книги / Надежность электрических машин

201

щёткодержателей на одном болте траверсы. Если вероятность безотказной работы одного щёткодержателя Pщ. д i (t) = e−λщ. д it , а веро-

ятность его отказа Qщ. д i (t) = (1− e−λщ. д it ), то при параллельной ра-

боте на коллекторе группы pnщ однополярных щёткодержателей вероятность ихотказа(в соответствии с уравнением (122))

i=1

авероятность безотказной работы двух разнополярных групп щёткодержателей (по уравнению (123))

где Qщ.д(t) берётся из уравнения (142).

Вероятность постепенного отказа одной электрощётки из-за

коллекторе группы pnщ однополярных щёток вероятность их постепенного отказа (в соответствии с уравнением (122))

вероятность же безотказной работы двух разнополярных групп щёток при износе (по уравнению (123))

где Qщ(t) рассчитывается по уравнению (144).

После определения вероятностей безотказной работы щёткодержателей Pщ. д(t) по уравнениям (142) или (143) и щёток Pщ(t) по

уравнениям(144) или(145) можнопоуравнению(139) оценитьвероятностьбезотказнойработыщёточногоаппаратамашины Pщ. а(t) .

202

Надёжность коллектора и контактных колец. В процессе эксплуатации коллекторных машин малой мощности в коллектор- но-щёточном узле машины могут возникать неисправности в виде нарушения цилиндричности поверхности коллектора из-за износа её от неравномерного трения щёток, образования некоторого эксцентриситета и боя коллектора или же появления перепадов уровней соседних коллекторных пластин. Обычно величины перепадов этих уровней распределяются по окружности коллектора случайным образом. В связи с этим такая неисправность может служить дополнительной причиной нарушения цилиндричности поверхности коллектора. Вследствие неровностей этой поверхности получается неполное прилегание щёток к ней, которое способствует образованию их вибраций на коллекторе, усилению искрения под щётками и обгоранию отдельных коллекторных пластин. Вместе с этим из-за перепадов уровней соседних пластин на практике наблюдаются иногда цепляния коллектора за щётки, что приводит к выходу из строя коллекторно-щёточного узла.

Если считать отказы коллекторов машин из-за образования эксцентриситета или боя или из-за перепадов уровней соседних коллекторных пластин по своему виду близкими к внезапным, то вероятность безотказной работы коллектора во времени приближённо можно представить в виде

где λк – средняя интенсивность отказов коллектора, которую

при оценке надёжности машины по уравнению (126) ориентировочно можно выбрать по табл. 3.

В малых машинах переменного тока с контактными кольцами на роторе, например в сельсинах, вращающихся трансформаторах или коллекторных машинах с центробежным вибрационным регулятором скорости, одной из причин отказа в работе машины может быть выход из строя контактных колец на роторе от неравномерного их износа при трении щёток. Однако на практике этот случай повреждения колец встречается довольно редко, поэтому при оцен-

203

ке надёжности сельсинов и вращающихся трансформаторов по уравнению (126) вероятность безотказной работы контактных колец на роторе практически можно принятьравной 1.

Надёжность обмоток. В подразд. 10.1 рассмотрены основные виды повреждений обмоток малых электрических машин, которые могут являться причинами выхода их из строя во время работы машины. При этом наиболее частыми повреждениями этих обмоток являются короткие замыкания между витками или на корпус, обрывы проводов и нарушения мест паек. Так как отказы обмоток малых машин по этим причинам возникают внезапно и каждая из них в отдельности приводит к выходу из строя обмотки, то вероятность безотказной работы её в соответствии с уравнением (119) будет определяться следующим образом:

где Pк. з (t) – вероятность безотказной работы обмотки до короткого замыкания; Pо (t) – вероятность безотказной работы обмотки до обрыва; Pм.п (t) – вероятность безотказной работы обмотки до обрыва в местах паек; λк. з , λ′о , λм.п – средние интенсивности

отказов обмотки по причинам короткого замыкания, обрыва или нарушения паек соответственно, ч–1.

