Министерство образования и науки РФ
ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический
университет»
Кафедра электротехники и электрических машин
УТВЕРЖДАЮ |
||
Заведующий кафедрой электротехники и электрических машин
|
||
к.т.н., доцент |
|
ЯЯ.М. Кашин
|
____ _______ 2015 г.
|
||
для студентов направления 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника»
Программа «Электрооборудование»
Разработал:
к.т.н., доц. С.А. Попов
Обсужден на заседании кафедры
электротехники и электрических машин
25 августа 2015 г. (протокол № 1)
Секретарь кафедры
к.т.н., доц. С.А. Попов
2015 г.
Кафедра электротехники и электрических машин
Лекция № 1
по дисциплине «Надежность электрооборудования»
для студентов направления подготовки:
Тема № 1 «Основы теории надежности электрооборудования»
Краснодар 2015 г.
Цели: 1. Формирование следующих компетенций:
1.ОК-1 Способность к абстрактному мышлению, обобщению, анализу, систематизации и прогнозированию
2.ПКД-5 Способность к выявлению узких мест в системах эксплуатируемого электрооборудования и решения задач повышения надежности и эффективности
2. Формирование уровня обученности:
должны знать основы теории надежности электрооборудования;
Материальное обеспечение:
Проектор, ПК, комплект слайдов «Надежность электрооборудования, тема 1».
Учебные вопросы
Вводная часть.
Основная часть:
Основные понятия и определения.
Вопросы прогнозирования и повышения надежности электрооборудования.
Заключение.
Литература
1. Шишмарев, В.Ю. Надежность технических систем [Текст]: учеб. для вузов / В.Ю. Шишмарев. – М.: Академия, 2010. – 304 с. 2. Александровская, Л.Н. Современные методы обеспечения безотказности сложных технических систем: Учебник / Л.Н. Александровская, А.П. Афанасьев, А.А. Лисов. – М.: Логос, 2013. –208 с.: ил.
Как указывалось во введении, вопросы надежности разнообразных технических устройств и изделий приобрели сейчас для практики весьма важное технико-экономическое значение. Они определяют степень эффективности экономической эффективности использования всевозможных изделий народном хозяйстве. Анализом и исследованием этих вопросов занимается новая наука, которую называют теорией надежности. Основной задачей данной науки является изучение закономерностей возникновения отказов технических устройств. Эта наука базируется на теории вероятностей и метода электрически математической статистики. Поэтому все расчеты надежности электрических машин и любых других технических устройств всегда носят вероятностный характер. В связи с рассмотрением в последующих главах вопросов теории надежности применительно к анализу надежности различных типов электрических машин возникает необходимость в определении ряда общих понятий и терминов в этой области в соответствии с действующим ГОСТ 13377-67«Надежность в технике. Термины», которые широко встречаются в опубликованной литературе по вопросам надежности.
К этим общим понятиям и терминам относятся следующие
Надежность - свойство технического устройства или изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в установленных пределах в течение требуемого промежутка времени.
Работоспособность - состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции с параметрами, установленными требованиями технической документации..
Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособности изделия. Неисправность - состояние изделия, при котором оно не соответствует хотя бы одному из требований технической документации.
Наработка - продолжительность работы изделия, измеряемая в часах, километрах, циклах или других единицах
Безотказность – свойство изделия сохранять работоспособность в течение некоторой наработки без вынужденных перерывов
Долговечность – свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов
Показателями долговечности изделия могут служить, например «ресурс», «срок службы».
Ремонтопригодность – свойство изделия, заключающееся в его способности к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов.
Ресурс – наработка изделия до предельного состояния, оговоренного в технической документации.
Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации изделия до момента возникновения предельного состояния, оговоренного в технической документации.
Наработка на отказ – среднее значение наработки ремонтируемого изделия между отказами. Может применяться также термин «среднее время безотказной работы».
Средняя наработка до первого отказа – среднее значение наработки изделий из партии до первого отказа. Для неремонтируемых изделий этот термин равнозначен термину «средняя наработка до отказа».
Вероятность безотказной работы – вероятность того, что в заданном интервале времени не возникает отказа изделия.
Интенсивность отказов – вероятность того неремонтируемого изделия в единицу времени после данного момента времени при условии, что отказ до этого момента не возник.
Неремонтируемыми или невосстанавливаемыми изделиями называемы такие, которые в процессе выполнений своих функции не допускают ремонта. К ним относятся все изделия однократного действия, как, например, ракеты, управляемые снаряды и др., а также некоторые изделия многократного действия, используемые обычно в специальных областях техники.
