автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Методика ускоренной оценки ресурса пленочных электронагревателей

На правах рукописи

ТКАЧЕВ Андрей Николаевич

МЕТОДИКА УСКОРЕННОЙ ОЦЕНКИ РЕСУРСА ПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ (НА ПРИМЕРЕ РАБОТЫ ПЛЭН В УСЛОВИЯХ СВИНОВОДСТВА)

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

2 9 АПР 2015

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск-2015 005568П/

005568117

Работа выполнена на кафедре «Электрические машины и эксплуатация электрооборудования в сельском хозяйстве» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Челябинская государственная arpo-инженерная академия».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Буторин Владимир Андреевич

Официальные оппоненты: Воробьев Николай Павлович,

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Электрификация производства и быта» ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова»

Метельков Владимир Павлович,

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» Уральского энергетического института ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина»

Ведущая организация: ФГБНУ «Всероссийский научно-

исследовательский институт электрификации сельского хозяйства»

Защита состоится «10» июня 2015 г., в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.069.01 на базе ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия» по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В. И. Ленина, 75.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия» http://www.csaa.ru.

Автореферат разослан «17» апреля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Плаксин

Алексей Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В условиях российского климата большое количество затрат связано с обогревом животноводческих помещений в холодный период. Кроме того, в зимние месяцы отмечается увеличенный падеж животных. Наиболее целесообразным средством преодоления указанной проблемы является локальный обогрев животных, особенно молодняка, из-за повышенных требований к температурным условиям. Одним из устройств локального и общего обогрева является пленочный лучистый электронагреватель («пленочный электронагреватель»), выпускаемый серийно с 2005 года. Этот вид нагревателей показал свою эффективность на достаточно большом количестве объектов сельскохозяйственного назначения, социальной сферы и жилых помещений. Надежность пленочных электронагревателей определяется состоянием их изоляции. В данной работе их надежность рассмотрена на примере одного из видов пленочных электронагревателей - ПЛЭН.

Для оперативной оценки эффективности мероприятий по повышению качества изготовления, эксплуатации и восстановления ПЛЭН необходимы подходящие для этого способы и средства. До сих пор отсутствует научно обоснованная методика оценки надежности выпускаемых пленочных электронагревателей. Существующие методики испытаний долговечности изоляционных материалов в неадаптированном виде неприменимы для ПЛЭН и нуждаются в дальнейшем совершенствовании.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с Государственной программой развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы согласно постановлению Правительства Российской Федерации от 14 июля 2012 г. № 717.

Целью работы является прогнозирование ресурса пленочных электронагревателей в животноводстве на основе разработанной методики ускоренных испытаний по результатам изменения пробивного напряжения их изоляции (на примере работы ПЛЭН в условиях свиноводства).

Для достижения этой цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработать вероятностную модель и алгоритм статистического моделирования для оценки ресурса элементов пленочных

электронагревателей, а также обосновать функцию результирующей надежности этих нагревателей.

2. Разработать методику оценки ресурса элементов пленочных электронагревателей по результатам ускоренных испытаний на эксплуатационных режимах воздействующих факторов и технические средства ее реализации.

3. Установить факторы, влияющие на долговечность ПЛЭН, с учетом режима их работы, а также аналитические зависимости скорости изменения пробивного напряжения от этих факторов и показатели изменения пробивного напряжения элементов пленочных электронагревателей от наработки.

4. Произвести оценку ресурса ПЛЭН по разработанной методике на основе ускоренных испытаний и сопоставить ее результаты с данными эксплуатационных наблюдений в свиноводстве.

Объект исследования: процесс старения пленочных электронагревателей при использовании в свиноводстве.

Предмет исследования: закономерности изменения параметра состояния изоляции пленочных электронагревателей при их эксплуатации в условиях свиноводства.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:

1. Разработана вероятностная модель оценки ресурса пленочных электронагревателей по результатам ускоренных испытаний на эксплуатационных режимах работы.

2. Разработана методика ускоренных испытаний изоляции пленочных электронагревателей, позволяющая прогнозировать их ресурс в вероятностном аспекте по изменению величины пробивного напряжения.

3. Установлены значения показателя а изменения пробивного напряжения элементов изоляции пленочных электронагревателей от наработки, а также закономерности, отражающие скорость изменения параметра состояния их элементов изоляции от основных эксплуатационных факторов.

Практическая ценность работы и реализация ее результатов:

1. Применение разработанной методики прогнозирования ресурса пленочных электронагревателей по результатам ускоренных испытаний позволяет значительно сократить период (в 10 раз) и средства оценки ресурса по сравнению с эксплуатационными испытаниями.

2. Разработано техническое средство для определения состояния изоляции пленочных электронагревателей. Устройство для

определения электрической прочности листовых материалов позволяет проводить контроль состояния изоляции ПЛЭН при сохранении целостности испытуемых образцов листовых материалов с большой поверхностью. Новизна данного технического решения подтверждена патентом РФ на полезную модель.

