Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ общепромышленных средств и методов выявления аварийных КС и возможности их применения для оборудования судовых ЭЭС 13
1.1 Описание процесса деградации контактного перехода 13
1.2 Нормативная база, определяющая требования к конструктивно-монтажным узлам систем электрооборудования морских и речных судов
1.2.1 Общие требования к КС 17
1.2.2 Конструктивные требования, обусловленные внешними воздействиями на КС оборудования судовых ЭЭС 18
1.2.3 Нормирование электрического сопротивления и температуры нагрева КС 20
1.3 Пожарная опасность аварийных КС 22
1.4 Общепромышленные методы и средства выявления аварийных контактов электрооборудования 30
1.4.1 Бесконтактные методы 31
1.4.2 Контактные методы 35
1.5 Выводы по главе и постановка задач исследования 41
ГЛАВА 2 Расчетно-экспериментальное обоснование конструкции термобиметаллических индикаторных элементов для выявления аварийных КС 45
2.1 Использование термобиметаллических материалов в технике 46
2.2 Расчет индикаторных термобиметаллических элементов аналитическими методами 52
2.3 Численное моделирование термобиметаллических индикаторных элементов
2.3.1 Математическая модель термобиметаллического индикаторного элемента средств выявления аварийных КС 57
2.3.2 Методика расчета температуры срабатывания термобиметаллических индикаторных элементов 59
2.3.4 Пример расчета термобиметаллического индикаторного элемента с учетом температуры окружающего воздуха 66
2.3.5 Экспериментальное подтверждение разработанной методики 69
2.4 Анализ влияния вибрационных и ударных нагрузок на работу индикаторных элементов с оценкой их влияния на стабильность срабатывания 71
2.4.1 Разработка методики расчета собственных частот и форм колебаний индикаторных элементов 71
2.4.2 Численный эксперимент 76
2.4.3 Сравнение аналитического и численного решений 77
2.4.4 Пример оптимизации конструкции с помощью разработанной методики
2.4.5 Разработка методики и проведение численного эксперимента по оценке
вынужденных колебаний индикаторных элементов сложной формы 79
2.5 Практическое подтверждение работоспособности термоиндикаторных элементов 81
2.5.1 Обоснование количества опытных образцов 81
2.5.2 Принципиальное срабатывание при достижении температуры индикации 87
2.5.3 Устойчивость к пусковым токам 89
2.6 Выводы по главе 92
ГЛАВА 3. Разработка технологии адресного выявления аварийных КС оборудования судовых ЭЭС 94
3.1 Область применения средств выявления аварийных КС 94
3.2 Нормативная база, определяющая порядок обслуживания КС оборудования ЭЭС морских и речных судов 3.2 Технология визуального выявления аварийных КС в процессе регламентного обслуживания судовых ЭЭС 100
3.3 Разработка технологии адресного выявления аварийных КС с использованием автоматизированной системы контроля 102
3.3.1 Устройство для выявления аварийных КС в составе автоматизированной системы контроля 102
3.3.2 Технология адресного выявления аварийных КС с использованием автоматизированной системы 105
3.4 Технико-экономическое обоснование применения автоматизированной системы контроля аварийного состояния КС 110
3.4.1 Исходные данные 110
3.4.2 Технико-экономическая оценка ожидаемых показателей повышения безопасности эксплуатации ЭЭС морских и речных судов 112
3.5 Выводы по главе 113
Заключение 115
Список литературы 116
- Нормирование электрического сопротивления и температуры нагрева КС
- Методика расчета температуры срабатывания термобиметаллических индикаторных элементов
- Принципиальное срабатывание при достижении температуры индикации
- Технология адресного выявления аварийных КС с использованием автоматизированной системы
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Судовая электроэнергетическая система (ЭЭС) представляют собой сложный технический комплекс, состоящий из различных видов электрооборудования, объединенный общими процессами генерирования и распределения электрической энергии между приемниками, преобразующими ее в другие виды энергии, и обеспечивающий большинство тактико-технических характеристик современных морских и речных судов. В настоящее время с постоянным ростом электроэнерговооруженности судов происходит увеличение мощности основных источников электрической энергии и разветвленности сетей, что в совокупности с повышением общего уровня автоматизации и тенденцией к уменьшению численности личного состава обуславливает актуальность проблем, связанных с практическим обеспечением надлежащего качества функционирования судовых ЭЭС.
