книги / Надежность электрических машин

11

никновения отказов в работе. В теории надёжности выделяются три характерных типа отказов, которые являются внутренне присущими машине или любому изделию и проявляются даже при правильном обслуживании, без всякой вины со стороны обслуживающего персонала. К ним относятся (см. рис. 2):

1.Отказы, которые происходят в течение раннего периода эксплуатации машины. Они называются приработочными отказами и в большинстве случаев происходят вследствие плохой технологии производства и низкого качества контроля деталей машины при их изготовлении.

2.Отказы, которые вызваны износом отдельных частей машины. Они возникают в ЭМ, которые длительно работают без ремонта или же неправильно обслуживаются. Отказы из-за износа деталей являются признаком старения машины. В большинстве случаев отказы в работе машины за счёт износа её деталей могут быть предотвращены путём своевременной замены их новыми во время ремонта машины.

3.Внезапные отказы в период нормальной эксплуатации машины, которые не могут быть устранены ни наладкой машины, ни наилучшим её обслуживанием. Под внезапным отказом понимается отказ, возникший в результате скачкообразного изменения характеристик или параметров машины под влиянием внезапных перегрузок или других факторов. Внезапные отка-

зы возникают случайно, неожиданно, и никто не может предсказать, когда они произойдут. Однако такие внезапные отказы всё же подчиняются определённым общим закономерностям, так что частота отказов в течение достаточно большого периода эксплуатации машины примерно постоянна.

Исключить внезапные отказы в работе ЭМ практически невозможно, но применением соответствующих мер можно свести их число к минимуму за определённый интервал времени.

Характеризуя отказы, отметим, что все они имеют своё особое статистическое распределение во времени и, следовательно, требуют различной математической обработки. Для устранения

12

каждого отказа применяют различные методы. Например, приработочные отказы устраняют путём длительных испытаний машины перед вводом её в эксплуатацию. Износовые устраняют правильным режимом работы, надлежащим уходом за машиной

ипрофилактическим ремонтом её. Если после этого всё же возникают отказы, то их характер считают внезапным. А надёжность ЭМ при этих условиях определяется частотой появления, или интенсивностью, внезапных отказов в работе. Поэтому главное внимание при эксплуатации машины должно быть обращено на внезапные отказы в её работе, т. е. на их предупреждение и уменьшение во время основной работы в период нормальной эксплуатации, а для ЭМ с большим сроком службы это время практически соответствует также износовому периоду между ремонтами.

Учитывая внезапный (случайный) характер отказов, с точки зрения теории вероятностей можно сказать, что надёжность –

это мера способности ЭМ работать безотказно во время её эксплуатации. Количественно надёжность в этом случае выражается вероятностью безотказной работы машины в течение заданного периода и в данных условиях эксплуатации. Противоположным понятию надёжности является понятие ненадёжности, означающее вероятность отказа в работе машины в течение заданного промежутка времени.

Отсутствие достаточных статистических сведений о причинах

ичастоте выхода из строя различных типов ЭМ в разных условиях их применения не позволяет определить соответствующие пути к повышению надёжности этих машин. Даже сегодня во многих случаях практика не располагает установившимися конкретными

идостаточными данными по количественным показателям надёжности выпускаемых промышленностью ЭМ. По этой причине накопленная статистика об отказах ЭМ всегда очень важна для

проведения исследований надёжности основных типов машин с целью разработки и уточнения методик расчёта повышения их надёжности, совершенствования технологии их изготовления, разработки методик выбора машин, создания и улучшения систем защиты и правил их технической эксплуатации.

13

При исследовании надёжности основных типов электрических машин, представляющих собой сложные устройства, следует выделять слабые звенья. В этом смысле в АД ими являются об-

мотка статора и подшипниковый узел. В СМ (наиболее сложных в конструктивном плане) основными узлами являются обмотки статора и ротора, щёточный аппарат и контактные кольца, подшипники (или подпятники), системы охлаждения и пожаро-

тушения и т. д., большинство из них могут быть отнесены к слабым звеньям. Основные узлы МПТ – коллекторно-щёточный и подшипниковый, обмотки якоря, возбуждения, добавочных полюсов и компенсационная обмотка, из них слабыми звеньями яв-

ляются коллекторно-щёточный и подшипниковый узлы.

Отказы электрических машин малой мощности. Систе-

матический сбор сведений о выходе из строя ЭМ малой мощ-

ности (от долей ватта до 1000 Вт), широко используемых в промышленно-бытовых и культурных сферах общества (вентиляторы, пылесосы, полотёрные и стиральные машины, холодильники и т.д.), в различных условиях эксплуатации с целью уточнения методов обработки и использования этих данных всегда актуален.

