Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние электротермии в сельскохозяйственных и пищевых производствах 17
1.1. Области использования электротермии в сельском хозяйстве 17
1.2. Анализ технологических процессов сельскохозяйственного производства с применением горячего водоснабжения 22
1.3. Анализ технических средств нагрева воды, используемых в технологических процессах животноводства 26
1.4. Анализ ЭН и ЭТО различного применения, используемого в технологических процессах, для приготовления пищи и в быту 35
Выводы по первой главе и цель работы 66
ГЛАВА 2. Теоретические исследования при разработке 70
2.1.Системный подход к требованиям и методам исследования надежности ЭН и ЭТО 70
2.2.Классификация ЭН и ЭТО 73
2.3. Концепция решения проблемы разработки электротермического оборудования для сельскохозяйственных и пищевых производств 77
2.4.Выбор номенклатуры нормируемых показателей надежности 79
2.5.Анализ факторов, обусловливающих надежность действия ЭН 86
2.6.Моделирование надёжности действия ЭТО, ЭН и их конструкционных элементов 94
2.7.Исследование изменения электросопротивления проволоки спирали в процессе опрессовки оболочки ЭН 111
2.8.Выбор расчетных формул и прогнозирование показателей надёжности ЭТО, ЭН и их конструкционных элементов 116
2.9.Обсуждение различных решений задач надёжности конструкционных элементов ЭН 129
2.10.Оптимизация теплоотдающей поверхности ЭН 135
2.11 .Математическая модель нестационарной теплопроводности 143
2.12.Исследование температурных зависимостей конструкционных элементов ЭН при стационарном теплообмене 146
2.13 .Исследование стационарного теплообмена в ЭТО 157
Выводы по второй главе 174
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование положений, сформулированных при теоретическом анализе эн и это 178
3.1 .Задачи и планирование экспериментального исследования 178
3.2. Методика экспериментального исследования 186
3.3.Испытательное оборудование, приборы и схемы экспериментальных исследований 200
ЗАОбработка результатов экспериментальных исследований 207
3.5.Доказательства точности и достоверности измеряемых величин и полученных результатов, а также анализ ошибок, допущенных и принятых при исследованиях 214
З.б.Обсуждение результатов экспериментальных исследований и сопос тавление их с теоретическими предпосылками 224
Выводы по третьей главе 233
ГЛАВА 4. Практическая реализация результатов исследований 237
4.1 .Повышение технического уровня ЭН 237
4.2. Конструирование алгоритмов автоматизированного проектирования и расчета ЭН 251
4.3.Конструирование алгоритма теплообмена в электроплите с независимой установкой ЭН 254
4.4.Конструирование, производство и эксплуатация ЭТО 263
4.5.Повышение технического уровня ЭТО 306
4.6.Внедрение результатов исследований 317
Выводы по четвертой главе 324
Основные выводы 328
Список использованной литературы
- Анализ технологических процессов сельскохозяйственного производства с применением горячего водоснабжения
- Концепция решения проблемы разработки электротермического оборудования для сельскохозяйственных и пищевых производств
- Методика экспериментального исследования
- Конструирование алгоритмов автоматизированного проектирования и расчета ЭН
Введение к работе
В настоящее время приоритетным направлением технической политики в агропромышленном комплексе является разработка системы оперативных и перспективных мер по насыщению сельскохозяйственных товаропроизводителей высококачественной, экологически чистой, безопасной и высоконадежной техникой. Это вытекает, например, из того, что в стране сложилась ситуация, при которой сельскохозяйственное сырье сосредоточено у собственника — производителя, а техническая база по его переработке - у другого собственника. Сложившиеся, крайне невыгодные производственные условия заставляют производителя торговать сырьем. На сегодняшний день создание малогабаритной, мобильной высоконадежной техники для организации первичной обработки и переработки сырья у его производителя - ближайший и наиболее эффективный резерв развития производственных сельскохозяйственных предприятии. Кроме того, в технологических процессах переработки и тепловой обработки сельскохозяйственной продукции, а также для обеспечения нормального функционирования машин, механизмов и обслуживающего их персонала в холодные периоды, наконец, в быту необходимы источники теплоты. Самыми экологически чистыми из них являются преобразователи электрической энергии, как-то, электротермическое оборудование (ЭТО) и их основной рабочий элемент - электронагреватели (ЭН), производство которых в нашей стране началось в начале 40-х годов прошлого века. А уже с конца 60-х годов стали проводить исследования, посвященные проблеме повышения надежности ЭТО, созданного на базе ЭН.
Развитие судо- и кораблестроения и освоение мирового океана вызывали и вызывают настоятельную необходимость в повышении эффективности и расширении номенклатуры изделий судового машиностроения, в частности ЭТО для приготовления пищи. Большое государственное и экономическое значение решения названных задач определяется, в первую очередь, ролью ЭТО в увеличении автономности плавания и создания комфортных условий обитаемости судов, особенно кораблей ВМФ, а также в обеспечении необходимой работоспособности и готовности к функционированию основных машин, систем и боевых установок. В этой связи Постановлениями Правительства, приказами Минсудпрома, директивами ГК ВМФ и техническими заданиями проектантов судов и кораблей перед создателями ЭТО неоднократно ставились задачи по увеличению ресурса и КПД, уменьшению массы и габаритов, обеспечению стабильности электрического сопротивления изоляции (Киз) и сокращению регламентных работ при эксплуатации, а также по повышению степени автоматизации тепловой обработки нагреваемых сред и приготовления пищи.