Электрические контактные соединения (КС) являются ответственным конструктивным
элементом, обеспечивающим целостность любой электротехнической системы. Вместе с тем
КС традиционно являются слабым звеном в системах передачи и распределения электрической
энергии. Деградация контактного перехода, усугубляющаяся характерными для условий
эксплуатации судовых ЭЭС внешними воздействующими факторами, приводит к увеличению
переходных сопротивлений КС сверх нормируемых уровней. Эксплуатация аварийных КС с
повышенным переходным сопротивлением негативно сказывается на качестве
функционирования судовых ЭЭС, что проявляется в ухудшении помеховой обстановки в электрической сети, ухудшении параметров изоляции кабелей, увеличении вероятности аварий в распределительных устройствах при протекании токов коротких замыканий, а также повышении пожарной опасности электрооборудования.
Увеличение переходных сопротивлений КС наряду с короткими замыканиями и перегрузками электросети является одним из наиболее распространенных аварийных режимов работы электрооборудования, т.к. в работе судовых ЭЭС задействованы тысячи силовых КС. Как известно, для предупреждения негативных последствий коротких замыканий и перегрузок используются аппараты защиты, однако зафиксировать подобным образом локальное повышение температуры или падение напряжения в результате увеличения переходного сопротивления контактного перехода невозможно, поскольку токи в цепи не превышают штатных значений. Общепромышленные методы выявления аварийных контактов, в частности, тепловизионное обследование, несмотря на хорошую методическую оснащенность, при обслуживании судовых ЭЭС не применяется, поскольку для его осуществления необходимо обеспечение номинальных токовых нагрузок на все КС. Такой подход требует задействования
4 непосредственно во время обследования всех основных потребителей электроэнергии судна, в том числе движительного комплекса, и неприменим во время регламентных работ, когда судно находится у причала и электропитание осуществляется от генератора для бытовых нужд либо с берега.
Научные исследования, направленные на повышение эффективности и безопасности эксплуатации КС электрооборудования, проводились Н.Н. Дзекцером в ЛенПЭО ВНИИ Проектэлектромонтаж – в части изучения соединений алюминиевых проводников подстанций промышленных предприятий; Ю.С. Висленевым, А.И. Горшковым и Н.А. Лазаревским в ЦНИИ СЭТ (ныне филиал ФГУП «Крыловский государственный научный центр») – в части разработки технологий монтажа и обслуживания КС судового электрооборудования; Г.И Смелковым, В.Н. Веревкиным и В.А. Пехотикивым в ФГБУ ВНИИПО МЧС России – в части обеспечения пожарной безопасности КС; Н.К. Мышкиным в ГНУ ИММС НАН Беларуси – в части исследования средств промышленного мониторинга КС. Исследования, направленные на обеспечение безопасной эксплуатации КС судового электрооборудования, также проведены ФГУП «Крыловский государственный научный центр» в рамках реализации Федеральной целевой программы «Развитие гражданской морской техники» на 2009-2016 г., мероприятие 6.4.1. «Разработка новых технологий и оборудования высоконадежных конкурентоспособных судовых электроэнергетических систем и их компонентов с применением современной элементной базы».
Тем не менее, в настоящее время борьба с негативными последствиями увеличения переходного сопротивления контактов судового электрооборудования в подавляющем большинстве случаев ведется без использования каких-либо технических средств в рамках регламентных работ по обслуживанию электроустановок силами личного состава путем внешнего осмотра и обслуживания всех без исключения КС. Такие операции могут быть проигнорированы личным составом из-за низкой эффективности: вероятность увеличения переходного сопротивления для отдельно взятого КС невелика, вместе с тем, с учетом большого количества КС эти работы могут занимать до 30 % трудоемкости при регламентном обслуживании судовых электроустановок.
Номенклатура морских и речных судов исчисляется сотнями, соответственно, номенклатура только основного комплектующего оборудования – десятками тысяч. Поэтому для обеспечения безопасного и эффективного функционирования судовых ЭЭС с заданным качеством актуальным становится решение ряда задач в рамках разработки универсальных средств своевременного адресного выявления аварийных КС.
Цель работы: повышение качества функционирования электроэнергетических систем морских и речных судов путем разработки эффективной технологии выявления аварийных
5 контактных соединений электрооборудования и технических средств в обеспечение этой технологии.
Основные задачи исследования
-
Анализ и систематизация общепромышленных методов и средств выявления аварийных контактных соединений с учетом специфики эксплуатации электрооборудования морских и речных судов.
