книги / Надежность электрических машин

281

ботано и внедрено большое количество различных устройств, повышающих эксплуатационную надёжность уплотнений при снижении давления масла. К ним относятся: кольцевые плавающие уплотнения с гидродинамической центровкой вкладышей, многопоточные кольцевые уплотнения, двух- и однопоточные торцевые уплотнения с разгруженным от давления газа в статоре вкладышем, схемы маслоснабжения с демпферным баком и др.

Опыт эксплуатации свидетельствует об удовлетворительной работе указанных конструкций и схем, обеспечивающих примерно одинаковую надёжность уплотнений при отказе системы маслоснабжения. Предпочтительными из них являются наиболее простые и экономичные – кольцевые уплотнения и схема маслоснабжения с демпферным баком. Необходимо отметить, что уплотнения кольцевого типа применены ЛЭО «Электросила» в турбогенераторе ТГВ-800-2. Они обеспечивают высокую надёжность работы при аксиальных перемещениях вала агрегата вследствие тепловых расширений.

Распространённой неисправностью масляных уплотнений торцевого типа является застревание вкладышей в корпусах уплотнений. Особенно часто эта неисправность наблюдается в крупных турбогенераторах и может быть вызвана плохой центровкой вкладышей, недостаточной жёсткостью деталей корпуса, повреждением контактных поверхностей деталей шпоночного узла или неправильной установкой резиновых уплотняющих колец. Поэтому для повышения подвижности вкладышей необходимо улучшение центровки, соблюдение норм на установку уплотняющих колец, высокое качество термической и механической обработки деталей шпоночного узла.

Для уменьшения износа вкладышей и дисков торцевых уплотнений нужна тщательная проверка, промывка и очистка трубопроводов и фильтров, борьба с коррозией с помощью применения антикоррозийных покрытий, нержавеющей стали, других материалов, не подверженных коррозии, и т. п.

282

Целесообразно унифицировать производство наиболее нагруженных, подверженных износу и повреждениям деталей уплотнений и организовать регулярное снабжение этими деталями, достаточно высокое качество которых может быть гарантировано при изготовлении лишь в заводских условиях.

Снижение вибрации. Повышенная вибрация является одной из главных причин повреждений крупных СМ. С повышением интенсивности использования активных материалов увеличивается мощность источников вибрации электромагнитного происхождения. Магнитное тяжение полюсов ротора в крупных турбогенераторах превышает 20 Н/см2. Такие усилия вызывают значительную вибрацию статора даже в тех случаях, когда частота собственных колебаний сердечника относительно далека от резонанса. Поэтому проблема снижения уровня вибрации в крупных машинах требует самого серьёзного внимания.

Эффективным средством снижения вибрации корпуса и других конструкционных деталей ТГ является виброизоляция сердечника, которую осуществляют путём эластичной подвески его в корпусе. В генераторах различных типов подвески имеют разное конструктивное исполнение, но во всех случаях они относятся к напряжённым элементам конструкции. Условия работы упругих подвесок зависят от механических характеристик корпуса. Частота собственных колебаний корпуса должна бытьне ниже 120–140 Гц.

Установлена возможность возникновения низкочастотных колебаний ротора ТГ вследствие неправильного выбора зазора в подшипниках. В турбогенераторах ТВВ-320-2 верхний масляный зазор в подшипнике на стороне турбины пришлось увеличить с 0,5 до 0,9–1,0 мм, что привело ксущественному снижению вибрации.

Необходимо дальнейшее совершенствование техники уравновешивания роторов турбогенераторов, способов уравнивания жесткостей по осям ротора, методов центровки турбогенераторов.

Вибрации статоров гидрогенераторов, вызываемые гармониками магнитодвижущей силы статора при дробном числе пазов на полюс и фазу, могут быть ограничены путём надлежащего

283

числового ряда обмотки. Считается, что приемлемая амплитуда вибрации на частоте 100 Гц не должна превышать 10 мкм. Недопустимо содержание в кривой магнитодвижущей силы статора тех гармоник, которые образуют систему сил, обусловливающую частоту колебаний сердечника в диапазоне 80–150 Гц.

На крупных генераторах необходим стационарный контроль вибрации подшипников, вала ротора, лобовых частей обмотки статора с регистрацией измеряемых величин и автоматической сигнализацией о превышении норм вибрации или резких её изменениях, свидетельствующих о повреждениях.

284

XIII. НАДЁЖНОСТЬ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

13.1.Повреждения машин постоянного тока

Впериод эксплуатации машин постоянного тока в разнообразных условиях производства в них возникают различные повреждения, которые приводят к отказам в работе этих машин.

