CC BY
174
УДК 621.313 С.О. Хомутов
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ, ЭКСПЛУАТИРУЮЩИХСЯ В УСЛОВИЯХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА
В результате исследования впервые были найдены закономерности протекания процессов старения и восстановления изоляции обмоток под действием факторов эксплуатации и ремонта электродвигателей, дающие возможность выявить основные направления повышения их надежности с минимальными затратами.
Ключевые слова: система, надежность, ремонт, электродвигатель, изоляция, пропитка, сушка, технология, качество, диагностика, прогнозирование, оптимизация, метод, планирование, моделирование.
S.O. Khomutov
ELECTROTECHNOLOGICAL SYSTEM OF ELECTRIC MOTOR RELIABILITY INCREASE WHICH
ARE OPERATED IN AGRICULTURE
As the research results, mechanizms of the obsolesence process and restoration of the insulator windings process under the influence of the factors of electric motor operation and repair, which give possibility to determine the main ways of its reliability increase with the minimum expenditure are difined in the article.
Key words: system, reliability, repair, electric motor, insulator, impregnation, drying, technology, quality, diagnosis, forecasting, optimization, method, planning, modeling.
Как известно, необходимым условием безубыточной работы и эффективного функционирования в рыночных условиях любого сельскохозяйственного предприятия является минимизация всех производственных издержек, которой можно достичь путем полного анализа всех элементов бизнес-процесса, процессов обеспечения и менеджмента, а также взаимосвязей между ними и с внешней средой. Системный анализ данных процессов позволил из комплекса мероприятий выделить задачу обеспечения безотказной работы установленного на предприятии технологического электрооборудования (ЭО), которая определяется надлежащей организацией системы повышения его эксплуатационной надежности.
Все многообразие работ в области повышения эксплуатационной надежности электрооборудования можно условно разделить на два больших направления. С одной стороны - это работы, нацеленные на изучение и обеспечение высокого уровня надежности ЭО на стадии его проектирования и изготовления, с другой - связанные с вопросами поддержания заданного уровня надежности в ходе его технического обслуживания и ремонта. Взаимно дополняя и обогащая друг друга, данные работы позволили в целом обеспечить определенный прогресс в сельском хозяйстве.
Особое значение вопрос повышения эксплуатационной надежности приобретает для электрического двигателя (ЭД) как основного потребителя электроэнергии, направляемой для преобразования в механическую работу. В процессе эксплуатации электродвигателей общепромышленного назначения в неблагоприятных условиях сельского хозяйства на процессы старения изоляции, как наиболее слабого и уязвимого элемента двигателя, воздействуют следующие факторы: параметры окружающей среды, режимы работы ЭД, параметры процесса технического обслуживания и ремонта, а также параметры состояния электрической изоляции обмоток двигателей. В итоге происходит неизбежное ускоренное старение изоляции, результатом которого является ее пробой, и, как следствие, значительное сокращение реального срока службы двигателя по сравнению с нормативным. Для избежания простоя оборудования вследствие внезапного выхода двигателя из строя необходимы систематический контроль и восстановление свойств изоляции.
Таким образом, требуется сформировать стройную систему, которая бы охватывала все стадии жизненного цикла двигателя, а также разработать специальный комплекс мер, позволяющий проводить необходимые восстановительные работы с минимальным участием обслуживающего персонала. От того, насколько правильно и эффективно будет решена данная задача, во многом зависит увеличение срока службы ЭД.
Глубокие теоретические исследования физических явлений, происходящих в диэлектриках, что, несомненно, повлияло на качество работ в области изоляционной техники и расширило представления о характере процессов, происходящих в изоляции, а также явилось своего рода базисом науки об изоляции, были проведены такими известными учеными, как А.А. Воробьев, Ю.Н. Вершинин, С.Н. Койков, Г.С. Кучинский. Развитию этого направления, разработке новых систем изоляции, их совершенствованию посвящены теоретические исследования Н.В. Александрова, Т.Ю. Баженовой, А.К. Варденбурга, Б.В. Кулаковского, П.М. Ха-зановского, А.В. Хвальковского, Л.Т. Пономарева и ряда других ученых.
