автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Методы и средства повышения качества функционирования асинхронных нерегулируемых электроприводов

I \

s

Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ КШЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АСИНХРОННЫХ НЕРЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

(для кормоцехов и предприятий по переработке сельскохозяйственной продукции)

Специальность:05.20.02 - электрификация сельскохозяйственного

производства

диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

На правах рукописи

оськин Сергей Владимирович

/

Научный консультант

доктор технических наук профессор Данилов В.Н.

Челябинск 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................... 5

1. ПРОБЛЕМА ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА РАБОЧИХ МАШИН В КОРМОЦЕХАХ И ПРЕДПРИЯТИЯХ ПО ПЕРЕРАБОТКЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ.............................16

1.1 Показатели эксплуатационной эффективности объекта исследования...............................................16

1.2 Анализ эксплуатационных особенностей работы электропривода

в кормоприготовительном и перерабатывающем производствах...22

1.3 Существующий уровень надежности электропривода и способы

его повышения..............................................30

1.3.1 Статистические данные об отказах электродвигателей.......38

1.3.2 Статистика отказов защитных устройств и аппаратуры управления электропривода ............................... 41

1.3.3 Существующие системы технического обслуживания электрооборудования......................................63

1.4 Выводы и задачи исследований...............................68

2.ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ КРИТЕРИЕВ

ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ АСИНХРОННОГО НЕРЕГУЛИРУЕМОГО

ЭЛЕКТРОПРИВОДА..............................................71

2.1 Основные показатели надежности электропривода.............71

2. 2 Математические модели надежности электропривода............78

2.3 Выбор экономического критерия эксплуатационной

эффективности.............................................123

2.4.Зависимость между надёжностью и экономическими

показателями эксплуатационной эффективности...............128

2.5 Определение оптимального уровня надежности на нестационарном участке эксплуатации.......................135

2.6 Определение оптимального коэффициента готовности по

максимальному эффекту на стационарном участке

эксплуатации..............................................142

2.7 Выводы...................................................153

3.ВЕРОЯТНОСТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ И УСТАНОВЛЕНИЕ

ОПТИМАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ЧИСЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК.................155

3.1 Использование ПЭВМ для расчёта показателей надёжности

электропривода............................................155

3. 2. Постановка задачи моделирования..........................159

3.3.Формализация процесса функционирования электропривода с

составлением логической модели............................162

3. 4. Составление алгоритма вероятностной модели................169

3.5.Результаты моделирования процесса функционирования

электропривода рабочих машин..............................173

3.6 Определение оптимальных показателей надежности электроприводов рабочих машин.............................180

3.7 Выводы...................................................184

4.МЕТОДЫ И ТЕХНИЧЕКИЕ СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ...............................186

4.1 Определение показателей надёжности электропривода при изменении сроков проведения ТО и увеличении срока

службы его отдельных элементов............................186

4.2 Повышение надёжности электропривода путем внедрения высокоэффективных устройств защиты электродвигателей......195

4. 3 Повышение надёжности устройств защиты электродвигателей путем уменьшения трудоёмкости их настройки и

профилактики..............................................209

4.3.1 Теоретические предпосылки создания стендового оборудования для контроля параметров устройств

встроенной температурной защиты.........................211

4.3.2 Предлагаемый стенд выходного контроля УВТЗ-5М и

методика приемочных испытаний...........................216

4.3.3 Предлагаемый стенд по ремонту УВТЗ-5М с соответствующей ремонтной документацией.................223

4. 4 Выводы...................................................226

5.ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ

ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА................................229

5.1.Экономическая эффективность внедрения устройств

защиты электродвигателей..................................229

5.2 Определение эффекта от увеличения срока службы

аппаратуры управления и защиты............................246

5.3 Определение эффекта от изменения периодичности технического обслуживания электропривода..................250

5.4 Выводы...................................................254

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..............................................256

ЛИТЕРАТУРА................................................259

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................284

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время сельское хозяйство является убыточным и имеет тенденцию к дальнейшему спаду производства.Так, получение молока сократилось с 1990 по 1995 годы на 34% (с 55,7 млн.т до 37 млн.т), в том числе на сельскохозяйственных предприятиях на 53% (с 42,8 до 20,2 млн.т) /178/.Одна из причин такой ситуации -низкие цены на сельскохозяйственное сырье.Например,в 1995 г. цены на продукцию сельского хозяйства выросли только в 770 раз, а на промышленную продукцию и услуги для села в 2800,электроэнергию - в 5400, ГСМ - в 5200 раз /136/.Кроме того,в сельскохозяйственном производстве возникла проблема роста цен на корма. Так, доля затрат на их приобретение составляет более 70% от общих издержек производства.В тоже время закупочные цены на животноводческую продукцию за 1995 год выросли в 1,5. ..1,7 раза, а на комбикорма - в 3 раза /136/. Сельские производители вынуждены отказываться от закупки кормов у комбикормовых заводов, что способствовало снижению производства комбикормов за последние три года более чем в два раза.

