造工藝,繼而提高產(chǎn)品可靠性具有重要的指導意義。繼電器分斷和閉合過程產(chǎn)生的電弧對觸點的侵蝕是造成其接觸失效的主要原因。以往接觸失效機理分析,一般是在失效后直接用肉眼或借助光學顯微鏡、電子掃描顯微鏡(SEM)等儀器設備對觸點表面進行觀測研究。該方法能獲得內(nèi)在失效原因,但忽略了運行過程中的接觸特性退化信息,沒有定量評價退化過程,有時也因客觀條件限制無法操作。雖然基于動態(tài)接觸電阻測量的觸點失效方法實現(xiàn)了觸點失效的在線監(jiān)測和預測,但僅分析單個參數(shù)在研究具體失效機理和通用性方面存在不足。從理論上對電器電極侵蝕量進行建模也是進行接觸失效分析的一種手段。由于結(jié)構(gòu)參數(shù)、觸點材料以及環(huán)境條件等眾多因素的影響,加上電弧侵蝕機理本身的復雜性,建立統(tǒng)一的精確數(shù)學模型還存在較大的難度。近年來,模糊理論、專家系統(tǒng)逐漸應用于斷路器的故障診斷及壽命評價,這些方法通用性和可操作性強,已經(jīng)取得了一定的實際效果,但仍處于初步研究階段,其有效性需進一步研究驗證。事實上,電弧引起的材料轉(zhuǎn)移會導致繼電器觸點之間有效間隙發(fā)生不同的變化,從而引起不同類型接觸失效。研究表明,正確記錄繼電器吸合時間、釋放時間、觸點壓力等特性參數(shù)的變化可有效地判定接觸失效機理。利用這一特性,本文首先對多只密封電磁繼電器試驗樣品進行了可靠性壽命試驗,記錄了整個試驗過程各試驗樣品接觸電阻、吸合時間、超程時間、彈跳時間等特性參數(shù)的變化趨勢。根據(jù)不同失效機理下特性參數(shù)的變化特征不同(分散性大、隨機性強、相關性強),本文提出采用主元分析(PrincipalComponentAnalysis,PCA)方法對多維特性參數(shù)數(shù)據(jù)進行降維預處理,消除彼此的冗余信息及干擾信息。從降維后的數(shù)據(jù)中提取相應數(shù)學特征并按失效機理不同進行分類,構(gòu)成原始的類型判別訓練樣本。在每種類型的樣本符合一定的概率分布情況下,采用距離判別方法計算新試驗樣本與各類訓練樣本的馬氏距離,通過比較馬氏距離大小確定該樣本的失效類型。上述方法為電磁繼電器接觸失效機理判別提供了一條新途徑。2繼電器摩擦失效機理如前所述,材料轉(zhuǎn)移(從一個觸點向?qū)Ψ交蛑車h(huán)境中轉(zhuǎn)移)是導致觸點間隙和超額行程(簡稱“超程”)發(fā)生改變的主要原因。材料轉(zhuǎn)移方向、形狀及質(zhì)量受繼電器觸點材料、負載條件、環(huán)境氣體以及機械特性等多因素的影響,因此,材料轉(zhuǎn)移對觸點表面破壞形式多樣,會引起多種不同類型的接觸失效。圖1為正常狀態(tài)和幾種不同失效機理下繼電器觸點表面形態(tài)示意圖,每個分圖左邊為動觸點,右邊則為靜觸點,圖中假設靜觸點損耗材料,動觸點接收材料。在正常狀態(tài)下,觸點對表面都相對比較平滑,觸點間隙和超程在正常范圍內(nèi),如圖1a所示。當損耗材料大部分向周圍環(huán)境轉(zhuǎn)移或者分布在對方接觸斑點周圍比較寬的范圍內(nèi)時,觸點間隙增大,超程減小,極限情況是超程變?yōu)榱?閉合時觸點對無法接觸,出現(xiàn)“磨損”失效,如圖1b所示。和磨損失效相反,當損耗材料集中堆積于對方觸點表面某區(qū)域形成一個穩(wěn)定鼓包時,觸點間隙減小。當整個間隙被填充時,斷開時觸點對仍有接觸,出現(xiàn)“橋接”失效,如圖1c所示。另外,有時接收材料和損耗材料總量、方向大致相同,觸點間隙及超程和正常狀態(tài)相比變化不大。但此時觸點燒蝕嚴重,表面粗糙且沉積了各種污染物,導致接觸壓降增大,最終引起“污染”失效,如圖1d所示。3主要成本分析和距離評價的原理3.1特征矢量的標準化主元分析是一種常用的特征提取方法,已廣泛應用于傳感器、凝汽器故障診斷中。其基本思想是通過對原始數(shù)據(jù)進行線性變換,變換后的數(shù)據(jù)即主元具有較低的維數(shù)但能最多地反映原始數(shù)據(jù)信息。