госы ответы / 176-200

182. Виды и планы испытаний изделий на надежность.

Показатели надежности получают на основе проведения эксплуатационных испытаний, которые разделяют на определительные, контрольные и исследовательские.

Определительные испытания заключаются в сборе и обработке ин­формации о поведении ЭМС или ЭО в процессе эксплуатации и о внеш­ней среде. Они являются основой для получения показателей надежности.

Эксплуатационные и лабораторные испытания дополняют друг друга, усиливая взаимные преимущества и снижая недостатки.

Эксплуатационные испытания иногда называют наблюдениями или подконтрольной эксплуатацией.

На определительные испытания ставят, как правило, однотипные изделия, общее число которых принадлежат к генеральной совокупно­сти.

Контрольные испытания проводят предприятия-изготовители или организации-разработчики ЭМС для выявления соответствия фактиче­ских значений показателей надежности установленным в НТД. Ниже они рассмотрены отдельно.

Проведению эксплуатационных испытаний предшествует их пла­нирование, которое состоит в выборе плана испытаний.

Планом испытаний называют правила, устанавливающие объем выборки (сколько?), порядок проведения испытаний (как?) и критерии их прекращения (когда?).

Планы испытаний обозначают комбинацией букв латинского ал­фавита N, U, R, М, г, t.

Буквой N обозначают число поставленных на испытание изделий; буква U означает, что испытания проводят без замены или восстановле­ния отказавших изделий; буквы R и М, что испытания проводят с заме­ной (R) щщ восстановлением (М); через г обозначают число отказов, до получения которых проводят испытания, а через t - время (наработку), ^в течение которого проводят испытания. Планы испытаний имеют сле­дующие обозначения:

Если изделия в некотором плане включаются в испытания или снимаются с испытаний в разное время, то такие планы называют неже­сткими; их обозначения заключают не в квадратные, а в круглые скоб­ки, например (N, U, N) и т. п.

Выбор плана зависит от того, какие показатели надежности хотят получить при проведении испытаний, а также от того, какой закон распре­деления имеет или может иметь рассматриваемый показатель надежности.

Наибольшее применение получили пять планов испытаний, гра­фическая интерпретация которых приведена на рис. 29. Здесь же пред­ставлены типы получаемых экспериментальных данных и указаны за­коны распределения случайных величин, для которых используется тот или иной планы испытаний: ВГ - Вейбулла - Гнеденко, Э - экспонен­циальный, N - нормальный, lg N - логарифмически нормальный.

Рис. 29. Типы экспериментальных данных при различных планах испытаний: 1 - отказ;

2 - изделие работоспособно;

3. - прекращение ис-яытаний после г отказов

183. Проверка гипотезы о законе распределения при ПОЛНЫХ выборках

Полученные выше средние значения показателей надежности не дают представления о законах распределения этих случайных величия, а поэтому являются неполными. Для полной характеристики исследуемой случайной величины необходимо проверить гипотезу о том, что она имеет некоторое распределение и, следовательно, может быть охарактеризована соответствующими показателями. Гипотезу о законе распределения случайных величин, полученных при полных выборках, проверяют одним из следующих методов (или последовательно двумя-тремя из этих методов)

— сравнением гистограмм частостей и плотности вероятностей распределения данной случайной величины с типовыми теоретическими графиками этих функций для различных законов;

-- по вероятностной бумаге (сетке) и критерию согласия Колмогорова-Смирнова;

— по критерию согласия Пирсона.

Для построения гистограммы случайной величины данные располагают в упорядоченный вариационный ряд в порядке возрастания и весь диапазон их изменения разделяют на несколько интервалов. Количество интервалов h в зависимости от количества данных в выборке (от количества опытов n) можно определять по формуле Стерджеса:, где Хmax и Хmin — соответственно наибольшее и наименьшее значения случайной величины.

Длина интервала:

где t1и — соответственно наименьшее и наибольшее значение случайной величины в упорядоченном вариационном ряду. Значение обычно округляют до ближайшего числа, имеющего одну—две значащие цифры. Для каждого интервала определяют и заносят в расчетную таблицу (табл. 4): число значений случайной величины mi, приходящееся на

данный i-й интервал , общее число значений случайной величины и от первого начала и до i-го интервала.

