автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Научное обоснование ускоренных испытаний магнитных пускателей на коммутационную износостойкость

На правах рукописи

Иванова Светлана Петровна

Научное обоснование ускоренных испытаний магнитных пускателей на коммутационную износостойкость

Специальность 05.09.01 Электромеханика и электрические аппараты

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

/

им?

Москва - 2004

Работа выполнена на кафедре электрических и электронных аппаратов Московского энергетического института (Технического университета)

кандидат технических наук, профессор Годжелло Андрей Григорьевич

доктор технических наук, профессор Павлов Владимир Алексеевич

кандидат технических наук, доцент Буль Олег Болеславович

ОАО «Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт релестроения с опытным производством» (ОАО «ВНИИР», г. Чебоксары)

Защита состоится «22» октября 2004 г. в 17 часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.15 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу: 111250, г.Москва, Красноказарменная ул., 13, аудитория Е-205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (Технического университета).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 1Ц250, г.Москва, Красноказарменная ул., 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан «_»_2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.157.15 /

кандидат технических наук, доцент Соколова Е. М.

Научный руководитель -

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие —

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В условиях современной экономики конкурентоспособность предприятий, изготавливающих коммутационную аппаратуру (контакторы, пускатели и т.д.), определяется качеством выпускаемой ими продукции, основным свойством которой является надежность. В связи с тем, что аппараты управления являются массовой продукцией, которая применяется также и на особо ответственных объектах, требования к их надежности и качеству постоянно растут.

Для получения информации о надежности магнитных пускателей необходимо проводить испытания, в том числе и на коммутационную износостойкость. Однако эти испытания являются трудоемким видом испытаний. Коммутационная износостойкость магнитных пускателей составляет от десятков тысяч до нескольких миллионов циклов включения/отключения, что обуславливает большую продолжительность испытаний, исчисляемую месяцами и годами. За такие промежутки времени появляются новые технические решения, вводится в строй обновленное технологическое оборудование, что делает результаты испытаний запаздывающими и частично обесцененными. Затраты материальных ресурсов и энергоресурсов на проведение таких испытаний весьма существенны. Также следует отметить, что испытания на коммутационную износостойкость носят разрушительный характер, поэтому контроль износостойкости возможен только выборочным методом с малой численностью выборки. Следовательно, поиск новых способов получения информации в условиях малой выборки при обоснованном ускорении является актуальной проблемой.

Степень разработанности проблемы. В теории надежности наиболее важной и сложной является проблема ускоренных испытаний. Решению этой проблемы посвящены научные труды видных ученых -Б. С. Сотскова, И. Е. Дулина, Р. С. Кузнецова, Т. К. Штремберга, Л. Я. Пешее, И. С.Таева, Ю.К.Розанова, Г.С.Белкина, В.Н.Шоффы, М. Г. Кобленца, Е. Г. Егорова, В. С. Генина и др, а также зарубежных авторов таких, как N. R. Mann, M. Джонс, Р. Рассел и др. В работах 3. В. Тевлина, В. А. Яковлева решены практические задачи получения количественных характеристик надежности при небольшом объеме исходных статистических данных.

Достижения в области электроаппаратостроения, математики и компьютерных технологий стимулируют поиски новых методов ускоренной оценки работоспособности магнитных пускателей на коммутационную износостойкость.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

Целью диссертационной работы являются:

- разработка методики ускоренных испытаний на коммутационную износостойкость и ее научное обоснование в условиях малой выборки приемами непараметрической статистики;

- экспериментальное апробирование методики на различных партиях изделий;

- научное обоснование стандартизируемого плана контроля при специальных испытаниях на коммутационную износостойкость.

Достижение поставленной цели потребовало постановки и решения задач как технического, так и теоретического плана, основными из которых являются:

- получение оценок стандартизируемого плана контроля пускателей;

- анализ методики испытаний на коммутационную износостойкость пускателей промышленного производства;

- анализ вероятностных моделей для оценки надежности контактов магнитных пускателей при испытаниях на коммутационную износостойкость;

- выбор характерного параметра, определяющего техническое состояние контактов магнитных пускателей, по которому целесообразно осуществлять прогнозирование показателей надежности;

- разработка математической модели, описывающей изменения во времени характерного параметра, и проверка правильности выбора модели по* результатам предварительных испытаний;

- анализ методов расчета точечных и интервальных оценок прогнозируемых показателей надежности;

- анализ ускоренных методов испытаний;

- оценка точности и достоверности ускоренных испытаний и учет ошибок измерений.

Объектом исследования являются магнитные пускатели различных серий.

Предметом исследования является процесс деградации контактной системы магнитных пускателей в ходе выполнения коммутационных циклов.

Методология исследования. Теоретической и методологической базой диссертационного исследования являются теория электрических коммутационных аппаратов (раздел электрические контакты), теория вероятностей и математическая статистика, элементы теории случайных процессов и теории надежности, системы управления качеством. При решении задач использованы современные программные средства.

Диссертационная работа опирается на исследования коллективов ведущих научно-исследовательских институтов и организаций Московского энергетического института (МЭИ), Федерального государственного образовательного учреждения высшего и профессионального образования «Чувашский государственный университет им. И. Н. Ульянова» (ЧТУ), ОАО «Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт релестроения с опытным производством» (ОАО «ВНИИР»), а также на труды вышеназванных ученых.

Достоверность результатов подтверждается представленным объемом статистического материла, соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований, результатами расчета, положительными результатами внедрения разработанной методики ускоренных испытаний.

Научная новизна настоящей работы заключается в:

- разработке в рамках непараметрической статистики методики прогнозирования надежности контактов магнитных пускателей на основе, результатов сокращенных испытаний на коммутационную износостойкость;

- проведении серии экспериментов коммутации электрических цепей и получении экспериментальных данных;

- использовании приемов непараметрической статистики для анализа результатов промышленных нормальных испытаний на коммутационную износостойкость, что позволило улучшить достоверность прогноза в условиях малой выборки;

- получении необходимых оценок стандартного плана контроля, позволяющих аргументировано решать вопросы арбитражных ситуаций.

На защиту выносятся:

- характеристики стандартизируемого плана контроля специальных испытаний на коммутационную износостойкость;

- вероятностно-статистическая модель случайного процесса износа контактной системы магнитных пускателей, разработанная по результатам нормальных испытаний на коммутационную износостойкость;

- методы прогнозирования, которые могут быть применены для оценки работоспособности аппарата по результатам сокращенных испытаний;

- методика ускоренных испытаний на коммутационную износостойкость на основе непараметрического прогнозирования технического состояния контактов, использующая информацию, полученную в ходе сокращенных испытаний.

Практическая ценность работы. Разработанная методика ускоренных испытаний на коммутационную износостойкость позволяет за более короткий срок дать оценку технического состояния и надежности контактов магнитных пускателей в пределах установленного стандартами ресурса, что ведет к снижению затрат на проведение таких испытаний. Результаты исследования дают основания для корректировки самих планов испытаний с целью получения более достоверного прогноза.

Кроме того, по экспериментальным данным (линейной деградации контактов), полученным в процессе коммутации и измеренным при различной наработке без разборки конструкции аппарата, выполнен пересчет в деградацию по объему в функции числа циклов. Это позволяет определить важные эрозионные характеристики контактов.

Апробация. Результаты диссертационной работы докладывались на:

- научных семинарах кафедры «Электрические и электронные аппараты» ЧТУ в 2002-2003 г.;

- научно-технических семинарах ОАО «ВНИИР»;

- конференции, посвященной 40-летию ОАО «ВНИИР» «Релейная защита, низковольтная аппаратура управления, регулируемый привод», Чебоксары, 2001 г.;

- международной конференции «Электрические контакты и электроды», Киев, 2001 г.;

- Поволжской научно-практической конференции «Электротехника и энергетика Поволжья на рубеже тысячелетий», Чебоксары, 2001 г.;

- международной конференции «Электрические контакты», Санкт-Петербург, 2002 г.;

- IV Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике», Чебоксары, 2002 г.;

- конференциях молодых ученых и аспирантов ЧГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Внедрение. Разработанная методика ускоренных испытаний

магнитных пускателей на коммутационную износостойкость внедрена в практике оценочных испытаний в ОАО «ВНИИР». Отдельные результаты работы используются в учебном процессе кафедры «Электрические и электронные аппараты» ЧГУ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 154 страницах машинописного текста (в компьютерной верстке) и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (117 наименований в алфавитном порядке), приложений.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели и задачи диссертационной работы, изложены основные положения диссертации, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации основных результатов работы.

