ВІД РОЗРОБКИ ДО ВПРОВАДЖЕННЯ

Головна : : Статті : : Багатофакторні експерименти при дослідженні надійності...

Б.М. Ванєєв, В.М. Гостищев

Багатофакторні експерименти при дослідженні надійності вибухозахищених електродвигунів

Постановка проблеми

Забезпечення надійності низьковольтних вибухозахищених асинхронних двигунів (АД) є складною проблемою, оскільки залежить від багатьох конструктивних і технологічних факторів. Експериментальні дослідження подібної залежності повинні, у принципі, задовольняти ряду концептуальних вимог, у тому числі:

Подібним вимогам повною мірою відповідають тільки так називані активні багатофакторні експерименти (АМФЕ), засновані на такому втручанні в хід досліджуваного процесу, при якому на об'єкт подаються спеціально організовані впливи, що обурюють, сплановані на підставі математичної статистики. Проблема полягає у використанні подібних АМФЕ у завданнях забезпечення надійності вибухозахищених АД.

Аналіз публікацій

Розглянуті АМФЕ були вперше запропоновані та проведені англійським математиком Р.А. Фишером в 20-і роки минулого сторіччя. У вітчизняній науковій літературі перші публікації по застосуванню цих методів з'явилися у 1950-60-і роки. Особливо великий інтерес до цієї теми з'явився після виходу у світло книги В.В. Налимова і Н.А. Черновой (1965), яка зіграла значну роль у справі її популяризації серед вітчизняних фахівців, після чого в наступні 20 років у СРСР опубліковано ще півтора десятка монографій по АМФЕ як вітчизняних, так і закордонних авторів. Ініціатива застосування цих методів у завданнях надійності електричних машин (ЕМ) належить Е.К. Стрельбицькому (1966) і О.Д. Гольдбергу (1968).

Проведений нами аналіз робіт з надійності ЕМ, у яких було здійснено 114 подібних експериментів, показав [1], що з надійністю ізоляції обмотки статора було зв'язано 57 % досліджень, контактно-щіткового вузла – 16 % і підшипникового вузла – 10 %. Аналогічне співвідношення зберігалося в наступні десятиліття й залишиться незмінним у найближчому майбутньому, оскільки згідно новітнім даним експлуатаційної статистики та дефектації на ремонтних заводах обмотка статора та підшипникові вузли (а для АД с фазним ротором – також контактно-щітковий вузол та обмотка ротора) як і раніше ставляться до найбільш аварійних складальних одиниць.

Основна частина АМФЕ проводилася в області розробки методів випробувань на надійність (47 %). До області технології ставилося 37 % досліджень, а АМФЕ в області конструкції ЕМ проводилися рідко (8 %). Таке співвідношення характерно для початкової стадії розвитку науки про надійність ЕМ, коли головним завданням дослідників було в першу чергу навчитися оцінювати надійність виробів шляхом моделювання в лабораторії експлуатаційних факторів. У цей час основна увага повинна, мабуть, приділятися проблемам підвищення надійності за рахунок регулювання конструкторських і технологічних факторів.

Однак якщо в області статистичної обробки інформації про надійність виробів у ті роки був розроблений цілий ряд державних стандартів, детально регламентуючі всі процедури проведення випробувань виробів на надійність та обробки їхніх результатів, те в області АМФЕ подібної нормативної документації не було. Затверджений лише ДСТ 24026-80 по термінології в області планування експерименту. Тому дослідники використали ті плани експерименту, які були описані в тієї або інший доступній їм науковій літературі, тобто вибір цих планів носив зовсім випадковий характер і тому нерідко вибиралися плани неоптимальні та часом навіть непридатні для рішення даного конкретного завдання.

Ціль статті. Розробка нормативних документів, які регламентують вибір плану АМФЕ, порядок проведення та обробки результатів при дослідженні надійності вибухозахищених АД.

