Улучшение условий эксплуатации и повышение надежности работы электрооборудования.

В комплекс организационно-технических ме­роприятий, определенных действующей в от­расли системой ППР, входит: техническое обслуживание; текущие, средние и капитальные ремонты; профилактические испытания; модер­низация.

Важным мероприятием для надежной эксплу­атации крупных машин является первая реви­зия. Даже при самом высшем качестве изготов­ления машины скрытые дефекты обнаружива­ются лишь после работы машины в течение не­которого времени. Например, все применяемые изоляционные материалы усыхают, т. е. размеры изоляции постепенно уменьшаются. Усыхание изоляции происходит, прежде всего, в первый пе­риод эксплуатации вследствие нагрева и меха­нических нагрузок. Поэтому после 1-3 лет ра­боты электрическую машину необходимо под­вергнуть ревизии и заново закрепить ослабленные детали изоляции (например, крепление лобовых частей, катушек и др.).

Машины после капитального ремонта, как правило, имеют номинальные характеристики. По мере возрастания срока службы машины про­должительность цикла постепенно уменьшается, расходы на ремонт возрастают. Следователь­но, срок службы машины или оборудования не­посредственно связан с надежностью. Срок службы электрических машин определяется так­же и режимом эксплуатации, прежде всего ее нагрузкой. В первую очередь это касается об­мотки, которую следует рассматривать как цент­ральную часть электрических машин. По дан­ным практики, срок службы об­мотки при превышении температуры на 8 - 10 °С снижается в два раза.

Надежность электродвигателей. Уровень надежности современных электродвигателей, большая часть которых – асинхронные, неудовлетворителен. По статистике, по России средний срок службы двигателя до первого капитального ремонта составляет 5 лет (на практике - от нескольких месяцев до 20 лет).

Большое количество отказов происходит в первые месяцы эксплуатации из-за скрытых дефектов, допущенных при изготовлении. Преждевременные отказы электродвигателей обуслов­лены неудовлетворительной эксплуатацией (неправильная установка, неправильно выбранная защита, неверный вы­бор двигателя по мощности или условиям ок­ружающей среды). Основным видом поврежде­ний является в большинстве случаев межвитковое замыкание . Главной причиной пробоев изоляции низковольтных двигателей являются дефекты обмоток при намотке и ослабление об­моток. Другая причина выхода из строя АД - сни­жение с течением времени сопротивления изо­ляции , особенно у отключенных АД, установ­ленных в местах с повышенной влажностью, и повреждение подшипниковых узлов, которые возникают из-за перекосов, неправильной центровки, балансировки, приемов установки подшипников на вал, установки и снятия муфт, и из-за плохой смазки .

Влажность и изоляция . Экспериментальные данные подтверждают, что при относительной влажности γ = 50 % сопротивление изоляции за 40 суток снижается в 5 раз, а при γ = 95 % - минимум в 100 раз. Уменьшение сопротивления изоляции может также произойти, если электрическая машина оборудована системой вентиляции с замкнутым цик­лом, а нагрузка снижена. В этом случае воздухоохладитель, через который протекает охлаждаю­щая вода, может охладить воздух до такой сте­пени, что внутри двигателя будет конденсиро­ваться влага. Для предотвращения этого применяется регулирование массового расхода воды, протекающей через воздухоохладитель, и установка датчика относительной влажности. В связи с комплексной механизацией и авто­матизацией производственных процессов и соз­данием установок, работающих без обслужива­ющего персонала, к качеству и надежности элек­трооборудования предъявляются повышенные требования и, в частности, к готовности к не­медленному пуску АД, длительное время нахо­дившихся в отключенном состоянии. Для обе­спечения требуемого ПУЭ надежного пуска та­ких двигателей могут применяться следующие способы защиты изоляции от увлажнения: пол­ная герметизация электрических машин; по­крытие изоляции специальными влагостойкими лаками; осушение изоляции перед включением машины в работу; обогрев электрических машин в не­рабочем состоянии и др. Наиболее надежным и перспективным спосо­бом поддержания сопротивления изоляции в нормальном состоянии является обогрев изо­ляции током , протекающим через обмотки (без нагрузки) или работа машины под нагрузкой. В этом случае влага не осаждается на наружных поверхностях обмоток и других элементах элек­трических машин, так как температура их выше точки росы (температуры, при которой начина­ется конденсация влаги). Температура машины должна быть на 3 °С выше температуры окружа­ющей среды. Отсутствие влаги в микротрещинах изоляции благо­творно влияет на работоспособность машины.

Монтаж и центровка . Для устранения износа и поломки подшипников нельзя ударять по ним, а нужно применять прессы при установке и снятии, точно центровать и балансировать валы, не допускать вибрации, применять качественные смазочные материалы. Для подключения двигателя к сети необходимо использовать исправные проводники, выбранные по расчетным параметрам.

Коммутационная аппаратура . Часто отка­зы в работе аппаратов происходят по следующим причинам: остаточные механические деформа­ции (поломка деталей, отскакивание контактных накладок, посадка пружин); механический из­нос (осей, призм, направляющих поверхностей магнитных систем); неравномерность замыкания и разное натяжение и раствор контактов, электрическая эрозия кон­тактов; сваривание контактов; окисление и появление изо­ляционных пленок на контактах; перекрытие через нагар на стенках камер или пробой изоляции; повышенное трение между подвижными деталями; ложное срабатывание; пробой диодов. Эти отказы являются следствием низкого качества обработки и пригонки деталей аппарата, несоответствия аппарата режиму работы и условиям окружающей среды или неудовлетворительной эксплуатации.

Электрическая и механическая износоустойчивость электромагнитных аппаратов в значительной степени определяет надежность работы автоматических устройств. В новых конструкциях высоковольтной аппаратуры предусматривается применение более прочных и стойких электроизоляционных и конструкционных материалов, повышение класса точности и чистоты поверхности ответственных деталей и узлов, осуществление более широкой унификации, применение методов упрочняющей термической обработки деталей, внедрение вакуумных и элегазовых дугогасительных камер. При использовании вакуумных аппаратов необходимо принимать меры по защите обмоток и сетей от коммутационных перенапряжений. Дугогасительные контакты выключателей проектируются с применением дугостойких металлокерамических материалов или многоступенчатых систем.

Надежность систем автоматизированного привода. Важнейшей тенденцией развития современного автоматизированного электропривода является увеличение числа функций, выполняемых его системами, и переход к более жестким и точным режимам работы, связанный с непрерывной интенсификацией технологических процессов. Это усложняет структуру систем электропривода, состоящих из множества взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, работающих в жестко регламентированных режимах. Для улучшения условий пуска и остановки двигателей под нагрузкой необходимо применять ступенчатый или плавный пуск.

Сложность и многоэлементность систем электропривода не является причиной снижения их надежности, однако при определенном уровне средней надежности элементов общая надежность системы быстро уменьшается с увеличением числа элементов. Это обусловлено тем, что выход из строя любого элемента в большинстве случаев означает выход из строя всей системы или какого- либо ее участка. В связи с этим нужно применять современные электронные и микропроцессорные устройства, обладающие высоким качеством и надежностью.

Надежность систем электропривода зависит от рационального выбора элементов, поэтому следует применять современные системы тиристорного привода, в том числе устройства плавного пуска, преобразователи частоты.

Отказы оборудования . Следует различать три типа отказов: приработочные, износовые и внезапные, которые возникают вследствие внезапной концентрации нагрузок. Чтобы исключить приработочные отказы следует посредством наблюдения устанавливать длительность необходимого периода приработки и в этот период гарантировать устранение неполадок за счет производителя. Предупредить износовые отказы можно путем наблюдения их распределения, определения межремонтных сроков и сроков профилактической замены элементов системы. Внезапные отказы, возникающие вследствие превышения расчетных нагрузок, можно устранить путем установки средств защиты, которые отключат машину (установку) и не допустят выхода ее из строя. В межремонтный период должно быть обращено внимание на устранение и предупреждение условий для внезапных отказов.

Интенсивность отказов является одной из характеристик надежности и статистки определяется числом отказов в единицу времени, отнесенным к числу функционирующих устройств (элементов).

Основные пути повышения надежности и экономичности работы электрооборудования:

Применение современной элементной базы;

Повышение качества электрооборудования заводами-изготовителями;

Выбор оборудования в соответствии с режимом работы и условиями окружающей среды;

Обязательное выполнение требований системы ППР;

Выполнение в полном объеме профилактических испытаний оборудования;

Выполнение всех требований, предъявляемых к новым электрическим машинам и аппаратам, а также машинам, выпускаемым из капитального ремонта.

Применение устройств плавного пуска электродвигателей, комплектных пусковых устройств, тиристорных преобразователей. Несмотря на достаточно высокую их стоимость, это позволяет повысить надежность работы двигателей, так как снижаются динамические перегрузки при пуске и обеспечиваются все необходимые виды защит двигателей, а также и снизить потери энергии на регулирование в связи с отсутствием регулировочных резисторов.

При производстве капитальных ремонтов электрических машин или переводе двигателей постоянного тока на питание от вентильных преобразователей следует иметь ввиду, что в зависимости от индуктивности якоря и схемы питания напряжение на изоляции якоря двигателя за счет наложения переменной составляющей выпрямленного напряжения может достигать 1,5 U ном. и более, что без принятия специальных мер по защите от перенапряжений может привести к выходу из строя. Поэтому замена изоляции класса В обмотках электрических машин, работающих с повышенной вибрацией и влажностью, на изоляцию класса F может привести к существенному увеличению сроков службы двигателей только при надлежащем креплении лобовых частей обмотки и создания жесткости всей обмотки.

Министерство сельского хозяйства и продовольствия

Российской Федерации

Департамент кадровой политики и образования

Костромская Государственная сельскохозяйственная академия

Кафедра «Электропривод и электротехнология»

ПОСОБИЕ

К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ

по дисциплине «Эксплуатация электрооборудования»

Оценка надежности и ремонтопригодности электрооборудования

Кострома, 2000 год.

Пособие к практическим занятиям составлено в соответствии с программой курса «Эксплуатация электрооборудования» для студентов специальности 3114 «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства» очной формы обучения, рассмотрены на заседании методической комиссии факультета электрификации и автоматизации сельского хозяйства Костромской государственной сельскохозяйственной академии и рекомендованы к изданию.

Протокол №___________________________ 2000 г.

