CC BY
30
УДК 621.313.04
В.А. Буторин, И.Б. Царев, Р.В. Банин, А.Ю. Шарпилов
ВРЕМЯ ПЕРВОЙ ПРОВЕРКИ СОСТОЯНИЯ КОНТАКТОВ МАГНИТНОГО ПУСКАТЕЛЯ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ», ТРОИЦК, РОССИЯ
V.A. Butorin, I.B. Tsarev, R.V. Banin, A.Y. Sharpilov TIME OF FIRST CHECK OF CONDITION CONTACT MAGNETIC PUSHER FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION «SOUTH URAL STATE AGRARIAN UNIVERSITY», TROITSK, RUSSIA
Владимир Андреевич Буторин
Vladimir Andreevich Butorin
доктор технических наук, профессор
butorin_chgau@list.ru
Игорь Борисович Царев
Igor Borisovich Tsarev
кандидат технических наук, доцент
tsarev@citydom.ru
Роман Валерьевич Банин
Roman Valerievich Banin кандидат технических наук, доцент barom@mail.ru
Антон Юрьевич Шарпилов
Anton Yurevich Sharpilov pdrchel@mail.ru
Аннотация. В статье описан состав элементов, входящих в электромеханическую систему электропривода, отмечено, что он является основным потребителем электроэнергии. Отказ любого элемента приводит к выходу из строя электропривода и остановке технологического процесса, и следовательно, к технологическому ущербу сельского товаропроизводителя. Дан анализ сроков службы электроприводов по отраслям и в целом по сельскому хозяйству. Приведен процент выхода из строя электроприводов из-за отказа магнитных пускателей. На основании статистики выхода из строя магнитных пускателей показано, что наиболее слабым элементом являются его силовые контакты. Рассмотрены определяющие и вспомогательные параметры технического состояния контактов. Выбран для использования при испытании контактов определяющий параметр - падение напряжения на переходном сопротивлении контактов. Показано, что наиболее универсальной зависимостью, описывающей процесс увеличения падения напряжения на контактах магнитных пускателей в процессе эксплуатации, является степенная функция. На основании этой функции показано аналитическое выражение оценки времени первой проверки состояния контактов магнитных пускателей.
Ключевые слова: магнитный пускатель, контакты, проверка состояния контактов, вероятность работоспособного состояния.
Abstract. The article describes the composition of the elements included in the electromechanical system of the electric drive, it is noted that it is the main consumer of electricity. Failure of any element leads to failure of the electric drive and stopping the technological process, and consequently, to technological damage to the agricultural producer. An analysis of the service life of electric drives by industry and in general in agriculture is given. The percentage of failure of electric drives due to the failure of magnetic starters. Based on the statistics of the failure of magnetic actuators, it is shown that the weakest element is its power contacts. Considered defining and auxiliary parameters of the technical condition of the contacts. Selected for use in testing contacts determining parameter - the voltage drop across the contact resistance of the contacts. It is shown that the most universal dependence describing the process of increasing the voltage drop at the contacts of magnetic starters during operation is a power function. On the basis of this function, an analytical expression is shown for estimating the time of the first check of the state of the contacts of magnetic starters.
Keywords: magnetic starter, contacts, checking the state of contacts, probability of working state.
Введение. Магнитный пускатель относится к важнейшим элементам электропривода, который является электромеханической системой, служащей для привода в движение функциональных органов машин и агрегатов при выполнении определенного технического процесса. Электрический привод состоит из электродвигателя, устройства преобразования, управления и передачи. Наибольшее применение магнитные пускатели нашли в системе управления электропривода. Электропривод служит главным источником механической энергии в промышленности и хозяйстве, он потребляет до 60% электрической энергии и является её главным потребителем [1].
В большинстве случаев надежность технологических процессов в сельском хозяйстве определяет работоспособность электроприводов. Отказ элемента электропривода приводит к отказу всего электропривода и прерывает работу технологического процесса, что приводит к значительному технологическому ущербу сельских
товаропроизводителей.