Ремонтируемыми ил восстанавливаемыми изделиями называют такие, которые в процессе выполнения своих функции допускают ремонт. Если происходит отказ такого изделия, то функционирование его прекращается только на период устранения отказа или ремонта изделия.
Приведенные выше краткие определения ряда понятий и терминов, используемых теории надежности, ниже даются в определенной математической трактовке при количественной оценке вопросов надежности какого-либо изделия ил технического устройства – электрической машины, механизма, прибора и т.д.
Следует иметь в виду, что истинная надежность любого технического устройства точно не известна, так как неизвестно численное значение его вероятности безотказной работы , удовлетворяющее данным условиям его применения.
Для количественной характеристики качества работы устройства требуется опытное измерение всех его важнейших параметров. Пока эти параметры остаются в допустимых пределах - техническое устройство работает удовлетворительно.
Если же они выходят за пределы допусков, устройство считается неисправным или отказавшим. Следовательно, по теории вероятностей удовлетворительное качество работы какого либо технического устройства связано непосредственно с понятием отказа. При этом отказы в работе данного устройства могут представлять собой не только механические или электрические повреждения, но также и уход его параметров за допустимые пределы. В связи с этим отказы в работе могут быть внезапными и постепенными. Последние вызываются по степенным изменением параметров отдельных элементов технического устройства по причине старения материалов или износом, что приводит к ухудшению выходных параметров устройства с последующим уходом их за допустимые пределы.
Внезапные отказы технического устройства приводят к полному нарушению его работоспособности. К этим отказам относятся: обрывы и короткие замыкания обмоток электрических машин и трансформаторов, изломы, деформации и заедания механических деталей машин и др.
Возникновения внезапных отказов в устройстве из-за внутренних его повреждений или других причин являются его событиями случайными. При этом эти отказы как случайные события могут быть независимыми - когда отказ кого либо в устройстве не сопровождается отказом других элементов, и зависимыми - когда они появляются в результате отказа других элементов.
Однако подразделение отказов на внезапные и постепенные имеет условный характер, так как любой отказ является одним из проявлений неисправности технического устройства Интенсивность отказов устройства в единицу времен используется ниже как количественная характеристика для математического определения надежности. Эта величина измеряется в среднем обычно числом отказов за один час. Обратная величина интенсивности отказов называется средней наработкой до первого отказа и измеряется в часах. Чем больше последняя величина, тем выше надежность данного технического устройства. Наработка на отказ есть отношение общего времени испытания устройства к общему числу отказов.
Возникновение проблемы надежности в технике. Первоначально вопросы надежности исследовались в области механического оборудования. Для обеспечения надежности работы этого оборудования при его проектировании и изготовлении закладывался определенный запас прочности в отдельные детали и этим создавалась необходимая гарантия надежности работы и долговечности службы. Естественно, такой способ обеспечения надежности и долговечности механического оборудования экономически был связан с излишним расходом металла и увеличенными габаритами изделия.
С развитием электрификации возникли проблемы обеспечения надежной передачи электроэнергии. Такие меры, как использование параллельной работы электрических машин и трансформаторов, наличие на электростанциях резерва, объединение высоковольтных линий электропередач в единую систему и другие мероприятия направлены на то, чтобы снабжение потребителей электроэнергией было возможно более надежным.
Новое направления проблема надежности получила с появлением и развитием радиоэлектроники, авиации, ракетной техники и космических кораблей. Вначале проблема надежности в этих отраслях решалась путем использования высоких запасов прочности и широкого применения резервирования, что приводило к значительному увеличению массы (веса) оборудования. Однако такой путь повышения надежности для новых типов авиационного оборудования и радиоэлектронной аппаратуры оказался неприемлемым. Современная новая техника требует существенного уменьшения массы (веса) и габаритов оборудования при высокой его надежности. В связи с этим интуитивный и эмпирический подходы к повышению надежности оборудования должны были уступить место новому подходу, при котором определения, оценки и расчеты надежности базируются на теории вероятностей и методах математической статистики.
Надежность сложного оборудования зависит от надежности работы его элементов. Например, надежность электрической машины, как сложного устройства, зависит от надежности работы ее основных частей - магнитной системы, обмоток статора и ротора, подшипников, коллектора или контактных колец и щеточного устройства. Выход из строя любой из этих частей приводит к отказу в работе машины. Следует отметить, что отказу обычно предшествуют внутренние изменения в машине, как-то: возрастание потерь, температуры нагрева, потребляемой мощности и т.д.