В первой главе проводится анализ и дается классификация отказов магнитных пускателей, учитывающая процессы в контактах, связанные с выполнением коммутационных операций. Обосновывается выбор остаточного хода (провала) контактов в качестве характерного параметра, определяющего их техническое состояние. Анализируется стандартная' методика испытаний магнитных пускателей на коммутационную износостойкость. Описываются технические средства для проведения испытаний пускателей на коммутационную износостойкость и методика измерения провала контактов.

Обобщение данных по отказам пускателей в процессе испытаний на коммутационную износостойкость показало, что наибольшая часть отказов приходится на контактную систему. Отказы контактов можно разделить по проявлению на внезапные отказы и постепенные. Причины отказов первого вида — нарушение механической регулировки -(разрегулировка) вследствие остаточной деформации контактных пружин, образование поверхностных токонепроводящих пленок из-за окисления; загрязнения и попадания инородных изоляционных частиц и т.п. Отказы второго вида (постепенные) вызываются износом функциональных узлов и деталей. К ним следует отнести так называемый параметрический отказ, причина которого заключается в выходе регламентированного параметра за установленные пределы.

По результатам первой главы сделан ряд выводов и заданы следующие ограничения:

1) испытания на коммутационную износостойкость необходимо проводить в нормальных режимах в соответствии с требованиями стандартов; при этом не допускается разборка и сборка испытуемых образцов;

2) установленное стандартами количество испытуемых образцов на коммутационную износостойкость относится по объему к малой выборке, что требует особых методов обработки экспериментальных данных;

3) пускатель считается выдержавшим испытание, если во время и после испытаний он удовлетворяет следующим требованиям: отсутствует контактирование по материалу контактодержателя; провал контактов не выйдет за пределы установленного минимального значении;

4) в качестве характерного параметра, определяющего техническое состояние контактов, выбирается провал контактов. Этот выбор связан с тем, что провал в значительной степени зависит от числа выполненных циклов коммутаций и при этом является невосстанавливаемым параметром. Именно значение провала контактов согласно требований соответствующих стандартов является оценочным критерием результатов испытаний пускателей на коммутационную износостойкость.

Из сказанного следует, что при переходе к ускоренным испытаниям на коммутационную износостойкость в соответствии со стандартами необходимо предусмотреть: ускоренные испытания на коммутационную износостойкость должны проводиться за счет сокращения количества циклов коммутаций, но при тех же объемах выборки и сохранении испытательных режимов, предусмотренных нормативно-технической документацией (НТД).

Во второй главе проводится обзор вероятностно-статистических моделей надежности технических устройств с учетом различных видов отказов, рассматриваются методы оценки времени жизни (или в инженерных терминах - времени безотказной работы) магнитных пускателей, изучаются возможности их применения в разных условиях испытаний, выполняются расчеты надежности в рамках выбранной математической модели, проводится оценка срока службы, определяются важные эрозионные характеристики контактов.

Выяснилось что наиболее приемлемой для оценки надежности контактов магнитных пускателей с позиций устойчивости и применимости на практике в условиях, малой выборки является методика, в основе которой положена модель отказа в виде веерной линейной случайной функции. Отталкиваясь от предположения нормальности распределения начального провала и используя распределение Бернштейна, находится оценка вероятности безотказной работы контактов.

Руководствуясь целью диссертационной работы, требующей от автора предпочесть непараметрическую статистику, эта методика была дополнена соответствующими приемами, а именно:

1) использован метод прямоугольных вкладов, позволяющий развернуть информацию, содержащуюся в малой выборке, для проверки гипотезы о нормальности распределения провала контактов в сечениях;

2) применен непараметрический регрессионный анализ для вычисления угловых коэффициентов линейных моделей, обеспечивающий их более реалистическую оценку.

..Эта позволило уточнить построение вероятностной модели функции надежности с учетом условий проведения испытаний.

Рекомендуемая методика прогнозирования надежности контактов магнитных пускателей с приемами непараметрической статистики апробирована на образцах пускателей массового производства. Для проведения испытаний магнитных пускателей на коммутационную износостойкость была применена разработанная в ОАО «ВНИИР» экспериментальная установка с использованием микропроцессорной техники (стенд СКИ-АС). Стенд позволяет автоматизировать проведение испытаний на коммутационную износостойкость магнитных пускателей в режимах, соответствующих категориям применения АС-3, АС-4.

В качестве объекта испытаний использовались трехполюсные пускатели ПМ12 исполнения «Б» по коммутационной износостойкости на номинальный ток контактов главной цепи 16 А. Испытания проводились в соответствии с требованиями стандартов на эти изделия. Образцы пускателей испытывались в категории применения АС-4 при номинальном рабочем токе 4 А и номинальном рабочем напряжении 660 В, 50 Гц. Частота коммутаций составляла 600 цикл/час, продолжительность включения ПВ=2,78 %, номинальный ресурс - 200 тыс. циклов коммутаций.

В ходе испытаний пускателей износ контактов контролировался по изменению величины провала. Измерение провала происходило периодически через количество коммутационных циклов, составляющих (15-20)% номинальной наработки пускателей. Коммутационные циклы выполнялись до получения отказа. Испытания показали, что в данной выборке пускателей отказы наступили после наработки номинального ресурса вследствие постепенного старения контактов. Результаты измерений провала контактов приведены на рис. 1.

Изучение экспериментальных данных (рис. 1) позволило предположить, что в зоне постепенного износа изменение провала

контактов для каждой отдельной реализации можно аппроксимировать . линейной функцией

со(г) = со0 - иг, 0)

где - начальное значение провала контактов; - скорость старения контактов (по модулю), зависящая от основных параметров коммутации

- количество выполненных коммутационных

циклов (наработка).

В этом случае есть достаточные основания предполагать, что величина провала является одномерным случайным процессом с

непрерывным временем, и непрерывными состояниями, описываемым функцией

Здесь ТГа, V - случайные величины, описывающие распределения . начального провала и скорости его изменения соответственно.

Для конкретной коммутационной нагрузки скорость изменения провала контактов зависит от большого числа факторов (зазора, конечного и начального' нажатий, вибрации, свойств материала, формы и размеров и т.д.). Распределения' указанных производственных параметров, как показывает статистика испытаний и подтверждает инженерный опыт, описываются законами, близкими к нормальным. Тогда и скорость изменения провала для каждой реализации является случайной величиной, распределение которой базируется на нормальном распределении.

Для получения оценки плотности распределения провала контактов в различных сечениях, соответствующих периодически фиксированной наработке,, был применен метод прямоугольных вкладов, позволяющий в условиях Лмалого объема наблюдений" развернуть информацию и найти необходимую оценку в виде гистограммы.

С помощью разработанного программного продукта реализован метод прямоугольных вкладов, построена теоретическая кривая распределения, проведена проверка гипотезы о нормальности распределения- экспериментальных данных провала контактов с применением критерия Мизеса. Установлено, что в зоне устойчивого старения сохраняется удовлетворительное согласование

экспериментальной и теоретической кривых. Следовательно, нет оснований отвергнуть гипотезу о нормальности распределения провала контактов в сечениях до наступления первого отказа.

Полученный вывод дает возможность рассматривать изменения величины провала от наработки как веерную линейную случайную

функцию, все реализации которой являются прямыми линиями, исходящими из одной точки, называемой полюсом.

Если перейти к средним значениям, то получается характеристика веерной линейной случайной функции

С0ср(2) = ю0ср-уср7, (2)

где - среднее значение начального провала контактов (полюс),

'Оср

которое определяется по формуле -

среднее

0>0

выборочное среднее значение начального провала; квадратическое отклонение начального провала в условиях малой выборки. Коэффициент к вычисляется по распределению Стьюдента через доверительную вероятность ря и объем выборки п.

Для нахождения неизвестных угловых коэффициентов каждой отдельной реализации (1) использовался непараметрический регрессионный анализ, который отличается относительно слабой чувствительностью к возможным значительным погрешностям, что типично при малых выборках. Оценка углового коэффициента v проводилась одним из приемов знакового статистического анализа, по формуле:

(а, -СО/ 1 —-, \<>1<]<.т,

(3)

где (г,, О/) - точки экспериментальных данных, т - число сечений.

Плотность вероятности безотказно выполненных коммутаций по соотношению (2) соответствует распределению Бернштейна С использованием нормированной функции Лапласа строится оценка функции надежности (вероятность безотказной работы)'

р(*) = Ф(Р,)+Ф(Р2),

где - нормированная функция Лапласа,

Выход из строя трехполюсного пускателя наступает при отказе любого из его полюсов, принимаем, что каждый пускатель исследуемой серии является устройством, надежность которого обуславливается тремя

последовательно соединенными элементами. Поэтому функция надежности пускателя в целом определяется по формуле Р = р3(г).

