Помощь студентам в учебе
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ЛИФТОВ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ РАБОТ ПО НАДЕЖНОСТИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И СИСТЕМАМ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ И РЕМОНТА 13
1.1. Надежность асинхронных двигателей и проблема ее обеспечения 13
1.2. Причины появления отказов асинхронных двигателей 20
1.3. Особенности конструкции и условия эксплуатации асинхронных
двигателей для лифтов 25
1.4. Методы моделирования эксплуатационной надежности
асинхронных двигателей 33
1.5. Существующие системы технического обслуживания и
ремонта и их задачи 39
1.6. Постановка задач исследования 46
1.7. Выводы 48
2. СТАТИСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ
НАДЕЖНОСТИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ЛИФТОВ 53
2.1. Основное направление в изучении эксплуатационной
надежности асинхронных двигателей для лифтов 53
2.2. Структурная модель эксплуатационной надежности лифта 60
2.3. Анализ отказов пассажирских лифтов по данным эксплуатации 71
2.4. Массив исходных данных по эксплуатационной надежности
асинхронных двигателей для лифтов 77
2.5. Математическая модель оценки эксплуатационной
надежности асинхронных двигателей для лифтов по цензурированным данным 86
2.6. Программная реализация математической модели эксплуатационной надежности асинхронных двигателей для лифтов 94
2.7. Моделирование эксплуатационной надежности статоров
асинхронных двигателей для лифтов 101
2.8. Выводы 108
3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ
ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ЛИФТОВ 112
3.1. Общие сведения прогнозирования эксплуатационной надежности
асинхронных двигателей для лифтов 112
3.2. Математическая модель прогнозирования эксплуатационной
надежности статоров асинхронных двигателей для лифтов 118
3.3. Прогнозирование надежности и долговечности
подшипниковых устройств асинхронных двигателей для лифтов 130
3.4. Выводы 141
4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ
ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ И РЕМОНТА АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ЛИФТОВ 144
4.1. Обеспечение эксплуатационной надежности асинхронных
двигателей для лифтов 144
4.2. Определение периодичности текущего ремонта статоров
асинхронных двигателей для лифтов 151
4.3. Рекомендации по совершенствованию системы организации технического обслуживания и ремонта асинхронных двигателей для лифтов 158
4.4. Выводы 163
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 165
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ 170
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 171
ПРИЛОЖЕНИЯ
1. Коды и описание аварийных ситуаций пассажирских лифтов 185
2. Статистические данные по наработке асинхронных двигателей для лифтов 187
3. Листинг программы для ЭВМ 195
4. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 211
5. Акты внедрения 212
1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ РАБОТ ПО НАДЕЖНОСТИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И СИСТЕМАМ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ И РЕМОНТА 13
1.1. Надежность асинхронных двигателей и проблема ее обеспечения 13
1.2. Причины появления отказов асинхронных двигателей 20
1.3. Особенности конструкции и условия эксплуатации асинхронных
двигателей для лифтов 25
1.4. Методы моделирования эксплуатационной надежности
асинхронных двигателей 33
1.5. Существующие системы технического обслуживания и
ремонта и их задачи 39
1.6. Постановка задач исследования 46
1.7. Выводы 48
2. СТАТИСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ
НАДЕЖНОСТИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ЛИФТОВ 53
2.1. Основное направление в изучении эксплуатационной
надежности асинхронных двигателей для лифтов 53
2.2. Структурная модель эксплуатационной надежности лифта 60
2.3. Анализ отказов пассажирских лифтов по данным эксплуатации 71
2.4. Массив исходных данных по эксплуатационной надежности
асинхронных двигателей для лифтов 77
2.5. Математическая модель оценки эксплуатационной
надежности асинхронных двигателей для лифтов по цензурированным данным 86
2.6. Программная реализация математической модели эксплуатационной надежности асинхронных двигателей для лифтов 94
2.7. Моделирование эксплуатационной надежности статоров
асинхронных двигателей для лифтов 101
2.8. Выводы 108
3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ
ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ЛИФТОВ 112
3.1. Общие сведения прогнозирования эксплуатационной надежности
асинхронных двигателей для лифтов 112
3.2. Математическая модель прогнозирования эксплуатационной
надежности статоров асинхронных двигателей для лифтов 118
3.3. Прогнозирование надежности и долговечности
подшипниковых устройств асинхронных двигателей для лифтов 130
3.4. Выводы 141
4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ
ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ И РЕМОНТА АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ЛИФТОВ 144
4.1. Обеспечение эксплуатационной надежности асинхронных
двигателей для лифтов 144
4.2. Определение периодичности текущего ремонта статоров
асинхронных двигателей для лифтов 151
4.3. Рекомендации по совершенствованию системы организации технического обслуживания и ремонта асинхронных двигателей для лифтов 158
4.4. Выводы 163
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 165
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ 170
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 171
ПРИЛОЖЕНИЯ
1. Коды и описание аварийных ситуаций пассажирских лифтов 185
2. Статистические данные по наработке асинхронных двигателей для лифтов 187
3. Листинг программы для ЭВМ 195
4. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 211
5. Акты внедрения 212
Актуальность исследования. В настоящее время пассажирские лифты в России достигли широкого распространения, в эксплуатации насчитывается их около 500 тысяч. Поэтому в центре внимания находится повышение качества и надежности лифтов, а также организация и проведение работ по техническому обслуживанию, ремонту и модернизации.
