基于主元分析和距離判別分析的電磁繼電器接觸失效機(jī)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(jī)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(dòng)器具有轉(zhuǎn)換深度大、輸出控制大的優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防、武器裝備、航空航天等領(lǐng)域。其他電子開關(guān)和設(shè)備很難被其他開關(guān)和設(shè)備取代。電磁繼電器的觸點(diǎn)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(jī)理的判別方法,對(duì)于了解產(chǎn)品退化過程,改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝,繼而提高產(chǎn)品可靠性具有重要的指導(dǎo)意義。繼電器分?jǐn)嗪烷]合過程產(chǎn)生的電弧對(duì)觸點(diǎn)的侵蝕是造成其接觸失效的主要原因。以往接觸失效機(jī)理分析,一般是在失效后直接用肉眼或借助光學(xué)顯微鏡、電子掃描顯微鏡(SEM)等儀器設(shè)備對(duì)觸點(diǎn)表面進(jìn)行觀測研究。該方法能獲得內(nèi)在失效原因,但忽略了運(yùn)行過程中的接觸特性退化信息,沒有定量評(píng)價(jià)退化過程,有時(shí)也因客觀條件限制無法操作。雖然基于動(dòng)態(tài)接觸電阻測量的觸點(diǎn)失效方法實(shí)現(xiàn)了觸點(diǎn)失效的在線監(jiān)測和預(yù)測,但僅分析單個(gè)參數(shù)在研究具體失效機(jī)理和通用性方面存在不足。從理論上對(duì)電器電極侵蝕量進(jìn)行建模也是進(jìn)行接觸失效分析的一種手段。由于結(jié)構(gòu)參數(shù)、觸點(diǎn)材料以及環(huán)境條件等眾多因素的影響,加上電弧侵蝕機(jī)理本身的復(fù)雜性,建立統(tǒng)一的精確數(shù)學(xué)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(yīng)用于斷路器的故障診斷及壽命評(píng)價(jià),這些方法通用性和可操作性強(qiáng),已經(jīng)取得了一定的實(shí)際效果,但仍處于初步研究階段,其有效性需進(jìn)一步研究驗(yàn)證。事實(shí)上,電弧引起的材料轉(zhuǎn)移會(huì)導(dǎo)致繼電器觸點(diǎn)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(shí)間、釋放時(shí)間、觸點(diǎn)壓力等特性參數(shù)的變化可有效地判定接觸失效機(jī)理。利用這一特性,本文首先對(duì)多只密封電磁繼電器試驗(yàn)樣品進(jìn)行了可靠性壽命試驗(yàn),記錄了整個(gè)試驗(yàn)過程各試驗(yàn)樣品接觸電阻、吸合時(shí)間、超程時(shí)間、彈跳時(shí)間等特性參數(shù)的變化趨勢。根據(jù)不同失效機(jī)理下特性參數(shù)的變化特征不同(分散性大、隨機(jī)性強(qiáng)、相關(guān)性強(qiáng)),本文提出采用主元分析(PrincipalComponentAnalysis,PCA)方法對(duì)多維特性參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維預(yù)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(yīng)數(shù)學(xué)特征并按失效機(jī)理不同進(jìn)行分類,構(gòu)成原始的類型判別訓(xùn)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(jì)算新試驗(yàn)樣本與各類訓(xùn)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(jī)理判別提供了一條新途徑。2繼電器摩擦失效機(jī)理如前所述,材料轉(zhuǎn)移(從一個(gè)觸點(diǎn)向?qū)Ψ交蛑車h(huán)境中轉(zhuǎn)移)是導(dǎo)致觸點(diǎn)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(diǎn)材料、負(fù)載條件、環(huán)境氣體以及機(jī)械特性等多因素的影響,因此,材料轉(zhuǎn)移對(duì)觸點(diǎn)表面破壞形式多樣,會(huì)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(jī)理下繼電器觸點(diǎn)表面形態(tài)示意圖,每個(gè)分圖左邊為動(dòng)觸點(diǎn),右邊則為靜觸點(diǎn),圖中假設(shè)靜觸點(diǎn)損耗材料,動(dòng)觸點(diǎn)接收材料。在正常狀態(tài)下,觸點(diǎn)對(duì)表面都相對(duì)比較平滑,觸點(diǎn)間隙和超程在正常范圍內(nèi),如圖1a所示。當(dāng)損耗材料大部分向周圍環(huán)境轉(zhuǎn)移或者分布在對(duì)方接觸斑點(diǎn)周圍比較寬的范圍內(nèi)時(shí),觸點(diǎn)間隙增大,超程減小,極限情況是超程變?yōu)榱?閉合時(shí)觸點(diǎn)對(duì)無法接觸,出現(xiàn)“磨損”失效,如圖1b所示。