Значительный вклад в создание и реализацию методов неразрушающих испытаний изоляции электрических машин и аппаратов внесли такие крупные специалисты, как В.А. Баев, И.Е. Иерусалимов,
Н.А. Козырев, труды которых хорошо известны среди специалистов-изоляционщиков. Масштабные обобщения в области изучения поведения различных изоляционных конструкций, большой экспериментальный материал и его систематизация нашли отражение в работах Л.М. Бернштейн, К.Н. Барэмбо, В.В. Маслова.
В настоящее время вопросы количественной оценки надежности электрических машин решаются весьма эффективно. На этой основе сложились научные школы, возглавляемые такими учеными, как
О.Д. Гольдберг, Ю.П. Похолков, З.Г. Каганов, теоретические и экспериментальные работы которых широко известны. Вместе с тем, несмотря на очевидные успехи в этом направлении, наблюдается еще недостаточная связь между теорией и практикой, между показателями надежности на стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации электрических машин.
В рамках проделанной автором работы, одной из важнейших задач системного анализа являлось определение перспективных направлений исследования, для решения которой необходимо было составить подробную и объемлющую структуру рассматриваемой электротехнологической системы повышения надежности электродвигателей. Полученные на сегодняшний день результаты многочисленных исследований позволили выявить и представить в виде элементов данной системы основные задачи повышения эксплуатационной надежности ЭД, в частности, изоляции обмоток статора, установить основные связи между ними, а также учесть взаимодействие полученной системы с внешней средой [1].
Повышение качества пропиточно-сушильных работ. В настоящее время ресурс электродвигателя определяется, в первую очередь, эффективностью выполнения технологических операций при его производстве или капитальном ремонте. Для изоляции обмотки данной электрической машины такими операциями являются их пропитка и сушка. Технологии восстановления изоляции, широко распространенные на ремонтных предприятиях нашей страны, не обеспечивают требуемого уровня качества для двигателей, эксплуатирующихся в неблагоприятных условиях сельскохозяйственного производства. Высокоэффективные технологии, при использовании которых возможно значительное повышение эксплуатационной надежности ЭД, на сегодняшний день распространения не получили вследствие своей дороговизны и иных причин.
Другой проблемой является вопрос оценки качества пропиточно-сушильных работ, которые невозможно осуществить без наличия достоверного метода пооперационной диагностики. Существующие методы испытаний, такие, как измерение сопротивления корпусной изоляции и испытание междувитковой изоляции повышенным напряжением, позволяют лишь грубо произвести отбраковку некачественно отремонтированных электродвигателей. При этом большое значение имеет человеческий фактор субъективности суждения о состоянии ЭД. Следствием этого является существенное количество приработочных отказов. Поэтому существует необходимость ужесточения контроля качества производимых работ при изготовлении и ремонте ЭД с целью своевременного предотвращения негативных последствий преждевременных выходов электродвигателей из строя на начальном этапе их эксплуатации.
В то же время, несмотря на положительные результаты, достигаемые при использовании эффективных технологий восстановления изоляции, качественный ремонт последней является недостаточным для обеспечения нормальной работы ЭД. На этапе эксплуатации роль основного мероприятия обеспечения его надежной работы исполняет комплексная диагностика.
Диагностика электродвигателей в условиях эксплуатации и прогноз их состояния на перспективу. Какими бы совершенными ни были технологии проектирования, изготовления и ремонта узлов электродвигателей, в ходе эксплуатации техническое состояние последних под воздействием неблагоприятных внешних и внутренних факторов ухудшается, что, в конечном итоге, приведет к выходу ЭД из строя. Поэтому, чтобы избежать нежелательных последствий внезапного отказа конструктивных элементов двигателя,
необходимо следить за их техническим состоянием, а также осуществлять контроль обеспечиваемого качества при изготовлении и ремонте. В этой связи, разработке новых методов и средств диагностики, а также совершенствованию существующих методик оценки состояния узлов оборудования должно уделяться особое внимание. И наоборот, достоверное и своевременное определение технического состояния электродвигателя будет иметь положительный эффект только в случае применения современных, экологически чистых, энергоемких технологий, обеспечивающих высокое качество изготовления и ремонта ЭД.
