Система повышения надежности электродвигателей в сельском хозяйстве на основе комплексной диагностики и эффективной технологии восстановления изоляции

На правах рукописи

Хомутов Станислав Олегович СИСТЕМА ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОЙ ДИАГНОСТИКИ И ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ Специальность 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Барнаул 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова».

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Сошников Александр Андреевич (ГОУ ВПО «Алтайский государственный тех нический университет им. И. И. Ползунова»).

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Судник Юрий Александрович (ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет им. В. П. Горяч кина»);

доктор технических наук, профессор Худоногов Анатолий Михайлович (ГОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения»);

доктор технических наук, с.н.с.

Делягин Валерий Николаевич (ГНУ «Сибирский научно исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства» СО Россельхозакадемии).

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет».

Защита диссертации состоится 25 июня 2010 года в 9.00 на заседании дис сертационного совета Д 212.004.02 при ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова» по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46, факс (8-3852) 36-71-29, http://www.altstu.ru, e-mail: [email protected].

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью Вашего учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «» 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор Л. В. Куликова

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Необходимым условием безубыточной работы и эффективного функционирования в рыночных условиях любого сельскохозяйст венного предприятия является минимизация всех производственных издержек, которая достигается путем анализа бизнес-процессов, процессов обеспечения и менеджмента с последующим применением современных технических средств и электротехнологий. Системный анализ данных процессов позволил из комплекса существующих проблем низкой эффективности технологических процессов в сельском хозяйстве выделить проблему обеспечения безотказной работы уста новленного на предприятии электрооборудования (ЭО), решение которой опре деляется надлежащей организацией системы повышения его надежности.

Особое значение вопрос повышения надежности приобретает для электри ческого двигателя (ЭД), как основного потребителя электроэнергии. В процессе эксплуатации электродвигателей общепромышленного назначения, составляю щих более половины всего парка двигателей, в условиях сельского хозяйства на интенсивность старения изоляции, как наиболее «слабого» и уязвимого элемента ЭД, влияют различные факторы: окружающая среда, режимы работы двигателя, техническое обслуживание и ремонт (ТОиР), а также текущее состояние элек трической изоляции обмоток. В итоге, как правило, происходит ускоренное ста рение изоляции, результатом которого является выход ее из строя, и, как следст вие, значительное сокращение реального срока службы электродвигателя по сравнению с заложенным заводом-изготовителем.

Так, выполненные в 2002-2009 годах на сельскохозяйственных предприяти ях Алтайского края и ряда других регионов России исследования показали, что от общего числа отказов элементов конструкции ЭД повреждения обмоток со ставляют более 80 % при значительной доле выхода двигателей из строя в ре зультате межвитковых замыканий в обмотке статора. В общем случае, из-за на рушения изоляции прекращают свою работу около 75 % электродвигателей, а экономический ущерб от выхода из строя одного двигателя достигает 20 тыс. руб.

и более при стоимости нового ЭД – 1-8 тыс. руб. (в ценах 2009 года).

В целях недопущения простоя оборудования вследствие отказа электриче ского двигателя, необходим систематический контроль и своевременное восста новление свойств изоляции. Однако на большинстве предприятий агропромыш ленного комплекса (АПК) система планово-предупредительных ремонтов (ППР) действует неудовлетворительно, а системный подход к учету количественно качественных показателей выхода двигателей из строя и проведению профилак тических мероприятий практически отсутствует.

Таким образом, существует проблемная ситуация, заключающаяся в необ ходимости увеличения срока службы электродвигателей в неблагоприятных усло виях сельского хозяйства и отсутствии соответствующей данным условиям сис темы повышения их надежности, которая охватывала бы все стадии эксплуатации и ремонта двигателя, а также включала в себя специальный комплекс мероприя тий, позволяющий проводить диагностику и необходимые восстановительные ра боты с минимальным участием обслуживающего и ремонтного персонала.