-
Разработка технологии адресного выявления аварийных КС оборудования судовых ЭЭС с использованием термобиметаллических индикаторных элементов.
-
Разработка математической модели термобиметаллического индикаторного элемента для выявления аварийных КС электрооборудования.
-
Разработка методики расчета предельной температуры срабатывания термобиметаллических индикаторных элементов при перегреве КС сверх допустимого уровня.
-
Разработка автоматизированной системы регистрации аварийного состояния КС оборудования ЭЭС в процессе эксплуатации морских и речных судов
Объект исследования – системы электроснабжения и электрооборудования морских и речных судов.
Предмет исследования – методы и средства выявления аварийных контактных соединений в процессе эксплуатации оборудования судовых ЭЭС.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовался комплексный метод, включающий в себя научное обобщение, анализ аварийных ситуаций и методов их предотвращения, методы теории вероятностей, аналитические исследования, а также комплекс вычислительных и стендовых экспериментов. Теоретические исследования основаны на разработке математической модели слоистых оболочек, подверженных неравномерному нагреву с учетом естественной конвекции, и осуществлении численного моделирования с помощью программного обеспечения Ansys Multiphysics, основанном на использовании метода конечных элементов.
Научная новизна заключается в обосновании создания технических средств для обеспечения эффективной и безопасной эксплуатации судовых электротехнических систем и проявляется в работе в:
1. Разработке оригинальной математической модели и методики расчета
термобиметаллического индикаторного элемента, позволяющей учесть сложную геометрию и
неравномерное распределение температуры;
2. Использовании конечно-элементного моделирования полей температур и перемещений
слоистых оболочек для обеспечения нового применения в технике термобиметаллических
материалов.
6
3. Обосновании включения в состав электротехнических комплексов морских и речных
судов автоматизированной системы контроля локальных превышений температуры на основе
термобиметаллических индикаторных элементов, позволяющей переквалифицировать
пассивные признаки аварийного состояния конструктивно-монтажных узлов этих комплексов в активные.
Теоретическая значимость состоит в разработке универсальной математической модели и методики расчета слоистых оболочек, имеющих сложную геометрию и неравномерное распределение температуры, с возможностью применения для оценки температуры срабатывания биметаллических индикаторных элементов.
Практическая значимость работы состоит в разработке технологии выявления в процессе профилактических мероприятий по обслуживанию судового электрооборудования аварийных контактных соединений в результате фиксации информации о локальных превышениях допустимой температуры, произошедших в процессе эксплуатации, и определяется возможностями его применения:
при разработке распределительных устройств электротехническими конструкторскими бюро;
для разработки руководящих документов и инструкций для проведения профилактических осмотров и ремонтов оборудования судовых ЭЭС;
Достоверность научных результатов, достигнутых в диссертационном
исследовании, положений и выводов обеспечена использованием
апробированных методов исследования, критическим анализом полученных
результатов, экспериментальной проверкой теоретических положений,
корректной обработкой результатов экспериментов, апробацией на научно-
технических конференциях и семинарах.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Анализ возможностей использования общепромышленных методов и средств диагностики контактных соединений применительно к оборудованию судовых ЭЭС в процессе эксплуатации.
-
Технология адресного выявления аварийных контактных соединений оборудования судовых ЭЭС с использованием термобиметаллических индикаторных элементов в составе автоматизированной системы.
-
Математическая модель термобиметаллического индикаторного элемента.
-
Методика расчета предельной температуры срабатывания термобиметаллических индикаторных элементов.
7
5. Автоматизированная система регистрации аварийного состояния контактных
соединений в процессе эксплуатации судовых ЭЭС.
Личный вклад автора. Автор на всех этапах работы участвовал в постановке задачи; анализе и систематизации общепромышленных средств и методов, используемых для выявления аварийных КС, разработке математической модели и методик расчета термобиметаллического индикаторного элемента; в разработке технологии выявления аварийного состояния КС и автоматизированной системы для реализации этой технологии; в экспериментальном подтверждении работоспособности предложенных технических решений для термобиметаллических индикаторных элементов.
Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались и обсуждались на VI-й всероссийской научно-практической конференции «Безопасность в чрезвычайных ситуациях» (г. Санкт-Петербург, СПбПУ, 2014); Международной научно-методической конференции «Высокие интеллектуальные технологии в национальных исследовательских университетах» (г. Санкт-Петербург, СПбПУ, 2014); Международной научной конференции «Молодые исследователи – регионам» (г. Вологда, 2014), Всероссийской (с международным участием) научно-практической конференции «Изобретатели в инновационном процессе России» (г. Санкт-Петербург, СПбПУ, 2013), Конференции молодых ученых и специалистов ФГУП «Крыловский государственный научный центр» (г. Санкт-Петербург, 2014), Межотраслевой научно-практической конференции «Военное кораблестроение России. Кораблестроение в XXI веке: состояние, проблемы, перспективы. ВОКОР-2014» (г. Санкт-Петербург, ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия», 2014), Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность в чрезвычайных ситуациях» (г. Санкт-Петербург, СПбПУ, 2015).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, среди которых 2 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК, 4 патента на изобретение.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, включающего 90 наименований, и двух приложений. Полный объем диссертационной работы – 160 страниц, в том числе рисунков – 42, таблиц – 22.
Нормирование электрического сопротивления и температуры нагрева КС
Контактные соединения судового электрооборудования выполняются по классу 2.
В зависимости от климатического исполнения и категории размещения электротехнических устройств по ГОСТ 15150-69 контактные соединения в соответствии с ГОСТ 10434-82 подразделяются на группы А и Б.
К группе А относятся контактные соединения электротехнических устройств всех исполнений, размещенных в помещениях с кондиционированным или частично кондиционированным воздухом (категория размещения 4.1), и электротехнических устройств исполнений У, ХЛ и ТС, размещенных в закрытых помещениях (металлических с теплоизоляцией, каменных, бетонных, деревянных) с естественной вентиляцией без искусственно регулируемых климатических условий (категория размещения 3), и в помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями (категория размещения 4) при атмосфере типов I и II по ГОСТ 15150-69.
К группе Б относятся контактные соединения электротехнических устройств других исполнений и категорий размещения при атмосфере типов I и II и электротехнических устройств всех исполнений и категорий размещения при атмосфере типов III и IV. В судовом электрооборудовании используются обе группы контактных соединений. В зависимости от возможности разборки контактных соединений к ним предъявляются соответствующие требования.
Электрооборудование морских и речных судов в процессе эксплуатации подвержено влиянию специфического комплекса внешних воздействующих факторов, негативно влияющих на стабильность параметров КС. Для элементов судовых ЭЭС характерны следующие условия эксплуатации: - периодическое пребывание в различных климатических зонах (в течение одного рейса судно может побывать в тропиках, арктических водах, средних широтах); - непрерывное пребывание в условиях повышенной влажности (от 70 до 100 %), при этом в машинных отделениях в течение длительного времени относительная влажность составляет до 80% при высоких температурах, а на палубах – до циклического ежесуточного выпадения росы; - постоянное содержание солей в воздухе (3 – 5 мг на 1 м3); - повышенная вибрация и периодические ударные нагрузки, связанные с сотрясением корпуса судна от ударов волн и воздействием ледовых нагрузок. В соответствии с требованиями Российского морского регистра судоходства электрооборудование должно надежно работать в следующих условиях: - относительная влажность воздуха - 75±3 % при температуре 45±2 С или 80±3% при температуре 40±2 С, а также 95±3 С при температуре 25±2 С; - при вибрациях с частотами от 2 до 80 Гц, а именно в диапазоне частот от 2 до 13,2 Гц с амплитудой перемещений ± 1 мм, в диапазоне частот от 13,2 до 80 Гц с ускорением ±0,7 g; - при воздействии ударных нагрузок с ускорением ±5 g и частотой следования от 40 до 80 ударов в минуту; - при длительном крене судна до 15 и дифференте до 5, а также в условиях бортовой качки до 22,5 с периодом 7 – 9 с и килевой качки до 10 от вертикали. Указанные нагрузки учитываются при разработке контактных соединений, а также проверяются при разработке технологического процесса их выполнения. В частности, подключение токопроводящих жил, оконцованных кабельными наконечниками, к винтовым зажимам должно согласно РД 5Р.6207-93, выполняться с обязательным использованием средств от самоотвинчивания (пружинных, контргаек, пластинчатых шайб и т.п.).
Требования климатической устойчивости контактных соединений, как правило, выполняются без затруднений путем выбора материалов и покрытий. Из физических параметров контактных соединений в нормативной документации акцентируется внимание на величине контактного давления, минимальное значение которого должно быть порядка 100 кг/см2 и на величине их временного сопротивления.
