На сельскохозяйственных предприятиях для электропривода технологических механизмов широко используются асинхронные электродвигатели (АД). Простота управления ими способствует расширению сферы их применения для привода различных механизмов во всех случаях, когда нет технологических ограничений. Благодаря этому асинхронные электроприводы составляют около 95% общего количества электроприводов. Асинхронные двигатели занимают главенствующее положение и в современном сельском хозяйстве, благодаря простоте и технологичности конструкции, высоким энергетическим показателям и эксплуатационной надежности. Наибольшее распространение получили асинхронные электродвигатели общего назначения мощностью от 0,75 до 7,5 кВт, составляющие более половины всего парка сельскохозяйственных комплексов. Поэтому вопросы повышения надежности и долговечности АД, как наиболее ответственного звена в комплексе технологического оборудования, являются наиболее важными [1].
Долговременная и надежная работа электрооборудования па производстве, в большинстве случаев определяет эффективность всех производственных циклов. Одну из важнейших ролей при этом играют электрические двигатели. Это вызвано тем, что выход электродвигателей из строя приводит к нарушению взаимосвязанных технологических циклов, полной или частичной остановке производственного оборудования и механизмов. В итоге наносимый предприятию ущерб связан не только с ремонтом и заменой вышедших из строя электродвигателей, но и с браком и недовыпуском продукции.
В результате спада промышленного производства снизилась обеспеченность промышленных предприятий электрическим оборудованием, особенно электрическими машинами. Физическое сокращение основных фондов промышленных предприятий, которые устарели морально или находятся на грани полного износа, превысило нх прирост в несколько раз. Техническое обслуживание электрооборудования часто проводится несвоевременно, а его ремонт осуществляется не всегда удовлетворительно.
Задача повышения эффективности производства не может быть успешно решена без повышения надежности работы электрооборудования и, в частности, асинхронных электродвигателей, как наиболее распространенных электрических устройств.
Электрические двигатели являются примером сложной системы, на безотказность работы которой влияет множество факторов. Ремонт электродвигателей и их частей является трудоемким процессом, требующим значительного объема ручного труда. Поэтому выявление причины выхода из строя и оптимизация технологии их восстановления (ремонта) является весьма актуальной задачей.
Состояние электрических машин характеризуется определенной совокупностью значений параметров. Если хотя бы один из параметров выходит за допустимые пределы, обеспечивающие ее нормальное функционирование, происходит отказ. Причинами отказов являются дефекты. Физическая природа и характер процессов, вызывающих или сопровождающих появление дефектов, весьма разнообразны [2].
Снижению надёжности и долговечности электродвигателей способствуют тяжёлые режимы работы и неблагоприятные условия эксплуатации. Высокая влажность, большие перепады и непостоянство температуры, наличие агрессивных газов являются негативными чертами микроклимата производственных помещений. Недогрузка электродвигателей по мощности, сезонность их использования, а также зачастую низкое качество электроэнергии осложняют эксплуатацию АД в сельском хозяйстве.
Принципиально все факторы, неблагоприятно влияющие на состояние электродвигателей, можно разделить на две группы: внешние, обусловленные воздействием окружающей среды и условий работы АД, и внутренние, определяемые воздействием человека в процессе изготовления и эксплуатации.
ФАКТОРЫ внешние механические удары вибрация климатические температура влага атмосферное давление примеси в воздухе переходные процессы внутренние износ ¦ старение.
Рисунок В.1 — Факторы, влияющие на состояние АД в процессе эксплуатации.
Внутренние факторы определяют старение и износ оборудования. Под старением подразумевают естественный процесс постепенного изменения физических и химических свойств материалов. Износ обусловлен, в основном, трением, а также действием электрического тока и напряжения.
Внешние факторы можно разделить на три группы: климатические, механические, электрические. К климатическим факторам относятся: температура, влажность, примеси в воздухе. Действие температуры выражается в изменении размеров узлов электродвигателя. Особенно опасны в этом отношении резкие периодические изменения температуры. При термическом воздействии в полимерной изоляции происходят физические и химические изменения. При этом возникают термомеханические напряжения, которые приводят к частичному или полному разрушению материала, имеющему меньшую прочность, например, полимерных составляющих изоляции обмоток. Это имеет место при кратковременном и повторно-кратковременном режимах, которые отличаются динамическими воздействиями и перегревом обмотки.