Составитель: Шмигель В.В., к.т.н., доцент кафедры «Электропривод и электротехнология», КГСХА

1. Основные показатели надежности электрооборудования

1.1 Показатели безотказности неремонтируемых объектов

1.2 Показатели безотказности ремонтируемых объектов

1.3 Статистическая оценка показателей надежности

1.4 Ремонтопригодность, долговечность и сохраняемость электрооборудования

1.5 Комплексные показатели надежности

1.6 Надежность систем из последовательно и параллельно соединенных элементов

1.7 Решение типовых примеров

2. Определение резервного фонда электрооборудования

2.1 Использование теории массового обслуживания для решения эксплуатационных задач

2.2 Аналитический метод расчета резервного фонда электрооборудования

2.3 Решение типовых примеров

3. Техническая диагностика электрооборудования

3.1 Метод последовательных поэлементных проверок

3.2 Метод последовательных групповых примеров

3.3 Решение типовых примеров

Приложение 1. Функция Лапласа

Приложение 2. Значение гамма-функции Г(Х)

Приложение 3. Pk m (t)

Приложение 4. Продолжительность простоев технологических процессов

Приложение 5. Определение среднего числа простаивающих технологических процессов

Приложение 6. Таблица значений функции е -х

Приложение 7. Интенсивности отказов электротехнических изделий

1. Основные показатели надежности электрооборудования

1.1. Показатели безотказности неремонтируемых объектов

Неремонтируемые объекты работают до первого отказа. Различные показатели надежности таких объектов являются характеристиками случайной величины наработки до первого отказа. Для таких объектов обычно используются следующие показатели: P(t) - вероятность безотказной работы, f(t) - плотность распределения наработки до отказа,l (t) - интенсивность отказов, Т 1 - наработка до отказа.

Вероятность безотказной работы - вероятность того, что в пределах заданного интервала времени или наработки не возникнет отказ объекта. Это убывающая функция, при t ® Ґ P(t) ® 0 , значения ее находятся в диапазоне 0...1 .

= e - t (1.1)

Плотностью распределения наработки до отказа (частотой отказов) называется производная от функции надежности

a(t) = f (t) = dQ (t) / dt = - dP (t) / dt (1.2.)

Интенсивность отказов характеризует условную вероятность того, что объект откажет на интервале (t + t), при условии, что он был работоспособен в начале интервала. Интенсивность отказов определяется по формуле

l (t) = f (t) / P (t) (1.3.)

Наработкой до первого отказа называется математическое ожидание наработки объекта до первого отказа. На основании известного соотношения между математическим ожиданием и дифференциальным законом распределения случайной величины устанавливается связь Т 1 с вероятностью безотказной работы

Различные периоды работы технических устройств .

При рассмотрении работоспособности любого технического устройства или изделия различают три периода его “жизни”:

а) период приработки. В это время проявляются конструктивные и технологические отказы внезапного характера. Постепенные отказы практически отсутствуют. За счет устранения дефектных элементов и мест некачественной сборки и по мере приработки деталей интенсивность отказов уменьшается и в конце периода снижается до некоторого наименьшего значения. Графически это выглядит следующим образом:

в

t 1 t

Рис. 1 Изменение интенсивности внезапных отказов в период приработки (участка 0-t 1) примерно описывается законом Вейбулла.

б) Период нормальной эксплуатации

На этом интервале внезапные конструктивно-технологические отказы продолжают уменьшаться, но одновременно возрастает доля постепенных отказов.

п

0 t 1 t 2 t 3

Рис.2. Изменение интенсивности постепенных отказов в период нормальной эксплуатации (участок t 1 -t 2).

Участок нормальной эксплуатации обычно в десятки раз продолжительнее периода приработки. На этом участке показатели надежности достаточно строго описываются экспоненциальным распределением случайных величин.

в) Период износа

В это время преобладают постепенные отказы из-за износа и старения

электрооборудования. Интенсивность отказов постепенно растет, причем темпы роста трудно прогнозировать. На рис. 2 это характеризуется участком t 2 -t 3 . Для описания показателей надежности в большей мере подходят закономерности нормального распределения случайных величин. Суммарный же график “жизни” устройства будет иметь вид:

Рис. 3 График “жизни” устройства п - постепенные отказы; в - внезапные отказы; и - износовые отказы

Описанная закономерность появления отказов позволяет сделать следующие выводы по организации рациональной эксплуатации электрооборудования - в период приработки электрооборудования необходим более тщательный надзор за каждым элементом и постоянный контроль за режимом работы; в период нормальной эксплуатации нельзя нарушать периодичность обслуживания электрооборудования, т.к. это увеличит интенсивность отказов и преждевременно наступит период износа; в начальный период износа электрооборудование должно быть направлено в капитальный ремонт или снято с эксплуатации. Из трех рассмотренных законов распределения случайной величины наиболее часто используется показательное распределение. Оно применимо для сложных систем, характеризует работу изделия на участке длительной эксплуатации, расчеты ведутся по простым формулам. При оценке надежности используются также нормальный закон распределения на участке ускоренного износа изделий и распределение Вейбулла на участке приработки.

Для описания дискретных случайный величин в теории надежности применяется распределение Пуассона. Согласно закону Пуассона вероятность того, что случайная величина примет вполне определенное значение k, вычисляется по формуле

P k = (a k / k ! ) e -a , (1.5)

где а - параметр распределения.

Тип распределения случайной величины наработки до отказа зависит от особенностей процесса развития отказа. Для электротехнических изделий, находящихся в эксплуатации, наиболее часто применяются следующие законы распределения: экспоненциальный, нормальный, Вейбулла. Ниже в табл. 1.1.приведены формулы для оценки показателей надежности при различных законах распределения наработки до отказа.

Таблица 1.1.

Примечание

В табл. 1.1. l 0 и b - параметры распределения Вейбулла, Г - гамма - функция (см. табл. 2 приложения), m t и s t - параметры нормального распределения, Ф(х) = 2/ - функция Лапласа.

1.2 Показатели безотказности ремонтируемых объектов

Ремонтируемые объекты после возникновения отказа восстанавливают и продолжают эксплуатировать. Процесс их использования можно представить как последовательное чередование интервалов времени работоспособного и неработоспособного состояний. Показатели безотказности ремонтируемых объектов являются: вероятность безотказной работы Р(t), параметр потока отказов (t), и средняя наработка на отказ Т.

Вероятность безотказной работы для нового оборудования рассматривается до первого отказа, а для оборудования, находящегося в эксплуатации, - до отказа после восстановления работоспособности. Расчет показателя ведется по формуле (1.1). Параметр потока отказов представляет собой отношение математического ожидания числа отказов восстанавливаемого объекта за достаточно малую наработку к величине этой наработки

где D t - малый отрезок наработки; r (t) - число отказов, наступивших от начального момента времени до достижения наработкиt .

Разность r (t+ D t) - r(t) представляет собой число отказов на отрезке D t.

Наработка на отказ Т характеризует среднее число часов работы между двумя соседними отказами

где t - суммарная наработка; r (t) - число отказов, наступивших в течение этой наработки; М [ r(t) ] - математическое ожидание этого числа отказов.

1.3 Статистическая оценка по казателей надежности

Рассматриваемые выше показатели надежности для ремонтируемых и неремонтируемых изделий могут быть определены по статистическим данным об отказах электрооборудования.

Точечная статистическая оценка для вероятности безотказной работы .

где N - число объектов, работоспособных в начальный момент времени; n(t) - число объектов, отказавших на отрезке 0…t.

Частота отказов, ч -1 из опытных данных рассчитывается по формуле

a * (t) = , (1.9)

где Dn i - число отказов за промежуток времени D t i ;

N - число элементов первоначально установленных на испытание;

D t i - интервал времени.

Интенсивность отказов определяется по формуле

где Dn i - число отказов за промежуток времени D t i ;

N ср = (N i + N i +1) / 2 - среднее число работоспособных элементов;

N i - число элементов, работоспособных в начале рассматриваемого промежутка времени;

N i +1 - число элементов, работоспособных в конце промежутка времени t i .

Статистическая оценка для средней наработки до отказа производится по выражению

где t i - наработка до первого отказа каждого объекта.

Практически же знать время исправной работы t i всех элементов не представляется возможным, поэтому ограничиваются статистическими данными по отказавшим элементам. Тогда

где Dn i - количество отказавших элементов в интервале времени D t;

t ср i = (t i + t i+1 )/2

t i - время в начале i-го интервала;

t i+1 - время в конце i-го интервала;

m = t N / D t;

t N - время, в течение которого отказали все рассматриваемые элементы.

Параметр потока отказов определяют по формуле

где - -число отказов за конечный отрезок времени (t 2 - t 1 ).

Для стационарных потоков можно применять формулу

* = 1 / Т * , (1.14)

где Т * - оценка средней наработки на отказ.

Статистическую оценку средней наработки на отказ Т * вычисляют по формуле

Т * = t / r(t), (1.15)

где r(t) - число отказов, фактически происшедших за суммарную наработку t .

1.4 Ремонтопригодность, долговечность и сохраняемость электр о оборудования

Показатели ремонтопригодности необходимы для ремонтируемых объектов. Для количественной оценки ремонтопригодности наиболее часто применяются следующие показатели: P(t в ) - вероятность того, что среднее время восстановления не превысит заданной величины (определяется по ранее приведенным формулам для вероятности безотказной работы) и Т в - среднее время восстановления

где - среднее время восстановления i-го объекта;

f () - плотность распределения времени восстановления.

Если в процессе эксплуатации ведется учет отказов времени ремонтов, то среднее время восстановления по статистическим данным можно определить по формуле

где n - количество отказов за время t.

Под долговечностью понимается свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технических обслуживаний и ремонтов. Для количественной оценки долговечности обычно используются такие показатели как средний срок службы и средний ресурс. Следует различать доремонтный, межремонтный, послеремонтный и полный срок службы (ресурс).

Полный срок службы - математическое ожидание срока службы от начала эксплуатации до наступления предельного состояния

При наличии статистических данных указанный показатель определяется по формуле

где t сл i - срок службы i-го объекта;

N - количество объектов.

По аналогичным формулам рассчитывается ресурс, представляющий наработку объекта.

