книги из ГПНТБ / Рябинин И.А. Надежность судовых электроэнергетических систем и судового электрооборудования учебник

Для электроприводов, отказы которых возникают во время ра­ боты и устраняются как во время работы [параметр потока отказов

( 0 р . Р (0 J> т а к и в нерабочее время [параметр потока отказов сор. „(/)], вероятность безотказной работы определяется по формуле

121

надежности электроприводов от условии эксплуатации: частота отказов соо б на Индийском направлении более чем вдвое превышает соо б иа Северном направлении-

Средняя наработка на отказ Т0 (для рабочих отказов) или сред­ нее время эксплуатации на отказ т 0 (для нерабочих отказов или от-

m

,1

,2

3

Рис. 39. Вероятность безотказного состояния электро­ приводов грузовых лебедок на судах типа «Муром» при эксплуатации на различных направлениях.

казов всех групп классификации) в период установившейся эксплуа­ тации при ©р = const, ш о 0 = const определяются по формулам

1

совпадающим с формулами, полученными в гл. 2.

§ 18. Надежность аппаратов управления, защиты и полупроводниковых приборов

В зависимости от применяемого способа управления судовыми устройствами, системами и механизмами, т. е. способа их включения, выключения, реверса, регулирования скорости, поддержания по­ стоянства тех или иных параметров источников питания и т- д., используют неавтоматические или автоматические выключатели, путевые и конечные выключатели, магнитные контроллеры, командоконтроллеры, магнитные пускатели, контакторы, реле в цепях уп­ равления и защиты.

мыслового флота и сведенным в табл. 26, установлено, что наиболее

122

распространенными видами неисправностей выключателей являются: коррозия резьбовых соединений, которая возникает из-за нестой­ кости цинкового покрытия, что делает невозможным вскрытие вы­ ключателя и его обслуживание; отсутствие фиксации подвижных частей; высыхание и как следствие—растрескивание, а также по­ теря эластичности уплотнительных прокладок под воздействием повышенной температуры и в результате старения, что приводит к попаданию внутрь выключателей влаги, вызывающей коррозию деталей. Отмечено значительное число неисправностей, вызванных коррозией корпуса выключателей, при этом наилучшей антикорро­ зионной стойкостью обладают корпуса из силумина и бронзы, наи­ худшей — из сплава МГ. Указанные неисправности чаще всего наблюдаются у выключателей, размещенных в помещениях машин­

которой наиболее подвержены корпус и резьбовые соединения. Высы­ хание и растрескивание, а также потеря эластичности уплотнитель­ ных прокладок способствуют проникновению влаги внутрь выклю­ чателя, что приводит к коррозии и заеданию рычажного механизма.

Наибольшее число неисправностей, вызванных коррозией, встре­ чается у дверных выключателей, расположенных в коридорах и там­ бурах, а также на открытых палубах.

Неисправности р у б и л ь н и к о в характеризуются чрезмер­ ным нагревом токоведущих частей и обгоранием главных контактоз. Нагрев токоведущих частей вызывается окислением или сильным

123

об гор ami ем контактных поверхностей ножей, стоек, мест присоеди­ нения подвижных шин, ослаблением нажатия, создаваемого пружи­ нами контактов, и ослаблением затяжки винтовЧасто оказывается невозможным включить рубильник вследствие заедания фиксирую­

1) контактор нечетко включается или вовсе не включается при подаче напряжения. Это происходит из-за обрыва в цепи втягиваю­ щей катушки, неисправности блок-контакта, механического заеда­ ния подвижной системы, задевания контактов о стенки дугогасительной камеры, чрезмерного нажатия отключающей пружины пли контактов;

2) контакты свариваются при включении. Такая неисправность возможна при слишком большом или слишком малом нажатии кон­ тактов, а также если в момент включения напряжение сети меньше напряжения включения контактора;

3)якорь электромагнита не отпадает. Неисправность объясняется чрезмерным утончением или отсутствием немагнитной прокладки между полюсным наконечником и сердечником, а также недостаточ­ ным нажатием отключающей пружины;

4)контакты главного тока искрят и недопустимо нагреваются.

Причина этого явления — чрезмерный износ контактов.

