книги / Надежность электрических машин

81

Окончание табл. 1 3

Опытные данные об интенсивности отказов в действии λ ЭМ малой мощности, трансформаторов и других элементов электрической цепи приводятся в литературе или в процентах на 1000 ч работы, или в долях единицы на 1 ч работы (ч–1). Чаще эти данные носят обобщённый характер без указания конкретного типа исполнения малой ЭМ и условий её применения. Поэтому они могут быть практически использованы для приближённой количественной оценки надёжности этих машин. Для уточнения этой оценки требуется более полное накопление статистических данных об отказах в действии малых и других ЭМ применительно к их отдельным типам и сериям сучётом конкретных условий применения.

Для иллюстрации практического использования уравнений (10) и (11) и данных табл. 13 рассмотрим числовой пример приближённой оценки конструктивной надёжности (Рк) вращающегося трансформатора. Средняя постоянная интенсивности отказов трансформатора λ по табл. 13 составляет приближённо 50 10–6 ч–1, тогда среднее условное время исправной работы данного трансформатора от начала до первого отказа в действии (наработка на отказ) по формуле (10)

82

Произведём оценку конструктивной надёжности этого трансформатора по формуле (11) для двух гарантийных сроков службы его (t = 500 ч и t = 2000 ч):

− 500

Р(500) = e 2 104 = e−0,025 = 0,976 ;

− 2000

Р(2000) = e 2 104 = e−0,1 = 0,905.

Расчёты показывают: конструктивная надёжность Рк трансформатора характеризуется тем, что на каждую 1000 трансформаторов вероятность выхода их из строя за гарантийные сроки службы составляет: 24 штуки в первом случае (2,4 %) и 95 штук во втором (9,5 %). Это объясняется наличием слабого звена

вконструкции трансформатора – системы скользящих контактов

ввиде контактных колец на валу ротора и тонких металлических щёток.

Конструктивная надёжность Рк ЭМ в целом, как сложного устройства, зависит от надёжности работы её составных частей (МС, ОС и ОР, П, К или КК, ЩУ). Отказ в работе любой из этих частей приводит к выходу из строя машины. Каждая из этих частей имеет свой уровень надёжности. Для расчёта вероятности безотказной работы машины как целого устройства в течение заданного промежутка времени нужно знать, к какому типу соединения (в смысле теории надёжности) принадлежит комбинация этих частей – к последовательному или параллельному.

При последовательном соединении n элементов или блоков

всистеме, а также составных частей в устройстве (например, как

вЭМ) конструктивная надёжность Рк ЭМ, по правилам умножения вероятностей, представляет собой произведение надёжностей отдельных её конструктивных узлов:

где Р1(t), Р2(t), Р3(t), …, Рn(t) – конструктивные надёжности Рк перечисленных выше частей или узлов ЭМ соответственно, при

− t

этом Рn = e Tn и Tn – среднее условное время между отказами в действии n-го узла ЭМ.

83

Надёжность отдельных частей или узлов ЭМ должна быть значительно выше конструктивной надёжности ЭМ в целом, как сложного устройства. Например, для получения конструктивной надёжности машины в пределах 0,9 < Рк(t) < 0,99 требуется, чтобы Рn(t) каждой отдельной части её была не менее 0,99. Для получения конструктивной надёжности Рк(t) ≥ 0,99 надёжность Рn(t) каждой отдельной части её должна быть не менее 0,999.

Пример 4.1.

Определить Рк(t) ЭМ постоянного тока типа ПН–100 для трёх промежутков времени t её работы: 1000, 3000 и 5000 ч – по следующим средним статистическим данным об интенсивности отказов основных её частей:

магнитной системы с обмоткой возбуждения: λ1 ≈0,01 10–6 ч–1; обмотки якоря: λ2 ≈ 0,05 10–6 ч–1; подшипников скольжения: λ3 ≈ 0,4 10–6 ч–1; коллектора: λ4 ≈ 3 10–6 ч–1; щёточного устройства: λ5 ≈ 1 10–6 ч–1.

Решение.

Определим среднюю результирующую интенсивность отказов всех частей ЭМ:

λ= λ1 + λ2 + λ3 + λ4 + λ5 =

=(0,01 + 0,05 + 0,4 + 3 + 1) 10–6 = 4,46 10–6 ч–1.