В результате проведенных вычислений была получена характеристика надежности в виде вероятности безотказной работы как основного показателя надежности магнитных пускателей при испытаниях на коммутационную износостойкость (рис. 2).

Экспериментальные данные позволили определить объем распыляемого контактного материала в процессе наработки и получить оценку средней наработки до отказа пускателей испытуемой серии. В результате 'выполненных расчетов получено значение Л^ср =344 тыс.

циклов, которое близко экспериментальной оценке средней наработки до отказа по медианному методу тыс

циклов и удовлетворительно соответствует графику износостойкости контактов пускателя испытуемой серии. Также проведена оценка параметров теплового источника на поверхности контактов. Установлено влияние испарения на износ контактов. При этих условиях величина эрозии рассчитывается с помощью формулы:

к„Ж +К)пя

сТ +г

* исп ' исп

(4)

где КК!:п' - значение обобщающего коэффициента испарения; с - удельная теплоемкость; 11х, иг - прикатодное, прианодное падения напряжения соответственно; Тисп - температура поверхности, при которой происходит испарение, при первом приближении можно принять температуру кипения; г^ - удельная теплота парообразования.

В ходе испытаний пускателей ПМ12-016 исполнения «Б» на коммутационную износостойкость в категории применения АС-4 были сняты и обработаны осциллограммы коммутационного цикла. Это позволило найти среднее время горения дуги отключения

удельную эрозию Л/уд =1,31-104S г/Кл и уточнить коэффициент ЛГИСП =0,00024. Расчетное значение Кисп согласуется с экспериментальным для выбранного материала контактов (сплав серебро-никель СрН90).

В третьей главе рассматриваются вопросы, связанные с задачами статистического контроля на производстве, изучаются планы контроля, проводится анализ стандартных норм качества контакторов и пускателей, находятся оценки стандартного плана контроля контакторов и пускателей.

Как было отмечено, специальные испытания пускателей на коммутационную износостойкость носят разрушительный характер, т.е. приводят к полной или частичной потере качества изделий, подвергшихся испытаниям. Такие испытания, (например, для пускателей серии ПМ12) в соответствии с техническими условиями и стандартами на эти изделия проводятся методом двухступенчатого выборочного контроля.

По требованиям стандартов двухступенчатые испытания проводятся яа трех образцах (численность первой выборки ). Результат

испытания считают положительным, если отказов нет. Это означает, что для первой выборки приемочное число Ас, принято равным нулю. Аппараты признают не выдержавшими испытания, если число отказов d удовлетворяет неравенству - браковочное число первой

ступени. Если число несоответствующих единиц в первой выборке лежит в интервале ACi<i/<Re], то необходимо контролировать вторую выборку (численность которой ), т.е. испытаниям подвергают три дополнительных образца. Число несоответствующих аппаратов, обнаруженных в первой и второй выборках суммируют. Если кумулятивное (суммарное) число несоответствующих единиц продукции равно или меньше приемочного числа второй ступени партию

считают принятой. Если кумулятивное "(суммарное) число несоответствующих единиц продукции равно или больше браковочного числа второй ступени партию считают не принятой.

Выбор параметров плана контроля качества

может основываться на различных «последующих» оценках. Одной из таких оценок является приемлемый уровень качества AQL (Average Quality Limit), заданный стандартом на контакторы и пускатели на уровне 10%.

Стандартом предписан план контроля (3, 0, 2; 3, 1, 2) с приемочным числом первой выборки Act = 0 и браковочным числом первой выборки Re! =2, приемочным числом второй выборки Ас2 =1 и браковочным числом второй выборки Схематично план контроля представлен

на рис. 3. Этот план означает, что при числе дефектных пускателей с!1 в первой выборке из трех изделий, равном Ас, (¿,=Ас,), оставшаяся непроверенной часть партии принимается без контроля, а если > Ас, >11е,, то партия бракуется. В том случае, когда в первой выборке обнаружено только одно дефектное изделие (Ас, <Ие,), берется повторная выборка из трех изделий. Если в ней не обнаружено новых дефектных изделий то партия принимается, если же то

партия бракуется без дальнейшей проверки.

Для требуемого плана контроля (3, 0, 2; 3, 1, 2) значения оперативной характеристики определяются по формуле

Цр)=я3+Зрч2-дг- (5)

Первое слагаемое в выражении (5) указывает вероятность принятия партии по первой выборке, а второе - вероятность принятия партии во второй выборке, если решение о принятии или браковке партии по первой выборке не было принято. Л

По оперативной характеристике (рис. 4) определяется риск изготовителя а.

5 1

5 09 —

1 03 в 07' е ср

2 il* ■ -

> "г С2 01 О

Рис. 4. Оперативная характеристика плана выборочного контроля (3,0,2; 3,1,2):

А - приемлемый уровень качества; В - неприемлемый уровень качества; С-точка безразличного качества

а ОЛЕ 0.1 015 02 025 03 035 04 045 OS 0£5 0S

дам брал CP)

При заданном стандартом приемлемом уровне качества AQL=0,1 для анализируемого плана контроля риск изготовителя а = 1. Если принять риск потребителя р, равным риску изготовителя, положив, что р = 0,1, то ' ' неприемлемый (браковочный) уровень качества по кривой рис. 4 окажется равным pSp = 0,577. В зону неопределенности попадают партии с

уровнями дефектности 0,1 <р, <0,577. Кроме приемлемого' уровня качества и риска изготовителя аппаратов среди последующих оценок особый интерес представляет величина среднего выходного качества, обозначаемая в стандартах аббревиатурой AOQ (Average Outgoing Quality). Эта величина есть по определению математическое ожидание выходного качества, то есть доля дефектных аппаратов, проникающих к потребителю после контроля. Предполагая, что во всех случаях значения численности выборки много меньше численности партии N, находится оценка AOQ согласно формальному определению математического ожидания в виде суммы произведений значений случайной величины на их вероятности

АОQ = q3 •p-{N-nx)IN^{?-p-ql)-qi • p^N-n^ -n2)/N + 0-(l-L(p))* *р-(д>-р + (Ъ-р-д2)-д3) = р-Цр).

При изменении доли брака от 0 до 1 монотонно изменяющаяся величина AOQ проходит через максимум, называемый пределом среднего выходного качества. Этот предел в стандартах принято обозначать аббревиатурой AOQL (Average Outgoing Quality Limit).' График (рис. 5), показывает, что предел среднего выходного качества не превосходит 0,15 (точка С).

Рис. 5. Среднее выходное качество

Таким образом, нами получены практически исчерпывающие оценки стандартного плана контроля контакторов, пускателей.

В четвертой главе дается краткий обзор известных методов ускоренных испытаний; рассматриваются различные методы ' прогнозирования, которые могут быть применены для оценки работоспособности аппарата по результатам сокращенных испытаний, выявляются границы их применимости; описывается разработанная методика ускоренных испытаний, применимость которой проверяется на различных партиях изделий. Выяснилось, что, по результатам сокращенных испытаний, во-первых, для получения реальной оценки функции надежности по вышерассмотренной методике, требуется оценка начала зоны интенсивного старения; во-вторых, для получения реальной оценки функции надежности по методике, основанной на знании параметров законов распределения исследуемого параметра в различных сечениях, требуется довольно большой объем выборки, что выходит за пределы -стандартов испытаний магнитных пускателей на коммутационную износостойкость.

Это заставило отказаться от попыток прогноза вероятности безотказной работы и перейти к прогнозированию технического состояния контактов, также характеризующего надежность контактов магнитных пускателей.

Специальные испытания магнитных пускателей на коммутационную износостойкость проводятся до ресурса, установленного в стандартах и технических условиях на эти изделия. Поэтому прогноз следует осуществлять до номинального значения наработки.

Для каждого из полюсов значения провала, измеренные при различной наработке z, фактически образуют временной ряд (поскольку между наработкой и временем существует прямая пропорциональная зависимость' 2 = /*/,ГДе / - частота коммутаций, цикл/час).

В условиях Ограниченной информации (при малой выборке и сокращенных испытаниях) особую роль приобретают непараметрические

в 0.1 ¡и 03 0,4 0,5 0,6 доля брага у иготшгели

подходы, которые безразличны к видам распределений и позволяют эффективно уменьшить влияние случайных ошибок.

