ные узлы, необходимые для заказа технологического оборудования.

При разработке рабочих проектов базовых двигателей, их модификаций и специализированных исполнений изготовление рабочих чертежей ведется подсистемой конструкторского проектирования по данным, находящимся в подсистеме автоматизированного ведения документации, либо задаваемым конструктором в диалоговом режиме. В случае необходимости выполняются оптимизационные и поверочные расчеты.

Технико-экономический эффект от внедрения САПР АД достигается за счет следующих факторов; повышения качества проектируемых изделий; повышения производительности труда расчетчиков в 6... 7 раз; ожидаемого повышения производительности при разработке и выпуске чертежей в 3...5 раз.

Общее сокращение сроков проектирования и конструирования, включая изготовление и испытания образцов, на 10... 15%.

Кроме того, САПР АД позволяет в процессе проектирования получить эффект за счет более глубокой расчетной и конструкторской проработки различных вариантов исполнения.

Вопросы для самоконтроля

1. Какой критерий положен в основу оптимального проектирования серий асинхронных двигателей?

2. Каким математическим аппаратом пользуются при оптимальном проектировании серий асинхронных двигателей?

3. Какие основные исходные данные принимают при оптимальном проектировании серии двигателей?

4. Как осуществляется увязка номинальной мощности машин серий с установочными размерами?

5. Как выбирают внешние диаметры и длины сердечника статора?

6. Из каких основных элементов состоит система автоматизированного проектирования двигателей?

Надежность асинхронных двигателей

Асинхронные двигатели - самые распространенные электрические машины. Повышение их надежности и долговечности обеспечивает большой технико-экономический эффект в различных отраслях народного хозяйства. Основными показателями надежности асинхронных двигателей являются интенсивность отказов и вероятность безотказной работы. В результате совершенствования конструкции и технологии изготовления современных асинхронных двигателей вероятность их безотказной работы за время 10 тыс. ч удалось довести до 0,95. Долговечность асинхронных двигателей определяется их гамма-процентным ресурсом, который в современных двигателях составляет 20 тыс. ч с вероятностью 0,9.

11.1. Причины и характер отказов электродвигателей

Изучение материалов эксплуатации асинхронных двигателей в различных отраслях народного хозяйства показало, что 85 ...95% отказов происходит из-за повреждения обмотки статора; 2...5% отказов - из-за повреждения подшипников. Асинхронные двигатели малой и средней мощности имеют в основном всыпную обмотку. В такой обмотке около 93% отказов приходится на межвитковые замыкания, 5%-на повреждения межфазовой изоляции и 2% - на повреждения корпусной изоляции.

Причинами отказов являются низкое качество изготовления двигателей (30 ...35%). недостатки эксплуатации (35 ...50%) и несоответствие конструктивного исполнения двигателей условиям эксплуатации (15 ...35%). В эксплуатации двигатели отказывают в основном из-за отсутствия или неудовлетворительного состояния тепловой защиты, так как при использовании плавких предохранителей двигатели не защищены от недопустимого повышения тока при работе на двух фазах. Существенно влияют на надежность

двигателей частота их включения и влажность окружающей среды. При частых включениях и реверсах быстрее разрушаются сепараторы подшипников, а в обмотках возникают значительные динамические усилия и коммутационные перенапряжения, снижающие надежность обмотки. При работе двигателя в условиях повышенной влажности в изоляционных материалах происходят процессы адсорбции влаги, особенно при недостаточно качественной пропитке, что значительно снижает их электрическую прочность. Наличие

влаги может также привести к ухудшению качества смазки подшипниковых узлов.

Применение двигателей в защищенном исполнении на предприятиях с повышенным содержанием пыли приводит к более частым повреждениям обмотки статора по сравнению с двигателями в закрытом обдуваемом исполнении. То же имеет место при эксплуатации двигателей в условиях повышенной температуры окружающей среды. Всего 10... 12% двигателей выходят из строя в результате процессов износа и старения. Асинхронный двигатель-изделие ремонтируемое. Однако при отказе обмотки статора, требующем полной ее перемотки, стоимость ремонта примерно равна стоимости изготовления нового электродвигателя. Поэтому в случае такого отказа асинхронный двигатель с экономической точки зрения можно рассматривать как перемонтируемое изделие.

Одним из основных показателей надежности двигателей является интенсивность отказов

t, t

Рис. 11.1. Зависимость интеисивности отказов от времени т наработки двигателя

>(0 = отк(0/(ЛсрДО-

(11.1)

Этот показатель определяется по статическим данным при испытаниях на надежность, как отношение количества отказавших двигателей Лотк(0 к среднему количеству Лср исправно работавших в течение интервала времени A

В процессе эксплуатации интенсивность отказов Xit) асинхронных двигателей изменяется по кривой (рис. 11.1). Эту кривую можно разбить на три характерных периода. Первый период от О до Л называют периодом приработки. В этот период отказывают электродвигатели, имеющие скрытые производственные дефекты, не выявленные при техническом контроле на заводе-изготовителе. По мере выявления этих дефектов интенсивность отказов Я (О постепенно уменьшается до некоторого постоянного значения. При на-

дежном контроле и включении в его программу приработочных испытаний рассматриваемый участок кривой может отсутствовать.

Далее в период нормальной эксплуатации от до tz главной причиной отказов являются аварии, недопустимые перегрузки, неправильные условия эксплуатации и т. п. В этот период, когда скрытые дефекты уже выявлены, а старение изоляции еще незначительно, двигатели чаще всего выходят из строя из-за повреждения обмоток, если они недостаточно защищены от проникновения влаги или если имеет место большая скорость нарастания температуры при заторможенном роторе.