對于數(shù)據(jù)矩陣Xn×m,每一列xi對應一個特征矢量,每一行為觀測樣本,可表示為式中ti——得分矢量;pi——負荷矢量。得分矢量和負荷矢量都是兩兩正交的。每個得分矢量實際是X在與此得分矢量相應的負荷矢量方向上的投影,也就是通常所說的主元,可表示為對矩陣進行主元分析實質(zhì)上就是對X的協(xié)方差矩陣進行特征矢量分析。實際分析中,當X的特征矢量量綱不同或數(shù)量級差別較大時,一般需采用式(3)對其進行標準化處理,即使X的特征矢量均值為0,方差為1。標準化后得到矩陣Y,其協(xié)方差矩陣可表示為3.2回代估計法簡介設總體G為l維總體,其數(shù)量指標為Z=(Z1,Z2,…,Zl)T。令μi=E(Zi),i=1,2,…,l,總體G的均值矢量為μ=(μ1,μ2,…,μl)T,協(xié)方差矩陣∑=cov(G)=E[(G-μ)(G-μ)T]。則樣本z=(z1,z2,…,zl)T與總體G的馬氏距離定義為設有k個l維總體:G1,G2,…,Gk,均值矢量分別為μ1,μ2,…,μk,協(xié)方差矩陣分別為∑1,∑2,…,∑k,考察樣本z和各總體的距離d(z,Gj),若滿足則判定z∈Gj0。在實際問題中,各總體的均值矢量μ1,μ2,…,μk和協(xié)方差矩陣∑1,∑2,…,∑k都是未知的,可利用總體的訓練樣本做估計。估計方法可參考文獻。距離判別準則提出后,需要考察它的優(yōu)良性。本文采用回代估計法計算誤判率。以兩總體G1和G2為例,設兩個總體的容量分別為n1和n2,以全體訓練樣本為n1+n2個新樣本,逐個代入已建立的的判別準則中判別其歸屬,這個過程稱為回判?；嘏薪Y(jié)果見表1。n12表示將屬于G1的樣本誤判為總體G2的個數(shù);n21表示將屬于G2的樣本誤判為總體G1的個數(shù);n11和n22表示回判正確的個數(shù)。誤判率η的回代估計為3.3各失效機理參數(shù)下的接觸機理在不同失效機理下,由于觸點間隙變化不同,勢必導致特性參數(shù)在各失效機理下變化趨勢不同,通過研究參數(shù)的變化規(guī)律可有效判別接觸失效機理。本文運用主元分析方法和距離判別分析對電磁電器接觸失效機理進行判別的過程如圖2所示。4試驗結(jié)果的分析4.1壽命試驗系統(tǒng)特性本文按表2試驗條件對15只密封繼電器進行了可靠性壽命試驗。在試驗過程中,利用筆者設計研制的壽命試驗系統(tǒng)可實時采集繼電器每次動作過程的線圈電流、觸點電壓、觸點壓降及觸點電流波形。根據(jù)波形數(shù)據(jù),計算了接觸電阻、吸合時間、釋放時間、超程時間、燃弧時間(分斷電弧)、彈跳時間等特性參數(shù)。每次計算得到的特性參數(shù)都會按動作次序保存管理,以便描述壽命試驗過程中特性參數(shù)的變化規(guī)律。4.2失效樣品的表征試驗結(jié)束后對所有樣品進行了開腔觀測,通過觀察觸點表面的燒蝕情況和測量絕緣電阻和接觸電阻(橋接失效下絕緣電阻為零),并綜合分析所測的特性參數(shù)變化趨勢,發(fā)現(xiàn)失效樣品出現(xiàn)了圖1所描述的磨損失效、橋接失效和污染失效。從各種失效機理下挑選了變化趨勢比較明顯且相關性較強的各特性參數(shù)變化規(guī)律作為典型變化規(guī)律,如圖3~圖5所示。4.3特性參數(shù)特性變化的標準化多個特性參數(shù)的選取,有利于準確、全面地掌握觸點的接觸特性變化,但試驗結(jié)果也表明,同種失效機理下不同失效樣品的特性參數(shù)變化規(guī)律并不完全和圖3~圖5顯示的典型變化規(guī)律吻合,有些參數(shù)因受多種因素共同影響其變化規(guī)律較復雜。此時,綜合分析所有參數(shù)的變化趨勢對其進行歸類可操作性不強?？紤]到各特性參數(shù)之間存在一定的相關性,采用主元法對多維的特性參數(shù)進行降維處理,從中提取所有特性參數(shù)之間的相關性較強的特征進行分析。本文則以接觸電阻、吸合時間、釋放時間、超程時間、燃弧時間、彈跳時間等六個特性參數(shù)構(gòu)成數(shù)據(jù)矩陣Xn×6,其中n為動作次數(shù)。