close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Исследование эксплуатационной надежности асинхронных двигателей в условиях горно-обогатительного комбината

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Ямансарин Ильдар Ильдусович Шифр научной специальности: 05.09.01 - электромеханика и электрические аппараты Шифр диссертационного совета: Д 212.217.04 Название организации: Самарский государственный технический университет Адрес орга
На правах рукописи
Ямансарин Ильдар Ильдусович
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ
АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ГОРНООБОГАТИТЕЛЬНОГО КОМБИНАТА
Специальность 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Самара – 2012
2
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном
учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный
университет» на кафедре «Электромеханика».
Научный руководитель
доктор технических наук, профессор
НИКИЯН Николай Гагикович
Официальные оппоненты:
ГРАЧЕВ Павел Юрьевич, доктор технических наук, доцент
Самарский государственный технический университет,
доцент кафедры «Теоретическая и общая электротехника»
ОМОН Александр Борисович, кандидат технических наук,
Общество с ограниченной ответственностью «Учебный
методический
информационно-технический
центр»,
заместитель директора по производственным вопросам
Ведущая организация
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Тольяттинский государственный университет»
Защита состоится «5» сентября 2012 года в 1300 часов на заседании диссертационного
совета Д 212.217.04 ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический
университет» по адресу: 443100, г. Самара, ул. Первомайская, д. 18, корп. 1, ауд. №4а.
Отзывы на автореферат просим высылать (в двух экземплярах) по адресу: Россия,
443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Самарский государственный технический
университет, Главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д212.217.04;
тел.: (846) 278-44-96, факс (846) 278-44-00; e-mail: aleksbazarov@yandex.ru.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного
технического университета (443100, г. Самара, ул. Первомайская, д. 18).
Автореферат разослан «03» июля 2012 года.
Ученый секретарь
Диссертационного совета Д212.217.04
доктор технических наук, доцент
А.А. Базаров
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Актуальность темы. Горное оборудование работает в тяжелых
условиях. Около 30% поломок приходится на электрооборудование. В год
25-35% установленных электродвигателей преждевременно выходят из
строя.
На
высокую
интенсивность
отказов
электродвигателей,
эксплуатируемых в условиях горно-обогатительного комбината (ГОК),
оказывают влияние климатические и механические факторы внешней среды.
Тяжелые режимы эксплуатации горного оборудования порождаются
особыми климатическими условиями горнодобывающего предприятия,
резкими колебаниями электромеханических нагрузок, сложностью
выполнения качественного технического обслуживания.
Все оборудование объединено в последовательную технологическую
цепь, поэтому выход из строя одного «звена» приводит к простою всей
технологической цепи, нарушению сложных технологических процессов и в
итоге к снижению качества и объѐма продукции. Для безостановочной
работы приходится делать большие межцеховые запасы. Для поддержания
электрооборудования в рабочем состоянии содержится электроремонтный
цех и большой штат электромонтеров. Материальный ущерб из-за отказов
электрооборудования может значительно превышать стоимость отказавшего
устройства. В связи с этим актуальна проблема повышения надежности
электродвигателей в условиях ГОК.
Для повышения надежности необходимы исследования условий
эксплуатации ГОК, режимов работы, а также процессов, приводящих к
ускоренному износу электродвигателей. Одним из способов изучения
влияния факторов на надежность электродвигателей является сбор и
обработка данных об отказах и условиях эксплуатации методами
математической статистики.
Вклад
в
исследование надежности
электрических машин внесли многие ученные, в том числе: О.Д. Гольдберг,
Э.К. Стрельбицкий, Ю.П. Похолков, В.П. Муравлѐв, Н.Г. Никиян, А.С.
Ленович, А.Б. Куйбышев, Т. Штак, Т. Тоеда. Значительный вклад в изучение
надежности взрывозащищенных и рудничных электродвигателей внесли
ученые Е.И. Антонов, Б.Н. Ванеев, В.Д. Главный, Н.Н. Ткачук, В.М.
Гостищев, Л.И. Сердюк, Б.Е. Теплицкий.
Данная работа выполнена на кафедре электромеханики Оренбургского
государственного
университета
в
рамках
направления
научно
исследовательских работ по диагностике асинхронных машин.
Целью работы является повышение эксплуатационной надежности
асинхронных двигателей (АД) в условиях ГОК, на основе исследования
основных эксплуатационных факторов, влияющих на надежность АД, и
установление закономерностей изменения интенсивности отказов.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
1 Провести анализ нормативных и фактических показателей
надежности
АД основного и взрывозащищенного исполнений,
эксплуатируемых в условиях ГОК с учетом их режимов работы;
4
2 Исследовать электромеханические и климатические факторы,
приводящие
к
сверхнормативной
интенсивности
отказов
АД
электроприводов основных технологических установок ГОК;
3 Разработать математические модели, устанавливающие взаимосвязь
показателей надежности функционирования АД с условиями эксплуатации
ГОК;
4 Разработать методику практического использования результатов
исследования показателей надежности АД и мероприятия по повышению
эксплуатационной надежности АД в условиях ГОК Южного Урала.
Методы исследования. Поставленные задачи решались с
использованием общей теории электрических машин, теории вероятностей,
математической статистики, методов планирования эксперимента. Обработка
статистического материала осуществлялась в средах математического
моделирования Excel, STATISTIKA.
Объектом исследования является эксплуатационная надежность АД в
условиях ГОК.
Предмет исследований – закономерности влияния климатических
факторов ГОК и режимов работы на интенсивность отказов АД.