Среднюю интенсивность отказов обмотки машины из-за короткого замыкания (между витками или при пробое на корпус) можно приближённо оценить по уравнению (ч–1)

где λ′к. з – интенсивность отказов обмотки при нормальных условиях эксплуатации, ч–1, которая при оценке надёжности машины может быть выбрана ориентировочно из табл. 2; α′ – коэффициент, град–1, который выбирается в зависимости от класса изоляции обмотки и заданного срока службы t из табл. 22; Θ – рабочая температура обмотки, °С; Θн – нормально допустимая температура нагрева для данного класса изоляции обмотки при за-

204

данном сроке службы t согласно табл. 22, °С; RΘ – тепловое со-

противление при передаче тепла от обмотки в окружающую среду, град/Вт,

при этом αi – коэффициент теплоотдачи соответствующей поверхности обмотки, Вт/(см2·град); Si – охлаждающие поверхности отдельных частей обмотки, см2.

Как показывают данные испытаний на надёжность малых электрических машин, вероятность отказа их обмоток из-за обрыва примерно в три раза меньше, чем из-за короткого замыкания, поэтому ориентировочно средняя интенсивность отказов обмотки в случае обрыва (ч–1)

гдеλ′м.п – интенсивность отказов одного паяного соединения обмотки, выбираемая по табл. 2; m′ – количество паек в обмотке.

205

10.3. Повышение уровня надёжности ЭМ малой мощности

Повышение уровня надёжности ЭМ малой мощности имеет большое общегосударственное значение из-за получения за счёт высокой надёжности значительного экономического эффекта. Выпуск высоконадёжных ЭМ малой мощности является одним из дополнительных источников увеличения действующего парка машин, находящихся в эксплуатации. Экономическая эффективность использования этих машин на практике определяется не только первоначальной стоимостью их изготовления, но также и затратами на их эксплуатацию. Чем выше уровень конструкционной надёжности данных машин, тем реже они будут выходить из строя в процессе эксплуатации и меньше потребуют расходов на восстановление их работоспособности в случае отказов.

Организация производства малых ЭМ повышенного качества требует увеличения материальных затрат на их изготовление.

Кним относятся следующие затраты:

–на подготовку производства к выпуску машин повышенного качества, включающую конструкторскую проработку и испытание машин, разработку технологических процессов, изготовление оснастки и т.д.;

–на изготовление машин повышенного качества, влекущее за собой увеличение себестоимости за счёт роста трудоёмкости, применения более дорогих материалов, комплектующих изделий и т.д.;

–на применение дополнительных форм контроля качества, т.е. входного контроля материалов и полуфабрикатов, межоперационного контроля, испытаний на надёжность и т.д.

Результирующий экономический эффект от повышения качества изготовления малых ЭМ практически складывается из увеличения срока службы машин, повышения уровня надёжности их работы, уменьшения средств и времени на содержание машин в эксплуатации. Общий повышенный уровень надёжности ЭМ малой мощности обеспечивается только за счёт повышения надёжности их основных частей: подшипников, коллекторно-

щёточного узла и обмоток якоря или статора.

206

Повышение надёжности подшипниковых узлов достигается путём качественной насадки шарикоподшипников на вал и в щиты машин, улучшения качества балансировки якоря или ротора с применением специальных балансировочных шайб и высококачественных смазок.

Повышение надёжности коллекторно-щёточного узла ма-

ломощных коллекторных машин достигается применением щёточных пружин с плавным нажатием на электрощётки по всей полезной их высоте в пределах допустимого износа, использованием электрощёток с повышенной износостойкостью и улучшением условий коммутации.

В высокоскоростных коллекторных машинах увеличение количества щёток, равномерно расположенных по окружности коллектора, повышает надёжность работы скользящих контактов коллекторно-щёточного узла. Поэтому в данной ситуации целесообразно увеличение щёток на одном щёточном пальце траверсы по длине коллектора.

