Содержание к диссертации
Введение
2. Анализ существующего уровня исследований электрических машин в горнодобывающей отрасли 12
2.1. Работа электрических машин в условиях горнодобывающей промышленности 12
2.2. Обеспечение надежности при эксплуатации асинхронных двигателей и синхронных машин 31
2.3. Постановка задачи 58
3. Модели технического состояния асинхронных и синхронных двигателей большой мощности 62
3.1. Требования, предъявляемые к диагностической модели 62
3.2. Структурная модель диагностики рабочих механизмов в горнодобывающей промышленности 66
3.3. Критерии вибросостояния 75
3.4. Модель вибродиагностики подшипниковых узлов и механических устройств различных рабочих механизмов 79
4. Вибродиагностика крупных электрических машин переменного тока . 96
4.1. Цель и задачи вибродиагностики 96
4.2. Основные вибродиагностические признаки дефектов электрических машин переменного тока 102
4.3. Диагностические признаки дефектов подшипниковых узлов 106
4.4. Диагностика и мониторинг электрических машин переменного тока . 110
5. Экономическая оценка эксплуатационной надежности электрических машин переменного тока в горнодобывающей промышленности 160
5.1. Экономическая выгода эффективного выбора метода обеспечения надежности 160
5.2. Экономическая оценка системы ремонта по фактическому состоянию 183
5.3 Прогнозирование технико-экономических показателей долговечности узлов трения электрических машин переменного тока и исследование отказоустойчивости 194
5.4. Выводы 207
Заключение 209
Список литературы 216
Приложение 1 236
- Обеспечение надежности при эксплуатации асинхронных двигателей и синхронных машин
- Структурная модель диагностики рабочих механизмов в горнодобывающей промышленности
- Основные вибродиагностические признаки дефектов электрических машин переменного тока
- Экономическая оценка системы ремонта по фактическому состоянию
Введение к работе
Актуальность темы
Эксплуатационная надежность электрических машин переменного тока определяет эффективность применения всех технических средств и влияет на важнейшие экономические показатели производства. Недостаточная надежность электрических машин переменного тока, наблюдаемая на практике, приводит к большим сверхнормативным расходам на преждевременные ремонты и внеплановые простои оборудования.
В настоящее время в горнодобывающей промышленности одной из наиболее важных характеристик работы электропривода мощных дробилок, мельниц, тяжелых конвейеров, вентиляторов является их надежность и неотъемлемая часть системы обеспечения надежности электрических машин, а так же количественная оценка ее показателей. Данная оценка осуществляется на основе информации, формируемой либо в процессе специально организованных испытаний, либо в процессе эксплуатации двигателей у потребителя, где записи наблюдений заносятся в однотипные журналы учета режимов работы и условия эксплуатации двигателей.
В основных направлениях экономического и социального развития России отмечена необходимость обеспечения и совершенствования качества и надежности промышленной продукции, повышения ее конкурентоспособности на международном рынке.
Особое значение эта проблема имеет для электротехнической промышленности, наиболее массовой продукцией, которой являются электрические машины переменного тока. Асинхронные и синхронные электроприводы составляют около 70% общего количества электроприводов, они потребляют более половины вырабатываемой в нашей стране электроэнергии. По существующим прогнозам асинхронные и синхронные двигатели еще несколько десятилетий останутся основными преобразователями электрической энергии в механическую.
Столь широкое применение электрических машин переменного тока, составляющих основу электропривода большинства технологических процессов, указывает на то, что технический прогресс в горнодобывающей отрасли в значительной степени зависит от качества используемых асинхронные и синхронные двигателей, и надежности их работы в эксплуатации. Такое положение обуславливает высокие требования, предъявляемые к показателям надежности электрических машин переменного тока. Таким образом, задача обеспечения надежности электрических машин переменного тока является актуальной не только для электротехнической промышленности, но и для всего народного хозяйства в целом.
Надежность электрических машин переменного тока закладывается при проектировании, обеспечивается в процессе изготовления и поддерживается при эксплуатации. Наиболее значительные работы по теоретическому и экспериментальному исследованиям надежности электрических машин переменного тока на этих стадиях принадлежат О.Д.Гольдбергу, Ю.П.Похолкову, А.А.Пястолову, О.П.Муравлеву, Э.К.Стрельбицкому, Я.Б.Тубису, Б.Н.Ванееву, А.О.Грундулису и другим авторам.