Научная новизна заключается в следующем:
- Выявлены фактические показатели надежности групп АД основного
и взрывозащищенного исполнения, функционирующих в условиях ГОК, с
учетом их режимов работы.
- Разработаны стохастические математические модели надежности АД,
отличающиеся учетом влияния на показатели надежности АД температуры,
относительной влажности воздуха на поверхности ГОК и режимов работы
АД, эксплуатируемых в условиях ПР.
- Предложена методика оценки и прогнозирования показателей
надежности АД электроприводов технологических установок
ГОК,
базирующаяся на разработанных математических моделях.
На защиту выносятся следующие положения:
• Результаты сравнительного анализа нормативных и фактических
показателей надежности групп АД основного и взрывозащищенного
исполнений, эксплуатируемых в условиях ГОК, с учетом их режимов
работы.
• Стохастические математические модели, устанавливающие взаимосвязь
показателей надежности функционирования
АД в условиях ПР с
температурой, относительной влажностью воздуха на поверхности ГОК.
• Базирующаяся на разработанных математических моделях методика
оценки показателей надежности АД электроприводов основных
технологических установок ГОК.
• Результаты оценки показателей надежности АД, эксплуатируемых в
условиях ГОК Южного Урала, и мероприятия по повышению показателей
надежности, включая новое техническое решение автора, снижающее
воздействие влажности и рудничной пыли на АД.
5
Практическая значимость работы состоит в том, что предложены
мероприятия по повышению эксплуатационной надежности АД и новое
техническое решение автора, снижающее воздействие влажности и
рудничной пыли на АД, приняты к использованию и способствуют
повышению надежности АД основного исполнения, эксплуатируемых в
условиях ГОК (Гайского и Бурибаевского) и, следовательно, снижению
материальных и трудовых затрат.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались
и обсуждались на II Всероссийской научно-технической конференции
«Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий»
(г. Уфа 2009 г.); областной научно-практической конференции «Молодежь и
наука – шаг в будущее» (г. Оренбург 2009 г.); Всероссийской научнопрактической конференции «Интеграция науки и практики в
профессиональном развитии педагога» (г. Оренбург 2010 г.); Всероссийской
научно-технической конференции «Энергетика: состояние, проблемы,
перспективы» (г. Оренбург 2010 г.); Дни молодежной науки в Оренбургской
области «Новые промышленные технологии и техника» (г. Оренбург 2011 г.);
Международной
научно-технической
конференции
«Состояние
и
перспективы развития электротехнологии» (XVI БЕНАРДОСОВСКИЕ
ЧТЕНИЯ) (г. Иваново 2011 г.); Всероссийской научно-методической конференции
«Университетский комплекс как региональный центр образовании, науки и
культуры» (г. Оренбург 2012 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10
работ, в том числе 2 статьи по списку ВАК, 7 докладов в материалах научнопрактических конференций, подана 1 заявка на изобретение.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из
введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 67 наименований,
3 приложений и содержит 124 страницы основного текста.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность проблемы высокой
интенсивности отказов АД при эксплуатации в условиях ГОК, определена
цель работы, указаны: научная новизна, основные положения, выносимые на
защиту и практическая ценность работы, приведены сведения об апробации
и публикациях основных результатов работы.
Первая глава диссертации посвящена обзору состояния исследуемого
вопроса. Рассмотрены особенности эксплуатации АД в условиях ГОК, а
также характерные повреждения АД. Приведен анализ методов повышения
надежности АД в условиях агрессивных сред, и анализ методов расчета
показателей надежности АД.
В условиях ГОК наибольшее распространение получили АД из-за их
относительной простоты, достаточно высокой надежности, а также низкой
стоимости и удовлетворительных эксплуатационных характеристик. Анализ
известных способов повышения надежности АД показал, что для
6
декабрь
ноябрь
октябрь
сентябрь
август
июль
июнь
май
апрель
март
февраль
Компоненты анализа
январь
эффективного внедрения мероприятий по повышению надежности АД в
условиях ГОК необходимо иметь данные об условиях эксплуатации и
режимах работы АД.
АД основного исполнения предназначены для эксплуатации при
следующих значениях климатических факторов окружающей среды:
температура 40оС; влажность (40 80)%; атмосферное давление (94 106)
кПа.
Согласно существующим нормам за время эксплуатации АД серии 4А
должен обеспечивать следующие показатели надежности:
- средний срок службы более 15 лет при наработке 40000 часов;
- средний срок службы до первого капитального ремонта – 8 лет, при
наработке 20000 часов, вероятность безотказной работы (ВБР) более 0,9 за
10000 часов.
В условиях ГОК средний срок службы электродвигателей до
капитального ремонта составляет от 1 до 3 лет.
АД эксплуатируются в неблагоприятных климатических условиях
основных цехов ГОК, подземного рудника (ПР) и обогатительной фабрики
(ОФ). В ПР и ОФ почти всегда высокие относительная влажность и
запыленность воздуха. В рудничном воздухе содержится большое
количество пыли (от 70 до 1000 мг/м3 ). Пыль и влажный рудничный воздух
попадают внутрь АД, несмотря на закрытое исполнение корпуса и защитные
уплотнения.
АД нередко подвержены перегрузкам, частым и тяжелым условиям
пуска, вибрациям и т.д. С целью снижения воздействия данных факторов
часто завышается номинальная мощность установленных АД, используются
АД рудничного, взрывозащищенного исполнения, но интенсивность отказов
АД в условиях ГОК не снижается. Рассмотрение системы электроснабжения
в ГОК показало, что качество питающего напряжения соответствует ГОСТ и
не оказывает существенного влияния на высокую интенсивность отказов АД.