Средняя наработка до первого отказа ЭМ по формуле (10)

Найдём вероятность безотказной работы, или Рк(t), данной ЭМ по формуле (34) с учётом (11) для трёх промежутков времени работы:

Расчёты показывают: конструктивная надёжность Рк(t) данной МПТ характеризуется тем, что на каждую 1000 машин вероятность выхода из строя в течение указанных трёх промежутков времени работы составляет 5 машин в первом случае (0,5 %), 12 машин во втором (1,2 %), 25 машин в третьем (2,5 %).

Итак, проектирование является первым этапом, на котором закладывается определённый уровень надёжности ЭМ. Этот уровень надёжности в значительной мере зависит от выбора электромагнитных и механических загрузок активных и конструктивных материалов, от теплостойкости корпусной изоляции и обмоточных проводов, а также от величины окружающей

ирабочей температуры ЭМ. Иначе говоря, надёжность ЭМ существенно зависит от количества и качества активных и конструктивных материалов, от конструкции и совершенства технологии их изготовления.

Хотя обеспечение требуемых характеристик проектируемой ЭМ является главной задачей проектирования, всё же при решении её целесообразно производить также предварительную оцен-

ку конструктивной надёжности Рк(t) рассматриваемого вариан-

та исполнения ЭМ.

Удачная конструкция ЭМ в основном определяет возможную интенсивность внезапных отказов и долговечность ЭМ, а значит,

истепень её износовых отказов. В связи с этим проектирующий машину должен решать вопрос о том, как часто будет она отказывать в работе. При наличии со стороны заказчика конкретных количественных требований к надёжности проектирующий машину должен создать такую её конструкцию, чтобы интенсивность отказов в эксплуатации не превышала требуемого уровня. А для этого

нужно осуществлять контроль конструктивной надёжности Рк на стадиях испытания макетного и опытного образцов ЭМ и вносить соответствующие коррективы в конструкцию, в состав активных материалов и т.п. окончательного варианта исполнения ЭМ.

85

Важнейшим моментом при расчёте конструктивной надёжно-

сти Рк ЭМ является также получение достоверных данных об ин-

тенсивности отказов в работе её основных частей и деталей (МС, ОС и ОР, П, К или КК, ЩУ). Опубликованных данных об интенсивности отказов ЭМ малой мощности и некоторых машин общего применения до сих пор недостаточно, они имеют общий характер. Поэтому исследования по оценке надёжности различных типов ЭМ на предприятиях и в организациях, разрабатывающих и изготов-

ляющих эти ЭМ, а также сбор и обработка информации о причи-

нах выхода из строя машин при работе их в разных реальных усло-

виях эксплуатации остаютсяактуальнымисегодняивсегда.

Упрощение конструкции ЭМ, применение для её изготовления качественных активных и конструктивных материалов, а также стремление к сохранению на надлежащем уровне удельного расхода активных и конструктивных материалов на единицу мощности, минимальных габаритов и стоимости ЭМ ведут к повышению конструктивной надёжности Рк вновь разрабатываемых ЭМ. Наконец, испытания на надёжность в период приработки наиболее слабых звеньев составных частей ЭМ (подшипники, щёточные устройства и др.), а также испытание готовой ЭМ на надёжность и долговечность в соответствии с ТУ гарантируют высокую эксплуатационную надёжность Рэ ЭМ.

Для приобретения навыков определения конструктивной надёжности разработано задание по расчёту надёжности ЭМ

(прил. 2).

4.2.Оценка эксплуатационной надёжности ЭМ

Впредыдущем подразделе отмечалось, что эксплуатацион-

ная надёжность (Рэ) ЭМ в значительной степени определяется высокой заводской конструктивной надёжностью (Рк) её. Вместе с

этим эксплуатационная надёжность Рэ(t) ЭМ зависит и от ряда

других факторов: от условий окружающей среды, использования ЭМ не в соответствии с их исполнением, пусковыми и рабочими характеристиками, отсутствия надлежащего ухода за ЭМ, недос-

86

таточного качества их ремонта и т. д. В процессе длительной эксплуатации ЭМ под влиянием температуры нагрева происходит ухудшение механических и электрических свойств изоляции обмоток и износ отдельных частей ЭМ. В связи с этим экспоненци-

альный закон распределения отказов при работе ЭМ во время эксплуатации в значительной мере нарушается, поэтому оценку эксплуатационной надёжности Рэ(t) ЭМ целесообразно производить по другим соотношениям, устанавливаемым математической статистикой. Так, эксплуатационную надёжность Рэ(t) ЭМ удобно приближённо оценивать с помощью следующего уравнения:

где N0 – количество ЭМ вначале эксплуатации (испытания); ni – число отказов ЭМ в течение времени ∆t ; t – длительность безотказной работы ЭМ до первого отказа; ∆t – интервал времени, в течение которого периодически отмечается число отказов ЭМ.