Решением этих проблем занималось СКБ завода им. В.И. Ульянова, СКТБ ПО «Термаль», ГОЭТО ЦНИИ СЭТ, ООО «ТерМаш» и ЗАО «Концерн «Термаль» (Н.А. Демидов, В.З. Гуревич, В.И, Заклюшня, А.П. Смирнов, В.П. Гусев, Ю.Н. Родинов, А.В. Киреев, В.П. Пахарев, И.М. Кононов и др.). Под руководством и при непосредственном участии соискателя в названных организациях выполнено более 25-ти НИОКР, нашедших отражение в диссертационной работе.
Решением аналогичных проблем для нужд сельского хозяйства занимались ВНИИ ЭТО (А.П. Альтгаузен, А.Н. Чернявский, М.Б. Гутман, Н.Б. Коган, Ю.А. Белавин, В.И. Иванов, А.В. Шаровский, А.С. Варшавский, И.А. Кривошеий) и ряд других организаций (Г. Р. Мин дин).
Названными организациями и авторами создано и внедрено множество различных ЭН и ЭТО одинаковых по функциональному назначению, но резко отличающихся по техническому уровню (особенно по надежности - в 5...10 раз) и стоимости (в 2.. .3 раза). Созданное в ВПК оборудование надежнее, но дороже, что сдерживает его внедрение в АПК, хотя в конечном итоге эксплуатационные расходы при использовании менее надежного ЭТО оказывается значительно выше (во времени). Поэтому появилась настоятельная необходимость в безотлагательном решении выбора пути дальнейшего развития электротермии для сельскохозяйственных и пищевых производств, а также быта селян.
Характерной особенностью современного периода является то, что эффективное развитие экономики нашей страны требует активизации инновационных процессов, позволяющих вести непрерывное обновление и интенсивное развитие производства на базе освоения и реализации новейших достижений науки и техники.
Исходя из того, что инновация — это максимально возможное востребование новейших достижений науки и техники для непрерывного повышения качества и конкурентоспособности продукции и применяемых решений при отсутствии отрицательных воздействий на общество и окружающую среду в процессах, системах, структурах и аппаратах, имеет смысл извлечения максимальной выгоды из конверсионного процесса, позволяющего использовать достижения ВПК. В частности, результатов обширных исследований соискателя по определению критериев оценки и разработке методов обеспечения надежности специального ЭТО, а также результатов создания всевозможного ЭТО и ЭН.
Задание Главнауки МСХ РФ и Роснаучинновацентра АПК в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения», а также инновационные процессы, связанные с использованием результатов исследований и опыта проектирования ЭН и ЭТО, обусловили научно-практическую проблему, заключающуюся в совершенствовании существующего и разработке нового высокоэффективного ЭТО для сельскохозяйственных и пищевых производств, а также для быта сельского населения.
В качестве научной концепции или руководящей идеи решения указанной проблемы предложена логическая структурная схема, устанавливающая последовательность (очередность) выполнения в работе разноплановых, отдельных и в то же время комплексных исследований, определяющая их логическую взаимосвязь и объединяющая в единую целостную систему с целью повышения полноты решения задачи совершенствования ЭН ЭТО и их конструкционных элементов, а также скорейшей реализации полученных результатов в научной и практической деятельности.
Цель и основные задачи исследований: разработать математические модели оптимизации и нестационарной теплопроводности, методики расчета и ускоренных испытаний, алгоритм автоматизированного проектирования и новые конструктивно-технологические решения ЭН, а также методики и алгоритмы расчета, рекомендации по проектированию ЭТО и его более совершенные конструктивно-технологические решения.
В соответствии с целью работы объектом исследования являлась система, обеспечивающая полноту обоснования повышения эффективности разрабатываемых изделий путем формулировки принципов наиболее полно характеризующих надежность ЭН, как основных рабочих элементов ЭТО и являющихся составными элементами системного подхода, а предметом исследования — теоретические и конструктивно-технологические решения, обеспечивающиеє разработку ЭТО для сельскохозяйственных и пищевых производств, а также для быта сельского населения.
