高铁电磁接触器可靠性评估的新方法，可准确预测其剩余寿命

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征稿｜第四届轨道交通电气与信息技术国际学术会议

征稿｜中国电工技术学会电机与系统学报（英文季刊）

摘要

北京交通大学电气工程学院、中车工业研究院有限公司技术研究部的研究人员刘建强、陈爱峰、闫一凡、张铭、齐洪峰，在《电工技术学报》2018年增刊2上撰文（论文标题为“高速列车电磁接触器可靠性评估方法”）指出，电磁接触器的状态对高速列车的运行安全至关重要。目前高速列车中电磁接触器缺乏有效的测试与评估方法，导致接触器的可靠性状态信息未知，给高速列车的正常安全运行带来了极大隐患。

针对这一问题，首先对高速列车电磁接触器的失效机理进行分析，进而提出一种接触器可靠性评估方法。该方法建立接触器触点间隙的退化模型，通过接触器有限元及动力学仿真模型的分析，推导超程时间的退化模型，进而得到接触器剩余寿命的预测模型。

为了验证上述方法的有效性，设计并搭建接触器可靠性测试试验平台。基于西门子3RT10172KF41电磁接触器开展可靠性寿命试验，利用接触器剩余寿命预测模型对接触器的剩余寿命进行预测。结果表明，所提出的高速列车电磁接触器可靠性评估方法能够对接触器的剩余寿命进行准确预测，为高速列车电磁接触器的状态监测及维护维修提供了重要参考。

截止2017年底，我国铁路营业里程达到12.7万km，其中高铁2.5万km，全国日均开行动车组4 000列以上。动车组列车的大规模运行，对列车的运行安全也提出了越来越高的要求。电磁接触器作为高速列车中重要的控制元件，一旦发生故障，将影响列车的正常运行，甚至引发严重的事故。因此，对应用于高速列车的接触器进行可靠性研究，从科学的角度给出接触器剩余寿命特征，为接触器检测、维护、运行提供依据，具有重要的价值和意义。

针对接触器状态检测、可靠性评估等问题，文献[1,2]对接触器产品的可靠性寿命试验进行了分析，并指出可将接触器可靠性寿命特征评估和产品退化参数关联，这为接触器产品的可靠性及寿命评估方法的研究提供了思路。文献[3,4]提出实时采集线圈电流和触点压降进而计算接触器吸合时间，建立接触器寿命预测模型，对接触器寿命进行预测。

文献[5-7]提出基于性能退化参数的可靠性寿命实时评估方法，并通过随机过程和贝叶斯估计方法实时更新并测量其性能退化参数来推导产品的寿命特征表达式。文献[8,9]指出，接触器可以通过触点电阻和吸合时间两个性能退化参数来表征接触器的寿命，并根据试验数据推导寿命预测数学模型。

目前针对高速列车电磁接触器可靠性评估方法的研究相对较少，对接触器特征参数的选取缺乏依据，退化模型的建立和数据处理的方法仍需改进。

本文首先基于高速列车用电磁接触器的结构特点，对电磁接触器失效机理进行分析，提出了一种高速列车电磁接触器的可靠性评估方法。根据接触器电磁仿真模型和动力学模型，推导接触器特征参数映射关系，确定接触器寿命预测模型；设计并搭建接触器可靠性测试平台，对接触器开展可靠性寿命实验。

实验结果表明，接触器剩余寿命的预测结果和实际情况基本一致，表明所构建寿命预测模型的正确性，进一步验证了所提出高速列车接触器可靠性评估方法的有效性。

图12  接触器可靠性试验平台实物图

图21  接触器触头表面照

结论

本文提出了一种高速列车接触器的可靠性评估方法。为了验证上述方法的有效性，设计并搭建了接触器可靠性测试平台。基于西门子3RT1017 2KF41电磁接触器开展了可靠性寿命试验。根据前期10万次接触器可靠性试验测试结果，采用拟合的方法得到了超程时间退化模型及电弧能量模型。

为了预测接触器的剩余寿命，继续开展了接触器后期试验数据的测量。根据后期试验结果的分析，提出了接触器超程时间的失效阈值，进而推导了接触器剩余寿命的预测模型。通过对比接触器剩余寿命的预测值和实际值，验证了接触器剩余寿命预测模型和接触器仿真模型的正确性，进而验证了高速列车接触器可靠性评估方法的有效性。