Разработка методов расчета эксплуатационной надежности коллекторов тяговых электрических машин постоянного тока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат технических наук Растунин, Дмитрий Владимирович

• Растунин, Дмитрий Владимирович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Растунин, Дмитрий Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

1. МЕТОДЫ РАСЧЕТА 7 НАДЕЖНОСТИ КОЛЛЕКТОРОВ ЭМПТ

1.1. Надёжность коллекторов ЭМПТ

1.2. Методы исследования надежности коллекторов ЭМПТ

1.3. Статистические и вероятностные методы оценки надежно- 13 сти электрооборудования

1.4. Функциональные методы

1.5. Конструкционные методы

1.6. Анализ результатов аналитического обзора

1.7. Постановка задачи исследования 34 Выводы по главе

2. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ 39 И МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ КОЛЛЕКТОРОВ

2.1. Элементная база коллекторов

2.2. Формирование структурных схем

2.3. Формирование аналитических моделей надежности кол- 52 лектора ЭМПТ

Выводы по главе

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ 65 КОЛЛЕКТОРОВ ЭМПТ НА ЭТАПЕ МОДЕРНИЗАЦИИ

3.1. Влияние модернизации элементов коллектора ЭМПТ на его 65 надежность

3.2. Математическое моделирование коллектора ЭМПТ 69 Выводы по главе

4. ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ

РЕЖИМОВ НАГРУЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ БАЗИСНОГО ФАКТОРНОГО ПРОСТРАНСТВА НА НАДЁЖНОСТЬ ЭМПТ

4.1. Факторное базисное пространство, принятые допущения

4.2. Влияние факторного пространства режимов нагружения на 84 надежность системы

4.3. Влияние элементов базисного факторного пространства на 88 надежность коллекторов ЭМПТ

4.4. Надёжность элементов системы при наличии априорных 95 данных

4.5. Расчет нагружения деталей коллектора при отсутствии ап- 100 риорных данных

Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов расчета эксплуатационной надежности коллекторов тяговых электрических машин постоянного тока»

Увеличение потерь электроэнергии, нарушение технологических процессов, приводящее к снижению производительности оборудования, преждевременное старение и выход из строя дорогостоящих машин — это далеко не полный перечень последствий, обусловленных снижением надёжности электрических машин постоянного тока (ЭМПТ). Очевидным является то, что повышение эксплуатационной надёжности на этапах проектирования и эксплуатации является весьма выгодной задачей, решение которой позволяет экономить значительные средства в эксплуатации, т.к. это снижает себестоимость производимой продукции.

Анализ эксплуатационных условий работы коллекторов ЭМПТ показывает следующее. Надёжность многих ответственных деталей и узлов ЭМПТ, работающих в тяжёлых эксплуатационных условиях на предприятиях металлообрабатывающей, металлургической промышленности и транспорта в широком диапазоне нагружения, зависит от влияния конструктивных, электрических, магнитных, функциональных связей, а также от внешних факторов, таких как, например; большое содержание в вентилируемом воздухе влаги и др. Указанные условия предъявляют особые требования к эксплуатационной надёжности электрооборудования и ставят важную задачу разработки научных основ, расчётно-экспериментальных методов оценки надёжности с обоснованием параметров элементов на этапе их проектирования.

Анализ надёжности элементов сложных систем показывает, что они зависят от параметров структуры и функциональных преобразований. В одних случаях они обеспечивают работу системы лишь электромагнитными параметрами, что часто встречается в электронных схемах. В других случаях элемент работает, воспринимая несколько функциональных нагрузок: электрические, механические, тепловые и др.

Таким образом, можно констатировать, что элементы и системы мотуг быть полифункциональными'-и монофункциональными1. Следовательно, в таких условиях требуется учёт их влияния,на ресурс.

При проектировании коллекторов ЭМ11Т могут быть три условия. Первое— когда разрабатываемая машина не имеет аналогов. В: этом случае сведения о надёжности элементов систем отсутствуют, известны только параметры технического задания на проектирование системы. Второе: — все элементы проектируемой машины обеспечены банком данных вероятностно-статистических характеристик, полученных на; основании лабораторных и эксплуатационных испытаний. Третье - когда проектировщик имеет неполные характеристики надёжности, т.е. производится: модернизация» деталей и узлов- ЭМПТ наиболее сложную;ситуацию для расчёта в практике проектирования создают первый и третий случаи.