Таким образом, решение этой достаточно сложной проблемы возможно только на основе комплексного подхода. Так, например, с одной стороны, требуется создание и внедрение устройств, позволяющих получать полную и достоверную информацию о состоянии изоляции обмотки, а с другой стороны, необходимы методики прогнозирования и оптимизации, позволяющие выявлять целесообразность и объем технического обслуживания и ремонта ЭД.
Разработка технических средств измерения и контроля диагностических параметров. Эффективное решение задачи повышения достоверности диагностики конструктивных элементов электродвигателя невозможно без технической реализации методов, обеспечивающих получение объективной информации об их состоянии. Кроме того, необходимо проводить постоянную работу в области совершенствования технических характеристик приборов, реализующих существующие методы диагностирования.
Обеспечение современными устройствами диагностики и контроля воздействия внешних и внутренних факторов на обмотку двигателей в процессе их эксплуатации, а также требуемого качества восстановления работоспособности ЭД на стадии технического обслуживания и ремонта позволит получить необходимый уровень надежности узлов электрооборудования и повысить эффективность производства на предприятии в целом.
Количественная оценка степени влияния различных факторов на процессы старения изоляции электрического двигателя. Количественная оценка степени влияния как положительно, так и отрицательно воздействующих факторов на процессы старения изоляции ЭД на протяжении всего его жизненного цикла, начиная с момента ввода в эксплуатацию и заканчивая списанием, является основой для прогноза срока службы электрического двигателя и, как следствие, принятия решений, направленных на повышение эффективности проектирования, эксплуатации и ремонта названного вида ЭО.
Создание математического аппарата, позволяющего ответить на вопросы об оптимальных сроках и качестве обслуживания и ремонта каждого электродвигателя. Как известно, для того, чтобы в течение длительного времени сохранить работоспособность электродвигателя, необходимо регулярно проводить специальные мероприятия, то есть техническое обслуживание и ремонт, цель которых - поддерживать электрооборудование в работоспособном состоянии в течение всего периода эксплуатации и обеспечивать его бесперебойную и экономичную работу.
Как показали результаты исследования эксплуатационной надежности ЭД, для уменьшения параметров потока отказов необходимо при проведении технического обслуживания и ремонта, наряду с мероприятиями, предусмотренными инструкцией по эксплуатации электродвигателей, устанавливать фактическое состояние их элементов, то есть определять, не превышают ли параметры элементов двигателей своих допустимых значений и выявлять наличие в них скрытых дефектов. Знание фактического технического состояния ЭД позволяет производить замену тех их элементов, предотказное состояние которых установлено, и устранить причины возможных в последующей эксплуатации неисправностей, увеличивая, таким образом, вероятность безотказной работы (ВБР) электродвигателей.
Для решения подобного рода задачи необходимо создание математического аппарата, позволяющего ответить на вопросы об оптимальных сроках и качестве ремонта каждого электрического двигателя. Поскольку время безотказной работы любого оборудования и эффективность его ремонта можно оценить только приближенно, то для создания наиболее работоспособной модели необходимо использовать методы теории вероятностей и математической статистики.
Таким образом, целью научного исследования является повышение надежности электродвигателей, эксплуатирующихся в неблагоприятных условиях сельского хозяйства, путем теоретического обоснования и практической реализации технологии скоростной вакуумной пропитки и сушки изоляции статорных обмоток, а также разработки способа и технических средств оценки их состояния при использовании теории массового обслуживания, методов оптимизации и количественной оценки степени влияния различных факторов на процессы старения изоляции ЭД. В качестве объекта исследования выступают процессы старения и восстановления изоляции статорных обмоток электродвигателей. Предметом научного исследования является получение новых закономерностей протекания процессов старения и восстановления изоляции статорной
обмотки под воздействием различных факторов конструкции, эксплуатации, обслуживания, ремонта и хранения электродвигателей.