М а г н и т н ы е п у с к а т е л и недопустимо нагреваются в ре­ зультате повышенной частоты включения, перегрузки, загрязнения контактных поверхностей, ослабления затяжки контактных соеди­ нений, недостаточного провала и нажатия главных контактов. Если при нажатии на кнопку «Стоп» пускатель не отключается, необходимо проверить достаточность натяжения пружин динамического компен­ сатора, исправность замыкающего блок-контакта, отсутствие зае­ дания подвижной системы, наличие необходимых зазоров в магнит­ ной системе.

Отказы р е л е могут наступать в результате повреждения в цепи обмоток, механического заедания подвижной системы или плохого состояния (окисления, нагарообразования или загрязнения) кон­ тактов. Внешние проявления отказов — обрыв или короткое замы­ кание в цепи. Надежность реле существенно зависит от числа кон­ тактов, плотности тока и числа срабатываний.

Большое влияние на надежность реле могут оказывать вибрации, вызывающие ложные срабатывания. В связи с этим реле необходимо устанавливать таким образом, чтобы ускорения действовали в пло­ скости контактов. Для уменьшения вредного влияния ускорений можно применять различные методы демпфированияЕсли реле создает повышенную выдержку времени, то это является результа­ том ослабления отключающей пружины или утончения немагнитной прокладки.

124

Hue и подгорание), неисправности ir загрязнение дугогасительной камеры, заедания в подвижной части автомата пли в механизме сво­ бодного расцепления, замыкание или обрыв в катушках минималь­ ного и максимального расцепителей, замедлителя расцепления, от­ ключающего расцепптеля, реле обратного тока.

Отказы р а з ъ е м о в вызываются обрывом проводов в местах соединения со штырьками, коррозией гнезд и штырьков, а также механическими повреждениями. Эти отказы появляются как резуль­ тат влияния окружающей среды и вибраций. Особо вредное влияние на надежность разъемов оказывает влага. Надежность штепсельных

водов. К этим отказам приводят износ и поломка контактов; пере­ горание катушек контакторов и реле вследствие заедания подвижных частей и дефектов самих катушек; нарушение четкой работы схем вследствие заедания и перекосов подвижных частей аппаратов, не­ равномерного прилегания контактов, залипания контактов.

Отказы м а г и и т и ы х с т а н ц и й у п р а в л е и и я воз­ никают в результате неисправностей встроенных в них контакторов, реле, кнопочных постов, резисторов и внутреннего монтажа.

наступает из-за износа, слабого нажатия или загрязнения контактов, снижения сопротивления изоляции цепей управления, поломки ру­

включении электродвигателя могут не растормаживаться, если: ход якоря превышает допустимое значение; имеются заедания в под­ вижной системе тормоза; завышено усилие тормозной пружины; напряжение сети ниже 80% номинального; повреждена катушка элек­ тромагнита. Если при отключении электродвигателя тормоз слабо затормаживает или вообще не затормаживает вал двигателя, то это объясняется недостаточным усилием тормозной пружины или нали­ чием на тормозных поверхностях смазывающих веществДругими причинами отказов электротормоза могут быть повреждения короткозамкнутого витка у электромагнитов переменного тока, неплотное прилегание якоря к ярму, ослабление стягивающих шпилек или за­ клепок магнитопровода, перекос якоря или ярмаЧаще всего в тор­ мозных электромагнитах в результате сильного нагрева и поврежде­ ния изоляции повреждаются катушки.

Как показало исследование характеристик надежности аппа­ ратов и приборов управления и защиты судовых механизмов, их потоки отказов в основном подчиняются тем же закономерностям, что п потоки отказов приводов и механизмов в целом. На рис. 40 в качестве примера приведен график со (т) магнитных контроллеров электроприводов фирмы «Раде Кончар» (СФРЮ) грузовых лебедок,

125

который свидетельствует о наличии явно выраженного периода при­ работки, составляющего 6—8 кварталов, и о наличии стационарного потока отказов в период установившейся эксплуатации. Этот факт позволяет использовать для определения параметров частных по­ токов отказов основных элементов управления и защиты формулы (5.6), (5.7), (5.8). В табл. 27 приведены параметры потоков отказов, приходящихся на один элемент, после периода приработки. При этом параметры потоков «рабочих» отказов рассчитаны в зависимости от времени наработки. Параметры потоков «нерабочих» отказов рас­ считаны в зависимости от длительности эксплуатации в тропиках

ш, 1/к6ар,шл

чО

О i ь б S 10 12 % квартал

Рис. 40. Изменение параметра потока отказов магнитных контроллеров фирмы «Раде Кончар» (СФРЮ) грузовых лебедок судов типа «Муром».