Анализ результатов исследований надёжности деталей коллекторно-щёточного узла показывает, что они в значительной мере зависят от способа: адекватного построения структуры и характера функциональных связей; где в зависимости от конкретных условий доминирующие факторы могут быть различными. Однако существующие методы расчёта надёжности коллектор-но-щёточного узла ЭМПТ при* построении структурных; схем не: учитывают этих особенностей: Они: по ? традиции широко используют методы, представляющие собой двухполюсные структуры, практикуемые в- радиоэлектронике. Сравнение функциональных свойств, элементов, радиоэлектронных систем (РЭС) и электромеханических преобразователей (ЭМПТ), к которым можно отнести машины постоянного тока, показывает принципиальные различия их характеристик. Это даёт основание: выдвинуть гипотезу о существовании; систематической ошибки в оценке: параметров надёжности технических систем.

Важным условием повышения качества расчёта на этапе проектирования и обеспечения надёжности ЭМПТ в эксплуатации является использование в расчётах структурно-функциональных моделей системы с учётом свойств конструкции и межэлементных связей ЭМПТ.

Цель работы — разработка расчётно-экспериментальных методов оценки и обоснование рациональных характеристик надёжности на этапе проектирования и путей реализации решения важной задачи - повышение эксплуатационной надёжности коллекторно-щёточного узла ЭМПТ.

Для достижения указанной цели решены следующие научно-практические задачи: исследованы структурно-функциональные модели эксплуатационной надёжности коллекторно-щёточного узла на основе анализа сборочных конструкций ЭМПТ; разработаны аналитические методы моделирования и расчёта эксплуатационной надёжности для случаев, когда банк исходных данных вероятностно-статистических характеристик элементов полный, неполный, отсутствует; повышена точность оценки характеристик конструируемых моделей эксплуатационной надёжности коллекторно-щёточного узла ЭМПТ; разработаны расчётно-экспериментальные методы определения рациональных параметров элементов системы по критерию надёжности; созданы алгоритмы и компьютерные программы расчёта эксплуатационной надёжности коллекторно-щёточного узла ЭМПТ,

Научная новизна

1. Разработаны обобщённые математические модели, позволяющие оценить надёжность коллектора ЭМПТ.

2. Предложены аналитические методы и алгоритмы расчёта надёжности при отсутствии априорных данных вероятностно-статистических характеристик элементов системы.

3. Разработаны методы формирования структурно-функциональных моделей коллекторного узла ЭМПТ.

1. МЕТОДЫ РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ КОЛЛЕКТОРОВ ЭМПТ.

Заключение диссертации по теме «Электромеханика и электрические аппараты», Растунин, Дмитрий Владимирович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Выявлено и показано существенное влияние на качество расчета надежности элементов коллекторов ЭМПТ, свойств структуры и внутренних функциональных связей, параметры которых формируются на базе конструктивных, электрических, механических структурных схем. Это ставит важную задачу исследования и разработки научных основ расчетно-экспериментальных методов адекватного прогнозирования и обеспечения надежности коллекторов ЭМПТ на этапе их проектирования. 2. Высокая адекватность моделей и оценок параметров надежности коллекторов ЭМПТ обеспечивается выполнением условий принимаемых допу-• щений, постулируемых законов распределений. Анализ и классификация, используемых в машиностроении методов оценки надежности технических систем, имеющих сложные структуры и внутренние функциональные связи, показывают, что погрешности расчета могут достигать,30% и более.

3. Устранить обычно принимаемые в практике расчетов надежности допущения об' отсутствии последействия отказов позволяют методы структурно-функционального* моделирования для коллекторов-ЭМПТ, разработанные на основе полиморфных конструктивных схем- учитывающие основные требования, классификации элементной базы ЭМПТ, предусматривающие их внутренние связи.

