Статистические данные о надежности разных типов электрических машин

Остальные отказы (15%) происходят вследствие несоответствия конструктивного исполнения электродвигателей условиям эксплуатации, в том числе окружающей среде. В частности, применение электродвигателей защищенного исполнения в цехах с повышенным содержанием чугунной пыли существенно увеличивает число отказов по сравнению со случаями применения в тех же условиях электродвигателей закрытого обдуваемого исполнения.

Приведенная классификация  отказов по причинам в некоторой степени условна из-за того, что трудно определить причину отказов электродвигателей. Однако приведенные цифры правильно отражают относительное распределение причин отказов, так как они основаны на большом статистическом материале.

После ремонта электродвигателей  средняя наработка на отказ, как  правило, существенно уменьшается. Это объясняется неудовлетворительным качеством ремонта и испытаний после ремонта. Ремонты обычно производятся не неспециализированных ремонтных заводах, а на предприятиях, эксплуатирующих электродвигатели. Отказы из-за недостаточно хорошего качества изготовления электродвигателей чаще всего связаны с дефектами в обмотке. Поэтому в настоящее время вполне оправдано свести вопросы надежности асинхронных двигателей в основном к рассмотрению надежности их обмоток.

Электрические машины обладают рядом особенностей, не позволяющих непосредственно применять при исследовании их надежности методы, достаточно полно разработанные для устройств радиоэлектроники и автоматики. Такими особенностями являются: принципиальная невозможность резервирования элементов, большая сложность отдельных узлов (например, обмотки), схемная несложность, даже по сравнению с простейшими радиоэлектронными устройствами, большой срок службы, неопределенность окружающих условий и номинальных режимов работы, особенно для электродвигателей общего применения.

3.2. Надежность машин постоянного тока

Двигатели постоянного тока применяют в электроприводах, требующих  широкого плавного и экономичного регулирования  частоты вращения, высоких перегрузочных, пусковых и тормозных моментов, главным образом в металлообрабатывающих станках, бумагоделательных машинах, в текстильной, резиновой и полиграфической промышленности, в тяговых электроприводах, во вспомогательных механизмах металлургической промышленности, в качестве возбудителей в гидро- и турбогенераторах и в ряде других электроприводов.

Интересна статистика отказов  двигателей постоянного тока, установленных  на прокатных станах: обмотка якоря  — 8%. обмотка добавочных полюсов —11%, коллектор — 45 %, механические повреждения — 36%.

Анализ причин отказов  прокатных двигателей постоянного  тока показывает, что около 80% составляют конструктивные и технологические отказы и 20% — эксплуатационные.

Наблюдения за отказами возбудителей гидро- и турбогенераторов выявили, что наиболее частыми являются повреждения бандажей. обмотки якоря, нарушение пайки петушков и износ коллектора.

В тяговых двигателях постоянного  тока электровозов одной из частых причин отказов является возникновение  кругового огня на коллекторе. Основными  факторами, способствующими возникновению кругового огня на коллекторе тягового двигателя, являются: пробуксовки колесных пар электровоза из-за неправильного подбора двигателей и неквалифицированного управления электровозом. низкое качество выпрямленного питающего напряжения, а также недостатки в конструктивном и технологическом исполнениях. К этим недостаткам относятся: жесткая подвеска двигателей в электровозе, при которой они испытывают большие ударные и вибрационные нагрузки; недостаточная скорость воздуха. Обдувающего коллектор, что способствует оседанию угольной пыли на токопроводящих элементах коллскторно-шеточных узлов; низкое качество применяемых щеток.

Анализ отказов в машинах  постоянного тока общепромышленного применения показал, что около 20 % отказов в эксплуатации происходит из-за неисправностей коллектора. Отказы коллекторно-щеточного узла происходят по следующим основным причинам: износ коллектора, износ электрощеток и деформация коллектора. Наиболее подробно эти отказы исследованы в тяговых машинах постоянного тока.

Износ коллектора имеет сложную  природу и обусловлен влиянием ряда эксплуатационных факторов. В ряде случаев он вызывает нарушение коммутационного процесса, снижает надежность коллекторно-щеточного узла. Износ коллектора описывается усеченно-нормальным законом распределения. Большое влияние на износ коллектора оказывает состояние политуры, характер коммутационного процесса, наличие подгара на коллекторе.

