Надежность электрических машин

Общие положения

Производство электрических машин в настоящее время приняло крупные масштабы. Трудно назвать другие промышленные изделия, которые имели бы такое массовое применение во всех отраслях народного хозяйства, как электрические машины. Электромашиностроение является энергетической базой электрификации страны. Поэтому технический прогресс в любой отрасли народного хозяйства в значительной степени зависит от качества применяемых электрических машин и надежности их работы в эксплуатации.

Низкая надежность выражается прежде всего в высокой стоимости эксплуатации оборудования из-за частых простоев, ремонта, монтажных и наладочных операций и т. п. Уровень производительности труда на ремонтных участках весьма низок, поэтому стоимость ремонта машины, как правило, близка к стоимости новой машины.

Выход из строя электрических машин сопровождается простоями технологического оборудования. Во многих случаях аварийный простой электрических машин в течение лишь 5… Ю ч наносит убыток, превышающий себестоимость их производства.

Важной особенностью электрической машины как системы элементов является тесное взаимодействие последних, что существенно отражается на их свойствах. Так, элементом расчета надежности всыпной обмотки является пара соседних активных проводников. Свойства такой пары в пазу и вне паза совершенно различны. Поэтому данные испытаний отдельно взятой пары проводников (например, скрутки) нельзя применить для расчетного определения надежности обмотки в целом. По этой причине поэлементные испытания, широко применяемые при определении надежности устройств радиоэлектроники и автоматики, для электрических машин являются сравнительно малоценными. Достоверное представление о надежности машины может дать или испытание ее в целом, или испытание ее основных узлов и макетов.

С другой стороны, испытания электрических машин на надежность связаны с большими трудностями и значительными затратами. Это определяется их относительно высокой стоимостью и большим ресурсом, от которого зависит продолжительность испытаний. Практически можно говорить об испытаниях на надежность лишь машин малой мощности, так как с увеличением размеров и мощности образцов стоимость испытаний быстро растет. В последнем случае приходится переходить на выборки малого объема, что снижает достоверность результатов испытаний. Испытания же на надежность крупных машин по этим причинам вообще не проводятся.

Невозможность испытаний крупных машин на надежность в какой-то мере компенсируется статистическими данными о надежности этих машин в эксплуатации. Как правило, отказы, аварии, повреждения, неисправности крупных и ответственных машин тщательно регистрируются, исследуются и анализируются. Эта статистика может быть использована для оценки эксплуатационной надежности электрических машин, но получение таких данных требует значительного времени. В процессе же разработки новых конструкций обычно ограничиваются испытаниями отдельных деталей и узлов или соответствующих макетов.

Ни типовые, ни контрольные испытания электрических машин не дают достаточных сведений об их надежности, для определения которой требуются специальные испытания. Однако результаты контрольных испытаний могут быть использованы не только для обнаружений явного брака. Статистически обработанный материал контрольных испытаний позволяет оценить качество и стабильность технологического процесса, помогает находить пути его улучшения. Каждый из параметров контрольных испытаний в известной мере характеризует состояние определенного участка технологического процесса. Ток холостого хода асинхронного двигателя, например, зависит от величины воздушного зазора между статором и ротором. Потери холостого хода связаны с качеством штамповки и сборки листовой стали. Сопротивление первичной цепи характеризует качество намотки, натяжение обмоточного провода, колебания его диаметра. Сопротивление вторичной цепи зависит от качества заливки роторов и т. д. Таким образом, надлежащая обработка и анализ материала контрольных испытаний позволяет управлять качеством процесса серийного производства электрических машин.

Для электрических машин, особенно машин малой мощности, характерно большое разнообразие типов и исполнений. Каждый из них имеет свои слабые звенья и требует особого подхода при разработке модели надежности. В большинстве случаев конструкции электрических машин далеки от соблюдения принципа равнопрочности. В асинхронных двигателях основным источником отказов является обмотка статора; в машинах постоянного тока слабое место — коллекторно-щеточный узел; в машинах малой мощности, особенно высокоскоростных, значительное число отказов приходится на подшипники.