Основываясь на результатах анализа научной литературы и в соответствии с поставленной целью разработана концепция решения проблемы и определены основные задачи исследований - обоснование ряда принципиально новых технико-экономических решений, как-то:
- классификация ЭН и ЭТО, а также введение понятия их основных характеристик — основа дифференцированного определения путей совершенствования существующих и создания принципиально новых конструкций ЭТО;
- моделирование механизма изменения сопротивления {К) проволоки спирали, влага защита (а.с. 752818) и способ изготовления (а.с. 562956) - основа создания высоконадежных ЭН, предопределяющих автоматизацию их производства;
- использование штыревых РЭН с оболочкой из сплава алюминия АМгЗ и их нагруженное резервирование — путь повышения технико-экономической эффективности ЭТО с низкотемпературным режимом работы ЭН(гоб 250°С);
- независимая установка и резервирование ЭН (а.с. 805024) - путь повышения технико-экономической эффективности ЭТО с высокотемпературным режимом работы ЭН (гоб 250 °С);
- моделирование оптимизации и нестационарной теплопроводности, разработка графоаналитического метода определения г0д ЭН - основа математического обеспечения для решения задач оптимизации габаритов ЭН и ЭТО по критерию максимума температуры теплоотдающих поверхностей и конструктивных элементов;
- вывод критериального уравнения и эмпирических зависимостей, а также определение и табулирование коэффициентов и параметров распределения, связывающих геометрические параметры, эксплуатационные температуры и показатели надежности - основа математического обеспечения для расчета и прогнозирования показателей надежности ЭН по произвольно задаваемым размерам и температурам исследуемых элементов;
- использование конструкторских решений: агрегатов типа АПЭН с независимой установкой ЭН (а.с. 805024), защитой наружных поверхностей от перегрева (а.с. 189676) и повышенной степенью автоматизации тепловой обработки пищевых продуктов; ЭТО на базе РЭН, как-то: электронагревательных блоков типа НБК, нагревателей воздуха типа НВЭМ с аэродинамической защитой (а.с. 378984), электроконвекторов типа КЭ (а.с. 1580123), подогревателей нефтепродуктов типа ПМЭТ (а.с. 223113) и им подобных изделий - основа создания комплекса высокоэффективного ЭТО и реализации основных предложений промышленности по дальнейшему развитию сельскохозяйственной и пищевой электротермии. Научная новизна работы:
- впервые проведены теоретические и экспериментальные исследования, позволившие: создать принципиально новые технические решения, (защищены 11-ю авторскими свидетельствами, 7-ю патентами, и 6-ю свидетельствами на промышленные образцы (СПО), то есть обладающие абсолютной новизной) и дать обоснованные рекомендации по их промышленному внедрению; интерпретировать результаты экспериментального исследования конструктивных и эксплуатационных параметров ЭН в рамках модельных представлений о взаимосвязях геометрических параметров и технологических приемов изготовления ЭН, а также о взаимосвязях геометрических параметров, конструкционных материалов, эксплуатационных температур и надежности ЭН; интерпретировать результаты экспериментального исследования оптимизации габаритов ЭН и ЭТО в рамках модельных представлений о взаимосвязях потребляемой мощности, габаритов и температур как тепло-отдающих поверхностей ЭТО, так и температур нагреваемых и окружающих сред;
- впервые получено решение задачи нестационарной теплопроводности в ЭН, которое может использоваться для расчета температурных перепадов в ЭН, возникающих при его включении в работу и обусловливающих тепловой удар, вызывающий разрушение окисной пленки спирали (резистора),
- впервые решены задачи: оптимизации конструктивных параметров и эксплуатационных характеристик ЭН и ЭТО; подтверждения ошибочности существовавшей тенденции обязательной, во всех случаях, герметизации ЭН и уменьшения их количества в ЭТО за счет увеличения длины и потребляемой мощности; доказательства возможности обеспечения требуемых стандартами величин Лиз и показателей надежности посредством альтернативных решений - "дышащей" влагозащиты и увеличения количества ЭН и ЭТО за счет уменьшения их длины и потребляемой мощности; построения эмпирических графических зависимостей температуры оболочки (r0g) — функция плотности теплового потока с поверхности ЭН (q), среды и ее состояния, а также коэффициента приращения г0б (х) функция температуры нагретой среды (га); построения математической модели изменения электросопротивления (/?) спирали, отражающей качественную (аналитическое выражение) и количественную (полуэмпирическое выражение) зависимость коэффициента изменения R (Лд) от конструктивных параметров спирали до и после опрессовки в периклазе и оболочке ЭН; получения эмпирических зависимостей с выведением критериального уравнения; определения и табулирования коэффициентов и параметров распределения, связывающих геометрические параметры, эксплуатационные температуры и показатели надежности;
- впервые проведены исследования ЭТО с принципиально новым ЭН типа РЭН, а также с независимой установкой ЭН и их резервированием, благодаря чему определены критерии оценки и разработаны методы обеспечения надежности ЭТО с учетом вероятностной природы условии его работы;
- впервые выведены эмпирические уравнения для расчета геометрических и теплотехнических характеристик, а также для количественной оценки показателей надежности конструктивных элементов и ЭН в целом по задаваемым (требуемым) конструктивным параметрам и эксплуатационным температурам.
Достоверность установленных теоретических положений подтверждена экспериментальной проверкой в лабораторных и производственных условиях, а также эксплуатацией ЭН и ЭТО в натурных условиях.