Воздействие механических (вибрации) и термомеханических нагрузок обусловливает механическое старение узлов электродвигателей. Термомеханпческие нагрузки возникают в результате периодического нагревания и охлаждения конструктивных элементов АД. Наличию механических нагрузок способствуют электродинамические силы, возникающие в машине, неуравновешенность вращающихся частей, магнитные тяжения, центробежные усилия, удары и толчки со стороны привода или приводного механизма. Этим усилиям присущ знакопеременный циклический характер. Во вращающихся электрических машинах вибрация особенно пагубно воздействует на подшипники, что приводит к деформации трущихся частей и, в конечном итоге, к их заклиниванию. Ослабление винтовых, заклёпочных соединений, разрушение сварочных швов, мест паек, отвинчивание винтов и гаек, деформации и поломка деталей могут иметь место при механических воздействиях. Существенное влияние на процесс разрушения изоляции электрических машин оказывают переходные процессы, которые вызывают увеличение амплитуд вибраций в десятки раз, поскольку имеет место квадратичная зависимость электродинамических сил от тока.
Среди элекгрических факторов, воздействующих иа электродвигатель при эксплуатации в сельском хозяйстве, следует выделить низкое качество электрической энергии. Также необходимо учитывать воздействия коммутаций, обусловливающих наличие значительных электрических нагрузок на изоляцию. Кратность коммутационных перенапряжений, возникающих при включениях, отключениях и реверсировании низковольтных ЭД, по отношению к номинальному напряжению достигает 6−10. Такие кратковременные импульсные перенапряжения представляют серьёзную опасность, особенно для увлажнённой и загрязнённой изоляции, так как могут вызвать её электрический пробой. [3].
Эти факторы отрицательно воздействуют на все элементы электрической машины, но в первую очередь — на изоляцию обмотки статора, являющуюся наиболее слабым узлом конструкции АД. По статистике (собранной и проанализированной многими авторами[4, 5, 6]) именно обмотки статора являются причиной выхода из строя двигателей в 75—85% случаев. На повреждения подшипникового узла приходится 5−8%, повреждения в роторе — 5−8% от общего числа отказов элементов конструкции АД. Реже встречаются дефекты корпуса и магнитопровода машины.
В общем случае повышение надёжности электродвигателей возможно за счёт увеличения среднего времени наработки между отказами, а также сокращения времени между профилактическими осмотрами. В основе существующих способов обеспечения надёжности работы электродвигателей во время его эксплуатации лежит система планово-предупредительных ремонтов (НИР), которая предусматривает^]: периодическое выполнение технических уходов и ремонтов электрооборудования после определённого числа часов работы;
— установление последовательности профилактического и ремонтного воздействия и интервалов времени между ними;
— выполнение профилактических и ремонтных работ, обеспечивающих нормальное работоспособное состояние электрооборудования.
Основным недостатком существующей системы ППР является отсутствие дифференцированного подхода при проведении технического обслуживания и ремонтов в зависимости от состояния узлов электродвигателей и условий их эксплуатации. Следствием этого является отсутствие оптимального разграничения объёмов выполняемых работ в зависимости от состояния АД, а также неопределённость в вопросе применения технологий восстановления изоляции для различного элекгрооборудования в зависимости от условий его эксплуатации. Даже учитывая многогранность системы ПНР, она не всегда способна учесть все индивидуальные особенности эксплуатации п состояние АД. В связи с этим, частота ремонтных обследований может быть как завышена, так и занижена, что в результате приводит к увеличению общих затрат на эксплуатацию парка АД.
Анализируя вышеперечисленное, можно говорить о необходимости сделать систему ППР более гибкой. Для достижения этой цели разумно сочетать различные методы диагностики с системой ППР.
Раннее выявление неисправностей в электрических машинах в условиях их работы является одним из путей уменьшения аварийных простоев и нарушений сложных технологических и производственных процессов в разнообразных электроэнергетических и электротехнических комплексах, в которых эти машины выполняют особо ответственную роль.