Таблица 2 Расчетная таблица

Затем для каждого интервала рассчитывают статистические параметры распределения: плотность распределения fi*, интенсивность отказов λi*, функцию распределения Fi* и функцию надежности Pi* по формулам в табл.2

Расчетная таблица

После заполнения табл. 2 строят гистограммьи fi*, λi*, и Рi* для чего на оси абсцисс откладывают в определенном масштабе все интервалы . и на каждом из них, как на основании, строят прямоугольник площадь которого пропорциональна значению функции (fi*, λi* или Рi*) для данного интервала.

Сравнивая построенную статистическую гистограмму с типовыми графиками теоретических функций f(t), λ(t) и P(t) для различных за конов распределенют, приведенными в Приложении 2, ориентировочно определяют, к какому теоретическому закону наиболее близко распределение статистических данных.

184. Обработка статистических данных при неполных выборках.

При проведении испытаний на надежность в реальных условиях эксплуатации в большинстве случаев изделия включают в работу неод­новременно и наблюдение за ними по организационным причинам при­ходится прекращать в момент, когда наработки неотказавших изделий не равны друг другу и могут быть как меньше, так и больше наработок отказавших изделий, т. е. чаще всего встречаются неполные выборки общего вида по плану испытаний NRt. При исследовании показателей восстанавливаемости для статистических данных характерна диаграмма реализации NRt.

Неполные выборки особенно распространены при определении показателей надежности не изделия в целом, а отдельных его сборочных единиц (блоков).

Особенностью обработки статистических данных при неполных выборках является то, что в этом случае может быть рассчитан только прогнозируемый показатель надежности. Точность такого прогноза за­висит от того, правильно ли определен закон распределения случайных величин. Поэтому при неполных выборках вначале проверяют гипотезу о законе распределения и только затем рассчитывают средние числовые показатели надежности.

Для проверки гипотезы о законе распределения наработки от­казавшие и неотказавшие изделия объединяют в одну выборку, строят по ней ранжированную диаграмму реализаций плотности распределе­ния (рис. 32) и делят ее на интервалы. Левая граница первого интервала равна наименьшей из наработок отказавших изделий t1, правая граница последнего интервала - наибольшей из наработок отказавших изделий t_M. Длину интервала Δt определяют по формуле (63).

рис

Затем обычным способом, описанным выше, строят гистограмму плотности распределения, определяя высоту прямоугольников гисто­граммы по формуле , где N₀ - общее число отка­завших и неотказавших изделий в диаграмме; N(ti) - количество неотказавших изделий в диаграмме левее правой границы i-гo интервала.

Сравнивая построенную статистическую гистограмму с типовыми графиками теоретической плотности распределения f(t) для различных законов, приведенными в Приложении 2, ориентировочно определяют, к какому теоретическому закону наиболее близко распределение стати­стических данных.

Затем на диаграмме реализаций проводят вертикали через нара­ботки отказавших изделий, после чего она приобретает вид, показанный на рис. 33, и определяют функцию распределения в каждом таком сечении по формуле где j - порядковый номер отказа в диаграмме реализаций, считая слева; Nj - количество неотка­завших изделий в диаграмме левее j-гo отказа.

Рис.

Коэффициенты а* и β* для разных законов распределения определяются следующим образом:

а) для экспоненциального закона а* = 0; β* = 0,5;

б) для закона Вейбулла – Гнеденко

(64)

(65)

При этом вначале рассчитывают среднюю наработку отказавших и неотказавших изделий (всех реализаций диаграммы), их среднеквадратическое отклонение и коэффициент вариации; затем по известному v по табл. 2 Приложения определяют параметр b совместной реализа­ции, который и подставляют в формулы (64) и (65);

в) для нормального закона

Завершается процедура сравнением статистического распределения с теоретическим и выбором на этой основе соответствующего закона.

186. Особенности функционирования взрывозащищенного электрооборудования.

На некоторых производственных участках и в цехах предприятий химической, нефтеперерабатывающей и других отраслей народного хо­зяйства, а также в подземных разработках угольных и соляных шахт выделяются промышленные и природные газы, образующие с воздухом взрывоопасные смеси. Такие же смеси образуют пары ряда жидкостей я производственную пыль (например, угольную). При появлении элек­трических искр или дуг, как при нормальном, так и при аварийном ре­жимах работы электрооборудования, эти смеси могут взрываться, чт° влечет за собой катастрофические последствия, в том числе и гибель персонала.

Для предотвращения тяжелых последствий при эксплуатации электрооборудования в опасных по взрывчатым газам или пыли условиях его снабжают специальными устройствами - средствами взрывозащиты (СВЗ), а также применяют ряд специальных мер по повышению безопасности его эксплуатации.