3. Обработка результатов экспериментов и вычисление ресурса оборудования с помощью разработанных программ для ЭВМ производится без фактических затрат времени.

4. Результаты научно-исследовательской работы по оценке ресурса пленочных электронагревателей апробированы в НИИ МАСП, ООО «КВАНТ» (г. Челябинск). Они могут быть использованы предприятиями-изготовителями, монтажными и эксплуатирующими организациями.

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований ресурса пленочных электронагревателей используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО ЧГАА по дисциплине «Эксплуатация электрооборудования в сельском хозяйстве».

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований были представлены и получили одобрение на XLIX-LIV международных научно-технических конференциях «Достижения науки - агропромышленному производству» ЧГАА (г. Челябинск, 2010-2015 гг.); всероссийской научно-практической конференции «Научное обеспечение инновационного развития АПК» в рамках

XX юбилейной специализированной выставки «АгроКом-плекс-2010» (г. Уфа, Башкирский ГАУ, 2010 г.); международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК» Саратовского ГАУ имени Н.И. Вавилова (г. Саратов, 2010 г.); конференциях II этапа в Уральском федеральном округе и III финального этапа всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Министерства сельского хозяйства Российской Федерации в номинации «Технические науки» (г. Челябинск - г. Саратов, 2011 г.);

XXI заочной научной конференции Research Journal of International Studies (г. Екатеринбург, 2013 г.); II молодежной научной конференции «Разработки молодых ученых - агропромышленному комплексу» (г. Челябинск, 2014 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, отражающих ее основное содержание, в том числе две в изданиях, рекомендуемых ВАК, и один патент РФ на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 152 наименований и приложений. Основное содержание работы изложено на 135 страницах машинописного текста, содержит 29 рисунков и 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматривается актуальность темы, дается ее общая характеристика, сформулированы цель и задачи исследования, кратко изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» рассмотрены применяемые общие способы обогрева сельскохозяйственных помещений и с помощью пленочных лучистых электронагревателей, а также вопросы долговечности изоляции и методы их испытания.

Большой вклад в решение проблем обогрева сельскохозяйственных животных внесли работы Л. А. Баранова, Д.Н. Быстрицкого, Л. С. Герасимовича, В.Н. Делягина, Н.Е. Епишкова, И.Ф. Кудрявцева, В.К. Мурзина, В.М. Попова, Л.Г. Прищепа, В.Н. Расстригина, С. А. Растимешина, А.Э. Шкеле и других ученых. Наиболее актуальным и экономически целесообразным способом обогрева молодняка животных в неотапливаемых помещениях признан местный электрообогрев. Система теплового комфорта на базе ПЛЭН для поросят-сосунов в условиях неотапливаемого свинарника-маточника разработана в рамках научной работы Е. Н. Епишкова совместно с учеными ЧГАА.

Пленочный электронагреватель представляет собой многослойное полотно, в котором резистивный ленточный греющий элемент из металлической фольги и алюминиевая фольга для выравнивания температуры по поверхности нагревателя ламинируются между слоями полимерной полиэтилентерефталатной (ПЭТ) пленки.

Согласно исследованиям Л. С. Герасимовича, «требуемая работоспособность поверхностно-распределенного электронагревателя определяется, в конечном итоге, общей допустимой энергетической нагрузкой основных функциональных элементов (резистивных тел и тонкослойной электроизоляции)». При изготовлении резистивных тел в современных условиях из цельного материала следует об-

ратить особое внимание на состояние изоляции, как и для любого электрооборудования. Долговечность ПЛЭН определяется ресурсом его изоляции.

В теории расчета долговечности изоляции наиболее известны эмпирическое «правило восьми градусов» Монтзингера для изоляции класса А, закон Я. Вант-Гоффа и С. Аррениуса на основе кинетики химических реакций. На основании данных законов невозможно установить ресурс исследуемых ПЛЭН.

К моменту начала изучения надежности ПЛЭН это направление в научных изданиях не освещено. В настоящей работе учтены данные, полученные при изучении надежности изоляции электрических машин в сельском хозяйстве, как наиболее близкие по тематике. Значительный вклад в решение вопросов надежности асинхронных двигателей внесли Э.К. Стрельбицкий, Ю. П. Похолков, О. П. Муравлев, В. В. Пыхтин, С. С. Марьин (г. Томск), О. Д. Гольд-берг, А. И. Голубович, С. П. Хелемская (г. Москва), а также О. И. Хомутов, O.K. Никольский, Н.П. Воробьев, С.О. Хомутов, О.В. Хо-менко (г. Барнаул) и другие. В ЧИМЭСХ (г. Челябинск) надежность изоляции электродвигателей изучали A.A. Пястолов, Е.Г. Мяки-нин, В. К. Мокеев, А.Е. Немировский, Л . А. Саплин, В. И. Чарыков, Г. А. Петров, Ю.П. Ильин, В. И. Дергач и другие ученые.