和磨損失效相反,當(dāng)損耗材料集中堆積于對(duì)方觸點(diǎn)表面某區(qū)域形成一個(gè)穩(wěn)定鼓包時(shí),觸點(diǎn)間隙減小。當(dāng)整個(gè)間隙被填充時(shí),斷開時(shí)觸點(diǎn)對(duì)仍有接觸,出現(xiàn)“橋接”失效,如圖1c所示。另外,有時(shí)接收材料和損耗材料總量、方向大致相同,觸點(diǎn)間隙及超程和正常狀態(tài)相比變化不大。但此時(shí)觸點(diǎn)燒蝕嚴(yán)重,表面粗糙且沉積了各種污染物,導(dǎo)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(píng)價(jià)的原理3.1特征矢量的標(biāo)準(zhǔn)化主元分析是一種常用的特征提取方法,已廣泛應(yīng)用于傳感器、凝汽器故障診斷中。其基本思想是通過對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)于數(shù)據(jù)矩陣Xn×m,每一列xi對(duì)應(yīng)一個(gè)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(fù)荷矢量。得分矢量和負(fù)荷矢量都是兩兩正交的。每個(gè)得分矢量實(shí)際是X在與此得分矢量相應(yīng)的負(fù)荷矢量方向上的投影,也就是通常所說的主元,可表示為對(duì)矩陣進(jìn)行主元分析實(shí)質(zhì)上就是對(duì)X的協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征矢量分析。實(shí)際分析中,當(dāng)X的特征矢量量綱不同或數(shù)量級(jí)差別較大時(shí),一般需采用式(3)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,即使X的特征矢量均值為0,方差為1。標(biāo)準(zhǔn)化后得到矩陣Y,其協(xié)方差矩陣可表示為3.2回代估計(jì)法簡介設(shè)總體G為l維總體,其數(shù)量指標(biāo)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(shè)有k個(gè)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(shí)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(xùn)練樣本做估計(jì)。估計(jì)方法可參考文獻(xiàn)。距離判別準(zhǔn)則提出后,需要考察它的優(yōu)良性。本文采用回代估計(jì)法計(jì)算誤判率。以兩總體G1和G2為例,設(shè)兩個(gè)總體的容量分別為n1和n2,以全體訓(xùn)練樣本為n1+n2個(gè)新樣本,逐個(gè)代入已建立的的判別準(zhǔn)則中判別其歸屬,這個(gè)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(gè)數(shù);n21表示將屬于G2的樣本誤判為總體G1的個(gè)數(shù);n11和n22表示回判正確的個(gè)數(shù)。誤判率η的回代估計(jì)為3.3各失效機(jī)理參數(shù)下的接觸機(jī)理在不同失效機(jī)理下,由于觸點(diǎn)間隙變化不同,勢必導(dǎo)致特性參數(shù)在各失效機(jī)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(jī)理。本文運(yùn)用主元分析方法和距離判別分析對(duì)電磁電器接觸失效機(jī)理進(jìn)行判別的過程如圖2所示。4試驗(yàn)結(jié)果的分析4.1壽命試驗(yàn)系統(tǒng)特性本文按表2試驗(yàn)條件對(duì)15只密封繼電器進(jìn)行了可靠性壽命試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中,利用筆者設(shè)計(jì)研制的壽命試驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集繼電器每次動(dòng)作過程的線圈電流、觸點(diǎn)電壓、觸點(diǎn)壓降及觸點(diǎn)電流波形。根據(jù)波形數(shù)據(jù),計(jì)算了接觸電阻、吸合時(shí)間、釋放時(shí)間、超程時(shí)間、燃弧時(shí)間(分?jǐn)嚯娀?、彈跳時(shí)間等特性參數(shù)。每次計(jì)算得到的特性參數(shù)都會(huì)按動(dòng)作次序保存管理,以便描述壽命試驗(yàn)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(yàn)結(jié)束后對(duì)所有樣品進(jìn)行了開腔觀測,通過觀察觸點(diǎn)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(jī)理下挑選了變化趨勢比較明顯且相關(guān)性較強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)化多個(gè)特性參數(shù)的選取,有利于準(zhǔn)確、全面地掌握觸點(diǎn)的接觸特性變化,但試驗(yàn)結(jié)果也表明,同種失效機(jī)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(fù)雜。此時(shí),綜合分析所有參數(shù)的變化趨勢對(duì)其進(jìn)行歸類可操作性不強(qiáng)。