哈工大科研团队提出批量化真空交流接触器机械寿命预测的新方法
A new method for predicting the mechanical life of mass vacuum AC contactors was proposed by the research team of HIT
制造参数通过改变传动关系影响真空交流接触器内关键零件的断裂周期，使产品的机械寿命无法满足指标。哈尔滨工业大学电器与电子可靠性研究所的李东晖、周学、王傲、王茹、翟国富，在2023年第7期《电工技术学报》上撰文，根据多体动力学和电磁场理论建立考虑制造参数的真空交流接触器虚拟样机，使用Gerber模型计算零件的断裂周期。以实际测量获得的产品制造参数作为输入，将虚拟样机计算的断裂周期作为输出训练鲸鱼算法优化过的神经网络。使用蒙特卡洛法从制造参数的分布中抽取虚拟样本，通过神经网络对样本中零件的断裂周期进行预测。他们选择真空交流接触器作为研究对象验证该方法的有效性，以转臂与转臂套筒间的间隙作为制造参数预测批次产品中转臂的断裂周期分布，并通过机械寿命实验对预测结果的准确性进行验证。真空交流接触器作为一类重要的电力控制器件，被广泛地应用于各类输配电系统中，其机械寿命需远大于电气寿命才能确保产品能够可靠运行。相较于其他机械失效形式，零件的断裂周期直接决定真空交流接触器的机械寿命。在材料等本质因素不变的前提下，根据制造参数对真空交流接触器内零件的断裂周期进行预测，能够有效地评估产品质量。一些学者通过寿命实验获得开关的性能退化过程，对产品的机械寿命和故障进行预测。M. Park等通过对产品开展高低温加速寿命试验，以温度作为加速应力获得开关运行可靠性与寿命间的退化关系。Ye Xuerong等引入退化不确定性和模糊信息熵方法对多源异构不确定性进行统一量化，对开关在运行过程中的可靠性退化问题进行研究。游颖敏等通过音频采集器对运行中的开关音频信号进行采集，根据信号特征实现各类故障的判定目的。以上方法对开关的本体进行模糊化处理，需要较大数量的研究样本才能保证故障识别和寿命预测的准确性。
为降低大规模实验带来的研究成本，一些学者使用虚拟样机技术对开关内的力学特性进行计算，实现对零件状态的精确评估。杨文英等以真空交流接触器作为研究对象，使用虚拟样机技术对影响弹跳特性的因素进行研究，并发现调整超程弹簧和返回弹簧的预压力值可以有效抑制弹跳现象。在零件的疲劳寿命分析方面，S. H. Park等使用有限元模型计算开关内零件的应力状态，再通过开展材料的拉伸寿命实验获取失效退化曲线，使用材料的失效退化曲线根据零件应力状态进行判断，对开关内关键零件的断裂周期进行预测。陈允等通过有限元法对绝缘材料的机械应力进行计算，对绝缘子的老化寿命进行预测。虚拟样机技术也适用于分析制造参数对开关动作特性的影响，但在进行大数量样本的评估时需要消耗大量的计算成本。现有的研究多关注制造参数对产品性能的影响，尚未实现对制造参数影响下的批量真空交流接触器进行机械寿命预测。为解决批量产品机械寿命预测中的计算耗时难题，需要使用具有良好非线性映射能力的神经网络降低机械寿命预测成本。
哈尔滨工业大学电器与电子可靠性研究所的学者根据真空交流接触器的动作原理，结合多体动力学和电磁场理论建立考虑制造参数的虚拟样机。根据虚拟样机中零件的应力计算结果，使用Gerber模型计算零件的断裂周期。对批量产品开展测量获得产品的制造参数作为输入，将虚拟样机计算的断裂周期作为输出训练神经网络。
为改善传统BP神经网络的预测精度，他们使用鲸鱼优化算法（WOA）对神经网络中的权值和阈值进行优化。根据制造参数的分布特性使用蒙特卡洛法抽取虚拟真空交流接触器样本，通过WOA-BP神经网络对样本中的零件断裂周期进行预测。选择真空交流接触器转臂与转臂套筒的间隙作为制造参数预测转臂的断裂周期分布，通过实际产品的寿命实验对预测结果准确性进行验证。
研究者指出，制造参数同时对真空交流接触器的电磁特性和动力学特性产生影响，通过改变磁路结构参数和传动位置参数使零件受到的载荷位置和载荷幅值同时改变，造成断裂周期发生波动。此外，使用训练后的神经网络对10000个虚拟接触器机械寿命进行预测，所消耗的预测时间仅与虚拟样机的单次计算时间相同。通过鲸鱼优化算法（WOA）对BP神经网络中的权值和阈值进行优化，能够有效地提高转臂断裂周期的预测精度，使预测误差从233.3%下降至12.1%。
他们将虚拟样机的计算结果与高速摄像实验结果相对比，二者间的最大误差为7.3%。使用WOA-BP模型预测得到的断裂周期中心值与实验值较为相符，说明本方法的预测精度能够满足批量生产应用。本工作成果发表在2023年第7期《电工技术学报》，论文标题为“考虑制造参数的批量化真空交流接触器机械寿命预测”。本课题得到国家自然科学基金资助项目的支持。