Как уже отмечалось, работа технологического оборудования в неблагоприятных условиях эксплуатации отрицательно сказывается на работоспособности электрических двигателей, и только своевременная и достоверная информация об их техническом состоянии позволяет правильно оценить остаточный ресурс, то есть принять решение о целесообразности дальнейшего использования. Более того, применение различных методов ремонта электродвигателей, направленных на восстановление значений всех их параметров до установленных пределов, определенным образом негативно отражается на качестве отдельных элементов конструкции ЭД, что требует выполнения диагностических мероприятий не только по окончании, но и в ходе ремонтных работ. Указанная своевременность получения информации может быть обеспечена путем ранней диагностики ЭД и прогнозирования его состояния на перспективу, а достоверность - использованием современных технических средств измерения и контроля.
В рамках исследуемой электротехнологической системы повышения надежности электродвигателей на протяжении всего их периода эксплуатации требуется вести диагностику и контроль изоляции, позволяющие установить реальное состояние ЭД и прогнозирование дополнительной наработки до очередного диагностического контроля. Данный цикл повторяется до тех пор, пока по результатам диагностики не потребуется проведения мероприятий по восстановлению изоляции обмоток. Вместе с тем, применение различных методов эксплуатационной и предремонтной диагностики, контроля и оценки состояния изоляции хотя и снижает количество выходов двигателей из строя, но не исключает их полностью. Спрос электродвигателей на ремонтную услугу - величина переменная, вероятностная. Однако, если его вовремя не удовлетворить, выход двигателя из строя будет сопряжен со значительными финансовыми затратами, складывающимися из стоимости ремонта с учетом транспортных расходов и ущерба от брака и недовыпуска продукции.
Используемые в настоящее время на предприятиях сельского хозяйства методы пропитки и сушки изоляции электрических двигателей, а также технологии восстановления и ремонта на их основе, являющиеся частью системы повышения эксплуатационной надежности ЭД, не учитывают некоторых особенностей протекания процессов пропитки и сушки и, как следствие, не обеспечивают требуемого качества изделий, энергоемки, отличаются раздельным выполнением технологических операций, что делает их экологически вредными.
Данное противоречие между требованиями длительной безаварийной работы электродвигателей и низким уровнем повышения их эксплуатационной надежности обусловило необходимость разработки прогрессивных высокоэффективных технологий восстановления и ремонта изоляции. Кроме того, следует иметь в виду, что любое конкретное электрооборудование не может потребить ремонтную услугу без участия персонала ремонтной службы. Поэтому предложение и потребление ремонтной услуги следует рассматривать как единый взаимосвязанный процесс, осуществляемый ремонтной службой, конечным результатом которого является восстановленная работоспособность оборудования, его исправное состояние.
Таким образом, структура исследуемой электротехнологической системы повышения надежности электродвигателей должна содержать модель жизненного цикла электрической изоляции, характеризующуюся тремя группами входов и двумя выходов. Первая группа входов отражает влияние на деградацион-ные процессы физических частично управляемых воздействий - параметров окружающей среды, и режимов работы - внешних воздействующих факторов. Другая группа входов определяет возможность возникновения в системе устраняемых, например, с помощью технических средств защиты, аварийных ситуаций и характеризуется вектором случайных неуправляемых воздействующих факторов с обратимыми изменениями в объекте. Третья группа входов представляет собой комплекс физических воздействий на изоляцию ЭД с целью ограничения влияния внешних воздействующих факторов и, как следствие, замедления протекания процессов ее старения. Данная группа характеризуется вектором технологических параметров, определяющих процессы технического обслуживания и ремонта на протяжении всего жизненного цикла двигателя.