考慮到各特性參數(shù)之間存在一定的相關(guān)性,采用主元法對(duì)多維的特性參數(shù)進(jìn)行降維處理,從中提取所有特性參數(shù)之間的相關(guān)性較強(qiáng)的特征進(jìn)行分析。本文則以接觸電阻、吸合時(shí)間、釋放時(shí)間、超程時(shí)間、燃弧時(shí)間、彈跳時(shí)間等六個(gè)特性參數(shù)構(gòu)成數(shù)據(jù)矩陣Xn×6,其中n為動(dòng)作次數(shù)。對(duì)X進(jìn)行主元分析,得到各主元ti(i=1,2,…,6)。當(dāng)各特性參數(shù)之間存在一定的相關(guān)性時(shí),X的變化主要體現(xiàn)在前幾個(gè)主元上。圖6為計(jì)算得到的所有失效樣品第一主元、第二主元貢獻(xiàn)率。由圖可見,多數(shù)樣品二者的累計(jì)貢獻(xiàn)率已超過75%。對(duì)于變化隨機(jī)性較大的特性參數(shù)而言,第一主元和第二主元已能較強(qiáng)地綜合原始多維特性參數(shù)的變化信息。分別對(duì)圖3~圖5所示的特性參數(shù)典型變化進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理及主元分析,得到不同機(jī)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(jī)理下接觸特性變化特征。其中,第一主元的貢獻(xiàn)率最大,保持了特性參數(shù)之間的絕大部分相關(guān)性。由于各個(gè)特性參數(shù)的變化和觸點(diǎn)間隙的變化密切相關(guān),而磨損失效、橋接失效和污染失效的主要區(qū)別是觸點(diǎn)間隙的變化趨勢不同。因此,各特性參數(shù)都存在和觸點(diǎn)間隙變化相關(guān)的信息,從而導(dǎo)致主要提取變量間相關(guān)信息的第一主元主要反映觸點(diǎn)間隙的變化。在忽略其他貢獻(xiàn)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(jī)性較強(qiáng),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(diǎn)間隙呈增大趨勢;橋接失效下觸點(diǎn)間隙呈減小趨勢;污染失效下失效前后觸點(diǎn)間隙變化不大。相對(duì)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(diǎn)間隙變化影響明顯,相關(guān)性較強(qiáng),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(yàn)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(hào)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(yàn)數(shù)據(jù)中提取第一主元和第二主元平均梯度值按實(shí)際失效機(jī)理不同進(jìn)行分類如圖10所示。顯而易見,不同機(jī)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(duì)值較大,但方向相反;第二主元的平均梯度絕對(duì)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(duì)分散地分布于磨損失效和污染失效之間。4.4訓(xùn)練樣本結(jié)果分析由于試驗(yàn)樣品的失效存在一定的統(tǒng)計(jì)特性,且失效機(jī)理之間并沒有明顯分界,采用統(tǒng)計(jì)分類中的距離判別分析方法對(duì)接觸失效機(jī)理進(jìn)行判別。對(duì)于距離判別方法而言,關(guān)鍵在于確定原始的訓(xùn)練樣本。本文以圖10顯示的15只試驗(yàn)樣品特征值作為各失效總體原始訓(xùn)練樣本。顯然,本文研究的電磁繼電器失效機(jī)理判別屬于三總體距離判別。設(shè)磨損失效、橋接失效、污染失效三種失效機(jī)理分別對(duì)應(yīng)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(biāo)。計(jì)算各總體的均值矢量μi和協(xié)方差矩陣∑i如式(9)所示。當(dāng)需要判別新樣本所屬類型時(shí),按照式(6)的判別準(zhǔn)則選擇最小馬氏距離的總體作為最終判別類型。各訓(xùn)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(xùn)練樣本的回判結(jié)果和實(shí)際歸類一致,說明該判別準(zhǔn)則是有效的。5工作特性分析結(jié)果(1)試驗(yàn)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(jī)理。每種失效機(jī)理下接觸電阻、吸合時(shí)間、超程時(shí)間、彈跳時(shí)間等多個(gè)特性參數(shù)的變化特征各不相同,可作為判別失效機(jī)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(guān)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(diǎn)間隙的變化趨勢,而第二主元?jiǎng)t主要體現(xiàn)參數(shù)變化受干擾因素影響強(qiáng)弱。主元的變化趨勢能更直觀地表明觸點(diǎn)接觸特性的退化過程。(3)距離判別方法具有自學(xué)習(xí)功能,新樣品數(shù)據(jù)可方便地加入原有訓(xùn)練樣本中,隨著訓(xùn)練樣本數(shù)的增多,判別精度會(huì)逐漸提高。該方法可推