Значительный вклад в развитие науки об изоляции, надежности электрообо рудования и электрических систем внесли такие известные ученые, как А. А. Во робьев, Ю. Н. Вершинин, С. Н. Койков, Г. С. Кучинский, Н. В. Александров, Т. Ю. Баженова, А. К. Варденбург, Б. В. Кулаковский, П. М. Хазановский, Л. Т. По номарев, А. В. Хвальковский, В. А. Баев, И. Е. Иерусалимов, Л. М. Бернштейн, Н. А. Козырев, В. В. Маслов, О. Д. Гольдберг, Ю. П. Похолков, З. Г. Каганов, И. А. Будзко, В. Н. Андрианов, И. И. Мартыненко, Г. И. Назаров, В. Ю. Гессен, Н. М. Зуль, Т. Б. Лещинская, Ю. А. Судник, С. П. Лебедев, А. А. Пястолов, Р. М. Славин, А. М. Мусин, Г. П. Ерошенко, В. Н. Ванурин, Н. Н. Сырых, А. В. Моз галевский, В. П. Таран, А. В. Лыков, А. В. Лебедев, П. С. Куц, И. Ф. Пикус, В. И. Ка литвянский, А. М. Худоногов, Л. А. Саплин, В. Н. Делягин, А. Е. Немировский, В. А. Буторин, О. К. Никольский, О. И. Хомутов, А. А. Сошников и многие другие.

Вместе с тем, несмотря на очевидные успехи в этом направлении, проблема низкой эксплуатационной надежности ЭД, связанная с отсутствием теоретиче ского обоснования комплексной оценки состояния электродвигателей, а также научно подтвержденных подходов к ускорению процессов разрушения связую щего при удалении обмоток, пропитки и сушки изоляции в ходе обслуживания и ремонта, продолжает оставаться актуальной. Требуют дальнейшего развития теория прогнозирования состояния двигателей с учетом многофакторного харак тера воздействий, работы по созданию методов планирования сроков и объемов ТОиР ЭД. Разобщенность выполняемых в данных направлениях исследований, безусловно, снижает тот эффект, который получен от внедрения уже закончен ных научно-исследовательских работ, т. е. необходимость научного обобщения и системного подхода к развитию теоретических и научно-технических основ в области повышения надежности электрооборудования очевидна.

Целью диссертационной работы является создание системы повышения надежности электродвигателей в сельском хозяйстве путем разработки методов и технических средств комплексной диагностики, а также теоретического обос нования способа интенсификации процессов тепломассопереноса и практиче ской реализации электротехнологии восстановления изоляции обмоток для обеспечения высокой эффективности сельскохозяйственного производства и улучшения условий труда обслуживающего и ремонтного персонала.

В качестве объекта исследования выступают процессы изменения свойств изоляции обмоток в результате ее старения и восстановления.

Предметом научного исследования является получение новых законо мерностей протекания процессов изменения свойств изоляции обмоток, позво ляющих осуществлять ее комплексную диагностику и эффективное восстанов ление в ходе эксплуатации и ремонта.

Для достижения поставленной цели исследования сформулированы сле дующие основные задачи:

1) научно обосновать выбор метода оценки степени влияния факторов, воз действующих на состояние изоляции электродвигателя в реальных условиях эксплуатации и ремонта, а также разработать механизм и количественно оценить степень данного влияния;

2) исследовать и обосновать принципы диагностирования ЭД, а также раз работать методы и современные технические средства комплексной диагностики на основе анализа закономерностей возникновения гармоник в спектре их внеш него магнитного поля (ВМП) и изменения параметров волновых затухающих ко лебаний (ВЗК) в обмотке при развитии различных дефектов;

3) построить математические модели, описывающие процессы старения и восстановления изоляции электродвигателей, устанавливающие взаимосвязь между параметрами переноса теплоты и массы под действием сил различной природы и значениями показателя качества изделий;

4) разработать единую эффективную электротехнологию разрушения свя зующего, пропитки и сушки изоляции обмоток ЭД по замкнутому циклу, а также создать методику оптимизации режимов технологического процесса;

5) выполнить анализ систем массового обслуживания (СМО) и составить математическое описание параметров СМО для группы двигателей сельскохо зяйственного предприятия, оперируя показателями надежности каждого ЭД с учетом всех возможных связей данной системы с внешней средой, а также осу ществить постановку и решение задачи оптимизации параметров СМО;

6) разработать систему автоматизированной оценки результатов диагности ки ЭД и прогнозирования наработки до очередного контроля их состояния на основе соответствующих математических моделей, позволяющих оценить оста точный срок службы электродвигателя и спланировать сроки и объемы проведе ния профилактических мероприятий и ремонтов.

Методы исследования. Для решения основных задач диссертации исполь зованы системная методология анализа процессов старения изоляции и тепло массопереноса в капиллярно-пористых телах, методы теории подобия и модели рования с применением методов математической статистики и численных мето дов решения дифференциальных уравнений, логико-вероятностный метод рас чета сложного изделия, математические методы оптимизации, численные мето ды аппроксимации функций, метод интегральных аналогов, а также методологии теории планирования экспериментов и информационно-логического анализа, обеспечивающие всестороннее исследование надежности двигателей, эксплуа тирующихся в сельском хозяйстве.