В свою очередь, информация, характеризующая состояние изоляции обмотки, ее остаточный или эксплуатационный ресурс, на выходе системы может быть представлена в виде некоторой скалярной функции, отражающей показатель качества электродвигателя, его работоспособность, но которая, однако, не всегда может быть определена путем непосредственного измерения, или в виде некоторого вектора, характеристики которого могут быть измерены. В рассматриваемом случае данным вектором задается множество диагностических параметров, измерение которых возможно как в процессе эксплуатации, так и ремонта двигателей.
Учитывая вышесказанное, задача наиболее экономически эффективного протекания процесса поддержания и восстановления работоспособности электродвигателей в процессе эксплуатации и ремонта сводится к решению пяти основных подзадач [2].
1. Обеспечение объективной оценки реального состояния двигателя и условий его эксплуатации. Воздействия, вызывающие повреждение изоляционных материалов, оказывают влияние на состояние изоляции электродвигателя не только в процессе выполнения им требуемых функций, но и технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки. Кроме того, выход ЭД из строя обусловлен как уровнем и сочетанием воздействующих факторов, так и конструкцией и техническим состоянием его элементов.
В результате решения первой подзадачи, помимо прочего, были проанализированы все воздействующие на изоляцию ЭД факторы в реальных условиях эксплуатации и ремонта, обоснованно сокращен их перечень.
2. Разработка эффективных методов контроля, диагностики и прогнозирования технического состояния электрической изоляции на основе применения современных технических средств и многофакторных моделей процесса ее старения для определения рациональных сроков проведения профилактических мероприятий и ремонтов. Создание системы повышения эксплуатационной надежности ЭД, широко используемых на предприятиях сельского хозяйства, представляет собой многогранную задачу, которая может быть решена только при реализации комплексного подхода, включающего в себя, наряду с другими эксплуатационными мероприятиями, применение средств диагностики и контроля ЭД, внедрение современных защитных устройств и математическое прогнозирование технического состояния на основе адекватной модели, учитывающей изменение основных характеристик оборудования под воздействием эксплуатационных факторов.
В настоящее время одним из альтернативных информационных каналов в области диагностики является внешнее электромагнитное поле (ВЭМП) электрической машины. Тогда для решения второй подзадачи была обоснована необходимость и разработаны метод и современные технические средства диагностики изоляции электродвигателей на основе использования изменения характера их ВЭМП, а также метод прогноза срока службы электрического двигателя на основе решения задачи количественной оценки степени влияния различных факторов на процессы старения изоляции обмоток статора электродвигателя и, как следствие, на вероятность его безотказной работы.
3. Обеспечение ремонтными службами высокого качества ремонтной услуги путем использования эффективных технологий ремонта и, как следствие, максимального снижения в дальнейшем спроса на нее за счет повышения надежности узлов рассматриваемого электрооборудования. Созданная универсальная установка скоростной вакуумной пропитки и сушки изоляции, в основу которой была положена идея создания градиента давления между двумя сообщающимися сосудами, позволяет моделировать различные режимы восстановления работоспособности двигателей, а дальнейшее наблюдение за ними в реальных условиях поможет собрать необходимые статистические данные о влиянии технологии ремонта ЭД на их последующую эксплуатацию. Для решения третьей подзадачи было выполнено следующее:
— теоретически исследованы процессы переноса теплоты и массы под действием сил различной природы в капиллярно-пористом теле обмотки статора в процессе эксплуатации, хранения и ремонта электродвигателя;
— построены и исследованы математические модели, описывающие как переход от нормального состояния ЭД к аварийному, так и процесс переноса вещества в обмотке двигателя;
— экспериментально подтверждена выдвинутая гипотеза о зависимости ВБР ЭД от факторов эксплуатации и ремонта, а также выявлены наилучшие режимы протекания скоростной вакуумной пропитки и сушки изоляции;
— разработана эффективная технология вакуумной пропитки и сушки обмоток ЭД и оптимизированы параметры технологического процесса.