Интенсивность отказов АД в условиях ПР имеет определенные
сезонные закономерности (табл. 1). А это значит, что и условия
эксплуатации, от которых зависит интенсивность отказов АД, также имеют
сезонные закономерности.
Таблица 1. Среднемесячные интенсивности отказов АД в исследуемых ПР за
5 лет
месяцы
Сред. интенсивность 11,2 10 12,5 10 8,9 7,8 11 6,3 9,6 16,3 10,8 13,5
отказов , 10 5 , ч 1
Коэф. вариации интен- 77 47 61 49 40 79 36 97 56 26 59 73
сивности отказов, %
7
Анализ отказов АД, работающих в рудничных условиях в механизмах
добычных и проходческих комбайнов, скребковых и ленточных конвейеров,
толкателей участковых погрузочных пунктов, лебедок, ручных электросверл,
насосов маслостанций буровых станков показал, что основной причиной
отказов (более 90%) является повреждение изоляции обмоток.
Так как наиболее слабым звеном АД является межвитковая изоляция
обмотки, то все методики расчета показателей надежности сводятся к
расчету надежности обмотки. Существующие методы расчета показателей
надежности учитывают основные факторы – это тепловое старение,
вибрация, частота включений, которые воздействуют на АД только во время
работы. Учет только перечисленных факторов в существующих методиках
расчета, дает завышенные значения показателей надежности АД.
Воздействие основных факторов нетрудно воспроизвести при проведении
ускоренных испытаний АД в лабораторных условиях. Но учесть при
ускоренных испытаниях факторы, присущие ГОК, такие как относительная
влажность, запыленность воздуха, воздействие окружающей среды во время
простоев, вместе с выше перечисленными факторами затруднительно.
Наиболее достоверные значения показателей надежности АД дает анализ
статистических данных, полученных при эксплуатации АД в условиях ГОК.
На основе проведенного анализа отказов АД сформулированы задачи,
решение которых приводится в 2, 3 и 4 главах работы.
Во второй главе рассмотрены: влияние климата на поверхности ГОК на
микроклимат ПР и ОФ; влияние электромеханических и климатических факторов
на интенсивности отказов АД при различных режимах работы; общая методика
проведения исследований.
Для безопасной работы людей выработки ПР постоянно
проветривается чистым атмосферным воздухом, подаваемым с поверхности
ГОК (рис. 1).
Поток воздуха, выходящего из ПР
Поток воздуха,
всасываемого в ПР
3
4
Главный ствол
Вентиляционный ствол
1
2
1 – главная вентиляционная установка; 2 – воздушная струя; 3 – калориферы;
4 – надшахтное здание вентиляционного ствола
Рис. 1. Схема воздушного потока при всасывающем способе вентиляции ПР
8
Чистый воздух с поверхности подается через главный ствол и, проходя
по ПР, выносит на поверхность через вентиляционный ствол рудничные
газы, пыль. Следовательно, температура и относительная влажность воздуха
в ПР зависят от климата на поверхности ГОК. При этом значения
относительной влажности и температуры воздуха, при прохождении его по
ПР, изменяются.
При положительных температурах воздуха на поверхности ГОК, он
подается в ПР без подогрева. И если температура воздуха на поверхности
выше, чем в ПР, при прохождении по выработкам происходит его
охлаждение и в ПР может выпасть роса. Этому явлению также способствует
и то, что в ПР атмосферное давление воздуха всегда ниже, чем на
поверхности, при всасывающем способе вентиляции. При 100% влажности
воздуха на поверхности ГОК, в выработках рудника выпадает роса.
При отрицательных температурах воздуха на поверхности ГОК может
произойти обледенение главного ствола ПР, при этом работа ПР станет
невозможной. Поэтому воздух перед подачей
в ПР подогревают в
0
калориферной 3 до температуры +2 С. Относительная влажность воздуха,
подаваемого в ПР, после нагревания при прохождении через калориферы
будет снижаться. То есть чем ниже температура воздуха на поверхности
ГОК, тем больше воздух будет осушаться, проходя через калориферы.
В помещениях ОФ, в отличие от ПР, отсутствует постоянное
проветривание. Вентиляция имеется только в дробильном отделении для
снижения запыленности воздуха, которая включается, когда идет дробление
руды. Состав пыли ОФ аналогичен составу пыли ПР: соли меди, окиси серы
и т.д. Микроклимат в помещениях ОФ мало зависит от климата снаружи ОФ.
Эксплуатационные факторы ГОК, воздействующие на надежность АД,
делим на три составляющие: электромеханические, климатические и
случайные. К электромеханическим факторам отнесѐм следующие: нагрузка
АД, частота включений, вибрации, электрическое напряжение. Усредненные
значения электромеханических факторов, в течение года не имеют сезонных
изменений и остаются постоянными, и, следовательно, усредненная
интенсивность отказов АД, обусловленная перечисленными факторами будет
постоянной. Микроклимат внутри ПР зависит от климата на поверхности
ГОК, следовательно имеет ярко выраженную сезонность и изменяется в
следующих пределах: среднемесячная температура (2 23)0 C , относительная
влажность (35 74)% и продолжительность 100% влажности (0 100) часов ПР.
Следовательно и интенсивность отказов АД, вызванная климатическими
факторами, будет иметь сезонные изменения (табл.1), т.е. будет переменной
величиной.