Существующие способы и средства диагностического контроля и предупреждения, в том числе устройства релейной защиты, для данной цели оказываются малоэффективными. Они, в основном, реагируют на изменения главных режимных параметров и энергетических показателей машины, которые являются сравнительно малочувствительными к неисправностям, особенно на начальных стадиях их возникновения. Для определения повреждений на стадии их возникновения требуются дополнительные целенаправленные усилия по их диагностированию на основе специальной диагностирующей информации и с помощью наиболее чувствительных и информативных параметров или признаков.
В данной работе представлен принципиально новый метод выявление неисправностей в АД на ранней стадии их возникновения, основанный на анализе внешнего магнитного поля (ВМП) данного двигателя.
Оценка технического состояния энергетического оборудования, в частности электрических машин, представляет собой важную задачу, решение которой позволяет обнаружить на ранней стадии зарождающиеся дефекты и, тем самым, предотвратить аварийные ситуации, способные привести к серьезным негативным последствиям. В отличие от системы планово-предупредительных работ, включающей в себя периодический контроль и профилактику, более целесообразным является обслуживание оборудования по его фактическому состоянию.
Для этого необходима полная диагностика объекта, причем желательно обнаруживать все дефекты, влияющие на ресурс, задолго до отказа, чтобы подготовиться к ремонту.
Для организации такого обслуживания требуются методы и средства диагностирования, позволяющие оценить состояние объекта контроля на текущий момент и спрогнозировать его состояние на ближайшее будущее.
Создание системы эксплуатации АД, широко используемых на предприятиях промышленности и агропромышленного комплекса, представляет собой многогранную задачу, которая может быть решена только при реализации комплексного подхода, включающего в себя, наряду с другими эксплуатационными мероприятиями, применение средств диагностики и контроля АД, внедрение современных защитных устройств и математическое прогнозирование технического состояния на основе адекватной модели, учитывающей изменение основных характеристик оборудования под воздействием эксплуатационных факторов.
Основным элементом комплексных систем является собственно метод диагностики, вокруг которого выстраиваются методики оценки состояния электромашины. Важной задачей является поиск новых параметров оценки с целью выявления наиболее информативных, либо таких параметров, на основе которых возможно создание несложного и недорогого метода диагностики, что зависит от потребностей конкретных предприятий.
В данной работе диагностическим параметром выступает внешнее магнитное поле (ВМП) машины.
Целью настоящей диссертационной работы является: разработка метода диагностики электродвигателей, используемых в агропромышленном производстве, на основе зависимости гармонического состава внешнего магнитного поля от степени развития дефектов.
Объект исследования. Процессы изменения формы внешнего магнитного поля электродвигателя при развитии в нем различных дефектов.
Предмет исследования. Закономерности возникновения гармоник в спектре внешнего магнитного поля двигателя при развитии дефектов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
— теоретически исследовать принципы диагностирования ЭД на основе анализа параметров его внешнего магннтного поляопределить зависимость формы ВМП ЭД от развития различных дефектов в двигателе;
— создать лабораторный стенд провести экспериментальные исследования для обоснования полученных результатов;
— разработать метод диагностики дефектов ЭД на основе анализа его ВМП;
— разработать экспертную систему автоматизированной интерпретации результатов диагностики ЭД.
Научная новизна обусловлена следующим:
— теоретически определены зависимости возникновения гармоник в спектре ВМП ЭД в процессе эксплуатации и обоснована связь между развитием дефектов обмотки статора, подшипникового узла и характером спектра ВМП;
— экспериментально доказаны закономерности проявления гармоник ВМП при развитии дефектов в двигателе;
— предложен оригинальный способ расчета весовых коэффициентов гармоник спектра ВМП ЭД при определении гипотезы изменения характера поля и развития дефектов в электродвигателе;
— разработан метод диагностики ЭД на основе связи процессов развития дефектов в ЭД и ВМП;
— разработан алгоритм экспертной системы, позволяющий интерпретировать результаты диагностики электродвигателя при выявлении в нем дефектов;
— разработан алгоритм адаптации экспертной системы, позволяющий оптимизировать диагностический комплекс под конкретный производственный процесс с учетом основных воздействующих факторов.
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА В ОБЛАСТИ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ В УСЛОВИЯХ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА.
1.1. Особенности эксплуатации электродвигателей на сельскохозяйственных предприятиях.
Целью любого производства, является поддержание непрерывного процесса. Основной причиной приостановки процесса является выход из строя производственного оборудования (привязываясь к данной работе, речь будем вести об асинхронных двигателях).