Технические требования к контактным соединениям регламентируются ГОСТ 10434-82. Этот стандарт распространяется на разборные и неразборные электрические контактные соединения шин, проводов или кабелей (далее -проводников) из меди, алюминия и его сплавов, стали, алюмомедных проводов с выводами электротехнических устройств, а также на контактные соединения проводников между собой на токи от 2,5 А.
Электрическое сопротивление проводника зависит от его размеров (оно тем больше, чем больше длина и меньше площадь поперечного сечения проводника) и свойств материала.
Удельное сопротивление металлов зависит от температуры, оно тем больше, чем выше температура. В качестве проводников контактов наиболее широко применяют медь (р = 1,7 10 8 Ом см), а в береговых установках и алюминий (р = 2,7-10 8 Ом см), имеющие малое удельное сопротивление. Отношение начального электрического сопротивления контактных соединений (кроме контактных соединений со штыревыми выводами) к электрическому сопротивлению участка соединяемых проводников, длина которого равна длине контактного соединения, не должно превышать: - для класса 1 - 1, если иное не указано в стандартах или технических условиях на конкретные виды электротехнических устройств; - для класса 2 - 2;- для класса 3 - 6. В контактных соединениях проводников с различным электрическим сопротивлением сравнение производится с контакт-деталью с большим электрическим сопротивлением.
Методика расчета температуры срабатывания термобиметаллических индикаторных элементов
Термобиметаллы или термочувствительные биметаллические ленты - это металлические материалы, состоящие из двух (в ряде случаев из трех и более) слоев различных сплавов, прочно сваренных по всей поверхности соприкосновения в процессе изготовления. Основное условие, предъявляемое к этим сплавам - значительное различие их температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР). Составляющая (слой) термобиметалла с высоким ТКЛР называется активной составляющей, с низким - пассивной. Для ряда марок термобиметаллов применяется промежуточный слой из металлов с повышенной электропроводностью (никель или медь) [64].
Поэтому при изменении температуры ленты, пластины и детали определенным образом изменяют свою форму. При подавлении деформации получается перестановочное усилие, при помощи которого возможно выполнение механической работы. За счет сочетания с покрытиями и промежуточными слоями, возможно целенаправленное воздействие на такие специфические характеристики, как, например, электрическое сопротивление, коррозионные свойства и так далее.
Их используют в областях, где при сравнительно незначительных затратах на конструктивные разработки, необходимо регулировать или ограничивать зависимые от температуры величины, а также управлять ими. Простота в обращении, надежность и дешевизна являются значительными преимуществами термобиметаллов, обеспечивающими им широкое применение в следующих областях: Электротехника (защитные автоматы электродвигателей, линейные защитные автоматы, реле времени, защитные автоматы трансформаторов, автоматические выключатели, стартеры люминесцентных ламп, различные регуляторы, защита дроссельных катушек от перенапряжения, блокировка дверей); Автомобильная промышленность (прикуриватели, индикаторы уровня в баках, регуляторы охлаждающей жидкости, автоматические стартеры, подогрев автомобильных сидений и обогрев автомобильных зеркал, регуляторы тормозного усилия); Измерительная техника (термокомпенсация, самописцы температуры, термометры, датчики тактовых импульсов и датчики времени); Теплотехника (регуляторы отопления, отводчики конденсата, заслонки выхлопных труб, пожарные извещатели, смесители горячей воды, регуляторы печей, предохранители запального пламени) [65].
Несмотря на то, что термобиметаллы являются хорошо освоенными промышленностью, технологичными и дешевыми материалами, они не нашли применения для индикации пожароопасного состояния КС, за исключением конструкции, описанной в патенте СССР №1803948, МПК H01R 4/00, 1990 г. При разработке средств выявления аварийного состояния КС указанное техническое решение было использовано в качестве прототипа. В приложении Б приведено описание устройств для выявления аварийного состояния КС на основе биметаллических материалов [66 – 68]. В отличие от прототипа, их более глубокая техническая и технологическая проработка позволяет осуществлять выявление аварийных КС оборудования судовых ЭЭС на практике.
Термобиметаллы получают путем неразъемного соединения двух пластин из материалов, коэффициенты линейного температурного расширения которых резко отличаются. Соединение компонентов может быть осуществлено в результате их совместного проката, с помощью сварки или пайки. Слой металла с большим коэффициентом линейного расширения называют активным, а с меньшим пассивным. Различия в тепловом расширении слоев при изменениях температуры приводят к деформации термобиметаллических пружин. Благодаря этому их функциональное назначение состоит в преобразовании температуры в механические перемещения.