На практике для определения эксплуатационной надёжности Рэ(t) удобнее пользоваться более простым уравнением:

Фактический закон распределения эксплуатационной надёжности Рэ(t) можно установить только на основании реальных стати-

стических данных о работе большого количества однотипных ЭМ. Для различных типов ЭМ эти законы будут различными и могут отклоняться от теоретического распределения вероятности по формулам (35) и (36). При этом для каждого типа ЭМ характер эксплуатационной надёжности Рэ(t) будет изменяться в зависимости

от величины проработанного времени. После длительной работы

88

Чем больше однотипных машин одновременно подвергается испытанию на надёжность, тем более достоверными будут опытные показатели оценки этой надёжности.

Таким образом, полученные теоретические уравнения вероятностей (11), (34), (36) могут практически применяться для приближённой количественной оценки конструктивной Рк(t)

и эксплуатационной Рэ(t) надёжностей ЭМ, а также для опыт-

ного определения той и другой надёжности. Истинное же значение показателей надёжности ЭМ можно установить лишь в результате длительного накопления статистических данных о выходе из строя по разным причинам различных типов ЭМ в зависимости от условий их применения.

89

V. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИСПЫТАНИЙ НА НАДЁЖНОСТЬ ЭМ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

Исследования надёжности ЭМ малой мощности как общепромышленного и бытового назначения, так и специального применения до сих пор находятся в состоянии накопления статистических данных об отказах ЭМ, разработки эффективных методов ускоренных испытаний на надёжность и уточнения методик обработки результатов испытаний.

Испытания ЭМ на надёжность относятся к экспериментальной оценке надёжности и являются одним из важнейших этапов в процессе разработки и серийного выпуска машин. Не следует смешивать испытания на надёжность Р(t) с другими видами испытаний ЭМ (см. рис.1).

Рассмотрим виды испытаний (см. рис.1) и основные методы экспериментальной оценки надёжности Рэк(t) ЭМ малой мощности в свете существующих стандартов (ГОСТ 16264.0–85 –

ГОСТ 16264.5–85 ).

Сочетание методов экспериментальной оценки надёжности Рэк(t) ЭМ с основными видами и методами испытаний на надёжность представлено на рис. 11.

Определительные испытания (ОИ) на надёжность ЭМ

проводятся с целью нахождения фактических количественных показателей надёжности Р(t). Определительные испытания проводятся после окончательного освоения производством или после модернизации изделия на образцах, изготовленных согласно производственному циклу, рассчитанному на серийное производство. При этих испытаниях оцениваются законы распределе-

ния отказов и параметры законов. Результаты ОИ служат для оценки соответствия фактических показателей надёжности Р(t) ЭМ техническим условиям (ТУ).

90

Методы экспериментальной оценки надёежности

Прогнозирование

Рис. 11. Основные виды испытаний и методы оценки надёжности ЭМ малой мощности

Контрольные испытания (КИ) на надёжность ЭМ прово-

дятся с целью контроля соответствия количественных показателей надёжности Р(t) требованиям стандарта или ТУ. Контрольные испытания проводятся периодически в сроки, установленные стандартами на данное изделие.

Ускоренные испытания (УИ) проводятся с целью сокра-

щения длительности испытания.

Ресурс современных ЭМ составляет иногда 20 000–25 000 ч, большой мощности даже до 50 000 ч. В году 8760 ч, а число рабочих часов, особенно если работа не трёхсменная, значительно меньше, следовательно, проведение испытаний может затянуться на 5–10 лет. При этом полученная информация о надёжности изделия отстанет или просто устареет, поэтому необходимо сокращать сроки испытаний.

Сокращение сроков может быть осуществлено благодаря форсированным, ужесточённым режимам испытаний. При этом следует обеспечить соответствие между форсированными (или