Методика. Анализ литературных источников, на основе методики сравнения данных, приводимых различными авторами, позволивший определить средний срок службы электроприводов в условиях сельскохозяйственного производства, а также установить срок службы электроприводов по его различным отраслям и срок службы магнитных пускателей марки ПМЕ и ПМА в животноводстве для отдельных областей РФ. Методы теории вероятностей, включая методику оценки математического ожидания и среднеква-дратического отклонения, зависящих от параметра по степенному закону. Кроме того, методику замены переменной в определенном интеграле, позволившую свести задачу к отысканию квантиля стандартного нормального распределения, исходя из заданного уровня вероятности того, что падение напряжения на переходном сопротивлении контактов магнитного пускателя меньше максимально-допустимого значения.
Вестник Курганской ГСХА № 2, 2019 Технические науки 59
Результаты. Средний срок службы электроприводов в условиях сельскохозяйственного производства по сведениям различных авторов колеблется от 1 года до 4 лет [2-7].
Срок службы электроприводов по отраслям сельскохозяйственного производства представлен в таблице [8].
Таблица - Срок службы электроприводов по отраслям сельскохозяйственного производства
Наименование отрасли Срок службы, лет
Растениеводство 3,4
Птицеводство 3,16
Свиноводство 3,09
КРС 2,88
отклонение а(0 которой, зависят от наработки f по степенному закону
= Ша + тъ1а\
ст(0 = оа + аъ*
а
(2) (3)
В работе [9] приведены данные числа отказов элементов электроприводов в сельском хозяйстве. Согласно этих исследований ежегодно выходит из строя до 30% электродвигателей, 16% магнитных пускателей, 12% автоматических выключателей. Сроки службы магнитных пускателей серии ПМЕ и ПА по Смоленской, Тамбовской области и Краснодарскому краю находятся в пределах от 2,5 до 3 лет.
Приведенный в работе [9] анализ литературных источников показывает, что причины отказов магнитных пускателей распределены следующим образом: 40% - из-за воздействия агрессивной среды, 35% - из-за низкого качества эксплуатации, 25% - из-за несоответствия нагрузки паспортным данным. Статистика отказов показывает [10], что 60% от их общего количества обусловлено повреждением контактов и катушек магнитного пускателя, среди которых 44% - контакты и 16% - катушка.
Определяющими параметрами технического состояния контактов электромагнитных аппаратов являются переходное сопротивление, падение напряжения и температура нагрева. К вспомогательным параметрам технического состояния контактов относятся площадь сопротивления, раствор, провал, усилие сжатия этих контактов [11]. При диагностировании контактов магнитных пускателей целесообразно использовать падение напряжения.
При прогнозировании значений выбранного параметра технического состояния следует выбрать аналитическое выражение, имеющее наивысший уровень сходимости с данными эксплуатационных наблюдений. В качестве аналитических выражений используются различные зависимости: линейная, степенная, экспоненциальная, логарифмическая и др.
В работе [12] при прогнозировании долговечности электродвигателей использовалась линейная зависимость параметра технического состояния от наработки.
Исследования, проведённые на кафедре «Электрооборудование и электротехнологии» ФГБОУ ВО «Южно-Уральский ГАУ» показали, что наиболее универсальной функцией, описывающей деградацию большинства элементов электрооборудования, включая световые приборы, термоэлектрические маты, контактно-щёточные узлы и т. д., является степенная зависимость [13-16], для которой линейная является частным случаем. Поэтому целесообразно принять, что, падение напряжения и на переходном сопротивлении контактов магнитного пускателя - случайная величина с нормальной плотностью распределения
(1)
математическое ожидание и среднеквадратическое
где та и аа - математическое ожидание и среднеквадра-тическое отклонение падения напряжения на переходном сопротивлении контактов при вводе магнитного пускателя в эксплуатацию; ть и аь - скоростные параметры изменения математического ожидания и среднеквадратического отклонения в течении наработки, измеряемой в циклах включений-выключений.
