CC BY
54
расчетный коэффициент запаса: — — 1 25 •
Возможно ли сэкономить за счет уменьшения количества образцов требуемых для испытаний, учитывая имеющиеся положительные результаты предварительных испытаний, проведенных на 6 образцах с коэффициентом запаса 1,18?
Рассчитанные по исходным данным предварительных испытаний значения параметров распределения оценки надежности равны:
u
— 2,1391,
— 0,0157,
Численным решением первого уравнения системы (4) получаем объем эквивалентной серии:
П = 2,1,
с параметрами распределения оценки надежности:
u — 2,1407 ,
RR — 0,9839,
— 0,0163 ,
Следовательно, с учетом положительных результатов этапа предварительных испытаний, для испытаний на надежность необходимо 3 образца вместо 5 запланированных ранее и, экономический эффект эквивалентен цене 2-х образцов.
Заключение
Разработан параметрический метод перерасчета результатов испытаний с одного уровня нагрузки на другой позволяющий для подтверждения надежности учитывать весь объем информации по отработке изделий.
Пересчет результатов испытаний с одного уровня нагружения на другой рекомендуется производить:
- при т2 Ф 0 решением системы уравнений (4),
исходя из частотного представления вероятности отказа;
- т2 =0 решением первого уравнения системы
(4), исходя из байесовского представления вероятности отказа.
Таким образом, 6 испытаний с коэффициентом
запаса 1,18 эквивалентны фициентом запаса 1,25.
«2 испытаниям с коэф-
ЛИТЕРАТУРА
1. Методика расчета прочностной надежности конструкции для плана испытаний с запасом, основанная на применении статистического моделирования. М.А. Власов, В.А. Горопашный, С.Ф. Сергин, Н.А. Орлова. Надежность и качество 2013: труды международного симпозиума. В 2-х томах. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2013. - Т.1. - С. 106-108.
2. Методика расчета прочностной надежности конструкции для плана испытаний с запасом, основанная на использовании аналитической формулы для плотности распределения оценки надежности. М.А. Власов, В.А. Горопашный, С.Ф. Сергин, Н.А. Орлова. Надежность и качество 2013: труды международного симпозиума. В 2-х томах. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2013. - Т.1. - С. 103-106.
К2 — 0,9837 ,
Я09 — 0,9636 .
Я09 — 0,9628 .
УДК 621.396.6, 621.8.019.8 Лушпа И. Л.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», Москва, Россия
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ БЕЗОТКАЗНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
В данной работе рассматриваются методики оценки безотказности электродвигателей. Проведен анализ существующих методик. Учитывались методики, в которых электродвигатель учитывается в сборе, а не по составным частям. Сделаны соответствующие выводы.
Ключевые слова:
надежность, безотказность, электромеханические компоненты, электродвигатель.
Введение
На сегодняшний день промышленность активно развивается. Научный прогресс позволяет использовать новые технологии при производстве, более новую элементную базу, с помощью которых можно создавать более объемные и сложные схемы [1]. Это даёт колоссальные возможности для конструкторов и проектировщиков при создании новых устройств. Но вместе с тем и накладывает большие ограничения и требования на создаваемые изделия. Одними из таких требований являются требования по надежности. Рост сложности устройств вызывает рост надежностных требований[2-4].
Основная часть
Изо дня в день не прекращается сообщение между городами и населенными пунктами. Тысячи людей ежедневно пользуются услугами железнодорожных служб. Для того, чтобы перевозки были безопасными, электропоезда должны отвечать всем требованиям по надежности. Это особенно важно сейчас, когда проводится обновление парка поездов и вводятся скоростные электропоезда, (см. рис. 1).
Одной из важнейших частей таких электропоездов, надежность которой в первую очередь влияет на работоспособность, является электродвигатель. Пример такого электродвигателя представлен на рисунке 2.
