CC BY
58
УДК 621.313
Р. Р. Моисеева, Р. Х. Самигуллина, Н. Г. Баженов, Ю. Н. Зацаринная
ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Ключевые слова: Стуктурно-функциональные модели, вероятность безотказной работы, электромагнитная система
электрической машины.
Анализ причин возникновения отказов в процессе эксплуатации позволяет оптимизировать сроки межремонтного обслуживания электрических машин и повысить эффективность функционирования в условиях постоянного роста удельных нагрузок. В данной работе рассматривается вероятностно-статистические методы моделирования и расчета параметров надежности электродвигателей на основе стуктурно-функциональных моделей с целью определения адекватности оценок параметров.
Keywords: Stukturno-funktsionalnye models, probability of no-failure operation, electromagnetic system of the electric machine.
The analysis of the reasons of emergence of refusals in use allows to optimize terms of between-repairs service of electric machine and to increase efficiency of functioning in the conditions of the continuous growth of specific loadings. In this work it is considered probabilistic and statistical methods of modeling and calculation of parameters of reliability of electric motors on the basis of stukturno-functional models for the purpose of determination of adequacy of estimates ofparameters.
Обеспечение надежности и безопасности эксплуатации электрических машин диктует необходимость оценки выработанного ресурса ответственных конструктивных узлов и анализа скорости накопления повреждений в этих узлах в процессе эксплуатации.
В большей части повреждения проявляются в изоляции обмоток якоря (50%). Это может быть: пробой изоляции (30%), перегрев (26%) и механические повреждения (20%). Причины аварий вызваны нормальным физическим старением и износом (34%), неудовлетворительной смазкой (15%), повышенной влажностью (10%), неисправностями, обнаруженными во время осмотра (30%). Известно, что отказы электрических машин наносят значительный материальный ущерб, который исчисляется млн. рублей. Поэтому повышение надежности электрических машин является важнейшей научно - технической проблемой, способствующей увеличению жизненного цикла машины.
История развития и совершенствования методов оценки надежности позволяет выделить два основных этапа: исследование статистических параметров и изучение физико-статистических характеристик.
Сопоставление методов с точки зрения точности полученных параметров и адекватности моделируемых процессов позволяет выделить их особенности. Статистические методы дают оценку надежности по данным наблюдений в эксплуатации или стендовых испытаний системы на основании характеристик отказов.
Физико-статистические методы
предусматривают исследование и выявление закономерностей влияния входных факторов, ускоряющих износ деталей. Это позволяет сформулировать модели надежности системы, учитывающие влияние эксплуатационных факторов на надежность системы. Модели не являются универсальными, поэтому с изменением конструктивных параметров системы дают
неадекватные оценки, что ограничивает их применение на практике.
Анализ литературных источников, трудов показал, что большинство применяемых методов и средств испытаний, существующие испытательные устройства, диагностические стенды не позволяют выполнять ряд исследовательских вибрационных испытаний. Данные стенды не дают достоверной информации о состоянии изоляции обмоток, не контролируют работоспособность узлов
электрической машины, вероятность безотказной работы (ВБР), параметры потока отказов, что не позволяет комплексно оценивать надёжность электромагнитной системы электрических машин (ЭМС ЭМ).
В связи с этим возникает необходимость разработки новых методов прогнозирования остаточного ресурса электрических машин в процессе эксплуатации. С целью повышения точности оценки и прогнозирования надежности наблюдается переход к использованию новых методов, основанных на теории вероятностей и математической статистики, позволяющие учитывать количественные и качественные закономерности процессов
функционирования изоляции в системе структурно алгоритмического и параметрического синтеза отдельных ее элементов, в условиях неопределенности исходной информации.
Задача повышения достоверности определения повреждений может быть решена путем построения структурно-функциональных схем и разработки математической модели ЭМС ЭМ, определением наиболее эффективных диагностических параметров. В процессе эксплуатации электрического оборудования на его элементы воздействуют внешние и внутренние факторы.
При расчёте надёжности разрабатывается структурная схема надёжности электрической машины, выявляются основные эксплуатационные факторы, влияющие на надёжность, и оценивают их количественно. В структурную схему входят основные узлы машины, подверженные отказам.
Сложность решения задачи анализа и прогнозирования надежности систем обусловлена отсутствием универсальных методов, учитывающих неполноту и неоднородность как исходной информации о надежности самих элементов систем, так и информации о реальной эксплуатации.
Структурная схема надежности является наглядным представлением надежности системы. Она показывает логическую связь компонентов, необходимую для работы системы. Четкие требования надежности, связанные с каждым аспектом функционирования системы, являются необходимой предпосылкой составления структурной схемы надежности.
При построении структурной схемы надежности могут использоваться различные методы количественного анализа. Поэтому необходимо дать четкое определение отказа системы. Работоспособность системы зависит от одного или нескольких отказов системы. Для каждого определения отказа системы следующим шагом является деление системы на логические блоки в соответствии с целями анализа надежности. Отдельные логические блоки могут представлять собой подсистемы, каждая из которых, в свою очередь, может быть представлена своей структурной схемой надежности.