Вгл. I показано, что во многих случаях частым повреждением МПТ является выход из строя коллекторно-щёточного узла. Со-

гласно статистике повреждений МПТ во время эксплуатации в среднем около 20 % от общего числа отказов этих машин происходит из-за неисправностей коллекторов. Но в крупных прокатных двигателях постоянного тока выход из строя коллекторов, по данным табл. 10, достигает 44–66 % от общего числа отказов этих двигателей. Это объясняется тем, что коллектор и щёточный аппарат являются одним из сложных узлов МПТ. Стоимость ремонта крупных двигателей соcтавляет заметную долю в общей стоимости восстановления машины.

К основным повреждениям машин постоянного тока относятся:

–повреждения коллекторов машин;

–износ электрощёток;

–повреждения обмоток якорей;

–повреждения обмоток возбуждения главных полюсов;

–повреждения обмоток добавочных полюсов и компенсационной обмотки;

–механические повреждения машин.

Повреждения коллекторов машин. К ним относят образо-

вание нецилиндричности поверхности коллектора из-за износа её при трении щёток в ходе работы; нарушение полировки поверхности коллектора с возникновением на ней царапин из-за нерав-

285

номерного нажатия отдельных щёток; разную твёрдость щёток; подгорание пластин при неблагоприятной коммутации; оплавление пластин в случае возникновения кругового огня на коллекторе при перегрузках машин и др. При возникновении одного из указанных повреждений коллектора машина постоянного тока выходит из строя и должна быть остановлена для ремонта. При устранении неисправности коллектор обязательно протачивается резцом или на токарном станке, или непосредственно в собранной машине с применением устройства для крепления и подачи резца. После достижения цилиндричности поверхность коллектора шлифуют и полируют до нужной чистоты.

Относительно большое число повреждений коллекторов вызвано трением щёток при высоких плотностях тока под щётками при их неполном прилегании к поверхности коллектора, что сопровождается появлением высоких температур в щёточноколлекторных узлах. На износ коллектора оказывают влияние ненормальные коммутационные явления.

К механическим причинам износа коллекторов относятся давление щёток на коллектор, материал коллектора и щёток, их вибрация, биение коллектора, высокая окружная скорость вращения коллектора и др. Механический износ коллектора зависит от площади контактов и их состояния. Полная площадь соприкосновения щёток с коллектором Fк зависит от скорости вращения коллектора, его вибрации со щётками. Рабочую поверхность всех контактов Fр представляют в виде

где γ – опытный коэффициент, зависящий от давления щёток на

коллектор, материала щёток, коллектора и его вибрации,

γ ≈ 0,4...0,7 .

Возрастание температуры контактных поверхностей и нарушение постоянства контактов между коллектором и щётками вызывают дополнительное искрение и обгорание щёток и коллекторных пластин. Износ коллектора зависит также от образования

286

контактной плёнки на поверхности коллектора, состава и влажности окружающего воздуха, наличия в среде активных газов и др. Наличие плёнки на поверхности коллектора снижает скорость его износа и способствует более благоприятному распределению тока под щётками. На износ коллектора оказывают влияние плотность тока под щётками, сопротивление переходных контактов щёток и коллектора, нарушение коммутации машины. При вращении коллектора площади прилегания щёток изменяются по указанным причинам. Это приводит к перемещению точечных контактов поверхностей щёток с коллектором с образованием в них чрезмерных плотностей токов и высоких местных нагревов до накала отдельных участков, а также к появлению термической ионизации щёточных контактов, которые имеют ионную природу. Размыкание и замыкание контактных точек на поверхности коллектора с образованием малых электрических дуг приводит к разрушению этой поверхности. Данный процесс вызывает значительные изменения переходного сопротивления контактных щёток. На величину этого сопротивления большое влияние оказывают влажность окружающего воздуха, состояние контактной плёнки, окружная скорость вращения коллектора и др. Статистические данные показывают, что при правильной эксплуатации износ коллекторов при непрерывной работе машин находится в пределах от 0,1 до 2 мм в год.

Важным средством уменьшения износа коллектора является улучшение условий коммутации машины путём настройки добавочных полюсов, подбора марки и размеров щёток для данной мощности и напряжения машины и окружной скорости вращения коллектора, а также правильного давления щёток на коллектор. Для уменьшения износа коллекторов нужно также обращать внимание на балансировку якорей для снижения вибраций на коллекторе и следить за состоянием подшипников. С этой же целью следует применять продороживание канавок между коллекторными пластинами, которое снижает трение щёток о коллектор.