Систематизация отказов различных типов ЭМ малой мощности в реальных условиях их эксплуатации на различных объектах практически ещё недостаточна и почти отсутствует в опубликованной литературе. Частично она проведена лишь в некоторых отдельных организациях и на предприятиях, занимающихся производством и использованием малых электрических машин. Однако систематических данных о причинах отказов многих конкретных типов машин малой мощности, эксплуатируемых на реальных объектах в различных климатических условиях, пока недостаточно. Это не позволяет достоверно определять количественные характеристики надёжности по отдельным конкретным типам и исполнениям малых электрических машин. Опубликованы лишь единичные данные об отказах некоторых типов ЭМ малой мощности, полученные в результате лабораторных испытаний

14

этих машин на надёжность при разных условиях опыта, например данные в табл. 1. Иногда в печати приводятся обобщённые статистические данные об интенсивности отказов малых ЭМ (без указаний конкретных мощностей или типов их исполнения (табл. 2)) или отдельных элементов ЭМ (например, табл. 3).

Таблица 1

Отказы составных частей конкретных типов машин малой мощности

15

Таблица 2

Отказы обобщённых типов электрических машин и изделий

16

Окончание табл. 2

В табл. 1 представлены данные об интенсивности отказов малых двухполюсных электродвигателей постоянного тока

собычным зубчатым якорем и внешним кольцевым магнитом (ЭМ типа ДПМ) и аналогичных электродвигателей типа ДПР, но

сбескаркасным полым якорем и внутренним цилиндрическим магнитом, а также ЭМ переменного тока – синхронных реактив- но-гистерезисных двигателей (типа ДС и ДСД), асинхронных двигателей повышенной надёжности (типа АПН) и специальных шаговых двигателей (ШД).

По данным табл. 1 видно, что наибольшее число отказов приходится на обмотки, подшипниковые и коллекторнощёточные узлы.

Отказы обмоток вызваны короткими замыканиями между витками или накорпус, обрывом проводов и нарушениями мест паек.

Отказы подшипниковых узлов происходят вследствие механического износа подшипников, ухудшения состояния смазки, некачественной посадки подшипников на вал и в щиты. В коллекторных машинах отказы подшипников происходят главным образом со

PNRPU

17

стороны коллекторно-щёточного узла из-за неблагоприятного влияния на них щёточной пыли, вибраций и повышенного нагрева коллектора. В малых электрических машинах переменного тока

чаще отказывают подшипники со стороны выходного вала из-за неравномерного распределения нагрузки на подшипник.

Долговечность малых электрических машин определяется в основном скоростью старения смазки подшипников.

Анализ результатов испытаний на надёжность электрических машин малой мощности показывает, что в коллекторных машинах (особенно высокоскоростных) отказы коллекторно-щёточного узла составляют 34–48 % и определяются в основном износом щёток (предельная наработка электрощёток низкоскоростных машин – около 1000 ч, высокоскоростных – 100–150 ч).

После изготовления машины малой мощности проходят дополнительные операции упаковки, транспортировки, хранятся у заказчика, подвергаются технической проверке перед установкой в изделие, что оказывает влияние на надёжность машин. Недоброкачественная сборка, недостаточный технический контроль после изготовления и другие причины вызывают также отказы машин ещё до начала их эксплуатации.

Впериод нормальной эксплуатации случайные отказы возникают из-за влияния климатических и механических факторов. Например, анализ причин отказов малых двигателей постоянного тока (типа ДПМ и др.) показывает, что около 89 % отказов возникает вследствие скрытых дефектов и лишь 11 % – из-за неправильного применения, ошибок обслуживающего персонала и т. д.

Данные табл. 2, составленные по материалам 7, 8, 9-го Международных электротехнических симпозиумов (США), можно использовать лишь для приближённой оценки надёжности малых машин постоянного и переменного тока, поскольку они являются средними обобщёнными опытными значениями (без указания мощностей и конкретных исполнений машин).

Втабл. 3 приведены обобщённые статистические данные об интенсивностиотказовнекоторыхэлементовэлектрическихмашин.