В расчетах надежности электроизоляционных конструкций используют ту характеристику, при которой расчеты получаются проще. Электроизоляционная конструкция состоит из ряда элементов. Отказ одних элементов (токопроводящих жил, электрической изоляции) вызывает немедленное прекращение работы обмотки, т.е. приводит к отказу конструкции в целом. Повреждение других элементов (защитные покровы, упрочняющие элементы) не приводит к немедленному отказу конструкции. Пробой электрической изоляции вызывает прекращение функционирования обмотки, нарушается работа электрической машины.
При разработке модели структурной схемы необходимо определить влияние взаимодействия элементов системы на надежность. Затем необходимо разделить систему на блоки так, чтобы определить логику их взаимодействия в системе. При этом каждый блок должен быть статистически независимым. Для простоты числовой оценки каждый блок должен содержать только такие элементы, которые соответствуют одному и тому же статистическому распределению наработок до отказа.
Проанализировав по структурно-
функциональной схеме зависимость вероятности отказа от состояния сопряженного элемента можно составить обобщенное уравнение отказа для всей системы в целом.
N
0«) -1 -п (1 - О, (/))
I=1
Работа электрической изоляции происходит в условиях одновременного действия на нее электрического поля, механических напряжений, температуры, химически активных веществ и других факторов. Воздействующие на электрическую
изоляцию нагрузки с течением времени не остаются постоянными. Комбинации различных воздействий на электрическую изоляцию изменяются случайным образом. Таким образом, в каждый момент времени комбинация нагрузок на электрическую изоляцию будет различной, что приведет к изменению срабатывания ее ресурса.
В результате скорость износа деталей и узлов изменяются. Тем самым изменяются характеристики надежности и долговечности деталей. Поэтому важным этапом анализа является установление влияния физических факторов на их надежность, т.е. определение основных закономерностей физики отказов.
В зависимости от того, как формируется поток отказов элементов во времени, будут меняться функции надежности.
Рис. 1 - Вероятность безотказной работы электрических машины при внезапных отказах
Зависимость 1 характеризует надежность системы с учетом внезапных отказов полученную расчетным путем. Характеристика 2 оценивает надежность, полученную по экспериментальным данным.
Полученные графические зависимости могут откланяться от истинных значений. Поэтому необходимо определить уровень доверительного интервала для заданной вероятности. Задача заключается в том чтобы найти такие функции вероятности Р, которые бы характеризовали их с определенным уровнем доверия.
Вероятность безотказной работы в течении наработки системы ^ + при условии
работоспособности к началу интервала, определяется по формуле:
Р(М2) ='
ехр - \Л(х)с1х _ 0 _
ехр - ¡Л(х)сСх _ 0 _
где Л(х) - поток отказов.
Приведенный анализ показывает, что надежность изоляции имеет довольно высокий уровень остаточного ресурса.
Аналитические методы определения надежности технических систем предусматривают допущения для технических систем, имеющих сложные внутренние структуры и функциональные связи и подверженных сильным воздействиям заводских и эксплуатационных факторов, которые на практике не выполняются, что создает необходимость использования таких методов моделирования,
которые снимали бы принимаемые ограничения и принятые условия.
Литература
1. Анилович В.А., Гринченко А.С., Литвиненко В.Л., Чернявский И.Ш. Прогнозирование надежности тракторов. М.: Машиностроение,1986.
2. Берестнев О.В., Солитерман Ю.Л., Гоман А.М., "Нормирование надежности технических систем Изд - УП "Технопринт", 2004г, 265стр.
3. Моисеева Р.Р., Баженов Н.Г., Самигуллина Р.Х., Зацаринная Ю.Н. Переходные процессы в электрических машинах постоянного тока// Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - N»11 - С. 232237.
4. Моисеев А.Л., Шаров В.В., Моисеева Р.Р., Зацаринная Ю. Н. Автоматизированная система контроля электрических параметров питания узлов компьютерных сетей// Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - №11 - С. 240-242.
© Р. Р. Моисеева - асс. каф. электрических станций КГЭУ, milawka-86@mail.ru; Р. Х. Самигуллина - доц. каф. электрического транспорта КГЭУ; Н. Г. Баженов - канд. тех. наук, доцент той же кафедры; Ю. Н. Зацаринная - канд. тех. наук, доцент кафедры электрических станций КГЭУ; доц. каф. автоматизированных систем сбора и обработки информации КНИТУ, zac_jul@mail.ru.
© R. R. Moiseeva - assistant to chair "Power Plants" (ES), KSPEU, milawka-86@mail.ru; R. H. Samigullina - assistant professor, Department of "electric vehicles" KSPEU; N. G. Bagenov - assistant professor, Department of "electric vehicles" KSPEU; J. N. Zatsarinnaya - assistant professor of electrical stations, KSPEU; Associate Professor of automated systems for collecting and processing information KNRTU, zac_jul@mail.ru.