В качестве пассивного слоя часто используют инвар 36Н, имеющий очень низкий коэффициент линейного температурного расширения. Стабильными и малыми значениями коэффициента линейного температурного расширения обладают сплавы системы Fe—Ni с большим содержанием Ni (до 50 %). Для активных компонентов применяют немагнитные сплавы системы Fe—Ni (20—25 % Ni), легированные хромом, марганцем и молибденом, а также латуни и бронзы. Коэффициенты линейного расширения этих сплавов в 20—25 раз больше коэффициента линейного расширения инвара.
При начальной температуре Тн геометрическая ось консольно установленной термобиметаллической пружины длиной 1—прямая (рисунок 2.1). С увеличением температуры до Тк активный слой должен получить удлинение Л/, =а1(Тк-Гн)/ а пассивный – Д/2 =a2(TкJ, _ где аг, а2- коэффициенты линейного температурного расширения активного и пассивного слоев, соответственно. пластины Поскольку компоненты жестко соединены и ограничивают деформации друг друга, то активный слой испытывает сжатие, а пассивный — растяжение. Под действием внутренних напряжений термобиметаллнческая пластина при нагреве изгибается в сторону пассивного слоя, а при охлаждении — в сторону активного. Изгиб пружины характеризуется линейным перемещением свободного конца А или угловым А. Консольно заделанные термобиметаллические пружины широко применяют в релейных устройствах для защиты электрических цепей, электродвигателей и аппаратов от перегрева. Биметаллическая пластина при повышении температуры нажимает на контактную пружину, которая размыкает электрическую цепь. Регулировочный винт позволяет устанавливать температуру срабатывания реле. В целях увеличения угловых перемещений чувствительных элементов термометров биметаллические пружины выполняют в виде пространственных винтовых спиралей и спиралей Архимеда.
Плоские биметаллические пружины используют в качестве компенсаторов температурных деформаций деталей. При кинематической компенсации за счет деформации биметаллической пружины изменяется рабочий радиус кривошипа рычажных механизмов. Необходимая рабочая длина пружины обеспечивается перестановкой регулировочного винта. Силовая компенсация осуществляется созданием дополнительных усилий с помощью термобиметаллических пружин, действующих на жесткий центр мембранной коробки.
Принципиальное срабатывание при достижении температуры индикации
Для определения количественной формы таких рисков используются численные значения вероятностей принятия результатов. Риск разработчика традиционно обозначается через а, риск заказчика — через /?. В любом случае, это качественная оценка разработки индикаторов, которая принципиально возможна с помощью двух подходов: вероятностного и статистического. Причем первый подход реализуем на этапе предварительной оценки, то есть в ходе разработки, а второй — по результатам испытаний и эксплуатации. Таким образом, при количественном анализе качества может быть использован аппарат математической статистики и теории вероятностей.
Основными количественными параметрами разработки в целом являются вероятность гарантии безотказной работы индикаторов (ВБР) и вероятность отсутствия гарантии.
ВБР — это вероятность того, что за установленное время эксплуатации индикаторы будут работоспособны.
Решение задачи обоснования количества образцов предлагается на основе теории вероятностей. Такой подход оправдан общим вероятностным описанием основных количественных показателей качества индикаторов.
В теореме гипотез используются понятия условной и безусловной вероятности. Под условной вероятностью будем понимать вероятность наступления какого-либо события, при условии, что другое, связанное с ним событие произошло. Безусловная вероятность — это вероятность наступления какого-либо события, не зависящего от остальных условий и событий. События будем обозначать большими буквами латинского алфавита. Для системы попарно несовместных событий Аи Р(АІ) О, теорема гипотез может быть сформулирована следующим образом. Условная вероятность наступления события Аи при условии наступления события В определяется как отношение произведения условной вероятности наступления события В при условии наступления события Аи на безусловную вероятность события Ак к безусловной вероятности наступления события В. Система попарно несовместных событий включает в себя элементарные события, которые, в условиях конкретной задачи, являются взаимоисключающими. Например, в ходе разработки может быть достигнуто соответствие требованиям ТЗ, либо нет. Аналитически запись этой теоремы выглядит следующим образом: P(Ak/B) = (P(B/Ak)xP(Ak))/P(B) (2.5.1) Составляющие выражения (2.5.1) имеют и «нематематическое» содержание. Выражение слева от знака равенства является апостериорной вероятностью события А, то есть вероятностью, зависящей от наступления события В. Вероятности Р(Аи) и Р(В) представляют собой априорные вероятности, то есть вероятности, полученные аналитически, до их экспериментальной оценки. Если представить вероятность события В (знаменатель (2.5.1)) через формулу полной вероятности события [82], то формула (3.5.1) примет вид: Р(Ак/В) = АЖЛ) (252) 2Д4ЖЯ/4) г=1 В формуле (2.5.2) условные вероятности физически представляют собой апостериорные вероятности, то есть уточняемые в ходе решения задачи, а безусловные — априорные вероятности событий — вычисленные, полученные до начала опыта.