Практическая ценность исследований: создана научно-техническая база для дальнейшей научной и практической деятельности в области создания ресурсосберегающих электрических теплообменников, отвечающих современным и перспективным техническим, эргономическим, экономическим и экологическим требованиям;
- разработаны основные инструменты создания ЭТО, в том числе, методики его теплотехнических и надежностных расчетов, методики ускоренных испытаний ЭН;
- выполнены конструкторские разработки комплекса оборудования с использованием принципиально новых технических решений: защищенных
- внедрены в учебный процесс Нижегородской Государственной сельскохозяйственной академии методики и устройства для изучения процессов хлебопечения и водоподготовки. Результаты исследований и методики использованы в учебных пособиях.
Реализация научных исследований. Материалы исследований использованы специальным конструкторско-технологическим бюро электротехники ПО "Завод им. В.И. Ульянова", ЦНИИ судовой электротехники и технологии, ЗАО "Концерн "Термаль", ООО "ТерМаш" при разработке и совершенствовании ЭТО, а также различными ЦКБ при внедрении ЭТО на судах и кораблях.
ЭТО, разработанное в результате проведенных исследований и их результаты, широко используется в сельском хозяйстве.
На защиту выносятся:
1. Разработанные математические модели оптимизации и нестационарной теплопроводности, методики расчета и ускоренных испытаний, алгоритм автоматизированного проектирования и новые конструктивно-технологические решения ЭН, а также методики и алгоритмы расчета, рекомендации по проектированию ЭТО и его более совершенные конструктивно-технологические решения.
2. Нетрадиционные: способ "дышащей" влагозащиты ЭН с использованием узла влагозащиты трубчатого электронагревателя по а.с. 752618; способ изготовления трубчатого электронагревателя с односторонним расположением контактных выводов по а.с. 562956 и нетрадиционная независимая установка ЭН по а.с. 805024.
3. Математические модели изменения электросопротивления проволоки спирали при прессовке, отражающие качественную (аналитическое выражение) и количественную (полуэмпирическое выражение) зависимость коэффициента изменения электросопротивления кц от конструктивных параметров ЭН в процессе его изготовления.
4. Конструкторские решения ЭТО, защищенного авторскими свидетельствам и патентами: 378984, 115406, 805024, 189576, 1052227, 1065830, 223113, 256626, 1486137, 1560123, 1650078, 1687191, 321077, 2053456, 2066091, 33689, 31935, 28456, 36577, 38762 и 31012, в том числе способ обработки воздуха по патенту 2053456.
Апробация. Результаты исследований и разработок, обобщенных в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на научно-технических советах предприятий судостроительной отрасли, на конкурсах НТО судостроительной промышленности имени академика А.Н. Крылова, на ВДНХ СССР, на ВВЦ, в частности на "Третьей международной специализированной выставке-ярмарке "Пекарня - 97" (14... 18 марта 1997 года); на Всесоюзных научно-технических конференциях "Проблемы повышения надежности изделий судовой техники" (Ленинград, 28...30 ноября 1978 г.), "Математическое моделирование и оптимизация промышленного и транспортного теплообменного оборудования" (Севастополь, 16, 17 апреля 1990г.) и научно-технической конференции "Прогресс в автомобилестроении" (Суздаль, 1994 г.); в лаборатории термодинамики Минского института тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова академии наук БССР, в ГО ЭТО ЦНИИ СЭТ, в ЦНИИ СЭТ, во ВНИИ ЭТО и в ЛЭТИ имени В.И. Ульянова (Ленина) в 1981...1991 годы; на региональной научно-практической конференции "Повышение эффективности использования энергетики и совершенствование технологических процессов в сельскохозяйственном производстве" (Нижегородская ГСХА, 2001 г.) и на научной конференции Нижегородской ГСХА по результатам исследований за 1996...2000 годы (Н. Новгород, 2001 г.), наконец, на конкурсе НГСХА на лучшее учебное издание "Аграрная учебная книга" за 2000-2002 годы учебное пособие "Процессы и аппараты при переработке продукции растениеводства" удостоено диплома Ш степени (соавтор профессор Терехов М.Б.).
Публикации. В диссертации обобщены 137 авторских публикаций, в том числе 2 монографии, 2 книги, 24 авторских свидетельства и патента, а также 25 депонированных отчетов по НИОКР объемом 279,7 печ.л., из которых 157,2 написаны лично соискателем. На работников сельского хозяйства ориентировано 46 публикаций объемом 151,3 печ.л., в том числе 7 пособий, рекомендованных У МО по агрономическому, агроэкономическому и агро-инженерному образованию России в качестве учебных для студентов вузов, 6 учебно-методических пособий и 15 научных статей. Две монографии, одна из которых допущена Министерством сельского хозяйства РФ в качестве учебного пособия для студентов сельскохозяйственных вузов, два изобретения и 15 научных статей объемом 57,2 печ.л. написаны соискателем единолично.
Существенную техническую помощь по созданию (проектированию, изготовлению и испытаниям) ЭН и ЭТО для сельскохозяйственных, пищевых и др. производств соискателю оказали соавторы, поименованные в перечне основных работ, опубликованных по теме диссертации. Существенное участие в подготовке и издании учебных пособий приняли доктор сельскохозяйственных наук, профессор Терехов М.Б. и кандидат технических наук, доцент Денисюк Е.А., а в компьютерном оформлении диссертации и автореферата аспирант соискателя Мокеев А.А.