Последующее дробление элементов системы дает возможность последовательно асимптотически уменьшать погрешность моделирования. Доказано, что при заданном числе элементов и множестве вариантов исполнения» структурных схем коллекторов ЭМПТ оценки характеристик надежности не зависят от способа выделения подсистем и узлов в системе.

4. Элементы факторного пространства связаны между собой сложной функциональной зависимостью и могут быть выражены в явном виде корреляционной связью. Точным методом аппроксимации влияния факторного пространства на надежность элементов коллекторов ЭМПТ по сравнению с другими является метод наименьших квадратов.

5. Большую дисперсию износа и деформации имеют детали коллек-торно-щеточного узла, превышающие в 1,5 раза величины их математических ожиданий. В результате возникают условия, когда часть коллекторов генераторов (ГП-311Б) преждевременно шлифуются, а другая отказывает, не выработав до конца положенный ресурс. Произведена корректировка вероятно-статистических параметров элементов коллекторно-щеточного узла.

6. Целесообразность модернизации деталей и узлов ЭМПТ на этапе проектирования определяется путем использования аналитических зависимостей, связывающих в явном виде их надежность, функциональные и конструктивные связи и стоимость, что является существенным фактором, обеспечивающим высокое качество проектирования системы. Разработана методика определения оценок параметров надежности модернизируемых деталей и узлов коллекторов ЭМПТ путем формирования графа системы и системы уравнений, учитывающие стоимостные характеристики, при заданной вероятности безотказной работы, ресурсе и структуре системы, дающие возможность производить проектирование систем не на интуитивном уровне, а обоснованно с использованием предлагаемых методов и критериев расчета. Это исключает прохождение ошибок проектирования в эксплуатацию.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Растунин, Дмитрий Владимирович, 2010 год

1. Теория надежности в области радиоэлектроники /сб.рекомендуемых терминов. М. Изд. АН СССР, вып. 60, 1962.

2. Надежность в технике. Термины и определения, ГОСТ 27.002-83 / Государственный комитет СССР по стандартам. М. 1983. -30 с.

3. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев А.Д. Математические методы теории надежности в науке. М. 1965. -521 с.

4. Базовский И. Надёжность, теория и практика. М. Мир. 1965. -373 с.

5. Барлоу Р.Э., Прошан Ф. Математическая теория надежности. М. Советское радио. 1969. -488 с.

6. Герцбах И.Б., Кордонский Х.Б. Модели отказов. М. Советское радио. 1966. -166 с.

7. Половко A.M. Основы теории надежности. М. "Наука" 1964. -446 с.

8. Сотсков Б.С. Основы теории и расчета надежности элементов и-устройств автоматики и вычислительной техники. М. "Высшая школа",1970. -271 с.

9. Шишонок Н.А., Репкин В.Ф., Барвинский Л.Л. Основы теории надежности и эксплуатации радиоэлектронной техники. М.Советское радио, 1964. -551 с.

10. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М. "Физматиз", 1962. -564 с.

11. Сандлер Дж. Техника надежности систем. М: "Наука, 1966. -300 с.

12. Дружинин Г.В. Надежность автоматизированных систем. М: Энергия; 1977. -536 с.

13. Герцбах И.Б. Модели профилактики. М. Советское радио. 1969. -214 с.

14. Калошкин A.M. Исследование надёжности тяговых электродвигателей постоянного тока большегрузных автомобилей. /Автореферат диссертации на соискание учёной степени к.т.н. М. 1982.

15. Исаев И.П., Матвеевичев А.П., Козлов Л.Г. Ускоренные испытанияи прогнозирование надежности электрооборудования6 локомотивов. М. Транспорт, 1984. -245 с.

16. Комлев И.М. Исследование режимов ускоренных испытаний асинхронных двигателей на надежность /Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. М. 1970.

17. Галкин В.Г., Парамзин В.П., Четвергов В.А. Надежность тягового подвижного состава. М. Транспорт, 1981. -240 с.

18. Черкесов Г.Н: Основы теории надежности автоматизированных систем управления. JI. ЛПИ, 1975. -219 с.

19. Васильев Б.В., Козлов Б.А., Тищенко Л.Г. Надёжность и эффективность устройств радиотехники. М., Советское радио. 1964. -368 с.