Для повышения надёжности работы коллекторно-щёточного узла необходимо применять четырёхполюсное исполнение магнитной системы машины с полным комплектом щёток на коллекторе даже при малых её мощностях. Такое исполнение щёток в машине обеспечивает параллельную работу каждой пары одноимённых щёток траверсы, что улучшает надёжность работы щёточных контактов с коллектором при вибрациях и тряске места установки машины.

Повышение надёжности обмоток электрических машин малой мощности обеспечивают правильным выбором обмоточных данных для вновь выпускаемых машин какой-либо серии, сохраняя в ней примерно постоянным коэффициент заполнения пазов якоря или статора изолированным проводом и оптимальным для каждого габарита серии согласно опытным данным.

207

XI. НАДЁЖНОСТЬ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

11.1.Повреждения асинхронных двигателей

Кним относятся:

–дефекты проектирования;

–низкое качество материалов и комплектующих изделий;

–дефекты технологии производства;

–неправильное применение двигателей.

Дефекты проектирования. При исследовании отказов обнаружена определённая группа повреждений, обусловленная дефектами проектирования. Чаще эти дефекты связаны с излишним повышением использования активных и конструкционных материалов. К дефектам проектирования относятся:

–высокий коэффициент заполнения пазов;

–малый запас теплостойкости изоляции;

–малый воздушный зазор;

–недостаточная жёсткость конструкции.

Высокий коэффициент заполнения пазов. Одним из способов повышения использования активной части машины является увеличение коэффициента заполнения пазов медью. Это достигается применением более тонкой изоляции (витковой и пазовой), увеличением плотности укладки, упорядочением расположения проводников в пазу. Обоснованное применение новых изоляционных материалов (высокопрочной эмали, тонких синтетических плёнок, изоляции пазов вихревым напылением и т. п.) позволяет за счёт увеличения коэффициента заполнения паза получить повышение мощности машины на единицу массы. Каждый процент повышения заполнения паза медью позволяет повысить использование активной части машины на 0,75 %. Чрезмерное повышение коэффициента заполнения паза сопряжено с возможностью заметного снижения надёжности обмотки.

208

Увеличение объёма проводников в пазу ведёт к применению значительных усилий при укладке всыпной обмотки, что неизбежно приводит к местным повреждениям изоляции и витковым замыканиям на испытательном стенде или в эксплуатации.

Снижение коэффициента заполнения лишь на 4 % (с 0,82 до 0,79) уменьшает число пробоев витковой изоляции при испытании повышенным напряжением приблизительно в два раза. Итак, с повышением коэффициента заполнения сверх допустимого предела надёжность всыпной обмотки падает быстро. Поэтому при проектировании машин, тем более серии, выбор коэффициента заполнения должен обосновываться для каждого типа изоляции экспериментальным материалом, подтверждающим допустимость того или иногокоэффициента заполнения для витковой изоляции.

Малый запас теплостойкости изоляции. При эксплуатации асинхронные двигатели периодически испытывают различные перегрузки, например, из-за неисправности приводного механизма, форсировки режима работы, отклонения от нормы частоты или напряжения, загустевания смазки, временного повышения температуры окружающей среды и многих других причин, которые вызывают повышение температуры обмотки. Это ведёт к старению изоляции и существенному снижению срока её службы, которое для каждого конкретного случая можно ориентировочно оценить расчётом. В подобных случаях решение вопроса не сводится лишь к выбору двигателя с достаточным запасом мощности, что привело бы только к систематической недогрузке двигателя с ухудшением его коэффициента мощности и КПД. Двигатель должен иметь запас по нагреву, который позволял бы ему безотказно выдерживать временные перегрузки.