287

В тяговых электродвигателях получили применение конструкции коллекторов с пластмассовым корпусом. Эти коллекторы работают при переменной скорости вращения в связи с частыми пусками и остановками тяговых двигателей (около 400 тыс. за период срока службы двигателя), вибрациях от неровностей пути (частота 15–45 Гц и ускорение 4–6 g) и нагреве коллектора до

80–100 ºС.

Большую опасность для коллекторов представляет возникновение кругового огня на поверхности. Отказы коллекторов

сиспользованием в конструкции пластмасс в большинстве случаев завершаются пробоем или перекрытием дугой высокого напряжения изоляционной части корпуса. Испытания коллекторов

сразличным пробегом в эксплуатации показали, что во всех случаях наблюдается резкое снижение сопротивления при нагрева-

нии. Пробивное напряжение между армировочным кольцом и пластинами в коллекторе, нагретом до 115–125 градусов, составляет 2,6–14 кВ эффективного напряжения и мало зависит от времени нахождения коллектора в эксплуатации.

Износ электрощёток. Анализ статистических данных испытаний электрощёток МПТ в диапазоне мощностей от 100 до 5000 кВт показывает, что средняя скорость износа их заметно зависит от окружной скорости коллектора, если она превышает 30 м/с. А многолетние систематические наблюдения показывают, что распределение значений скоростей износа щёток данной марки на определённой электрической машине характеризуется нормальным законом.

Повреждения обмоток якорей. К ним относятся пробой корпусной изоляции между обмоткой и пакетом стали, межвитковые замыкания в якорях с многовитковыми секциями, распайка соединительных петушков коллекторных пластин с обмоткой (в крупных МПТ), разрушение проволочных бандажей, удерживающих обмотку якоря (в высокоскоростных МПТ) и др.

Разрушение или старение изоляции в машинах, завершающееся обычно пробоем на корпус или межвитковым замыканием, происходит под влиянием тепловых и механических воздействий.

289

на коллекторе в нейтральное положение. Поломка кольца траверсы, закрепляющего её на подшипниковом или другом устройстве, расстройство регулировки положения щёткодержателей на пальцах или бракетах траверсы, повреждения пальцев или бракетов, удерживающих щёткодержатели на траверсе, и другие причины приводят к выходу из строя щёточной траверсы. Любое из повреждений подшипников или щёточной траверсы ведёт к отказу в работе машины, которая немедленно останавливается для ремонта.

13.2. Расчёт надёжности коллекторно-щёточного узла

Коллекторно-щёточный узел конструктивно представляет собой одну из ответственных частей машины постоянного тока, которая объединяет коллектор и щёточный аппарат в единое устройство для совместной работы. Под щёточным аппаратом здесь понимаются комплекты щёткодержателей со щётками, расположенные на бракетах или пальцах щёточной траверсы. Щёточный аппарат относится к той части машины, которая во время длительной работы характеризуется износовыми отказами за счёт постепенного износа щёток. Предел этого износа ограничивается величиной допустимого минимального значения их высоты, ниже которой наступает отказ в работе машины из-за выхода из строя щёток.

Электрощётка является невосстанавливаемым элементом конструкции щёточного аппарата. Её надёжность Pщ(t) оценивается

вероятностью безотказной работы за время t, в течение которого происходит её износ до предельно допустимой минимальной высоты. Всвязи с этим отказ электрощётки возникает в случае, когда

где ht – значение высоты щётки, проработавшей время t, мм; hпр – предельно допустимое минимальное значение высоты щётки (за пределами которого наступает отказ), мм.

290

Следовательно, безотказная работа электрощётки возможна при условии

Износы электрощёток разных марок зависят от величины окружной скорости вращения коллектора, давления щёток на коллектор, ряда производственных факторов и условий эксплуатации. Они являются случайными событиями, поэтому и скорость износа щётки υщ является случайной величиной.

Время безотказной работы электрощётки, ч,

рость износа, мм/ч.

Как показывает опыт эксплуатации электрощёток на разных электрических машинах, распределение скоростей их износа приближается к нормальному. Тогда среднее значение скорости износа электрощётки в соответствии с параметрами нормального распределения можно представить в следующем виде:

а среднеквадратичное отклонение скорости

где υщi – текущее значение скорости износа электрощёток, мм/ч;

n – объём выборки этих щёток.

Вероятность безотказной работы электрощёток в интервале времени t можно представить в виде