Сохраняемость важна для электрооборудования с длительным сроком хранения (установки для сортировки зерна, стригальные машины и др.). Для оценки сохраняемости можно использовать показатели аналогичные показателям долговечности:

cредний срок сохраняемости (1.20)1.5 Комплексные показатели надежности Помимо единичных показателей надежности, для оценки эксплуатационных характеристик электрооборудования часто используются обобщенные (комплексные) показатели надежности, которые относятся одновременно к нескольким свойствам.Для оценки степени использования электрооборудования при возникновении неплановых режимов применяется коэффициент готовности (k г ) . Он характеризует два свойства - безотказность и ремонтопригодность. Коэффиц и ент готовности - это вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени. Стационарное значение коэффициента готовности определяется по формулеK г = Т/ (Т+Т в ) , (1.21)и характеризует относительное время нахождения электрооборудования в исправном состоянии.Степень выполнения своих задач электрооборудованием, находившимся в режиме ожидания, может быть оценена коэффициентом оперативной готовности (k ог ) . Коэффициент оперативной готовности - это вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени и, начиная с этого времени, будет безотказно работать в течение заданного интервала. Следовательноk ог = k г Р(t). (1.22)Входящие в выражение (1.24) сомножители определяются по ранее приведенным формулам.Для комплексной оценки надежности работы электрооборудования применяется коэффициент технического использования (k т и ) . Коэффициент те х нического использования - отношение математического ожидания времени работоспособного состояния объекта за некоторый период времени к суммарному времени работоспособного состояния и плановых и неплановых простоевk т и = Т е /(Т е + Т Р е + Т ТО е ) , (1.23)где Т е - суммарная наработка объекта; Т Р е - суммарное время простоев из-за плановых и неплановых ремонтов; Т ТО е - суммарное время простоев из-за плановых и неплановых технических обслуживаний.По сравнению с коэффициентом готовности коэффициент технического использования является более общим и универсальным показателем.1.6 Надежность систем из последовательно и параллельно соединенных эл е ментов Сложное техническое устройство состоит из нескольких отдельных частей или комбинации разных групп однотипных элементов. Каждая составная часть устройства обладает в течение заданного промежутка времени разным уровнем вероятности безотказной работы (или надежности). От определенного сочетания этих надежностей зависит общий уровень надежности всего устройства. Например. электрическая машина состоит из следующих основных частей: магнитопровод, обмотка статора и ротора, подшипников. Отказ любой из частей приводит к выходу из строя всей машины.Для расчета вероятности безотказной работы машины как целого устройства в течение заданного промежутка времени нужно знать к какому типу соединения (в смысле теории надежности) принадлежит комбинация этих частей - к последовательному или параллельному.Электрическая машина относится к устройству с последовательно соединенными элементами, т.к. выход любой из этих частей из строя приводит к отказу всей машины.Если предположить отказы частей устройства независимыми, то на основании теорем теории вероятностей можно представить следующие уравнения для расчета надежности, например комбинации из двух частей P 1 (t ) , P 2 (t ) - надежность одного и другого элемента системы; Q 1 (t ), Q 2 (t ) - отказ одного и лругого элемента системы.Вероятность того, что оба элемента в последовательной системе будут работать безотказно в течение заданного промежутка времени будет выглядеть так:Р пс (t ) = P 1 (t ) P 2 (t ) , (1.24)Вероятность того, что в последовательной системе один или оба элемента откажутQ пс (t ) = 1 - Р пс (t ) , (1.25)или Q пс (t ) = 1- P 1 (t ) P 2 (t ) ,Согласно уравнению (2.1) отказ любого элемента приводит к отказу системы.Вероятность того, что будут работать один или два элемента системы при пара л лельном соединении. Р пр (t ) = P 1 (t ) + P 2 (t ) + P 1 (t ) P 2 (t ) (1.26)Вероятность того, что оба элемента откажут при параллельном соединенииQ пр (t ) = Q 1 (t ) Q 2 (t ) = 1- Р пр (t ) (1.27)

Параллельное соединение элементов иначе называется системой с постоянно нагруженным резервом. Такая параллельная система из двух элементов не отказывает в работе, если отказал один из элементов.

1.7 Решение типовых примеров

Пример 1. Наработка до отказа щита управления электрооборудованием подчинена экспоненциальному закону с интенсивностью отказов (t ) = 1,3 10 -5 ч -1 . Определить количественные характеристики надежности устройства P (t ), f (t ) и T 1 в течение года.

Решение. 1. По формуле P (t) = exp (- l t) определяем

Р(8760) = = 0,89.

2. f(t) = (t ) P(t) = 1,3 10 -5 0,89 = 1,16 10 -5 ч -1

Т 1 = 1/ = 1/(1,3 10 -5) = 76923 ч.

Пример 2. Сравнить между собой наработку до отказа двух неремонтируемых объектов, имеющих функцию надежности, определяемую по формулам

Р 1 (t) = ехр-(2,5 10 -3 t) и Р 2 (t) = 0,7ехр - (4,1 10 -3 t) + 0,08ехр - (0,22 10 -3 t).

Решение. По общей формуле для определения наработки до отказа

Наработка до отказа второго объекта выше, чем первого.

Пример 3. Вероятность безотказной работы машины постоянного тока на этапе приработки подчиняется распределению Вейбулла с параметрами 0 = 2 10 -4 ч -1 и b = 1,2 . Определить вероятность безотказной работы и наработку до отказа машины за время t = 400 ч.

Решение. 1. Р(t) = exp- (0 t b) = exp-(2 10 -4 400 1,2) = 0,767

T 1 = 0 -1/b Г(1+1/b) = (2 10 -4) -1/1,2 Г(1+1/1,2) = 1126 ч.

Значения гамма-функции взято по табл.2 приложения.

Пример 4. На испытаниях находилось N= 1000 осветительных приборов. За время t = 3000 ч отказало n = 200 изделий. За последующие t i = 200 ч отказало еще n i = 100 изделий. Определить Р * (3000), Р * (3200), f * (3200), * (3200).

Решение

Пример 5. Прибор состоит из четырех блоков. Отказ любого из них приводит к отказу прибора. Первый блок отказал 9 раз в течение 21000 ч, второй - 7 раз в течение 16000 ч, третий - 2 раза и четвертый - 8 раз в течение 12000 ч работы. Определить наработку на отказ, если справедлив экспоненциальный закон надежности.

Решение. 1. Определяем суммарную наработку прибора

t = 21000 + 16000 + 12000 + 12000 = 61000 ч.

Определяем число отказов за суммарное время наработки

r (t) = 9 + 7 + 2 + 8 = 26

Находим среднюю наработку на отказ

Т * = t / r (t) = 61000 / 26 = 2346 ч.

Пример 6. При эксплуатации электрооборудования животноводческой фермы зарегистрировано 20 отказов, из них: электродвигателей - 8, магнитных пускателей - 2, реле - 4, электронагревательных приборов - 6. На ремонт затрачивалось: электродвигателей - 1,5 ч, магнитных пускателей - 25 мин, реле - 10 мин, электронагревателей - 20 мин. Найти среднее время восстановления.

Решение 1. Определяем вес отказавших элементов по группам m i = n i / N o

m 1 = 8/20 = 0,4;m 2 = 2/20 = 0,1; m 3 = 4/20 = 0,2; m 4 = 6/20 = 0,3.

Находим среднее время восстановления

Т В * = 90 0,4 + 25 0,1+10 0,2+20 0,3 = 46,5 мин

Пример 7. В результате наблюдения за работой 1000 электродвигателей в течение 10000 ч было получено значение = 0,810 -4 ч -1 . Закон распределения отказов экспоненциальный, среднее время ремонта электродвигателя равно 4,85 ч. Определить вероятность безотказной работы, наработку до первого отказа, коэффициент готовности и коэффициент оперативной готовности.

Решение.

1. Р (t) = е - t = e - 0,8 10^-4 10^4 = 0,45

T 1 = 1/ = 1250 ч.

k г = Т 1 / (Т 1 + Т в) = 1250/(1250 +4,85) = 0,996

k ог = Р(t)k г = 0,45 0,996 = 0,448

Пример 8. Навозоуборочный транспортер имеет 2 электродвигателя. Суммарная наработка транспортера за год составляет 200 ч. Эксплуатационные мероприятия включают в себя 1 текущий ремонт продолжительностью 3 ч на каждый электродвигатель и 7 технических обслуживаний по 0,5 ч на каждый электродвигатель. Определить коэффициент технического использования электродвигателей навозоуборочного транспортера.

Решение

Пример 9. Тиристорный преобразователь имеет параметры усеченного нормального распределения m= 1200 ч и t = 480 ч. Определить значение вероятности безотказной работы и интенсивности отказов для t = 200 ч.

Решение

Значения Ф(2,08) и Ф(2,5) найдем по табл. 1 приложения. Тогда Р(200) = 0,982/0,993 = 0,988.

Эти зависимости пригодны для исследования электрических машин как в целом, так и поэлементно.

Пример 10. Необходимо произвести приближенную оценку вероятности безотказной работы Р(t) и среднюю наработку до первого отказа Т о асинхронного электродвигателя для двух промежутков времени его работы t = 1000 и 3000 ч, если интенсивность отказов = 20 10 -6 ч -1 .

Решение

Т 1 = 1/ = 10 6 /20 = 5 10 4 ч.

При Р (t) = е -(t /10)

Р (1000) = = е - 0,02 = 0,98

Р (3000) == е - 0,06 = 0,94

Пример 11. Для системы автоматического управления известно

0,01 ч -1 и время работы t = 50 ч. Определить:

Р (t); Q (t); f (t); T 1 .

Решение:

Р (50) = е - t = е - 0,01 50 = е - 0,5 = 0,607

Q (50) = 1 - Р (50) = 1 - 0,607 = 0,393

Т 1 = 1/ = 1 / 0,01 = 100 ч.

f (50) = е - t = 0,01 е - 0,01 50 = 0,00607 ч -1 .

Пример 12. Определить конструкционную надежность электродвигателя постоянного тока для трех промежутков времени его работы: t 1 = 1000 ч., t 2 = 3000 ч., t 3 = 5000 ч о следующим средним статистическим данным об интенсивности отказов основных её частей в долях единицы на час работы: магнитная система с обмоткой возбуждения 1 = 0,0110 -6 ч -1 ; обмоткой якоря 2 = 0,05 10 -6 ч -1 ; подшипники скольжения 3 = 0,4 10 -6 ч -1 ; коллектор 4 = 3 10 -6 ч -1 ; щеточное устройство 5 = 1 10 -6 ч -1 .