В непараметрической статистике для проверки адекватности построенной модели прогноза или разработанной методики прогноза часто применяют так называемый критерий согласованности, который заключается в следующем. Из разумных соображений устанавливают допустимый процент отклонения (ДПО) прогнозных значений от значений, полученных в ходе предварительного (проверочного) эксперимента, и допустимый уровень согласованности (ДУС), который означает нижнюю границу общего числа оценок, не вышедших за допустимый предел. В нашем случае ДПО принимаем, равным 10%, а ДУС -95%.

В настоящей работе осуществляется прогнозирование технического состояния контактов магнитных пускателей, основанное на принципе экстраполяции, заключающегося в том, что на основе статистических данных о накоплении износа в начальной стадии прогнозируются изменения исследуемого параметра вне изучаемого интервала времени. Существуют различные способы экстраполяции, зависящие от принятой вероятностно-статистической модели и от способа выравнивания эмпирических данных. . .

Одним из методов непараметрической экстраполяции является экспоненциальное сглаживание, при котором выполняется выравнивание данных одномерного динамического массива на основе аддитивной модели временного ряда:

где /(¿) - функция тренда, О, — значения временного ряда; е, -случайная компонента.

Данный метод позволяет анализировать временной ряд и получать прогноз без предварительного задания формы тренда, т.е. не нужно знать выражение /(/) в формуле (6).

Из первоначального временного ряда сглаженный ряд можно получить с помощью линейного оператора

сглаживания =а-со1 + (1-а) где а - константа сглаживания,

0<а<1. По Брауну параметр а определяется соотношением а -11(т +1), где т - число сечений.

Метод экспоненциального сглаживания был применен для прогнозирования по результатам испытаний пускателей ПМ12-016 исполнения «Б» (рис. 1). Прогноз технического состояния контактов проводился на основании данных, полученных от начала испытаний до

п

наработки 2 = 120 тыс. циклов. Тогда число наблюдений, входящих в интервал сглаживания, т = 3; / = 1, 2, 3; шаг прогноза 1 = 2. В итоге

Тогда прогнозирующий полином принимает вид:

В ходе проведенных расчетов прогнозные значения по каждому полюсу не выходят за критический предел, а погрешность прогноза не ' превышает допустимый процент отклонения (10%). В целом методика соответствует заданному уровню согласованности.

Таким образом, метод экспоненциального сглаживания. позволяет прогнозировать техническое состояние контактов по результатам сокращенных испытаний, не требуя знания аналитической модели изменения характерного параметра. Однако, если для некоторого полюса изменение провала контактов на рассматриваемом промежутке времени не наблюдается, то применение оператора сглаживания реально не оправдано, что и показывает сложность выбора оптимального параметра сглаживания. Кроме того, требуется строгая периодичность замеров провала.

Поэтому разработана иная методика прогнозирования технического состояния контактов, позволяющая исключить названные ограничения и использующая для прогнозирования информационный массив данных, составленный из значений провала и наработки.

При анализе экспериментальных данных определяется промежуток времени, к окончанию которого обнаруживается устойчивая тенденция изменения в поведении исследуемого параметра. В процессе коммутации при- отсутствии внезапных отказов изменение провала контактов происходит постепенно (по схеме накапливающихся изменений), но проявляется при замерах через некоторый промежуток времени, который

и называется лагом. Этот термин (от англ. lag — запаздывание) означает отставание во времени одного явления от другого. Его длина х определяет продолжительность сокращенных испытаний.

По результатам сокращенных испытаний для каждой реализации случайного процесса оценивают тренд trt. Как показано в гл. 2, в зоне постепенного старения изменение провала в зависимости от наработки для каждой отдельной реализации можно аппроксимировать линейной функцией (1). Поэтому оценка тренда проводится по формуле:

trz = A + bz, (7)

где A, b - параметры модели.

В силу смешанного типа экспериментальных данных тренд корректируется с помощью мультипликативно-аддитивной модели временного ряда:

где £г - случайная компонента; st - поправочный коэффициент, учитывающий лаговый эффект.

Для осуществления прогноза сначала рассчитывается предварительный прогноз по базовой модели тренда (7), а именно: вычисляются значения провала на момент прогноза. Затем для конкретной наработки определяются окончательные (прогнозные) значения по" формуле:

®nponi=(iVi-iI)/io&.

Здесь оценка для каждой реализации находится следующим образом:

где - число сечений; принимает последовательно все значения провала на лаговом промежутке (начало которого не обязательно должно соответствовать нулевой наработке); - значение провала по тренду в соответствующих точках лага.

Достоверность разработанной методики прогноза проверялась по экспериментальным данным (рис. I), полученными в ходе проведения испытаний трехлолюсных пускателей ПМ12-016 исполнения «Б». Как было отмечено выше, с момента начала испытаний изменения

провала для всех полюсов начинают проявляться при наработке тыс. циклов. Это значение принимается за длину лага I, число наблюдений, входящих в интервал сглаживания т = 3.

В результате проведенных вычислений, представленных на рис. 6,7, установлено удовлетворительное согласование прогнозируемых значений провала .с его значениями, измеренными при номинальной наработке: погрешность по каждому полюсу не превышает 8-10%.

С учетом полученных результатов можно признать в целом хорошее соответствие прогноза экспериментальным данным для рассмотренной серии пускателей.

Проверка разработанной методики обнаружила возможность построения достоверного прогноза технического состояния контактов до ресурса, установленного в НДТ.

полюс

' Рис. 6. Значение провала для Рис. 7. Погрешность прогноза, %

пускателя ПМ12-016 исполнения «Б»: о, , -,измеренное, в -по тренду, '■ - прогнозное

Итак, алгоритм разработанной методики ускоренных испытаний заключается в следующем: 1) проведение сокращенных испытаний на предъявленной партии с целью получения обучающего (лагового) массива данных; 2) оценка параметров линии тренда на основе обучающего массива данных; 3) получение предварительных прогнозных значений параметра; 4) получение окончательных прогнозных значений параметра; 5) применение алгоритма стандартного плана контроля.

(Осуществлена опытная проверка рекомендуемой методики на другой партии изделий. Проведены сокращенные испытания. По полученному прогнозу не обнаруживается ни одного дефектного пускателя. С целью проверки методики, испытания были продолжены. Образцы выполнили установленный ресурс (без наступления отказа). При этом измеренные значения провала согласуются с полученными прогнозными: погрешность по каждому полюсу не превышает 10%. Таким образом, проверка разработанной методики на опытной партии пускателей показала целесообразность ее применения.

В заключении излагаются основные результаты и выводы диссертационной работы.

Выводы и итоги

По результатам проведенного исследования можно сформулировать следующие итоги и выводы.

1. Для получения информации о надежности магнитных пускателей необходимо проводить испытания на коммутационную износостойкость.

2. В связи со значительной стоимостью и длительностью проведения необходимо ускорять эти испытания.

3. Испытания на коммутационную износостойкость промышленных образцов пускателей необходимо проводить в нормальных режимах в соответствии с требованиями стандартов; при этом не допускается разборка и сборка изделий.

4. Специальные испытания контакторов, пускателей на коммутационную износостойкость носят разрушительный характер, поэтому контроль износостойкости возможен только выборочным методом с малой численностью выборки.

5. Получены оценки стандартного плана контроля, позволяющие аргументировано решать вопросы арбитражных ситуаций.,

6. Условия малой выборки не позволяют применять стандартные методы параметрической статистики. В связи с этим.в работе обоснована целесообразность применения методов и приемов непараметрической статистики.

7. Проведены испытания на коммутационную износостойкость и получены экспериментальные данные, посредством. измерений (без разборки конструкции аппарата).

8. Установлена модель случайного процесса деградации контактной системы пускателей на основе полученных экспериментальных данных при нормальных испытаниях на коммутационную износостойкость до отказа всех изделий.

9. Экспериментальные данные подвергнуты, анализу с. использованием вероятностно-статистических методов (включая теорию случайных процессов), что позволило получить оценку функции безотказной работы, провести пересчет линейной деградации в деградацию по объему, также найти расчетную оценку средней наработки до отказа пускателей испытуемой серии; определить эрозионные характеристики (удельную эрозию контактов, значение обобщающего коэффициента испарения).

10. Выявлены границы применимости методов прогнозирования, которые могут быть использованы для оценки работоспособности изделий по результатам сокращенных испытаний.