/ — гистограмма; 2 — с г л а ж и в а ю щ а я (аналитическая) кривая .

(для «нерабочих тропических» отказов) или в зоне умеренного кли­ мата (для «нерабочих умеренных» отказов). Параметры общих по­ токов отказов на один элемент рассчитаны в зависимости от общего времени эксплуатации по формуле (5.8) для усредненных условий эксплуатации. Приведенные данные позволяют оценить значение параметра потока отказов, полученного в условиях эксплуатации. Колебания параметра потока отказов одноименных элементов для усредненных условий эксплуатации характеризуют качество исполь­ зуемых материалов, технологию и культуру производства рассма­ триваемых элементов.

К наиболее распространенным элементам массового произ­ водства, используемым в аппаратах и приборах управления и за­ щиты, относятся резисторы, конденсаторы, обмотки, полупровод­ никовые приборы.

В настоящем учебнике не ставится целью вывести аналитические выражения, характеризующие надежность элементов массового про­ изводства на основе анализа физико-химических изменений материа­ лов этих элементов. Эта задача рассмотрена в ряде учебных пособий и монографий, предназначенных для студентов, изучающих автома­ тику, телемеханику и вычислительную технику, а также для спе-

126

127

циалистов, занимающихся разработкой, производством и эксплуа­ тацией приборов, средств автоматизации систем управления и устройств вычислительной техники.

В данной книге анализируется влияние внешних воздействий на надежность элементов массового производства и даются реко­ мендации по обеспечению требуемой надежности.

Надежность р е з и с т о р о в по сравнению с надежностью дру­ гих элементов довольно высока, но вследствие большого их числа

и технологией изготовления резистора. Скорость и характер физикохимических процессов зависят в первую очередь от температуры ре­ зистора, температуры и влажности окружающей среды. Температура резистора определяется мощностью нагрузки и условиями охлажде­ ния. Поэтому после выбора сопротивления резистора важно устано­ вить номинальную рассеиваемую мощность. Эта величина устанавли­ вается в соответствии с температурой, допустимой для резистора в наиболее нагретом месте.

Мощность, выделяемая на резисторе, всегда должна быть ниже номинальной рассеиваемой мощности, которая выбирается исходя из допустимого превышения температурой резистора температуры окружающей среды. Если резистор применяется в устройствах им­ пульсного типа, то иногда допустимы значения мощности, рассеи­ ваемой в течение одного импульса, превышающие номинальное. Однако и в этом случае средняя мощность, выделяемая на резисторе, не должна превосходить номинальную мощность рассеивания. При определении мощности, выделяемой на резисторе, необходимо учи­ тывать возможность поглощения им тепла, излучаемого окружаю­ щими элементами. Обычно теплоотдача от резисторов с номинальной рассеиваемой мощностью менее 2 Вт происходит в результате излу­ чения (—10%), конвекции (~-40%) и вследствие теплопроводности выводов (—50%). Резисторы с большей рассеиваемой мощностью имеют увеличенную площадь поверхности охлаждения. Для них

с этим выбираются расстояния между двумя резисторами, приме­

в судовых условиях, сказывается на механической прочности кар­ каса или мест присоединения выводов.

Несмотря на то, что надежность к о н д е н с а т о р о в сравни­ тельно высока, количество отказов устройств из-за отказов конден­ саторов достаточно велико. Надежность конденсаторов зависит от температуры окружающей среды и напряжения. При повышенной температуре разрушается изоляция конденсаторов. Зависимость

128

интенсивности отказов конденсаторов от напряжения определяется коэффициентом нагрузки, вычисляемым по формуле (5.2). Срок службы конденсаторов с понижением коэффициента нагрузки резко возрастает.