Как уже указывалось, мерой надежности оборудования является интенсивность отказов. Так, например, хорошо спроектированная, тщательно изготовленная, детально испытанная и правильно эксплуатируемая электрическая машина не должна отказывать в работе. Однако опыт показывает, что даже наилучшие конструкции машин, совершенная технология их изготовления и правильная эксплуатация не исключают полностью возникновения отказов в работе. Теория надежности различает три характерных типа отказов, которые являются внутренне присущими машине или любому изделию и проявляются независимо от обслуживающего персонала. К ним относятся следующие типы отказов:
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 в сборке.
2. Отказы, вызываемые износом отдельных частей машины. Они возникают в электрических машинах которые длительно работают без ремонта или же неправильно обслуживаются. Отказы за счет износа деталей являются признаком старения машины. Во многих случаях отказы в работе машины за счет износа ее деталей могут быть ограничены путем своевременной заменой их новыми во время ремонта машины.
3. Внезапные отказы в период нормальной эксплуатации машины, которые возникают случайно и не могут быть устранены ни наладкой, ни наилучшим ее обслуживанием. Под внезапным отказом понимается отказ, возникший в результате скачкообразного изменения характеристик или параметров машины под влиянием внезапных перегрузок или других факторов. Эти случайные отказы подчиняются определенным общим закономерностям и их интенсивность в течение достаточно большого периода эксплуатации машины примерно постоянна.
Устранить внезапные отказы в работе электрической машины практически не представляется возможным.
Подразделение отказов при работе электрической машины на приработочные, износовые и внезапные можно оценить по двум основным признакам:
1. Каждый из этих отказов характеризуется своим особым статистическим распределением во времени и, следовательно, требует различной математической обработки.
2. Для устранения каждого типа отказа должны применяться различные методы.
Так, например, приработочные отказы можно устранять путем предварительных испытаний машины перед вводом ее в эксплуатацию. Износовые отказы должны устраняться правильным режимом работы, мерами ухода за машиной и профилактическим ее ремонтом. Если после этого в процессе работы электрической машины все же происходят отказы, то они имеют внезапный и случайный характер. Следовательно, надежность электрической машины при этих условиях определяется интенсивностью внезапных отказов в единицу времени. В связи с этим главное внимание при эксплуатации машины должно быть обращено на внезапные отказы в ее работе - на их предупреждение и уменьшение во время основной работы машины. Для электрической машины с большим сроком службы это время практически соответствует периоду между ремонтами.
Надежность - это мера способности электрической машины работать безотказно во время ее эксплуатации. Как указывалось выше, количественно надежность, выражается вероятностью безотказной работы машины в течение заданного промежутка времени.
При вероятностных расчетах каких-либо статистических событий или процессов в математике различают истинную вероятность, или просто вероятность, и оценку вероятности этих событий. Так, например, если при испытании какого-либо изделия в N0 опытах появилось n0 исходов, благоприятствующих событию, вероятность которого требуется оценить, то оценка вероятности определяется как отношение.
Pоцен = n0 / N0
и истинная вероятность P будет как предел
P = lim n0 / N0
N0 →∞
Расчет надежности электрической машины, изделия или любой системы всегда представляет собой вероятностный расчет. Однако при количественной расценке или расчете надежности необходимо точно представлять определение надежности. Из приведенного выше определения надежности, как вероятности безотказной работе машины в течение заданного времени, следует, что истинная надежность машины или любого изделия точно неизвестна. Это означает, что неизвестно точное количественное значение вероятности удовлетворительной работы электрической машины, изделия или какого-либо устройства. Но количественные оценки надежности изделий или устройств, достаточно близкие к искомой величине, можно получить путем использования статистических методов и вероятностных расчетов. Насколько точно статистическая оценка надежности изделия отражает истинную его надежность, зависит от числа испытаний, полноты информации об отказах и других необходимых данных.
В настоящее время отсутствуют еще достаточно полные статистические сведения о причинах и частоте выхода из строя различных типов электрических машин в разных условиях их применения. Поэтому на практике недостает еще пока установившихся конкретных и достоверных данных по количественным показателям надежности выпускаемых промышленностью электрических машин. В связи с этим требуется систематический сбор сведений о выходе из строя этих машин в различных условиях эксплуатации и уточнение методов обработки и использования этих данных.
Конструкционная и эксплуатационная надежность электрических машин. Как показывает опыт эксплуатации многочисленного парка электрических машин общего применения в различных отраслях народного хозяйства и использование электрических машин специального назначения, целесообразно все вопросы надежности этих машин условно подразделять на два основных вида: заводскую конструкционную надежность машины и эксплуатационную ее надежность.