Одна из этих функций обеспечивает выполнение технологи­ческого процесса. Например, электродвигатель конвейера обеспечивает перемещение транспортируемого груза (технологический процесс). При его отказе произойдет прерывание технологического процесса, то есть произойдет отказ функции.

В общем случае отказом функции является событие, заключаю­щееся в нарушении хотя бы одного из основных установленных требо­ваний к качеству ее выполнения, возникающее при заданных условиях эксплуатации.

В данном случае факт прерывания технологического процесса можно рассматривать в качестве критерия отказа, т. е. технологическая функция (обозначим ее через ТФ) обладает отказными признаками. Это значит, что относительно ТФ электрооборудование имеет два состояния

- работоспособное и неработоспособное. Из первого состояния во вто­рое объект переходит при отказе, а возвращается обратно в результате восстановления работоспособности.

Наличие средств взрывозащиты придает ВЗЭО еще одну функцию

- безопасностную (БФ). Она обеспечивается наличием специальной прочной взрывобезопасной и взрывонепроницаемой оболочки, кабель­ных вводов с уплотняющими устройствами, крышек кабельных коробок со специальными болтами, блокировочными устройствами для предот­вращения открывания оболочки при включенных аппаратах и мно­гими другими элементами.

187. Причины отказов электромеханических систем.

В процессе эксплуатации электромеханических систем (ЭМС), в том числе и электрооборудования (ЭО), под воздействием разнообраз­ных факторов происходят изменения физико-механических свойств конструкционных и электроизоляционных материалов (ЭИМ), в резуль­тате которых в конечном итоге возникают отказы, т. е. прекращается функционирование.

При создании любой ЭМС разработчики стремятся обеспечить примерно одинаковую надежность составляющих элементов. Однако в процессе эксплуатации не все из них оказываются в одинаковых усло­виях по воздействию эксплуатационных факторов - нагрузки, влажности среды, температуры нагрева, уровня перенапряжений и т, п., а по­этому воспринимают эти воздействия по-разному, что в конечном счете проявляется в неравной надежности составляющих ЭМС элементов.

Опыт свидетельствует, что обычно высокой надежностью облада­ют относительно дорогие узлы и элементы, составляющие основу ЭМС, например, корпус, рама, станина и т. п., а небольшие по стоимости эле­менты, которых в ЭМС много, могут иметь низкую надежность. Этот феномен является общим для подавляющего числа ЭМС, будь то уголь­ный комбайн, комплектное распределительное устройство (КРУ), маг­нитный пускатель или стиральная машина.

Рассмотрим в качестве примера некоторую ЭМС, состоящую из 11 элементов (узлов). Если бы все эти элементы ЭМС имели одинаковую надежность (рис. 34), такую, например, как первый элемент, ВБР кото­рого P1(t), то общий эффект Е1 от ее применения характеризовался бы плошадью ОЕ1ВС, а материальные потери - площадью E1En AB.

Рис. 34. Гистограмма распределения показателя эффективности при применении ЭМС с неравнонадсжными элементами

 Поскольку элементы имеют разную надежность, то и эффектив­ность их применения разная. На рис. 34 показано, что первые три эле­мента имеют относительно высокую надежность (их ВБР P1(t), P2(t) и P3(t) соответственно), и поэтому эффективность от их применения (она заштрихована) больше, чем от остальных.

Общие убытки от эксплуатации такой системы характеризуются площадью Sу, ограниченной сверху пряной ЕnА и гистограммой эффек­тивности Е снизу.

Неодинаковая надежность ЭМС приводит к необходимости вни­мательного изучения причин отказов для последующего учета их при организации технического обслуживания и при разработке новых ана­логичных систем и изделий.

Причинами отказов могут быть конструктивные, технологические и эксплуатационные факторы, старение (износ) отдельных элементов и ЭМС в целом, а также случайные экстремальные проявления факторов, определяющих условия и процесс эксплуатации (например, наброс на­грузки, атмосферные или коммутационные перенапряжения и др.).