Наработка, при которой производится первая проверка контактов, может быть определена исходя из заданного уровня вероятности безотказной работы магнитного пускателя. Вероятность Р, с которой падение напряжения на переходном сопротивлении контактов не превосходит предельно-допустимое значение итах, рассчитывается по формуле
Р =
.
(4)
Подставляя в равенство (4) выражение для плотности распределения (1), получим формулу, на основании которой может быть найдена искомая наработка:
Р
1
~ шах
I л&(/)
ехр
2<г(0
(5)
Величина итах в выражении (5) по определению является квантилем, соответствующим вероятности Р для нормального распределения (1) с математическим ожиданием (2) и среднеквадратическим отклонением (3). Чтобы свести задачу к стандартному нормальному распределению (т=0 и а=1), для которого квантили - табулированная функция от вероятности [16], произведем в интеграле (5) замену переменной
х ■
Ц-т{ 0
.
(6)
После указанной замены выражение (5) преобразуется к виду:
и ^ Г 2 >
,
(7)
где и - новый предел интегрирования, соответствующий произведенной замене:
I!
и - ■
т(0
(8)
Как видно из формулы (7), и - является квантилем, отвечающим вероятности Р, для стандартного нормального распределения.
Подставляя в формулу (8) математическое ожидание
(2) и среднеквадратическое отклонение (3), соответствующее наработке Т1 при первой проверке контактов, получим равенство
а =
rr,a
(9)
из которого легко выразить T1:
(10)
Выводы. Выражение (10) позволяет рассчитать наработку Т1, при которой производится первое диагностирование магнитных пускателей, исходя из заданного уровня вероятности Р того, что падение напряжения на переходном сопротивлении контактов меньше максимально-допустимого значения итах Эта вероятность входит в выражение (10) неявно, а через квантиль и уровня Р для стандартного нормального распределения, который является табулированной функцией от указанной вероятности.
Список литературы
1 Ильинский Н.Ф. Основы электропривода: учебное пособие для вузов. 2-е изд. пер. и доп. М.: Издательство МЭИ, 2003. 220 с.
2 Пястолова И.А., Тлеуов А.Х. Анализ истока отказов электродвигателей в сельском хозяйстве // Труды ЧИМЭСХ: Повышение надежности работы электроустановок в сельском хозяйстве, 1986. С. 63-68.
3 Хомутов О.И. Система технических средств и мероприятий повышения эксплуатационной надежности изоляции электродвигателей, используемых в сельско-хозйственном производстве: дис. ... докт. техн. наук. Челябинск, 1990. 450 с.
4 Данилов В.Н., Оськин С.В. О защите электродвигателей от работы в аварийных тепловых режимах // Состояние и перспективы совершенствования разработки производства асинхронных электродвигателей: тезисы доклада Всесоюзной научно-технической конференции. М.: Информэнерго, 1985. С. 25.
5 Оськин С.В. Температурная защита электродвигателей кормоцехов агропромышленного комплекса: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Челябинск, 1987. 145 с.
6 Граматович Э.К. Исследование влияния режимов работы электродвигателей животноводческих ферм на срок их службы: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Челябинск, 1976. 30 с.
7 Панькин В.В., Борисов Ю.С. Определение срока службы электродвигателей и пускозащитной аппаратуры в животноводческих фермах: в книге электропривод поточных линий в сельском производстве. М.: ВИЭСХ, 1979. Т. 48. С. 55-62
8 Мартко Е.О. Влияние состояния межвитковой изоляции на работу двигателей на предприятии сельского хозяйства // Ползуновский альманах. Барнаул: АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 2011. № 2. С. 111-114.
9 Швецов М.С. Оценка послеремонтной надежности испытаний пускателей в животноводстве методом ускоренного определения коммутационного ресурса их контактов : дис. ... канд. техн. наук Челябинск, 2001. 167 с.
