Введение к работе
Актуальность работы. Увеличение потерь электроэнергии, нарушение технологических процессов, приводящее к снижению производительности оборудования, преждевременное старение и выход из строя дорогостоящих машин - это далеко не полный перечень последствий, обусловлешшх снижением надёжности электрических машин постоянного тока (ЭМПТ). Очевидным является то, что повышение эксплуатационной надёжности на этапах проектирования и эксплуатации является весьма выгодной задачей, решение которой позволяет экономить значительные средства в эксплуатации, т.к. это снижает себестоимость производимой продукции.
Анализ эксплуатационных условий работы коллекторов ЭМПТ показывает следующее. Надёжность многих ответственных деталей и узлов ЭМПТ, работающих в тяжёлых эксплуатационных условиях на предприятиях металлообрабатывающей, металлургической промышленности и транспорта в широком диапазоне нагружения, зависит от влияния конструктивных, электрических, магнитных, функциональных связей, а также от внешних факторов, таких как, например, большое содержание в вентилируемом воздухе ныли и др. Указанные условия предъявляют особые требования к эксплуатационной надёжности электрооборудования и ставят важную задачу разработки научных основ, расчётно-экспериментальных методов оценки надёжности с обоснованием параметров элементов на этапе их проектирования.
Анализ надёжности элементов сложных систем показывает, что они зависят от параметров структуры и функциональных преобразований. В одних случаях они обеспечивают работу системы лишь электромагнитными параметрами, что часто встречается в электронных схемах. В других случаях элемент работает, воспринимая несколько функциональных нагрузок: электрические, механические, тепловые и др.
Таким образом, можно констатировать, что элементы системы могут быть полифункциональными и монофункциональными, следовательно, в таких условиях требуется учёт их влияния на ресурс.
При проектировании коллекторов ЭМПТ могут быть три условия. Первое - когда разрабатываемая машшш не имеет аналогов. В этом случае сведения о надёжности элементов систем отсутствуют, известны только параметры технического задания на проектирование системы. Второе - все элементы проектируемой машины обеспечены банком данных вероятностно-статистических характеристик, полученных на основании лабораторных и эксплуатационных испытаний. Третье - когда проектировщик имеет неполные характеристики надёжности, т.е. производится модернизация деталей и узлов ЭМПТ. Наиболее сложную ситуацию для расчёта в практике проектироваїшя создают первый и третий случаи.
4 Анализ результатов исследований надёжности деталей коллекторно-щёточного узла показывает, что они в значительной мере зависят от способа адекватного построения структуры и характера функциональных связей, где в зависимости от конкретных условий доминирующие факторы могут быть различными. Однако существующие методы расчета надёжности коллекторно-щёточного узла ЭМПТ при построении структурных схем не учитывают этих особенностей. Они по традиции широко используют методы, представляющие собой двухполюсные структуры, практикуемые в радиоэлектронике. Сравнение функциональных свойств элементов радиоэлектронных систем (РЭС) и электромеханических преобразователей (ЭМПТ), к которым можно отнести машины постоянного тока, показывает принципиальные различия их характеристик. Это даёт основание выдвинуть гипотезу о существовании систематической ошибки в оценке параметров надёжности технических систем.
Важным условием повышения качества расчёта на этапе проектирования и обеспечения надёжности ЭМПТ в эксплуатации является использование в расчётах структурно-функциональных моделей системы с учётом свойств конструкции и межэлементных связей ЭМПТ.
Цель работы - разработка расчетно-экспериментальных методов оценки и обоснова
ние рациональных характеристик надёжности на этапе проектирования и путей реализации
решения важной задачи - повышение эксплуатационной надёжности коллекторно-щёточного
узла ЭМПТ. І!
Для достижения указанной цели решены следующие научно-практические задачи: исследованы структурно-функциональные модели эксплуатационной надёжности колдекторно-щёточного узла на основе анализа конструкций ЭМПТ; разработаны аналитические методы моделирования и расчёта эксплуатационной надёжности для случаев, когда банк исходных данных вероятностно-статистических характеристик элементов полный, неполный, отсутствует; повышена точность оценки характеристик конструируемых моделей эксплуатационной надёжности коллекторно-щёточного узла ЭМПТ; разработаны расчётно-экспериментальные методы определения рациональных параметров элементов системы, по критерию надёжности; созданы атгоритмы и компьютерные программы расчёта эксплуатационной надёжности коллекторно-щёточного узла ЭМПТ.
Методика исследований основана на применении: теорем теории вероятностей и математической статистики; принятием из теории случайных функций допущений о стационарности потока отказов коллекторов; использовании уравнений Гаусса для изиосовых отказов и Пуассона для стационарного потока внезапных отказов; уравнений регрессионного анализа при определении влияния факторного пространства на работу дет&пей коллектора. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
разработана методика построения структурно-функциональной модели коллектора тяговой ЭМПТ. Методика учитывает помимо элементной базы свойства соединений, установочных геометрических параметров.
сформированы структурно-функциональные модели коллекторов для условий, когда априорные данные об элементах неполные (условие модернизации) или отсутствуют (вновь проектируемая система).
предложены для практического использования алгоритмы расчёта надёжности коллекторов тяговых электрических машин, где учитывается влияние факторного пространства и состояние элементной базы.
Практическая ценность и реализации результатов работы:
методика построения структурно-функциоцальных моделей внедрена при проектировании и модернизации конструкции коллектора тяговой ЭМПТ;
методика формирования вероятностных моделей, характеризующих надёжность коллекторов ЭМПТ, используется при расчёте на этапе проектирования коллекторов тяговых ЭМПТ и в эксплуатации;
полученные результаты экспериментальных исследований в эксплуатации позволили пополнить банк данных характеристик надёжности ЭМПТ.
На защиту выносятся следующие научные положення.
структурно-функционалыше модели коллекторов тяговых ЭМПТ с учетом конструктивных связей между элементами узла, соединений элементов и геометрических установочных параметров.
математические модели элементной базы коллектора, адекватно оценивающие эксплуатационную надёжность на этапе проектирования.
экспериментальные исследования влияния износа и деформации коллекторов на эксплуатационную надёжность тяговых ЭМПТ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и её результаты докладывались и обсуждались на: II Всероссийской научно-технической конференции с международным участием (г. Тольятти, ТГУ, 2007); IX Международном симпозиуме «Электротехника 2030)) Перспективные технологии электроэнергетики», Москва, ВЭИ, 29-30 марта 2007 г.; заседаниях кафедры «Электромеханика энергетических систем и силового оборудования» КГЭУ, г .Казань в 2007-2009 гг.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 14 научных работах, из них 1 публикация в издании, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, сгшска литературы из 96 наименований. Содержит ПО страниц основного текста, 4 таблицы и 13 рисунков.