События Аt (i = 1…N) в выражении (2.5.2) и представляют собой все возможные условия, влияющие на возникновение события В, и называются гипотезами.
В рассматриваемом случае целесообразно рассмотреть две гипотезы: А\ — о правильности предположения о соответствии индикаторов требованиям ТЗ и А2 — о неправильном предположении соответствия индикаторов требованиям ТЗ. Здесь необходимо отметить, что абсолютная достоверность оценки соответствия параметров разрабатываемых индикаторов серийным образцам невозможна. Как было сказано выше, в техническом задании заказчика закладывается вероятность, которая, естественно, всегда меньше 1. Поэтому в гипотезах речь идет не об идеальных параметрах индикаторов, а об их соответствии ТЗ.
Р(А\/В) — апостериорная вероятность правильности предположения о безотказности партии разработанных образцов при условии наступления события В — проведения успешных испытаний N штук изделий. Эта вероятность будет находиться слева от знака равенства.
P(Ai) — априорная вероятность наступления гипотезы 1 — правильности предположения о соответствии требованиям ТЗ всей партии.
P(B/Ai) — вероятность успешного испытания N изделий из партии, при условии, что гипотеза Ai верна. Иначе говоря, это вероятность успешно пройти предварительные испытания на выборке при ВБР изделия, соответствующей ТЗ.
Р(А2) — априорная вероятность наступления второй гипотезы — неверности предположения о соответствии всей партии индикаторов требованиям ТЗ.
Р(В/А2) — вероятность успешного испытания N образцов, при условии, что гипотеза А2 верна. То есть это вероятность успешно пройти предварительные испытания на выборке в N штук изделий при потенциальной дефектности партии аналогично изготовленных индикаторов. Таким образом, на основании (2.5.2): Р(А1/В) = (Р(А1)хР(В/А1))/(Р(А1)хР(В/А1) + Р(А2)хР(В/А2)) (2.5.3) Проанализируем составляющие выражения (2.5.3). Величина P(Ai/B) — искомое значение апостериорной вероятности правильности оценки потенциально неограниченной по объему партии индикаторов по результатам испытаний, аналогичных предварительным для выборки объема N. Фактически это вероятность, обратная значению риска потребителя . В соответствии с теоремой сложения вероятностей: P(Ai/B) = 1 ft.
Р(А\) — априорная вероятность правильности предположения о соответствии индикаторов требованиям ТЗ. Величина этой вероятности зависит от стадии жизненного цикла термобиметаллических индикаторных элементов. На этапе разработки, когда нет подтвержденных испытаниями и эксплуатацией значений ВБР, значение вероятности целесообразно принять равным 0,5. В дальнейшем, на этапе уже серийного производства значение P(Ai) будет возрастать.
P(B/Ai) — по условиям задачи приближается к 1 и принимается равной этому значению. Действительно, при успешной разработке индикаторов оно соответствует своему расчетному значению, а если оно близко к 1, то и Р(В/А\) 1. Р(А2) — априорная вероятность наступления второго возможного в этом случае события — неверности предположения о соответствии разработанных индикаторов требованиям ТЗ. По теореме сложения вероятностей Р(А2) = l-P(Ai). Р(В/А2) — это вероятность успешно пройти предварительные испытания на выборке в N штук изделий при дефектности остальной партии, и на основании теоремы умножений вероятностей: P(B/A2) = P1xP2x...xPN = PN, где: Р — вероятности соответствия параметров индикаторов требованиям ТЗ. Причем на начальных стадиях жизненного цикла изделия можно считать эту, в принципе неизвестную вероятность равной 0,5.
Технология адресного выявления аварийных КС с использованием автоматизированной системы
Из приведенных данных видно, что средняя стоимость строительства cудов для массовых грузов составляет не менее 55 млн. долл. Учитывая снижение стоимости судов в процессе их эксплуатации, а также значительное количество относительно малых морских судов, в качестве ориентировочной оценки стоимости судна для расчета примем величину на порядок меньшую - 5 млн. долл. (ориентировочно 300 млн. руб).