Согласно техническому регламенту "О безопасности лифтов", утвержденному постановлением правительства Российской Федерации 2 октября 2009 г. № 782 назначенный срок службы лифтов составляет 25 лет, по истечении, которого проводится диагностическое обследование лифта с последующим ремонтом либо заменой его элементов и возможностью продления срока службы еще до 25 лет в зависимости от срока службы замененных узлов. Кроме того, массовый ввод лифтов в эксплуатацию пришелся на 80-е годы прошлого века, соответственно количество лифтов выработавших срок службы, составляет порядка 35% и продолжает расти.
Конструкция пассажирского лифта состоит из довольно большого числа элементов, которые должны обеспечить его надежную работу при эксплуатации. Одним из таких элементов является электродвигатель привода лебедки. Как правило, приводы пассажирских лифтов, установленных в жилых домах, не требуют непрерывного регулирования частоты вращения и поэтому оборудованы асинхронными двухскоростными двигателями с короткозамкнутым ротором. Асинхронные двигатели для лифтов (АДЛ), как и любые другие электрические машины, проектируются на длительный срок функционирования, но по причине различных скрытых дефектов и недостатков эксплуатации могут выходить из строя значительно раньше. Отказы АДЛ влекут за собой длительный простой лифтов и являются достаточно дорогостоящими по исправлению. Причиной затрат времени и средств на восстановительные работы служит не столько сложность двигателей, сколько их масса. Большинство отказов невозможно устранить в машинном помещении, возникает необходимость транспортирования на ремонтный участок. В связи с этим огромную важность приобретает повышение надежности АДЛ, которое на этапе эксплуатации достигается применением эффективной стратегии технического обслуживания и ремонта (ТОиР).
В настоящее время в нашей стране при ремонте элементов лифтов в жилых домах используется разработанная во второй половине прошлого столетия система планово-предупредительного ремонта (ППР). Обладая большими достоинствами, такая система не учитывает количественные показатели надежности элементов, в частности АДЛ, которые можно вычислить, имея статистический материал об их отказах, полученный в процессе эксплуатации. Но, несмотря на огромный парк пассажирских лифтов, отдельно по каждому из элементов статистика не ведется. Информация об отказах лифтов и проведенных работах лишь фиксируется в общем журнале. Значительную трудность в сборе и обработке информации, необходимой для оценки эксплуатационной надежности АДЛ, представляет достаточно длительный процесс их эксплуатации, измеряемый иногда десятилетиями. Найти выход из сложившейся ситуации можно, прогнозируя случайный процесс возникновения отказов АДЛ, исходя из наблюдений за ними в прошлом. Вопросы прогнозирования состояния технических объектов на настоящем этапе развития науки становятся очень актуальными. Кроме того моделирование и прогнозирование эксплуатационной надежности таких двигателей невозможно осуществить с помощью классической теории надежности, так как эксплуатационная информация представляется в виде специфических данных предполагающих наличие как отказавших так и исправных двигателей, которые носят название цензурированных. Цензурирование - это событие, приводящее к прекращению наблюдения за объектом до наступления отказа определенного вида или предельного состояния. Наличие цензурирования снижает точность оценки показателей надежности и требует определенного подхода, поэтому разработка и совершенствование методов оценки таких выборок является наиболее современным направлением в развитии теории надежности. Кроме того большие возможности для этого появились с развитием компьютерной техники. Создание компьютерных программ снижает трудоемкость исследований и увеличивает их точность.
В виду отсутствия в настоящее время эксплуатационной информации АДЛ и необходимости обеспечения и повышения их надежности ниже сформулированы основные направления исследования.
Цель работы. Исследование эксплуатационной надежности асинхронных двигателей для лифтов на основе информации об отказах узлов, прогнозирование их эксплуатационной надежности и совершенствование системы текущего обслуживания и ремонта.
Комплекс задач, который необходимо решить для реализации поставленной цели:
1. Собрать и провести анализ статистического материала об отказах элементов пассажирских лифтов с помощью системного анализа. Оценить влияние элементов на систему в целом, конечной целью которой является повышение надежности и безопасности использования пассажирских лифтов.
2. Сформировать массив статистических данных двухскоростных асинхронных двигателей для лифтов, полученных в реальных условиях эксплуатации, исследовать условия работы АДЛ и особенности конструкции, выбрать метод моделирования эксплуатационной надежности.
3. Разработать математическую модель оценки эксплуатационной надежности АДЛ, позволяющую оперативно оценивать показатели надежности на основе массива данных, состоящего из произвольных наработок до отказа и цензурированных наработок, реализовать ее с помощью программного обеспечения.
4. Определить количественные значения показателей эксплуатационной надежности узлов АДЛ, используя сформированный массив данных и разработанную программу для ЭВМ.
5. Разработать математическую модель прогнозирования, основой которой служит математическая модель оценки эксплуатационной надежности АДЛ, позволяющую определить периоды эксплуатации и оценить остаточный ресурс.
6. Разработать рекомендации по совершенствованию системы технического обслуживания и ремонта АДЛ на основе массива статистических данных и математической модели прогнозирования эксплуатационной надежности.
Объект исследования. Двухскоростные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, используемые в приводе пассажирских лифтов.
Предмет исследования. Методы моделирования эксплуатационной надежности, методы прогнозирования эксплуатационной надежности, системный анализ, математические модели и алгоритмы, принципы совершенствования технического обслуживания и ремонта электрических машин.
Методы исследования. Поставленные в диссертационной работе задачи решаются методами теории вероятности, математической статистики, теории электрических машин, теории надежности электрических машин, математического моделирования, прогнозирования, математического программирования, совершенствования систем технического обслуживания и ремонта.
Для исследований использованы следующие пакеты прикладных программ: Word, Excel, MathCAD. Программная реализация математической модели эксплуатационной надежности АДЛ на основе цензурированных выборок получена с помощью MathCAD.
Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных научных результатов обосновывается корректным применением теоретических методов, их сходимостью с фактическими данными, полученными в реальных условиях эксплуатации АДЛ, большим объемом статистической информации, подтверждены актами внедрения на предприятиях.
Научная новизна заключается в следующем:
1. Разработана математическая модель оценки эксплуатационной надежности АДЛ, основанная на методах статистического и вероятностного анализа. Предложенная модель отличается от существующих тем, что позволяет определять параметры распределений Вейбулла, экспоненциального, нормального, логарифмически-нормального на основе статистических данных, состоящих из произвольных наработок до отказа и цензурированных наработок. Математическая модель позволяет проводить выбор модели надежности, которая наиболее подходит для описания данных, полученных в реальных условиях эксплуатации АДЛ и рассчитывать количественные показатели надежности, необходимые для улучшения АДЛ на стадиях проектирования и изготовления, а также совершенствования системы их технического обслуживания и ремонта.
2. Разработана математическая модель прогнозирования эксплуатационной надежности статоров АДЛ, основанная на математической модели оценки эксплуатационной надежности АДЛ по цензурированным данным, представляющей собой математические формулы и связи между ними. Полученная модель позволяет построить "кривую жизни"АДЛ, определить вероятность безотказной работы на каждом периоде эксплуатации и определить ресурс до капитального ремонта АДЛ с помощью наблюдений на коротком интервале времени за группами АДЛ, имеющими различный период функционирования до начала исследований.
3. Разработан алгоритм проведения технического обслуживания и ремонта АДЛ на основе математической модели прогнозирования их эксплуатационной надежности, учитывающей изменение функции вероятности безотказной работы по различным законам распределения на каждом этапе эксплуатации, интервальные оценки средних наработок до отказа и требуемый технической документацией уровень надежности.
Практическая ценность работы:
1. Впервые получены и систематизированы статистические данные об отказах элементов пассажирских лифтов, на основе которых выявлены наиболее "слабые" из них. Методом экспертного опроса установлены элементы, определяющие эксплуатационную надежность лифтов. Проведен анализ причин отказов АДЛ, получено распределение отказов по узлам.
2. Разработана программа "Оценка эксплуатационной надежности технических устройств по цензурированным данным", предназначенная для оценки эксплуатационной надежности АДЛ по информации об отказах, поступившей в процессе работы в виде цензурированных данных, которая позволяет осуществить построение гистограмм эмпирического распределения наработок, расчет параметров моделей надежности, построение теоретических зависимостей моделей надежности, выбор модели надежности с помощью коэффициента корреляции между эмпирическим и теоретическим распределением наработок.
3. Определена периодичность текущих ремонтов и ресурс до капитального ремонта АДЛ на основе предложенной математической модели прогнозирования, что позволяет повысить эксплуатационную надежность АДЛ и уменьшить длительность простоя пассажирских лифтов, необходимого для восстановления их работоспособного состояния.
4. Разработаны рекомендации по совершенствованию системы организации технического обслуживания и ремонта АДЛ, которые позволяют своевременно выявить и устранить, возникшие в процессе эксплуатации повреждения узлов и деталей АДЛ, а также оперативно провести контроль качества их текущего ремонта.
Реализация и внедрение результатов работы. Полученные результаты диссертационной работы используются для оценки эксплуатационной надежности лифтовых асинхронных двигателей, составлении планов и объемов текущего обслуживания и ремонта на ООО "Томская лифтовая компания" и для корректировки показателей надежности, установленных в технических условиях, а также совершенствования проектирования и технологии изготовления асинхронных двигателей для лифтов на ООО "НПО "Сибэлектромотор".
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Результаты определения значимости элементов пассажирского лифта на основе его структурной модели методом экспертного опроса и анализа отказов, которые позволили организовать прогнозирование эксплуатационной надежности асинхронных двигателей для лифтов.
2. Математическая модель оценки показателей эксплуатационной надежности технических устройств реализована в редакторе MathCAD и позволяет учесть произвольные наработки до отказа и цензурированные наработки высоконадежных асинхронных двигателей для лифтов.
3. "Кривая жизни" статоров асинхронных двигателей для лифтов впервые получена при изучении большого массива данных по эксплуатационной надежности и предназначена для прогнозирования их ресурса и совершенствования системы технического обслуживания и ремонта.
4. Рекомендации по совершенствованию системы организации технического обслуживания и ремонта асинхронных двигателей для лифтов, которые основаны на результатах исследования их эксплуатационной надежности.
Личный вклад в работу. Результаты проведенных исследований получены автором самостоятельно, включая анализ литературы, постановку задач исследования, сбор исходных данных по отказам элементов пассажирских лифтов, обработку статистического материала, разработку математических моделей, синтез программы для ЭВМ, проведение расчетов, анализ результатов, совершенствование системы ТОиР.
Апробация работы. Основные результаты проведенных диссертационных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
1. Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (ТПУ, г. Томск, 2011-2014 гг.).
2. Международная научно-техническая конференция "Электромеханические преобразователи энергии" (ТПУ, г. Томск, 2011 г., 2013 г.).
3. V Всероссийская научно-техническая конференция "Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования" (ТПУ, г. Томск, 2012 г.).
4. XIX Научно-техническая конференция "Электронные и электромеханические системы и устройства" (АО "НПЦ "Полюс", г. Томск, 2015 г.).