Основными методами определения долговечности являются эксплуатационные и ускоренные испытания. Первые из них не требуют специальных технических средств их реализации, но имеют большую длительность. Вторые - менее продолжительны, но не адаптированы к испытаниям ПЛЭН. На основании вышесказанного были сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава «Теоретическое обоснование ускоренной оценки ресурса пленочных электронагревателей» посвящена разработке детерминированной модели ресурса элементов ПЛЭН и на ее основе вероятностной модели ресурса этих элементов; установлению функции результирующей надежности пленочных электронагревателей; аналитическому исследованию влияния факторов на скорость изменения параметра технического состояния (ПТС) и показателя, характеризующего его изменение в зависимости от наработки для отдельных элементов; обоснованию применения метода статистического моделирования для прогнозирования ресурса элементов данных нагревателей.

Наиболее универсальной зависимостью ПТС от наработки, отображающей широкий спектр процессов эксплуатации объектов электрооборудования, является степенная функция, использованная в работах Г. В. Дружинина, Б. С. Сотскова, Е.Г. Мякинина, А.Е. Неми-ровского, В. А. Буторина, В. Д. Девяткова, М.С. Швецова, К. П. Вов-денко и других ученых. Согласно ГОСТ Р 51180-98, определяющим параметром состояния для пленочных электроизоляционных материалов является пробивное напряжение U, поэтому его и принимаем для ПЛЭН. Зависимость текущей величины напряжения пробоя от наработки представлена в виде

U = U0-Vta, (1)

где U- пробивное напряжение изоляции, В;

U0 - пробивное напряжение изоляции после периода стабилизации, В;

V- величина, характеризующая скоростной режим старения, В/ча;

t - наработка, ч;

а - безразмерный показатель процесса старения, определяющий характер изменения пробивного напряжения от наработки (отражает конструктивные особенности и технологию изготовления ПЛЭН).

При достижении предельного значения пробивного напряжения изоляции U= U , значение которого приведено в РД 34.45-51.300-97, наступает отказ ПЛЭН. В этом случае наработка t будет равна ресурсу Т, который из выражения (1) определяется следующим образом:

r-f^,

где Г-ресурс, ч;

U - предельное значение пробивного напряжения изоляции, В. приведенные параметры U0, t/ р и а для каждого типоразмера ПЛЭН имеют определенное постоянное значение. Непосредственно поддающейся экспериментальному определению величиной при проведении испытаний является пробивное напряжение U, поэтому нетрудно получить скорость изменения пробивного напряжения у, взяв производную выражения (1) по времени:

y=— = -CLV-ta-\ (3)

dt

Откуда после преобразований при I = I от начала ускоренных испытаний после периода стабилизации имеем

У = -'-II,

а

(4)

где></ = 1) - скорость изменения пробивного напряжения при единичной наработке, В/ч;

д - коэффициент размерности, ц = 1 [единица времени1-"]. При подстановке значения V из (4) в выражение (2) получаем ресурс изделия:

(5)

Из анализа зависимости (2) следует, что ресурс изоляции ПЛЭН является функцией одной случайной величины V, которая зависит от эксплуатационных факторов и, как правило, распределена по нормальному закону:

1

О,

■ехр

(Г-ту)2

2а1

(6)

где т{П о,, - соответственно математическое ожидание и среднеква-дратическое отклонение величины V.

Пробивное напряжение V, как видно из (1), является линейной функцией случайной величины V. Тогда в каждый фиксированный момент времени и тоже будет нормальной случайной величиной. При этом математическое ожидание ш(/ и среднеквадратическое отклонение ст{/ пробивного напряжения выражаются через параметры ту и ау величины К по формулам:

т„ =и0- туГ , аи = «V" . (7)

Вероятность безотказной работы Р элемента ПЛЭН в некоторый момент времени I есть вероятность того, что в этот момент текущее значение напряжения пробоя изоляции и больше некоторой заранее известной предельной величины С/пр (С/> С/пр), поэтому

CD

м

•exp

(C/-mf/)2

2a?,

if/.

(8)

В результате преобразований (8) и подстановки ти и с(/ из (7) получаем следующее выражение для вероятности P(t):

Р(0 = 0,5 + ф(-°

Gyt

(9)

Параметры ту и ау в свою очередь, согласно (4), выражаются следующим образом:

т„ =-

a

a

(10)

где т . _ о, _.. - соответственно математическое ожидание и сред-неквадратическое отклонение величины у\1 — I).