Конструктивные факторы являются следствием несовершенства кон­струкции, слабой проработки отдельных узлов и элементов, отсутствия опыта создания ЭМС для тяжелых условий эксплуатации, низких коэффи­циентов запаса прочности при расчетах отдельных элементов и конструк­ции в целом, недостаточно точного анализа и учета пиковых нагрузок и перенапряжений и др. Отказы по технологическим причинам являются следствием отступлений от принятой или заложенной в проектно-конструкторской документации технологии изготовления ЭМС, неадек­ватной замены конструктивных и электроизоляционных материалов, а также низкого качества изготовления н общей культуры производства на предприятии. В конструкторской или нормативно-технической докумен­тации устанавливают ограничения на условия эксплуатации ЭМС по тем­пературе, влажности среды, нагрузке, вибрациям и т, д. и задают режим технического обслуживания. Нарушение этих ограничений приводит к преждевременным отказам и, как следствие, увеличению скорости изме­нения свойств конструктивных и электроизоляционных материалов. В процессе эксплуатации и хранения в металлах, сопряжениях отдельных узлов и элементов в ЭИМ накапливаются необратимые изменения, вы­званные старением (износом), которые нарушают прочность, координа­цию и взаимодействия узлов и в конечном счете вызывают отказы.

Таким образом, вариации наработок (времени безотказной работы) порождаются вариациями качества изготовления и условиями эксплуата­ции и процессами старения.

Различают четыре основных схемы возникновения отказов: мгно­венное изменение одного или нескольких параметров, определяющих ус­ловия эксплуатации (например, наброс нагрузки выше предельного момента электродвигателя и т. п.); накапливающиеся изменения свойств (на­пример, постепенное старение или изнашивание); проявления релаксации (когда постепенное накопление изменения свойств является не прямой, а лишь косвенной причиной отказа); совместное действие нескольких неза­висимых факторов.

В общем случае выделяют две основные закономерности измене­ния параметров, определяющих работоспособность изделий: увеличе­ние параметра выше установленного уровня (рис. 35, а) и снижение па­раметра ниже предельного значения (рис, 35, б)- Примером первого из них служит постепенное выделение газов в баллоне радиолампы, а вто­рого - снижение сопротивления ЭИМ за счет увлажнения.

Рис. 35. Пример увеличения (а) и снижения (б) параметров в процессе эксплуатации

 Процесс износа разделяют на три зоны (рис. 36): 1 - зона прира­ботки; 2 - зона установившегося нормального износа и 3 - зона катаст­рофического износа- В зоне 1 протекают процессы приспособления ЭМС к условиям применения с уменьшающейся скоростью износа, В зоне 2 объект приобретает некоторые относительно стабильные свойст­ва, отвечающие условиям применения, В зоне 3 возникает качествен­ный скачок в силу накопления изменений в структуре и свойствах ЭИМ Однако такое разделение, котя и дает объяснение качественной

Рис. 36. Типовая кривая износа

стороны процесса, не позволяет получить количественную оценку на­дежности. Поэтому при изучении причин и последствий отказов изде­лий идут по пути формализации процесса, что позволяет на основе ма­тематической модели формирования отказа с помощью относительно небольших преобразований переходить к числовым или количествен­ным выражениям надежности.

.

188. Влияние состояния электрической изоляции на отказы электромеханических систем.

Опыт эксплуатации свидетельствует о том, что состояние ЭИМ и их параметров (сопротивление изоляции, пробивное напряжение, меха­ническая прочность и др.) в существенной мере определяет безотказ­ность многих ЭМС.

Наибольшее влияние на характеристики ЭИМ оказывают теплота, выделяемая при работе ЭМС, и различные механические воздействия.

Температурные аномалии, предшествующие отказу ЭМС, могут иметь однократные отклонения характерных температур за допустимые пре­делы, многократные циклические колебания температур в пределах их допустимых значений, однократные или многократные нагревы (охла­ждения) материалов с недопустимо большой скоростью.

На рис. 37 приведена графическая иллюстрация всех трех указан­ных выше характерных изменений нагрева ЭМС в процессе работы. В нервом случае (участок 1) имеет место большая скорость повышения температуры dΘ/dt > (dΘ/dt)доп.

Рис. 37. Изменение одного из параметров, определяющих отказ

 При этом в ЭИМ могут возникать высокие температурные гради­енты и, как следствие, недопустимые термические напряжения в ди­электрике. Отказ в этом случае обусловлен появлением трещин в ЭИМ.

Па участке 2 отмечаются многократные циклические колебания напряжений, усталостные явления со снижением пластичности и проч­ности ЭИМ. Термические напряжения на участке 2 меньше, чем на пре­дыдущем участке, однако причины отказа аналогичные.

На участке 3 показана ситуация, когда резкое повышение темпера­туры за пределы допустимого значения ΘПР приводит к разрушению ЭИМ, то есть к отказу.

В рассмотренном примере тепловыми параметрами, определяю­щими надежность ЭМС, явились температура Θ, скорость ее изменения dΘ/dt, амплитуда Θ и число циклических колебаний температуры nΘ.