На надежность коллекторно-щеточного  узла существенно влияет износ элсктрошеток. Срок службы электрощеток зависит от их износа, физико-химических свойств, плотности тока под щетками и процесса коммутации.

Коммутационная надежность электрических машин зависит  от правильной геометрии коллектора. Коллектор из-за воздействия технологических  и эксплуатационных факторов изменяет форму

окружности. В процессе обработки  и изготовления коллектора возникают  технологические отклонения, обусловливающие  такие дефекты, как эксцентричность, овальность, бой (в отдельных точках поверхности), которые прогрессируют в условиях эксплуатации под действием динамических и электромагнитных сил, а также в результате ослабления затяжки шпилек коллектора, усадки изоляции.

Согласно статистике повреждений  машин постоянного тока во время  эксплуатации около 20 % от общего числа отказов машин происходит из-за неисправностей коллекторов. Однако в крупных прокатных двигателях постоянного тока выход из строя коллекторов достигает 44...66 % от общего числа отказов этих двигателей. Коллектор и щеточный аппарат являются одним из сложных узлов машин постоянного тока. Стоимость его ремонта по отношению к общей стоимости восстановления машины обычно составляет заметную часть.

В целях устранения возникшей  неисправности коллектор подвергается подвергается обточке. После получения с помощью обточки строго цилиндрической поверхности коллектора последнюю тщательно шлифуют и полируют до нужной чистоты.

Относительно большое  число повреждений коллекторов  машин постоянного тока вызывается прением щеток о коллектор и высокими плотностями токов пол щетками при их неполном прилегании к поверхности коллектора, что сопровождается появлением высоких температур в щеточно-коллекторных узлах. Вместе с тем на износ коллектора оказывают также неблагоприятное влияние различные ненормальные коммутационные явления.

К факторам, влияющим на износ  коллекторов, относятся: давление щеток на коллектор, материал коллектора и щеток, их вибрация и биение коллектора, высокая окружающая скорость вращения последнего и др.

Высокие температуры контактных поверхностей и нарушение постоянства  контактов между коллектором  и щетками вызывают дополнительное искрение и обгорание щеток и коллекторных пластин.

Износ коллектора зависит  также и от химических факторов, к которым относятся: образование  контактной пленки на поверхности коллектора, состав и влажность окружающего воздуха, наличие в среде активных газов и др. Наличие пленки на поверхности коллектора снижает скорость его износа и способствует более благоприятному распределению тока пол щетками. На износ коллектора оказывают влияние и электрические факторы, например плотность тока под щетками, сопротивление переходных контактов щеток и коллектора, нарушение коммутации машины.

При вращении коллектора площади  прилегания щеток изменяются по указанным причинам. Это приводит к перемещению точечных контактов поверхностей щеток с коллектором с образованием в них чрезмерных плотностей токов и высоких местных нагревов. В результате наступает термическая ионизация щеточных контактов, которые в значительной мере имеют ионную природу. Размыкание и замыкание контактных точек на поверхности коллектора с образованием малых электрических дуг приводит к разрушению этой поверхности. Этот же процесс вызывает значительные изменения переходного сопротивления контактов щеток. На величину этого сопротивления большое влияние оказывают влажность окружающего воздуха, состояние контактной пленки, окружная скорость вращения коллектора и др.

Статистические данные показывают, что при правильной эксплуатации износ коллекторов при непрерывной работе машин составляет 0,1 ...2,0 мм в год.

Важным фактором уменьшения износа коллектора является улучшение  условий коммутации машины путем  настройки добавочных полюсов, подбора марки и размеров щеток для данной мощности и напряжения машины и окружной скорости вращения коллектора, а также правильного выбора давления щеток на коллектор. Для уменьшения износа коллекторов нужно также обращать внимание на балансировку якорей для снижения вибраций на коллекторе и следить за состоянием подшипников. С той же целью следует применять продороживание канавок между коллекторными пластинами, которое снижает трение щеток о коллектор.

