Кафедра электротехники и электрических машин Лекция № 1 по дисциплине «Надежность электрооборудования предприятий и учреждений»

для студентов направления подготовки:

13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»

Тема № 1. Безотказность электрооборудования

Краснодар 2015 г

Цели: 1. Формирование следующих компетенций:

1. ПК-7. Готовность обеспечивать требуемые режимы и заданные параметры технологического процесса по заданной методике.

2. ПКД-2. Способность проводить экспериментальные исследования в профессиональной области и обрабатывать результаты экспериментов.

2. Формирование уровня обученности:

должны знать основы методов обеспечения требуемых режимов и заданных параметров технологического процесса по заданной методике.

Материальное обеспечение:

Проектор, ПК.

Учебные вопросы

Вводная часть.

Основная часть:

1. Основные понятия и термины надежности.

2. Показатели безотказности невосстанавливаемых объектов.

3. Показатели безотказности восстанавливаемых объектов.

Заключение.

Литература

1. Шишмарев, В.Ю. Надежность технических систем [Текст]: учеб. для вузов / В.Ю. Шишмарев. – М.: Академия, 2010. – 304 с. 2. Александровская, Л.Н. Современные методы обеспечения безотказности сложных технических систем: Учебник / Л.Н. Александровская, А.П. Афанасьев, А.А. Лисов. – М.: Логос, 2013. – 208 с.

Безотказность электрооборудования

1. Основные понятия и термины надежности электрооборудования.

Термины и определения основных понятий в области надежности для применения в науке и технике установлены действующим стандартом «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения» ГОСТ 27002-89.

Важнейшей качественной характеристикой объекта является его надежность. В соответствии с ГОСТом под надежностью понимается свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Надежность электооборудования. ее сборочных единиц и деталей является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безопасность, долговечность, ремонтопригодность сохраняемость или сочетания этих свойств

Под объектом понимается предмет, имеющий определенное целевое назначение, рассматриваемый на всех этапах его существования, т. е. в периоды проектирования, производства, эксплуатации, исследования и испытания на надежность.

Под параметрами, характеризующими способность выполнять требуемые функции электооборудования, понимают мощность, скорость, силу тяги, расход электроэнергии, и т.п., которые установлены соответ­ствующей документацией. К нормативно-технической, эксплуата­ционной и ремонтной документации относят рабочие чертежи завода-изготовителя, технические условия, ПТЭ, инструкции и правила по техническому обслуживанию и ре­монту, хранению и транспортированию, ГОСТы.

Надежность является основной характеристикой качества технического объекта. Под качеством по­нимается совокупность свойств, определяющих степень пригоднос­ти использования объекта по назначению.

О пределение основных понятий теории надежности осуществляется через ключевое понятие — работо­способность, или работоспособное состояние, т.е. такое состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требовани­ям нормативной и (или) конструк­торской (проектной) документации.

Для каждой детали любого технического устройства устанав­ливается набор параметров, определяющих ее работоспособ­ность. Например, для щетки тягового электродвигателя (ТЭД) такими параметрами являются:

h, а, b — геометрические размеры;

p_v — удельное сопротивление;

p_s — удельное поверхностное сопротивление;

Н — прочность (твердость);

% Н₂0 — увлажненность; Щетка ТЭД

% S — процентное содержание серы и пр.

Основной функцией щетки ТЭД является подача напряжения на коллектор тягового двигателя с минимальными потерями электроэнергии и без создания ситуаций, ведущих к потере работоспособности всего двигателя.

Вследствие трения щетки о поверхность коллектора происхо­дит ее износ, уменьшается высота щетки, а также сила нажатия щеток на коллектор. Когда сила нажатия становится слишком малой, возможен отрыв щеток от коллектора, возникновение ис­крения, которое может перейти в круговой огонь по коллектору с перебросом дуги на корпус ТЭД.

Аналогично при трении щетки о внутренние поверхности щетко­держателя происходит износ щеток по толщине и ширине, что вызы­вает ее прекос в гнезде щеткодержателя, повышение вибрации, искрение и т.д. Увеличение удельного объемного и поверхностного co­противления приводит к возрастанию электрических потерь, разогре­ву и уменьшению механической прочности щетки, вызывая ее растрес­кивание, сколы, что также может привести к возникновению кругово­го огня и перебросу дуги на корпус двигателя. Величины объемного и поверхностного сопротивления в значительной степени зависят от процентного содержания серы в углеродной массе. Кроме того, меха­ническая прочность щеток резко снижается с увеличением их увлаж­ненности (процентного содержания воды в графите).

Кроме названных, существует еще ряд параметров, которые в значительной степени влияют на выполнение щеткой ее функ­ций, например, переходное сопротивление от медного шунта к телу щетки, обрыв медных нитей шунта — уменьшение его по­перечного сечения и т.д.

Таким образом, даже у такого элементарного объекта, как щет­ка ТЭД, насчитывается более десятка технических (контролируе­мых) параметров, определяющих ее работоспособное состояние. У более сложных технических объектов число параметров может исчисляться сотнями и несколькими тысячами контролируемых параметров. И дело заключается не только в том, чтобы перечислить парамет­ры технического объекта, но необходимо разработать методику и сконструировать аппаратуру для измерения этих параметров.