Научная новизна работы. Впервые с использованием информационно логического анализа получены модели процессов изменения свойств изоляции обмоток, дающие возможность выявить основные направления повышения ее на дежности с минимальными затратами.

Построены математические модели магнитного поля двигателя и волновых затухающих колебаний в обмотке при диагностике изоляции с учетом ее состоя ния и конструктивных особенностей ЭД.

Разработаны методы и технические средства комплексной диагностики элек трических двигателей в условиях эксплуатации и ремонта, основанные на анализе гармонического состава спектра напряженности внешнего магнитного поля ЭД и параметров волновых затухающих колебаний в обмотке (патенты №№ 2208234, 2208236, 2283503), а также предложены критерии и методика оценки состояния ЭД в сельском хозяйстве.

Выявлены закономерности протекания процессов тепломассопереноса в ка пиллярно-пористых телах под действием градиентов давления и температуры, разработана математическая модель пропитки и сушки обмоток ЭД, устанавли вающая зависимость выбранного и обоснованного показателя качества ремонта от воздействующих в процессе восстановления изоляции факторов. На основе полу ченной модели создана методика оптимизации режимов пропитки и сушки обмо ток и объема восстановительных мероприятий.

Предложен и теоретически обоснован новый способ разрушения связующего обмоток электродвигателей на основе вакуумирования (патент № 2168831). Раз работаны конструкции установок для пропитки и сушки изоляции ЭД (патент № 2191461).

Предложена стратегия обслуживания ЭД на предприятиях с различными технологиями ремонта для получения оптимального для заданных условий экс плуатации качества. При использовании разработанных технических средств ди агностики электрических двигателей создана система прогнозирования дополни тельной наработки до очередного контроля их состояния (патенты №№ 2208235, 2283501, 2283502).

Построена математическая модель прогнозирования изменения состояния изоляции обмоток с целью назначения новой наработки до следующей диагности ки ЭД, позволяющая оценить остаточный срок службы изоляции электродвигате ля при дестабилизирующем воздействии внешних факторов и определить рацио нальные сроки проведения его обслуживания и ремонта.

Практическая значимость результатов исследований. Результаты прове денных исследований позволили развить научно-технические основы создания единой электротермовакуумной технологии разрушения связующего, пропитки и сушки электротехнических изделий по замкнутому циклу, а также разработать и внедрить новые методы и приборы диагностики в процессе применения на пред приятиях АПК, обслуживания и ремонта, обеспечивающие получение достовер ной информации при сравнительно низкой стоимости и простоте использования.

Созданная электротехнология единого комплекса восстановления изоляции обеспечивает высокое качество работ по техническому обслуживанию и ремонту двигателей в короткие сроки в условиях безотходного и экологически чистого производства при экономии материальных и трудовых ресурсов, что при совме стном использовании с комплексом средств измерения и прогноза в составе сис темы повышения надежности ЭД значительно повышает эффективность функ ционирования последней.

На основе разработанных конструкций установок по пропитке и сушке и соответствующей методики оптимизации режимов их работы могут быть созда ны ремонтные установки различной производительности с автоматической сис темой управления на основе персонального компьютера.

Анализ полученных математических моделей позволил осуществить пере ход к реальным практическим методикам организации технического обслужива ния и ремонта электрических двигателей с обеспечением высокого уровня их эксплуатационной надежности и минимальных народно-хозяйственных затрат.

Разработанные модели прогнозирования срока службы электродвигателей могут быть использованы различными агропромышленными предприятиями, а создан ная автоматизированная система диагностики и прогноза позволяет существенно упростить процесс планирования мероприятий по обслуживанию и ремонту ЭД.

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова» в соответствии с грантами 2000 и 2003 гг.

«Студенты, аспиранты и молодые ученые – малому наукоемкому бизнесу «Пол зуновские гранты» по темам «Тепловая вакуумная установка для восстановления изоляции ЭД» и «Оптимизация параметров технологического процесса скорост ной вакуумной пропитки и сушки обмоток электрических машин»;

с грантом Президента Российской Федерации для поддержки молодых российских ученых МК-7964.2006.8 на тему «Электротехнологические и технические системы по вышения надежности электродвигателей» (2006-2007 гг.);

с научно-исследова тельскими работами, финансируемыми из средств федерального бюджета по единому заказ-наряду, по темам «Исследование надежности электрооборудова ния и разработка энергосберегающих, экологически чистых технологий его вос становления» (1995-1999 гг.), «Исследование процессов деградации и теоретиче ские основы моделирования состояния полимерных электроизоляционных сис тем» (2000 г.), «Системный анализ и моделирование процессов старения и де градации изоляции электрооборудования» (2000-2004 гг.).

Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты работы использованы и внедрены на объектах агропромышленного комплекса Алтайского края и других регионов России и стран ближнего зарубежья.

Метод комплексной диагностики электродвигателей внедрен на ООО «ТОУРАК» Алтайского района, ООО «Техноград» Первомайского района, ОАО «ФСК ЕЭС» филиале Западно-Сибирского предприятия магистральных электри ческих сетей, Барнаульском филиале ОАО «Кузбассэнерго» Барнаульских ТЭЦ-1, ТЭЦ-2 и ТЭЦ-3, ООО «Сибпромо» г. Барнаула.

Рекомендации по пропитке и сушке изоляции ЭД в условиях сельского хо зяйства, а также методика оценки состояния изоляции и технические средства ди агностики внедрены на производственно-ремонтном предприятии ОАО «Алтай энерго», ОАО «Барнаульский шинный завод», ОАО «Завод синтетического во локна», ЗАО «Шадринское», крестьянских (фермерских) хозяйствах «Юг», «Луч», «Полюс» Калманского района, сельскохозяйственной артели (колхозе) «Первое мая», сельскохозяйственном производственном кооперативе «Советское», това риществе на вере «Горновское» Косихинского района Алтайского края.

Методика и рекомендации по восстановлению работоспособности электро двигателей, а также модель прогнозирования дополнительной наработки внедрены на ОАО «Алтайский приборостроительный завод «Ротор» г. Барнаула, ООО «Аг ропромэнерго» г. Камня-на-Оби, ЗАО «Тайминское» и ЗАО «Горный нектар» Красногорского района, ООО «Восточное» Целинного района, ООО «АКХ «Ануй ское» Петропавловского района Алтайского края.

Электротермовакуумная технология восстановления изоляции электрических двигателей, а также реализующие ее технические средства внедрены на производ ственно-ремонтном предприятии ОАО «Алтайэнерго» и на ОАО «Алтайсельэлек тросетьстрой» г. Барнаула, сельскохозяйственных предприятиях АОЗТ «Мичури нец» Алтайского и ОАО «УМК» Усть-Пристанского районов Алтайского края, на государственном унитарном предприятии «Новоалтайские межрайонные электри ческие сети», в филиале ОАО «МРСК Сибири» – «Горно-Алтайские электрические сети», в ТОО научно-производственное предприятие «КАН» Республики Казахстан.

Методика планирования сроков и типов ремонта электродвигателей при раз личных объемах выделяемых денежных средств рекомендована к применению Главным управлением сельского хозяйства администрации Алтайского края в ка честве эффективной ресурсосберегающей технологии для предприятий АПК. Ве роятностные модели процессов выхода из строя и восстановления электрообору дования используются отделами ППР ОАО «Барнаульский станкостроительный завод», ОАО «Русский хлеб». Система повышения эффективности процесса ре монта электрооборудования внедрена в АКГУП «Центральный» Калманского района и совхозе «Санниковский» Первомайского района Алтайского края.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на энергетическом факультете ГОУ ВПО «Алтайский государственный техниче ский университет им. И. И. Ползунова» в курсах «Электроснабжение», «Систе мы электроснабжения», «Надежность электроснабжения» для студентов специ альности 140211 – «Электроснабжение (по отраслям)», а также в курсовом и ди пломном проектировании.