20. Серенсен С.В. Прочность элементов конструкций в статистическом аспекте и оценка их эксплуатационной надёжности/ В сб. «Надёжность и долговечность машин и оборудования». М., Стандарты, 1972.

21. Волков С.Д. Статистическая теория прочности. М., Свердловск. Маш-гиз. 1960. -176 с.

22. Серенсен С.В., Когаев В.П. Вероятностные методы расчёта на- прочность. / В сб.Механическая усталость в статистическом аспекте. М. Стандарты. 1968.

23. Серенсен С.В., Громан М.Б., Когаев В.П., Шнейдерович P.M. Валы и оси. Конструирование и расчёт. М, Машиностроние. 1970. -319 с.

24. Казанцев Н.А. Исследование надежности коллекторных двигателей переменного тока и разработка методов определения показателей их надежности. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. М.1972.

25. Гивартовская Н.А., Иванов А.С., Кроль И.А. Закон распределения времени износовых отказов электрических машин. / Труды ВНИИЭМ, Т-33, М.1970. -190 с.

26. Колмогоров А.Н. Основные понятия теории вероятностей. М.: Наука. 1974.

27. Рябинин И.А., Черкесов Г.Н. Логико-вероятностные методы исследования надёжности структурно-сложных систем. М. Радио и связь. 1981. -264 с.

28. Рябинин И.А., Киреев Ю.Н. Надёжность судовых электроэнергетических систем и судового электрооборудования. JI. Судостроение. 1974. -264 с.

29. Барлоу Р., Прошан Ф. Статистическая теория надежности и испытания на безопасность. М. "Наука. 1984. -326 с.

30. Ускоренные испытания изделий- машиностроения на надежность. /Под ред. М: Верченко. М. Стандарты. 1969. -240 с.

31. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. М. Мир. 1972. -381 с.

32. Кугель Р.В., Благовещенский Ю.Н. Методика выбора качества изделий для ресурсных испытаний. М. НАТИ. 1970. -21 с.

33. Дружинин Г.В. Надежность устройств5 автоматики. JI. Энергия. 1964. -320 с.

34. Сотсков Б.С. Основы теории и расчета надежности элементов и устройств автоматики и вычислительной техники. М. Высшая школа. 1970. -270 с.

35. Аухадеев А.Э., Майоров О.В., Растунин Д.В. Диагностика технического состояния высоковольтных электрических машин. I Международный симпозиум «Электротехника 2030. Перспективные технологии электроэнергетики», г. Москва, 29-31 мая 2007 г., стр. 23-25.

36. Стрельбицкий Э.К. Исследование надежности и качества электрических машин. /Автореферат диссертации на соискание ученой степени д.т.н. Томск. 1967.

37. Голдберг О.Д., Бобков А,В:, Доценко В.Е. Оценка надежности штампованно-сварных обмоток торцевых асинхронных двигателей; М. Электричество. 1981. № 5. 64-66 с.

38. Гандель Ю.В., Гольдберг О.Д., Хазановский П.М. Математические модели для оценки вероятности совпадения дефектов в изоляции обмоток электрических машин. М. Электротехника. № 12. 1976.

39. Костырко В.И., Влантер С.Г., Ожоган В.А. Математическаямодель отказов обмоток двигателей электробуров при неравномерном старении изоляции. /Изв. вузов СССР М. "Электромеханика ". № 2, 1979. 142-146.

40. Лившиц П.С., Еремин А.А., Количественная оценка скорости изнашивания щеток электрических машин постоянного тока. Электротехника. 1982. №4, с. 19-22.

41. Лившиц П.С. и др. Изменение износных и коммутирующих свойств электрощеток. Электротехника. 1972, № 9. с. 34-36.

42. Гроссман М.И., Гутерман А.Б. О закономерностях износа щеток электрических машин. Электротехника. 1973, № 2, с. 50-52.

43. Хевиленд Р. Инженерная надежность и расчет на долговечность. М.-Л. Энергия. 1966. -232 с.

44. Серенсен G.B., Буглов Е.Г. О прочности деталей в связи с вероятностным представлением. /М. Вестник машиностроения, № II. 1960. 12-14 с.