На современном этапе развития сельскохозяйственного производства привод с асинхронными двигателями остается наиболее массовым типом привода и основным потребителем электроэнергии, направляемой для преобразования в механическую работу.
Выпуск асинхронных двигателей мощностью 0,75 — 300 кВт в странах СНГ составляет более 10 млн. шт. в год. Подобная массовость определяется не только ростом потребностей в асинхронных двигателях для оснащения новых машин после аварийную замену. В отраслях и установках с особо тяжелыми условиями работы электромеханического оборудования коэффициенты замены аварийных электродвигателей доходят до 0,5 — 2.
Из всех существующих типов электрических двигателей наибольшее распространение в сельском хозяйстве получили трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором различных серий, так как они наиболее просты и относительно надежны в эксплуатации, выпускаются в массовом количестве. К ним относятся электродвигатели промышленных серий (А, АО, А2, А02, 4А, 5А, 6А, РА), модификации электродвигателей серии 4А (4АМ, АИР), а так же специальные электродвигатели для сельскохозяйственного производства серий А02. СХ, Д, 4А.С. Количество электродвигателей новых серий 4А — 6А естественно постоянно растет вместе с обновлением технологического оборудования. Номинальная мощность электродвигателей колеблется от 0,4 до 50 кВт и более. Процентное распределение вышеперечисленных серий электродвигателей и их модификаций среди общего количества двигателей на различных сельскохозяйственных предприятиях сложилось по-разному. Это зависит от многих факторов, главным образом, от того, в какое время наиболее интенсивно развивалась электрификация процессов производства в данном хозяйстве и какие электродвигатели в это время поступали в сельское хозяйство.
В настоящее время сельскохозяйственное производство страны примерно находится на уровне конца 80-ых — начала 90-ых годов, и даже наблюдается относительное снижение производственного уровня сельскохозяйственных производителей, т. е. на уровне того периода примерно сохранилось обеспеченность хозяйств электрооборудованием. Это объясняется кризисными явлениями в нашей экономике и особенно в аграрно-промышленном комплексе: структурная перестройка отрасли, переходный период становления рыночной экономики, децентрализация снабжения хозяйств, новые формы и механизмы хозяйствования, недостаточность дотационности, моральное и физическое старение технологического оборудования, выход из строя устаревшего оборудования и невозможность замены на новое из-за недостаточного финансирования. Обновление парка электрических машин идет крайне медленно, новые серии электродвигателей (5А, 6А, РА) в эксплуатацию практически не поступают. В основном используются электродвигатели серии 4А, как новые, так и капитально отремонтированные 2−3 раза.
В целом по сельскому хозяйству страны в конце 80-ых годов было установлено свыше 15 млн. электродвигателей. Распределение электродвигателей следующее: около 2,0 — 2,5 млн. — серии, А и АО- 5,0 — 5,5 млн. — серии А2 и А02- 5,5 — 6,0 млн. — серии 4А и 4AM- 1,0 — 1,5 млн. — серий А02. СХ, 4А. С, Да. С, Д, АИР и других специальных серий электродвигателей.
По данным обследований сельскохозяйственных предприятий Алтайского края в период 1994 — 2007 годов использовалось 40% электродвигателей первой и второй серий, около 50% серии 4А около 10% - электродвигателей других серий.
Условия работы электродвигателей на предприятиях сельского хозяйства характеризуются как тяжелые в результате воздействия ряда факторов, например, повышенной влажности, наличия в воздухе животноводческих помещений агрессивных газов, повышенной частоты возникновения технологических перегрузок, неполнофазных режимов, широкого диапазона колебаний питающего напряжения, резких перепадов температур, недостаточного уровня оснащения двигателей защитными устройствами и технического обслуживания.
Исследования условий эксплуатации двигателей в сельском хозяйстве[8, 9, 10, 11, 12] выявили ряд факторов, оказывающих влияние на их надежность. Основные из них будут перечислены ниже.