Таким образом, интенсивность отказов АД в условиях ГОК состоит из
трех составляющих
,
(1)
эл.мех
клим
9
Интенсивность
отказов АД,
ч-1
Эксплуатационные факторы
Режим
работы ЭлектроКлиматимеханичесские
ческие
где
- интенсивность отказов АД, вызванная
эл.мех , клим
электромеханическими и климатическими факторами, ξ – интенсивность
отказов АД, вызванная случайными факторами.
Опыт эксплуатации АД показал, что интенсивность их отказов в
1,5 10 5 ч 1 и ниже.
условиях общепромышленных предприятий составляет
В условиях ГОК на АД будут воздействовать как электромеханические, так и
климатические факторы. Но как видно по рис.2 интенсивность отказов АД,
вызванная электромеханическими и климатическими факторами намного
больше интенсивности отказов, вызванной только электромеханическими
факторами. Т.е. интенсивность отказов АД в условиях ГОК, при режиме
работы S2-S8, будет в основном определяться интенсивностью клим . Поэтому
для дальнейших исследований примем, что интенсивность отказов
клим .
Температура
воздуха
Температура
обмоток
Влажность
воздуха
Запыл.
воздуха
Вибрации
Электрическое
напряжение
S1-S8
λ=(0,8÷1,5)·10-5
Частота
включений
S1
λ=(3,3÷7,5)·10-5
S2-S8
λ=11·10-5
Рис. 2. К анализу нормативных и фактических показателей надежности
АД эксплуатируемых в условиях ГОК с учетом режима работы
В условиях ГОК воздействие на АД климатических факторов зависит
от режима работы АД. При неизменных во времени потерях процесс
нагревания поверхности АД описывается уравнением теплового баланса
(2)
Pdt Cd( )
S dt
где
P - сумма потерь в объеме машины, Вт; С – теплоемкость
машины, С=сm, с – удельная теплоемкость материала АД, Дж (кг
0
С) ; m –
масса АД, кг; α – коэффициент теплоотдачи с поверхности Вт (м 2 0 С) ; S –
поверхность охлаждения, м 2 ;
- превышение температуры поверхности
машины над температурой окружающей среды.
Во время работы АД происходит подсушивание изоляции обмоток. На
изоляцию обмоток АД воздействуют электромеханические факторы.
10
После отключения АД начинает остывать. Остыванию способствует
воздушная струя рудничной вентиляции. АД в зависимости от габаритов и
места установки остывают с разной скоростью - от 1 часа до суток.
Температура воздуха внутри АД снижается, при этом снижается давление
воздуха внутри АД. Возникает разность давлений между воздухом внутри
АД и снаружи, и при этом рудничный воздух засасывается внутрь АД.
(3)
V V0 (1
T) ,
0
где V0 – объем воздуха при 0 С; δ=1/273,15 - коэффициент объемного
расширения, град-1;Т – температура воздуха, 0С.
Во время простоя АД при остывании изоляции до температуры
окружающей среды начинает происходить увлажнение изоляции. Скорость
увлажнения зависит от влажности воздуха. Снижение сопротивления
изоляции до установившегося значения при 100% влажности происходит за
30-60 часов, пока изоляция не пропитается водой.
При нагревании давление воздуха внутри АД повышается и воздух
выходит наружу. При последующих включениях-отключениях АД – цикл
повторяется.
То есть АД при нагревании и остывании циклично всасывает
рудничный воздух. При этом воздух вместе с пылью всасывается в основном
через подшипниковые узлы, что подтверждает дефектация отказавших АД:
смазка всех подшипников сильно загрязнена. Рудничная пыль накапливается
внутри АД и взаимодействует с влажным рудничным воздухом. При этом
образуются кислоты, которые разрушают изоляцию обмоток АД, приводя к
преждевременному выходу еѐ из строя.
Нагрев АД зависит от режима работы, т.е. от соотношения
длительности периодов работы и пауз между ними или периодов с полной и
частичной нагрузкой, от частоты включения АД и характера протекания
переходных процессов.
При продолжительном режиме (S1) работы все части АД нагреваются
до установившейся температуры. При всех остальных режимах работы АД
(S2-S8), температура АД изменяется, а следовательно, внутрь АД будет
поступать рудничный воздух.
Интенсивность отказов АД вызванная климатическими факторами
будет наблюдаться у АД, которые имеют, как минимум, несколько циклов
нагрев-охлаждение в сутки. У АД с продолжительным режимом работы
интенсивность отказов, вызванная климатическими факторами, будет менее
заметна.
Интенсивности отказов АД при эксплуатации описывается типовой
кривой распределения, так называемой «кривой жизни», которая имеет три
характерных периода: период приработки, период нормальной эксплуатации
и период износа.
В первом периоде распределение интенсивности отказов АД
происходит по закону Пуассона или Вейбулла. Отказывают АД, имеющие
производственные дефекты.
11
Второй период – период нормальной эксплуатации, когда главной
причиной отказов являются случайные причины: недопустимая перегрузка,
неблагоприятные внешние факторы. Кривая интенсивности отказов АД на
этом участке носит характер экспоненты.
В третьем периоде отказы вызываются в основном старением изоляции
обмоток АД и износом подшипников.
Для АД, эксплуатируемых в условиях ГОК, определить распределение
интенсивности отказов затруднительно из-за невозможности обеспечить
одинаковые условия эксплуатации для всех наблюдаемых АД в течение
длительного времени. Как было указано выше, микроклимат ПР зависит от
климата на поверхности ГОК, и значительно изменяется в течение года.