Результати досліджень

Забезпечення надійності АД як кібернетичне завдання керування найбільш ефективно досягається на основі аналізу ММ, яка описує залежність надійності досліджуваної складальної одиниці від її конструктивних і технологічних факторів. Найчастіше використаються статистичні (емпіричні) ММ у вигляді поліномів, отримані в результаті статистичної обробки експериментальних даних. Така ММ може бути отримана при невеликих витратах часу та засобів, вона має просту структуру і зручна для аналізу, дозволяє апроксимувати широкий клас функцій, які відповідають вимогам безперервності та достатньої «гладкості». На практиці обмежуються кінцевим числом членів ряду Тейлора, наприклад, поліномом другого порядку, коефіцієнти якого b0, bi, bij, bii еквівалентні часткою похідним цього ряду для функції, що має всі безперервні частки похідні. Недолік подібних ММ полягає в тім, що область їхнього застосування обмежується найближчою околицею робочих крапок, у яких проводилися експерименти. Крім того, одержавши з досвіду числові оцінки коефіцієнтів полінома, відновити вихідне аналітичне рівняння (фізичну ММ) уже неможливо.

Для експериментального одержання поліноміальної ММ необхідно вирішити наступні завдання:

Експеримент містить у собі також підготовку спеціальних іспитових зразків відповідно до плану (матриці) АМФЕ, безпосереднє проведення випробувань на надійність, обробку результатів експерименту та одержання ММ й, нарешті, розрахунок оптимального варіанта конструкції або технології виготовлення досліджуваної складальної одиниці.

У ряді випадків по різних технічних причинах доводиться вводити в експеримент не тільки кількісні, але також і якісні фактори. Нерідко виробничі умови змушують обмежуватися одержанням неповного полінома другого порядку або навіть полінома першого порядку.

Стратегії планування АМФЕ істотно залежать від типу розв'язуваного при дослідженні завдання.

Найчастіше завданням АМФЕ є побудова моделі досліджуваного процесу, тобто завдання інтерполяції (ідентифікації). Оскільки на практиці найбільш тверді вимоги до плану АМФЕ пов'язані з обмеженням кількості випробуваних зразків, то в завданнях інтерполяції застосовуються не потребуючі великої кількості досвідів лінійні плани першого порядку – дворівневий повний факторний план (ПФП) типу N=2k або дробовий факторний план (ДФП) типу N=2k-р, де k – кількість досліджуваних факторів; р – кількість факторів, ефект яких змішується з ефектами взаємодій; N – число рядків матриці експерименту (досвідів без обліку дублювання). Число членів в ММ при цьому не може бути більше N. Приклади подібного плану наведені нижче.

Якщо є можливість випробувати 15...30 і більше зразків, те рекомендується застосовувати плани другого порядку.

Для оцінки оптимальності планів, тобто їхньої якості, використають спеціальні статистичні критерії. Якщо лінійні плани першого порядку звичайно задовольняють відразу декільком критеріям, то в планах другого порядку сполучити кілька корисних властивостей не вдається. Тому був виданий каталог [2], у якому для 257 планів другого порядку при числі факторів від одного до семи наведені 6 подібних критеріїв, а також зазначені ще 6 інших властивостей планів, що дозволяє при заданому числі факторів вибрати план, який володіє найбільш прийнятними характеристиками при мінімальному числі випробуваних зразків.

Оскільки опис поверхні відгуку експерименту поліномом зводиться до того, що реальна поверхня відгуку згладжується деякою теоретичною поверхнею, яка описується отриманою ММ, те фактичні екстремальні крапки цієї поверхні методами інтерполяції виявлені бути не можуть і при істотно нелінійному характері поверхні відгуку інтерполяційне планування може дати невірний результат. Тому для завдань оптимізації розроблені особливі стратегії, найбільше поширення серед яких одержала стратегія крутого сходження (Ю.П. Адлер, 1976).