18

Таблица 3

Отказы обобщённых элементов электрических машин

Отказы асинхронных двигателей. АД являются наиболее распространёнными электрическими машинами. В бывшем

СССР их ежегодно производили миллионами штук. АД потребляют около 40 % всей производимой в стране электроэнергии. Нередко эти машины работают в весьма тяжёлых условиях, при неудовлетворительном обслуживании или совершенно без како- го-либо ухода. Поэтому в большинстве случаев отказы АД происходят из-за неправильного их применения (15–35 %), недостатков эксплуатации (35–50 %) вследствие неудовлетворительной защиты электродвигателей или низкого качества ремонта. Примерно 30–35 % отказов происходит из-за недостатков конструкции и технологии производства двигателей. 10–12 % машин выходят из строя по причинам естественного старения и износа. Средний срок службы АД до капитального ремонта составляет 5 лет (15–20 тыс. ч), что нельзя считать достаточным.

Статистика свидетельствует, что в бывшем СССР в течение года капитально ремонтировали в среднем около 20 % установленных электрических машин (в строительстве – 54 %, в горнодобывающей промышленности – 30 %, в машиностроении – 20 %, в чёрной металлургии – 13 %, в химической промышленности – 9 %, в про-

19

мышленности стройматериалов – 25 %, в пищевой промышленности – 24 %). На некоторых шахтах Кузбасса электродвигатели служили в среднем всего 6–7 месяцев. В химической промышленности средний технический ресурс двигателей серии ВАО до первого капитального ремонта составлял 60–80 тыс. ч, в то время как на угольных шахтах только 5–6 тыс. ч, а в отдельных приводных механизмах срок службы электродвигателей доходил до 2 тыс. ч.

Вподавляющем большинстве случаев (85–95 %) отказы АД мощностью свыше 5 кВт происходят из-за повреждения обмоток

ираспределяются следующим образом: межвитковые замыкания (типичные для всыпных обмоток) – 93 %, пробой межфазной изоляции – 5 % и пробой пазовой изоляции – 2 % (последние два вида отказов обычно возникают как следствие межвитковых замыканий и представляют собой развитие последних). На подшипниковый узел приходится 5–8 % отказов, и небольшой процент связан с такими причинами, как распайка выводных концов, скручивание валов, разрыв стержней ротора и др.

Вкрупных АД с открытыми пазами и шаблонными обмотками витковые замыкания возникают значительно реже, поэтому такие двигатели обладают сравнительно высокой надёжностью

иимеют больший срок службы. Например, средний срок службы высоковольтных двигателей тепловых электростанций, согласно имеющейся статистике, составляет 8–9 лет. Следует отметить также, что обслуживание крупных ответственных машин обычно поставлено лучше, чем мелких, и работают они в относительно лучших условиях.

Для АД общепромышленного применения изменения интенсивности отказов в функции времени довольно хорошо соответствуют кривой «жизни», представленной на рис. 2, выявляя отчётливые периоды приработки, нормальной эксплуатации и износа. Это обусловлено тем, что преобладающей причиной отказов являются межвитковые замыкания в обмотке статора и, таким образом, в большинстве случаев отказы асинхронных машин являются однотипными по своему происхождению.

20

При этом в течение периода приработки, продолжительность которого составляет 3–5 тыс. ч, интенсивность отказов постепенно уменьшается. Изменение вероятности приработочных отказов асинхронных двигателей во времени описывается распределением Вейбулла с параметрами k < 1. При надлежащем выборе значений параметров распределение Вейбулла может быть использовано для асинхронных двигателей общепромышленного применения с наработкой примерно до 10 000 ч.

Основной причиной приработочных отказов являются витковые замыкания. Для отдельных типов двигателей такие отказы составляют до 60 % от общего количества. Это объясняется несовершенством методов контроля витковой изоляции. Если все дефекты, выявляемые на испытательных станциях, составляют примерно 30 % от общего числа возможных отказов двигателей общепромышленного применения, то количество выявляемых витковых замыканий равно лишь 2–3 %. Исследованиями установлено, что вероятность пробоя межвитковой изоляции на испытательной станции в десятки раз меньше вероятности отказа в период приработки. Это объясняется тем, что эксплуатационные перенапряжения на концах фазы достигают десятикратной величины по отношению к номинальному напряжению Uн ,

а иногда и превосходят её. Напряжение, применяемое для контроля витковой изоляции, по ГОСТ 183–74 составляет лишь 1,3 Uн на фазу, что не позволяет выявить местные дефекты. В период приработки выявляются отказы, связанные с дефектами изготовления двигателей, технологией производства, качеством системы контроля, с уровнем производственной дисциплины и т. д. Расчёты показывают, что устранение, например, отказов из-за дефектов изготовления позволяет поднять надёжность электродвигателей с 0,85 до 0,95. Неполное обеспечение контроля качества машин на этапе приработки сохраняет возможность возникновения приработочных отказов в эксплуатационном и износовом периодах.