Соответственно изменяется интенсивность отказов АД. Предложено
интенсивность отказов АД описать в виде функции, зависящей от
климатических факторов
(4)
f (X1 , X 2 ,..., X n ) ,
где X1 , X 2 ,..., X n - климатические факторы.
Вследствие изменения условий эксплуатации интенсивность отказов
АД в период нормальной эксплуатации будет изменяться. При ухудшении
условий эксплуатации (увеличение нагрузки, повышение относительной
влажности воздуха), интенсивность отказов АД будет возрастать. А при
благоприятных условиях эксплуатации снижаться.
Для оценки ВБР АД с учетом воздействия на АД эксплуатационных
факторов предлагается использовать среднее значение интенсивности
отказов λср за расчетное время эксплуатации АД, а также значения
интенсивности отказов λk за соответствующие периоды работы.
ВБР для расчетного времени эксплуатации АД (0-tk) определяем по
экспоненциальному закону
P( t ) e СР t k e СР t k ,
(5)
где ср ( 1
2 ...
k ) / k – средняя интенсивность отказов АД за
время tk, здесь k – число интервалов времени и
P( t ) e 1 t1 e 2 ( t 2 t1 ) ... e k ( t k t k 1 ) ,
(6)
где (t1-0), (t2-t1), (tk-tk-1) - интервалы времени, соответствующие
интенсивностям отказов λ1, λ2, …, λk.
λ
λ1
λ4
λСР
Δt
λ2
λ3
0
t1
t2
λk
t3
t4
tk-1
tk
t
Рис. 3. Интенсивности отказов в расчетный период работы АД
12
Интервалу времени (0-t1) соответствует интенсивность отказов λ1,
которая зависит от условий эксплуатации на данном интервале времени, а
именно загрузки горного оборудования и климатических условий (рис. 3). На
интервале времени (t1-t2) условия эксплуатации изменились, и
соответственно изменилась интенсивность λ2.
Интенсивность отказов АД рассчитывается для каждого интервала
времени Δt
(7)
n( t)/(NСР t ) ,
k
где n(Δt) - количество отказов АД за интервал времени Δt, NCP среднее число исправных АД за интервал времени Δt.
Для определения зависимости интенсивности отказов АД от
климатических факторов, был проведен сбор статистических данных:
- об изменениях среднемесячных значений температуры ( Т пов ),
относительной влажности воздуха ( пов ), продолжительности выпадения
росы (100% влажности воздуха) на поверхности ГОК;
- об отказах электрооборудования в основных цехах ГОК: ПР и ОФ.
Данные о среднемесячной относительной влажности, температуре
воздуха и продолжительности выпадения росы были взяты из архива
Акъярской метеостанции Республики Башкортостан. Данные об отказах АД
(под отказавшим АД будем понимать АД, поступивший в капитальный
ремонт) собраны в электроремонтных цехах Гайского (Оренбургской обл.) и
Бурибаевского (Республика Башкортостан) ГОК.
В обследуемых ГОК был собран и обработан статистический материал
о более чем 1500 вышедших из строя электродвигателях в ПР и 2000 в ОФ.
Собран материал об условиях эксплуатации ГОК и режимах работы
отказавших АД.
Из обработанного статистического материала для
исследования приняты следующие выборки АД:
в ПР: АД закрытого исполнения мощностью от 1 до 100 кВт,
эксплуатируемых
в двух режимах: повторно-кратковременном и
продолжительном с несколькими остановками в сутки; АД мощностью 22
кВт для привода вентиляторов ВРМ с продолжительным режимом работы;
в ОФ: АД закрытого исполнения мощностью от 1 до 100 кВт,
эксплуатируемых в продолжительном режиме работы.
При исследовании отказов АД приняты следующие допущения:
- АД в выборках аналогичные по конструкции;
- АД имеют аналогичные условия эксплуатации;
- выборки состоят из АД, имеющих разное время начала и конца
эксплуатации;
- все отказавшие АД заменяются новыми, количество эксплуатируемых
АД NCP остается постоянным.
Отказ АД является случайным событием. Точно предсказать случайные
величины или процессы нельзя. Однако если рассматривать не каждое
отдельное событие, величину или процесс, а их совокупность, то еѐ можно
13
характеризовать с помощью математических методов теории вероятности и
статистики.
В третьей главе представлены основные результаты анализа
статистического материала об отказах АД, подтверждающие зависимость
интенсивности отказов АД от климатических факторов ГОК и режима работы.
По
данным об отказах АД в обследуемых ГОК проведен
статистический анализ. Получены уравнения регрессии, коэффициенты
корреляции, детерминации между интенсивностью отказов АД ГОК и
климатическими факторами на поверхности ГОК, с учетом режима работы.
Уравнения регрессии, полученные ниже, могут использоваться только при
наличии рудничной пыли.
При исследовании отказов АД в условиях ПР будем использовать для
аппроксимации линейную модель регрессии, так как диапазон изменения
климатических факторов ПР узок и составляет для относительной влажности
от 35 до 74 %, для температуры воздуха от +2 до 230С.
Однофакторная линейная модель зависимости интенсивности отказов
АД, эксплуатируемых в повторно-кратковременном режиме в ПР, от
относительной влажности воздуха на поверхности ГОК
(8)
( 15,04 0,429 пов ) 10 5 ,
где пов - относительная влажность на поверхности ГОК, %.
Однофакторная линейная модель зависимости интенсивности отказов
АД, эксплуатируемых в повторно-кратковременном режиме в ПР, от
температуры воздуха (+2÷230С) на поверхности ГОК
(17,915 0,6289 Tпов ) 10 5 ,
(9)
где Т пов - температура воздуха на поверхности ГОК, 0С.