После подстановки значений тг и огиз равенств (10) в (9) получим окончательное выражение для вероятности безотказной работы ДО элементов ПЛЭН в некоторый (фиксированный) момент времени:

/>(/) = 0,5+ Ф

U0-Um+mv(M,-\i-tala

Я'=1)

Ус-')

(И)

Согласно модели «слабейшего звена», изоляция пленочных электронагревателей представляет собой систему с последовательным соединением элементов, в которой при отказе одного элемента выходит из строя вся цепь. Надежность ПЛЭН в целом будет определяться как произведение значений надежности для его отдельных элементов:

(0=^(0]41рЛ<)У --№)]'■> (12)

где Рх{0, Р2(0. •••> ^(0 - вероятности безотказной работы отдельных элементов ПЛЭН;

г,, г2,..., гг - количество одинаковых элементов в составе ПЛЭН.

Для более полного представления о ресурсе элементов пленочных электронагревателей установлено выражение плотности распределения этого ресурса ¿(7) на основе выражений (2) и (6) по формуле:

g(7>/[F(r)].|F'(r)|,

(13)

и

где/[К] - функция плотности распределения величины V; У(Т)- функция величины V в зависимости от ресурса; \У{Т)\ - абсолютное значение первой производной функции У{Т). В результате соответствующих вычислений, подстановок и преобразований окончательное выражение плотности распределения ресурса элементов ПЛЭН примет вид:

-, К- гра+\ "еХР

а{и0-ипр) |

,(14)

Таким образом, для оценки ресурса необходимо по результатам ускоренных испытаний определить три параметра, входящие в выражение (14): т , ой(.„ и а.

Значение показателя а определяется по результатам ускоренных испытаний при постоянных значениях основных воздействующих факторов и рассчитывается согласно методу наименьших квадратов:

п п

1=1 /=1 J

«Е(*.)ЧЕ*<

/=1 /

(15)

где п - число наблюдений;

х = ]%(() - логарифм значения наработки от начала наблюдения до замера величины изменения пробивного напряжения II;

у = 1§(С/0 - 17) - логарифм значения изменения пробивного напряжения изоляции за наработку г.

Получение аналитической зависимости выходного параметра у{1= 1) от воздействующих факторов возможно посредством проведения многофакторного эксперимента. После реализации матрицы планирования ускоренных испытаний определяются выборочные оценки коэффициентов регрессии. С учетом этого искомый выходной параметр в качестве функции отклика примет вид полинома:

у(г = 1) = 4+ Е4-*,+ЕЛ - + Е 4, ■ )2 + -' (16>

1=1 ¡<] '='

где А, А., Аг Аи,... - выборочные оценки коэффициентов регрессии, характеризующие степень влияния каждого основного фактора на скорость изменения ПТС ПЛЭН;

х,, х2,..., хк - основные действующие факторы в кодированном виде.

Для выражения (16) в виде полинома первого порядка определение численных значений тя>((= 1(и ^ производится по формулам для композиции нормально распределенных факторов. Для полиномов с линейными взаимодействиями, второго и более высоких порядков определение параметров ресурса производится методом статистического моделирования (Монте-Карло). В последнем случае с помощью ЭВМ составляется случайный ряд распределения значений каждого основного фактора, влияющего на ресурс ПЛЭН. Затем производится его многократный расчет по формуле (5) с учетом степени влияния значимых факторов, определяемой по выражению (16).

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» разработаны методика и средства проведения испытаний изоляции пленочных электронагревателей.

Из разработанных типоразмеров пленочных электронагревателей для проведения эксперимента выбраны наиболее распространенные в настоящее время. Они нашли широкое применение в системах теплового комфорта для поросят-сосунов. Использовались ПЛЭН 0,65x1,5 м, -220 В, 50 Гц, 175 Вт. Испытаниями установлено, что наиболее «слабым» местом ПЛЭН является верхний слой изоляции со стороны излучающей поверхности, который и испытывался в настоящей работе. Толщина слоя полимерной изоляции ПЭТ - 125 мкм.

На основании анализа эксплуатационных условий использования ПЛЭН в свиноводстве и результатов научно-исследовательских работ выявлены основные факторы, влияющие на ресурс их изоляции: напряжение питания (£/); относительная влажность воздуха (Щ; концентрация аммиака в воздухе (0; режим включения. Такой фактор, как режим включения пленочных электронагревателей, при ускоренных испытаниях будет соответствовать условиям эксплуатации и потому принят постоянным. Под режимом включения понимается продолжительность рабочего времени в течение цикла и число включений в час. Он учитывается членом А0 определяемого полинома (16). Остальные факторы, в соответствии с условиями эксплуатации, носят случайный характер.

Для установления периодичности включения ПЛЭН определяются постоянные нагрева Тн и охлаждения Г0, зависящие от конструктивно-технологических особенностей изделий. При этом процесс нагрева описывается экспоненциальным законом:

где т - температура поверхности ПЛЭН, °С;

т0, т - соответственно начальное и установившееся значения температуры поверхности ПЛЭН, °С;

/ - время работы при постоянной нагрузке, с; 7Н — постоянная времени нагрева, с.