Актуальность проблемы оценки эксплуатационной надежности электрических машин переменного тока и их узлов подчеркивается тем, что существенная их часть эксплуатируется в достаточно жестких условиях. В первую очередь это относится к электрическим машинам переменного тока, используемым в качестве приводов горнодобывающей промышленности. Особенность их эксплуатации состоит в комплексном воздействии целого ряда факторов - агрессивных жидкостей и сред, резкопеременном характере нагрузки, действии вибромеханических нагрузок при транспортировании и от рабочих механизмов, повышенных и низких температур, влажности и пыли.
Одним из основных способов предотвращения внезапных выходов из строя электрических машин переменного тока является диагностика электрических машин. На сегодняшний день существует целый ряд методов диагностики, в том числе и вибродиагностики, обеспечивающих различную
степень достоверности получаемой информации. Для оценки технического состояния электрических машин эти методы используют различные диагностические параметры.
Повышение требований к уровню качества и надежности электрических машин переменного тока в условиях современного производства, а также увеличение интенсивности воздействия широкой гаммы эксплуатационных факторов диктуют необходимость пересмотра концепции диагностирования. В настоящее время становятся непригодными интуитивные методы и ручные способы оценки технического состояния электрических машин. Так, часто исправность подшипникового узла электрических машин переменного тока определяется путем проворачивания вала ротора или же по возрастанию уровня шума в рабочем режиме, оцениваемого на слух.
Современная вибродиагностика включает в себя не только простое определение общего уровня механических колебаний, но и анализ спектров вибрации, формы волны колебаний, фазовых углов колебаний, спектров огибающей высокочастотной вибрации и т. д. Изменение характерного (базового) спектра вибрации является не только предупреждением о приближающемся выходе из строя, но и указывает на тип имеющейся неисправности. Определение типа неисправности или дефектной части оборудования до того как оно будет выведено из работы, дает важнейшую информацию для правильной подготовки и проведения ремонта.
Данная работа посвящена вопросам обеспечения работоспособности крупных электрических машин (ЭМ) переменного тока, а также электрических машин переменного тока средней мощности используемых в горнодобывающей промышленности с применением методов вибродиагностики.
Цель работы
Целью работы является применение вибродиагностики для обеспечения и поддержания работоспособности электрических машин переменного тока на предприятиях горнодобывающей промышленности в условиях эксплуатации.
Методы исследования
При выполнении работы использовались методы вибродиагностики, теории электрических машин, системного анализа, теории точности и математической статистики, теории вероятностей, теории колебаний, частотного анализа и математического моделирования. Статистические данные эксплуатационных испытаний, в том числе по определению вибрационных характеристик электрических машин переменного тока с целью оценки их надежности получены на предприятиях алмазодобывающей промышленности АК «АЛРОСА».
Научная новизна работы
В работе получены следующие основные научные результаты, которые выносятся на защиту:
Разработана модель вибродиагностики подшипниковых узлов электрических машин переменного тока и вращающихся элементов различных рабочих механизмов в горнодобывающей промышленности, которая позволяет оценить работоспособность этих машин и разработать мероприятия по совершенствованию эксплуатации;
Создана математическая модель экономической оценки повышения работоспособности электрических машин переменного тока по результатам вибродиагностики, позволяющая определить экономический эффект при переходе от планово-предупредительного ремонта к оценке текущего состояния на основании диагностики;
Разработана структурная модель диагностики рабочих элементов, составной частью которой является электрическая машина. На ее основе разработана методика оценки составных элементов, позволяющая определить численные значения коэффициентов относительной важности для всех уровней;
4. Предложено дерево причинно-следственных связей состояния электрических машин переменного тока, которое определяет набор элементов диагностики и взаимосвязей между ними.
Практическая ценность
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные при ее выполнении результаты, направлены на повышение уровня надежности электрических машин переменного тока, а также снижению материальных и трудовых затрат в процессе их эксплуатации. Созданы инженерные методики, алгоритмы и практические рекомендации способствуют обеспечению заданных показателей вибрации, которые позволяют повысить надежность электрических машин переменного тока.
