8. НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВ

Под надежностью электрических исполнительных устройств и элементов понимается «свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки».

Количественно надежность характеризуется различными показателями: вероятностью безотказной работы частотой отказов а интенсивностью отказов средним временем безотказной работы Т и другими показателями.

Статистически вероятность безотказной работы как функция времени определяется равенством

где — число изделий, поставленных на испытания; — число отказавших изделий за время

Частота отказов имеет следующее определение:

где — интервал времени, — число отказавших изделий за время

Отказавшие изделия за время испытаний не заменяются исправными и не восстанавливаются. Частота отказов является плотностью распределения времени безотказной работы изделия при вероятностном определении и может быть выражена через функцию вероятности безотказной работы

где знак минус поставлен потому, что является убывающей функцией в процессе испытаний изделий. Вероятностное определение интенсивности отказов записывается в следующем виде:

Интегрируя равенство (1.125), найдем

Из выражения (1.126) видно, что вероятность безотказной работы определяется через интенсивность отказов. Такая запись удобна потому, что интенсивность отказов изделия может быть определена экспериментально и по ней вычислена вероятность безотказной работы.

Например, из рис. 1.41 видно, что зависимость интенсивности отказов для двигателей постоянного тока с постоянными магнитами имеет сложный характер [8]. Эту зависимость условно можно разбить на три периода. Первый период характеризуется убыванием интенсивности отказов, которые обычно обнаруживаются на заводе-изготовителе при кратковременных испытаниях. Второй период относится к периоду нормальной эксплуатации, когда интенсивность отказов примерно постоянна, и третий период характеризуется возрастанием интенсивности отказов по причине износа и старения деталей и узлов электродвигателя.

В справочной литературе интенсивность отказов указывается как постоянная величина и этой величиной можно пользоваться при оценке надежности изделий на этапе проектирования новых изделий в соответствии с равенством

где — интенсивность отказов однотипных элементов; — количество элементов.

Однако необходимо иметь в виду, что выражение (1.127) справедливо только на втором интервале характеристики рис. 1.42. Полная группа событий имеет следующее равенство:

где — вероятность отказа.

Следовательно, вероятность безотказной работы может быть определена таким образом:

где — площадь от 0 до ; - площадь от до .

Рис. 1.41. Пример зависимости интенсивности отказов электродвигателей от времени

Рис. 1.42. Экспоненциальная функция плотности

Функция плотности распределения случайной величины (времени безотказной работы) для экспоненциального закона распределения имеет вид

где - среднее значение времени безотказной работы. Для нормального закона распределения

где а — среднеквадратическое отклонение.

Для распределения Вейбулла

где — коэффициент, определяемый из опыта.

Приведенные выше три закона распределения наиболее часто применяются для определения характеристик надежности многих исполнительных элементов и в том числе электродвигателей. На рис. 1.42, например, видно, что аппроксимировать характеристики надежности для электродвигателей серии ДПМ каким-либо одним законом распределения

на всем периоде эксплуатации не представляется возможным [3]. В этом случае применяется композиция распределений, т. е. применяют одновременно два или три закона распределений. Например, для указанных электродвигателей на втором интервале проявляет себя экспоненциальный закон, а на третьем распределение Вейбулла или нормальное.

Интенсивности отказов, которые приводятся в справочной литературе, получены по результатам испытаний, проводимых в лабораторных условиях в режимах, оговариваемых ГОСТом на испытания и технические условия. Условия конкретных применений электродвигателей обычно отличаются от условий, при которых проводились лабораторные (или заводские) испытания для получения табличных интенсивностей отказов. Поэтому при оценке надежности изделий, в которые входят электродвигатели постоянного тока, следует учитывать эти условия. Он производится путем умножения табличных значений интенсивностей отказов на коэффициенты

Факторы, влияющие на характеристики надежности исполнительных устройств.

Характеристики надежности электрических исполнительных элементов и устройств зависят от многих причин. Во-первых, эскизное, техническое и рабочее проектирование должно производиться с учетом требований к характеристикам надежности, с использованием современных методов повышения надежности. Во-вторых, высокая надежность электрических элементов и устройств зависит от качества выполнения производственных процессов, применения новейшей технологии и оборудования. В-третьих, надежность и долговечность элементов и устройств связана с условиями и режимами их хранения и эксплуатации.

Одним из результатов научно-технического прогресса является рост сложности исполнительных устройств и в том числе электрических двигателей следящих приводов. При этом эффективнее используются масса и габариты, т. е. элементы и устройства с меньшими запасами по механической и электрической прочности работают в более напряженных режимах. Это обычно при прочих равных условиях ведет к ухудшению характеристик надежности.

Внешние условия, влияющие на безотказную работу, проявляются в колебаниях температуры и влажности окружающей среды, вибраций и ударов. Влияние температуры проявляется, например, в том, что при низкой температуре и повышенной влажности возможно обледенение коллекторных пластин и колец. Повышенная температура приводит к понижению прочности и работоспособности подшипников и других деталей. При длительном хранении и эксплуатации

исполнительных устройств имеет место старение материалов, изменение свойств изолирующих материалов.