Для каждого технического параметра устанавливаются допус­ки, т.е. минимальное и максимальное значения, внутри которых может находиться значение параметра при эксплуатации:

— поле допуска.

В процессе эксплуатации контролируемые параметры меняют­ся в результате изнашивания или старения.

Если все параметры, характеризующие способность объекта выполнять заданные функции, находятся внутри допусков, уста­новленных требованиями нормативно-технической документа­ции, то этот объект находится в работоспособном состоянии.

Если хотя бы один (или несколько) параметр выходит за пре­делы установленных допусков, то этот объект переходит в нера­ботоспособное состояние — отказывает.

О тказ — это событие, за­ключающееся в потере рабо­тоспособного состояния в результате выхода значений одного или нескольких кон­тролируемых параметров за пределы установленных до­пусков. Такие отказы, кото­рые возникают в процессе плавного изменения контро­лируемого параметра, назы­ваются постепенными отка­зами (параметрический отказ). Отказ, наступивший в результате рез­кого скачкообразного изменения параметра, называется внезапным.

Реализации контролируемого параметра

На рисунке показаны реализации изменения контролируемо­го параметра в зависимости от продолжительности эксплуата­ции — наработки изделия.

В соответствии с ГОСТ 27.002-89 наработка — это физическая величина, служащая для измерения продолжительности работы технического изделия в единицах физического времени — часах, сутках, годах и т.п., или в других единицах — километрах про­бега, числе циклов включений, количестве израсходованной элек­троэнергии и т.д.

В момент времени возник постепенный отказ в результате выхода, например, высоты щетки ТЭД за минималь­но допустимый предел вследствие ее изнашивания. Наработка до этого отказа составила . В момент возник внезапный отказ, например, в результате резкого уменьшения высоты — скола щетки ТЭД. Наработка до этого отказа составила .

Для того чтобы определить, находится тот или иной объект в работоспособном состоянии или нет, необходимо:

• иметь перечень всех технических параметров, характеризую­щих способность этого объекта выполнять заданные функции;

• для каждого параметра установить максимально и мини­мально допустимые его значения;

• разработать методику и сконструировать аппаратуру измере­ния (контроля) значений каждого из параметров.

Если в результате такого контроля окажется, что все параметры объекта находятся в пределах установленных допусков, то этот объект находится в работоспособном состоянии. Если хотя бы один из параметров вышел за пределы установленных допусков, то такой объект считается потерявшим работоспособность — отказавшим.

Описанная процедура установления работоспособного (или не­работоспособного) состояния технического объекта требует выпол­нения большого объема научно-исследовательских работ и конструкторских разработок перед сдачей объекта в эксплуатацию.

Исправным является такое состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям, установленным нормативно-тех­нической документацией — исправность объекта не нарушена. Если хотя бы одно из таких требований не удовлетворено, то объект пе­реходит в неисправное состояние, возникает его неисправность.

Если объект при нарушении исправности все же оказывается способным выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатаци­онные показатели в пределах, установленных нормативно-техни­ческой документацией, то он находится в работоспособном со­стоянии, т. е. сохраняет свою работоспособность.

Например, перегорание лампы освещения машинного отделе­ния, нарушение окраски корпуса электродвигателя, его загрязненность не переводят его в неработоспособное состо­яние, так как не нарушена возможность выполнения его задан­ных функций.

Таким образом, понятие исправность шире, чем работоспо­собность. Работоспособный объект может быть неисправным, однако неисправность при этом не может быть существенной и не может нарушать нормального функционирования объекта.

Предельным является такое состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена или становит­ся невозможной. Признаки (критерии) такого состояния объекта должны быть установлены по нормативно-технической документа­ции. Неремонтируемый объект достигает предельного состояния при возникновении отказа или при достижении заранее установленного предельного срока службы или суммарной наработки.

Для ремонтируемых объектов предельное состояние наступает в момент, когда дальнейшая эксплуатация становится невозможной или нецелесообразной по одной или нескольким из следующих причин:

• неустранимые нарушения требований безопасности, безотказ­ности или снижение эффективности;

• износ и (или) старение до такого состояния, при котором ремонт требует недопустимо больших затрат или не обеспечивает необхо­димой степени восстановления работоспособности и исправности. Для сборочных единиц и деталей электрооборудования момент достижения предельного состояния чаще всего определяется условиями обес­печения безопасности эксплуатации или обслуживающего персонала, недопустимым снижением эффективности использова­ния и безотказности, невозможностью восстановления работос­пособности без больших затрат.

В процессе своего существования объекты могут находиться в одном из указанных состояний и переходить из одно­го состояния в другое. Такие переходы являются событиями, разли­чающимися в зависимости от того, нарушается или нет их исправ­ность или работоспособность. Среди терминов, отражающих специ­фику надежности электрооборудования, наиболее важными являются понятия отказ и повреждение, которые и определяют вид таких событий.