Апробация результатов исследований. Основные положения и результа ты работы были доложены и одобрены на 39 конференциях и совещаниях, включая Международную научно-техническую конференцию «Измерение, кон троль, информатизация» (Барнаул, 2001, 2006, 2007, 2008 гг.), III Международ ную научно-практическую конференцию «Интеллектуальные технологии в обра зовании, экономике и управлении» (Воронеж, 2006 г.), Международную научно техническую конференцию «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2006, 2009 гг.), 1-ю Всероссийскую научно практическую конференцию молодых ученых «Материалы и технологии XXI ве ка» (Москва, 2000 г.), Всероссийскую научно-практическую конференцию «Наука и инновационные технологии для регионального развития» (Пенза, 2003 г.), науч но-техническую конференцию с участием зарубежных специалистов «Вакуум ная наука и техника» (Москва, 2004, 2006 гг.), XL научно-техническую конфе ренцию «Челябинскому государственному агроинженерному университету – лет» (Челябинск, 2001 г.), 1-ю региональную научно-практическую Интернет конференцию «Энерго- и ресурсосбережение – XXI век» (Орел, 2001 г.), 2-ю международную научно-техническую конференцию «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (Тобольск, 2004 г.), 4-ю Международную научно техническую конференцию «Электрическая изоляция – 2006» (Санкт-Петербург, 2006 г.), 4-ю Всероссийскую научно-техническую конференцию «Вузовская наука – региону» (Вологда, 2006 г.), научно-практическую конференцию с меж дународным участием «Энергетические, экологические и технологические про блемы экономики» (Барнаул, 2007, 2008 гг.), IV Российскую научно техническую конференцию «Энергосбережение в городском хозяйстве, энерге тике, промышленности» (Ульяновск, 2003 г.), 2-ю международную научно практическую конференцию «Компьютер в современном мире» (Чита, 2000 г.), международную научно-техническую конференцию «Электроэнергетика, элек тротехнические системы и комплексы» (Томск, 2003 г.), Международную науч но-техническую конференцию «Автоматизация машиностроительного произ водства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2005, 2006 гг.), V Международную конференцию «Научно-технические пробле мы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их ре шения» (Санкт-Петербург, 2003 г.), Международную научно-практическую кон ференцию «Электроэнергетика в сельском хозяйстве» (Новосибирск, 2009 г.).

На защиту выносятся:

– методы и критерии комплексной диагностики электродвигателей;

– система математических моделей магнитного поля двигателя и волновых зату хающих колебаний в обмотке при диагностике изоляции с учетом ее состояния и конструктивных особенностей ЭД;

– единая электротермовакуумная технология восстановления изоляции обмоток электродвигателей по замкнутому циклу;

– математические модели процессов восстановления изоляции электрических двигателей на основе количественной оценки степени влияния режимов пропит ки и сушки обмоток на качество их ремонта;

– методика и алгоритм оптимизации режимов пропитки и сушки обмоток двигате лей и технологии восстановления изоляции на предприятиях АПК;

– метод ситуационного планирования работ по ремонту электродвигателей на сельскохозяйственном предприятии, основанный на оптимизации параметров системы их массового обслуживания;

– структура информационно-программного сопровождения диагностики и прогно зирования на основе математических моделей состояния изоляции.

Достоверность теоретических положений и выводов подтверждена резуль татами экспериментальных исследований, компьютерного моделирования и экс плуатации разработанных устройств в производственных условиях.

Публикации. По материалам проведенных исследований опубликовано 145 печатных работ, из них: 8 статей в журналах по перечню ВАК РФ;

9 патен тов РФ на изобретения;

2 монографии;

5 учебных пособий.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, библиографического списка из 450 наименований и приложений. Общий объем диссертации составляет страниц, включая 98 рисунков и 55 таблиц.

Содержание работы Во введении к диссертации обоснована актуальность проблемы повышения уровня эксплуатационной надежности электрических машин, сформулированы цель, задачи и методы исследований, научная новизна, основные положения, выносимые на защиту, практическая значимость работы, а также отражены во просы апробации и реализации полученных научных результатов. Приводится краткое содержание каждого из разделов.

В первом разделе дан анализ современного состояния проблемы повыше ния надежности электродвигателей: исследован парк двигателей, эксплуатируе мых на сельскохозяйственных предприятиях, выделены основные факторы, воз действующие на состояние электроизоляционной системы, проанализированы используемые методы и технические средства восстановления изоляции обмо ток, а также обозначены основные пути повышения надежности ЭД на предпри ятиях АПК. Подробно рассмотрено применение информационно-логического анализа для выявления степени влияния основных факторов на наработку до очередного контроля состояния ЭД.

С точки зрения методологии доказана необходимость применения систем ного подхода при проведении исследований подобного рода. Так, например, электродвигатель представляет собой сложную искусственную систему, в кото рой структура взаимосвязей и взаимозависимостей многочисленных элементов носит разветвленный, т. е. трудно прослеживаемый характер. Для эффективного исследования процессов старения и восстановления изоляции ЭД на основе сис темного анализа предложен следующий сценарий:

– постановка задачи (формулировка проблемы и цели исследований);

– построение содержательной модели рассматриваемой системы, формализа ция цели управления объектом и выделение возможных управляющих воздейст вий, а также ограничений на эти управляющие воздействия;

– построение математической модели и оптимизация;

– решение задач, сформулированных на базе построенной модели;

– проверка полученных результатов на их адекватность природе изучаемой системы и корректировка первоначальной модели;

– реализация полученных решений на практике.