Неоценимую помощь своими советами и консультациями соискателю оказали член-корреспондент АН БССР доктор технических наук, профессор
Смольский Б.М. и Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Рудобашта СП.
Пользуясь случаем соискатель выражает свою искреннюю благодарность всем названным лицам.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 458 страницах машинописного текста и состоит из введения, 4 глав и основных выводов и заключений по диссертации. В работе содержится 18 таблиц, 112 рисунков и 18 приложений. Список литературы включает 479 источников, в том числе 39 на иностранных языках.
Анализ технологических процессов сельскохозяйственного производства с применением горячего водоснабжения
В настоящее время в нашей стране и за рубежом затраты тепловой энергии в сельскохозяйственном производстве составляют около 90% от всех энергозатрат, причем расход тепловой энергии на горячее водоснабжение и отопление составляет основную часть энергозатрат [122].
Горячая вода находит широкое применение во многих технологических процессах сельскохозяйственного производства, начиная от санитарно-гигиенических нужд работников сельского хозяйства, до животноводства и выращивания растений.
Технологический процесс нагрева воды занимает важную роль в эксплуатации машино-тракторного парка (МТП) в зимний период, где горячая вода необходима для прогрева ДВС и заправки их систем охлаждения, а также для мойки машин и тракторов, промывки деталей двигателей и трансмиссии в ремонтных мастерских. Для эффективного применения данных технологических операций необходимо выполнение определенных условий, таких как поддержание температуры воды на определенном заданном уровне. Так, например, для заправки систем охлаждения ДВС и промывки деталей двигателя трансмиссии вода должна иметь температуру 90. ..95 С.
Использование горячей воды в качестве теплоносителя получило широкое применение также при выращивании сельскохозяйственной продукции в тепличном и парниковом хозяйстве, где с ее помощью проводят нагрев как плодоносящего грунта, так и воздуха в теплице, что способствует повышению урожайности и ускоряет созревание овощей, фруктов и цветов.
На первом месте по применению тепловой энергии находится животноводство, где оно используется для обогрева помещений; кормоприготовле-ния; подогрева питьевой воды зимой; санитарно-гигиенической обработки животных, производственных помещений и оборудования; пастеризации молока и других видов первичной обработки продуктов и отходов. Наибольшее применение обогрев помещений получил на фермах крупного рогатого скота и свинофермах. За счет его применения достигается снижение падежа и выбраковки животных на 8...40%, повышение продуктивности животных; на 20%, экономия кормов на 10...12% [126].
Доля потребления электроэнергии в животноводстве в данный период составляет 65% от общего количества потребления электроэнергии, расходуемой в сельскохозяйственном производстве на тепловые процессы [10].
Основным фактором, оказывающим влияние на продуктивность животных, является поддержание определенных параметров внутренней среды животноводческих помещений, таких как температура воздуха в помещении, его влажность, содержание углекислого газа и аммиака. В большинстве случаев требуемый воздушно-тепловой режим в зимний период обеспечивается подогревом приточного воздуха от водяных калориферов. Оптимальные зоотехнические требования к микроклимату животноводческих помещений представлены в табл. 2.
Допустимое отклонение температуры воздуха от зоотехнических норм составляет ± 2 С, что определяет жесткие требования к системам автоматического управления технических средств электронагрева воды. Суточный график потребления теплоты на технологические нужды животноводческих ферм (см. табл. 1) показывает, что её расход многократно изменяется от минимального до максимального значения. При этом работа технических средств нагрева воды составляет 12... 19 ч в сутки.
Анализ технологических процессов показал, что для оптимального функционирования животноводческих ферм необходимо регулировать расход и температуру воды, а также необходимо поддерживать температуру в животноводческих помещениях на различных заданных уровнях, исходя из их назначения.
Наличие в среде производственных помещений агрессивных газов оказывает негативное влияние на надежность систем нагрева воды и, в первую очередь, на аппаратуру управления. Поэтому последнюю выносят в помещения с благоприятными для ее работы условиями.
Для сельского хозяйства характерна рассредоточенность сравнительно малых потребителей тепловой энергии на большой территории, что делает неэффективным использование централизованного теплоснабжения, как на отопление, горячее водоснабжение, так и на технологические процессы в сельскохозяйственном производстве. В связи с этим в сельской местности нашли широкое применение электронагревательные устройства малой мощности -до 30.. .40 кВт и средней - до 100 кВт [54, 145, 312].
Концепция решения проблемы разработки электротермического оборудования для сельскохозяйственных и пищевых производств
Проведенный выше анализ технических средств нагрева различных сред и обработки сельхозпродукции "с позиций общей закономерности инновационного развития экономики научная концепция решения проблем в АПК страны это - конструктивный принцип, прием, способ, использующие фундаментальные знания, новейшие достижения науки и техники, направленные на интенсивное развитие производства, непрерывное повышение качества и конкурентоспособности продукции при минимальных отрицательных воздействиях на общество и окружающую среду в процессах, системах и структурах" (профессор В.И. Тарушкин) убедительно иллюстрирует: — острую и настоятельную необходимость проведения широкомас штабных исследований по научному обоснованию средств и методов повы шения надежности работы ЭТО, опубликованных во многочисленных рабо тах соискателя, с целью использования их в сельскохозяйственных производ ствах и в быту сельского населения; - скорейшую реализацию в научной и практической деятельности по лученных результатов.