В течение периода от <2 ДО h отказы вызываются в основном износом и старением элементов двигателя. Этому участку кривой изменения Я, (О соответствует нормальный закон распределения вероятностей отказов. Ресурс двигателей должен быть рассчитан до времени tc, т. е. до начала интенсивного износа и старения элементов конструкции. Основное влияние на интенсивность отказов в рассматриваемом периоде оказывает температура изоляции обмотки статора и ротора (в двигателях с фазным ротором), от которой зависит интенсивность ее старения. (Снижение нагрева изоляции повышает срок службы двигателей, однако снижать температуру при номинальном режиме работы нецелесообразно, так как для повышения надежности электромашиностроительные заводы изготовляют двигатели с запасом по превышению температуры в номинальном режиме на 7... 10°С, а сами превышения температуры установлены для крайне редкой в эксплуатации температуры охлаждающей среды -f 40°С. Нагрузки асинхронных двигателей в эксплуатации, как правило, ниже номинальных. Так, например, двигатели насосов и вентиляторов нагружены по мощности в среднем на 70... 75%, а двигатели электропривода станков - около 20%.

11.2. Показатели надежности

Основным фактором, определяющим надежность работы какого-либо объекта, обычно служит время его работы t до возникновения отказа. Математическим аппаратом теории надежности является теория вероятности, так как время t - случайная величина.

В теории надежности используют следующие показатели:

1. Интенсивность отказов (см. § 11.1).

2. Вероятность отказа Q(t) за время t, т. е. вероятность того, что время работы t двигателя меньше некоторого заданного времени т (заданной наработки):

Qa)=P{i<x)=\/{t)dt=F(i), о

(11.2)

где f (О-функция распределения времени работы до отказа; f{t)=dF{t)ldt - nAOTnocTb этого распределения, которую можно

рассматривать как частоту отказов а=Лотк(0/ЛА/; - количество двигателей в начале испытаний.

3. Вероятность безотказной работы за время t, т. е. вероятность того, что в пределах заданной наработки т отказ двигателя не возникает (время безотказной работы больше т):

Я (/) = 1 - Q [Л - {t)]/N=f(t)/X (11.3)

4. Средняя наработка до отказа (математическое ожидание наработки двигателя до первого отказа):

я> во

T = tfii)dt=P{i)dt.

(11.4)

Средняя наработка до отказа равна площади под кривой вероятности безотказной работы. При испытаниях на надежность она

определяется формулой Т = {t,/N), где /i -время безотказной

работы 1-го двигателя.

5. Средняя наработка на отказ:

Теория надежности устанавливает следующие зависимости указанных показателей от интенсивности отказов K{t):

P{t) = e ;

- f (ПИ

/(0=а(0=Х(Ое о ;

- J 40 It Т=\е

(11.6)

На основании статистических данных об отказах асинхронных двигателей общего применения установлено, что период приработки составляет у них 4 тыс. ч, а распределение вероятности безотказной работы в этот период можно описать законом Вейбулла с параметрами распределения а = 0,217 и А,о= 1/54,7:

Я(/) = е-=е-°* / .7. (11.7)

Плотность вероятности отказов при этом распределении

/(0=аХ/ -1)е-М=(0,217/54,7)/(0.217-1) е-мл,

а интенсивность отказов

Х(О=ау( -)=(0,217/54,7)/(0.217-1).

Период нормальной работы составляет 20 тыс. ч. При этом принимают интенсивность отказов (/)=const, вследствие чего вероятность безотказной работы соответствует экспоненциальному закону распределения

Р(/)=е- =е-/54.7. (11.8)

Средняя наработка на отказ в этот период 7= а плотность распределения отказов

/(/)=), е- = ( 1 /54,7) e-t/*--!.

Часто распределение времени наработки до отказа электрических машин Q{t), вызванного износом и старением, описывают с помощью нормального усеченного закона, который получается из нормального при ограничении интервала возможных значений этой величины. Плотность усеченного нормального распределения

/(0 = с/(/),

(11.9)

где /(/)=[1/(зК2л)]е-(- >(2)- плотность нормального распределения (а - его математическое ожидание, а - среднеквадра-гическое отклонение); с= 1/[Ф (ыг) - -0(ui)] - нормирующий множитель; Ф- нормированная функция Лапласа (определяется по таблицам, приведенным в книгах по надежности); 1=(<1-а)/а; 2= (2- -а)/а, t\ и tz - интервалы, ограничивающие возможные значения случайной величины f{t).

Для оценки отказов, возникающих в результате износа, часто используют также логарифмически нормальное распределение, при котором логарифм Q{t) распределен по нормальному закону.

Вероятность безотказной работы для двигателей серии АИ за время I тыс. ч составляет 0,95, т. е. надежность их значительно больше по

сравнению с машинами предыдущих серий. Это достигнуто путем снижения нагрева обмотки статора, повышения класса нагревостойкости изоляционных материалов и механической прочности эмаль-проводов, снижением вибрации, применением рациональной технологии. Для обеспечения надежной защиты двигателей серии АИ скорость нарастания температуры при заторможенном роторе у них снижена до 10°С/с. Расширено применение встроенной температурной защиты.

Рис. 11.2. Зависимость вероятности безотказной работы от времени и определение гамма-процентного ресурса