Решение. Определим среднюю результирующую интенсивность отказов всех частей машины

1 + 2 + 3 + 4 + 5 = (0,01+0,05+0,4+3+1)10 -6 = 4,46 10 -6 ч -1 .

Средняя наработка до первого отказа машины

Т 1 = 1/ = 10 6 / 4,46 = 2,2410 5 ч.

Вероятность безотказной работы или конструкционная надежность рассматриваемой машины для трех промежутков времени работы будет

Р (1000) =

Р (3000) = е - 0,014 = 0,988

Р (5000) = е -0,022 = 0,975

Статистическая оценка интенсивности отказов может быть определена отношением числа отказавших изделий к моменту времени t к числу изделий поставленных на эксплуатацию (в начале испытания).

Например, испытанию подверглись 100 дверей шахты лифты и в интервале между седьмыми и восьмыми сутками испытаний было зарегистрировано 46 отказов. Тогда = 46/100 = 0,46 отказа за сутки на дверь шахты для оговоренного интервала времени.

Пример. 13. Определить вероятность безотказной работы узла, состоящего из трех элементов, у которых вероятность безотказной работы Р 1 = 0,92; Р 2 = 0,95; Р 3 = 0,96

Решение

Р узла (t) = Р 1 (t) Р 2 (t) Р 3 (t) = 0,92 0,95 0,96 = 0,84

Она меньше, чем вероятность безотказной работы самого надежного элемента.

Даже если взять 4 элемента и у четвертого элемента Р 4 (t) = 0,97, то

Р узла (t) = 0,92 0,95 0,96 0,97 = 0,81

При последовательной системе соединения элементов лучше иметь меньше элементов в цепи

Р у = 0,92 0,95 = 0,874

При параллельном соединении

Р узла (t) = Р 1 (t) + Р 2 (t) - Р 1 (t) Р 2 (t) = 0,92 + 0,95 - 0,92 0,95 = 1,87 - 0,874 = 0,996.

2.Определение резервного фонда электрооборудования

2.1 Использование теории массового обслуживания для реш е ния эксплуат а ционных задач

Решение ряда задач эксплуатационного характера по оперативному обслуживанию электрооборудования, снабжению ЭТС запасными частями, работе участков по ремонту электрооборудования и в других случаях удобно выполнять с использованием теории массового обслуживания.

Под системой массового обслуживания (СМО) будем понимать любую систему, предназначенную для обслуживания потока требований. Ограничимся рассмотрением пуассоновских СМО с простейшим потоком требований.

Работа СМО определяется следующими параметрами:

числом каналов n,

плотностью потока заявок l,

плотностью потока обслуживания одного канала m,

числом состояний системы k.

При этом m = 1/Т о , (2.1)

где Т о - среднее время обслуживания одной заявки.

Системы массового обслуживания делятся на системы с отказами и системы ожиданием. В системах с отказами заявка, поступающая в момент, когда все каналы обслуживания заняты, немедленно получает отказ, покидает систему и в дальнейшем обслуживании не участвует. В системе с ожиданием заявка, заставшая все каналы занятыми, не покидает систему, а становится в очередь и ждет, пока не освободится какой-либо канал.

СМО с отказами

Вероятность состояния СМО с отказами определяется по формуле Эрланга

где - приведенная плотность потока заявок.

Вероятность отказа (вероятность того, что поступившая заявка найдет се каналы занятыми)

Для одноканальной системы

СМО с ожиданием

В практике работы эксплуатационных служб такие системы встречаются наиболее часто. Для СМО с ожиданием обычно определяют вероятности состояний, среднюю длину очереди, среднее время пребывания в очереди.

Вероятности состояний СМО с ожиданием при установившемся режиме работы рассчитывают по формуле

Вероятность наличия очереди

R o = 1-(P 0 +P 1 +P 2 + … + P n ) (2.6)

Средняя длина очереди

Среднее время пребывания в очереди

t 0 = m 0 / l (2.8)

2.2 Аналитический метод расчета резервного фонда электрооборуд о вания

В практике решения задач о количестве запасных элементов для технических систем широкое распространение получил упрощенный аналитический метод.

При экспоненциальном законе распределения длительности безотказной работы и простейшем потоке отказов вероятность того, что имеющихся в хозяйстве запасных элементов хватит для обеспечения надежной работы системы в течение времениt , определяется по формуле

Р k m (t ) = , (2.9)

а вероятность того, что число отказов за время t будет больше числа резервных элементов

Р k m (t ) = 1- Р k m (t ) (2.10)

Значение функции распределения Пуассона Р k m (t ) для различных значений t и m приведены в табл. 3 приложения.

Поскольку процесс отказов электрооборудования носит случайный характер, достаточность имеющегося резервного фонда для обеспечения надежной работы электроприемников задается с определенной вероятностью. Обычно достаточность резервного фонда Р д находится в диапазоне 0,9...0,99. Расчет необходимого запаса резервных элементов для неремонтируемого и ремонтируемого электрооборудования выполняется в следующей последовательности.

Неремонтируемое электрооборудование 1.Принимаются следующие исходные условия: поток отказов оборудования простейший, отказавшие элементы заменяются, интенсивность отказов i-го изделия i , число изделий i-го типаn i , достаточность резервного фонда Р д . Определяется суммарная интенсивность отказов i-го изделия i = i n i . (2.11)Зная заданное время работы системы, рассчитывается параметр распределения Пуассона а= i t . По табл. 3 приложения для заданного значения а определяется число резервных элементов такое, чтобы 1- Р k m (t ) Р д .

Ремонтируемое электрооборудование

Процесс использования и пополнения запаса для такого оборудования отличается тем, что вышедшие из строя изделия подвергаются ремонту в течение времени Т р и поступают снова в резервный фонд. Вычисление объема запасных частей в этом случае ведется следующим образом.

По заданной интенсивности отказов элементов и их количеству определяется суммарная интенсивность отказов.

С учетом времени ремонта Т р и суммарной интенсивности отказов устанавливается параметр распределения Пуассона а= Т р .

Используя табл. приложения, выбирается число резервных элементов m с таким расчетом, чтобы Р k m (t ) Р д .

2.3 Решение типовых примеров

Пример 1. Система диспетчерской связи энергосистемы имеет 5 каналов. В систему поступает простейший поток заявок с плотностью = 4 вызова в минуту. Средняя продолжительность разговора 3 минуты. Определить вероятность застать систему диспетчерской связи занятой.

Решение. 1. Определяем приведенную плотность потока заявок

= / = Т о = 4 3 = 12

По формуле

определяем Р отк = 12! / = 0,63

Пример 2. Заданы параметры микропроцессорной системы: число каналов - 3, интенсивность потока обслуживания = 20 с -1 , суммарный входящий поток заявок = 40 с -1 . Определить вероятность предельного состояния и среднее время ожидания заявки в очереди. Принять СМО с неограниченной очередью.

Решение. По условию примера определяем = / = 40/20 = 2, т.к.

Рассчитываем Р k для k=n=3

Для оценки среднего времени нахождения в очереди вначале определим среднюю длину очереди

m 0 = 2 4 /{33!(1-2/3) 2 } = 0,9

Определяем среднее время ожидания заявки в очереди

t 0 = m 0 / = 0,022 с.

Пример 3. В свинарнике - откормочнике на 3750 мест для обеспечения микроклимата используется комплект оборудования “Климат” с 20 электродвигателями серии 4А мощностью 1,1 кВт и частотой вращения 1500 мин -1 . Интенсивность отказов электродвигателей = 10 -5 ч -1 , среднее время капитального ремонта отказавшего электродвигателя 30 суток. Определить резервный запас электродвигателей для свинарника, исключающий аварийный простой технологического процесса поддержания микроклимата сверх допустимой нормы t д = 3 ч. Принять k и = 0,6.

Решение. 1.Для заданного среднего времени ремонта электродвигателя Т р = 30 суток определяем

1/Т р = 1/(3024) = 1,38 10 -3 ч -1 , тогда

= / = 10 -5 / 1,38 10 -3 = 0,72 10 -2

Из выражения t П = n П k и /(n- n П) c учетом того, что n П n определяем

n П t П n/ k и = 3 10 -5 20/0,6 = 10 -3 .

3. По табл. 5 приложения для n=20, = 0,7210 -2 , n П = 10 -3 устанавливаем, что в резерве необходимо иметь 4 электродвигателя. Для 4 электродвигателей среднее число простаивающих технологических процессов n П t П n / k и = 0,0004.

Проверяем соответствие t д взятому приближенно t П

t П = n П k и /(n- n П) = 0,0004 0,6 / 10 -5 (20-0,0004) = 1,2 ч < t д.

Если взять 3 резервных электродвигателя, то n П = 0,0019 и

t П =n П k и /(n- n П)= 0,0019 0,6 / 10 -5 (20-0,0019) = 5,7 ч > t д.

Таким образом, для выполнения заданных ограничений по продолжительности перерывов в работе системы микроклимата свинарника необходимо иметь 4 резервных электродвигателя.

Пример 4. На вычислительной станции сельскохозяйственного предприятия установлено 4 ЭВМ. Средняя интенсивность на выполнение расчетов - 4 заявки в час (= 4). Среднее время решения одной задачи Т о = 0,5 ч. Станция принимает и ставит в очередь на решение не более 4 заявок. Заявки, поступившие на станцию, когда в очереди находится более 4 задач, получают отказ. Определить вероятность отказа и вероятность того, что все ЭВМ свободны.

Решение. 1. Имеем многоканальную СМО с ожиданием при ограниченном числе мест в очереди.

Предварительно вычисляем

1/Т о = 1/0,5 = 2 ч -1 , = / = 2.

По формуле (3.3) определяем вероятность того, что все 4 ЭВМ заняты и 4 заявки стоят в очереди, тогда n=8.

Р отк = 2 8 / = 0,00086.

4. По формуле (3.5) находим вероятность, что все ЭВМ свободны, k=n=4

Пример 5. Требуется определить вероятность того, что отказы в системе электроснабжения появятся менее 3 раз, если параметр распределения Пуассона а = t = 3,9.

Решение. По табл. 6 приложения определяем Р k >3 (t), тогда

Р k < 3 (t) = 1- 0,7469 = 0,253.

Пример 6. Требуется определить число резервных электронагревательных элементов, имеющих интенсивность отказов = 410 -6 ч -1 . Общее число электронагревательных элементов в хозяйстве 80, период пополнения резервного фонда 7000 ч. Принять достаточность резервного запаса Р д = 0,98.