Основываясь на результатах анализа научной литературы, приведенных в первой главе, а также в соответствии с поставленными целью и научными задачами исследований, проведение и решение которых в полном объеме планируется осуществить в настоящей диссертационной работе, нами разработана концепция решения проблемы повышения надежности ЭТО, используемого в сельхозпроизводствах и в быту сельского населения, которая представлена нарис. 38.
Эта схема (рис. 38) определяет последовательность выполнения в диссертационной работе разноплановых, отдельных и в тоже время комплексных исследований, устанавливает их логическую взаимосвязь и объединение в единую целостную систему, позволяющую достичь глубины исследования надежности ЭН, ЭТО и их конструктивных элементов, а также осуществить реализацию результатов исследований в научной и практической деятельности.
Проблема надежности ЭТО носит чисто практический характер. Для ее решения требуется лишь добросовестное отношение к делу, отличная организация труда, использование соответствующих материалов, выполнение всех требований при проектировании, систематический контроль на всех этапах производства и эксплуатации.
Однако, в практической деятельности довольно часто возникают затруднения в оценке событий, которые одним представляются отказом, а другим — нет [340].
Возможным источником двойственности в толковании состояния изделия может служить отсутствие фиксированных единых требований к изделию или нечеткий (неконкретный) характер некоторых из них. Кроме того, неопределенность в вопросе о работоспособности или неработоспособности изделия обусловливается также следующим обстоятельством.
Требования к изделию обычно делятся на две части: функциональные, характеризующие непосредственное использование изделия по его прямому назначению, и нефункциональные, которые определяют внешний вид изделия, удобство его использования, массу, габариты, стоимость и др.
Нарушение функциональных требований приводит к отказу, т. е. к потере работоспособности изделия (выходу его из строя). Нарушение нефункциональных требований приводит не к отказу, а к дефекту. Поэтому для исключения возможных разногласий по вопросу о том, считать ли данное конкретное событие отказом или дефектом, необходимо иметь не только единые требования к объекту, но заранее разделить их на функциональные и нефункциональные [340].
В этой связи и с целью повышения эффективности работ по обеспечению качества и надежности ЭТО и ЭН (в дальнейшем изделия), ниже приводятся рекомендации по выбору их нормируемых показателей надежности для включения в стандарты, технические условия, технические задания, технические требования чертежей и систему планирования.
Рекомендации распространяются на выбор показателей надежности изделий, которые в процессе эксплуатации могут находиться только в двух состояниях работоспособном и неработоспособном. Критерием перехода из одного состояния в другое является понятие отказа и предельного состояния изделия.
Параметры изделия, по которым определяют его состояние (работоспособность, отказ и т. д.), их номинальные значения и допустимые пределы изменения должны устанавливаться техническими заданиями, техническими условиями и стандартами на изделия. Кроме того, в этой документации должно указываться, является ли изделие ремонтируемым или нере-монтируемым, а также необходимость, продолжительность и режимы его приработки.
Перемонтируемым изделием считается такое, работоспособность которого после отказа не может быть восстановлена вследствие его физико-химических или конструктивных особенностей (например, ЭН с перегоревшей спиралью, с разрушенной оболочкой) или ее восстановление нецелесообразно экономически (например, грелки электрические типа НГТА и некоторые виды блоков типа ЭНБ). Неремонтируемые изделия могут подвергаться профилактическому обслуживанию (например, сушке с целью восстановления Лиз? чистке контактов, подтягиванию резьбовых соединений).
Свойство ремонтопригодности закладывается на этапе проектирования изделий. Вынужденный в большинстве случаев из-за крайнего дефицита и экономически неоправданный ремонт неремонтируем ых изделий не может служить основанием для их перевода в класс ремонтируемых.
Ремонтируемым считается изделие, работоспособность которого в случае возникновения отказа может быть восстановлена с помощью ремонта. Эти изделия могут подвергаться различным видам технического обслуживания (например, регулировке, просушке с целью восстановления КИІ и т. п.).
Методика экспериментального исследования
1. Методика исследовательских испытаний РЭН, НЭРТ и ТЭН на надежность разработана на основе государственных стандартов, например [87], и отраслевой нормативно-технической документации с учетом специфики функционирования, назначения, условий эксплуатации и конструктивных особенностей ЭН.
В процессе нормальных испытаний РЭН, НЭРТ и ТЭН проверке подвергаются Лиз, омическое сопротивление R и прочность изоляции /прб. Rm и прб ТЭН при их независимой установке проверяются с учетом дополнительной изоляции (установки на керамические опоры), т. е. конфорки или жарочного шкафа в целом, /?из и R проверяются не реже чем через 120 ч, /,фб — не менее 3 раз за время испытаний.