Специфичность окружающей среды обусловлена: загазованностью стойловых животноводческих помещений аммиаком, углекислым газом, сероводородом (агрессивность среды в основном определяется содержанием аммиака и углекислого газапоследний в соединении с парами воды образует слабую неустойчивую углекислоту, которая усиливает коррозию металлов, содержание сероводорода обычно мало);
— резкими перепадами температуры в течение суток и низкими температурами зимой, повышенной влажностью при работе двигателей на открытом воздухе (навозоуборочные транспортеры, установки водоснабжения и др.);
— повышенной влажностью воздуха при работе двигателей в кормокухнях, помещениях первичной обработки молока и др. (вода и дезинфицирующие растворы: щелочи, хлорная известь, кальцинированная сода и др.);
— запыленностью в установках для обработки зерна и кормовых трав.
В таблице 1.1 представлены статистические данные по параметрам среды, измеренным в местах установки двигателей в различных климатических зонах страны (в средней полосе, на Урале, Алтайском и Приморском краях). Обследования проводились в течение года.
Таблица 1.1 — Параметры среды в местах размещения двигателей.
Категория размещен ия по ПУЭ Места размещения двигателей Пределы измерений параметров.
Температура °С Влажность при 20 °C, %.
1 2 3 4.
Сухие Гаражи, отапливаемые склады, инкубаторы, ремонтные мастерские 10−25 До 60.
Продолжение таблицы 1.1 — Параметры среды в местах размещения двигателей.
1 2 3 4.
Влажные Помещения, примыкающие к коровникам, цеха по переработке плодов и овощей, цеха первичной обработки молока (доильные залы) 10−25 60−100.
Сырье Насосные, молочные отделения 5−25 До 100.
Особо сырые Моечные помещения, колодцы, кормоцеха -40 — +40 100.
Сырые и особо сырые с химическ и активной средой Свинарники, коровники, телятники, буйволятники, конюшни, овчарни, птичники 5−20 100.
Пыльные Мельницы размольные, выборные, зерноочистительные отделения, комбикормовые заводы, льноперебатывающие пункты, хлопкоочистительные заводы, элеваторы 5−25 До 60.
Резкие перепады температур, высокая влажность, агрессивная среда отрицательно сказываются на коррозионной стойкости двигателей и особенно на электрической прочности изоляции. Высокая запыленность окружающей среды ухудшает охлаждение двигателя, так как забиваются вентиляционные отверстия в кожухе и межреберные каналы корпуса. Особенно неблагоприятно сочетание запыленности с высокой влажностью.
Продолжительность работы двигателей в течение года определяет степень их использования в условиях сельскохозяйственного производства. Исследования, проведенные в Саратовской и Владимирской областях, показали, что по годовой наработке двигатели целесообразно разделить на три группы — 500, 1500, 3000 ч соответственно. Годовая наработка должна определять периодичность и объем технического обслуживания.
Таблица 1.2 — Годовая наработка двигателей.
Тип оборудования Средняя годовая наработка, ч Режим работы,.
Подъемники, погрузчики, разгрузчики, навозоуборочные транспортеры, ковшовые транспортеры, шнековые насосы, соломосилосорезки, картофелечистки, пневмомолоты, точильные станки, кормораздаточные транспортеры 500 S2.
Оборудование первичной обработки молока, мешалки, смесители, сепараторы, агрегаты витаминной муки, шнеки, триерные блоки, нории, вакуум-насосы, тестомялки, токарные, сверлильные, фуговальные станки, измельчители кормов, пресс-грануляторы, оборудование клеточных батарей 1500 S1, S3.
Компрессоры, вентиляторы, дымососы, пилорамы, дробилки, насосы кроме шнековых, транспортеры кроме работающих в режиме S2, сушильные барабаны, зерноочистительные сушильные комплексы, яйцесортировочные и янцемоечные машины 3000 S1.
Характер загрузки по мощности определяется режимом работы двигателя, который зависит от механизма, с которым он сочленен. Двигатели вентиляторов, калориферов, сушилок, транспортных средств, обработки зерна работают с постоянной нагрузкой. Двигатели мелышц, дробилок, измельчителей имеют резкопеременный характер нагрузки с систематическими и случайными перегрузками.
Для большинства сельскохозяйственных машин перегрузки обусловлены несоответствием параметров пускозащитной аппаратуры параметрам двигателя, недопустимыми колебаниями напряжения сети и низким уровнем технического обслуживания. Перегрузки возможны и за счет конструктивных недоработок установок, например, из-за отсутствия дозирующих устройств.