Решение. 1. Определяем суммарную интенсивность отказов электронагревательных элементов = 410 -6 80 = 3,2 10 -4 ч -1 .

2. Определяем значение параметра а

а = t = 3,2 10 -4 7000 = 2,24

Для заданного значения а=2,24 по табл.6 приложения определяем Р k > m (t), равное 0,0025. Учитывая, что Р k < m (t)= 1- Р k > m (t)>P д >0,98, получим

Р k< m (t) = 0,9925 при m = 7.

Поскольку Р k < 7 (t) = 0,9925 > Р д = 0,98, в резервном фонде целесообразно иметь 7 электронагревательных элементов.

Пример 7. В телятнике на 600 голов эксплуатируется 9 электродвигателей серии 4А, имеющих интенсивность отказов 1 = 0,110 -4 ч -1 , и 11 электродвигателей серии АО2сх с интенсивностью отказов 2 = 0,510 -4 ч -1 . Достаточность резервного фонда 0,95. Рассчитать число запасных электродвигателей при пополнении резервного фонда 1 раз в течение года (в году 8760 часов).

Решение. 1. Определяем суммарную интенсивность отказов электродвигателей по группам

1 = 1 n 1 = 9 0,110 -4 = 0,910 -4 ч -1 .

2 = 2 n 2 = 11 0,510 -4 = 5,5 10 -4 ч -1 .

Определяем параметры распределения Пуассона а 1 и а 2

а 1 = 1 t = 0,910 -4 8760 = 0,788 а 2 = 2 t = 5,5 10 -4 8760 = 4,82

По табл. 3 приложения по а 1 и а 2 находим значение функции Р k > m (t), такое чтобы Р k < m (t) было больше, чем Р д. Определяем число резервных элементов: для электродвигателей серии 4А:т.к. Р k < m (t) = 1-0,0474 = 0,9526 > 0,95, то m 1 = 3 ;

для электродвигателей серии АО2сх, т.к. Р k < m (t)= 1-0,025 = 0,975 > 0,95, m 2 = 10.

Пример 8. 100 комплектов однотипной аппаратуры предполагается эксплуатировать в течении 500 ч. Каждый комплект аппаратуры содержит неремонтируемых элементов:

типа А n 1 = 5 шт c 1 = 2 10 -6 ч -1

типа Б n 2 = 10 шт c 2 = 4 10 -6 ч -1

типа С n 3 = 8 шт c 3 = 0,6 10 -5 ч -1

кроме этого имеется 3 типа ремонтируемых элементов

типа Г n 4 = 2 шт c 4 = 1,9 10 -5 ч -1 , Т в4 = 60 ч,

типа Д n 5 = 10 шт c 5 = 8 10 -6 ч -1 , Т в5 = 90 ч,

типа Е n 6 = 3 шт c 6 = 0,4 10 -4 ч -1 , Т в6 = 42 ч.

Определить число запасных элементов по всем группам, если требуется гарантированная вероятность работы аппаратуры за счет неремонтируемых элементов каждого типа Р 1 (t) = 0,99, а за счет ремонтируемых элементов каждого типа Р 2 (t) = 0,96. Рассчитать также вероятность выполнения аппаратурой в целом своих функций при наличии запасных элементов.

Решение. 1. Определяем параметр а для неремонтируемых элементов (N=100).

а 1 = 1 Nn 1 t = 2 10 -6 100 5 500 = 0,5

а 2 = 2 Nn 2 t = 4 10 -6 100 10 500 = 2

а 3 = 3 Nn 3 t = 0,6 10 -5 100 8 500 = 2,4

По табл. 3 приложения для полученных значений а с учетом того, что 1-Р 1 (t) = 0,01 находим m 1 = 4, m 2 = 7, m 3 = 8.

Определяем параметр распределения Пуассона для ремонтируемых элементов

а 4 = 4 Nn 4 Т в4 = 1,9 10 -5 100 2 60 = 0,228

а 5 = 5 Nn 5 Т в5 = 8 10 -6 100 10 90 = 0,72

а 6 = 6 Nn 6 Т в6 = 0,4 10 -4 100 3 42 = 0,5

4. По табл. 3 приложения для Р 2 (t) = 0,96 находим m 4 = 2, m 5 = 3, m 6 = 3.

5. Определяем вероятность выполнения аппаратурой своих функций

Р(t ) =

Пример 9. Решить пример 8 при условии проведения капитального ремонта вышедших из строя электродвигателей в течение 720 ч и пополнения ими резервного запаса.

Решение. 1. Определяем суммарную интенсивность отказов электродвигателей 1 = 1 n 1 = 9 0,1 10 -4 = 0,9 10 -4 ч -1 .

2 = 2 n 2 = 11 0,5 10 -4 = 5,5 10 -4 ч -1 .

2. Определяем параметр а

а 1 = 1 Т р = 0,9 10 -4 720 = 6,48 10 -2

а 2 = 2 Т р = 5,5 10 -4 720 = 0,396 10 -2

Р 1 k < m (t) = 1-0,0047 = 0,9953 >0,95 (m=2)

P 2 k < m (t) = 1-0,0079 = 0,9926 > 0,95 (m=3)

3. По табл. 3 приложения определяем число резервных элементов: для двигателей серии 4А m 1 = 2, для двигателей АО2сх m 2 = 3.

3. Техническая диагностика электрооборудования

3.1 Метод последов ательных поэлементных проверок

При использовании этого метода система рассматривается в виде последовательной цепочки элементов, выход каждого из которых приводит к отказу изделия. Для каждого элемента должны быть известны данные о надежности и времени проведения проверок.

Идея метода поэлементных проверок состоит том, что поиск отказавшего узла ведется путем диагностики каждого из элементов в определенной, заранее установленной, последовательности. При обнаружении отказавшего элемента поиск прекращается и производится замена отказавшегося элемента, а затем проверка работоспособности объекта. Если проверка показывает, что объект имеет еще один отказ, то поиск продолжается с той позиции, на которой был обнаружен отказывающий элемент. Операция продолжается, пока не будет обнаружен последний неисправный элемент.

Основная задача, решаемая при использовании метода последовательных поэлементных проверок, заключается в определении последовательности проверок. При этом в общем виде рассматривается объект, состоящий из N элементов, произвольным образом соединенных между собой, с известными интенсивностями отказов l i , i=1,2,…N. Обычно предполагается, что неработоспособным может быть только один элемент. Известны также продолжительности проверок каждого элемента t i . Необходимо найти такую последовательность проверок, при которой среднее время поиска неисправности будет минимальным.

Имеющего в технической литературе рекомендации по использованию метода предусматривают применение в качестве критерия оптимальности минимума отношения a i / t i , где a i = - коэффициент отказа i-го элемента или i / .

Для обеспечения минимального среднего времени поиска отказавшего элемента проверки следует осуществлять в соответствии с последовательностью a 1 /t 1

3. 2 Метод после довательных групповых проверок

Метод групповых проверок заключается в том, что путем проверки одного или нескольких параметров определяется часть изделия, в которой находится неисправный элемент, затем проводится другая серия проверок, позволяющая выявить следующую подгруппу элементов, включающую в себя неисправный элемент, и так далее до тех пор, пока последний не будет локализован и однозначно определен.

Если исходные данные по надежности элементов отсутствуют, то наиболее приемлемым методом поиска отказавшего элемента является метод половинного разбиения. Сущность метода заключается в том, что участок схемы с последовательно соединенными элементами делится на две равные части и равнозначно выбирается для проверки левая или правая ветвь. Если в результате проверки, например левой части схемы, окажется, что неисправный элемент находится в правой ветви, то для локализации отказавшегося элемента правая ветвь дополнительно делится на два равнозначных участка. Такое деление будет продолжаться до тех пор, пока не будет обнаружен отказавший элемент. Критерий половинного разбиения учитывает только одну из характеристик проверок - число элементов, охваченных проверкой. Он может дать оптимальное решение только при равных вероятностях отказов элементов и одинаковом времени проверок групп. Поскольку надежность элементов, входящих в систему, может отличатся, лучше использовать метод разбиения последовательной системы на две части с равными суммарными вероятностями отказа или интенсивностями отказов. Для практического использования метода вводят следующие ограничения: в системе может отказать только один элемент, время проверок различных групп элементов одинаково. В этом случае в качестве критерия оптимальности при проведении диагноза можно использовать выражение [Р() ] = min, где Р() - вероятность отрицательного исхода,

где r- число элементов, охваченных проверкой.

Подсчитав значение Р() для всех проверок и используя предложенный критерий, можно выбрать место первой проверки. После проведения первой проверки схема разбивается на две части, которые рассматриваются как самостоятельные объекты. Для каждого из них определяются коэффициенты отказа a (сумма коэффициентов отказа должна быть равна 1), составляется перечень возможных проверок и выбирается проверка, для которой вероятности исходов близки к 0,5. Указанный процесс продолжается до однозначного определения отказавшего элемента.

3.3 Решение типовых примеров

Пример 1. Система автоматического управления технологическим процессом состоит из 14 элементов, соединенных в структурной схеме надежности последовательно (рис. 4.1)

Рис. 3.1. Структурная схема надежности системы автоматического управления

Выход каждого из элементов приводит к отказу системы. Заданы интенсивности отказов элементов (i 10 -5 ч -1)

1 =7, 2 =3, 3 =4, 4 =5, 5 =4, 6 =5, 7 =6, 8 =1, 9 =1, 1 0 =2, 1 1 =1, 1 2 =2, 1 3 =2, 1 4 =1

Время поиска отказавшего элемента одинаково для всех проверок и составляет 5 мин. Используя метод последовательных поэлементных проверок, установить оптимальную последовательность диагностирования системы управления.

Решение. 1. Определяем суммарную интенсивность отказов системы

По формуле находим значение показателя i для всех элементов, в результате получаем 1 = 0,16, 2 = 0,068, 3 = 0,09, 4 = 0,11, 5 = 0,09, 6 = 0,11, 7 = 0,136, 8 = 0,022, 9 = 0,022, 1 0 = 0,045, 1 1 = 0,022, 1 2 = 0,045, 1 3 = 0,045, 1 4 = 0,022.

Определяем отношение i / t i , с учетом того, что t i = t = 5 мин

1 / t = 0,032, 2 / t = 0,0136, 3 / t = 0,018, 4 / t = 0,022, 5 / t = 0,018, 6 / t = 0,022, 7 / t = 0,028, 8 / t = 0,0046, 9 / t = 0,0046, 10 / t = 0,009, 11 / t = 0,0046, 12 / t = 0,009, 13 / t = 0,009, 14 / t = 0,0046.