Нарешті, із завданням екстраполяції результатів АМФЕ поза областю експериментування доводиться зіштовхуватися насамперед при прискорених випробуваннях на надійність, так як для ЕМ с їх досить високою надійністю проводити АМФЭ на рівні номінального навантаження недоцільно через надмірну тривалість випробувань. Тому за нижній рівень такого потужного фактора, що впливає, як, наприклад, температура ізоляції обмотки, приймають температуру не менш гранично припустимої для її класу нагрівостійкості, а за верхній рівень – ще більш високу. Екстраполяція результатів таких досліджень в область номінальних температур і навантажень (тобто далеко за межі області експерименту), являє собою відомі теоретичні труднощі. Спеціальні методи планування експерименту в подібних завданнях розглянуті, зокрема, Г.А. Кругом (1977) і Е.К. Лецким (1981).

Методи планування експерименту для перерахованих вище завдань були регламентовані нами в радянському галузевому стандарті ОСТ 16 0.689.042-74 [3], потім в ОСТ 16 0.800.778-80 [4], і, нарешті, в українському КНД 3-09-47-95 [5].

Короткий зміст цих стандартів і досвід їх багаторазового практичного застосування викладені в [6].

Як приклад використання АМФЕ розглянемо випробування на надійність конвеєрних електродвигунів типу 4ВР225М4 потужністю 45 кВт при різних варіантах конструкції та технології виготовлення з метою вибору найбільш оптимального варіанта для знову розроблювальних електродвигунів АИУМ225М4. В експерименті досліджувався вплив наступних якісних факторів13:19 26.05.2008:

Кожен фактор був установлений на двох рівнях, першому з яких умовно привласнене кількісне значення плюс 1 (+1), а другому – мінус 1 (- 1).

Фактор X1 мав варіанти:

Фактор X2 мав варіанти:

Було виготовлено 6 двигунів із всипною обмоткою статора з емальпровода марки ПЕТ-155 діаметром 1,7 мм (клас нагрівостійкості ізоляції F) і проведені в лабораторії їхні прискорені випробування на надійність у режимі:

Всі двигуни випробовувалися до відмови обмотки статора (відбулося 5 віткових замикань та одне замикання на корпус). У виготовленні та випробуванні двигунів брали участь О.М. Акименко, В.І. Буслюк, В.Д. Главний, Ю.І. Дмитрєнко, Л.І. Колесник, В.Г. Орлов, В.І. Орлов, Г.Я. Родионенко, А.Г. Ручкин.

Екстраполяція результатів випробувань на номінальні умови проводилася по базовій моделі [7]
Тэу·exp[-4448/0.4343([1/(273+θу)]-[1/(273++θэ)])], ч,
де Тэ, Ту – ресурс обмотки статора в умовах прискорених випробувань та в умовах експлуатації, ч;
θэ, θу – температура обмотки статора в умовах прискорених випробувань та експлуатації.

Температура θу зазначена вище, а θэ розрахована як сума перевищення температури обмотки статора конкретного випробуваного зразка АД, визначеного при його випробуванні на нагрівання, і гранично припустимої температури шахтного повітря, рівної 26 °С згідно [8].

План експерименту ПФП типу 22 наведений у таблиці 1 (у плані дублювалися третій і четвертий рядок).

Таблиця 1
Номер досвіду Безрозмірні значення факторів
X1 X2
1 +1 +1
2 -1 +1
3 +1 -1
4 -1 -1

Обробка результатів випробувань вироблялася по формулах [6]: Тэ=b0+∑ Ni=1 biXi+b0+∑ Ni, j=1, i≠ j bijXiXj,
b0=(1/N)∑ Ni=1Тэi,
bi=(1/N)∑ Ni=1Xi·Тэi,
bij=(1/N)∑ Ni, j=1, i≠ j XiXj·Тэi,
де b0, bi, bij – коефіцієнти регресії;
Xi, Xj – безрозмірні значення факторів;
N – число рядків у плані експерименту;
Тэi – ресурс обмотки статора зразка, що відповідає і-тому рядку плану.

Була отримана ММ: Тэ=6291+4144X1+3759X2+2465X1X2, год., відповідно до якої найкращі результати (розрахункове значення Тэ =16659 год.) дає застосування ПСК-М-250, механізованого укладання та просочувального компаунда КП-50.