對X進行主元分析,得到各主元ti(i=1,2,…,6)。當各特性參數(shù)之間存在一定的相關性時,X的變化主要體現(xiàn)在前幾個主元上。圖6為計算得到的所有失效樣品第一主元、第二主元貢獻率。由圖可見,多數(shù)樣品二者的累計貢獻率已超過75%。對于變化隨機性較大的特性參數(shù)而言,第一主元和第二主元已能較強地綜合原始多維特性參數(shù)的變化信息。分別對圖3~圖5所示的特性參數(shù)典型變化進行標準化處理及主元分析,得到不同機理下特性參數(shù)的第一主元和第二主元如圖7~圖9所示。由圖可知,原始多維特性參數(shù)經(jīng)主元分析之后,更加清晰地反映不同失效機理下接觸特性變化特征。其中,第一主元的貢獻率最大,保持了特性參數(shù)之間的絕大部分相關性。由于各個特性參數(shù)的變化和觸點間隙的變化密切相關,而磨損失效、橋接失效和污染失效的主要區(qū)別是觸點間隙的變化趨勢不同。因此,各特性參數(shù)都存在和觸點間隙變化相關的信息,從而導致主要提取變量間相關信息的第一主元主要反映觸點間隙的變化。在忽略其他貢獻率較小主元的情況下,第二主元是原始信息和第一主元之間誤差信息的一種綜合體現(xiàn),反映了參數(shù)變化中不確定性和干擾因素。第二主元越大,說明變量變化的隨機性較強,受影響因素多。從圖7~圖9可看出,第一主元變化趨勢說明磨損失效下觸點間隙呈增大趨勢;橋接失效下觸點間隙呈減小趨勢;污染失效下失效前后觸點間隙變化不大。相對污染失效,磨損失效和橋接失效的第二主元幅值較小,說明在這兩種失效下特性參數(shù)變化受觸點間隙變化影響明顯,相關性較強,干擾因素少。為定量描述第一主元和第二主元的特性,定義平均梯度h如式(8)所示,其物理意義為壽命試驗過程后半階段主元的平均值與前半段平均值的矢量差。h符號代表變化趨勢,h大小代表變化幅度。從所有失效樣品的試驗數(shù)據(jù)中提取第一主元和第二主元平均梯度值按實際失效機理不同進行分類如圖10所示。顯而易見,不同機理的數(shù)據(jù)各有自己的聚類中心。在磨損失效和橋接失效下,第一主元平均梯度絕對值較大,但方向相反;第二主元的平均梯度絕對值較小。而在污染失效下,第二主元平均梯度值較大,各失效樣品相對分散地分布于磨損失效和污染失效之間。4.4訓練樣本結(jié)果分析由于試驗樣品的失效存在一定的統(tǒng)計特性,且失效機理之間并沒有明顯分界,采用統(tǒng)計分類中的距離判別分析方法對接觸失效機理進行判別。對于距離判別方法而言,關鍵在于確定原始的訓練樣本。本文以圖10顯示的15只試驗樣品特征值作為各失效總體原始訓練樣本。顯然,本文研究的電磁繼電器失效機理判別屬于三總體距離判別。設磨損失效、橋接失效、污染失效三種失效機理分別對應總體G1,G2,G3,確定第一、第二主元的平均梯度Z=[h1,h2]為總體的數(shù)量指標。計算各總體的均值矢量μi和協(xié)方差矩陣∑i如式(9)所示。當需要判別新樣本所屬類型時,按照式(6)的判別準則選擇最小馬氏距離的總體作為最終判別類型。各訓練樣本與各總體的距離及回判結(jié)果見表3。由表3可見,所有訓練樣本的回判結(jié)果和實際歸類一致,說明該判別準則是有效的。5工作特性分析結(jié)果(1)試驗結(jié)果表明電磁繼電器主要存在磨損失效、橋接失效和污染失效三種接觸失效機理。每種失效機理下接觸電阻、吸合時間、超程時間、彈跳時間等多個特性參數(shù)的變化特征各不相同,可作為判別失效機理的依據(jù)。(2)采用主元分析提取的第一、第二主元綜合了各特性參數(shù)的相關變化規(guī)律,分析結(jié)果表明,第一主元主要反映了繼電器觸點間隙的變化趨勢,而第二主元則主要體現(xiàn)參數(shù)變化受干擾因素影響強弱。主元的變化趨勢能更直觀地表明觸點接觸特性的退化過程。(3)距離判別方法具有自學習功能,新樣品數(shù)據(jù)可方便地加入原有訓練樣本中,隨著訓練樣本數(shù)的增多,判別精度會逐漸提高。該方法可推