11. Разработана методика ускоренных испытаний на коммутационную износостойкость на основе непараметрического прогнозирования технического состояния контактов, использующая информацию, полученную в ходе сокращенных испытаний и позволяющая в сокращенные сроки дать оценку работоспособности пускателей в пределах установленного стандартами ресурса, что ведет к снижению затрат на проведение таких испытаний.

Основные публикации по теме диссертации

1. Технические средства для исследований и сравнительных испытаний контактных материалов для пускателей и реле / Е. Г. Егоров, В. С. Генин, С. П. Иванова и др. // Электрические контакты и электроды: Сб. науч. тр. / НАН Украины. Ин-т. пробл. материаловедения им. И. Н. Францевича, - Киев, 2001. - С. 179-187.

2. Егоров Е. Г., Леонтьев А. Н., Иванова С. П. Основные требования по разработке метода ускоренных испытаний магнитных пускателей на коммутационную износостойкость // Электротехника и энергетика Поволжья на рубеже тысячелетий: Тез. докл. Поволжской науч.-практ. конф. 30 октября-2 ноября 2001 г. - Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2001. - С. 29-30.

3. Оценка надежности магнитных пускателей по результатам испытаний на коммутационную износостойкость / А. Г. Годжелло, В. С. Генин, А. Н. Леонтьев, С. П. Иванова // Релейная защита, низковольтная аппаратура управления, регулируемый привод: Материалы науч.-техн. конф., посвященной 40-летию ОАО «ВНИИР» - Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2001. - С. 145-147.

4. Статистический анализ надежности контактов магнитных пускателей в условиях малой выборки / А.Г.Годжелло, Е.Г.Егоров, Н. А. Ращепкина, С. П. Иванова // Электротехника. - 2002. - №1. - С. 3740.

5. Оценка надежности контактов магнитных пускателей в условиях малой выборки / А. Г. Годжелло, Е. Г. Егоров, С. П. Иванова и др. // Тр. АЭН Чувашской Республики. - Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2002. -№1.-С. 36-40.

6. Оценка надежности контактов магнитных пускателей в случае малой выборки с использованием вероятностных методов / А. Г. Годжелло, Е. Г. Егоров, С. П. Иванова и др. // Электрические контакты: Сб. докл. Междунар. конф. 22.05-25.05 2002 г. - Санкт-Петербург, 2002. - С. 113-116.

7. Иванова С. П. Построение регрессионно-аналитической модели изменения провала контактов магнитных пускателей с использованием пакета 8ТЛТКТ1СЛ // Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике: Материалы IV Всерос. науч.-техн. конф. - Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2002. - С. 142-144.

8. Маслов А. М., Иванова С. П. Анализ вероятностных моделей для оценки надежности коммутационных аппаратов в соответствии с видами отказов // Студент, наука, перспективы: Сб. тр. Региональной и XXXVI науч. студ. конф. - Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2002. - С. 359-362.

9. Оценивание плотности распределения при исследовании надежности низковольтной аппаратуры в случае малой выборки / А. Г. Годжелло, Д. Л. Александров, Н. А. Ращепкина, С. П. Иванова // Тр. АЭН Чувашской Республики. - Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та. - 2003. -№4. - С. 66-70.

Подписано в печать '.hi.-;• IЗаказ Вt -Л Тираж Iii экз. П. л. [¡Ь_

Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., 13

ВВЕДЕНИЕ.4}

ГЛАВА 1. Испытания магнитных пускателей на коммутационную износостойкость и анализ их отказов.10)

1.1. Анализ отказов магнитных пускателей.10s

1.2. Коммутационные процессы в контактах магнитных пускателей.

1.3. Выбор характерного параметра контактов магнитных пускателей

1.4. Испытания магнитных пускателей на коммутационную износостойкость.

1.5. Технические средства для испытаний магнитных пускателей.

1.5.1. Экспериментальная установка для испытаний на коммутационную износостойкость.

1.5.2. Экспериментальная установка для определения характерного параметра контактов магнитных пускателей.

ГЛАВА 2. Применение вероятностно-статистических методов для оценки времени жизни (коммутационной износостойкости) магнитных пускателей

2.1. Обзор вероятностно-статистических моделей надежности технических устройств с учетом различных видов отказов.

2.2. Выбор вероятностной модели для оценки надежности магнитных пускателей по результатам нормальных испытаний.

2.3. Методы статистической обработки результатов эксперимента.

2.3.1. Простой регрессионный анализ.

2.3.2. Непараметрический линейный регрессионный анализ.

2.3.3. Специфика малой выборки.

2.4. Оценка надежности контактов магнитных пускателей в условиях малой выборки.

2.4.1. Обзор и анализ методов оценки надежности.

2.4.2. Построение функции надежности по экспериментальным данным испытаний магнитных пускателей.

2.4.2.1. Условия проведения испытаний.

2.4.2.2. Проверка гипотезы о нормальности распределения провала контактов в сечениях.

2.4.2.3. Расчет вероятностных характеристик надежности.

2.5. Определение средней наработки до отказа.

ГЛАВА 3. Статистический приемочный контроль контакторов и пускателей.

3.1. Статистические методы в вопросах приемочного контроля.

3.2. Анализ стандартных норм качества контакторов и пускателей.

3.3. Численные характеристики планов приемочного контроля.

3.4. Оперативная характеристика приемочного статистического контроля и последующие оценки плана контроля.

ГЛАВА 4. Ускоренные испытания магнитных пускателей на коммутационную износостойкость.

4.1. Обзор и анализ методов ускоренных испытаний.

4.2. Прогнозирование вероятности безотказной работы магнитных пускателей по результатам сокращенных испытаний.

4.3. Исследование экспоненциального сглаживания для получения прогноза при сокращенных испытаниях.

4.4. Методика прогнозирования, основанная на непараметрическом сглаживании.

4.4.1. Обоснование достоверности методики прогноза.

4.5. Применимость разработанной методики ускоренных испытаний.

Актуальность темы. Электрические низковольтные коммутационные аппараты управления — магнитные пускатели, контакторы и др., несмотря на большие достижения в области электроники и быстрое развитие бесконтактной коммутационной аппаратуры на базе полупроводниковых элементов, сохраняют свое значение. Это вызвано такими их существенными преимуществами перед бесконтактными коммутационными аппаратами, как полная гальваническая развязка цепей в разомкнутом состоянии, относительно большая коммутируемая мощность на единицу собственного объема, большая устойчивость к токам перегрузки и перенапряжениям, стабильные параметры при широком изменении внешних условий.

Тенденция более широкого применения контактной коммутационной аппаратуры по сравнению с бесконтактными, вероятно, сохранится длительное время [3, 74, 101, 107].

В условиях современной экономики конкурентоспособность предприятий, изготавливающих коммутационную аппаратуру, определяется качеством выпускаемой ими продукции, основным свойством которой является надежность. В связи с тем, что контактные аппараты управления являются массовой продукцией, которая применяется также и на особо ответственных объектах (АЭС, предприятиях с непрерывным технологическим процессом и т.д.), требования к их надежности и качеству постоянно растут.

Важнейшим показателем надежности магнитных пускателей является коммутационная износостойкость [34, 83, 106]. Поэтому для получения информации о надежности магнитных пускателей необходимо проводить испытания на коммутационную износостойкость. Эти испытания являются неотъемлемой частью новых разработок и необходимы для контроля и поддержания уровня технологического процесса производства в соответствии с требованиями международных стандартов серии ИСО 9000. Испытания на коммутационную износостойкость - наиболее трудоемкий вид испытаний. Коммутационная износостойкость магнитных: пускателей; составляет от десятков тысяч до нескольких миллионов циклов включения/отключения, что обуславливает большую продолжительность испытаний, исчисляемую месяцами и годами. За такие промежутки времени появляются новые технические решения, вводится в строй обновленное технологическое оборудование, что делает результаты испытаний запаздывающими и; частично обесцененными. В то же время затраты материальных ресурсов и энергоресурсов на проведение таких испытаний весьма существенны. Также следует отметить, что специальные испытания контакторов, пускателей на коммутационную износостойкость носят разрушительный характер, поэтому контроль износостойкости возможен только выборочным методом с малой численностью выборки. Следовательно, поиск новых способов получения объективной информации при обоснованном ускорении в условиях малой выборки является актуальной проблемой.

В течение последних 30-40 лет введутся активные исследовательские работы, в которых разрабатываются методы прогнозирования надежности на основе ускоренных испытаний [10, 13, 23, 41, 46, 65, 80, 85, 109, 111-113]. Достижения в области электроаппаратостроения, математики и компьютерных технологий стимулируют создание новых методов ускоренной оценки работоспособности магнитных пускателей на коммутационную износостойкость.