Публикации. По результатам диссертационных исследований, опубликовано 12 печатных работ, среди которых 3 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 8 докладов в материалах научно¬технических и научно-практических конференциях, получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ "Оценка эксплуатационной надежности технических устройств по цензурированным данным"№ 2014618241 от 13.08.2014 г.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из оглавления, введения, 4 глав, заключения, перечня сокращений, списка литературы из 152 наименований и 5 приложений. Общий объем работы составляет 214 страниц машинописного текста, содержит 30 таблиц и 30 рисунков
Согласно техническому регламенту "О безопасности лифтов", утвержденному постановлением правительства Российской Федерации 2 октября 2009 г. № 782 назначенный срок службы лифтов составляет 25 лет, по истечении, которого проводится диагностическое обследование лифта с последующим ремонтом либо заменой его элементов и возможностью продления срока службы еще до 25 лет в зависимости от срока службы замененных узлов. Кроме того, массовый ввод лифтов в эксплуатацию пришелся на 80-е годы прошлого века, соответственно количество лифтов выработавших срок службы, составляет порядка 35% и продолжает расти.
Конструкция пассажирского лифта состоит из довольно большого числа элементов, которые должны обеспечить его надежную работу при эксплуатации. Одним из таких элементов является электродвигатель привода лебедки. Как правило, приводы пассажирских лифтов, установленных в жилых домах, не требуют непрерывного регулирования частоты вращения и поэтому оборудованы асинхронными двухскоростными двигателями с короткозамкнутым ротором. Асинхронные двигатели для лифтов (АДЛ), как и любые другие электрические машины, проектируются на длительный срок функционирования, но по причине различных скрытых дефектов и недостатков эксплуатации могут выходить из строя значительно раньше. Отказы АДЛ влекут за собой длительный простой лифтов и являются достаточно дорогостоящими по исправлению. Причиной затрат времени и средств на восстановительные работы служит не столько сложность двигателей, сколько их масса. Большинство отказов невозможно устранить в машинном помещении, возникает необходимость транспортирования на ремонтный участок. В связи с этим огромную важность приобретает повышение надежности АДЛ, которое на этапе эксплуатации достигается применением эффективной стратегии технического обслуживания и ремонта (ТОиР).
В настоящее время в нашей стране при ремонте элементов лифтов в жилых домах используется разработанная во второй половине прошлого столетия система планово-предупредительного ремонта (ППР). Обладая большими достоинствами, такая система не учитывает количественные показатели надежности элементов, в частности АДЛ, которые можно вычислить, имея статистический материал об их отказах, полученный в процессе эксплуатации. Но, несмотря на огромный парк пассажирских лифтов, отдельно по каждому из элементов статистика не ведется. Информация об отказах лифтов и проведенных работах лишь фиксируется в общем журнале. Значительную трудность в сборе и обработке информации, необходимой для оценки эксплуатационной надежности АДЛ, представляет достаточно длительный процесс их эксплуатации, измеряемый иногда десятилетиями. Найти выход из сложившейся ситуации можно, прогнозируя случайный процесс возникновения отказов АДЛ, исходя из наблюдений за ними в прошлом. Вопросы прогнозирования состояния технических объектов на настоящем этапе развития науки становятся очень актуальными. Кроме того моделирование и прогнозирование эксплуатационной надежности таких двигателей невозможно осуществить с помощью классической теории надежности, так как эксплуатационная информация представляется в виде специфических данных предполагающих наличие как отказавших так и исправных двигателей, которые носят название цензурированных. Цензурирование - это событие, приводящее к прекращению наблюдения за объектом до наступления отказа определенного вида или предельного состояния. Наличие цензурирования снижает точность оценки показателей надежности и требует определенного подхода, поэтому разработка и совершенствование методов оценки таких выборок является наиболее современным направлением в развитии теории надежности. Кроме того большие возможности для этого появились с развитием компьютерной техники. Создание компьютерных программ снижает трудоемкость исследований и увеличивает их точность.
В виду отсутствия в настоящее время эксплуатационной информации АДЛ и необходимости обеспечения и повышения их надежности ниже сформулированы основные направления исследования.
Цель работы. Исследование эксплуатационной надежности асинхронных двигателей для лифтов на основе информации об отказах узлов, прогнозирование их эксплуатационной надежности и совершенствование системы текущего обслуживания и ремонта.
Комплекс задач, который необходимо решить для реализации поставленной цели:
1. Собрать и провести анализ статистического материала об отказах элементов пассажирских лифтов с помощью системного анализа. Оценить влияние элементов на систему в целом, конечной целью которой является повышение надежности и безопасности использования пассажирских лифтов.
2. Сформировать массив статистических данных двухскоростных асинхронных двигателей для лифтов, полученных в реальных условиях эксплуатации, исследовать условия работы АДЛ и особенности конструкции, выбрать метод моделирования эксплуатационной надежности.
3. Разработать математическую модель оценки эксплуатационной надежности АДЛ, позволяющую оперативно оценивать показатели надежности на основе массива данных, состоящего из произвольных наработок до отказа и цензурированных наработок, реализовать ее с помощью программного обеспечения.
4. Определить количественные значения показателей эксплуатационной надежности узлов АДЛ, используя сформированный массив данных и разработанную программу для ЭВМ.
5. Разработать математическую модель прогнозирования, основой которой служит математическая модель оценки эксплуатационной надежности АДЛ, позволяющую определить периоды эксплуатации и оценить остаточный ресурс.
6. Разработать рекомендации по совершенствованию системы технического обслуживания и ремонта АДЛ на основе массива статистических данных и математической модели прогнозирования эксплуатационной надежности.
Объект исследования. Двухскоростные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, используемые в приводе пассажирских лифтов.