В соответствии с принятым критерием оптимальности располагаем полученные отношения i / t i в порядке возрастания. Окончательно устанавливаем следующую последовательность проверок

8 9 11 14 10 12 13 2 3 5 4 6 7 1.

Пример 2. Основными элементами электропривода вентилятора (рис. 4.2) являются: аппарат защиты от токов короткого замыкания (1), вводное коммутационное устройство (2), силовые контакты магнитного пускателя (3), электродвигатель (4), устройство дистанционного включения и отключения электропривода (5), катушка магнитного пускателя (6).

Рис. 3.2. Функциональная схема электропривода вентилятора

Буквами А, Б, В, Г, Д, Е, Ж, З обозначены входные и выходные сигналы элементов. Известны коэффициенты отказов элементов 1 = 0,3 , 2 = 0,1 , 3 = 0,1 , 4 = 0,2 , 5 = 0,1 , 6 = 0,2 . Используя метод групповых проверок, требуется составить алгоритм поиска отказавшего элемента, обеспечивающий минимальное среднее количество проверок.

Решение. 1. Составляем перечень возможных проверок (табл. 4.1). В таблицу также для каждой проверки поместим вероятности отрицательного исхода

Таблица 3.1

Из анализа последнего столбца таблицы видно, что минимальное значение критерия соответствует проверкам П 4 , П 9 , П 19 .У проверки П 9 4 элемента проверяется. Поэтому рассмотрение ведем по П 4 и П 19 , имеющих по 3 элемента. Выбираем проверку П 19 т.к. ее легче реализовать. При положительном исходе проверки П 19 отказавший элемент будет находиться в группе, состоящей из 1, 2 и 5 элементов, а при отрицательном исходе - группе элементов 3, 6, 4.

Составляем перечни возможных проверок и вероятности их отрицательных исходов для вновь полученных групп, состоящих из 1, 2, 5 и 3, 6,4 элементов. Результаты показаны в табл. 3.2 и табл. 3.3. В этих таблицах Р() будет определятьсясуммой значенийвероятностей отрицательного исхода (для П 1: Р() = 0,3+0,3. Первое 0,3 взято из табл. 3.1, а второе 0,3 значение вероятности элемента).

Таблица3.2Таблица 3.3

Проводим анализ материалов табл. 3.2 и 3.3. Данные табл. 3.2 свидетельствуют о том, что наиболее информативными являются проверки П 1 и П 7 . Для обеих проверок = 0,1 . Выбираем проверку П 1 . При отрицательном исходе ее неисправен элемент 1, при положительном исходе - несправный элемент находится в группе элементов 2 и 5. Так как в последнем случае остается только 2 элемента, то дальнейшая последовательность проверок безразлична. Аналогичный подход применим при рассмотрении табл. 3.3.

Выбираем проверку П 12 и П 18 . При положительном исходе проверки П 12 нужно проверить элементы 3 и 6, при отрицательном - несправен элемент 4.

Строим алгоритм проверок

Литература

Ермолин Н.П., Жерихин И.П. Н Надежность электрических машин. Л.: Энергия, 1976.

Хорольский В.Я., Медведев А.А., Жданов В.Г. Задачник по эксплуатации электрооборудования. Ставрополь, 1997.

4. Приложения Приложение 1Функция Лапласа Ф (х)

Приложение 3

Значение функции распределения Пуассона

Приложение 4

Продолжительность простоя технологических процессов

Предприятия	Технологический процесс	Допустимое время простоя, ч
Молочные По откорму крупного рогатого скота Свиноводческие (откорм свиней) Приготовление кормов Закрытого грунта	Кормление Первичная обработка молока Удаление навоза Кормление Обеспечение требуемого микроклимата Удаление навоза Кормление Обеспечение требуемого микроклимата при температуре наружного воздуха,С: Удаление навоза Приготовление витаминной муки Обеспечени микроклимата при температуре наружного воздуха,С:

*В числителе приведены данные при выращивании огурцов и томатов, в знаменателе - зелени.

Приложение 5

Определение среднего числа простаивающих технологических процессов

Приложение 6

Таблица значений функции е -х.

Приложение 7

Интенсивность отказов электротехнических изделий.

Эксплуатационные свойства электрооборудования – это те его объективные особенности или признаки качества, которые ха­рактеризуют, в какой мере то или иное изделие соответствует требованиям эксплуатации. Чем полнее приспособлено обору­дование к эффективному использованию и техническому обслу­живанию (ремонту), тем лучше его эксплуатационные свойства. Такие возможности закладывают при разработке и изготовлении электрооборудования, а реализуют в процессе его эксплуатации.

Совокупность эксплуатационных свойств можно разделить на общие, присущие всем видам электрооборудования, и специ­альные, имеющие значение для конкретных групп электрооборудования. К общим свойствам относятся надежность и технико-экономические свойства, а к специальным – технологические, энергетические, эргономические и другие свойства. На рис. 3.1 приведена примерная классификация эксплуатационных свойств оборудования.

Численную оценку эксплуатационных свойств осуществляют при помощи единичных или комплексных показателей (параметры, характеристики). Единичный показатель относится только к одному свойству либо одному его аспекту, а комплекс­ный - к нескольким свойствам. Каждый показатель может по-разному учитывать фактор времени. По этому признаку их раз­деляют на номинальные, рабочие и результирующие показатели.

Номинальные показатели – это указанные изготовителем электрооборудования значения основных параметров, регламен­тирующие его свойства и служащие исходными для отсчета от­клонений от этого значения при испытаниях и эксплуатации. Их указывают в технической документации и на заводском щитке электрооборудования.

Рабочие показатели – это фактические значения, наблюдае­мые в данный момент эксплуатации при конкретном сочетании действующих факторов. Они дают обычно «точечную» оценку свойств.

Результирующие показатели – это средние или средневзве­шенные значения за некоторый период эксплуатации (сезон, год или срок службы). Они дают более полное представление об эф­фективности использования и результативности обслуживания (ремонта) электрооборудования. Эксплуатация должна быть на­лажена таким образом, чтобы результирующие показатели были не хуже номинальных.

Современное производство предъявляют особые требования к надеж­ности оборудования.

В настоящее время обычно наибольшую опасность представляет не факт отказа оборудования, а про­должительность восстановления его работоспособности, т.е. простой. Если простой объекта превысит некоторое допустимое время, то нарушение технологического процесса приведет к недовыпуску и пор­че продукции, а также другим нежела­тельным последствиям. Повышение долговечности оборудова­ния зависит от правильного выбора номенклатуры, числа и раз­мещения резервных (запасных) элементов; хорошей организации оперативно-дежурного обслуживания энергетического хозяйства предприятий.

. Технико-экономические показатели характеризуют типоразмерный ряд, стоимость приобретения, монтажа, обслуживания и ремонта электрооборудования. Типоразмерный ряд конкретного вида электрооборудования определяет его номенклатуру по мощ­ности, напряжению, исполнению и другим параметрам. Чем больше шкала типоразмеров, тем точнее можно подобрать электрооборудование к условиям эксплуатации. Чтобы удовлетво­рить растущие требования к качеству электрооборудования со стороны потребителя, электротехническая промышленность не­прерывно увеличивает номенклатуру выпускаемых изделий. Так, первая серия электродвигателей имела 9, вторая- 17, а четвер­тая - более 25 модификаций и специализированных исполнений.

Однако излишняя многономенклатурность затрудняет орга­низацию рациональной эксплуатации из-за неизбежных сложно­стей приобретения и хранения большого количества запасных деталей, материалов, инструментов и приборов. Повышаются требования к квалификации эксплуатационного персонала. По­этому стремятся к выпуску электрооборудования с оптимальной структурой его типоразмерного ряда.

Рисунок 3.1- Классификация эксплуатационных свойств электрооборудования

Стоимостные показатели дают обобщенную и сопоставимую оценку оборудования. Они необходимы при обосновании опти­мальной периодичности обслуживания (ремонта) и нагрузки оборудования, при расчете резервного фонда и решении ряда других эксплуатационных задач.

Оптимальные значения результирующих показателей эксплу­атационных свойств определяют суммарными затратами на раз­работку и использование оборудования. Повышение надежнос­ти или КПД связано с увеличением затрат на создание или тех­ническую эксплуатацию, но при этом удается снизить техноло­гический ущерб из-за отказов оборудования, потери энергии и затраты на капитальные ремонты. Стоимостные показатели позволяют сопоставить названные конкурирующие показатели и найти наилучшее решение.

Технологические или агрозоотехнические свойства характеризуют соответствие, элек­трооборудования агрозоотехнологическим или другим специаль­ным требованиям. По отношению к животным и растениям электрооборудование общего назначения (двигатели, трансфор­маторы и т. п.) должно быть безопасным и безвредным, а спе­циальное электрооборудование (облучатели, нагреватели и т. п.) - оказывать необходимое воздействие на животных (растения). Например, если облучательная установка не обес­печивает заданный спектральный состав излучения, то вместо ожидаемого укрепления организма животного может наступить его заболевание.

Правильный выбор электрооборудования по технологическим свойствам и поддержание этих свойств в процессе эксплуатации обеспечивают не только высокое качество технологического процесса, по и экономию энергоресурсов.

Энергетические свойства отражают способность оборудова­ния потреблять (производить, распределять) энергию с высокой эффективностью в отношении КПД, коэффициента мощности и других энергетических показателен, а также его приспособлен­ность к переходным (пуск, торможение) и другим режимам ра­боты. Хорошие –энергетические свойства должны быть у любого вида оборудования. Напри­мер, электрооборудование подключают к источнику питания через протяженные электрические сети с многократной транс­формацией энергии. Система электроснабжения имеет невысо­кий КПД (70%), и поэтому электроприемники сетей с многократной трансформацией имеют низкие энергетические свойства и вызывают огромные потери эле­ктроэнергии.

При оценке энергетических свойств необходимо учитывать не только номинальные, но и результирующие показатели. Рас­смотрим рабочие характеристики КПД двигателей, показанные на рис. 1.2. Номинальный КПД первого двигателя значительно выше, чем второго. Но это не может служить основанием для правильного выбора первого двигателя, так как повышенные значения КПД у него наблюдаются лишь в узком интервале на­грузок, а за пределами этого интервала энергетические свойства резко ухудшаются. При использовании таких двигателей трудно обеспечить для каждого из них строго оптимальную нагрузку. Поэтому средний КПД группы двигателей будет ниже номи­нального. У второго двигателя высокие значения КПД наблю­даются в широком диапазоне нагрузок. При применении таких двигателей их суммарный результирующий КПД будет близок к номинальному значению.