Для определения характера и причин отказов электродвигателей проводи лось систематическое изучение условий эксплуатации значительного количества двигателей в различных отраслях народного хозяйства. Были установлены ос новные виды повреждений изоляции обмоток, а также последовательно проана лизированы вызывающие их причины, поскольку не все они одинаково влияют на надежность электрооборудования.

На основе анализа статистических данных о причинах преждевременного выхода двигателей из строя подтвержден ранее сделанный вывод о том, что зна чительную их долю составляют отказы, вызванные старением изоляции обмоток под воздействием ряда факторов, таких как влага, агрессивные газы, тепловые и механические нагрузки. Поскольку условия эксплуатации в сельском хозяйстве отличаются разнообразием негативно воздействующих на электродвигатель факторов, в диссертации была проведена их группировка и классификация.

В рамках выполненной диссертационной работы, одной из важнейших за дач системного анализа являлось определение перспективных направлений ис следования. Установлено, что, поскольку наносимый предприятиям в результате отказа двигателей ущерб связан не только с заменой или ремонтом ЭД, но и с браком и недовыпуском сельхозпродукции, требуются действенные меры по оп ределению момента выхода электродвигателей из строя. При этом доказано, что состояние изоляции ЭД после ее обслуживания и ремонта зависит от того, какие использовались методы разрушения связующего, пропитки и сушки, а также с каким качеством выполнялись отдельные технологические операции.

Получившие на сегодняшний день наибольшее распространение на ре монтных предприятиях АПК методы восстановления изоляции обмоток, а также технологии на их основе не в полной мере отвечают современным требованиям к качеству ремонта двигателей, эксплуатируемых в сельском хозяйстве, экономии изоляционных и проводниковых материалов, экологии, условиям труда ремонт ного и обслуживающего персонала.

Так, например, установлено, что используемые методы пропитки имеют определенные преимущества друг относительно друга, но не лишены серьезных недостатков, связанных с большой длительностью процесса пропитки, слабым проникновением лака в обмотку, большим расходом лака, сложностью техноло гического оборудования, раздельным выполнением операций пропитки и сушки, что делает их экологически вредными и затратными.

В результате проведенного комплексного анализа вышеназванных методов в основу создания новой универсальной технологии разрушения связующего, пропитки и сушки обмоток была заложена идея подачи тепла и пропитывающего состава в сосуд, где изделие находится постоянно без каких-либо перемещений с возможностью регулировать в широком диапазоне величину и скорость измене ния режимных параметров.

Но, несмотря на положительные результаты, которые могут быть достигну ты при использовании высокоэффективной технологии разрушения связующего, пропитки и сушки электродвигателей, качественный ремонт последних является недостаточным для обеспечения нормальной эксплуатации ЭД. На данном этапе роль основного мероприятия обеспечения надежной работы электрооборудова ния отводится его комплексной диагностике. При этом решение задачи разра ботки методов диагностики и прогнозирования состояния изоляции строится на основе применения современных технических средств и многофакторных моде лей процесса ее старения.

В ходе выполненного в диссертации исследования установлено, что на сель скохозяйственных предприятиях Алтайского края за период с 1988 по 2009 гг. про цент выхода из строя электродвигателей увеличился, в среднем, в 2 раза, а затраты на их ремонт – в 3 раза. В то же время техническое состояние ЭД, а также такие взаимосвязанные факторы, как производительность ремонтной базы, длительности простоев оборудования и связанные с этим убытки, как правило, не учитываются.

С учетом вышеизложенного в процессе исследования были выполнены:

1) теоретическое обоснование и разработка методов и технических средств диагностики электрических двигателей в условиях эксплуатации и ремонта с по следующим прогнозом их состояния на перспективу;

2) исследование процессов тепломассопереноса и их влияния на повышение качества пропиточно-сушильных работ с обязательной оценкой результатов их выполнения на основе использования метода достоверной пооперационной ди агностики;

3) количественная оценка степени влияния различных факторов на процес сы старения и восстановления изоляции электрического двигателя;

4) создание методики оптимизации, позволяющей выявлять целесообраз ные режимы и объем восстановительных мероприятий;

5) разработка математического аппарата прогнозирования наработки до оче редной диагностики, позволяющего ответить на вопросы о сроках ремонта ЭД.

В результате автором предложена структура системы повышения надежно сти двигателей, обеспечивающая достижение поставленных целей путем ком плексного решения задач диагностики, прогнозирования и восстановления изо ляции на протяжении всего срока службы ЭД (рисунок 1).