Поэтому при проектировании двигателя не имеет смысла использовать полностью предельную температуру, допускаемую для данного класса изоляции, а следует предусматривать некоторый запас. Экономический эффект от применения более высокого класса изоляции будет наибольшим, поскольку это позволяет не только увеличить срок эксплуатации машины, но и повысить

209

её надёжность. Следует учитывать также, что стоимость машины возрастает по мере повышения класса изоляции, поэтому её отказ сопровождается значительными убытками. Запас теплостойкости машин оправдан ещё и тем, что методы теплового расчёта АД недостаточно точны. Несовершенен также учёт добавочных потерь. В наиболее горячих точках температура обмотки может значительно превышать средние значения.

Всё изложенное выше должно приниматься во внимание на стадии проектирования машины. Рациональный выбор уровней использования материалов позволяет не только повысить надёжность машины, но и одновременно улучшить другие её техникоэкономические показатели, т.е. снизить потери, ток холостого хода, улучшить КПД и коэффициент мощности.

Малый воздушный зазор. При увеличении индукции в различных частях магнитной системы возрастает ток холостого хода АД и соответственно снижается его коэффициент мощности. Этот нежелательный эффект может быть компенсирован уменьшением воздушного зазора, но ценой снижения надёжности машины. Даже небольшая выработка подшипников, деформация посадочных поверхностей, изгиб вала и т.п. приводят к появлению значительной неравномерности воздушного зазора. Это, в свою очередь, ведёт к увеличению нагрузки на подшипники, ускорению их износа, появлению вибрации, а в наиболее тяжёлых случаях к касаниям ротора и статора. Вероятность возникновения такой неисправности возрастает, потому что в собранных машинах величину зазора обычно не контролируют, а ограничиваются лишь проверкой лёгкости вращения ротора в подшипниках. Это не гарантирует лёгкого вращения ротора в будущем. Поэтому большое значение приобретают методы косвенного определения величины неравномерности воздушного зазора и её причин, и такие методы успешно разрабатываются.

Воздушный зазор в АД вообще относительно невелик, а в малых машинах он измеряется долями миллиметра. Выполнение таких зазоров с допустимой степенью неравномерности ( ± 10 %)

210

требует обеспечения точной соосности внешней поверхности ротора и внутренней поверхности статора, для чего необходима весьма тщательная обработка подшипниковых щитов, роторов и станин. Особенно важна для получения равномерного воздушного зазора концентричность замков станин и подшипниковых щитов. Возрастает роль пооперационного контроля при механической обработке станин и подшипниковых щитов, расточки станины под пакет статора, внешней поверхности ротора.

Таким образом, необоснованное уменьшение воздушного зазора усложняет процесс производства, удорожает машину и снижает её надёжность.

Недостаточная жёсткость конструкции. Важным фактором,

определяющим надёжность и долговечность конструкции, является степень деформации её деталей. При определении деформаций нередко ограничиваются учётом действующих сил, пренебрегая влиянием изменения температуры, остаточных напряжений и т.д. Недостаточная жёсткость и, как следствие, повышенные деформации вызывают взаимные смещения, создают ненормальные условия работы узлов и деталей, способствуют увеличению концентрации напряжений и снижению усталостной прочности.

Исследование отказов АД показывает, что в некоторых случаях жёсткость отдельных элементов машин является недостаточной. В частности, повышенный прогиб валов может служить причиной неравномерности воздушного зазора, излишнего нагрева, заедания и ускоренного износа подшипников. Повреждения подшипников происходят вследствие ослабления посадок, загрязнения и вытекания смазки, попадания в подшипники жидкостей и твёрдых частиц. Недостаточная жёсткость подшипниковых щитов способствует развитию этих явлений. Подходящая жёсткость всех конструктивных элементов машины должна обеспечиваться на стадии проектирования.

Низкое качество материалов и комплектующих изделий.

Причиной межвитковых замыканий в обмотках статора АД нередко является низкое качество изоляции обмоточных проводов. Сущест-