На основании выражения (17) для вычисления постоянной нагрева методом наименьших квадратов определяется численное значение коэффициента 6, = 1/Гн по формуле (15), аналогично показателю а, где:

я,. = /. — значение наработки от начала наблюдения до достижения текущей температуры; т — т

у, = 1п——--—логарифм отношения, характеризующего изменение температуры за наработку г..

Для исследования скорости старения изоляции от условий эксплуатации выбран план полного факторного эксперимента первого порядка для трех факторов 23 с трехкратной повторностью. Если полученный полином будет неадекватно описывать изучаемый процесс, следует перейти к плану более высокого порядка. За результат каждого из испытаний, согласно ГОСТ 6433.3-71 и ГОСТ 24234-80, принимают среднее арифметическое пяти измерений.

Кодирование факторов для плана осуществляется по выражению:

у ~ у

х.= ' (18)

ДАТ,

где X. - натуральное значение фактора;

Ха, — натуральное значение фактора на нулевом уровне; АХ. - интервал варьирования.

При проведении ускоренных испытаний воздействующие факторы поддерживаются на одинаковом уровне в течение одного опыта. В климатических камерах пленочные электронагреватели имеют развернутое положение без перекрытия излучающих поверхностей. По результатам каждого опыта в итоговый столбец записывается скорость изменения выходной величины^ = 1) при наработке 750 ч.

Допустимые методы и схемы испытаний твердых электроизоляционных материалов при переменном напряжении частоты 50 Гц указывает ГОСТ 6433.3-71. Основным элементом технических средств определения электрической прочности изоляции является система электродов.

На основании устройства для определения электрической прочности узких полос и ленточных материалов (ГОСТ 6433.3-71) разработано устройство (патент РФ на полезную модель № 103932), позволяющее проводить испытания целых ПЛЭН без разрезания на части листового образца (рисунки 1, 2) и этим обеспечить возможность их дальнейшего использования для определения значения у(1 = 1). Между торцевыми рабочими поверхностями верхнего 1 и нижнего 2 корпусов для электродов, установленных в крышке 5 и основании 6 внешнего корпуса, соединенных шарниром 7, помещается образец из испытуемого материала 8, который зажимается между верхним 3 и нижним 4 электродами под действием собственного веса верхнего электрода; затем производятся необходимые измерения. В составе электрической схемы испытаний использована серийная установка АИИ-70 вместе со статическим киловольтметром С196 и разработанным устройством (рисунок 3).

Обработка опытных данных проводится по методике, сложившейся в теории планирования эксперимента. Для вычисления ресурса ПЛЭН методом Монте-Карло составлена блок-схема алгоритма для ЭВМ (рисунок 4).

Результаты ускоренных испытаний необходимо проверить. Для сопоставления полученных данных необходима проверка гипотезы о сходимости результатов ускоренных испытаний и эксплуатационных наблюдений пленочных электронагревателей с помощью ¿-критерия Стьюдента.

Рисунок 1 - Схема расположения ПЛЭН в устройстве для определения электрической прочности листовых материалов (а) и общий вид данного устройства (б)

а

б

Рисунок 2 - Устройство для определения Рисунок 3 - Установка электрической прочности листовых в сборе для определения

материалов в разрезе пробивного напряжения

изоляции ПЛЭН

Рисунок 4 - Блок-схема алгоритма статистического моделирования для прогнозирования ресурса элементов ПЛЭН

Четвертая глава «Результаты и анализ экспериментальных исследований» посвящена обработке полученных данных, вычислению скоростей и показателей характера изменения пробивного напряжения элементов ПЛЭН, количественной оценке ресурса данных нагревателей, сопоставлению полученных результатов с данными реальной эксплуатации и технико-экономической эффективности от внедрения предлагаемой методики ускоренных испытаний.

На основании источников научно-технической информации и собственных исследований установлены численные значения параметров и уровни основных варьируемых эксплуатационных факторов для проведения ускоренных испытаний пленочных электронагревателей (таблица 1).

Таблица 1 - Уровни варьирования основных факторов при проведении ускоренных испытаний ПЛЭН

Наименование фактора, единица измерения Кодовое обозначение Уровень варьирования

нижний (-1) основной (0) верхний (+1) интервал (1)

Напряжение питания V, В 205 220 235 15

Относительная влажность воздуха IV, % 70 85 100 15

Концентрация аммиака 0, г/м3 *3 0 0,015 0,030 0,015

Для установления режима включения при испытаниях и изучения его влияния на состояние изоляции снята зависимость температуры нагрева ПЛЭН от времени работы. По экспериментальным данным, сглаженным методом наименьших квадратов, построена кривая нагрева. Так как при процессах нагрева и охлаждения условия теплоотдачи ПЛЭН не изменяются, то будут равны и их постоянные времени. Аналитическим методом наименьших квадратов в MS Excel и графическим, с помощью трех касательных (рисунок 5), определены постоянные нагрева Тн и охлаждения TQ ПЛЭН, значения которых составили 14 мин. В результате установлено, что в процессе работы ПЛЭН в логовах для поросят-сосунов температура изоляции не достигает установившегося значения.