Требования за- Технические Внешние База априорных значений (парк ЭД, при чины отказов, ответственность механиз интересованных средства воздействующие мов, объем имеющихся средств и др.) сторон защиты факторы изоляции и воздейст T X Контроль состояния вующих факторов Рекомендации Конструкция ЭД Процессы изме W по совершенст- (внутренние нения свойств вованию возд. факторы) изоляции P Планирование, Параметры ТО Прогноз срока технологии, и ремонта Y службы ЭД оптимизация обмоток Моделирование Оптимизация Количественная старения и вос средств диагно- оценка влияния становления стики ЭД факторов Рисунок 1 – Структура предлагаемой системы повышения надежности электродвигателей в сельском хозяйстве Группа входов P представляет собой комплекс физических воздействий на изоляцию ЭД с целью восстановления ее свойств. Данная группа характеризует ся -мерным вектором технологических параметров, определяющих процессы обслуживания и ремонта на протяжении всего срока службы ЭД, Р ( р1, р2,..., р ). (1) Информация, характеризующая состояние изоляции обмотки, на выходе системы может быть представлена в виде некоторой скалярной функции W f (T, X, P), (2) отражающей показатель качества двигателя, но которая не всегда может быть оп ределена путем непосредственных измерений, или в виде k-мерного вектора Y ( y1, y2,, y k ), (3) характеристики которого могут быть измерены и зависят от T, X, P и H, где Н является вектором составляющих помех на измерительный комплекс.

В данном случае, вектором Y задаются диагностические параметры (ДП), физические основы которых рассмотрены во втором разделе диссертации.

Диагностику изоляции, позволяющую установить реальное состояние ЭД, и прогнозирование наработки до очередного контроля ее состояния Тдиагн. i необходи мо проводить на протяжении всего срока службы электродвигателя. Данный цикл, показанный на рисунке 2, повторяется до тех пор, пока по результатам диагностики не потребуется проведения мероприятий по восстановлению изоляции обмоток. В свою очередь, в рамках организационно-технического обеспечения ремонта после проведения технологических операций по восстановлению электрической изоляции необходимы диагностика и прогнозирование изменения состояния изоляции обмо ток с целью назначения новой наработки до следующей диагностики.

Системный анализ из комплекса исследованных мероприятий дал возмож ность выделить задачу количественной оценки степени влияния различных фак торов на процессы старения и восстановления изоляции на протяжении всего сро ка службы, которая является основой для прогноза остаточного ресурса ЭД.

Рассмотренные в работе различные методы анализа экспериментальных дан ных позволили сделать вывод о том, что из-за множества сочетаний разнообразных факторов, влияющих на состояние изоляции, для решения поставленных задач под ходящим является информационно-логический анализ. Выбранный математиче ский аппарат позволяет оценить неучтенные ранее факторы, что делает анализ бо лее достоверным, а также создать самообучающуюся систему прогнозирования, дающую возможность оптимизировать сроки выполнения мероприятий по ТОиР.

Входной кон троль и прогноз Эксплуатация Организацион Да но-техническое Выход из строя обеспечение ремонта Нет Да tраб Тдиагн.

i Нет Измерение ДП Измерение ДП Нет Нет Да Прогнозирование Требуется Состояние Списание ТОиР удовл.

Тдиагн. i Да Рисунок 2 – Предлагаемая блок-схема процесса принятия решения о проведении обслуживания и ремонта ЭД Во втором разделе рассмотрены методы и технические средства диагности ки электродвигателей в агропромышленном комплексе, а также предложен ком плекс диагностических средств на основе новых методик оценки состояния ЭД.

Разработаны теоретические основы диагностики двигателей по зависимости гар монического состава их внешнего магнитного поля от степени развития дефектов:

изучены проявления различных дефектов электродвигателя в спектре напряжен ности его ВМП, построены математические модели магнитного поля в воздушном зазоре двигателя, а также внешнего магнитного поля при витковых и фазных за мыканиях. Экспериментально доказана зависимость изменений параметров ВМП от степени развития дефектов электродвигателя. Предложена система средств ди агностики на основе измерения параметров волновых затухающих колебаний в обмотке двигателя, выбран обобщенный диагностический параметр, положенный в основу оптимизации режимов электротермовакуумной технологии пропитки и сушки, показана возможность применения результатов проведенных исследова ний для прогнозирования срока службы ЭД, произведен выбор показателей эф фективности технологических процессов пропитки и сушки изоляции двигателей.