Оценке надежности посвящен ряд научных трудов, в частности В.В. Болотин и др.[5] , В.В. Шашкин и др.[6], В.Е. Воробьев и др.[7]. В этих работах приведены разные подходы к оценке надежности.
В [5] предлагается оценка надежности на ранних этапах проектирования путём расчета прочностных свойств деталей двигателя, что позволит получить численные значения долговечности.
Рисунок 1 - Скоростной электропоезд
Рисунок 2 - Тяговый электродвигатель
Например, предлагается функция распределения разрушающего напряжения, позволяющая определить предел прочности детали:
F*(s*)=
0 (s* < r0)
1 - exp
_V_ Vo
s* - ro
rc - r0
(s* ^ r0)
где: V - объем устройства, Vo- объем единичного элемента устройства, s* - разрушающий параметр для растяжения или сдвига, Г0 - минимальное значение прочности, г - характерная прочность стандартного образца.
Если значение функции меньше заданного предела, то деталь надежна, если больше, то ненадежна.
Проблема такого подхода в том, что он не позволяет спрогнозировать надежность уже готового изделия. Тем самым этот подход будет полезен только для узкого ряда случаев.
В [6] предлагается оценивать надежность экспериментально путём проведения испытаний. В частности, испытания на сопротивляемость материала, где определяют: предел прочности, предел пропорциональности, предел текучести, условный предел текучести, относительное удлинение, относительное сужение поперечного сечения, модуль продольной упругости, удельная работа разрушения. На рисунке 3 представлена схема одной из испытательных установок. _
Рподш (t)
exp
t - a
при t > a
1 при t < a
,JL(„.VT,) , ь ==^(т,-т„)
п - объём выборки; Тср - наработка до первого отказа; Тр - средний ресурс; k - параметр гамма-функции.
Такой подход даёт очень приближенную оценку, которая может иметь разницу от реального значения.
Приведенные выше подходы хороши для узкого ряда случаев и совершенно не подходят для оценки надежности уже готового двигателя электропоезда. Поэтому целесообразно использовать другие методики. Одними из таких являются: «Надежность ЭРИ»[8], «MIL-HDBK-217F»[9], «NSWC»[10,11].
В справочнике «Надежность ЭРИ» собраны методики по расчетам безотказности различных классов электронных и электромеханических компонентов. Математическая модель, представленная в «Надежность ЭРИ» имеет вид:
Лэ = (Лб.с
у.с.г.эл. ' К +^б.с.г.м. ' КТ.Ш У КЭ где: Аб.с.г.эл. - базовая среднегрупповая интенсивность электрических отказов для температуры окружающей среды t=250 C на время минимальной наработки Тн.м.; Kt - коэффициент влияния температуры нагрева изоляции; Аб.с.г.м. - базовая сред-негрупповая интенсивность механических отказов на время наработки при температуре окружающей среды t=250 С; Kт.n.t. - коэффициент влияния времени наработки, частоты вращения и температуры окружающей среды на интенсивность механических отказов; Кэ - коэффициент жесткости условий эксплуатации.
Как видно из (1), учитываются только влияния температуры и времени наработки. Тем самым не учитывается большое количество составных частей, входящих в электродвигатель.
«MIL-HDBK-217F» - американский военный стандарт. В нём приведены математические модели расчета безотказности основных классов электрора-диоизделий. Математическая модель, представленная в «MIL-HDBK-217F» имеет вид:
(1)
.2
а
3
в
1
aw
где: t - время работы двигателя, ав и аы - параметры распределения Вейбулла для подшипника и обмотки.
Значения параметров распределения Вейбулла
имеют вид:
(2.534 —2357— 10 + 273 +-
(20--)
10 т+273 + 3 00,
-1
Рисунок 3 - Испытательная машина ИМЧ-30
Такие испытания позволят дать обоснованное численное значение, но требует большого количества ресурсов и времени. К тому же не всегда это экономически выгодно.