Анализ статистических материалов испытаний электрощеток в реальных условиях эксплуатации машин постоянного  тока в диапазоне мощностей от 100 до 5000 кВт выявили, что средняя скорость износа их заметно зависит от значения окружной скорости коллектора, особенно в зоне скоростей более 30 м/с. При этом многолетние систематические наблюдения за работой электрощеток выявили, что распределение значений скоростей износа щеток данной марки характеризуется нормальным распределе-

Повреждения обмоток якорей машин постоянного тока выражаются в виде пробоя корпусной изоляции между обмоткой и пакетом стали якоря, межвитковых замыканий — в якорях с многовитковыми секциями, распайки соединительных петушков коллекторных пластин с обмоткой — в крупных машинах постоянного тока, разрушения проволочных бандажей, удерживающих обмотку якоря, — в высокоскоростных машинах постоянного тока и др.

Следует отметить, что наблюдаемое  на практике разрушение или старение изоляции в электрических машинах, завершающееся обычно пробоем на корпус или межвитковым замыканием, происходит под влиянием как тепловых, так и механических воздействий. Это обстоятельство является, например, основной причиной отказа крановых двигателей постоянного тока, работающих в режимах частых пусков, реверсов и торможений.

Из механических частей машин  постоянного тока, наиболее подвергающихся износу и отказывающих в процессе их эксплуатации. основными являются шейки вала и подшипники скольжения или качения. Повреждения подшипников скольжения и шеек вала обычно выражаются в виде износа вкладышей в гнездах подшипников при длительной работе машины, вытекания смазки из подшипников при их неисправностях, нарушения работы смазочных колец в подшипниках, заедания шеек вала во вкладышах подшипников из-за потери смазки или попадания грязи, отказа в работе масляного насоса в случае принудительной смазки подшипников и др. Повреждения подшипников качения проявляются в виде вытекания смазки из подшипников, поломки шариков или роликов между обоймами подшипников, разрушения сепаратора, удерживающего шарики между обоймами, заклинивания шариков в обоймах подшипников и др.

3.3. Надежность синхронных машин

Синхронные машины изготовляют  в очень широком диапазоне мощностей: синхронные машины малой мощности (в том числе реактивные) — мощностью до 100 кВт и крупные машины — гидро- и турбогенераторы — мощностью от 100 кВт до нескольких тысяч киловатт.

Естественно, что статистика характера и причин их отказов  различна.

В отличие от большинства  асинхронных двигателей синхронные машины большой мощности представляют собой ремонтируемые изделия. В связи с этим приобретают значение такие понятия, как ремонтопригодность, среднее время восстановления, коэффициент готовности и другие, которыми не приходилось пользоваться при исследовании надежности асинхронных двигателей.

Особенностью условий  эксплуатации синхронных машин, как  крупных электрических машин вообще, являются периодические капитальные и планово-предупредительные ремонты и испытания, в процессе которых обнаруживается определенное число различных повреждений. Сюда входят такие неисправности, как пониженная электрическая прочность изоляции, попадание масла на обмотки, нарушение креплений, ослабление опрессовки активной стали и др. Своевременное устранение таких неисправностей повышает надежность машин, так как уменьшает вероятность отказов аварийного характера.

Статистические  данные свидетельствуют о том, что  одной из основных причин отказов  синхронных машин являются заводские дефекты, причем особое значение имеет качество изготовления. Число аварийных отключений, вызванных дефектами изготовления машин, значительно (примерно в 5 раз) больше, чем вызванных дефектами конструкции. В течение первого периода работы (5...10 тыс.ч) имеет место приработка, когда заменяются и ремонтируются детали, обладающие заводскими дефектами. Затем наступает период нормальной эксплуатации, продолжительность которого в обычных условиях составляет 15... 20 лет. В конце этого периода начинается постепенное учащение отказов, связанное с износом и старением изоляционных и других материалов и элементов конструкции.

Рассмотрим статистику повреждений  синхронных генераторов мощностью  до 100 кВт. Используемых в различных  установках автономного питания. По своим свойствам и показателям  надежности эти генераторы имеют много общего как с крупными синхронными машинами, так и с асинхронными двигателями Вероятность безотказной работы генераторов ЕС и ЕСС в период 0...4000 ч соответствует распределению Вейбулла. В период 4000 - 12 000 ч распределение отказов является практически экспоненциальным. Основными причинами отказов являются: нарушения технологии изготовления машин, некачественная настройка и наладка системы регулирования напряжения, неправильная эксплуатация, а также конструктивные недостатки.