Предмет исследования. Методы моделирования эксплуатационной надежности, методы прогнозирования эксплуатационной надежности, системный анализ, математические модели и алгоритмы, принципы совершенствования технического обслуживания и ремонта электрических машин.
Методы исследования. Поставленные в диссертационной работе задачи решаются методами теории вероятности, математической статистики, теории электрических машин, теории надежности электрических машин, математического моделирования, прогнозирования, математического программирования, совершенствования систем технического обслуживания и ремонта.
Для исследований использованы следующие пакеты прикладных программ: Word, Excel, MathCAD. Программная реализация математической модели эксплуатационной надежности АДЛ на основе цензурированных выборок получена с помощью MathCAD.
Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных научных результатов обосновывается корректным применением теоретических методов, их сходимостью с фактическими данными, полученными в реальных условиях эксплуатации АДЛ, большим объемом статистической информации, подтверждены актами внедрения на предприятиях.
Научная новизна заключается в следующем:
1. Разработана математическая модель оценки эксплуатационной надежности АДЛ, основанная на методах статистического и вероятностного анализа. Предложенная модель отличается от существующих тем, что позволяет определять параметры распределений Вейбулла, экспоненциального, нормального, логарифмически-нормального на основе статистических данных, состоящих из произвольных наработок до отказа и цензурированных наработок. Математическая модель позволяет проводить выбор модели надежности, которая наиболее подходит для описания данных, полученных в реальных условиях эксплуатации АДЛ и рассчитывать количественные показатели надежности, необходимые для улучшения АДЛ на стадиях проектирования и изготовления, а также совершенствования системы их технического обслуживания и ремонта.
2. Разработана математическая модель прогнозирования эксплуатационной надежности статоров АДЛ, основанная на математической модели оценки эксплуатационной надежности АДЛ по цензурированным данным, представляющей собой математические формулы и связи между ними. Полученная модель позволяет построить "кривую жизни"АДЛ, определить вероятность безотказной работы на каждом периоде эксплуатации и определить ресурс до капитального ремонта АДЛ с помощью наблюдений на коротком интервале времени за группами АДЛ, имеющими различный период функционирования до начала исследований.
3. Разработан алгоритм проведения технического обслуживания и ремонта АДЛ на основе математической модели прогнозирования их эксплуатационной надежности, учитывающей изменение функции вероятности безотказной работы по различным законам распределения на каждом этапе эксплуатации, интервальные оценки средних наработок до отказа и требуемый технической документацией уровень надежности.
Практическая ценность работы:
1. Впервые получены и систематизированы статистические данные об отказах элементов пассажирских лифтов, на основе которых выявлены наиболее "слабые" из них. Методом экспертного опроса установлены элементы, определяющие эксплуатационную надежность лифтов. Проведен анализ причин отказов АДЛ, получено распределение отказов по узлам.
2. Разработана программа "Оценка эксплуатационной надежности технических устройств по цензурированным данным", предназначенная для оценки эксплуатационной надежности АДЛ по информации об отказах, поступившей в процессе работы в виде цензурированных данных, которая позволяет осуществить построение гистограмм эмпирического распределения наработок, расчет параметров моделей надежности, построение теоретических зависимостей моделей надежности, выбор модели надежности с помощью коэффициента корреляции между эмпирическим и теоретическим распределением наработок.
3. Определена периодичность текущих ремонтов и ресурс до капитального ремонта АДЛ на основе предложенной математической модели прогнозирования, что позволяет повысить эксплуатационную надежность АДЛ и уменьшить длительность простоя пассажирских лифтов, необходимого для восстановления их работоспособного состояния.
4. Разработаны рекомендации по совершенствованию системы организации технического обслуживания и ремонта АДЛ, которые позволяют своевременно выявить и устранить, возникшие в процессе эксплуатации повреждения узлов и деталей АДЛ, а также оперативно провести контроль качества их текущего ремонта.
Реализация и внедрение результатов работы. Полученные результаты диссертационной работы используются для оценки эксплуатационной надежности лифтовых асинхронных двигателей, составлении планов и объемов текущего обслуживания и ремонта на ООО "Томская лифтовая компания" и для корректировки показателей надежности, установленных в технических условиях, а также совершенствования проектирования и технологии изготовления асинхронных двигателей для лифтов на ООО "НПО "Сибэлектромотор".
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Результаты определения значимости элементов пассажирского лифта на основе его структурной модели методом экспертного опроса и анализа отказов, которые позволили организовать прогнозирование эксплуатационной надежности асинхронных двигателей для лифтов.
2. Математическая модель оценки показателей эксплуатационной надежности технических устройств реализована в редакторе MathCAD и позволяет учесть произвольные наработки до отказа и цензурированные наработки высоконадежных асинхронных двигателей для лифтов.
3. "Кривая жизни" статоров асинхронных двигателей для лифтов впервые получена при изучении большого массива данных по эксплуатационной надежности и предназначена для прогнозирования их ресурса и совершенствования системы технического обслуживания и ремонта.
4. Рекомендации по совершенствованию системы организации технического обслуживания и ремонта асинхронных двигателей для лифтов, которые основаны на результатах исследования их эксплуатационной надежности.
Личный вклад в работу. Результаты проведенных исследований получены автором самостоятельно, включая анализ литературы, постановку задач исследования, сбор исходных данных по отказам элементов пассажирских лифтов, обработку статистического материала, разработку математических моделей, синтез программы для ЭВМ, проведение расчетов, анализ результатов, совершенствование системы ТОиР.
Апробация работы. Основные результаты проведенных диссертационных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
1. Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (ТПУ, г. Томск, 2011-2014 гг.).