Уравнение (8) вполне согласуется с физическими представлениями о
процессе старения изоляции. Чем выше относительная влажность воздуха,
тем выше интенсивность отказов АД (рис. 4а). Вид зависимости (9) (рис. 4б)
получен вследствие высокой корреляции между температурой и
относительной влажностью воздуха. Коэффициенты корреляции между
интенсивностью отказов АД и продолжительностью 100% влажности низкие
(табл. 2), это значит, что на интенсивность отказов АД влияет не
краткосрочное значение влажности воздуха, а средние значения влажности
воздуха за длительное время эксплуатации.
При высокой межфакторной корреляции один из факторов выводят из
дальнейшего рассмотрения. Но в данном случае отказываться от фактора
«температура воздуха» не следует из следующих соображений: из рисунков
4а и 4б видно, что разброс точек относительно теоретических кривых
значителен, а, следовательно, на интенсивность отказов АД воздействуют как
температура, так и относительная влажность. Поэтому далее проанализируем
двухфакторную модель интенсивности отказов (10)
-5
Интенсивность отказов,λ·10
Интенсивность отказов,λ·10-5
14
24
21
2
18
1
15
12
9
6
3
0
35
40
45
50
55
60
65
70
24
21
18
12
15
12
9
6
3
75
2
4
Относительная влажность воздуха,%
6
8 10 12 14 16 18 20 22 24
0
Температура воздуха, С
а)
б)
1- прямая по уравнению регрессии; 2 - кривые 95% доверительного интервала
Рис. 4. Зависимости интенсивности отказов АД, эксплуатируемых в
повторно-кратковременном режиме в ПР, от относительной влажности
воздуха (а) и температуры воздуха (б) на поверхности ГОК
ка
Инт-ность от
зов λ·10
-5
Двухфакторная линейная модель зависимости интенсивности отказов
АД, эксплуатируемых в повторно-кратковременном режиме в ПР, от
относительной влажности и температуры воздуха (+2÷230С) на поверхности
ГОК имеет вид
(10)
(2,29 0,227 пов 0,4366 Tпов ) 10 5 .
Величина коэффициента корреляции R=0,83, показывает высокую
степень связи между интенсивностью отказов АД и климатом на поверхности
ГОК. Скорректированный коэффициент детерминации (табл.2) показывает,
что 63,2 % процента всех отказов АД ПР зависит от режима работы и
климатических условий на поверхности ГОК. График исходных данных и
плоскость построенная по модели (10) представлена на рис.5.
Те
мп
ер
ат
ур
ав
оз
ду
ха
,
0
С
н.
От
вл
но
аж
сть
в
оз д
уха
,%
Рис. 5. Зависимость интенсивности отказов АД, эксплуатируемых в
повторно-кратковременном режиме в ПР, от климатических факторов на
поверхности ГОК
15
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
30
1
40
50
60
70
Относительная влажность воздуха,%
-5
Интенсивность отказов, λ·10
Интенсивность отказов АД, λ·10-5
При продолжительном режиме работы зависимости интенсивности
отказов АД ПР от климатических условий на поверхности ГОК не
наблюдается. Зависимость интенсивности отказов АД от относительной
влажности представлена на (рис. 6а). Значительный разброс точек
относительно теоретической прямой и низкий коэффициент корреляции
R=0,19 свидетельствуют о том, что климатические факторы практически не
влияют на отказы АД, эксплуатируемых в продолжительном режиме.
Однофакторная линейная модель зависимости интенсивности отказов
АД ПР от температуры воздуха (ниже 00С) на поверхности ГОК имеет вид
(11)
(13,76 0,36 Tпов ) 10 5 .
Зависимость интенсивности отказов АД от относительной влажности
воздуха на поверхности ГОК практически отсутствует в зимний период.
Коэффициент корреляции R=0,4, в зимний период, указывает на среднюю
степень зависимости интенсивности отказов АД от температуры воздуха
(Рис. 6б).
2
80
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
2
1
-20
-16
-12
-8
-4
0
Температура воздуха, С
а)
б)
1- прямая по уравнению регрессии; 2 - кривые 95% доверительного интервала
Рис. 6. Зависимость интенсивности отказов АД эксплуатируемых в режиме:
S1 в ПР от относительной влажности воздуха на поверхности ГОК (а) и в
режиме S1-S8 от температуры воздуха на поверхности ГОК (б)
При анализе интенсивности отказов АД ОФ низкие коэффициенты
корреляции (табл. 2), объясняются отсутствием зависимости интенсивности
отказов АД от климатических факторов.
Статистическая значимость уравнений проверялась по критерию
Фишера. Табличное значение критерия Фишера при уровне значимости α=0,1
и степенях свободы k1=1 и k2=19, меньше фактического, поэтому уравнения
(8),(9),(10),(11) признаются статистически значимыми.
Фактические значения t -статистики превосходят табличное значение,
поэтому коэффициенты в уравнениях (8),(9),(10),(11) и коэффициенты
корреляции не случайно отличаются от нуля и статистически значимы.
16
Таблица 2. Сводная таблица основных результатов анализа интенсивности
отказов АД от климатических факторов
№ Компоненты анализа
Фактор
отн. влажн. температура продолжит.
воздуха
воздуха Тпов, 100%
0
φпов, %
С
влажн.