Не менее разнообразны и условия использования электрических машин, режимы их работы и соответственно требования к ним. Так, для машин авиационного применения более существенным требованием является безотказность, т. е. малая вероятность случайных неисправностей, для энергетических машин — значительный ресурс, долговечность. Количественные показатели надежности электрических машин могут быть получены только для определенных условий эксплуатации.

Оценивать количественно следует и физические свойства материалов, применяемых в электрических машинах (особенно изоляции), и их изменения при эксплуатации. Прогнозирование надежности электрических машин основывается, следовательно, на количественном анализе изменения свойств материалов и конструкций под действием внешних и внутренних разрушающих факторов.

При оценке существующего уровня надежности электрических машин необходимо учитывать, что на протяжении нескольких десятков лет электромашиностроение развивалось в направлении повышения использования машин, увеличения нагрузок активных материалов, снижения массы машин на единицу мощности. Параллельно с этим совершенствовались методы проектирования и производства, разрабатывались и внедрялись новые виды активных, конструкционных и изоляционных материалов, улучшалась вентиляция, а также появились другие, более интенсивные методы охлаждения машин. Однако запас прочности, а вместе с ним и устойчивость к перегрузкам в общем постепенно снижались.

Потребовалось определенное время, прежде чем было общепризнано, что повышение использования как активных, так и конструкционных материалов целесообразно лишь до тех пор, пока оно не ведет к снижению надежности. Другим результатом можно считать интерес к исполнениям повышенной надежности — закрытым, бесконтактным, с капсулированной изоляцией и др.

Повышение надежности связано с определенными материальными затратами. Поэтому обоснованное решение этой проблемы должно содержать экономическое исследование вопроса. Для каждого типа и значения электрической машины и конкретных условий ее применения должны быть разработаны и экономически обоснованы оптимальные показатели надежности и долговечности. Такие показатели следует выбирать с учетом физического и морального износа, себестоимости изделия, расходов на обслуживание и ремонт и ряда других факторов, среди которых особое место занимает фактор безопасности, когда она связана с надежностью работы оборудования.

Повышение долговечности неремонтируемых машин обычно экономически нецелесообразно. Исключение составляют лишь случаи, когда увеличение срока службы машины требует применения особо дорогих или дефицитных материалов или трудоемкой технологии, когда оно приводит к чрезмерному увеличению массы и габаритных размеров машины или когда долговечность машины превосходит долговечность той системы, в которой она используется. Следует отметить, что одновременно с увеличением долговечности машины часто представляется возможным улучшить ее характеристики и технико-экономические показатели: КПД, коэффициент мощности, пусковые свойства и др.

В отношении ремонтируемых машин проблема долговечности стоит иначе. По мере старения материалов и износа машины быстро возрастают потери на ремонт и убытки от простоев, так что рано или поздно дальнейшее восстановление машины становится экономически нецелесообразным, особенно с учетом морального износа. Вместе с тем доля амортизационных отчислений, естественно, уменьшается с увеличением срока службы машины. Таким образом возникает понятие оптимальной долговечности, которая определяется минимумом удельных (в единицу времени), например годовых, затрат потребителя за весь срок эксплуатации.

При этом общие затраты потребителя составляют сумму:

где С, =А — цена машины; С₂ — текущие эксплуатационные расходы, пропорциональные времени работы (энергия, обслуживание, плановая профилактика), т. е. Q = Bt; С₃ — расходы на ремонт и убытки от простоев, которые пропорциональны общему числу отказов за время /; например, в случае износа С₃ = ЛФ,(/); А, В, К — коэффициенты, зависящие от конструктивных параметров машины.

Проблема надежности электрических машин может быть решена только общими усилиями исследователей, проектировщиков, конструкторов, технологов, контролеров, эксплуатационников, работников многих других звеньев. Путь решения этой проблемы — создание новых, высоконадежных конструкций электрических машин, разработка научно обоснованных норм и требований к качеству продукции и сырья, повышение общей культуры производства и эксплуатации.