Досить ефективне використання АМФЕ не тільки при проведенні прискорених випробувань, але також і при експлуатаційних випробуваннях на надійність. Так для конвеєрних АД типу 2ЕДКОФ250М4 потужністю 55 кВт с твердими котушками обмотки статора був використаний аналогічний ПФП типу 22.

Фактор X1 мав варіанти:

Фактор X2 мав варіанти:

Було виготовлено 8 двигунів (для дублювання досвідів) і проведені їхні експлуатаційні випробування в приводі шахтних скребкових конвеєрів типу СП-63, СП-202 і СПМ-87. У виготовленні та випробуванні двигунів брали участь В.Ф. Горягин, Ю.І. Дмитрєнко, Л.І. Колесник, А.Г. Ручкин.

Обробка результатів випробувань дозволила одержати ММ: Тэ=12233+4622X1+1017X2+3160X1X2, год.,
відповідно до якої найкращі результати (розрахункове значення Тэ =21022 год.) дає застосування ПЕТП-200, ПСК-ПЛ, ПЕ-993 і магнітного клина.

Рекомендації, отримані в результаті обох АМФЕ (с 4ВР225М4 і с 2ЭДКОФ250М4), були передані на заводи-виготовлювачі цих АД для практичного впровадження.

Висновки

Розробка та введення в дію галузевих нормативних документів, які регламентують порядок планування АМФЭ при рішенні різних експериментальних завдань, їхнього проведення та обробки результатів, дозволили вирішити проблему забезпечення надійності вибухозахищених АД на строго науковій основі.

Список літератури
  1. Надежность асинхронных двигателей // Б.Н. Ванеев, В.Д.Главный, В.М. Гостищев, Л.И. Сердюк. – К.: Техніка, 1983. – 143 с.
  2. Таблицы планов для факторных и полиномиальных моделей: Справ. изд. / В.З. Бродский, Л.И. Бродский, Т.И. Голикова и др. – М.: Металлургия, 1982. – 742 с.
  3. ОСТ16 0.689.042-74. Оборудование электротехническое взрывозащищенное и рудничное на напряжение до 1000 В. Надежность. Методика обеспечения и контроля двигателей асинхронных с короткозамкнутым ротором мощностью от 0,25 до 110 кВт и комбайновых.
  4. ОСТ16 0.800.778-80. Оборудование электротехническое взрывозащищенное и рудничное на напряжение до 1200 В. Двигатели асинхронные с короткозамкнутым ротором мощностью от 0,25 до 315 кВт и комбайновые. Надежность. Методика обеспечения надежности.
  5. КНДЗ-09-47-95.Электрооборудование взрывозащищенное и рудничное. Надежность. Исследования надежности методами многофакторных экспериментов.
  6. Обеспечение надежности асинхронных двигателей / П.И Захарченко, И.Г. Ширнин, Б.Н. Ванеев, В.М. Гостищев; УкрНИИВЭ.– Донецк, 1998.– 324 с.
  7. Надежность электрооборудования угольных шахт / Б.Н. Ванеев, В.М. Гостищев, В.С. Дзюбан и др. / Под ред. А.И. Пархоменко. – М.: ОАО «Издательство «Недра», 1997. – 302 с.
  8. НПАОП 10.0 – 1.01-05. Правила безпеки у вугільних шахтах.– К.: Держнаглядохоронпраці, 2005. – 496 с.
Головна : : Статті : : Багатофакторні експерименти при дослідженні надійності...
Україна, м. Донецьк,
вул. 50-й Гвардійської дивізії, 17
тел.: +380 62 382-93-53
Рейтинг@Mail.ru Інформаційно-розважальний портал КомерСайт .Рейтинг сайтів регіону Украинский портАл Украина-Сегодня: Каталог сайтов Яндекс цитирования Украина онлайн Rambler Top100 Rambler's Top100 Б И З Н Е С - И Н Ф О Р М -  Каталог фирм, организаций, товаров и услуг Украины Valid XHTML 1.1