400 800 1200 1600 2000 2400 Рисунок 5 - Определение постоянной времени нагрева ПЛЭН методом трех касательных

Работа пленочных электронагревателей составляет в холодные периоды на территории Челябинской области около 40% общего времени при общей температуре в свинарнике 10-И4 °С. При этом период охлаждения ПЛЭН превышает период работы. Так как в этом случае процессы, влияющие на старение изоляции, не приводят к дальнейшему усилению их влияния, нет необходимости выдерживать реальное время простоя при ускоренных испытаниях, и за счет этого можно сократить время их проведения. На основании определенного значения Ти, согласно (17), время достижения ПЛЭН требуемой температуры при эксплуатации составляет 15 мин. Таким образом, при ускоренных испытаниях время включения и отключения пленочных электронагревателей принято равным 15 мин.

В результате предварительных исследований снижения пробивного напряжения изоляции были установлены три участка, рассматриваемые как основные элементы нагревателя, определяющие ресурс ПЛЭН. Анализ экспериментальной кривой изменения пробивного напряжения изоляции от наработки показал наличие точки перегиба, что свидетельствует о наличии периода стабилизации этого напряжения для данного электрооборудования, который составил 5 тыс. ч.

Был исследован характер изменения пробивного напряжения элементов изоляции ПЛЭН от наработки по результатам ускоренных испытаний (рисунок 6). Расчет численных значений проводился согласно ранее изложенной методике по формуле (15) с использованием табличного редактора MS Excel.

{/, кВ 9

8.5

8

7.50 2500 5000 7500 10000 12500 150001,ч

1 - элемент с токопроводящей лентой (а, = 1,05); 2 - элемент перегиба токопроводящей ленты (а2 = 1,08); 3 — элемент контакта токопроводящей ленты с питающими проводами (а3 = 1,12)

Рисунок 6 — Характер изменения пробивного напряжения элементов изоляции ПЛЭН после периода стабилизации

На основании полученных значений а > 1 можем сделать вывод, что абсолютная величина скорости изменения пробивного напряжения изоляции ПЛЭН при постоянных условиях испытаний будет расти с увеличением наработки.

В результате обработки данных многофакторного эксперимента согласно разработанной программе в математическом пакете МаШСАЭ получены следующие аналитические зависимости скорости изменения пробивного напряжения элементов изоляции ПЛЭН, В/ч:

- с токопроводящей лентой (ТПЛ):

У{!= 1) = -(10,24 + 2,07-х2 + 1,41-х, + 0,41х2-лг3)-10-2; (19)

- перегиба токопроводящей ленты (ПТПЛ):

= 1) = - (9,17 + 1,1Ъх2 + 1,04-х3 + 0,27-х2-*3)-10'2; (20)

- контакта токопроводящей ленты с питающими проводами (КТПЛ):

У,(1= 1) = -(8,11 + 2,25-х2 + 1,09-х3 + 0,38-х2-х3)-10"2. (21)

По полученным результатам основное влияние на старение элементов ПЛЭН оказывает относительная влажность воздуха, затем - концентрация аммиака в окружающей среде, и в последнюю очередь - взаимное влияние влажности и агрессивности среды. Фактор напряжения питания в рассматриваемых пределах незначим.

Переход от зависимостей с факторами в кодированном виде (19)_(21) к натуральным значениям проводится с помощью выражения (18) с учетом уровней их варьирования (таблица 1). В результате подстановки и последующих преобразований получаем следующие уравнения y(t = 1) для соответствующих элементов, В/ч:

у£= !) = _(-0,572 +0,111-^-61,67-0 + 1,83-^е)-10-2, (22)

ур = 1) = _(-0,083 + О,О97-Г-33,15-0 + 1,20-^-0-Ю-2, (23)

у£= 1) = — (—3,561 +0,124-^-72,04-6+ 1.7O-1F-0-1O-2. (24)

Так как уравнения (19Н21) содержат коэффициенты взаимодействий, то оценка ресурса ПЛЭН проводилась методом Монте-Карло. По разработанной схеме (рисунок 4) в математическом пакете MathCAD проведен расчет и определение статистических характеристик параметров распределения ресурса элементов ПЛЭН, которые представлены на рисунке 7.

Были построены графики функции вероятности безотказной работы Р(0 элементов изоляции ПЛЭН (рисунок 8). Значения среднего ресурса этих элементов определены по интегральной формуле как математическое ожидание ресурса без учета периода стабилизации и соответственно составили: ТПЛ - 38,5 тыс. ч; ПТПЛ -32,6 тыс. ч; КТПЛ - 27,6 тыс. ч.