воздуха, ч
Однофакторный анализ отказов АД ПР при повторно-кратковременном
режиме работы
1 Уравнение регрессии
(8)
(9)
2 Коэффициент корреляции
0,692
0,78
0,23
3 Скоррект. коэф. детерминации
0,456
0,59
0
5
5
4 Ошибка модели
3,9 10
3,4 10
5 График исходных данных и
рис. 4 а
рис. 4 б
теоретической прямой
Двухфакторный анализ интенсивности отказов АД ПР при повторнократковременном режиме работы
1 Уравнение регрессии
(10)
2 Коэффициент корреляции
0,83
3 Скоррект. коэф. детерминации
0,632
4 Ошибка модели
3,2 10 5
5 График исходных данных и
рис. 5
теоретической плоскости
Однофакторный анализ интенсивности отказов АД ПР при
продолжительном режиме работы
1 Коэффициент корреляции
0,19
0,17
2 Скоррект. коэф. детерминации
0
0
3 График исходных данных и
рис. 6а
теоретической прямой
Анализ интенсивности отказов АД ПР от температуры воздуха (ниже 00С)
1 Уравнение регрессии
(11)
2 Коэффициент корреляции
0,012
0,44
3 Скоррект. коэф. детерминации
0
0,16
4 Ошибка модели
3,96 10 5
5 График исходных данных и
рис. 6б
теоретической прямой
Однофакторный анализ интенсивности отказов АД ОФ при
продолжительном режиме работы
1 Коэффициент корреляции
0,17
0,16
0,15
2 Скоррект. коэф. детерминации
0
0
0
17
Четвертая глава посвящена практическому использованию результатов
проведенных исследований. Результаты исследований позволяют обосновать
мероприятия по повышению надежности АД, эксплуатируемых в условиях
ГОКа, и использовать их при:
- прогнозировании и обеспечении заданного уровня надежности АД;
- расчете показателей надежности эксплуатируемых АД.
- подборе и экономическом обосновании технических мероприятий по
повышению надежности АД.
Проведенные исследования позволяют прогнозировать как групповые
показатели надежности, так и показатели надежности отдельных АД.
Прогнозирование ВБР АД проводим в следующем порядке:
1 По уравнениям регрессии (8),(9),(10),(11) для заданных значений
микроклимата определяем интенсивность отказов λ.
2 Используя (5),(6), определяем ВБР АД за время Δt.
В целях обеспечения заданного уровня надежности АД необходимо
найти сочетание эксплуатационных параметров – температуры и
относительной влажности воздуха, подаваемых в рудник, соответствующих
требуемой средней наработке до отказа t ср , ч.
Выразим относительную влажность и температуру воздуха через
среднюю наработку до отказа:
1
1
t ср
,
(12)
(2,29 0,227 поа 0,4366 Tпов ) 10 5
1
получим: (0,227 пов 0,4366 Tпов 2,29) 10-5 (13)
0
t cp
Задаваясь любым значением температуры Тпов (от 2 до 200С) и решая
уравнение (13), найдем значение относительной влажности φпов, которое
обеспечит среднюю наработку АД t ср .
Расчет
показателей
надежности
АД
при
изменяющихся
воздействующих факторах имеет следующий порядок:
1 Проводим наблюдение за отказами АД и собираем данные об отказах
за предыдущие годы. Необходимо исключить из полученной выборки отказы
АД, связанные с неправильной эксплуатацией, т.е. исключить все отказы не
связанные с износом АД.
2 Разбиваем расчетное время
эксплуатации на интервалы и
рассчитываем интенсивность отказов двигателей λk по (7) для каждого
интервала.
3 Определяем для расчетного времени среднюю интенсивность отказов
ср .
4 Подставляем среднюю интенсивность отказов ср и фактическое
время, отработанное двигателем в (5) и получаем ВБР этого АД на текущий
момент времени.
18
5 Подставляем интенсивность отказов АД λk и время (tk-tk-1) в (5) и
получаем ВБР для времени эксплуатации tk.
Данная методика расчета показателей надежности позволяет оценить
надежность АД, в процессе эксплуатации, с учетом реальных изменяющихся
условий эксплуатации.
На основе полученных результатов исследования можно определить
два направления действий по снижению аварийности АД: организационные и
технические.
Используя методику прогнозирования и оценки ВБР АД,
предложенную автором, необходимо:
- оперативно корректировать периодичность проведения текущих ремонтов;
- при снижении расчетной ВБР эксплуатируемых АД проводить
внеплановый осмотр и диагностику состояния, при необходимости выводить
АД в капитальный ремонт.
Технические мероприятия, предложенные автором, направлены на
снижение влажности и предотвращение попадания внутрь корпуса АД
рудничного воздуха. Экономически выгодны мероприятия направленные не
на снижение влажности и запыленности воздуха всего ПР, а мероприятия по
внедрению технических устройств для подсушки изоляции во время простоев
АД,
и
предотвращающих
попадание влаги внутрь АД.
1
На основе проведенных
исследований
предложено
2
дополнить конструкцию АД,
специальной трубкой 1, рис.7
заполненной влагопоглотителем
2,
расположенной
между
3
корпусом
АД,
торцом
магнитопровода и лобовыми
частями обмотки.
4
Трубка 1 одним концом
соединена
со
сквозным
отверстием 3, выполненным в
корпусе АД, а другой конец
закрыт
фильтром
4.
Рис. 7. АД c устройством защиты от
Аэродинамическое
(агрессивной) окружающей среды
сопротивление трубки такое, что
при нагреве и охлаждении АД,
воздух входит и выходит из АД через трубку, где и происходит его осушение
и обеспылевание. Данная конструкция АД позволит снизить влияние
рудничной атмосферы на изоляцию обмоток и подшипники.