В частности:
Разработана методика диагностики и мониторинга подшипниковых узлов и вращающихся элементов рабочих механизмов, которая позволяет объективно оценить состояние электрических машин при их эксплуатации;
Предложены рекомендации по осуществлению ремонта электрических машин переменного тока на основе вибродиагностических данных, что является альтернативой планово-предупредительным ремонтам. При этом ожидается большой экономический эффект;
3. Проведен сбор статистических данных по вибродиагностике
электрических машин переменного тока в условиях эксплуатации
горнодобывающей отрасли, которые являются основой для экономических
расчетов;
4. Определены основные виды дефектов (повреждение подшипниковых
узлов, дисбаланс, расцентровка валов, резонанс), которые определяют более
80% всех дефектов, и от них зависит обеспечение работоспособности
электрических машин в горнодобывающей промышленности;
5. Предложена инженерная методика расчета экономического эффекта при переходе от планово-предупредительных ремонтов к оценке работоспособности по результатам вибродиагностики.
Реализация результатов работы
Основные результаты работы используются при эксплуатации электрических машин переменного тока на Обогатительной фабрике №3 и Ремонтно-строительном специализированном управлении Мирнинского горнообогатительного комбината, а также в Специализированном управлении «Алмазэлектромонтаж» Управления капитального строительства АК «АЛРОСА» в виде методик, алгоритмов и программ.
Ожидаемый экономический эффект от внедрения только на одной обогатительной фабрике алмазодобывающей отрасли составит 9161 тыс. руб. за первый год.
Апробация
Основные результаты проведенных исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на научных семинарах кафедры «Электрические машины и аппараты» Томского политехнического университета и следующих конференциях:
Международная научно-техническая конференция «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2001);
Восьмая Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2002);
Девятая Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2003);
А также основные результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на Всероссийской научно-технической
конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» г. Тольятти, Тольяттинский государственный университет, 2004.
Публикации
По теме диссертации опубликовано шесть печатных работ.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из шести разделов, содержащих 160 страниц машинописного текста, 21 таблицу, 58 рисунков, 3 приложения и список литературы из 200 наименований.
Во введении дана общая характеристика выполненной работы. Сформулированы цель работы, научная новизна и практическая ценность диссертации. Приведена краткая аннотация выполненной работы по разделам.
Во втором разделе работы делается анализ условий эксплуатации и уровня обслуживания ЭМ переменного тока. Проведена статистическая обработка эксплуатационных результатов более 524 электрических машин. А также раздел посвящен анализу работ по обеспечению надежности ЭМ переменного тока. Выявлены основные виды и причины отказов электрических машин переменного тока.
В третьем разделе представлены: структурная модель диагностики рабочих механизмов; структурная схема диагностирования и прогнозирования рабочих механизмов и агрегатов; модель вибродиагностики электрических машин, которая включает систему уравнений для оценки подшипниковых узлов ЭМ и связанных с ЭМ вращающихся элементов рабочих механизмов и агрегатов, установлены точки измерения для диагностики, выбраны вибрационные сигналы и спектры измерения, введена оценка состояния и определены способы устранения неисправностей.
В четвертом разделе построено дерево причинно-следственных связей состояния ЭМ переменного тока, которое устанавливает набор элементов и
взаимосвязи между ними, которые определяют параметры диагностики. Как показывает эта схема (дерево) диагностический сигнал, связанный с вибрацией определяет большинство дефектов при диагностике, поэтому в качестве основного вида диагностики целесообразно использовать вибродиагностику. Рассмотрены вибродиагностические признаки дефектов механической и магнитной системы, а также диагностические признаки дефектов подшипниковых узлов. Обработаны результаты вибродиагностики по 1280 случаям, которые позволяют определить направления совершенствования рабочих механизмов в горнодобывающей промышленности -совершенствование конструкции агрегатов с целью обеспечения надежной балансировки, которая не изменялась бы во времени; увеличение жесткости опор; обеспечение надежной центровки валов. Для электрических машин переменного тока, работающих в тяжелых условиях эксплуатации определяются обоснованные требования по совершенствованию подшипниковых узлов — повышение срока службы подшипников для конкретных режимов эксплуатации, усиление конструкции опор и обеспечение более качественной фиксации подшипников. Сделаны выводы и рекомендации на основании диагностики и частичного мониторинга электрических машин переменного тока мощностью от 10 до 1800 кВт эксплуатируемых на предприятиях Мирнинского ГОКа АК «АЛРОСА» в течение 2001 - 2003 г.г.
В пятом разделе предложена методика, которая позволяет организовать новую систему работоспособности электрических машин переменного тока на основании вибродиагностики. Сделана экономическая оценка поддержания работоспособности электрических машин переменного тока с помощью вибродиагностики, которая также позволяет оценить экономический эффект от внедрения мониторинга и диагностики на предприятиях алмазодобывающей отрасли.
В заключении сделаны основные выводы по результатам теоретических и экспериментальных исследований.
2. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН В ГОРНОДОБЫВАЮЩЕЙ ОТРАСЛИ
Обеспечение надежности при эксплуатации асинхронных двигателей и синхронных машин
Ускорение научно-технического прогресса, повышение эффективности общественного производства в настоящее время неотделимы от решения проблемы качества продукции всех отраслей народного хозяйства страны.
Важнейшим технико-экономическим показателем качества любого вида промышленной продукции, в том числе и ЭМ, является надежность. Повышение надежности ЭМ тесно связано с ростом энерговооруженности народного хозяйства. Количество ЭМ переменного тока, приходящихся на единицу технологического оборудования, непрерывно увеличивается. Поэтому технический уровень производства любой отрасли в значительной степени определяется надежностью работы двигателей в процессе их эксплуатации. Кроме того, общий уровень требований к надежности оборудования имеет постоянную тенденцию к увеличению, что предъявляет дополнительные требования к повышению надежности ЭМ переменного тока.
Надежность электрической машины — свойство машины сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования [5].
Надежность АД и СМ обеспечивается комплексом мероприятий, выполняемых на этапах проектирования [7Все эти мероприятия взаимосвязаны и задача обеспечения требуемого уровня надежности должна решаться комплексно, с учетом всего многообразия действующих факторов, оказывающих непосредственное воздействие на процесс обеспечения надежности АД и СМ.
Надежность ЭМ переменного тока в процессе эксплуатации в значительной степени зависит от начальной надежности, заложенной при проектировании и достигнутой при изготовлении [197]. В связи с этим целесообразно условно разделить надежность АД и СМ на конструктивно-технологическую и эксплуатационную.
Широкий диапазон применения АД и СМ предполагает большое разнообразие оборудования, приводом которых они являются, а также условий использования, что требует создания таких конструкций АД и СМ, которые удовлетворяли бы по своим техническим характеристикам тем или иным требованиям исполнительных механизмов и условиям эксплуатации в различных отраслях народного хозяйства, в том числе и горнодобывающем производстве, способных обеспечить их бесперебойную работу в течение предусмотренного срока. Это требует обеспечения необходимого (заданного) уровня надежности, количественные значения которой, также должны быть включены в техническое задание на проектирование АД и СМ [180].
Требуемый уровень надежности АД и СМ закладывается на стадии их проектирования. На этой стадии определяется номенклатура и обосновываются количественные значения показателей надежности АД, и СМ, их сборочных единиц, комплектующих изделий и материалов; выбираются и реализуются в конструкторской документации основные способы обеспечения надежности, как за счет конструктивно- технических решений, так и за счет выбора оптимальных способов организации эксплуатации (стратегии технического обслуживания и ремонта). Основными задачами исследования надежности на этой стадии являются задачи сравнительного анализа эффективности различных способов обеспечения надежности и выбор вариантов, обеспечивающих заданную надежность на основе ее прогнозирования с учетом реальных условий эксплуатации [5].
При обеспечении заданного уровня надежности необходимо также сохранение на надлежащем уровне и других технико-экономических показателей - удельного расхода применяемых материалов на единицу мощности, минимальных габаритов, стоимости машины, эксплуатационных расходов (рис. 2.1), что требует поэтапного рассмотрения различных вариантов исполнений электрической машины, как правило, различных по надежности, с целью выбора оптимального из них [7, 39, 65, 75, 101].
Опыт эксплуатации ЭМ переменного тока показывает, что подавляющее большинство их отказов связано с повреждением обмотки, определенная часть которых обусловлена конструктивно-технологическими дефектами: неудовлетворенный выбор конструктивных параметров обмотки [133, 134], низкое качество электроизоляционных материалов [10, 132], несовместимость электроизоляционных материалов [9, И, 36], поврежденность в процессе изготовления [134, 135], механические повреждения обмоток при транспортировке, складировании, сборке и на других технологических операциях и изготовления двигателей [95]. Это свидетельствует о том, что надежность обмотки АД и СМ существенно зависит от качества исходных материалов, технологии изготовления и требует разработки методов оценки влияния указанных факторов на показатели их надежности.
Наиболее значительные работы по теоретическому и экспериментальному исследованиям надежности всыпных обмоток ЭМ переменного тока принадлежат О.Д. Гольдбергу, Ю.П. Похолкову, Э.К.
Стрельбицкому. В результате этих исследований, для расчета вероятности безотказной работы (ВБР) обмоток АД и СМ разработаны две математические модели [39, 136]. В качестве параметра, характеризующего электрическую прочность изоляции, в первой модели принято пробивное напряжение, а во второй -дефектность. Под дефектностью понимается число дефектов на единице длины провода или площади изоляции, а дефектом считается сквозное повреждение изоляции, пробивное напряжение которого не выше напряжения перекрытия по поверхности изоляции промежутка, имеющего длину, равную толщине изоляции. Обмотка ЭМ переменного тока представлена как изделие, состоящее из межвитковой, корпусной и межфазной изоляции Затраты на техническое обслуживание и ремонт за амортизационный срок существенно превышает стоимость электрических машин. Поэтому поддержание и восстановление надежности и эксплуатации являются также составной частью общей системы обеспечения надежности, предыдущими этапами которой являются проектирование и производство, где закладывается и обеспечивается требуемый уровень надежности электрических машин.
За последние годы проведена значительная работа по совершенствованию качества и надежности ЭМ переменного тока. Так для АД 4А, в которых использованы современные электроизоляционные материалы, холоднокатаная сталь, улучшена конструкция подшипникого узла, ВБР составляет 0,9 за 10000 ч. работы при расчетных (номинальных) условиях эксплуатации. Средний срок службы при этих условиях составляет 15 лет, что говорит о высокой потенциальной их надежности [51]. В проектируемую серию АИ заложены более высокая надежность, для которой ВБР составило 0,9 за 20000 ч. работы.
Однако, несмотря на постоянное совершенствование качества и надежности ЭМ переменного тока, существенного повышения их эксплуатационной надежности достичь не удалось. По результатам обследования ряда предприятий установлено, что преждевременный выход
Структурная модель диагностики рабочих механизмов в горнодобывающей промышленности
Для решения задач диагностики электрических машин в процессе эксплуатации необходима система, которую мы создаем с помощью структурных моделей для СД и АД большой мощности. Все системы - это подсистемы других более крупных систем. Поэтому мы должны определить цели и ограничения, которые нам надлежит учитывать в процессе абстрагирования или построения формальной модели.
Определив цели и задачи исследования и границы системы, мы сводим реальную систему к логической блок-схеме или к статистической модели. Желательно построить такую модель реальной системы для диагностики, которая с одной стороны, не будет столь упрощенной, что станет тривиальной, а с другой - не будет столь детализирована, что станет громоздкой в обращении и чрезмерно дорогой. Опасность, которая подстерегает нас при построении логической блок-схемы реальной системы диагностики, заключается в том, что модель имеет тенденцию обрастать деталями и элементами, которые порой не вносят ценного в понимании данной задачи. Поэтому всегда наблюдается тенденция имитировать избыточное число элементов. Во избежание такого положения следует строить модель, ориентированную на решение вопросов, на которые требуется найти ответы, а не имитировать реальную систему во всех подробностях. Даже при современном развитии вычислительной технике ЭВМ не под силу справиться со всеми подробностями. Такой подход неудовлетворителен не только потому, что возрастают трудности реализации модели и стоимость экспериментов, но и потому, что действительно важные аспекты и взаимосвязи могут потонуть в массе деталей. Вот почему модель должна отображать только те аспекты системы, которые соответствуют задачам исследования.
Структурная модель диагностики разрабатывается на основе системного подхода, устанавливает набор и взаимосвязь элементов, определяющих функционирование ЭМ переменного тока в сложных условиях горнодобывающей отрасли. Под системой понимается совокупность любым способом выделенных из остального мира реальных или воображаемых объектов. Для системы характерны следующие свойства: заданны связи, существующие между элементами системы; каждый из элементов внутри системы считается неделимым; с окружающей средой система взаимодействует как целое. Иногда для простоты систему определяют как комплекс функционально связанных элементов [21]. Главными отличительными чертами большой системы являются: наличие у всей системы общей цели; наличие выделяемых частей - подсистем; большое число входящих в систему элементов; разнообразие функций, выполняемых элементами; вероятностный характер ее взаимодействия с внешней средой [138].
По числу элементов, внутренних и внешних связей диагностику ЭМ можно отнести к большим системам и для решения конкретных задач использовать понятие и аппарат системного анализа. Диагностика по своей природе имеет иерархическую структуру. При разработке модели диагностики использован метод структуризации, основанный на дезагрегатировании (поэтапном расчленении) задачи. Такую процедуру называют построением дерева целей [38]. Одна из главных задач построения дерева целей состоит в том, чтобы установить полный набор элементов на каждом уровне и определить взаимосвязи и соподчиненность между ними. Другая задача — определить коэффициенты важности элементов каждого уровня дерева целой.
Разработка иерархических моделей для оценки качества при проектировании и изготовлении низковольтных асинхронных двигателей проводилась на кафедре электрических машин Томского политехнического университета [100, 112, 153, 114]. Учитывая, что ЭМ в горнодобывающей отрасли применяются в различных рабочих механизмах, на рис. 3.2 представлен первый иерархический уровень для таких механизмов, а в табл. 3.1 приведены коэффициенты важности aik, где / - номер рабочего механизма, а к - номер составляющего этот механизм элемента.
Эти дефекты являются общими для любого оборудования и могут лишь отсутствовать из-за его конструктивных особенностей. Например, отсутствие подшипников скольжения или редуктора обусловливает отсутствие соответствующих дефектов в перечне идентифицируемых состояний. Следует отметить, что не опасных дефектов не бывает. Рано или поздно слабый дефект разовьется в средний или сильный. Его развитие приведет к появлению других дефектов. Совокупность же ряда неисправностей обусловит аварийное состояние с необходимостью вывода агрегата из технологического процесса и его длительный ремонт.
На основании модели можно оценить относительную важность всех элементов, влияющих на диагностику рабочих механизмов. Коэффициенты относительной важности отдельных элементов иерархической модели целесообразно представить в виде таблиц, построенных для каждой пары уровней, которые приведены в табл. 3.1-3.3.
Основные вибродиагностические признаки дефектов электрических машин переменного тока
Из основных дефектов, влияющих на параметры вибрации механического происхождения, следует выделить неуравновешенность ротора и вентилятора, дефекты изготовления шейки вала и подшипников, дефекты изготовления и сборки подшипниковых узлов [14, 28, 26, 144, 145, 171].
Вибродиагностическими признаками указанных дефектов могут быть измерения определенных параметров детерминированных и случайных составляющих вибрации ЭМ переменного тока, измеренной в различных точках. Основными параметрами могут являться амплитуды, частоты и фазы гармонических составляющих вибрации. Выбирать вибродиагностические признаки необходимо так, чтобы дефект оказывал сильное влияние на значение диагностического параметра при слабом влияние на него внешних условий и режимов работы ЭМ переменного тока. Важными моментами при вибродиагностике состояния ЭМ переменного тока являются простота и доступность измерения диагностических параметров, возможность использования стандартной или создание специализированной аппаратуры с минимальной ошибкой измерения.
Из перечисленных дефектов механического происхождения неуравновешенность ротора и вентилятора ЭМ переменного тока необходимо диагностировать по уровню вибрации на рабочей частоте вращения и ее гармониках, которые определяются по выражению (3.7).
Качество и надежность собранной ЭМ переменного тока во многом предопределяется изготовлением и сборкой подшипниковых узлов и подшипниками. Дефекты изготовления деталей подшипников и подшипниковых узлов, а также дефекты их сборки проявляются в сигнале вибрации различным образом, поэтому общих диагностических признаков и параметров, одинаково чувствительных ко всем видам дефектов, не сущест вует. Для диагностики технического состояния подшипниковых узлов и подшипников качения должен быть определен комплекс вибродиагностических признаков, позволяющий обнаружить и разделить все виды дефектов. Тогда можно обеспечивать не только диагноз технического состояния подшипниковых узлов ЭМ переменного тока, но и его возможный прогноз.
Практически все дефекты изготовления и сборки подшипника и подшипниковых узлов влияют на низкочастотную вибрацию ЭМ переменного тока. На уровень высокочастотной вибрации подшипникового узла в основном влияют качество и количество смазки [26, 144].
Исходя из особенностей влияния дефектов подшипников качения и подшипниковых узлов собранной ЭМ переменного тока на вибрацию, можно сделать вывод, что при обнаружении дефектов изготовления и части дефектов сборки в качестве диагностического признака следует использовать изменение уровня низкочастотных составляющих вибрации ЭМ переменного тока в целом.
Каждый из дефектов изготовления и сборки подшипников качения и подшипниковых узлов ЭМ переменного тока приводит к появлению в спектре частот гармонических составляющих, связанных определенными соотношениями с частотой вращения ротора fY, частотой вращения сепаратора fc и частотой контакта точки тела качения с одной из дорожек качения /тл, которые определяются по выражениям (3.9, ЗЛО).
При дефектах сборки подшипникового узла в спектре частот возникают интенсивные составляющие с частотой 2fn при перекосе наружного и 2/г при перекосе внутреннего колец подшипника, так как при перекосе появляются две точки контакта колец с телами качения.
Диагностическими признаками дефектов изготовления и износа наружной и внутренней дорожек тел качения являются составляющие спектра с частотой fH, fB и группой составляющих кратных /н,/ви определяются по выражениям (3.11) и (3.12). Поэтому вибродиагностическими признаками для выявления дефектов изготовления и сборки ЭМ переменного тока механического происхождения являются амплитуды и частоты гармонических составляющих вибрации.
Диагностические признаки магнитной системы ЭМ переменного тока принципиально отличаются от используемых при диагностике механической системы. Отличие связано с тем, что в магнитной системе ЭМ переменного тока отсутствуют случайные составляющие вынужденных сил и вибрации [26].
Поэтому вибродиагностика магнитной системы ЭМ переменного тока основана на детерминированных составляющих вибрации в области низких и средних частот по амплитуде. Дефекты магнитной системы в ЭМ переменного тока проявляются прежде всего в несимметрии и нелинейности магнитных и электрических цепей.
Электрическая несимметрия статора ЭМ переменного тока вызывает появление пульсирующих с частотой 2/о моментов и тангенциальных колебаний ротора, где f0 — частота питающей сети. Следовательно, в качестве диагностического параметра можно использовать тангенциальное колебание статора. Электрическая несимметрия ротора ЭМ переменного тока (обрыв стержня, повышение сопротивления в местах соединений стержней с коротко замыкающим кольцом и др.) приводит к появлению пульсирующих моментов с частотой 2Sf0 (S - скольжение ротора), действующих на ротор и статор, и их величина значительно зависит от нагрузки. Уровни вибрации статора на этих частотах незначительны, однако пульсация момента с небольшой частотой 2foS вызывает угловую модуляцию составляющих вибрации, связанных с вращением ротора. Поэтому рабочая частота вращения ротора может быть принята в качестве вибродиагностической.
Магнитная несимметрия ЭМ переменного тока в первую очередь связана с неравномерностью воздушного зазора (НВЗ). Качественно НВЗ характеризуется значениями статического и динамического эксцентриситетов. Второй причиной магнитной несимметрии может являться насыщение отдельных участков магнитопровода, появление короткозамкнутых витков в активной стали.
Статический эксцентриситет зазора ЭМ переменного тока вызывает появление амплитуды низкочастотных гармонических составляющих частотой 2/о, а также зубцовых гармоник в области средних частот частотой f3, которая определяется по выражению (3.14). Эти частоты могут использоваться как диагностические параметры статического эксцентриситета зазора ЭМ переменного тока. Динамический эксцентриситет зазора проявляется на рабочей частоте вращения ротора, и, следовательно, частота fT может быть использована при вибродиагностике составляющих частотами fr, 2kf0, kf3 могут рассматриваться как диагностические параметры, характеризующие степень насыщения зубцовой зоны ЭМ переменного тока [26].
Следовательно, рассмотренные детерминированные составляющие вибрации магнитной системы в спектре частот могут служить вибродиагностическими признаками дефектов изготовления и сборки ЭМ. Вибродиагностические признаки связанные с вибрацией магнитной системы можно использовать для оценки неравномерности воздушного зазора, статического и динамического эксцентриситета, а также электрической и магнитной несимметрии ротора ЭМ. Вибродиагностическими признаками для выявления дефектов изготовления и сборки ЭМ переменного тока
Экономическая оценка системы ремонта по фактическому состоянию
В продолжение функционально-стоимостного анализа рассмотрим некоторые аналитические аспекты, необходимые для полной оценки эффективности внедрения новой системы обеспечения надежности электрических машин переменного тока.
Так, технологический агрегат с электрической машиной в своем составе представляет собой, как правило, сложную иерархическую систему, состоящую из подсистем, агрегатов, узлов, деталей. Ей соответствует такая же иерархия функций. Функционально-структурная модель совмещает иерархию функций с материальными элементами, обеспечивающими выполнение функций, что наглядно представлено на разработанной структурно-логической схеме, представленной на рисунке 5.9.
В рамках использования понятия функционально-структурной модели объекта функционально-стоимостного анализа - системы ремонта по фактическому состоянию на основании методов вибродиагностики необходимо отметить, что именно функциональная структура предприятия позволяет ответить на чрезвычайно важный вопрос - что необходимо делать: Приобретать средства для осуществления ремонта (какие, в каком количестве, по какой цене)? Нанимать рабочую силу для проведения ремонтных мероприятий (кого, в каком количестве, с какой заработной платой)? Заниматься ремонтными работами и диагностикой оборудования (что, сколько, с какими издержками)? Отвечать на эти вопросы необходимо, причем для всех осуществляемых в рамках исследуемого предприятия структурных направлений ремонта. Структурная модель позволяет ответить на другой чрезвычайно важный для предприятия вопрос: кто это будет делать? Ответив на него, мы получаем структуру (фактически бюрократическую организацию, внутрифирменную, вертикальную иерархию). Совмещая обе модели, в результате получается именно функционально-структурная модель, которая одновременно отвечает на вопросы: что необходимо делать и кто это будет делать?
Степень детализации функционально-структурной модели (число уровней п и число функций т) должна соответствовать характеру решаемой задачи, которая представляет собой внедрение системы обеспечения надежности на основе ремонта по фактическому состоянию с использованием средств вибродиагностики электрических машин переменного тока. С этой целью рекомендуется задавать в диапазоне п = 3—4, т 20. На каждом иерархическом уровне экспертно определяется значимость каждой у-й функции к-го уровня rkij, обеспечивающей выполнение /-й функции вышестоящего уровня, при условии
В рамках данной модели использованы следующие обозначения: fy — номер уровня, на котором находится j-я функция; і — номер обеспечиваемой функции на (к - 1) уровне; гщ — значимость у -й функции; Кщ. — важность у -йуровня, обеспечивающих выполнение /-й функции (к- I) уровня. Относительная важность функции, а именно ее вклад в выполнение главной, определяется по вертикальной цепочке уровней как произведение значимостей:
На рисунке 5.9 для каждой функции рядом с ее обозначением определена и показана ее относительная важность, так например, для/ 5 значимость Г325 = 0,3, а относительная важность R325 = 0,09 = 0,3 х 0,3.
Определить затраты на функцию было бы сравнительно просто, если бы каждый элемент L участвовал в выполнении только одной функции. Поскольку чаще всего он участвует в выполнении нескольких, то экспертным путем определяется его вклад в выполнениеу-й функции уу, в долях единицы.
Затраты на функцию чаще всего определяются по следующей формуле [55]:где Si — себестоимость 1-го функционального элемента. Ее определяют одним из методов прогнозирования себестоимости; можно также использовать прейскуранты и заводские калькуляции; п — число элементов, реализующих j-ю функцию.
Тогда относительная стоимость функции будет определяться по следующей формуле [55]:О _ Jnj.orriH с где 5— себестоимость изделия, a SJ0TH представляет собой удельный вес затрат нау-ю функцию в себестоимости изделия, Sj п — реализацияу-ой функции на основании элемента п.
В результате получаем, несмотря на возможную субъективность экспертных оценок, удобную для последующего анализа функционально-стоимостную диаграмму, представленную на рисунке 5.10.
Функционально-стоимостная диаграмма представляет собой совмещенную диаграмму значимости функций с точки зрения целей системы более высокого порядка и структуры затрат на объект, построенный по функциям. Диаграмма строится в едином масштабе: значимость функций в долях единицы, доля функций в затратах — также в долях единицы.
Построенная таким образом диаграмма позволяет даже визуально обнаружить функции, доля которых в затратах превосходят их значимость. Такие функции представляют собой зоны диспропорций, так как их относительная стоимость больше их относительной значимости. Эти зоны подвергаются анализу в первую очередь. Для определения относительной значимости (а иногда и относительной стоимости) применяются методы экспертных оценок.