Надежность ПЛЭН в целом определяется по формуле (12), и в рассматриваемом нами случае значения количества элементов составляют: ТПЛ - г, = 16; ПТПЛ - г2 = 30; КТПЛ - г, = 2. График функции результирующей вероятности безотказной работы P(t) ПЛЭН в целом со средним ресурсом 26,0 тыс. ч без учета периода стабилизации представлен на рисунке 9. Также рассчитаны соответствующие основные значения у-процентного ресурса ПЛЭН (таблица 2) с учетом периода стабилизации 5 тыс. ч.

fUOi

3.5x10 4x10 4.5x10 5x10 mil,

Ресурс f,, ч

EKOi

Рисунок 7 - Гистограммы плотности распределения ресурса отдельных элементов ПЛЭН: а - ТПЛ/,(/); б - ПТЛЛ/2(/); в - КТПЛ/3(/)

Р1С0 P2(l) РЗ(П°

j

Л ~ \ \ \ \

5..........................^..... \ N V. ч.

30000 40000 I

Ресурс U ч

р<0

"0.3

50000

N \

\ \ \ V

Ресурс t, ч

Рисунок 8 - Вероятности Рисунок 9 - Функция вероятности

безотказной работы /*.(/) отдельных безотказной работы Pit) ПЛЭН

элементов ПЛЭН без учета периода без учета периода стабилизации стабилизации

Таблица 2 - Численные значения гамма-процентного ресурса ПЛЭН с учетом периода стабилизации

Статистическая характеристика ресурса Гамма-процентный ресурс Г, тыс. ч

у = 99,9 у = 90 7 = 80 7 = 50 У = 0,1

Числовое значение 27,4 28,7 29,4 31,0 34,9

Проверка гипотезы о соответствии результатов ускоренных испытаний пленочных электронагревателей с данными их эксплуатационных наблюдений в условиях свиноводства по /-критерию Стьюдента подтвердила их достаточную сходимость с вероятностью более 0,95.

Технико-экономический расчет показал высокую эффективность проведенных исследований за счет значительного сокращения времени их проведения по предлагаемой методике (примерно в 10 раз) по сравнению с эксплуатационными испытаниями. Годовой экономический эффект от ее внедрения составляет 253 тыс. руб. в текущих ценах.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Для оценки эффективности мероприятий, направленных на повышение качества изготовления и эксплуатации пленочных электронагревателей, необходима научно обоснованная методика ускоренного определения долговечности этих нагревателей.

2. Установлено, что разработанная вероятностная модель и алгоритм статистического моделирования ресурса элементов пленочных электронагревателей по изменению величины параметра состояния их изоляции - пробивного напряжения, а также обоснованная функция результирующей надежности этих нагревателей позволяют производить оценку их долговечности.

3. Разработанная в результате исследований методика ускоренных испытаний пленочных электронагревателей позволяет по скорости изменения пробивного напряжения, полученной на основании результатов активного планирования эксперимента, и показателя а характера изменения параметра состояния с использованием статистического моделирования устанавливать распределение ресурса элементов и его результирующего значения для всего нагревателя.

4. Выявлено, что разработанное техническое средство для установления состояния изоляции пленочных электронагревателей, включающее устройство для определения пробивного напряжения листовых электроизоляционных материалов, обеспечивает проведение их испытания без фрагментирования.

5. В результате экспериментальных исследований установлена закономерность температуры нагрева пленочных электронагревателей от времени работы, определены постоянные нагрева Тн и охлаждения Т0 ПЛЭН, значения которых равны 14 мин, служащие для установления режима включения при проведении испытаний.

6. В результате ускоренных испытаний выявлен характер изменения пробивного напряжения элементов изоляции пленочных электронагревателей от наработки. Значения показателя а для основных элементов ПЛЭН составили: с токопроводящей лентой - 1,05; перегиба токопроводящей ленты - 1,08; контакта токопроводящей ленты с питающими проводами — 1,12.

7. Доказано, что основное влияние на старение основных элементов ПЛЭН в свиноводстве оказывает относительная влажность воздуха (А2), затем - концентрация аммиака в окружающей среде (А3), и в последнюю очередь - взаимное влияние влажности и агрессивности среды (Л23). Так, для контакта токопроводящей ленты с питающими проводами значения этих коэффициентов равны: Л2 = -2,25-10"2; А3 = -1,09-10"2; Ап = -0,3 8-10"2. Фактор напряжения питания в исследуемом диапазоне не оказывает существенного влияния на рассматриваемый процесс.

8. Впервые с помощью разработанной методики ускоренных испытаний получены все возможные значения у-процентного ресурса элементов пленочных электронагревателей. Значение ресурса Гх с учетом периода стабилизации для элемента ПЛЭН с токопроводящей лентой составило 43,5 тыс. ч, перегиба токопроводящей ленты - 37,6 тыс. ч, контакта токопроводящей ленты с питающими проводами — 32,6 тыс. ч. Результирующее значение ресурса Т50 ПЛЭН в целом с учетом периода стабилизации равно 31,0 тыс. ч.