10 Таев И.С. Пути повышения надежности и ресурса электрических аппаратов. М.: МЭИ, 1988. 96 с.
11 Ерошенко Г.П., Кондратьева Н.П. Эксплуатация
электрооборудования: учебник. М.: ИНФА-М, 2014. 336 с.
12 Сырых Н.Н., Некрасов А.А. Математическая модель обоснования стратегии обслуживания электрооборудования // Техника в сельском хозяйстве. 2009. № 3. С. 17-20.
13 Буторин В.А. Эксплуатация и надёжность восстановленного электрооборудования. Челябинск: РИО ЧГАУ. 2006. - 164 с.
14 Буторин В.А., Вовденко К. П., Царёв И.Б. Прогнозирование ресурса светильников со светодиодами, определяемого спадом светового потока // Светотехника. 2014. - № 6. - С. 57-58.
15 Буторин В.А., Ткачёв А.Н. Оценка ресурса плёночных лучистых электронагревателей // Электротехника. 2018. № 3. С. 48-51.
16 Айвазян С.А. и др. Прикладная статистика: Исследование зависимостей : Справ. изд. / И.С. Енюков, Л.Д. Мешалкин / под ред. С.А. Айвазяна. М.: Финансы и статистика, 1985. 487 с.
List of reference
1 Ilinsky N.F. Fundamentals of electric drive: a textbook for universities. 2nd ed. per. and add. M.: Moscow Energy Institute Publishing House, 2003. 220 p.
2 Pyastolov I.A., Tleuov A.Kh. Analysis of the source of failures of electric motors in agriculture // Works Chelyabinsk Institute of mechanization and electrification of agriculture: Improving the reliability of electrical installations in agriculture, 1986. Рр. 63-68.
3 Khomutov O.I. The system of technical means and measures to improve the operational reliability of insulation of electric motors used in agricultural production: dis. ... Dr. tech. sciences. Chelyabinsk, 1990. 450 р.
4 Danilov V.N., Oskin S.V. On the protection of electric motors from work in emergency thermal conditions // Status and prospects for improving the development of the production of asynchronous electric motors: Theses of the report of the All-Union Scientific and Technical Conference. M.: Infor-menergo, 1985. Р 25.
5 Oskin S.V. Temperature protection of electric motors of feed shops of the agro-industrial complex: author. dis. ... Cand. tech. sciences. Chelyabinsk, 1987. 145 p.
6 Gramatovich E.K. Research of influence of operating modes of electric motors of livestock farms for the term of their service: author. dis. ... Cand. tech. sciences. Chelyabinsk, 1976. 30 р.
7 Pankin V.V., Borisov Yu.S. Determination of the service life of electric motors and start-protective equipment in livestock farms: in the book, electric drive of production lines in rural production. M.: All-Russian Institute of Electrification of Agriculture, 1979. T. 48. Рр. 55-62.
8 Martko E.O. The influence of the state of inter-turn insulation on the operation of engines in an agricultural enterprise // Polzunovsky Almanac. Barnaul: Altai State Technical University named after I.I. Polzunova, 2011. № 2. Pр. 111-114.
9 Shvetsov M.S. Evaluation of the post-repair reliability of starters testing in animal husbandry by the method of accelerated determination of the switching resource of their contacts: dis. ... Cand. tech. Sciences Chelyabinsk, 2001. 167 р.
10 Taev I.S. Ways to improve the reliability and resource of electrical devices. M.: Moscow Energy Institute, 1988. 96 p.
11 Eroshenko G.P., Kondratyeva N.P. Electrical equipment operation: a textbook. M.: INFA-M, 2014. 336 p.
12 Syrykh N.N., Nekrasov A.A. Mathematical model of the justification of the strategy of maintenance of electrical equipment // Technique in agriculture. 2009. № 3. Рр. 17-20.