Все они - следствие изменения другого важного параметра ЭМС - тока нагрузки.

Часто температурные отклонения и колебания, приводящие к от­казам, непосредственно не измеряются и не регулируются. Измеряют и регулируют в этих случаях другие параметры, являющиеся аргументами при определении указанных температур. Например, температура теплопередающей поверхности ЭМС может зависеть от нагрузочных харак­теристик токоведуших частей и значения нагрузки.

Тепловые и механические воздействия на ЭИМ в процессе экс­плуатации ЭМС приводят к нарушениям их структуры и появлениям трещин, в которых аккумулируется вода. Малые размеры молекулы во­ды способствуют ее проникновению через любые микротрещины и да­же в межмолекулярные связи ЭИМ. В результате изменяются два глав­ных параметра, характеризующих работоспособность ЭИМ - это элек­трическая прочность UП и сопротивление изоляции RИЗ.

Для обеспечения нормальной работы ЭМС электрическая проч­ность ее изоляции должна быть выше приложенного к ней напряжения, в противном случае произойдет ее пробой и наступит отказ.

На рис. 38, а через UНОМ обозначено номинальное напряжение се­ти, к которой подключена ЭМС, а электрическая прочность изоляции в некоторый начальный момент времени t1 - через Umt1, Видно, что в мо­мент времени t1 имеет место определенный запас электрической проч­ности ΔUmt1 между рабочим напряжением установки (ЭМС) и пробив­ным напряжением ЭИМ. Этот запас равен разности между Umt1 и UНОМ,  то есть ΔUmt1 = Umt1 - UНОМ. Чем  больше ΔUm , тем меньше вероятность пробоя изоляции.

В процессе работы ЭМС изоляция претерпевает изменения под воздействием факторов, отмеченных выше. Поэтому снижается про­бивное напряжение ЭИМ. Оно займет к моменту времени t2 положение Umt2, а запас прочности между напряжением, приложенным к ЭИМ, и пробивной прочностью сократится до ΔUmt2 = Umt2 - UНОМ.

Если этот запас будет меньше, чем возможные в процессе эксплуатации ЭМС отклонения напряжения в большую сторону от номиналь­ного уровня, то наступит пробой изоляции и, следовательно, отказ ЭМС.

Аналогичная картина имеет место при изменении сопротивления изоляции. Чем меньше ее значение, тем больше будет ток утечки через изоляцию и тем быстрее происходит ее разрушение.

Схема, рассмотренная на рис. 38, а, пригодна для одиночной ЭМС. Если рассматривать совокупность однотипных ЭМС, то изоля­ция каждой из них имеет свое случайное пробивное напряжение, т. е, имеет место совокупность СВ первоначальных значений пробивных напряжений, которая характеризуется своим законом распределения.

Рис, 38. Соотношения между пробивным напряжением изоляции и напряжением сети: а - для одиночной ЭМС; б и в - для совокупности однотипных ЭМС

 На рис. 38, б плотность распределения пробивного напряжения в момент времени t1 обозначена через f(Umt1).  Видно, что оно имеет раз­брос значений и поэтому характеризуется средним значением Umt1ср  и некоторым среднеквадратическим отклонением  σm. Через некоторый промежуток времени t2 кривая распределения пробивного напряжения сместится влево и займет положение f(Umt2). При этом заштрихованная часть распределения будет соответствовать доли тех ЭМС, у которых пробивное напряжение меньше напряжения сети, т. е, в этой области будут иметь место пробои изоляции (отказы).

Вероятность отказа q(t) - это заштрихованная площадь кривой:

q(t) = Bep{ Umt2< UНОМ }.

Опыт свидетельствует, что напряжение в сетях отклоняется или колеблется вокруг некоторого среднего значения UСР и за счет проявле­ния случайных факторов также является случайной величиной с плот­ностью распределения f(U). Отклонения и колебания сверх номиналь­ного значения вызваны как включением и отключением нагрузки, так и возникновением разного рода перенапряжений (коммутационных и ат­мосферных). Закон распределения напряжения в сети на рис, 38, в обо­значен через f(U).

Заштрихованная зона соответствует вероятности пробоя изоляции за счет колебаний и отклонений напряжения и перенапряжения в сети, а вероятность сохранения работоспособности изоляции - это незаштри­хованная зона справа от нее.

На практике стремятся сохранить высоким, в пределах заложен­ных в техническую документацию требований, уровень сопротивления изоляции и ее пробивную прочность путем систематических проверок этих параметров и проведения технического обслуживания ЭМС.