В [7] для оценки надежности электродвигателя предлагается рассчитать только самые ненадежные компоненты (обмотка, подшипниковый узел). Математические модели вероятностей безотказной работы этих частей имеют вид:
Робм (I) = Pв «) • Рп (I) • Pмф (I) • Pc (О где: Рв - вероятность безотказной работы витковой изоляции; Рп - вероятность безотказной работы пазовой изоляции; Рмф - вероятность безотказной работы; Рс - вероятность безотказной работы межсекционной изоляции.
2357
aw = 10
Тл + 273
• . 1.83
где: Та - температура окружающей среды.
Так же как и в [4], в этой методике рассматриваются только температура и время наработки.
Стандарт «NSWC» разработан Кардерокской дивизией ВМФ США. Стандарт посвящен оценке надежности основных классов механических и электромеханических классов. Математическая модель, представленная в «NSWC» имеет вид:
ЛМ = ((,B ' CSF ) + + ЛBS + +Л3т + Aas + ABE + Agr + Лс
(2)
где: Am,b - базовая интенсивность отказов электродвигателя; Csf - коэффициент влияния нагрузки; Awi - интенсивность отказов обмотки; Abs - интенсивность отказов щёток; Ast - интенсивность отказов корпуса статора; Aas - интенсивность отказов вала; Abe интенсивность отказов подшипника; Agr -интенсивность отказов зубчатых передач; Ас - интенсивность отказов конденсатора.
Как видно из (2), в методике «NSWC» рассматриваются большее число компонентов, входящих в состав электродвигателя и их влияние на надежность. В таблице 1 представлен состав компонентов электродвигателя. Как видно методика «NsWC» неполная, поэтому её необходимо дополнить.
Л
а„ =
в
k
b
Состав электродвигателя Таблица 1.
№ п/п Наименование Количество
1 Статор 1
2 Пакет статора 1
3 Обмоточный провод 1
4 Пропитка-компаунд 1
5 Выводные провода 5
6 Корпус (сварные соединения) 7
7 Ротор 1
8 Подшипник 1
9 Пакет ротора 1
10 Медные стержни 5
11 Кольца короткозамыка-ющие 2
12 Вал 1
Формулы (2) не учитывают отказы пропитки, стержней, колец, корпуса и др. Поэтому для получения уточненной оценки надежности необходимо
модифицировать расчетную формулу (2), и тогда она будет иметь вид:
Лмм = Лм + Дж + Лз + Лк (3)
где: Ли - интенсивность отказов электродвигателя (9); Лэе - интенсивность отказов прокладки; Лэ -интенсивность отказов сварных соединений; Лк -интенсивность отказов электрических кабелей.
Заключение
Таким образом, несмотря на большое количество различных методик посвященных расчетам надежности электромеханических компонентов, ни одна из них не учитывает всех параметров. Поэтому для получения наиболее точного результата необходимо комбинировать математические модели или дополнять.
Статья написана в рамках научного проекта (№ 15-05-0029), выполненного при поддержке Программы «Научный фонд НИУ ВШЭ» в 2015/16 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Жаднов В.В. Прогнозирование надежности электронных средств с механическими элементами: научное издание. / В.В. Жаднов. - Екатеринбург: Изд-во ООО «Форт Диалог-Исеть», 2014. - 172 с.
2. Лушпа И.Л. Оценка коэффициентов вариации ресурса резисторов. / И.Л. Лушпа. // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество»: в 2т. Т.1. Пенза: ПГУ, 2015. с. 304-306
3. Лушпа И.Л. Исследование надежности механических компонентов антенно-фидерного устройства системы управления беспилотным летальным аппаратом. / И.Л. Лушпа, М.А. Монахов. // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество»: в 2т. Т.2. Пенза: ПГУ, 2014. с. 264-266
4. Лушпа И.Л. Разработка модуля расчета интенсивности отказов фильтрующих элементов для АСОНИКА-К-СЧ. / И.Л. Лушпа, М.А. Монахов, В.М. Фокин. // Надежность и качество-2013: труды Международного симпозиума: в 2-х т. Т.1. Пенза: Издательство ПГУ, 2013. с. 113-115.
5. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. / В.В. Болотин. // М.: Машиностроение, 1984. 312 с.
6. В.В. Шашкин Надежность в машиностроении: Справочник. / В.В. Шашкин, Г.П. Карзов. // СПб.: Политехника, 1992. 719 с.
7. Воробьев В.Е. Прогнозирование срока службы электрических машин: Письменные лекции. / В.Е. Воробьев, В.Я. Кучер // СПб.: СЗТУ, 2004. 56 с.
8. Прытков, С.Ф. Надежность ЭРИ: Справочник /С.Ф. Прытков, В.М. Горбачева, А.А. Борисов и др. // Науч. рук. С.Ф. Прытков. - М:. ФГУП «22 ЦНИИИ МО РФ», 2006.
9. MIL-HDBK-217. Reliability prediction of electronic equipment.
10. Юрков Н.К. К проблеме моделирования риска отказа электронной аппаратуры длительного функционирования / Н.К. Юрков, И.И. Кочегаров, Д.Л. Петрянин // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. 2015. № 4 (32). С. 220-231.
11. NSWC-11. Handbook of reliability prediction procedures for mechanical equipment. - USA: CARDEROCDIV, 2011. - 522 p.
УДК 621.319:621.311 Погорелов А.М., Пиганов М.Н.
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет) (СГАУ), Самара, Россия
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРОВ НА ОСНОВЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ
В статье рассмотрены существующие накопители энергии. Проведено сравнение электрохимичеких конденсаторов на основе нано-структурированных материалов с другими накопителями энергии, выделены преимущества и недостатки. Рассмотрена конструкция
элементарного двойнослойного электрохимического конденсатора и показаны пути развития технологии его изготовления.
Введение
Электрохимические конденсаторы занимают промежуточную позицию между аккумуляторами и традиционными диэлектрическими конденсаторами. Все чаще понятие электрохимических конденсаторов заменяют синонимами «суперконденсаторы». На сегодняшний день аккумуляторы могут запасать довольно высокую электрическую энергию, но диэлектрические конденсаторы обладают способностью отдавать высокую мощность в течение времени порядка миллисекунд. Тем не менее развитие технологии электрохимических конденсаторов позволяет выводить их на первый план среди существующих накопителей энергии. В настоящее время так называемые «суперконденсаторы» получили широкое применение в космической и автомобильной индустрии, стационарной энергетике, бытовой электронике и технике, радиоэлектронике и других областях потребления и накопления электрической энергии. Разработчики электрохимических конденсаторов ставят перед собой цели, отвечающие запросам настоящего и будущего. Следовательно, накопители энергии, имеющие электрохимическую природу, должны обладать высоким ресурсом и надежностью; адекватной себестоимостью, которая включает в
себя расчёт энергии и мощности одного цикла использования; способностью эксплуатироваться в условиях широкого спектра внешних и внутренних воздействий (высокая амплитуда токов, перепады напряжения, экстремальные температурные условия); максимальной экологичностью, что с каждым годом настоящего столетия является серьёзнейшей задачей, отодвигающей на задний ракурс технические преимущества технологии устройства.
Отличительные особенности накопителей энергии
Конденсатор - это устройство, которое обладает свойством накопления электрической энергии, что нельзя не сказать про аккумулятор. Однако разница между ними существенна.
Конденсатор характеризуется определенным свойством - емкостью [1]:
с = 1 и
где q - заряд, запасаемый на электродах конденсатора; и - градиент напряжения, приложенного к обкладкам конденсатора.
Преобразовав формулу емкости получим:
ц = Си
Таким образом, при постоянном напряжении увеличение значения накапливаемого заряда ведет к росту значения емкости. Если осуществлять циклы