Возможность перегрузок приводит к тому, что установки комплектуются двигателями большей номинальной мощности. Например, на навозоуборочных транспортерах, работающих в неблагоприятных условиях пуска, особенно в зимний период при замерзании навоза, зачастую используются двигатели большей номинальной мощности, хотя с экономической точки зрения целесообразнее использовать двигатели с защитой от перегрузок при пуске или двигатели с повышенным пусковым моментом.
В некоторых случаях допускается даже перегрузка двигателей по мощности. Это объясняется тем, что основным фактором, определяющим его мощность, является рабочая температура изоляции. Она зависит от режима работы двигателя и температуры окружающей среды. Поэтому двигатели, работающие в кратковременном режиме или при пониженных температурах, имеют некоторый запас по времени нагрева изоляции и могут работать с перегрузкой по мощности на 20−30%. Это относится к двигателям, работающим в зимнее время на открытом воздухе (пилорамы, соломосилосорезки, сортировки и т. д.), сочлененным с механизмами кратковременного режима работы. В таблице 1.3 представлены типовые условия эксплуатации двигателей в наиболее распространенном сельскохозяйственном оборудовании.
Широкий диапазон колебаний питающего напряжения в сети оказывает неблагоприятное воздействие при эксплуатации двигателей. Сельские сети в настоящее время проектируются с отклонениями напряжения у потребителей в пределах +7,5 -ь -10%. Однако, как показали измерения, среднее суточное значение питающего напряжения в сельском хозяйстве составляет 340 В, но в течение суток может изменяться от 320 до 400 В. Расчеты показывают, что при соотношении между сопротивлениями сети и двигателя, равном 0,2, кратность максимального момента асинхронного двигателя снижается примерно на 35%, что чрезвычайно неблагоприятно для механизмов с тяжелыми условиями пуска или требующих высоких максимальных моментов (молочные сепараторы, лесопильные рамы, приводы сенных прессов и т. д.) детально данные факторы будут рассмотрены ниже.
Таблица 1.3— Условия эксплуатации двигателей.
Оборудование, в котором установлен двигатель Условия работы Режим работы Годовая наработка, ч.
Приточно-вытяжные установки, оборудование для создания микроклимата В чердачных помещениях с нормальными климатическими условиями. Непосредственно в стойловых помещениях с химически агрессивной средой. В комбикормовых цехах, на мельницах и зернообработке при повышенной запыленности. S1 1000−1500.
Транспортеры-раздатчики кормов, раздатчики-смесители, питатели кормов В стойловых помещениях с химически агрессивной средой S2 До 500.
Зерноочистительные сушильные комплексы (привод вентиляторов, транспортеров и вибрирующих элементов) При повышенной температуре окружающей среды и повышенной запыленности. S1 (перегрузки редки) До 3000.
С целью повышения эксплуатационной надежностн двигателей в подобных случаях возможно использование модификаций двигателей с повышенным пусковым моментом или повышенным скольжением и особенно важно правильно выбрать защиту в зависимости от возможных появлений аварийных ситуаций.
Низкий уровень технического обслуживания так же является неблагоприятным фактором. Он обусловлен недостаточной квалификацией обслуживающего персонала, территориальной разбросанностью объектов обслуживания, недостаточным оснащением запасными частями, неравномерностью загрузки электриков в связи с сезонностью работ, неблагоприятными климатическими условиями, ограничивающими своевременность обслуживания[13, 14].
Кроме того, неблагоприятно сказывается недостаток нормативных материалов по выбору, эксплуатации и ремонту двигателей в сельском хозяйстве. Так, нигде не отражено, что проведение капитального ремонта двигателей 4А до высоты оси вращения 132 мм экономически нецелесообразно, а средний ремонт не возможен на всех высотах. Еще один пример: для двигателей с высотами оси вращения 50 132 мм используются подшипники с постоянно заложенной на весь срок службы смазкой JI3−31. Подшипниковые узлы двигателей серии 4А больших высот оси вращения могут иметь устройства для пополнения и частичной замены смазки без разборки двигателей, что не отражено в существующей эксплуатационной документации.