При правильно выбранном номинальном значении напряжения основной причиной отказа конденсатора является тепловой пробой. В этом случае пробой происходит внутри проводящего канала, про­ ходящего через диэлектрик от одного электрода к другому.

ных элементов являются: обрывы, обусловленные высокими механи­ ческими натяжениями при намотке, высокими температурными на­ пряжениями при нагреве, высокими механическими напряжениями, вызванными тепловым расширением каркаса; обрыв, обусловленный коррозией или электролизом в обнаженных частях изолированного провода; короткое замыкание витков или слоев вследствие механи­ ческого пли теплового разрушения изоляции провода; пробой изо­ ляции вследствие перенапряжений или нарушений изоляции про­

Обрывы, обусловленные высокими механическими усилиями при намотке или температурными напряжениями в обмотке и каркасе, должны предотвращаться правильным выбором усилия натяжения провода в процессе наматывания и правильным расчетом тепловых режимов обмотки соответственно. Остальные причины отказов не

Опыт эксплуатации показывает, что при правильном применении приборов, лишенных каких-либо технологических или конструктив­ ных дефектов, старение самой полупроводниковой структуры или контактов не наблюдается. Причиной возникновения отказов полу­ проводниковых приборов следует считать нарушение нормальных условий эксплуатации: перегрузки по току и перенапряжения в цепи анода и в цепи управляющего электрода; работа при повышенной по сравнению с номинальной температуре окружающей среды или при ненормальных условиях теплоотвода; воздействия механического характера, которые приводят к нарушению герметизации и к растрес­ киванию полупроводниковой структуры.

8 заключение данного параграфа следует сказать, что известны аналитические выражения, отражающие основные закономерности изменения показателей надежности рассмотренных элементов мас­ сового производства в функции условий эксплуатации и внешних

воздействий. Эти аналитические выражения получены на основании результатов теоретических и эмпирических исследований и являются в основном приближенными. Тем не менее они позволяют ориенти­ ровочно определять надежность элементов и оценивать влияние выбора конструкции, а также размещения деталей при проектиро­ вании как отдельных элементов, так и устройств и аппаратов.

'§ 19. Надежность распределительных

устройств и электрических сетей

Распределительными устройствами называют щиты, состоящие из металлических конструкций, на которых установлены коммута­ ционные, защитные, измерительные, регулирующие и сигнальные устройства, имеющие соединения в соответствии с электрической схемой. Надежность распределительных устройств обусловливается надежностью составляющих элементов. Прежде всего необходимо отметить, что неисправности металлических конструкций ус­ тройств — перекосы дверец и откидных лицевых панелей, поломки

Надежность автоматических выключателей, используемых в ка­ честве коммутационных и защитных аппаратов распределительных устройств, рассмотрена в предыдущем параграфе.

Электроизмерительные приборы, установленные в распредели­ тельных устройствах, испытывают тряску и вибрацию и потому в процессе эксплуатации теряют свою точность. Износ кернов и под­ пятников, старение пружинок, размагничивание магнитов также снижает класс точности приборов. Протекание токов короткого за­ мыкания «сбивает» нуль приборов и деформирует стрелки. Все эти явления при определенных условиях могут рассматриваться как отказы электроизмерительных приборов.

Отказы распределительных устройств вызываются повреждениями токоведущих частей щитов в результате местных перегревов. Послед­ ние возникают из-за ослабления болтовых соединений или коротких

К неисправностям электрических сетей, приводящим к их отка­ зам, относятся: понижение сопротивления и пробой изоляции кабе­ лей; механические повреждения жил изоляции и защитных оболочек кабелей. Судовые электрические сети состоят из большого числа срав­ нительно коротких участков кабелей. В местах подключения кабеля, возникают токи утечки, протекающие от токоведущих жил по по­ верхности разделки изоляции к корпусу судна. Понижение сопротив­ ления изоляции на концах кабелей происходит в результате попада­ ния влаги, покрытия концевой разделки плесенью и скопления грязи. Если сопротивление изоляции на концах жил разной полярности

в результате ее старения. Одна из основных причин старения изоля-

130