Минимальная требуемая величина Ят ЭН в любом тепловом состоянии определяется как произведение их количества на величину RT изделия в целом. Исходя из этого RT РЭН может быть до 110 МОм.
Минимально допустимая величина Rm конфорок и жарочных шкафов с независимой установкой ЭН принята 10 МОм в любом тепловом состоянии.
Электрическая прочность изоляций Г/1фб отдельных ЭН и оборудования в целом проверяется напряжением 2000 В в холодном и 1500 В в горячем (рабочем) состояниях.
Испытания на надежность РЭН и контрольных НЭРТ проводились при атмосферном воздействии и в лабораторных условиях, нормальные испытания ТЭН - только в лабораторных условиях. Режим работы прерывистый. Периоды включения и отключения не регламентируются. Рабочее напряжение РЭН, НЭРТ и ТЭН и температуры их конструктивных элементов должны соответствовать требованиям конструкторской документации, рабочая среда - воздух.
Работоспособность РЭН, НЭРТ и ТЭН проверяется не реже чем через 120 ч путем замера Р и йиз Выявленные в процессе испытаний отказы подвергаются анализу. При этом все дефекты, вызывающие отказ (конструктивные и технологические), подразделяются на: а) исправимые, причины которых точно установлены и принятые меры однозначно устраняют выявленные отказы; достаточность принятых мер должна быть технически обоснована; б) неисправимые, причины которых не установлены, или меры по устранению отказов недостаточны.
Фактическая наработка узлов влагозащиты РЭН и НЭРТ на отказ (т,ал) определялась как суммарная (с учетом восстановления через заданные интервалы времени) календарная продолжительность сохраняемости в рабочем и нерабочем состояниях большей или равной величины, заданной в конструкторской документации. Наработка до отказа системы спираль-наполнитель ТЭН, испытываемых нормальным способом, определялась как суммарное время нахождения их во включенном состоянии, фиксируемое счетчиком электрической энергии. Основной недостаток этого метода — продолжительность испытаний, особенно изделий с большим ресурсом, в частности ЭН, ресурс которых может достигать 60 000 ч и более [4].
Для сокращения времени подтверждения показателей надежности многих изделий проводят ускоренные испытания, которые основываются на интенсификации процессов, вызывающих их отказы. При ускоренных испытаниях, как правило, получают лишь условную картину тех процессов, которые протекают в системе при нормальных эксплуатационных условиях.
Ускоренные испытания могут проводиться в условиях более высоких по сравнению с эксплуатационными температур, влажности, частот колебаний, напряжений питания, механических напряжений и других факторов, влияющих на процессы старения.
При разработке методов ускоренных испытаний необходимо учитывать следующие положения: 1) изменение условий испытаний по сравнению с эксплуатационными должно находиться в пределах, допускающих пересчет на нормальные условия работы изделия; 2) форсирование режимов допустимо лишь в пределах закона старения или разрушения материала изделия в эксплуатационных условиях.
При соблюдении этих положений испытания в форсированном режиме позволяют за более короткое время получить данные для прогнозирования ресурса изделия и других его показателей надежности.
В процессе ускоренных испытаний выявляются основные свойства материалов (проволоки, наполнителя, герметика и т. д.), использованных в производстве ЭН. Однако суждение о свойствах материалов, например системы спираль - наполнитель, может быть только количественным, поскольку характер физических и химических изменений материалов, возникающих в эксплуатационных условиях и в условиях ускоренных испытаний, различен [458, 474].
Применительно к ЭН любых типов может быть использован метод ускоренных испытаний в условиях повышенных напряжений питания и влажности (по сравнению с эксплуатационными).
Значение мощности, при которой должны проводиться испытания, может быть определено экспериментально. Контрольным признаком является температура поверхности образца в процессе испытаний, связанная с температурой спирали зависимостью, рис. 68 и (116).
При испытаниях ЭН температуры спирали и оболочки ограничивались максимальной температурой, обеспечивающей целостность узла влагозащи-ты и контактного вывода. Это значение температуры обусловливает величину подводимой и контролируемой мощности.
Конструирование алгоритмов автоматизированного проектирования и расчета ЭН
1. Точность экспериментально замеряемых величин обусловливается в основном точностью контрольно-измерительных приборов, а также навыками исследователя. Чтобы избежать случайных и грубых ошибок, измерения производятся не менее 3...4 раз, а их результаты обрабатываются по специально разработанным или существующим методикам (см. приложение 6), т. е. рассчитываются математические ожидания измеряемых величин, их дисперсии и среднеквадратические отклонения. Используя критерий Стью-дента, определяются доверительные интервалы ожидаемых величин, замеряемых параметров и их нормальность распределения, выявляются грубые ошибки измерений, исключаемые из дальнейших расчетов. Кроме того, при известности границ измеряемых аргументов методом двойных вычислений (способ границ) рассчитываются точные границы для искомого значения функции.