Причиной низкой надежности двигателя может быть и неудачная конструкция приводимого механизма. Были выявлены случаи, когда расположение двигателя в механизме заведомо предполагало неблагоприятные условия его работы, и тем самым заранее планировалась его низкая эксплуатационная надежность[15]. Так, в измельчителе кормов ИКМ-5 фланцевый щит двигателя является сборником воды, выделяющейся из продуктов обработки, которая беспрепятственно проникает в подшипниковый узел и на обмотку. Поэтому срок службы двигателя в данном механизме не превышает шесть месяцев.
Было выявлено так же, что ряд предприятий сельскохозяйственного машиностроения для животноводства и кормопроизводства производит окраску двигателей совместно с механизмами, применяя при этом несовместимые по растворителям эмали, а так же эмали горячей сушки, что снижает коррозийную стойкость двигателей.
Представленный анализ отражает влияние различных факторов на надежность. Чтобы выявить другие возможные резервы повышения эффективности использования двигателей, представляется целесообразным исследовать структуру их применения. Знание структуры применения необходимо проектировщикам двигателей, чтобы при разработке новых серий или модернизации существующих точнее учитывать конкретные требования, предъявляемые к двигателям. Кроме того, структура применения является важнейшим элементом для правильного определения потребностей в электродвигателях, планирования их выпуска и распределения.
Для полного описания применения двигателей необходимо характеризовать его следующими основными признаками:
— типоразмер;
— режим работы, годовая наработка, число пусков в час;
— функциональное назначение (наименование механизма и функция двигателя);
— обрабатываемый предмет;
— отрасль применения;
— главный разрушающий фактор;
— коэффициент загрузки по мощности;
— годовая потребность в двигателях.
Проблема повышения эффективности использования и эксплуатационной надежности электродвигателей может быть решена наиболее полно, если применить к ней комплексный подход, т. е. связать структуру применения и условия разработки и эксплуатации двигателей со структурой выпуска двигателей. При этом необходимо при планировании выпуска двигателей учитывать потребности в определенных типоразмерах и исполнениях [16, 17].
Результаты анализа статистики отказов и повреждаемости асинхронных двигателей:
В среднем выходят из строя до 20 — 35% установленных асинхронных двигателей.
Отказы электродвигателей: эксплуатационные 50%- технологические 35%- конструкционные 15%.
Отказы элементов конструкции асинхронных двигателей: повреждение обмоток 85 — 95%- повреждение подшипникового узла 5 — 8%- прочие отказы 1 -4%.
Отказы по характеру повреждения обмоток асинхронных двигателей средней мощности: межвитковые замыкания 93%- пробой межфазной изоляции 5%- повреждение и пробой корпусной изоляции 2%.
Причины эксплуатационных отказов изоляции обмоток статора асинхронных двигателей: аварийные режимы 70%- старение изоляции 30%.
Аварийные режимы: обрывы фазы 40 — 50%- заклинивание рабочей машины 20 — 25%- длительные перегрузки 10 — 15%- пробои изоляции при ее увлажнении 15 -20%.
Средний строк службы электродвигателей в аграрно-промышленном комплексе не превышает 3 лет и составляет по разным оценкам 1,3 — 2,7 года. Учитывая особенность работы сельскохозяйственных электроприводов: сезонность эксплуатации и их использование не более 2000 часов в год, срок службы электродвигателей в сельском хозяйстве составляет не более третьей части от расчетного ресурса современных электрических машин (20 000 часов).
Средний срок службы электродвигателей на различных технологических процессах составляет: для кормоприготовления 2,6 — 2,7 леткормораздачи 1,3 -1,7 летдоения 2,1 — 2,2 летводоснабжения 2,3 — 2,5 летуборки помещений 1,8 годавентиляции 1,9 — 2,7 годазерноочистки 3,1 года.
По современным данным в подавляющем большинстве случаев отказы асинхронных двигателей мощностью свыше 5 кВт происходят из-за повреждения обмоток статора, и распределяется следующим образом: межвитковые замыкания — 93%- пробой межфазной изоляции — 5%- пробой пазовой изоляции — 2%. На подшипниковый узел приходится 5 — 8% отказов и небольшой процент связан с такими причинами, как распайка выводных концов, скручивания валов, разрыв стержней ротора и другие.
Анализ данных о повреждениях обмоток статоров показывает, что до 70% отказов электродвигателей происходит в результате создания аварийных режимов при эксплуатации, т. е. случайных концентраций нагрузки, предвидеть которые практически невозможно, а оставшиеся 30% составляют пзносовые отказы, обусловленные старением изоляции и износом узлов.