Рисунок 3.2- Характеристики КПД двигателей

Таким образом, электрооборудование должно иметь высокие энергетические показатели в достаточно широком интервале изменения нагрузок, питающего напряжения и других эксплуа­тационных факторов. При этом следует учитывать, что почти все факторы имеют случайный характер изменения.

Эргономические свойства определяют соответствие оборудо­вания психофизиологическим возможностям обслуживающего персонала. Они оцениваются по гигиеническим, антропометри­ческим, физиологическим и психологическим показателям, ус­тановленным ГОСТ 21033-75 и Г.ОСТ 16456-70. В группу гигие­нических показателей входят уровни освещенности, запыленнос­ти, шума, вибрации, напряженности магнитного поля и др. Обычно новое электрооборудование имеет удовлетворительные гигиенические показатели, но в процессе эксплуатации они ухудшаются. Особенно нестабильны механические и магнитные виброшумовые воздействия. Своевременное и качественное тех­ническое обслуживание позволяет поддерживать гигиенические показатели на требуемом уровне. К антропометрическим отно­сятся показатели, характеризующие соответствие конструкции и размещения оборудования росту обслуживаемого персонала. При правильном размещении электроустановки легко ее обслу­живать. Распределительные щиты и пункты не в полной мере удовлетворяют этим требованиям, так как они обычно располо­жены в узких проходах, на большой высоте и т. п. Другие эрго­номические свойства оборудования должны соответствовать зрительным, слуховым, силовым и рефлекторным возможностям человека и его трудовым профессиональным навыкам.

Качество электротехнических устройств представляет совокупность свойств, определяющих их пригодность для эксплуатации. Для оценки качества электротехнического устройства используется показатель качества. Под показателем качества понимают количественную характеристику свойств устройства применительно к определенным условиям его изготовления, монтажа и эксплуатации. Все показатели качества называются технико-экономическими, поскольку они характеризуют как технические особенности электроустановок, так и экономическую эффективность их применения.

Рассмотрим подробно толькопоказатели надёжности, так как они являются наиболее важными для оценки качества электротехнического устройства.

Надёжность - это свойство электротехнического устройства сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. Надёжность является обязательным свойством любого электротехнического устройства.

Надежность является сложным понятием, которое в зависимости от назначения электротехнического устройства и условий его применения характеризуется рядом свойств:безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Безотказность - это свойство электротехнического устройства непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторой наработки. Под наработкой понимается продолжительность или объём работы электротехнического устройства. Обычно измеряется либо в часах, либо числом циклов или переключений. Так, в часах выражают наработку электродвигателей, распределительных устройств, а числом циклов или переключений - наработку переключателей и реле. Различают наработку между отказами, до первого отказа и др.

Долговечность - это свойство электротехнического устройства сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Предельное состояние электротехнического устройства определяется несоответствием хотя бы одного его параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

Ремонтопригодность - это свойство электротехнического устройства, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений, поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Сохраняемость - это свойство электротехнического устройства, сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и (или) транспортирования.

Надёжность электротехнических устройств и их элементов закладывается при проектировании, обеспечивается в процессе производства и монтажа, поддерживается в условиях эксплуатации. Соответственно этому различают конструктивную, производственную и эксплуатационную надёжность. Для персонала, эксплуатирующего электротехнические устройства, наибольший интерес представляетэксплуатационная надёжность электротехнического устройства.

Для некоторых видов электрооборудования показатели конструктивной надежности приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1- Показатели конструктивной надежности электрических изделий

Наименование изделия	Вид норма­тивно-тех­нической докумен­тации	Значение показателя надежности
Трехфазные асин­хронные коротко-замкнутые двигате­ли серии 4А мощ­ностью от 0.06 до 400 кВт	ГОСТ 19523-81	Средний срок службы не менее 15 лет при наработке не более 40 000 ч. На­работка обмотки статора не менее 20 000 ч. Наработка подшипников не менее 12000ч. Вероятность безотказ­ной работы не менее 0,9 при 10 000 ч наработки
Рубильники и разъ­единители на номи­нальные токи от 100 до 6300 А и на на­пряжение до 1 000 В	ГОСТ 2327-76	Механическая износостойкость для аппаратов до 630 А не менее 10 000 циклов. Электрическая износостойкость аппаратов при коммутации тока: 100А -4000 циклов; 250А- 2500 циклов; 400А- 1600 циклов; 630 А - 1 000 цик­лов; 630 А - 1 000 циклов
Плавкие предохра­нители на напряже­ние до 100В	ГОСТ 17242-79	Срок службы не менее 16 000 ч. Вероят­ность безотказной работы не менее 0,94 при доверительной вероятности 0,8
Электромагнитные пускатели на на­пряжение до 1 000 В	ГОСТ 2491-81	Нижнее значение вероятности безотказ­ной работы при доверительной вероят­ности 0,8 за 2 млн. циклов не менее 0,92
Электроустановочные, светотехничес­кие изделия	ГОСТ 8223-81	Вероятность безотказной работы при доверительной вероятности 0,8 должна быть не менее 0,85
Силовые кабели с пластмассовой изо­ляцией типа АВВГ, АПВГ	ГОСТ 16442-80	Срок службы не менее 25 лет

Страница 30 из 60

Основной показатель качества электрооборудования - его надежность работы в различных условиях эксплуатации. Надежность - это свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели (производительность, экономичность, расход электроэнергии и другие паспортное характеристики) в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени.
Надежность - это комплексное свойство объекта, включающее в себя безотказность, долговечность, ремонтопригодность и в значительной мере зависит от условий эксплуатации.
Безотказность - это свойство электроаппарата сохранять работоспособность в течение некоторого времени без вынужденных перерывов. Под работоспособностью в данном случае понимается состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в установленных документацией пределах. Понятие работоспособности уже понятия надежности. Например, электродвигатель, работающий в тяжелых условиях животноводческих ферм, работоспособен, но ненадежен и может выйти из строя в любой момент времени.
Долговечность - это свойство машины, агрегата сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов. Предельное состояние объекта определяется невозможностью его дальнейшей эксплуатации из-за непоправимого изменения заданных параметров, неустранимого снижения эффективности эксплуатации ниже допустимой и т. п.
Ремонтопригодность - это состояние объекта, при котором можно устранять повреждения и восстанавливать его технические параметры путем проведения ремонтов и технического обслуживания.
Остановимся на определениях некоторых терминов, которые необходимы для перехода к оценке показателей надежности.
Неисправность - это состояние оборудования, при котором оно не соответствует хотя бы одному из технических требований.
Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта. Это частичная или полная утрата таких свойств, которые обеспечивают работоспособность объекта.
Наработка - продолжительность или объем работы, выполненной электроаппаратом.
Наработка на отказ - средняя продолжительность работы между отказами. Если наработка выражается в единицах времени, можно применять термин «Средняя продолжительность безотказной работы».
Ресурс - продолжительность работы изделия до наступления предельного состояния. Различают ресурс до первого ремонта, межремонтный и т. д.
Надежность работы электрооборудования может быть представлена показателями надежности. При определении надежности электрооборудования часто пользуются следующими количественными показателями:
время безотказной работы;
вероятность безотказной работы;
интенсивность отказов;
срок службы и межремонтный срок службы.
Время безотказной работы Т0 оценивается средним числом часов работы оборудования до первого отказа и может быть определено на основе статистических данных:

Где ti - время исправной работы i-го аппарата до первого отказа; п - общее число рассматриваемых отказов.
На практике более часто используется вероятность безотказной работы Р (t), заключающаяся в том, что в заданном интервале времени или в пределах заданной наработки машина работает без отказа.
где &.N - число отказавших машин за время t, N0 - число испытуемых машин в начальный момент времени.

Для электродвигателей вероятность безотказной работы определяется по статистическим данным:
Интенсивность отказов представляет собой вероятность отказа перемонтируемой машины в единицу времени. Вероятность отказов определяют по статистическим данным:

где ДN - число машин, отказавших за время Дt; Д< - интервал времени наблюдения.
Срок службы - это продолжительность работы аппарата до момента возникновения предельного состояния, определяемого техническими условиями. Различают сроки службы до первого капитального ремонта, между ремонтами и т. п.
Межремонтный срок службы, или межремонтный ресурс, - наработка аппарата, прошедшего ремонт, до состояния, при котором он подлежит следующему очередному ремонту.
Надежность электрооборудования можно исследовать аналитически или при помощи статистического метода.
При аналитическом методе устанавливают функциональные связи между надежностью отдельных элементов и электродвигателя в целом, а также определяют влияние различных факторов на них. Затем при помощи математической модели электродвигателя и полученных функциональных связей определяют надежность электродвигателя для определенных условий.
Многообразие функциональных связей между элементами электродвигателя и его системой в целом, а также факторов, различно воздействующих на двигатель, затрудняет использование аналитического метода при исследовании надежности. Этот метод нашел применение при расчете надежности в стадии конструирования.
Эксплуатационная надежность зависит от качества активных и конструкционных материалов, используемых при изготовлении электроаппаратов, от качества изготовления и ремонта, от условий эксплуатации и определяется на основе статистических материалов наблюдения за работой аппарата в процессе эксплуатации.

1.Основные понятия и определения теории надежности электрооборудования
2. Показатели надежности
3. Вероятностные характеристики показателей надежности
4. Простейшие методы расчета надежности

1.Основные понятия и определения теории надежности электрооборудования

В процессе эксплуатации оборудование переходит многократно из одного состояния в другое, как показано на рисунке 5.1. Состояния 1 и 2 определяются технологическими особенностями оборудования. Например, в сельском хозяйстве, наряду с круглогодичным использованием, часто наблюдается сезонная занятость. Продолжительность хранения и использования достаточно точно определяется производственными характеристиками оборудования.

Частота перехода оборудования из состояния 2 в состояние 3 и продолжительность пребывания в ремонте заранее неизвестны. Также нельзя сразу определить частоту перехода в состояние 4. Но без этих данных нельзя организовать рациональное техническое обслуживание или его ремонт. Такие сведения позволяют получить методы теории надежности.