9. Проверка гипотезы о соответствии результатов ускоренных испытаний пленочных электронагревателей с данными их эксплуатационных наблюдений по ¿-критерию Стьюдента указывает на их достаточную сходимость. Такое соответствие подтверждает целесообразность применения разработанной методики для оценки ресурса ПЛЭН.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ

1. Буторин, В. А. Теоретическая оценка плотности распределения ресурса пленочных электронагревателей [Текст] / В. А. Буторин, И. Б. Царев, А. Н. Ткачев // Достижения науки и техники АПК. -2011. - № 01. - С. 79-80.

2. Буторин, В. А. Определение ресурса изоляции пленочных электронагревателей [Текст] / В. А. Буторин, А. Н. Ткачев // Техника в сельском хозяйстве. -2014. — № 1. — С. 10.

Публикации в других изданиях

3. Буторин, В. А. Технические средства испытания электрической прочности пленочных электронагревателей [Текст] / В. А. Буторин, А. Н. Ткачев, А. В. Панов // Вестник ЧГАУ. - 2009. - Т. 55. -С. 23-25.

4. Ткачев, А. Н. Способы обогрева сельскохозяйственных помещений [Текст] / А. Н. Ткачев, С. П. Кравченко // Вестник ЧГАУ. -2009.-Т. 55.-С. 112-115.

5. Ткачев, А. Н. Детерминированное выражение для оценки ресурса пленочных электронагревателей [Текст] / А. Н. Ткачев // Вестник ЧГАА. - 2010. - Т. 56. - С. 82-83.

6. Ткачев, А. Н. Система электродов для определения электрической прочности пленочных электронагревателей [Текст] / А. Н. Ткачев // Вестник Курганского государственного университета. - Сер. : Технические науки. - 2010. - Вып. 5. -№ 1(17). - С. 84-86.

7. Ткачев, А. Н. Электрические схемы испытания электрической прочности пленочных электронагревателей [Текст] / А. Н. Ткачев // Научное обеспечение инновационного развития АПК : матер, всерос. науч.-практ. конф. в рамках XX Юбилейной специализированной выставки «АгроКомплекс-2010» (2-4 марта 2010 г.). - Уфа : Башкирский ГАУ, 2010. - Ч. III. - С. 121-123.

8. Буторин, В. А. Функция вероятности безотказной работы пленочных электронагревателей [Текст] / В. А. Буторин, И. Б. Царев, А. Н. Ткачев // Актуальные проблемы энергетики АПК : матер. Меж-дунар. науч.-практ. конференции. - Саратов : КУБиК, 2010.-С. 85-88.

9. Ткачев, А. Н. Влияние технологии изготовления на электрическую прочность изоляции пленочных электронагревателей [Текст]

/ А. H. Ткачев // Сборник науч. тр. по матер. III тура Всерос. конкурса на лучш. науч. работу среди студ., аспир. и молодых ученых высших учебных заведений Министерства сельского хозяйства России (номинации «Зоотехния», «Агроинженерия», «Технические науки»). -Саратов : КУБиК, 2011. - С. 74-77.

10. Ткачев, А. Н. Прогнозирование ресурса пленочных электронагревателей [Текст] / А. Н. Ткачев // Материалы LH междунар. науч.-техн. конф. «Достижения науки - агропромышленному производству». - Челябинск : ЧГАА, 2013. - Ч. V. - С. 196-199.

11. Буторин, В. А. Зависимость ресурса пленочных электронагревателей от параметров изменения пробивного напряжения их изоляции [Текст] / В. А. Буторин, А. Н. Ткачев // Международный науч.-исслед. журнал : сб. по рез. XXI заоч. науч. конф. Research Journal of International Studies. - Екатеринбург : МНИЖ, 2013. -№ 11.-Ч. l.-C. 135-136.

12. Ткачев, A. H. Прогнозирование ресурса изоляции пленочных электронагревателей методом статистического моделирования [Текст] / А. Н. Ткачев // Материалы LUI междунар. науч.-техн. конф. «Достижения науки - агропромышленному производству». - Челябинск : ЧГАА, 2014. -Ч. III. - С. 287-292. Режим доступа : http://csaa. ru/sci/conf/csaa-conf.html.

Авторские свидетельства, патенты

13. Пат. на полезную модель № 103932, МПК G01R31/12 (2006.01). Устройство для определения электрической прочности листовых материалов [Текст] / В. А. Буторин, А. Н. Ткачев, Д. В. Буторин ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия». - № 2010147762/28 ; заявл. 23.11.2010 ; опубл. 27.04.2011.

Подписано в печать 31.03.2015. Формат 60x84/16 Гарнитура Times. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 37.

Отпечатано в ИПЦ ФГБОУ ВПО ЧГАА 454080, г. Челябинск, ул. Энгельса, 83