Исходные данные для оценки стоимости термобиметаллических индикаторных элементов приведены применительно к среднему типоразмеру контролируемого контактного соединения с резьбой М8 из учета цены термобиметалла 2400 руб./кг или 1 руб./г. Стоимость изготовления изделия (при массовом выпуске, приведенная к индикатору на резьбу контактного соединения М16) вместе со стоимостью материалов - 142 руб. Ответ НПО Союзнихром на запрос о наличии и ценах на термобиметалл (на 31.01.2012 г.): Подтверждение поставки термобиметалла ТБ 200/113, ленты толщиной 0,2-0,3 мм шириной до 220 мм. Цена около 2300-2600 руб./кг без НДС. ТБ 148/79, ТБ 138/80 - цена 1600-1800 руб./кг без НДС ширина до 220 мм.
Стоимость обслуживания одного КС проверкой момента затягивания резьбы в рамках регламентных работ в ценах 2006 г. – 30 руб. [90]
Технико-экономическая оценка ожидаемых показателей повышения безопасности эксплуатации ЭЭС морских и речных судов Расчет ожидаемых технико-экономических показателей автоматизированной системы регистрации аварийного состояния КС применительно к строящимся морским и речным судам приведен в таблице 3.2. Учитывая возможность применения автоматизированной системы контроля с массовым внедрением термобиметаллических индикаторных элементов как на эксплуатируемых судах, так и на объектах ВМФ, а также береговых объектах, срок окупаемости разработки может быть сокращен за счет сокращения затрат на техническое обслуживание электрооборудования. Эта составляющая экономического эффекта обусловлена заменой регулярно проводимой операции контроля состояния контактов электрооборудования органолептическим методом – проверкой ослабления усилия затяжки – визуальным осмотром.
В конечном итоге это сокращает объем работ по техническому обслуживанию электрооборудования на объектах водного транспорта, а, следовательно, может быть одним из положительных факторов, учитываемых при обосновании рациональной численности личного состава на судах и кораблях ВМФ с повышенным уровнем автоматизации.
Предложенная технология выявления аварийного состояния КС оборудования ЭЭС морских и речных судов призваны осуществлять контроль нормируемых температурных параметров конструктивно-монтажных узлов судовых электротехнических комплексов с целью прогнозирования их работоспособности таким образом, чтобы ремонт и обслуживание осуществлялись до наступления поломок и отказов.
Поскольку в любых технических устройствах со временем происходит накопление повреждений и ухудшение рабочих характеристик, то необходимо контролировать эти процессы и накапливать данные об их протекании. Использование автоматизированной системы регистрации аварийного состояния КС предусматривает регистрацию температурных характеристик конструктивно-монтажных узлов судовых электротехнических комплексов. При этом характеристикой, дающей информацию о состоянии объекта контроля, является локальное увеличение температуры. Эти характеристики исполняют функцию предупреждения, поскольку должны их критические значения, предшествующие отказам, установлены в соответствующих нормативных документах. Все признаки исправной работы можно разделить на две основные группы: - активные признаки в виде показаний контрольно-измерительных приборов и устройств встроенного контроля; - пассивные или вторичные признаки, воспринимаемые при внешнем осмотре электрооборудования. Включение в состав электротехнических комплексов морских и речных судов автоматизированной системы контроля локальных превышений температуры на основе термобиметаллических индикаторных элементов позволяет переквалифицировать пассивные признаки аварийного состояния конструктивно-монтажных узлов этих комплексов в активные. Таким образом, использование автоматизированной системы регистрации аварийного состояния КС представляет собой более короткий и эффективный путь поиска неисправностей, вызванных деградацией контактного перехода, чем используемые в настоящее время методы органолептического контроля. Направление дальнейших исследований предполагает объединение регистраторов аварийного состояния КС отдельных распределительных устройств в систему посредством общесудовой цифровой сети передачи данных. Указанная сеть организована путем соединения между собой блоков общесудовой сети (БОС), расположенных в основных судовых помещениях, где присутствуют интеллектуальные устройства и приборы автоматики. Такой подход призван в дальнейшем значительно сократить трудоемкость профилактических работ по обслуживанию электроустановок за счет фиксации информации о перегреве КС во время эксплуатации и адресного выявления аварийных контактов.