Такая же ситуация в пищевой и перерабатывающей промышленности. За последние четыре года производство основных продуктов питания сократилось более чем в двое,а производственные мощности используются на 50%.Возросли потери сельскохозяйственного сырья. Импортное технологическое оборудование находится в эксплуатации длительное время и требует замены.Учитывая,что его парк составляет 30-40%, то обновление становится практически невозможным. Это приводит к увеличению издержек производства из-за роста отказов технологического оборудования.Для выпуска конкурентно-способной пищевой продукции, приходится закупать сельскохозяйственное сырье у отечественных производителей по низким ценам.

Оказавшись под двойным финансовом давлением (с одной стороны от переработчиков сельхозпродукции и с другой стороны от производителей сельскохозяйственной техники и комбикормов),сельские товаропроизводители вынуждены искать другие способы реализации своей продукции.В хозяйствах стали создаваться миницехи по производству комбикормов, муки,круп, переработке молока и мяса.Это обеспечивает сокращение потерь собственной продукции и способствует снабжению сельского населения продуктами питания.За 1991...1994 годы было построено свыше 200 заводов и цехов только по переработке молока /178/.Однако эксплуатация этих предприятий выявила их недостатки по сравнению с заводами большой и средней мощности: значительные потери сырья, повышенная себестоимость и нестабильное качество вырабатываемой продукции.Одна из основных причин этих недостатков - низкое качество работы оборудования,в том числе электрифицированного.

В последнее время удельный вес энергоресурсов в себестоимости сельскохозяйственной продукции увеличился до 10%.В этих условиях предъявляются повышенные требования к функционированию электрифицированных рабочих машин. Качество выпускаемой продукции, экономия энергоресурсов, безаварийная работа электрооборудования тесно взаимосвязаны.Очевидно, что добиться высокого значения этих показателей можно путем совершенствования технической эксплуатации.

Крупные производители продукции - кормоцехи .комбикормовые заводы, перерабатывающие пункты, насыщены электроприводами технологических машин,для которых характерно длительное время работы в сутки.При таком режиме работы существенное влияние на эффективность их функционирования оказывает надёжность отдельных эле-

ментов электропривода.Так,например,отказы электрооборудования кормоцеха ферм КРС снижают производительность и качество приготовляемого корма,ведут к перебоям в кормлении животных.Это в свою очередь снижает удои молока и ведёт к потере живого веса крупного рогатого скота.Значение технологического ущерба варьирует в широких пределах и зависит от поголовья животных.Исследования /27,30/ показывают,что в больших механизированных комплексах технологический ущерб превышает стоимость отказавшего оборудования. Аналогичные проблемы возникают и при эксплуатации машин комбикормовых заводов и элеваторов,с той лишь разницей,что ущерб обусловлен снижением производительности и получением продукта пониженного качества.

Очевидно,что для таких объектов технологический ущерб можно снизить за счет сокращения количества отказов и продолжительности времени восстановления, т.е. путем повышения коэффициента готовности. Для повышения этого показателя надежности рекомендуется проводить комплекс общеизвестных профилактических мероприятий, регламентируемых системой ППРЭсх. Однако, вышеперечисленные финансовые трудности в сельском хозяйстве не позволяют выполнять рекомендуемые мероприятия в полном объеме,так как энергетические службы занимаются только аварийными ремонтами.Это приводит к тому, что ежегодно выходит из строя 20-25% электродвигателей /65/. Низкую надёжность имеет также коммутационная аппаратура электропривода. Агрессивные условия окружающей среды и тяжёлые режимы работы снижают срок службы этих устройств.Статистические данные показывают,что средняя наработка на отказ аппаратуры управления составляет от трех до пяти лет /108/.

Таким образом,возникает проблема: с одной стороны - отсут-

ствие достаточных средств для проведения профилактических работ, с другой - отказ от профилактики наносит убытки, превышающие затраты на ее проведение.

При анализе этой проблемы необходимо учесть, что цель предпринимательской деятельности заключается в получении максимального дохода.Для предприятий .работающих в условиях рыночной экономики, первоочередной задачей является повышение эксплуатационной эффективности,которое определяется комплексным сочетанием надежности и экономической эффективности объекта. Повышение эксплуатационной эффективности связано с привлечением инвестиций. Так как при этом финансовые средства исключаются из основного производства,то необходимы веские аргументы доходности предлагаемых инвестиционных проектов.

Следует учитывать, что отказы электропривода приводят не только к прямому ущербу, связанному с заменой отказавшего элемента, но и к технологическому,обусловленному порчей сельскохозяйственной продукции. Отсюда возникает связь между показателями надёжности и экономическими критериями,которую необходимо определить в конкретной математической форме.