Согласно ГОСТ 32.46-95 отказ электрооборудования — это событие, заключающе­еся в нарушении работоспособности электрооборудования, вследствие которого тре­буется восстановление или замена сборочных единиц и деталей, или регулировка их характеристик в период между плановыми видами технического обслуживания и ремонтов или во время проведения, если это восстановление (замена, регулировка) не входит в объем обязательных работ и если необходимое для их выполнения время или трудоемкость превышает установленные нормы.

Повреждение — событие, заключающееся в нарушении ис­правности объекта.

Для электрооборудования большое значение имеет разграничение и соотноше­ние понятий отказа и повреждения в разных условиях и ситуаци­ях. Повреждение электрооборудования может быть существенным и несуществен­ным в зависимости от последствий перехода от исправного состо­яния к неисправному. Если при таком переходе оказывается на­рушенной работоспособность, то произошло существенное по­вреждение, отказ. Переход в неисправное состояние при сохране­нии работоспособности является несущественным повреждением.

При несущественном повреждении не должно быть проявле­ния ни одного из признаков отказа. Эксплуатация электрооборудования может быть продолжена до ближайшего технического обслуживания или ремонта, во время которых это повреждение устраняется без превышения планового объема работ. В эксплуатации воз­можны случаи, когда несущественные повреждения отдельных деталей могут перейти в категорию существенных. Например, поверхностное повреждение изоляции машины (аппарата) в те­чение некоторого времени может не отразиться на работоспособ­ности, но в дальнейшем может привести к пробою изоляции и отказу не только этой машины (аппарата), но и всего электрооборудования в целом.

Признаком отказа или отнесения повреждения к отказу, вытека­ющим из определения, является необходимость проведения восста­новления любого вида или работ по замене сборочной единицы или детали. При этом определяющим для классификации события в виде отказа электрооборудования является невозможность выполнения функций из-за наличия существенного повреждения. Повреждение, обнаруженное при производстве планового технического об­служивания или ремонта детали и вызвавшее завышение объема работ, считается скрытым отказом этой детали. Если же это повреждение приводит к увеличению простоя или трудоемкости ремонта против установленных норм, то такое повреждение считается скрытым отказом электрооборудования в целом.

Надо различать отказы электрооборудования в целом и от­казы ее сборочной единицы. Если отказ сборочной единицы не вы­зывает последствий в виде указанных критериев отказа, то это не означает отказа электрооборудования. Если в результате отказа сборочной единицы проявился хотя бы один из критериев отказа, имеет место одновре­менно и отказ электрооборудования в целом.

Исследование, анализ, оценка надежности электрооборудования, их сборочных единиц и деталей невозможны без тщательного документального учета обстоятельств и последствий нарушения работоспособности. Такой учет требует использования частных критериев, качественных характеристик отказов и повреждений, т.е. определения характера, причин, последствий и принятых мер по их устранению.

Как показывает практика эксплуатации и теоретические обобщения, причинами отказов могут быть недостатки конст­рукции, низкое качество изготовления и использованных мате­риалов, нарушения правил обслуживания и ремонтов, воздей­ствие повышенных нагрузок и внешних (климатических) усло­вий, разрушение вспомогательных и сопряженных деталей, ес­тественные процессы изнашивания и старения.

При оценке надежности объектов по ГОСТ 27.002-89 рекомен­дуется отдельно учитывать те отказы, которые явились следствием нарушения правил и норм эксплуатации, несовершенством или нарушением установленных правил и (или) норм проектирования и конструирования, а также нарушением установленного процесса изготовления или ремонта. Однако специфические условия изготов­ления и эксплуатации электрооборудования определили необходимость некоторой детализации подобного рода отказов. Для этого ГОСТ 32.46-95 ус­танавливает их классификацию по следующим причинам:

• конструкционный отказ — отказ, возникший по причине, свя­занной с несовершенством конструкции или нарушением ус­тановленных правил и (или) норм проектирования или конструирования;

• технологический отказ — отказ в результате несовершенства или нарушения технологического процесса изготовления на заводе;

• эксплуатационный отказ — отказ, возникший по причине, свя­занной с нарушением установленных правил и (или) условий эксплуатации (ГОСТ 27.002-89);

• ремонтный отказ — отказ, возникший в результате нарушения установленных правил ремонта ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ при выполнении его в локомотивном депо или на специализированном ремонтном предприятии;

• изготовительские отказы — отказы, возникшие по вине по­ставщика и включающие в себя конструкционные и техноло­гические отказы;

  • потребительские отказы — отказы, возникшие по вине потребите­ля и включающие в себя эксплуатационные и ремонтные отказы. К принятым мерам по устранению отказа (неисправности) относят выполнение одной из следующих работ: восстановление (ремонт), замена новым, регулировка, модернизация объекта.

При определении характера отказа и последствий очень важно объективное и полное изложение всех сведений и данных.

При разработке мероприятий по повышению безотказности ТПС очень важно учитывать те физико-химические процессы, ко­торые изменяют состояние рассматриваемого объекта и приво­дят к нарушению его работоспособности.