Во всех сферах деятельности и общения у человека возникает потребность оценить успешность своих действий. В таких ситуациях возникает интуитивное представление о надежности как об уверенности в осуществлении своих замыслов. Наука о надежности исключает произвольные толкования, заменяя их четкими понятиями, определениями, и устанавливает количественное описание свойств надежности.

Надежность - свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки (ГОСТ 27.002-86^ Можно сказать,

что надежность характеризует способность объекта сохранять свои первоначальные качества в процессе эксплуатации.

Теория надежности возникла на стыке ряда научных дисциплин: теории вероятностей и случайных процессов, математической логики, технической диагностики и др. Она изучает закономерности изменения показателей качества объектов с течением времени, а также физическую природу этих изменений. В теории надежности сложное явление изменчивости изучают путем использования идеализированных понятий о состояниях, свойствах и событиях и т. п. Приближенная замена реальных явлений и объектов идеализированными моделями позволяет установить количественные связи между интересующими показателями и определить эти показатели с достаточной для практики точностью.

Способность объекта выполнять требуемые функции оценивают несколькими состояниями, в пределах которых параметры объекта остаются постоянными.

Исправность - состояние объекта, при котором он соответствует всем установленным требованиям.

Неисправность - состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из указанных требований.

Работоспособность - состояние соответствия установленным требованиям тех параметров, которые характеризуют способность выполнять указанные функции.

Неработоспособность - состояние, при котором хотя бы один параметр работоспособности не соответствует установленным требованиям.

Предельное состояние - состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима по условиям безопасности или нецелесообразна по экономическим критериям.

Центральным понятием теории надежности служит отказ - событие, заключающееся в потере работоспособности, т. е. переход из работоспособного в неработоспособное состояние. Различают внезапные и постепенные, полные и частичные отказы.

Внезапные отказы наступают неожиданно, мгновенно из-за внезапной концентрации нагрузки или аварийной ситуации.

Постепенные отказы возникают под действием постепенного изменения свойств объектов, старения или износа деталей.

Полный отказ приводит к полной потере работоспособности, а частичный - лишь к утрате отдельных функций объекта.

Рис. 5.1. Модель состояния оборудования

Объект (в теории надежности) - предмет определенного целевого назначения, в жизненном цикле которого выделяют стадии проектирования, изготовления и эксплуатации. Объектом может быть система или элемент.

Система - это совокупность взаимосвязанных устройств, предназначенная для самостоятельного достижения некоторой цели.

Элемент - часть системы, которая способна выполнять некоторые локальные функции системы.

Представление объекта в виде системы или элемента зависит от постановки задачи и является условной процедурой. Например, при изучении надежности парка электрооборудования предприятия электропривод рассматривают как элемент, а в других случаях как систему, в которой выделяют ряд элементов (пусковую аппаратуру, устройство защиты, двигатель и т.д.).

В свою очередь элементы и системы, допускающие восстановление работоспособности после отказа, называют восстанавливаваемыми, а в противном случае - ^восстанавливаемыми (неремонтируемыми). К первому виду относят, например, трансформаторы двигатели, а к второму - электроосветительные лампы и трубчатые нагреватели. Таким образом, элементы (системы), изучаемые в теории надежности, имеют три главных признака, характеризующих: природу отказов (внезапные и постепенные); виды отказов по их последствиям (полные и частичные); приспособленность к ремонту (ремонтируемые и неремонтируемые).

В зависимости от сочетания этих признаков элементы (системы) разделяют на простые и сложные. Простым считают элемент, который имеет внезапные полные отказы, поэтому не подлежит ремонту. Сложный элемент имеет наряду с перечисленными и ряд дополнительных признаков, т. е. он имеет внезапные и постепенные отказы (или только постепенные), "отказы могут быть частичными, их последствия устраняют в итроцессе ремонта.

; При изучении надежности объекта как способности сохранять свои параметры в процессе эксплуатации возникает необходимость оценить стабильность этих параметров на разных этапах эксплуатации, приспособленность к ремонту и ряд других призна-"ков. Поэтому надежность - сложное, комплексное свойство объекта, включающее ряд более простых свойств (в отдельности или в определенном сочетании) (ГОСТ 27.002-86):

Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или наработки;

Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособность объекта до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта;

Ремонтопригодность - приспособленность к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов (повреждений), к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов;

Сохраняемость - свойство объекта сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности во время хранения или транспортировки;

Устойчивость - способность объекта переходить при различных возмущениях от одного устойчивого режима к другому;

живучесть - свойство системы противостоять крупным возмущениям, не допуская развития аварий.

На практике различают конструкционную и эксплуатационную надежность. Конструкционной называют номинальную надежность, которая определяет способность к стабильному функционированию в типовых (номинальных) условиях эксплуатации. Она характеризует свойства объекта, заложенные при его проектировании и изготовлении.

Под эксплуатационной понимают надежность, наблюдаемую в условиях эксплуатации с учетом всей совокупности воздействий: дестабилизирующих факторов окружающей среды, реальных режимов использования, качества технического обслуживания и ремонтов.

Задачи эксплуатационной надежности приобрели большую актуальность в связи с тем, что многие виды электрооборудования сельскохозяйственных предприятий, имея достаточно высокие показатели конструкционной надежности, по эксплуатационным показателям не отвечают требованиям производства. Так, двигатели серии 4А рассчитаны на безотказную работу в течение 10 лет, а фактическое время безотказной работы до капитального ремонта составляет: в животноводстве - 3,5 года, в растениеводстве - 4 года, на подсобных предприятиях - 5 лет.

Показатели надежности служат для количественной оценки уровня надежности объекта. С их помощью сравнивают надежность различных объектов между собой или надежность одного и того же объекта в разных условиях либо на разных этапах эксплуатации. По ремонтопригодности выделяют дополнительно показатели для восстанавливаемых и невосстанавливаемых объектов.

Кроме того, показатели могут быть единичными и комплексными. Единичный показатель относят к одному из свойств, а комплексный - к нескольким свойствам.

Введение показателей надежности основывают на рассмотрении эксплуатации как процесса случайного изменения свойств объекта в виде последовательного чередования работоспособного и неработоспособного состояний. Другими словами, процесс изменения свойств объекта - это поток случайных дискретных изменений состояний. При таком представлении мерой надежности служат характеристики перехода объекта из одного состояния в другое. Используя их, определяют, как часто осуществляются переходы, как долго объект находится в работоспособном и неработоспособном состояниях, какова вероятность наступления этих событий и т. д.

Показатели безотказности характеризуют способность объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого

времени (некоторой наработки). Их содержание поясняет следующий пример.

Интенсивность отказов

Показатели ремонтопригодности . Ремонтопригодность по ГОСТ 27301-86 - приспособленность к предупреждению и обнаружению причин отказов и устранению их последствий путем проведения технического обслуживания и ремонтов. Конструкционная ремонтопригодность характеризует лишь техническую сторону восстанавливаемости объекта; эксплуатационная - дополнительно быстроту восстановления и зависит от квалификации обслуживающего персонала, а также его материально-технического обеспечения.

Вопрос о процессе восстановления был затронут при рассмотрении безотказности ремонтируемых элементов. Там предполагалось, что все отказы устраняют мгновенно. На самом деле каждый отказ устраняют в некотором интервале времени, являющемся случайной величиной. Поэтому процесс восстановления считают потоком случайных событий.

Среднее время восстановления Тв - это математическое ожидание продолжительности восстановления работоспособности после отказа элемента

Показатели долговечности . Под долговечностью понимают свойство элемента сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при надлежащем техническом обслуживании и ремонте. Для восстанавливаемых элементов долговечность совпадает с временем их эксплуатации до отказа. Количественные оценки долговечности - срок службы и ресурс.

Ресурсом называют наработку объекта от начала эксплуатации или после ремонта до наступления предельного состояния. Различают средний ресурс и гамма-процентный ресурс.

Средний срок службы - средняя календарная продолжительность службы объектов. Различают средний срок службы до первого капитального ремонта и между капитальными ремонтами.

Средний срок службы до списания - средняя календарная продолжительность эксплуатации до предельного состояния.

Гамма-процентный срок службы - средняя календарная продолжительность эксплуатации, в течение которой объект не достигает предельного состояния с заданной вероятностью у процентов.

Показатели сохраняемости характеризуют свойство элемента сохранять эксплуатационные качества во время хранения и транспортировки. Для этого используют средний срок сохраняемости Тх и интенсивность отказов при хранении Хх. Свойство сохраняемости можно рассматривать как специфический случай безотказности в период хранения и транспортировки. В сельском хозяйстве большая часть энергетического оборудования занята в течение года от двух до шести месяцев, а остальное время ее не используют. Для такого оборудования свойство сохраняемости имеет первостепенное значение.

Комплексные показатели надежности . Коэффициент готовности КГ характеризует готовность объекта к применению по назначению:

Коэффициент технического использования Кти характеризует время нахождения объекта в работоспособном состоянии с учетом простоя объекта на всех видах технического обслуживания и ремонта:

Показатели надежности электроснабжения . Все перечисленные показатели можно использовать для оценки системы сельского электроснабжения, главное требование к которой - бесперебойное снабжение электрической энергией присоединенных к ней потребителей. Поэтому основными показателями надежности принято считать число (п) и длительность (ТОТКл) отключений.

Отключения сельских сетей происходят по различным причинам. Они могут быть случайными (внезапными) или преднамеренными (плановыми). Первые возникают при аварийных ситуациях, а вторые осуществляет обслуживающий персонал в плановом порядке. Аварийные отключения из-за своей неожиданности приносят больший ущерб, чем плановые. Для учета этих особенностей вводят понятие эквивалентной продолжительности отключений

Показатели надежности могут принимать значения, неизвестные заранее, т. е. являются случайными величинами. Такие величины изучают в теории вероятностей, где вероятность - это количественная оценка возможности появления случайного события, или случайной величины.

При помощи теории надежности определяют общие закономерности изменения эксплуатационных свойств оборудования. Эти закономерности имеют важное значение для решения общих задач, связанных с выбором схем электроустановок, режимов их использования, стратегии обслуживания и т. п. Для решения инженерных задач необходимо иметь численные значения показателей надежности.

Основной закон надежности устанавливает связь между тремя показателями: вероятностью безотказной работы, средней наработкой на отказ и интенсивностью отказов. Если известны два из них, то третий легко определить из этого закона. Простейшие методы расчета надежности рассмотрим, решая задачи.

..