Снижение эффективности существующих рекомендаций по эксплуатации электропривода обусловлено внедрением его новых модификаций, разработкой новых методов и средств диагностики,внедрением принципиально новых устройств защиты от аварийных режимов работы. Например, с выпуском электродвигателей серий 4А, АИ,АИР возникла необходимость повысить точность контроля теплового состояния обмоток статора электрических машин в аварийных режимах.Наиболее достоверно тепловое состояние электродвигателей можно оценить с помощью систем встроенной температурной защиты. Однако,

существующие устройства защиты зачастую имеют низкую надёжность работы,что приводит к снижению вероятности нахождения в рабочем состоянии всего электропривода.По статистическим данным, из-за большого потока аварий и низкого качества защиты срок службы электродвигателей серии 4А составляет 3-5 лет при общей наработке до отказа 500-2000 часов /60-63,159,186/.Следовательно,наряду с повышением надежности электродвигателя необходимо уделять внимание и защитным устройствам.В этой связи,целесообразна разработка таких устройств защиты, которые могли бы контролировать свою исправность и иметь высокий гарантированный срок службы. Такой подход обеспечит более резкий рост коэффициента готовности всего электропривода.

Одним из способов повышения коэффициента готовности является сокращение времени восстановления технического объекта.В этой связи, перспективным является выявление отказов на ранней стадии их развития,то есть в состоянии скрытого отказа.Тем более,что для этого имеются достаточно веские научные предпосылки теоретического и практического характеров: в теоретических исследованиях по надежности электродвигателей появляются состояния скрытого отказа;разрабатываются математические модели старения изоляции и прогнозируются сроки службы электрооборудования;создаются технические средства диагностики и защиты электродвигателей;разрабатываются методы оценки надежности электрооборудования с учетом зависимых отказов в условиях сельскохозяйственного производства; исследуются математические модели,позволяющие анализировать сложные аварийные режимы асинхронных электродвигателей /33-36, 154,185-191, 205-207/.

На основании вышеизложенного была сформулирована цель рабо-

ты и поставлены соответствующие задачи.

Целью диссертационной работы является повышение эксплуатационной эффективности асинхронных нерегулируемых электроприводов кормоприготовительных цехов и предприятий по переработке сельскохозяйственной продукции путем разработки методов оптимизации показателей надёжности и средств для их достижения.

Задачи исследования:

- теоретически разработать математические модели надежности электроприводов рабочих машин с учетом скрытых отказов и получить расчетную формулу коэффициента готовности;

- установить связь экономических показателей эксплуатационной эффективности электропривода с характеристиками надежности и получить целевую функцию оптимизации;

- разработать алгоритмы и программы,позволяющие на основе статистических данных рассчитывать показатели надёжности;

- сравнить расчетные значения показателей надёжности электроприводов с существующими и при необходимости установить пути их повышения;

- научно обосновать сроки проведения технического обслуживания электропривода;

- разработать, внедрить в серийное производство устройства температурной защиты электродвигателей и необходимое стендовое оборудование по контролю выходных параметров.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- получены математические модели надежности асинхронного нерегулируемого электропривода с учетом скрытых отказов,позволяющие описать процесс его функционирования в произвольный момент времени и получить формулу для расчета коэффициента го-

товности;

- на основе целевой функции, связывающей основные показатели эксплуатационной эффективности, научно обоснованы сроки проведения технических обслуживании электроприводов рабочих машин;

- разработан ряд оригинальных технических решений аппаратов температурной защиты электродвигателей, защищенных 6 авторскими свидетельствами и одним патентом;

- получена вероятностная модель электропривода, позволяющая моделировать случайные отказы отдельных элементов системы и определять показатели ее надёжности.

Практическая ценность.

Предложенные математические модели надежности асинхронного нерегулируемого электропривода обеспечивают более точное прогнозирование возникновения отказов.

Установленная функциональная связь между надежностью и экономическими показателями позволяет в современных условиях определить направления модернизации элементов электропривода.

Получена методика проведения оптимальных мероприятий по повышению эксплуатационной эффективности электропривода, которая может быть распространена и на другой вид электроустановок.

Полученные программы позволяют рассчитать коэффициент готовности электропривода практически любой сельскохозяйственной машины по имеющимся статистическим данным об явных и скрытых отказах.

Предлагаемые схемные решения аппаратов защиты имеют повышенные значения коэффициентов самоконтроля (не ниже 0,7),что обеспечивает снижение вероятности нахождения их в состоянии скрытого отказа.

Разработанные стенды по контролю выходных параметров устройств встроенной температурной защиты уменьшают трудоемкость проверки функционирования в два раза и могут быть использованы службами эксплуатации электрооборудования.

Полученная методика оценки экономической эффективности от повышения качества функционирования электропривода является основой для инвестиционных проектов, как в учебных, так и в реальных производственных ситуациях.

Реализация и внедрение результатов работы.

Устройства защиты электродвигателей прошли проверку в хозяйственных услови