Целью диссертационной работы являются: разработка методики ускоренных испытаний на коммутационную износостойкость и ее научное обоснование в условиях малой выборки приемами непараметрической статистики; экспериментальное апробирование методики на различных партиях изделий; научное обоснование стандартизируемого плана контроля при специальных испытаниях на коммутационную износостойкость;

Достижение поставленной цели потребовало постановки и решения задач как технического, так и теоретического плана, основными из которых являются: получение оценок стандартизируемого плана контроля пускателей; анализ методики испытаний на коммутационную износостойкость пускателей промышленного производства; анализ вероятностных моделей для оценки надежности контактов магнитных пускателей при испытаниях на коммутационную износостойкость; выбор характерного параметра, определяющего техническое состояние контактов магнитных пускателей, по которому целесообразно осуществлять прогнозирование показателей надежности; разработка математической модели, описывающей изменения во времени характерного параметра, и проверка правильности выбора модели по результатам предварительных испытаний; анализ методов расчета точечных и интервальных оценок прогнозируемых показателей надежности; анализ ускоренных методов испытаний; оценка точности и достоверности ускоренных испытаний и учет ошибок измерений.

Объектом исследования являются магнитные пускатели различных серий.

Предметом исследования является процесс деградации контактной системы магнитных пускателей в ходе выполнения коммутационных циклов.

Методология исследования. Теоретической и методологической базой диссертационного исследования являются теория электрических коммутационных аппаратов (раздел электрические контакты), теория вероятностей и математическая статистика, элементы теории случайных процессов и теории надежности, системы управления качеством. При решении задач использованы современные программные средства.

Диссертационная работа опирается на исследования коллективов ведущих научно-исследовательских институтов и организаций: Московского энергетического института (МЭИ), Федерального государственного образовательного учреждения высшего и профессионального образования «Чувашский государственный университет им. И. Н. Ульянова» (ЧТУ), ОАО «Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт релестроения с опытным производством» (ОАО «ВНИИР»), а также на труды ведущих ученых И. Е. Дулина, Р. С. Кузнецова, 3. В. Тевлина, В. А. Яковлева, И. С. Таева, Ю. К. Розанова, Г. С. Белкина, В. Н. Шоффы, М. Г. Кобленца, Е. Г. Егорова, В. С. Генина и др.

Достоверность, результатов подтверждается представленным объемом статистического материла, соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований, результатами расчета, положительными результатами внедрения разработанной методики ускоренных испытаний.

Научная новизна настоящей работы заключается в: разработке в рамках непараметрической статистики методики прогнозирования надежности контактов магнитных пускателей на основе результатов сокращенных испытаний на коммутационную износостойкость. проведении серии экспериментов коммутации электрических цепей и получении экспериментальных данных; использовании приемов непараметрической статистики для анализа результатов промышленных нормальных испытаний на коммутационную износостойкость, что позволило улучшить достоверность прогноза в условиях малой выборки; получении необходимых оценок стандартного плана контроля, позволяющих аргументировано решать вопросы арбитражных ситуаций.

На защиту выносятся: характеристики стандартизируемого плана контроля специальных испытаний на коммутационную износостойкость; вероятностно-статистическая модель случайного процесса износа контактной системы магнитных пускателей, разработанная по результатам нормальных испытаний на коммутационную износостойкость; методы прогнозирования, которые могут быть применены для оценки работоспособности аппарата по результатам сокращенных испытаний; методика ускоренных испытаний на , коммутационную износостойкость на основе непараметрического прогнозирования технического состояния контактов, использующая информацию, полученную в ходе сокращенных испытаний.

Практическая ценность работы. Разработанная методика ускоренных испытаний на коммутационную износостойкость позволяет за более короткий срок дать оценку технического состояния и надежности контактов магнитных пускателей в пределах установленного стандартами ресурса, что ведет к снижению затрат на проведение таких испытаний. Результаты исследования дают основания для корректировки самих планов испытаний с целью получения более достоверного прогноза.

Кроме того, по экспериментальным данным (линейной деградации контактов), полученным в процессе коммутации и измеренным при различной наработке в условиях без разборки конструкции аппарата, выполнен пересчет в деградацию по объему в функции числа циклов. Это позволяет определить важные эрозионные характеристики контактов.

Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались на:

- научных семинарах кафедры «Электрические и электронные аппараты» ЧТУ;

- научно-технических семинарах ОАО «ВНИИР»;

- конференции, посвященной 40-летию ОАО «ВНИИР» «Релейная защита, низковольтная аппаратура управления, регулируемый привод», Чебоксары, 2001 г.; международной конференции «Электрические контакты и электроды», Киев, 2001 г.;

- Поволжской научно-практической конференции «Электротехника и энергетика Поволжья на рубеже тысячелетий», Чебоксары, 2001 г.;'

- международной конференции «Электрические контакты», Санкт-Петербург, 2002 г.;

- IV Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике», Чебоксары, 2002 г.;

- конференциях молодых ученых и аспирантов ЧТУ.

Внедрение. Разработанная методика ускоренных испытаний магнитных пускателей на коммутационную износостойкость внедрена в практике оценочных испытаний в ОАО «ВНИИР».

Отдельные результаты работы используются в учебном процессе кафедры «Электрические и электронные аппараты» ЧТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 154 страницах машинописного текста (в компьютерной верстке) и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (117 наименований в алфавитном порядке), приложений.

Выводы по четвертой главе:

1) для получения реальной оценки функции надежности по: а) методике, изложенной в [87], требуется оценка начала зоны интенсивного старения или параметрический отказ; б) методике, основанной на знании параметров законов распределения исследуемого параметра в различных сечениях, требуется довольно большой объем выборки, что выходит за пределы стандартов испытаний магнитных пускателей на коммутационную износостойкость;

2) одним из методов непараметрической экстраполяции является экспоненциальное сглаживание, при котором выполняется выравнивание данных одномерного динамического массива на основе аддитивной модели временного ряда. Однако по этому методу требуется строгая периодичность замеров провала;

3) методика прогнозирования, основанная на непараметрическом сглаживании (лагах), по результатам сокращенных испытаний магнитных пускателей на различных партиях обнаруживает возможность построения достоверного прогноза технического состояния контактов до ресурса, установленного НТД;

4) опытная проверка рекомендуемой методики ускоренных испытаний на коммутационную износостойкость на основе непараметрического прогнозирования технического состояния контактов, показала целесообразность ее применения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведенного исследования можно сформулировать следующие итоги и выводы.

1. Для получения информации о надежности магнитных пускателей проводятся испытания на коммутационную износостойкость.

2. В связи со значительной стоимостью и длительностью проведения необходимо ускорять эти испытания.

3. Испытания на коммутационную износостойкость промышленных образцов пускателей необходимо проводить в нормальных режимах в соответствии с требованиями стандартов; при этом не допускается разборка и сборка испытуемых образцов.

4. Специальные испытания контакторов, пускателей на коммутационную износостойкость носят разрушительный характер, поэтому контроль износостойкости возможен только выборочным методом с малой численностью выборки.

5. Получены необходимые оценки стандартного плана контроля, позволяющие аргументировано решать вопросы арбитражных ситуаций.

6. Условия малой выборки не позволяют применять стандартные методы параметрической статистики. В связи с этим в работе обоснована целесообразность применения методов и приемов непараметрической статистики.

7. Разработаны технические средства для проведения испытаний магнитных пускателей на коммутационную износостойкость.

8. Проведены нормальные испытания до отказа всех изделий в выборке и получены экспериментальные данные, посредством измерений в условиях без разборки конструкции аппарата.

9. Установлена модель случайного процесса деградации контактной системы магнитных пускателей на основе полученных экспериментальных данных при нормальных испытаниях на коммутационную износостойкость до отказа всех изделий.

10. Экспериментальные данные подвергнуты анализу с использованием вероятностно-статистических методов (включая теорию случайных процессов), что позволило получить оценку функции безотказной работы, провести пересчет линейной деградации в деградацию по объему, а также найти расчетную оценку средней наработки до отказа пускателей испытуемой серии; определить важные эрозионные характеристики контатков.

11. В тех случаях, когда методы расчетов по существу основываются на нормальности распределения, данная гипотеза проверяется через промежуточный этап (метод прямоугольных вкладов, позволяющий развернуть информацию, содержащуюся в малой выборке).

12. Выявлены границы применимости методов прогнозирования, которые могут быть использованы для оценки работоспособности аппарата по результатам сокращенных испытаний.