Характер основных отказов из-за аварийных режимов электродвигателей следующий: обрыв фазы — 40−50%- заклиниванне рабочей машины — 20−25%- длительные перегрузки — 10−15%- пробои изоляции при ее увлажнении — 15−20%.
Известно так же, что в 80% отказов нарушения происходят в изоляции обмотки статорав 7% отказов — в железе статора и ротора- 8% отказов вызвано прогибом вала ротора- 5% - износ и повреждение подшипников.
Из приведенных выше данных следует вывод, что одним из основных видов отказа электродвигателя является выход из строя обмотки статора, причем, значительную долю составляют изиосовые отказы из-за старения изоляции под воздействием влаги, агрессивных сред, тепловых и механических нагрузок [18].
Основные выводы и результаты исследований.
1. Установлено, что внешнее магнитное поле электрических машин в значительной мере определяется различного рода несимметриями обмоток статора и магнитной системы. Несимметрии, обусловленные возникшими дефектами, изменяют характер внешнего магнитного поля, вызывая спектр пространственных гармоник индукции, что дает возможность использовать индукцию ВМП для диагностирования ЭД.
2. Теоретически доказана зависимость между наличием в двигателе дефектов и проявлением определенных гармоник в спектре ВМП ЭД, а именно:
1) наличие статического эксцентриситета ротора приводит к появлению во внешнем магнитном поле электрических машин пространственных гармоник, порядок которых ниже порядка основной пространственной гармоники и которые в значительной мере определяют уровень внешнего магнитного поля электрической машины;
2) наличие во ВМП ЭД гармоник к-1 и к+1, где к — основная гармоника, может служить диагностическим признаком выработки подшипников;
3) наличие во ВМП ЭД гармоник Зк может служить диагностическим признаком межвитковых и межфазных замыканий обмотки статора.
3. Создан лабораторный стенд, реализующий физическую модель процессов дефектообразования в ЭД. Проведены экспериментальные исследования, подтвердившие полученные зависимости формы ВМП ЭД от развития различных дефектов в двигателе. Экспериментально доказано, что наличие во ВМП АД гармоник, кратных Зк, где к — основная гармоника, является диагностическим признаком межвитковых и межфазных замыканий обмотки статорапроявление гармоник кратных 2к является признаком эксцентриситета ротора двигателя. Обосновано, что ВМП АД наиболее сильно проявляется в плоскости, перпендикулярной оси вала ротора.
4. На основе полученных результатов разработаны основные принципы регистрации ВМП двигателей, интерпретации полученных результатов и суждения о наличии в двигателе дефектов. Данные принципы явились основой нового метода диагностики асинхронных электродвигателей в сельском хозяйстве на основе анализа параметров их внешнего магнитного поля. Достоверность результатов диагностики данного метода составляет 92%.
5. На базе информационно-логического анализа разработан алгоритм экспертной системы, позволяющей интерпретировать результаты диагностики, а также алгоритм адаптации диагностического метода под различные производственные процессы в сельском хозяйстве. Данные алгоритмы были реализованы в виде программного продукта, который сделал возможным использовать результаты исследования на практике.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В работе изучено, что эффективное планирование ремонтов электрооборудования во многом определяет надежность технологического процесса предприятия и позволяет заблаговременно определить необходимые объемы финансовых вложений для успешного проведения ремонтной компании. При анализе ситуации, сложившейся в агропромышленном комплексе России, было выявлено, что показатели надежности установленного в данном секторе производства электрооборудования являются неудовлетворительными. Планирование отсутствует, а ремонты происходят на 85% по факту выхода из строя электродвигателя, что влечет за собой значительные убытки от простоя оборудования. Наряду с вышесказанным стоит отметить значительный рост разработок новых методов диагностики. Основными причинами слабого практического применения новейших методов является отсутствие на предприятиях специалистов, способных правильно интерпретировать результаты диагностики, сложность и высокая стоимость диагностической аппаратуры. Наиболее рациональным путем решения обозначенной проблемы является разработка метода, позволяющего наиболее точно и всесторонне оценить фактическое состояние электродвигателя, при наименьших затратах, а также создание экспертных систем интерпретации результатов диагностики.