На характеристики надежности исполнительных устройств влияет правильный выбор защиты от воздействия окружающей среды, мощность тепловой защиты, качество ремонтных работ и т. д.

Исполнительные устройства применяются в системах автоматического регулирования и поэтому для таких устройств важной характеристикой надежности является не только вероятность возникновения случайного отказа, но и изменение эксплуатационных характеристик, которые могут привести к отказу других элементов системы.

Проведение и обработка результатов испытаний. Характеристики надежности исполнительных устройств могут быть получены как по результатам проводимых с этой целью лабораторных или заводских испытаний, так и по результатам статистических данных, полученных при эксплуатации.

Испытания на надежность могут быть совмещены с другими видами испытаний. Перед проведением испытаний на надежность составляется план испытаний. Для определения объема испытаний задаются: минимально допустимой вероятностью безотказной работы принимаемой вероятностью безотказной работы риском поставщика а и заказчика . И на основании существующих методик определяют количество необходимых образцов и времени испытаний каждого образца. Испытания проводят по заранее составленной программе испытаний с учетом существующих нормалей и технических условий.

Испытания на надежность в условиях, близких к реальным условиям эксплуатации, для устройств с большим ресурсом работы требуют длительных сроков, что связано со значительными затратами. Поэтому в настоящее время проводят ускоренные испытания, при которых увеличивают режимы работы устройств в пределах допустимых по техническим условиям, а затем производят пересчет полученных характеристик надежности на другие режимы работы. Чтобы осуществить пересчет нижней доверительной границы вероятности безотказной работы с одного времени на другое, если время безотказной работы подчиняется однопараметрическому закону распределения (например, экспоненциальному), необходимо иметь только величину нижней границы вероятности безотказной работы в момент времени где — время испытаний. Если же закон описывается двухпараметрическим распределением, то знание величины в момент времени недостаточно.

Для обработки результатов испытаний используют методы последовательного анализа и доверительных интервалов.

Идея метода последовательного анализа состоит в оценке соответствия надежности испытываемой выборки устройств заданным требованиям. Если устройства работали запланированное число циклов, то в соответствии с выражением

где — максимальная и минимальная вероятности отказа соответственно, и не имели отказов, то считается, что испытываемая партия при запланированных показателях надежности и рисках поставщика а и заказчика может быть принята. Если же результаты испытаний не дают определенного ответа, то они должны быть продолжены при условии, что ресурс устройств допускает это сделать.

Для определения количественных показателей надежности по результатам лабораторных или заводских испытаний методом доверительных интервалов может быть использован биномиальный закон отказов. Оценка вероятности безотказной работы Р производится с доверительной вероятностью а по формулам:

где — соответственно нижняя и верхняя границы вероятности безотказной работы;

— число циклов, в которых обнаружены отказы устройств;

— общее число циклов;

— коэффициенты, определяемые по таблицам [17].

Методы повышения надежности электрических исполнительных устройств. Повышения надежности электрических исполнительных устройств и сервомеханизмов можно добиться как схемными, так и конструктивными методами. Схемные методы характеризуются совершенствованием структур устройств и сервомеханизмов, а конструктивные методы — повышением надежности элементов и заданием рациональных режимов их работы.

Наиболее эффективными методами повышения надежности исполнительных устройств являются: резервирование, снижение величины действующих нагрузок, своевременная профилактическая замена устройств, виброизоляция и др.

Различают постоянное резервирование, резервирование замещением и скользящий резерв.

Применение метода резервирования позволяет создать устройства, надежность которых будет выше надежности входящих в них элементов.

Повышение надежности электрических исполнительных устройств может быть осуществлено за счет снижения нагрузки на элементы. При выборе элементов исполнительных устройств проводят энергетический расчет. Энергетический расчет позволяет выбрать элементы с таким расчетом, чтобы они были максимально загружены при эксплуатации.

Если при условии максимальной загрузки устройства характеристики надежности не обеспечиваются, то целесообразно пойти на снижение нагрузок путем завышения мощности исполнительного устройства.

Исполнительные устройства, имеющие щеточные контакты, нуждаются в своевременной их замене, так как при длительной их работе они истираются, и, если не произвести их своевременной замены, то может произойти отказ.

Автоколебания и «мгновенный перескок» амплитуды совершенно недопустимы в некоторых типах электрических сервомеханизмов, так как они нарушают нормальный режим эксплуатации САУ и приводят к значительному износу механических и электрических агрегатов. При определении надежности таких систем необходимо считать, что отсутствие автоколебаний в САУ характеризует ее безотказность в работе и оценивается вероятностью а при наличии автоколебаний — Если рассматривать изменение параметров САУ в некотором заданном диапазоне, то можно определить вероятность безотказной работы системы:

Известно что при практических расчетах надежности нелинейных САУ, склонных к автоколебаниям, учет влияния высших гармоник становится обязательным

Исполнительные устройства, расположенные на подвижных основаниях, подвергаются механическим перегрузкам при вибрациях и ударах. Для того чтобы уменьшить перегрузки, применяют специальные амортизирующие крепления. Такие амортизирующие крепления позволяют существенно снизить нагрузки на исполнительные устройства и тем самым улучшить их характеристики надежности.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)

(см. скан)