13. Разработана методика ускоренных испытаний на коммутационную износостойкость на основе непараметрического прогнозирования технического состояния контактов, использующая информацию, полученную в ходе сокращенных испытаний.

14. Проведена опытная проверка рекомендуемой методики ускоренных испытаний.

15. Разработанная методика ускоренных испытаний магнитных пускателей на коммутационную износостойкость внедрена в практике оценочных испытаний в ОАО «ВНИИР». Отдельные результаты работы используются в учебном процессе кафедры «Электрические и электронные аппараты» ФГОУ ВПО «Чувашский государственный университет им. И. Н. Ульянова».

1. Асатурян В. И. Теория планирования эксперимента. - М.: Радио и связь, 1983.-248 с.

2. Белкин Г. С. Коммутационные процессы в электрических аппаратах. М.: ЗНАК, 2003. - 244 с.

3. Белкин Г. С. Перспективы развития коммутационной аппаратуры высокого напряжения // Электротехника. 1997. - №1. - С. 5-7.

4. Беляев Ю. К. Вероятностные методы выборочного контроля. М. Наука, 1975.-408 с.

5. Бернштейн С. Н. Теория вероятности. M.-JL: Гостехиздат, 1946. -556 с.

6. Богданофф Дж., Козин Ф. Вероятностные модели накопления повреждений. М.: Мир, 1989. — 344 с.

7. Болдин М. В., Симонова Г. И., Тюрин Ю. Н. Знаковый статистический анализ линейных моделей. М.: Наука, 1997. - 288 с.

8. Болыпев JI. Н., Смирнов Н. В. Таблицы математической статистики. М.: Наука, 1983. - 416 с.

9. Боровиков В. STATISTICA: искусство анализа данных на компьютере. Для профессионалов. СПб.: Питер, 2001. - 656 с.

10. Буторин В. А., Швецов М. С., Банин Р. В. Исследование коммутационной износостойкости контактов магнитных пускателей в сельском хозяйстве // Вестник ЧГАУ. 2000. - Т. 30. - С. 94-98.

11. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1968. - 576 с.

12. Вентцель Е. С., Овчаров Л. А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. М.: Наука, 1988. - 480 с.

13. Вяткин JI. И. Ускоренные испытания контактов на износ при включении тока // Пути повышения качества и надежности. Киев: Техника, 1987.-С. 121-138.

14. Гаскаров Д. В., Голинкевич Т. А., Мозгалевский А. В. Прогнозирование технического состояния и надежности радиоэлектронной аппаратуры. — М.: Сов. радио, 1974. 224 с.

15. Гаскаров Д. В., Шаповалов В. И. Малая выборка. - М.: Статистика, 1978. - 248 с.

16. Генин В. С. Статистическая оценка надежности контактирования вспомогательных контактов пускателей и реле // Тр. АЭН Чувашской Республики. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 1999. - №1-2. - С. 97-102.

17. Герцбах И. Б., Кордонский X. Б. Модели отказов. М.: Сов. радио, 1966. - 168 с.

18. Главный В. Д., Котляревский А. П. Метод контрольных ускоренных испытаний на надежность аппаратов низкого напряжения // Электротехническая промышленность. Сер. Аппараты низкого напряжения. М.: Информэлектро, 1976. - Вып. 3 (52). - С. 9-11.

19. Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика. Учеб. пособие для вузов. 7-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2001. - 479 с.

20. Гнеденко М. Б., Беляев Ю. К., Соловьев А. Д. Математические методы в теории надежности. М.: Наука, 1965. - 524 с.

21. Годжелло А. Г., Панков И. А. Способ ускоренной оценки качества алюминиевых контактных соединений // Электротехника. 2000. №7.-С. 47-49.

22. ГОСТ 2491-82. Пускатели электромагнитные низковольтные. Общие технические требования.

23. ГОСТ 12434-83 (СТ СЭВ 3560-82). Аппараты коммутационные низковольтные. Общие технические условия.

24. ГОСТ 2933-83. Аппараты электрические низковольтные. Методы испытаний.

25. ГОСТ Р 50030.4.1-02 (МЭК 60947-4-1-2000). Аппаратура распределения и управления низковольтная. Часть 4. Контакторы и пускатели. Электромеханические контакторы и пускатели.

26. ГОСТ 30011.4.1 -96 (МЭК 947-4-1-90). Низковольтная аппаратура распределения и управления. Часть 4. Контакторы и пускатели.

27. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения.

28. ГОСТ Р 50779.71-99. Статистические методы. Процедуры выборочного контроля по альтернативному признаку. Часть 1. Планы выборочного контроля последовательных партий на основе приемлемого уровня качества AQL.

29. Дулин В. В. Методы исследования надежности низковольтных аппаратов. М.: Энергия, 1970. - 152 с.

30. Жаворонков М. А., Нестеров Г. Г., Тайвер Е. И. Оценка коэффициента выброса при расчете эрозии сильноточных контактов // Изв. Вузов. Электромеханика. —1981. №10. - С. 1161-1164.

31. Егоров Е. Г. Испытания и исследования низковольтных коммутационных электрических аппаратов: Учеб. для вузов. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2000. - 448 с.

32. Егоров Е. Г. Методика ускоренного определения коммутационной износостойкости пускателей // Технические науки: сегодня и завтра: Тез. докл. юбилейной итоговой науч. конф. — Чебоксары.: Изд-во Чуваш, ун-та, 1997. — С. 110-111.

33. Егоров Е. Г. Ускоренные испытания пускателей переменного тока // I Междунар. конф. по электромех. и электротехн.: Тез. докл. 13-16 сентября 1994 г. Суздаль, 1994. - С. 210.

34. Ермаков С. М., Жиглявский А. А. Математическая теория оптимального эксперимента: Учеб. пособие. М.: Наука, 1987. - 320 с.

35. Ивоботенко Б. А., Ильинский Н. Ф., Копылов И. П. Планирование эксперимента в электромеханике. — М.: Энергия,-1975. — 184 с.

36. Канчавелли Л. Д. Модели прогнозирования надежности технических изделий без длительных предварительных испытаний. Автореф. дисс. . канд. физ.-мат. наук. М., 1997. — 17 с.

37. Капырин В. В., Коренев Г. Д. Системы управления качеством. — М.: Европейский центр по качеству, 2002. — 324 с.

38. Карасев А. И. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Статистика, 1970. — 344 с.

39. Карташов Г. Д. Основы теории форсированных испытаний. М.: Знание, 1977. — 52 с.

40. Карташов Г. Д. Форсированные испытания. — М.: Знание, 1986. —54 с.

41. Кобленц М. Г. Исследование электрической износостойкости силовых контактов // Электрические контакты. — М.: Наука, 1967. — С.608-624.

42. Козлов Б. А., Ушаков И. А. Справочник по расчету надежности аппаратуры радиоэлектроники и автоматики. — М.: Сов. радио, 1975. — 472 с.

43. Колемаев В. А. Теория вероятностей и математическая статистики: Учеб. для вузов. М.: ИНФРА-М, 2000. — 302 с.

44. Кузнецов Р. С. Аппараты распределения электрической энергии на напряжение до 1000 В. М.: Энергия, 1970. - 544 с.

45. Кузьмин Р. В., Гром В. П. Расчет надежности судового оборудования по малым выборкам. — JI.: Судостроение, 1976. — 96 с.

46. Лосицкий О. Г., Чернышов А. С. Библиография по проблемам ускоренных испытаний // Надежность и контроль качества. — 1970. №7. -С. 72-83.

47. Лосицкий О. Г., Чернышев А. С. Библиография по проблемам ускоренных испытаний // Надежность и контроль качества. — 1970. — №6. — С. 56-63.

48. Макарова Н. В., Трофимец В. Я. Статистика в Exsel. М.: Финансы и статистика, 2002. — 366 с.

49. Меламедов И. М. Физические основы надежности. — М.: Энергия, 1970.- 152 с.

50. Мичурин А. И. Ускоренные методы испытаний на надежность технических систем и изделий. — М.: Знание, 1966. — 172 с.

51. Надежность технических систем: : Справочник / Ю. К. Беляев, В. А. Богатырев, В. В. Болотин и др.; Под ред. И. А. Ушакова. — М.: Радио и связь, 1985. 608 с.

52. Надежность и эффективность в технике. Справочник. Т. 7. Качество и надежность в производстве. — М.: Машиностроение, 1989. 280 с.

53. Налимов В. В. Теория эксперимента. М.: Наука, 1971. - 207 с.

54. Намитоков К. К. Испытания аппаратов низкого напряжения. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 248 с.