2. В табл. 12 приведены данные исследований 42 РЭН-5628, 9 РЭН-5629, 9 РЭН-5628 и 41 РЭН-5311 (см. рис. 43), опрессованных на РНМ при поперечно-винтовом оребрении монооболочки. Значения коэффициента А, приведенные в таблице, определены по уравнению (143), известным значениям коэффициента kg и параметрам спирали. , проходит — 216 — через область, в которой лежат экспериментальные точки для ЭН типа РЭН. Это подтверждает гипотезу закономерного возрастания коэффициента А при увеличении коэффициента ку в области ку 1,08 (минимальное значение коэффициента ку, при котором обеспечивается выполнение условия Yn 2,9 г/см ) и указывает на существование плавной зависимости A —f(ky), относящейся к любым методам опрессовки.
Для расчета коэффициента кя по уравнению (52) при изменении способа или степени опрессовки, материала оболочки и наполнителя производится экспериментальное определение коэффициента ку, поскольку возможность прогнозирования ку по фактическим размерам трубы-заготовки и технологически обеспечиваемым в заданных чертежом размерах параметрам ребра и внутреннему диаметру оребренной оболочки имеется только при изготовлении НЭРТ (см. рис. 12). Это обусловлено обеспечением в них Z)B = const, поскольку оребрение производится на ТЭН (стержне) с фиксированным диаметром. В этом случае рассчитывается площадь сечения трубы-заготовки F и оребренной трубы F Q, а затем из равенства объемов материала оболочки до и после оребрения, т.е. при F L3 = F\)La5, определяется ку:
Прогнозирование ку труб-заготовок РЭН возможно было бы при условии обеспечения постоянства плотности их наполнения периклазом, т. е. YH = const, так как в противном случае возможно изменение DB, но это условие практически неосуществимо. Поэтому одной из задач проводимых исследований вновь создаваемых ЭН является экспериментальное определение коэффициентов удлинения.
Достоверность этих коэффициентов, приведенных в табл. 10, подтверждается многократными измерениями: от 9...42 до нескольких сотен [349]. При этом для доверительной вероятности Р = 0,8 отклонения коэффициентов ку не превышают доверительных интерваловР = 0,002...0,04.
К числу ошибок экспериментального определения коэффициентов ку следует отнести систематические и случайные. Наличие первых обусловлено, прежде всего, различной плотностью наполнения ун заготовок ЭН перед оп-рессовкой, а также отклонениями от номиналов диаметров труб оболочек. Так, при производстве ТЭН экспериментально установлено, что для получения уо = 3,0 ± 0,1 г/см плотность наполнения оболочки периклазом должна быть ун 22 г/см . Исходя из этой величины коэффициент опрессовки должен быть V v, 2 9 ка — - — 1,32, (168) V v 7 7 Уй Гц »z т.е. или 4 5,28 V где DR - номинальный внутренний диаметр оболочки до опрессовки (оребрения), мм; L,, оС - длина оболочки ЭН, заполненная наполнителем (периклазом) соответственно до и после оребрения, мм.
В результате отработки РЭН было установлено, что обеспечение требуемого в нем уплотнения периклаза уо 2,9 г/см возможно при использовании труб с наружным диаметром 22 мм, имеющих толщину стенки 3,5...4,0 мм, и при двухзаходном оребрении. Расчетная величина DB 10,5 мм.
Таким образом, для получения у0 2,9 г/см при принятых (технологически обеспечиваемых) параметрах оребрения РЭН [266] коэффициент удлинения его оболочки ку может быть L D2 152 к -fL ш_ - 1,55. (170) у і 1,32/ в2 1,32-10,52 Из формул (168) и (170) следует, что у D2 Г. I н вн т. е. коэффициент удлинения оболочки ЭН при опрессовке ку прямо пропорционален 7н и &L и обРатно пропорционален у0 uDl .
Исходя из полученных величин коэффициентов Aj,, практических значений D « 10,8 мм и формулы (171) следует, что минимальная величина плотности наполнения оболочки РЭН периклазом должна быть v А,,?,Д.2 „1,207-2,9-10,82 ,, . з г-т щг—&— Плотность наполнения РЭН колеблется в пределах 2,36..,2,42 г/см3, ТЭН - 2,05.. .2,34 г/см3, а отклонения диаметров оболочек — от 0,01 до 0,1 мм. Это и случайные ошибки, вызванные неточностью измерений, обусловливают предельные относительные ошибки определения ку от 0,2 до 6,6%.
С учетом (285) в [277] и равенства dnp = l,12j/np уравнение (147) можно записать в виде f и kR = -f- - + s(0,l 14 -0,019 р + 0,0212 ). (171)
Сравним аналитическое (42) и эмпирическое (171) выражения для определения kR. Уравнение (171) отличается от уравнения (42) тем, что в нем параметры ЭН до опрессовки ($, dc? и dcp) представлены умноженными на эмпирические коэффициенты, которые отражают изменение этих параметров в конкретных условиях, в частности, при уплотнении наполнителя до плотно-сти 7о 3,0 ± 0,1 г/см , т. е. являются критериями подобия.
Сходимость экспериментальных и рассчитанных по уравнению (49) значений коэффициента кК ЭН, спрессовываемых на РКМ, показана на рис. 56 (практически полное совпадение графиков экспериментальных — сплошные линии и расчетных —- штриховые линии коэффициентов kg).