2. Международная научно-техническая конференция "Электромеханические преобразователи энергии" (ТПУ, г. Томск, 2011 г., 2013 г.).
3. V Всероссийская научно-техническая конференция "Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования" (ТПУ, г. Томск, 2012 г.).
4. XIX Научно-техническая конференция "Электронные и электромеханические системы и устройства" (АО "НПЦ "Полюс", г. Томск, 2015 г.).
Публикации. По результатам диссертационных исследований, опубликовано 12 печатных работ, среди которых 3 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 8 докладов в материалах научно¬технических и научно-практических конференциях, получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ "Оценка эксплуатационной надежности технических устройств по цензурированным данным"№ 2014618241 от 13.08.2014 г.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из оглавления, введения, 4 глав, заключения, перечня сокращений, списка литературы из 152 наименований и 5 приложений. Общий объем работы составляет 214 страниц машинописного текста, содержит 30 таблиц и 30 рисунков
Изучение эксплуатационной надежности лифтовых асинхронных двигателей является актуальной задачей электромеханики. Массовый ввод лифтов в эксплуатацию пришелся на 80-е годы прошлого века, соответственно количество лифтов выработавших срок службы, составляет порядка 35 % и продолжает расти. Материалы, представленные в диссертации, позволяют решить научно-практические задачи, заключающиеся в определении показателей надежности АДЛ на основе информации, поступившей в процессе их функционирования, выявлении недостатков эксплуатации, корректировке периодичности и трудоемкости технического обслуживания и ремонта, уменьшении длительности простоя пассажирских лифтов и снижении финансовых затрат. Проведенные в диссертационной работе исследования эксплуатационной информации направленные на повышение эксплуатационной надежности АДЛ показали следующие научные и практические результаты:
1. Впервые получены фактические данные об эксплуатационной надежности асинхронных двигателей для лифтов. Исследования проводились в течение 2010-2013 гг. на примере выборки, состоящей из 446 двухскоростных АДЛ с короткозамкнутым ротором высотой оси вращения 160 мм, мощностью 3,55/0,88 кВт при числе пар полюсов 4/16 и 3,0/1,0 кВт при числе пар полюсов 6/18. Двигатели установлены в пассажирских лифтах до 400 кг в жилых домах этажностью от 8 до 17 в период с 1986 г. по 2011 г. в г. Томске. Сформированная выборка АДЛ разбита на пять групп в зависимости от длительности эксплуатации, изучение надежности которых на первом этапе проводилось независимо друг от друга, так как их техническое состояние различно. Полученные данные являются многократно цензурированными интервалом из-за отсутствия информации до начала наблюдений, разделения отказов по видам, различных моментов ввода лифтов в эксплуатацию и прекращения наблюдений до того как все двигатели выйдут из строя.
2. Получены данные по отказам элементов лифтов и представлены в виде дерева целей. На АДЛ приходится 10% отказов лебедки, эти отказы приводят к длительному простою пассажирских лифтов и являются наиболее дорогими по исправлению, как показал экспертный опрос. Получены данные по видам отказов АДЛ: статор - 41,8 %, датчики температурной защиты, входящие состав статора - 38,4 %, подшипниковые устройства - 8,1 %. Для определения уровня эксплуатационной АДЛ в целом принято решение учитывать надежность статора и подшипниковых устройств, ВБР остальных узлов и деталей приравнять единице из-за незначительного количества их отказов.
3. Разработана математическая модель для оценки эксплуатационной надежности АДЛ, представляющая собой математические формулы и связи между ними. Отличительной особенностью ММ является то, что она позволяет определять количественные показатели моделей надежности (экспоненциальной, Вейбулла, нормальной, логарифмически-нормальной) с учетом не только полных наработок, но и цензурированных методом наименьших квадратов с последующим уточнением. Проверка адекватности моделей надежности в предложенной ММ проводится с помощью линейного коэффициента корреляции, представляющего собой степень согласия эмпирического и теоретического распределений.
4. Разработана программа на основе математической модели оценки эксплуатационной надежности АДЛ по цензурированным данным с помощью редактора MathCAD. Достоинством разработанной программы является оценка параметров моделей надежности по цензурированным данным, что необходимо при исследовании технического состояния высоконадежных двигателей, к которым относятся АДЛ. Программа может быть использована для оперативной оценки надежности ЭМ или их узлов по наработкам, полученным в процессе эксплуатации, при прогнозировании эксплуатационной надежности, при обосновании межремонтных периодов, а также в учебном процессе ввиду своей наглядности. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014618241.
5. Определены показатели моделей надежности для статоров групп АДЛ, имеющих различный период эксплуатации до начала их исследования. Отказы статоров вновь установленных двигателей подчиняется закону распределения Вейбулла, свидетельствуя о периоде приработки. У двигателей, относящихся к группе, эксплуатируемой более 21 года, отказы статоров возникают в соответствие с нормальным законом распределения. Между периодом приработки и износа находится период нормальной работы АДЛ, где отказы статоров подчиняются экспоненциальной модели надежности.
6. Разработана математическая модель прогнозирования эксплуатационной надежности статоров АДЛ, основанная на математической модели оценки эксплуатационной надежности статоров АДЛ по цензурированным данным. Полученная модель позволяет определить периоды эксплуатации статоров АДЛ, определить ВБР на каждом периоде и определить ресурс до капитального ремонта АДЛ.
7. Впервые в практике эксплуатации получена "кривая жизни"статоров АДЛ не встречающаяся ранее в литературе. Вид данной кривой приводится неоднократно, но количественные значения ранее были неизвестны. Полученная зависимость наглядно показывает периоды эксплуатации статоров АДЛ: приработки, нормальной работы и износа.
Большое значение в период приработки имеет его длительность. С точностью, достаточной в дальнейшем для разработки системы ТОиР, следует считать длительность периода приработки, равной двум годам. В период нормальной эксплуатации происходят отказы обмоток АДЛ, не имеющие какой- либо определенной закономерности, интенсивность их при этом на уровне 5,0-10-6 ч-1. Через 21 год эксплуатации двигателей наступает период старения изоляции обмоток, имеющий отказы возрастающей интенсивности. В течение трех лет интенсивность отказов увеличивается почти в шесть раз и достигает 33-10-6 ч-1.
8. Построена функция вероятности безотказной работы статоров АДЛ на всех периодах их эксплуатации и определены средние наработки до отказа. В период нормального функционирования средняя наработка до отказа составляет 31,2 года и показывает только степень надежности АДЛ в этот период. Средняя наработка до отказа в период износа статоров АДЛ является их техническим ресурсом - 24,7 лет. Рассчитан средний ресурс до капитального ремонта при отсутствии системы ТОиР - 8,7 лет.
9. Определены ВБР подшипников при механическом износе и долговечность, применяемой в них смазки по стандартной методике. Примененная методика предполагает появление отказов шариковых подшипников по причине износа в соответствии с моделью надежности Вейбулла, а изменение технического состояния смазки в соответствии с нормальной моделью надежности. Определенные расчетным путем показатели надежности подшипниковых устройств на начальном этапе и на протяжении длительного периода эксплуатации показывают, что произошедшие отказы стали следствием эксплуатационных факторов, которые не были учтены при расчете. Следовательно, с точностью достаточной в дальнейшем для разработки рекомендаций ТОиР позволяют считать математическую модель прогнозирования эксплуатационной надежности статоров математической моделью прогнозирования АДЛ в целом.
10. Разработан алгоритм технического обслуживания и ремонта АДЛ, основанный на математической модели прогнозирования эксплуатационной надежности статоров АДЛ и позволяющий сочетание системы ППР (для статоров) и стратегии ТОиР по текущему состоянию (для подшипниковых устройств).
11. Определена периодичность текущего ремонта статоров АДЛ на основе математической модели прогнозирования их эксплуатационной надежности, учитывающая изменение функции ВБР по законам распределения, зависящим от этапа эксплуатации, интервальные оценки средних наработок до отказа и требуемый уровень надежности, установленный технической документацией. Для безотказного функционирования АДЛ в период приработки: (0-2) лет текущий ремонт статоров необходимо проводить с периодичностью 1 раз в год; в течение нормальной эксплуатации: (2-14) лет - 2 раза в год, (14-21) года - 1 раз в год; в период износа: (21-24) лет - 1 раз в 6 месяцев. Капитальный ремонт должен проводиться после 24 лет эксплуатации АДЛ.
12. Разработаны рекомендации по совершенствованию системы организации технического обслуживания и ремонта АДЛ, которые предполагают применение методов вибродиагностики. Измерение среднеквадратичного значения виброскорости необходимо проводить: после монтажа на месте эксплуатации; во время технического обслуживания; в течение текущего ремонта до и после разборки АДЛ. Измерения уровней вибрации позволяют своевременно выявить и устранить, возникшие в процессе эксплуатации повреждения узлов АДЛ, а также оперативно провести контроль качества их текущего ремонта. Для продления срока службы двигателей следует также осуществлять контроль температуры АДЛ при их техническом обслуживании.
Однако формальное соблюдение приведенных рекомендаций и проведение текущего ремонта неквалифицированным персоналом может привести к снижению эксплуатационной надежности АДЛ.
1. Впервые получены фактические данные об эксплуатационной надежности асинхронных двигателей для лифтов. Исследования проводились в течение 2010-2013 гг. на примере выборки, состоящей из 446 двухскоростных АДЛ с короткозамкнутым ротором высотой оси вращения 160 мм, мощностью 3,55/0,88 кВт при числе пар полюсов 4/16 и 3,0/1,0 кВт при числе пар полюсов 6/18. Двигатели установлены в пассажирских лифтах до 400 кг в жилых домах этажностью от 8 до 17 в период с 1986 г. по 2011 г. в г. Томске. Сформированная выборка АДЛ разбита на пять групп в зависимости от длительности эксплуатации, изучение надежности которых на первом этапе проводилось независимо друг от друга, так как их техническое состояние различно. Полученные данные являются многократно цензурированными интервалом из-за отсутствия информации до начала наблюдений, разделения отказов по видам, различных моментов ввода лифтов в эксплуатацию и прекращения наблюдений до того как все двигатели выйдут из строя.
2. Получены данные по отказам элементов лифтов и представлены в виде дерева целей. На АДЛ приходится 10% отказов лебедки, эти отказы приводят к длительному простою пассажирских лифтов и являются наиболее дорогими по исправлению, как показал экспертный опрос. Получены данные по видам отказов АДЛ: статор - 41,8 %, датчики температурной защиты, входящие состав статора - 38,4 %, подшипниковые устройства - 8,1 %. Для определения уровня эксплуатационной АДЛ в целом принято решение учитывать надежность статора и подшипниковых устройств, ВБР остальных узлов и деталей приравнять единице из-за незначительного количества их отказов.
3. Разработана математическая модель для оценки эксплуатационной надежности АДЛ, представляющая собой математические формулы и связи между ними. Отличительной особенностью ММ является то, что она позволяет определять количественные показатели моделей надежности (экспоненциальной, Вейбулла, нормальной, логарифмически-нормальной) с учетом не только полных наработок, но и цензурированных методом наименьших квадратов с последующим уточнением. Проверка адекватности моделей надежности в предложенной ММ проводится с помощью линейного коэффициента корреляции, представляющего собой степень согласия эмпирического и теоретического распределений.