55. Оценка надежности контактов магнитных пускателей в условиях малой выборки / А. Г. Годжелло, Е. Г. Егоров, С. П. Иванова и др. // Тр. АЭН

56. Чувашской Республики. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2002. - №1. -С. 36-40.

57. Павлов В. А., Щеголева Е. В. Восстанавливающаяся электрическая прочность газовых промежутков с расходящимися электродами // Тр. АЭН Чувашской Республики. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 1999.-№1-2.-С. 145-150.

58. Панасенко А. М. О методике ускоренных испытаний опытных образцов автоматов // Аппараты низкого напряжения. — Киев: Техника, 1981. -С. 145-167.

59. Перроте А. И., Карташов Г. Д., Цветаев К. Н. Основы ускоренных: испытаний радиоэлементов на надежность. — М.: Сов. радио, 1968. — 223 с.

60. Пешее JI. Я., Степанова М. Д. Методика определения предельной нагрузки при ускоренных испытаниях // Изв. АН СССР. Сер. Техническая кибернетика. 1966. - №6. - С. 58-56.

61. Пешее JI.Я., Степанова М.Д. Основы теории ускоренных испытаний на надежность. — Минск: Наука и техника, 1972. — 166 с.

62. Поллард Дж. Справочник по вычислительным, методам статистики / Пер. с англ. В. С. Задорнова; Под., ред. и с предисл. Е. М. Четыркина. — М.: Финансы и статистика, 1982. — 640 с.

63. Половко А. М. Основы теории надежности. М.: Наука, 1964. — 446. с.

64. Прикладной статистический анализ: Учеб. пособие для вузов / С. В. Алексахин, А. В. Балдин, А. Б. Николаев, В. Ю. Строганов. М.: Изд-во ПРИОР, 2001. -224 с.

65. Пряников В. С. Прогнозирование отказов полупроводниковых приборов. — М.: Энергия, 1978. 112 с.

66. Розанов Ю. К., Акимов Е. Г. Основные тенденции развития силовых коммутационных аппаратов управления и защиты низкого напряжения // Электротехника. — 1997. — №1. — С. 1-5.

67. Розанов Ю. К., Рябчицкий М. В., Кваснюк А. А. Новые функции активного фильтра // Электрические аппараты: Межвуз. сб. науч. тр. — Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 1998. С. 12-20.

68. Розанов Ю. К., Акимов Е. Г., Пручкин А. Н. Эрозия контактов в условиях гибридной коммутации // Электротехника. — 1998. — №1. — С. 1-6.

69. Сотсков Б. С., Декабрун И. Е. О надежности электрического контакта / Электрические контакты. М.: Энергия, 1964. - С. 430-439.

70. Сотсков Б. С. Основы теории и расчета элементов и устройств автоматики и вычислительной техники. — М.: Высш. шк., 1970. — 271 с.

71. Спилка В. К. Методика ускоренных испытаний автоматов // Состояние и перспективы развития низковольтных аппаратов. Баку, 1975. — С.11-12.

72. Срибкер JL А. Экспериментальное определение надежности контактных устройств методом ускоренных испытаний. — М.: Энергия, 1968. -104 с.

73. Статистический анализ надежности контактов магнитных пускателей в условиях малой выборки / А. Г. Годжелло, Е. Г. Егоров, Н. А. Ращепкина, С. П. Иванова// Электротехника. — 2002. —№1. -.С. 37-40.

74. Счастливенко Ф. Е., Скорынин Ю. В. Основные направления ускоренных испытаний, на надежность и долговечность. Минск: Наука и техника, 1967. - 214 с.

75. Таев И. С. Электрические аппараты: Общая теория. — М.: Энергия, 1977. 272 с.

76. Таев И. С. Электрические контакты и дугогасительные устройства аппаратов низкого напряжения. — М.: Энергия, 1973. — 424 с.

77. Таев И. С., Егоров Е. Г. Расчетно-экспериментальное определение коммутационной износостойкости электрических аппаратов // Электротехника. 1995. — №9.— С. 55-56.

78. Тевлин 3. В. Надежность электромагнитных коммутационных аппаратов. — М.: Информэлектро, 1974. 72 с.

79. Тевлин 3. В. Прогнозирование надежности контактов аппаратов низкого напряжения // Электротехника. 1968. — №9. - С. 31-34.

80. Технические условия ТУ 16-89 (ИГРФ.644236.033 ТУ). Пускатели электромагнитные серии ПМ12.

81. Тимонин В. И. Математические методы в теории ускоренных испытаний // Зарубежная радиоэлектроника. — 1981. — № 1. — С. 51-57.

82. Тюрин Ю. Н. Непараметрические методы статистики. — М.: Знание, 1978. 64 с.

83. Тюрин Ю. Н., Макаров А. А. Анализ данных на компьютере / Под. ред. В. Э. Фигурнова. М.: Информ, 2003. - 544 с.

84. Фишер В. Методы ускоренных испытаний микроэлектронных элементов // Зарубежная радиоэлектроника. 1982. №11. С. 3-10.

85. Фомин Я. А., Тарловский Г. Д. Статистическая теория распознавания образов. — М.: Радио и связь, 1986. — 264 с.

86. Хан Г., Шапиро С. Статистические модели в инженерных задачах. — М.: Мир, 1981. — 520 с.

87. Хольм Р. Электрические контакты. М.: Изд-во иностранной литературы, 1961. - 464 с.

88. Цветаев К. Н. Сокращение времени испытаний на надежность при известном виде функции распределения времени работы до отказа. — М.: Знание, 1969. 34 с.

89. Шевченко С. М. Движение и удары в электрических аппаратах автоматического управления. — М.: Энергия, 1979. — 144 с.

90. Шор Я. Б. Статистические методы анализа и контроля качества и надежности. М.: Сов. радио, 1962. - 552 с.100., Шоффа В. Н. Спектр дребезга как информативный параметр для диагностики геркона // Электротехника. — 1994. №11. — С. 41-45.

91. Шоффа В. Н., Игнатьев В. В. Перспективы развития слаботочной релейной техники // Электротехника. — 1997. — №1. — С. 7-12.

92. Шторм Р. Теория вероятностей. Математическая статистика. Статистический контроль качества / Пер. с нем. Н. Н. и М. Г. Федоровых; Под ред. Н. С. Райбмана. М.: Мир, 1970. - 386 с.

93. Штремберг Т.К., Белозерова Н. А. Срок службы платино-иридиевых контактов реле и зависимость его от тока нагрузки / Электрические контакты. — М.: Энергия, 1964. — С. 443-4631

94. Штремберг Т. К. Оценка надежности электрических контактов / Электрические контакты. — М.: Энергия, 1967. — С. 508-527.

95. Эконометрика: Учеб. для вузов / Под ред. И. И. Елисеевой. — М.: Финансы и статистика, 2003. 344 с.

96. Электрические и электронные аппараты: Учеб. для вузов / Под ред. Ю. К. Розанова. — М.: Энергоатомиздат, 2001. 420 с.

97. Электромеханические аппараты автоматики / Б.К.Буль, О. Б. Буль, В. А. Азанов, В. Н. Шоффа. М.: Высш. шк., 1988. - 302 с.

98. Электрическая эрозия контактов и, сильноточных электродов / Г. В. Буткевич, Г. С. Белкин, Н. А. Ведешенков, М. А. Жаворонков. М.: Энергия, 1978.-256 е.

99. Яковлев В. А. Исследование электрической износостойкости контактов автоматических выключателей // Электротехника. — 1972. — №8. — С. 26-28.

100. Яковлев В. А. Показатели надежности автоматических выключателей по результатам лабораторных испытаний образцов // Электротехническая промышленность. Сер. Аппараты низкого напряжения. М.: Информэлектро, 1972. - Вып. 6(14). - С. 19-21.

101. Яковлев В. А. Ускоренная оценка электрической износостойкости автоматических выключателей // Электротехническая промышленность. Сер. Аппараты низкого напряжения. М.: Информэлектро, 1972. - Вып. 7 (15). - С. 10-14.

102. Chatfield С. The Analysis of Time Series: an Introduction, 4th ed/ Chapmam and Hall. 1989. 242 c.

103. Magnetic contactors Tesys. General catalogue. 2003. Telemecanique.

104. Mann N. R. Methods for Statistical analysis of Reliability and Life Data. John Willy. 1994.

105. Zacks S. Introduction to Reliability Analis. Probability Models and Statistical Methods. Springer-Verlag, Berlin. 1992.

106. Измеренные значения провала контактов (мм) в процессе наработки z (тыс. цикл)