19
РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Результаты и выводы основаны на статистическом материале,
полученном в ходе эксплуатации АД в реальных условиях ГОК, и являются
отражением существующего положения эксплуатационной надежности
электрооборудования в горнодобывающей отрасли.
1 Проведенный анализ нормативных и фактических показателей
надежности
АД
основного
и
взрывозащищенного
исполнений,
эксплуатируемых в условиях ГОК, с учетом их режима работы показал, что в
условиях ГОК на интенсивность отказов АД эксплуатируемых в повторнократковременном режиме в ПР, имеют значительное влияние (более 60%
отказов) температура, относительная влажность воздуха на поверхности ГОК
и рудничная пыль. Показатели надежности АД, эксплуатируемых в
продолжительном режиме, практически не зависят от климатических
факторов.
2 На основе обработанного статистического материала об отказах АД
в обследуемых ГОК, были разработаны стохастические математические
модели, устанавливающие взаимосвязь показателей надежности работы АД с
температурой и относительной влажностью воздуха на поверхности ГОК.
3 На базе предложенных математических моделей разработаны
методики оценки показателей надежности АД электроприводов основных
технологических установок ГОК.
4 Предложены мероприятия по повышению показателей надежности
АД, включая оформленное заявкой на изобретение устройство, снижающее
воздействие влажности и рудничной пыли на надежность работы АД,
которые приняты для использования в Гайском и Бурибаевском ГОК
(Южный Урал).
ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
В рекомендованных ВАК РФ научных журналах:
1 Никиян Н. Г. Эксплуатационная модель надежности асинхронных
двигателей в условиях подземного рудника / Н. Г. Никиян, И. И. Ямансарин
// Вестник Оренбургского государственного университета. - 2011. - N 4,
апрель. - С. 157-159.
2 Ямансарин И.И. Исследование отказов и факторов, снижающих
надежность асинхронных двигателей в условиях подземного рудника / И. И.
Ямансарин // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2011.
- N 4 (123), апрель. - С. 186-188.
Изобретения
3 Ямансарин И.И., Никиян Н.Г., Саликов М.П. Электрическая машина.
Заявка на изобретение №2011122119 от 31.05.11.
В других журналах и изданиях:
4 Ямансарин И.И. Причины износа и неисправностей электродвигателей в
условиях обогатительной фабрики Бурибаевского горно-обогатительного
комбината / Ямансарин И.И. // Сб. науч. трудов II Всерос. науч.-техн. конф.
20
«Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий»: в
2 т. Т.2 – Уфа: изд-во УГНТУ, 2009. – с. 71-74.
5 Ямансарин И.И. Повышение надежности асинхронных двигателей /
Ямансарин И.И., Саликов М.П. // Сб. матер. обл. науч.-практ. конф.:
«Молодежь и наука – шаг в будущее». - Оренбург: ОГИМ, 2009. – с. 111-112.
6 Ямансарин И.И. О надежности электрических машин в условиях горнообогатительных комбинатов / Ямансарин И.И. // Матер. Всерос. науч.-практ.
конф.: «Интеграция науки и практики в профессиональном развитии
педагога». – Оренбург: ОГУ, 2010. –с.2614-2616.
7 Ямансарин И.И. О влиянии коммутационных перенапряжений на
электрическую прочность изоляции электрических машин / Ямансарин И.И.
// Труды Всерос. науч.-техн. конф.: «Энергетика: состояние, проблемы,
перспективы». – Оренбург: ОГУ, 2010. – с.166-169.
8 Никиян Н.Г. Влияние сезонных изменений факторов окружающей
среды на отказы электрических машин в условиях подземного рудника /
Никиян Н.Г., Ямансарин И.И. // Труды Всерос. науч.-техн. конф.:
«Энергетика: состояние, проблемы, перспективы». – Оренбург: ОГУ, 2010. –
с.127-133.
9 Ямансарин И.И. О влиянии климатических условий эксплуатации
подземного рудника на отказы электрооборудования / Ямансарин И.И. // Сб.
науч. трудов межд. науч.-практ. конф. «Состояние и перспективы развития
электротехнологии» XVI БЕНАРДОСОВСКИЕ ЧТЕНИЯ. – Иваново, ИГЭУ,
2011, с. 95-97.
10 Никиян Н.Г. Обоснование закона распределения вероятности
безотказной работы асинхронных двигателей в условиях воздействия
переменных эксплуатационных факторов / Никиян Н.Г., Ямансарин И.И.//
Матер. Всерос. науч.-методич. конф.: «Университетский комплекс как
региональный центр образования, науки и культуры». – Оренбург: ООО ИПК
«Университет», 2012. – с.288-292.
Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, автору
принадлежат: в работах[1,8,10] – анализ статистических данных об отказах и
регрессионные модели показателей надежности асинхронных двигателей, в
работах [3,5] – мероприятия и новое техническое решение по повышению
надежности работы асинхронных двигателей, работы [2,4,6,7,9] написаны
единолично.
Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.217.04
ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»
(протокол № _12_от 26 июня 2012 г.)
ЛР № 063109 от 04.02.1999 г.
Подписано в печать 27.06.2012 г.
Заказ № 3459. Тираж 100 экз.
ООО «Агентство «Пресса»
г. Оренбург, ул. Комсомольская, 45, тел. 30-61-83
Отпечатано с готового оригинал-макета
Документ
Категория
Технические науки
Просмотров
211
Размер файла
806 Кб
Теги
кандидатская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа