Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 . Особенности структуры новороссийского морского торгового порта (НМТП) как окружающей среды и оценка влияния коррозионных факторов на работо способность электрических контактов (ЭКК) 16
1.1. Структура НМТП с точки зрения влияния продуктов технологических процессов на терминалах на работоспособность электрических контактов (ЭКК) 16
1.2. Коррозия ЭКК при воздействии окружающей морской среды 19
1.3. Анализ влияния атмосферной коррозии на металл электрических контактов с помощью коэффициента коррозии 24
1.4. Обоснование с помощью информационно-логического анализа влияния коррозийных факторов на наработку электрических контактов (ИЛА) 31
1.5. Информационный анализ воздействия факторов коррозии на электрические контакты (ЭКК) Восточного пирса 37
1.6. Выводы по главе 44
Глава 2. Детерминированная модель износа электрического контакта 45
2.1. Физическая структура износа (старения) электрического контакта 45
2.2. Количественное описание процесса деградации единичного пятна электрического контакта 55
2.3. Окисление электрических контактов под действием внешних дестабилизирующих факторов 57
2.4. Тепловой режим работы электрических контактов 59
2.5. Выводы по главе 66
Глава 3. Анализ эргодических свойств случайной составляющей процесса износа электрических контактов причальных колонок в морском порту 67
3.1. Выработка концепции эргодичности случайной составляющей сопротивления электрических контактов причальных колонок 67
3.2. Анализ эргодичности случайной составляющей функции износа электрических контактов причальных колонок 71
3.3. Анализ эргодичности случайной составляющей износа контактов электрических колонки по данным экспериментальной проверки на опытно экспериментальном заводе изготовителе при нормальных условиях эксплуатации 78
3.4. Выводы по главе 82
Глава 4. Разработка вероятностной модели износа электрических контактов причальных колонок 83
4.1. Концепция вероятностного анализа износа контакта соединений 83
4.2. Экспериментальные измерения сопротивления контактов разъединителей .. 92
4.3. Схема применения модели для морских портов 112
4.4. Выводы по главе 116
Заключение 118
Список литературы
- Анализ влияния атмосферной коррозии на металл электрических контактов с помощью коэффициента коррозии
- Количественное описание процесса деградации единичного пятна электрического контакта
- Анализ эргодичности случайной составляющей функции износа электрических контактов причальных колонок
- Экспериментальные измерения сопротивления контактов разъединителей
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Наиболее энергоемким потребителем электроэнергии в морских портах, является погрузочно-разгрузочная техника, по питающим кабелям которой текут токи в тысячи ампер. Условия эксплуатации многоамперного оборудования в морских портах обладают спецификой, связанной с множеством деструктивных факторов окружающей среды в виде увлажненного морской влагой турбулентного воздушного потока, морских брызг, агрессивных, химически активных пыле- и газообразных составляющих, и конструктивными особенностями электропитания – электрическими контактными колонками (ЭКК), расположенными непосредственно на причалах и пирсах.
Множество отдельных деструктивных факторов, образующих поток, перемешиваются в общем турбулентном воздушно-капельном потоке, увеличивают его энтропию. Такие факторы мы будем называть высокоэнтропийными дестабилизирующими факторами. Экспериментальные исследования на объекте подтвердили значимость влияния этих факторов на работоспособность ЭКК и позволили обнаружить несоответствие значений сопротивлений ЭКК, рассчитанных по существующей детерминированной теории, с реально измеренными сопротивлениями. Это несоответствие и позволило сформулировать задачу разработки и обоснования новой недетерминированной модели – вероятностной модели расчета работоспособности контактов ЭКК. Основополагающей идеей для разработки качественно новой вероятностной модели послужило обнаружение стохастизма измеряемых данных на реальном объекте.
Решение возникшей проблемы стало возможным при введении высокоэнтропийных дестабилизирующих факторов и формировании новой – вероятностной модели, благодаря чему электроэнергетические службы порта получали расчетную методику воздействия на ситуацию, а также обоснованные решения о проведении технического обслуживания ЭКК.
Степень разработанности темы исследования
Теоретическими исследованиями состояния электрических контактов в электроэнергетике занимаются давно. Следует отметить работы таких авторов в области теории электрических контактов как: О.Б. Брон, В.И. Бойченко, И.С. Гершман, А.И. Долин, Н.Б. Демкин, В.В. Измайлов, В.Н. Карлсон, Н. Книгель, Б.Н. Лобов, К.Л. Мерл, Ю.С. Новиков, А.П. Плис, Е.К. Реутт, И.Н. Саксонов, Л.Г. Саргсян, В.В. Усов и др. В данной диссертационной работе представлена и обосновывается вероятностная модель износа контактного соединения. Научных работ, посвященных исследованию надежности морских бездуговых причальных ЭКК, очень мало.
Объектом исследования является надежность электрических контактов причальных колонок морского порта при воздействии высокоэнтропийных дестабилизирующих факторов.
Предметом исследования является повышение надежности электрических контактов причальных колонок морского порта при воздействии высокоэнтропийных дестабилизирующих факторов.
Целью настоящей диссертационной работы является разработка и обоснование вероятностной модели износа причальных электрических контактных колонок (ЭКК) при воздействии высокоэнтропийных дестабилизирующих факторов и определение вероятности работоспособного состояния электрических контактов ЭКК в произвольный момент времени.
Задачи диссертационной работы:
– разработка и обоснование вероятностной модели износа электрических контактов причальных колонок при воздействии высокоэнтропийных дестабилизирующих факторов;
– разработка информационно-логической модели для оценки влияния высокоэнтропийных дестабилизирующих факторов на работоспособность электрических контактов причальных колонок;
– разработка модели оценки степени влияния высокоэнтропийных дестабилизирующих факторов на основе информационно-логической модели на состояние электрических контактов;
– сбор и обработка статистических данных для построения информационно-логических матриц с целью выявления степени деструктивного влияния высокоэнтропийных дестабилизирующих факторов;
– разработка алгоритмов для определения срока службы электрических контактов ЭКК с использованием теории вероятностей и элементов теории случайных процессов.
Научная новизна полученных результатов:
Научная новизна результатов состоит в следующем:
- разработаны теоретически обоснованные и практически подтвержднные
характеристики скорости изменения контактного сопротивления и вероятности
безотказной работы электрических контактов ЭКК в зависимости от времени, ко
торые позволяют более точно определять параметры электрических контактов
при проектировании новых электрических аппаратов;
– впервые для характеристики процесса роста (деградации) сопротивления
электрических контактов ЭКК при воздействии высокоэнтропийных
дестабилизирующих факторов разработана вероятностная модель, позволяющая дать теоретическое обоснование процесса деградации и создать практические алгоритмы определения вероятности безотказной работы и срока службы электрических контактов ЭКК;
– предложена обобщенная модель и алгоритм информационно-логического анализа для оценки степени воздействия высокоэнтропийных дестабилизирующих факторов на работоспособность электрических контактов ЭКК, новизна которого состоит в применении нечетких (лингвистических) переменных, позволяющих упорядочить степень влияния на электрические контакты факторов, не имеющих точного количественного выражения, и установить информационную связь между этими факторами и наработкой ЭКК;
- разработано программное обеспечение для расчета вероятности безотказ
ной работы многоамперных электрических контактов электрической сети (по по
степенным отказам), состоящее из набора программ, объединенных в пакете
Mathcad, который значительно повышает достоверность оценки срока службы всего парка ЭКК Новороссийского морского торгового порта;
- разработана оригинальная модель эргодичности случайной составляющей процесса износа электрических контактов ЭКК, отличающаяся возможностью применения случайных переменных, имеющих квазидетерминированный тренд, доказана возможность применения свойства эргодичности для случайного процесса изменения сопротивления контактов.
Теоретическая значимость диссертационной работы состоит:
– в применении разработанной вероятностной модели износа ЭКК на основе теории вероятностей и случайных процессов, которая позволяет прогнозировать для произвольного момента времени вероятность работоспособного состояния контактов в условиях эксплуатации и воздействия высокоэнтропийных дестабилизирующих факторов морской среды;
– в теоретической обоснованности при разработке стратегии своевременного технического обслуживания контактов;
– в разработанности теоретического аппарата для оценки срока службы всего парка ЭКК Новороссийского морского торгового порта (НМТП), а также подобного оборудования других портов Черного моря;
– в объективной истинности результатов, полученных с помощью математических моделей и проверенных на практике, позволяющих исключить субъективные решения о выводе из эксплуатации оборудования на основе только внешнего визуального контроля.
Практическая значимость диссертационной работы состоит:
– в достижении адекватности расчетных результатов, выполненных по вероятностной модели, результатам, полученным с помощью приборов на объекте, что позволяет обосновать и построить расчетную методику воздействия на ЭКК, базирующуюся на теории своевременного технического обслуживания ЭКК и позволяющую прогнозировать состояние и степень деградации электрических контактов;
– в использовании в процессе эксплуатации электроэнергетическими службами морского порта графической информации, полученной по вероятностной модели, для определения вероятности работоспособного состояния ЭКК в любой момент времени и предупреждения возможных отказов;
– в снижении эксплуатационных затрат и сокращении времени диагностики ЭКК путем распространения результатов многократных измерений, полученных на одном объекте (колонке), на все колонки пирса на основе обоснованного в работе эргодического свойства процесса износа;
– в использовании в эксплуатационной практике, электроэнергетическими службами морского порта, степени упорядоченности воздействия неформализуе-мых и не имеющих количественного выражения высокоэнтропийных дестабилизирующих факторов на основе разработанной обобщенной модели информационно-логического анализа, а также разработке алгоритмов для определения срока обслуживания и ресурса ЭКК;
– в использовании основных положений диссертационной работы в процессе преподавания учебной дисциплины «Надежность электрооборудования», а также при подготовке лекций, учебных пособий, учебников.
Методология и методы исследования.
При выполнении работы использовались компьютерное моделирование и математические методы: теории вероятностей и случайных процессов, теории надежности, математической статистики, теории информации, обобщенного информационно-логического анализа. Экспериментальная часть исследования выполнена с помощью приборных измерений на объекте, лабораторных экспериментов.
Положения, выносимые на защиту:
– вероятностная концепция износа (постепенных отказов) электрических контактов причальных контактных колонок портовой сети для электропитания погрузочно-разгрузочных агрегатов при воздействии высокоэнтропийных дестабилизирующих факторов, базирующаяся на измерениях величины их переходного сопротивления;
– вероятностная модель износа ЭКК на основе теории вероятностей и случайных процессов, позволяющая оценить вероятность работоспособного состояния электрических контактов при воздействии внешних высокоэнтропийных дестабилизирующих факторов;
– обобщенная модель информационно–логического анализа (с включением лингвистических переменных) для оценки степени влияния высокоэнтропийных дестабилизирующих факторов на работоспособность электрических контактов.
- обоснование свойства эргодичности случайной составляющей процесса износа электрических контактов (ЭКК).
Степень достоверности полученных результатов
Научная достоверность и обоснованность результатов, защищаемых в настоящей работе, состоит в том, что все теоретические исследования и практические реализации основаны на использовании методических принципов современной науки (теорем, законов, методов). В диссертационной работе использованы теория вероятностей и случайных процессов, теория надежности, информационно-логический анализ, теория аппроксимаций функций, численные методы, физика электрических контактов. Использованы измеренные с помощью современных цифровых приборов данные о состоянии электрических контактов.
Апробация полученных результатов.
Основные результаты диссертации докладывались на региональных научно-технических конференциях и семинарах в ФГБОУ ВО «ГМУ имени адмирала Ф.Ф. Ушакова» в 2011-2015 гг. и на конкурсе «Молодые ученые транспортной отрасли» при Министерстве транспорта РФ 2011 г (г. Москва).
Основные результаты работы использованы и внедрены на объектах Новороссийского морского торгового порта (ПАО «НМТП»).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе: 5 работ в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК и 7 докладов на научных конференциях в сборнике научных трудов ГМУ имени адмирала Ф.Ф. Ушакова (г. Новороссийск).
Личный вклад автора состоит в формулировании и доказательстве основных научных положений, непосредственном участии на всех этапах исследований, в проведении экспериментов на объекте исследования, проведении компьютерных численных экспериментов. (Вклад автора в научные разработки, защищаемые в диссертации, определяющий, так как основная часть научных результатов получена лично автором, а остальная часть в соавторстве с научными сотрудниками кафедры «Радиоэлектроника» Государственного морского университета имени адмирала Ф.Ф. Ушакова).
Соответствие научной специальности.
Исследования, выполненные в диссертационной работе, соответствуют формуле и пунктам паспорта специальности 05.09.01 – «Электромеханика и электрические аппараты»:
– формуле паспорта специальности, так как в диссертации рассматриваются вопросы «исследования физических и технических принципов создания и совершенствования электрических контактных аппаратов для коммутации электрических цепей и управления потоками энергии, научно-технических, производственных и технологических проблем с целью повышения эксплуатационной безопасности аппаратов, снижения их эксплуатационных затрат»;
– областям исследования паспорта специальности, в частности:
пункту 1. «Анализ и исследование физических явлений, лежащих в основе функционирования электрических, электромеханических преобразователей энергии и электрических аппаратов»;
пункту 2. «Разработка научных основ создания и совершенствования электрических, электромеханических преобразователей и электрических аппаратов»;
пункту 5. «Разработка подходов, методов, алгоритмов и программ, обеспечивающих проектирование, надежность, контроль и диагностику функционирования электрических, электромеханических преобразователей и электрических аппаратов в процессе эксплуатации, в составе рабочих комплексов».
Структура и объм диссертации. Диссертация состоит из введения, четы-рх глав, заключения, списка литературы из 129 наименований и приложения. Общий объм работы 132 страницы, включая 1 страницу приложения.
Анализ влияния атмосферной коррозии на металл электрических контактов с помощью коэффициента коррозии
Проведенные в течение 3 лет обследования эксплуатируемого электрооборудования в Новороссийском порту показали, что окружающая морские терминалы среда является агрессивной коррозионной средой по ряду причин: – окружающая морские терминалы среда насыщена морской влагой, а при ветре, который в Новороссийске достигает 40 м/сек, содержит движущиеся капли морской воды, проникающие в причальное электрооборудование; – высокая общая соленость морской воды до 39 %, рН 7. С высокой электропроводностью морской воды связано развитие в ней ЭКК контактной и щелевой видов коррозии; – высокая концентрация ионов хлора, до 80 % всех солей составляют хлориды, являющиеся главным активатором процесса коррозии; – одновременное присутствие окислителя – кислорода с концентрацией до 10 мг/л и ионов хлора; – атмосфера морских терминалов турбулентная, в ней идет интенсивное перемешивание различных химических элементов с одновременной аэрацией. При этом снижается концентрационная поляризация и тем самым создаются условия для интенсивной работы образующихся коррозионных гальванических элементов.
Атмосферная коррозия в присутствии морской влаги носит как химический, так и электрохимический характер. Окислитель – атмосферный кислород, а также хлориды. Скорость проникновения такой коррозии колеблется в очень широких пределах Vк = 0,02 – 2,0 мм/год. Как отмечено выше, морская атмосфера пирсов (терминалов) носит турбулентный характер и содержит большое количество хаотически движущихся частиц морской воды. Морская вода является хорошо аэрированным (4-10 мг/л O2), нейтральным (pH = 7,3-8,6) электролитом с высокой электропроводностью (0,5-6,7 См/м), обусловленная высокой соленостью до 40 %. Средняя соленость моря составляет 37 %. Солевой состав морской воды включает в себя, в основном, хлориды и сульфаты натрия, магния, кальция и калия. Все эти химические соединения оказывают деструктивное воздействие, как на ЭКК, так и другие элементы питающей линии. Все эти процессы вносят в элек 20 трическое оборудование высокую энтропию, которая способствует быстрому его разрушению.
Контактные колонки предназначены для неавтоматического соединения и разъединения силовых электрических цепей, защиты от перегрузок и токов короткого замыкания электрооборудования мостовых, портальных, башенных кранов, а также электрооборудования судов напряжением 380 В частотой 50, 60 Гц. Конструктивно колонки выполнены для трех способов установки: – подземного; – в металлический или железобетонный канал; – надземный; – на открытой площадке; – переносной.
Колонки содержат электрические разъединители, состоящие из подвижных и неподвижных контактов, установленных на опорных изоляторах; предохранители или автоматические выключатели. Потребители электроэнергии подключаются к специальным зажимам колонки медными кабелями со следующими типами жил: с одним токовым проводом, со многими проводниками (с луженым концом, уплотненные на конце, со штифтовым кабельным наконечником, с концевой гильзой, кабельным наконечником). Колонки имеют фиксированные положения подвижных контактов во включенном и отключенном положениях, исключающие самопроизвольные включения и отключения. Усилия, прилагаемые к рукоятке при коммутационной операции: не более 235,2 Н (24 кгс) на токи до 630 А, 264,6 Н (27 кгс) на 1000 А. Включающей способностью в условиях короткого замыкания колонки не обладают. Опыт эксплуатации показывает, что максимальная эксплуатационная наработка составляет до 45000 часов. Гарантийный срок эксплуатации – 3 года со дня ввода аппаратов в эксплуатацию. Электрические крановые колонки (подземного исполнения) устанавливаются на раму приямка. Основные части электрических колонок расположены внутри металлического каркаса. По концам электрической колонки расположены главные посты. Все посты снабжены поворотными крышками. Питание колонок осуществляется от подземного электрического кабеля через шины, ножевые контакты разъединителя, предохранители, кабельные зажимы и шланговый кабель к подключаемой машине только при закрытых крышках постов. Присоединение шлангового кабеля потребителя к ЭКК осуществляется кабельными зажимами, отдельно для каждой базы.
Колонки надземного исполнения изготавливаются в металлическом кожухе. При наличии учета электроэнергии предусмотрены окна, закрывающиеся дверками. Колонки переносного исполнения изготавливаются в металлическом облегченном корпусе. Для визуального осмотра видимого разрыва в задней части корпуса предусмотрено смотровое окно. Переносная колонка имеет два варианта установки: на ножках или на подставке. Для транспортировки колонки предусмотрены две отцентрированные ручки.
Габаритные, установочные и присоединительные размеры колонок подзем содержанию хлоридов С1 , кислорода O2, оксида серы SO2, агрессивных, пылевидных частиц с/х удобрений, характеризуется высокой способностью вызывать коррозию электрических контактов. Морская коррозия контактов протекает по электрохимическому механизму преимущественно с кислородной деполяризаци ей и смешанным диффузионно-кинетическим катодным контролем.
Количественное описание процесса деградации единичного пятна электрического контакта
При исследовании процессов коррозии электрических контактов в морском порту, на площадках которого содержатся различные сыпучие химические материалы, подверженные воздействию движущегося воздушного потока и морской влаги, практически невозможно даже приближенно измерить концентрации веществ в этом потоке. А в случае волнения на море, волны высотой 1–1,5 метра падают на бетонный причал, распадаются на мелкие частицы воды и создают воздушно-капельную атмосферу, насыщенную различными химическими веществами. В такой обстановке невозможны инструментальные измерения и можно лишь полагаться на экспертные суждения о возможном влиянии того или иного дестабилизирующего фактора на величину наработки контактной системы. Для работы с экспертными суждениями в прикладной математике разработан аппарат теории нечетких множеств [3]. В рассматриваемом случае информационный анализ, содержащий вероятностные характеристики, мы пополняем элементами теории нечетких множеств с экспертными нечеткими суждениями, которые мы будем называть (следуя нечеткому анализу) лингвистическими переменными. Под лингвистической переменной будем понимать пять объектов (X Т(Х) U G М) [3], где: X - собственное имя переменной; T(X) = (x1,..,xi,..xn)- терминальное множество, т.е. набор значений переменной (нечеткие термины «сильная зависимость», «слабая зависимость», и т. д.); /- множество объектов; G - синтаксические правила употребления; м - семантические правила употребления. Величину неопределенности высказывания о событии (явлении) X обозначи м как Н(Х), о событии (факторе) Y как Я(7) и определим по формуле: m m щх) = -/ ( ,) iog2 / ( ,), ЩУ) = -ЦРІУІУiog2 P(yt).
Величина неопределенности события в теории информации называется энтропией. Математическое содержание этих формул определяется так: неопределенность (энтропия) появления разных значений функции X или Y равна сумме произведений вероятности появления каждого события p{xt) или РІУІ ), умноженной на двоичный логарифм этих же вероятностей. Максимального значения неопределенность события достигает при равной вероятности всех его состояний. Единица измерения неопределенности называется «бит». Если изучается зависимость явления от параметра (фактора) X, необходимо учесть также и неопределенность фактора Y , которая находится таким же образом по условной вероятно 33 сти появления p(xt) каждого терма (в смысле лингвистической переменной). Обозначение xt показывает, что число термов может быть произвольным и отличаться от числа термов Y .
С целью исследования влияния дестабилизирующих коррозийных факторов на наработку электрических контактов воспользуемся классическим математическим информационным аппаратом, пополненным нечеткими переменными. Для этой цели, в соответствии с выше приведенными определениями, введем группу событий (лингвистическую переменную А) с терминальным множеством я. («очень большая наработка», «большая наработка», «средняя наработка», «малая наработка», «очень малая наработка») и соответствующими вероятностями р(аг); тогда количество неопределенности (энтропии), содержащейся в А обозначается Н{А) и определяется следующим образом: H(A) = -Y,p{ai)tog2p(ai) і Максимального значения неопределенность явления достигает в тех случаях, когда все состояния равновероятны. То есть: р(а1) = р(а1) = ... = р{а1) = -, и Соответственно, чем больше вероятности состояний отличаются от -, тем і меньше величина. НІА). При основании логарифма 2 единица измерения неопределенности обозначается как «двоичная единица» или «бит». Поставим в соответствие каждому событию, выражаемому лингвистической переменной А с терминальным множеством cix,a2, аъ, а4, а5, лингвистическую переменную В с терминальным множеством Ьи Ь2, Ь3 , …, Ък. В - количественно неопределенный фактор, лингвистическая переменная с терминальным множеством: b1 – «очень большая концентрация», b2 – «большая концентрация», b3 – «средняя концентрация», b4 – «малая концентрация»,b5 – «очень малая концентрация». В процессе сопоставления будет установлено влияние bi на aj . Выпишем терминальные множества для лингвистических переменных A и B : «наработка» и «концентрация воздействующего фактора» имеют вид (таблица 1.1):
В принятой математической модели эти переменные исследуемого процесса формируются суждениями экспертов-операторов, которые интерпретируют информацию о состоянии контактной системы. Терминальные множества лингвистических переменных, образованные суждениями экспертов-операторов позволяют произвести расширение математической базы основных понятий информационно–логического анализа. Именно лингвистические переменные из теории нечетких множеств (наряду со случайными величинами, оцениваемыми вероятностями) позволяют оценить воздействия коррозийных факторов среды на наработку исследуемой электрической системы. При этом подходе можно понять смысл самой информации: «Будем говорить, что некоторый фактор или его состояние несет или содержит информацию о явлении, если знание его устраняет всю или часть существовавшей неопределенности этого явления» [1].
Анализ эргодичности случайной составляющей функции износа электрических контактов причальных колонок
В виду важности понятий детерминированной величины, случайной величины, понятия энтропии, поясним, как эти понятия трактуются в данной работе. Прежде всего, определим понятия детерминированной и случайной величин, поскольку эти понятия являются определяющими для работы в целом. Детерминированной величиной будем называть такую величину, поведение которой однозначно определяется ее причинно-следственными связями с другими величинами. В измерениях это свойство проявляется в том, что при повторении измерений поведение детерминированной измеряемой величины остается неизменным [72]. Случайной величиной назовем величину, которая в результате многократных испытаний принимает то или иное значение, неизвестное заранее. Важным является и понятие энтропии. Существует различные определения энтропии. Здесь под энтропией понимается мера неопределенности (хаоса), содержащегося в системе [36].
В данной главе анализируется детерминированная модель роста сопротивления контактного соединения электрических колонок, расположенных на морских причалах, предназначенных для электропитания погрузочно-разгрузочной техники. Повышенная ответственность функций электрических контактов колонок связана с тяжестью последствий происходящих аварий, которые имели место в порту. Как было выявлено при анализе линий электропитания, причиной отказов были разрушения контактных соединений причальных колонок. Отказы электрических колонок ведут к повреждению портового кранового оборудования, обрушению перегружаемого груза (особенно металлов) и серьезному повреждению корпуса судна. Поэтому к техническому состоянию параметров контактной системы и е надежности предъявляются высокие требования.
Рассматриваемая в данной главе задача анализа изменения во времени сопротивления контактов колонок в детерминированной постановке обусловлена тем, что эта модель используется на практике в портах, и с помощью этой модели планируются сроки технического обслуживания оборудования, включая и контакты причальных колонок. Анализируя детерминированную модель с точки зрения влияния вносимой энтропии в виде дестабилизирующих факторов, приводящих к изменению сопротивления контактов, необходимо отметить, что в математический аппарат модели входят лишь факторы, связанные со слабо энтропийным характером (не изменяющим детерминированность исследуемых параметров). Разрушительное действие такого рода энтропии (температура нагрева от прохождения тока, окисление контактного материала в неагрессивной среде без электролита) назовем внутрисистемной энтропией, которая проявляется на длительном промежутке времени. Внешние факторы, связанные с влиянием турбулентной морской среды и других агрессивных факторов, в детерминированной модели не учитываются. В то же время турбулентная морская среда морского порта вносит несоизмеримо большую энтропию и оказывает несравненно большее дестабилизирующие влияние на работу контактной системы, чем это учитывается коэффициентами, входящими в формулы изменяющихся сопротивлений контактов детерминированной модели. При воздействии перечисленных факторов вносимая энтропия среды стохастизирует детерминированную модель. Детерминированные переменные величины в результате такого взаимодействия становятся случайными величинами.
Эксплуатация контактных соединений в условиях морской портовой среды существенно отличается от условий, которые неявно предполагаются в детерминированной модели. В морской атмосфере существенное значение имеет влияние внешних факторов (турбулентно движущейся морской влаги, агрессивных химических веществ). Чтобы проанализировать надежность контактных соединений в таких условиях необходимо иметь количественные оценки факторов, а они носят, при этом, как уже отмечалось, случайный характер. Следовательно, для решения возникающей задачи требуется привлекать аппарат теории вероятностей и строить соответствующие распределения. Но, как мы увидим, детерминированная модель таких распределений не предполагает. Тем не менее, детерминированная модель широко применяется на практике и в условиях слабого воздействия энтропийных (дестабилизирующих) случайных факторов дает положительные результаты, и поэтому следует провести е анализ в данной работе (в качестве модели для сравнения результатов).
С точки зрения теории надежности замкнутые электрические контакты следует отнести к изделиям с постепенными отказами [9,23,24,27], которые обусловлены относительно медленным изменением определяющего параметра – электрического сопротивления.
Отказ контакта определяется, как событие, когда он не может выполнять свои функции. Такой момент наступает при его механическом разрушении или когда на контактах накапливается пленка, значительно повышающая повышающая его сопротивление, при котором температура контакта становится такой, что выделяющаяся энергия ведет к его быстрому разрушению (выгоранию, оплавлению) [22].
Возвращаясь к анализу детерминированной модели, отметим, что причинами отказов электрических контактов в ней являются также физические процессы (энтропийного характера), происходящие в контакте. Взаимодействие таких процессов можно представить в форме цикла, показанного на рисунке 2.1.
В работе [32], впервые была предложена достаточно полная детерминированная модель электроконтактного соединения. Эта модель базировалась на предположении о диффузионном механизме окисления пятна контакта и роста контактного сопротивления [34,121]. Позднее диффузионные модели были использованы в других работах. В данной главе мы рассмотрим модель износа электроконтактного соединения, в [31], которая базируется на предположении о диффузионном механизме окисления пятна контакта и роста контактного сопротивления [121]. В модели используется параметр – коэффициент диффузии D, который варьируется в довольно широких пределах. У различных исследователей он имеет различное значение.
Экспериментальные измерения сопротивления контактов разъединителей
С точки зрения содержания математической (вероятностной) модели, как основе получения новых знаний о процессах деградации электрических контактов, мы можем утверждать, что в содержание вероятностной модели входит совокупность математических объектов, включающая как операции со случайными переменными и законами их распределения, так и способы их представления (аналитические выражения, графические представления, диаграммы, таблицы).
Во второй главе была проанализирована, широко применяемая на практике, детерминированная модель изменения величины сопротивления контактов с точки зрения влияния, вносимого в исследуемое электроконтактное оборудование высокоэнтропийными дестабилизирующими факторами. Неучет воздействия высокоэнтропийных факторов морской среды порта приводит к тому, что экспериментальные измерения сопротивлений контактов, выполненные на причальных колонках, и их расчетных значения, вычисленные по детерминированной модели, значительно различаются. Это несоответствие было объяснено тем, что в математический аппарат, использованный для расчета детерминированной модели входят дестабилизирующие факторы, которые носят слабо энтропийный характер (т.е., не изменяют детерминированность исследуемых параметров). Действие такого рода энтропии (нагрев контактов от прохождения тока, окисление контактного материала в не агрессивной среде, без электролита) мы называем внутрисистемной энтропией. Вывод о том, что турбулентная морская атмосфера порта, насыщенная морской воздушно капельной средой и агрессивными компонентами вносит несоизмеримо большую энтропию в работу контактной системы, согласуется и с многолетними эксплуатационными данными, зафиксированными в журналах замены вышедшего из строя электрооборудования. Из приведенного анализа следует важный вывод, что воздействие дестабилизирующих факторов с высо 85 кой энтропией не только интенсивно разрушает электрооборудование, но и сто-хастизирует его параметры, ранее считавшиеся детерминированными. Иными словами, детерминированные переменные величины в результате такой высокоэнтропийной деградации становятся случайными.
В опубликованных работах в области надежности замкнутых электрических контактов многоамперных аппаратов морских портов, с приведенной выше спецификой воздействия высокоэнтропийных дестабилизирующих факторов, исследований не проводилось. Несмотря на то, что имеется немало работ по исследованию процессов износа электрических контактов, как правило, все они базируются на известной нам детерминированной модели [23]. Мы исходим из того, что постепенные (износовые) отказы многоамперных электрических контактов при действии высокоэнтропийных морских дестабилизирующих факторов состоят из двух процессов. Первый процесс характеризует воздействие внутренних дестабилизирующих факторов (механическое истирание, температура), которые описаны в существующей литературе. Второй процесс связан с внешними высокоэнтропийными дестабилизирующими факторами, которые описаны нами выше. Если для первого процесса может, применяться детерминированная модель, то второй процесс требует вероятностного подхода. Непременным условием для построения вероятностных моделей является требование необходимого количества статистических данных. Если в прежние времена это было проблематично (во всяком случае, для морских причалов), то в настоящее время появление новых переносных цифровых измерительных приборов позволяет осуществить точные измерения очень малых значений сопротивлений (мкОм, нОм) в полевых условиях.
После обоснования положения о стохастическом характере изменения параметров электрических контактов колонок потребовалось в течение двух лет на Восточном пирсе Новороссийского морского порта провести сбор необходимого статистического материала в различных дестабилизирующих условиях и в различные времена года. Путем многократных измерений, нами была сформирована статистическая выборка измеренных случайных значений сопротивления электрических контактов. Здесь подход состоит в использовании методов теории вероятностей и случайных процессов для описания процесса деградации сопротив 86
ления контактов при воздействии высокоэнтропийных дестабилизирующих факторов, а также закона распределения изменения контактного сопротивления во времени и вычислении вероятности, с которой наблюдаются реализации случайных значений измеряемых контактных сопротивлений. Следующим важным положением разрабатываемой вероятностной модели является положение о возможном характере распределения исследуемого параметра по нормальному закону. Это положение нами обосновывается предельной теоремой Ляпунова [72]. В разрабатываемой нами вероятностной модели утверждение теоремы Ляпунова интерпретируется так, что если число контактирующих площадок в контактном соединении достаточно велико, размеры их малы, а проводимости их слабозависимы, то распределение проводимости всего соединения приближенно подчиняется нормальному закону [34,95]. При воздействии дестабилизирующих факторов происходит уменьшение контактирующих областей и ухудшение проводимости контактов. При этом закон распределения остается неизменным. Это положение подтверждается экспериментальными исследованиями функций распределений электрических сопротивлений контактов других авторов, которые показывают, что при больших контактных нажатиях распределение значения электрического сопротивления контакта близко к нормальному закону [31].
Для построения вероятностной модели износа многоамперных контактов, необходимо сформировать схему потери их работоспособности при воздействии дестабилизирующих факторов. Последствия воздействия дестабилизирующих факторов накапливаясь, ведут к изменению во времени (определяющего параметра) в рассматриваемом случае переходного сопротивления контакта Rk . При достижении этим параметром своего предельно-допустимого значения Rkmax возникнет отказ, что произойдет через некоторый случайный промежуток времени, называемый наработкой контакта в электрической линии [23].