45. Дмитриевский B.C. Вывод уравнения надежности электрической изоляции. Электротехника. 1973, № 1, с. 56-58.

46. Гольдберг О.Д. Качество и надежность асинхронных двигателей М. Энергия, 1968.

47. Надежность и диагностика энергетических электромашин. Сборник научных трудов. Киев. Наукова думка. 1984*.

48. Фукс Г.И., Кутейникова З.А. Поверхностные явления и надежность узлов трения механизмов приборов. /Кн. Надежность и долговечность. М. Машиностроение. 1984. -180 с.

49. Научно-технический отчет. № 299 Исследование надежности ТЭМ'ГП-ЗПБ и ЭД-107 тепловозов 2ТЭЮЛ и разработка мероприятий по ее повышению. Ташкент. 1974. с. 120.

50. Методы анализа надежности электрических машин. Издательство "Наука", 1968.61'. Ожоган В.-А. Исследование и оценка эксплуатационной надежности двигателей электробуров. Автореферат диссертационной работы на соискание ученой степетгк.т.н. М. 1980.

51. Рыженская В.М'. Методы оценки надежности электромашинных преобразователей средней мощности. /Груды ВНИИЭМ, вып.55, М. 1978. 109116 с.

52. Исаев И.П. Надежность локомотивов (лекция). М.Ред;-изд. Совет. МИИТ 1968, с. 50.

53. Виноградов и др. Повышение надежности тяговых двигателей электровозов в эксплуатации. Транспорт. 1965.

54. Курочка А.Л. Исследование высоковольтных электрических машин постоянного пульсирующего тока. М. 1975.

55. Кузнецов Н.Л: Сборник задач по надёжности электрических машин. Издательский дом, М. 2008. 400 с.

56. Воробьев А.А. Аналогии и различия при температурном, механическом, термическом и электрическом разрушениях твердых диэлектриков. В кн. "Пробой диэлектриковш полупроводников". М. Энергия. 1964.

57. Журков С.Н., Аббасов С.А. Связь между механической прочностью и термической, деструкцией- полимеров. Высокомолекулярные соединения. 1962. №11.

58. Б'ердический Б.Б. Обеспечение надежности . изделий при их проектировании. В еб. "Методы качественной оценки и обеспечение надежности. Материалы 15 конференции ЕОКК. М. 1972.

59. Гнеденко Б.В. О некоторых вопросах теории надежности как предметах исследования и преподавания. В сб. "Надежность и долговечность машин и оборудования". Стандарты. М. 1972.

60. Шереметьевский Н.Н., Гивартовская Н.А. Методы обеспечения и оценки надежности комплексных систем электротехники. Тр. ВНИИЭМ, т.ЗЗ. М. 1970.

61. Нечипоренко В.И. Структурный анализ систем. М. Советское радио. 1977. -214 с.

62. Барзилович Е.Ю., Беляев Ю.К. и др. Вопросы математической теории надежности. Под редак. Б.В. Гнеденко М. Радио и связь. 1983.

63. Растунин Д.В., Майоров О.В., Рюмин Е.В. Формирование аналитических моделей надежности коллектора электрической машины в системах электроснабжения. «Известия ВУЗов. Проблемы энергетики», №1-2, Казань, 2010 г., стр. 154-157.

64. Идиятуллин Р.Г. Надежность тяговых электрических машин. Ташкент «МехНАТ», 1987. -152 с.

65. Идиятуллин Р.Г., Растунин Д.В., Майоров О.В., Рюмин Е.В. Моделирование нагрузок силового электрооборудования с использованием методов теории вероятностей и математической статистики. «Вестник КГЭУ», № 2, Казань, 2009, стр. 33-37.

66. Антонов А.В., Острейковский В.А. Оценивание характеристик надёжности элементов и систем ЯЭУ комбинированными методами. М., Энерго-атомиздат, 1993.

67. Острейковский В.А. Теория надёжности. М.: 2003. 457 с.

68. Лоэв М. Теория вероятностей М. 1968. с. 65.

69. Боровков А.А. Теория вероятностей. М. Наука. 1976.