4. Разработана программа на основе математической модели оценки эксплуатационной надежности АДЛ по цензурированным данным с помощью редактора MathCAD. Достоинством разработанной программы является оценка параметров моделей надежности по цензурированным данным, что необходимо при исследовании технического состояния высоконадежных двигателей, к которым относятся АДЛ. Программа может быть использована для оперативной оценки надежности ЭМ или их узлов по наработкам, полученным в процессе эксплуатации, при прогнозировании эксплуатационной надежности, при обосновании межремонтных периодов, а также в учебном процессе ввиду своей наглядности. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014618241.
5. Определены показатели моделей надежности для статоров групп АДЛ, имеющих различный период эксплуатации до начала их исследования. Отказы статоров вновь установленных двигателей подчиняется закону распределения Вейбулла, свидетельствуя о периоде приработки. У двигателей, относящихся к группе, эксплуатируемой более 21 года, отказы статоров возникают в соответствие с нормальным законом распределения. Между периодом приработки и износа находится период нормальной работы АДЛ, где отказы статоров подчиняются экспоненциальной модели надежности.
6. Разработана математическая модель прогнозирования эксплуатационной надежности статоров АДЛ, основанная на математической модели оценки эксплуатационной надежности статоров АДЛ по цензурированным данным. Полученная модель позволяет определить периоды эксплуатации статоров АДЛ, определить ВБР на каждом периоде и определить ресурс до капитального ремонта АДЛ.
7. Впервые в практике эксплуатации получена "кривая жизни"статоров АДЛ не встречающаяся ранее в литературе. Вид данной кривой приводится неоднократно, но количественные значения ранее были неизвестны. Полученная зависимость наглядно показывает периоды эксплуатации статоров АДЛ: приработки, нормальной работы и износа.
Большое значение в период приработки имеет его длительность. С точностью, достаточной в дальнейшем для разработки системы ТОиР, следует считать длительность периода приработки, равной двум годам. В период нормальной эксплуатации происходят отказы обмоток АДЛ, не имеющие какой- либо определенной закономерности, интенсивность их при этом на уровне 5,0-10-6 ч-1. Через 21 год эксплуатации двигателей наступает период старения изоляции обмоток, имеющий отказы возрастающей интенсивности. В течение трех лет интенсивность отказов увеличивается почти в шесть раз и достигает 33-10-6 ч-1.
8. Построена функция вероятности безотказной работы статоров АДЛ на всех периодах их эксплуатации и определены средние наработки до отказа. В период нормального функционирования средняя наработка до отказа составляет 31,2 года и показывает только степень надежности АДЛ в этот период. Средняя наработка до отказа в период износа статоров АДЛ является их техническим ресурсом - 24,7 лет. Рассчитан средний ресурс до капитального ремонта при отсутствии системы ТОиР - 8,7 лет.
9. Определены ВБР подшипников при механическом износе и долговечность, применяемой в них смазки по стандартной методике. Примененная методика предполагает появление отказов шариковых подшипников по причине износа в соответствии с моделью надежности Вейбулла, а изменение технического состояния смазки в соответствии с нормальной моделью надежности. Определенные расчетным путем показатели надежности подшипниковых устройств на начальном этапе и на протяжении длительного периода эксплуатации показывают, что произошедшие отказы стали следствием эксплуатационных факторов, которые не были учтены при расчете. Следовательно, с точностью достаточной в дальнейшем для разработки рекомендаций ТОиР позволяют считать математическую модель прогнозирования эксплуатационной надежности статоров математической моделью прогнозирования АДЛ в целом.
10. Разработан алгоритм технического обслуживания и ремонта АДЛ, основанный на математической модели прогнозирования эксплуатационной надежности статоров АДЛ и позволяющий сочетание системы ППР (для статоров) и стратегии ТОиР по текущему состоянию (для подшипниковых устройств).
11. Определена периодичность текущего ремонта статоров АДЛ на основе математической модели прогнозирования их эксплуатационной надежности, учитывающая изменение функции ВБР по законам распределения, зависящим от этапа эксплуатации, интервальные оценки средних наработок до отказа и требуемый уровень надежности, установленный технической документацией. Для безотказного функционирования АДЛ в период приработки: (0-2) лет текущий ремонт статоров необходимо проводить с периодичностью 1 раз в год; в течение нормальной эксплуатации: (2-14) лет - 2 раза в год, (14-21) года - 1 раз в год; в период износа: (21-24) лет - 1 раз в 6 месяцев. Капитальный ремонт должен проводиться после 24 лет эксплуатации АДЛ.
12. Разработаны рекомендации по совершенствованию системы организации технического обслуживания и ремонта АДЛ, которые предполагают применение методов вибродиагностики. Измерение среднеквадратичного значения виброскорости необходимо проводить: после монтажа на месте эксплуатации; во время технического обслуживания; в течение текущего ремонта до и после разборки АДЛ. Измерения уровней вибрации позволяют своевременно выявить и устранить, возникшие в процессе эксплуатации повреждения узлов АДЛ, а также оперативно провести контроль качества их текущего ремонта. Для продления срока службы двигателей следует также осуществлять контроль температуры АДЛ при их техническом обслуживании.
Однако формальное соблюдение приведенных рекомендаций и проведение текущего ремонта неквалифицированным персоналом может привести к снижению эксплуатационной надежности АДЛ.