4. Предложение ремонтной услуги в размере спроса на нее со стороны ЭД в каждый момент времени при использовании теории массового обслуживания. На первом этапе решения задачи минимизации народно-хозяйственных затрат на поддержание ЭД в работоспособном состоянии были описаны показатели надежности группы исследуемых объектов в целом, оперируя показателями надежности каждого элемента, с учетом всех возможных связей между элементами рассматриваемой системы. На втором - осуществлен анализ внутренней структуры исследуемой системы. Тогда отыскание оптимальных графиков обслуживания и ремонта электрооборудования можно осуществить на основе любого из известных методов нахождения экстремума функции.
5. Разработка информационно-программного комплекса средств управления, измерения и прогноза, являющегося элементом системы повышения эксплуатационной надежности электродвигателей. В рамках процесса повышения эксплуатационной надежности электрооборудования, когда требуется
вести сбор, хранение и учет большого количества информации о состоянии объектов, причинах аварийных отказов, выявленных ненадежных узлах, появляется необходимость обработки накопленного объема информации, определения динамики изменения состояния ЭО, а также принятия решения о сроках проведения следующей диагностики, технического обслуживания или ремонта, их объемах и видах. Осуществление указанных мероприятий стало возможным путем создания соответствующего информационно-программного обеспечения, позволяющего производить практические работы по контролю и прогнозированию состояния изоляции электродвигателей, определять материальные и трудовые затраты, осуществлять планы модернизации оборудования.
Таким образом, комплексный подход к решению задач научного исследования позволил впервые получить закономерности протекания процессов старения и восстановления изоляции обмоток под действием факторов эксплуатации и ремонта электродвигателей, дающие возможность выявить основные направления повышения их надежности с минимальными затратами. Разработанная технология восстановления изоляции позволяет обеспечить высокое качество выполнения работ по техническому обслуживанию и ремонту двигателей в короткие сроки в условиях безотходного и экологически чистого производства при экономии материальных и трудовых ресурсов, что при совместном использовании с комплексом средств измерения и прогноза в составе системы повышения надежности ЭД значительно повышает эффективность функционирования последней и уровень эксплуатации названного типа ЭО.
Литература
1. Хомутов, С.О. Электротермовакуумная пропитка и сушка электродвигателей / С.О. Хомутов, АА Гоиба-нов. - Новосибирск: Наука, 2006. - 325 с.
2. Хомутов, С.О. Ситуационное планирование ремонтов электродвигателей на основе их электромагнитной диагностики / С.О. Хомутов, В.А. Рыбаков, В.Г. Тонких. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2007. - 230 с.
УДК 621.365.31 В.С. Рютин
ВОЗНИКНОВЕНИЕ И ПРОТЕКАНИЕ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОГО НАГРЕВА
Рассмотрены особенности нагрева металлов в электролите, представлены теоретические предположения протекания электролитно-плазменного нагрева.
Проведен эксперимент по получению электролитной плазмы при низком напряжении.
Ключевые слова: процесс, теплоотдача, электролитно-плазменный нагрев.
V.S. Ryutin ORIGIN AND PERCOLATION OF THE ELECTROLYTE-PLAZMATIC HEATING PROCESS
The peculiarities of metal heating in the electrolyte are discussed. The theoratical suppositions about the electrolyte-plazmatic heating process are presented. The experiment to receive electrolyte plazma at low voltage is conducted.
Key words: process, heat capacity, electrolyte- plazmatic heating.
Целью настоящей работы является разработка технологии восстановления эксплуатационных характеристик режущего инструмента и деталей сельскохозяйственной техники с помощью электролитной плазмы, с учетом специфики применения в условиях сельскохозяйственных ремонтных мастерских. Процесс электролитно-плазменного нагрева непрерывно связан с кризисом теплоотдачи при кипении жидкости у сильно перегретой поверхности. Поэтому для рассмотрения процесса нагрева необходимо более полное представление процессов, происходящих на границе металл-электролит при возникновении кризиса теплоотдачи при кипении.