Для построения математической модели магнитного поля в воздушном за зоре двигателя в диссертации были рассмотрены модели электрической машины, одна из которых состоит из двух гладких коаксиальных цилиндров, выполнен ных из магнитного материала (цилиндры разделены воздушным зазором, а внутренний радиус R цилиндра, соответствующего статору, равен единице), при известных распределениях линейной токовой нагрузки А(а) вдоль окружности воздушного зазора и линий магнитной индукции в радиальном направлении, и найдена зависимость для напряженности магнитного поля в любой точке воз душного зазора с координатой а а (Н а Н0 ) А(а ) Rda, (4) где Н0 находится из условия, что в воздушном зазоре машины не может возникнуть однополярный поток.

Для отыскания распределения линейной нагрузки вдоль окружности воз душного зазора в диссертации было рассмотрено магнитное поле, создаваемое одним проводником, расположенным в точке с координатами (1, а), по которому протекает ток i. Магнитное поле, создаваемое произвольной системой проводни ков, может быть получено методом наложения полей отдельных проводников.

Напряженность результирующего поля в воздушном зазоре, определенная в систе ме координат с началом на оси витка для группы, состоящей из N витков, сдвину тых друг относительно друга на угол а1, по которым протекает один и тот же ток i, является периодической функцией, которая может быть разложена в ряд Фурье a sin N a 2 cos a ( N 1) a1, 2 Ni sin y H (a) (5) a 2 N sin где = 1, 2, 3,... – номера гармонических составляющих поля, из которых основная гармоника порядка = 1 имеет период, равный 2, т. е. полной длине окружности сердечника статора;

ау – угол сдвига друг относительно друга про водников витка, по которым протекает ток i в противоположных направлениях.

Тогда зависимость для напряженности магнитного поля в воздушном зазо ре, созданного m-фазной обмоткой, когда токи в каждой группе витков имеют амплитуду 2 I, угловую частоту и сдвинуты во времени друг относительно друга на угол (2/m), примет вид a a y sin Nv 2 NI H m ( a, t ) sin v 2 N sin v a v 1v sin(v 1) m1 (6) sin ( t va) (v 1) sin[( v 1) / m] 2 m sin(v 1) m1 sin ( t va) (v 1).

sin[( v 1) / m] 2 m Полученные в результате использования выражения (6) математические модели магнитного поля в воздушном зазоре электродвигателя позволили уста новить, что амплитуды гармонических составляющих напряженности поля ЭД зависят от конструктивных особенностей (параметров) рассматриваемой элек трической машины и в значительной мере определяются различного рода не симметриями обмоток и магнитной системы.

Это, в первую очередь, относится к многополюсным машинам, собственное магнитное поле которых имеет мультипольный характер, определяемый числом пар полюсов. Указанные несимметрии нарушают данный характер поля, вызы вая спектр пространственных гармоник напряженности.

Так, в частности, зная, что появление спектра гармоник напряженности магнитного поля в воздушном зазоре приводит к появлению аналогичного спек тра во внешнем по отношению к корпусу двигателя магнитном поле, установле но, что наличие статического эксцентриситета ротора вызывает появление во внешнем магнитном поле многополюсных электрических машин пространст венных гармоник, порядок которых выше и ниже порядка основной гармоники.

Наибольшее влияние эксцентриситет оказывает на уровень ВМП четырехпо люсных машин, т. е. наличие дипольной составляющей напряженности во внеш нем магнитном поле и ее изменение в процессе эксплуатации может служить ди агностическим признаком выработки подшипников (рисунок 3, б).

В свою очередь, наличие во ВМП ЭД гармоник кратных 3, где = 1 – ос новная гармоника, является диагностическим признаком межвитковых и меж фазных замыканий обмотки статора. При этом анализ спектра напряженности внешнего магнитного поля электрического двигателя дает возможность полу чить достоверную информацию не только о виде дефекта, но и о степени его развития (рисунок 3, в, г).

Из рисунка 3, полученного в результате компьютерной обработки сигнала с расположенного на ЭД первичного преобразователя, видно, что при неисправно стях подшипникового узла или искривлении вала наблюдается возникновение четных гармоник в спектре напряженности ВМП. В свою очередь, при электри ческих неисправностях двигателя происходит рост нечетных гармоник спектра напряженности внешнего магнитного поля относительно первой. При этом меж витковые замыкания проявляют себя в диапазоне свыше 450 Гц, а межфазные – менее 450 Гц.

Результаты экспериментов на разработанной при участии автора установке подтвердили сделанные на основе найденных зависимостей выводы.

а б Н, А/м Н, А/м f, Гц f, Гц в г Н, А/м Н, А/м f, Гц f, Гц Рисунок 3 – Спектральный состав напряженности магнитного поля ЭД при механических и электрических неисправностях:

а – неисправность отсутствует;

б – эксцентриситет вала ротора;

в – межвитковое замыкание;

г – межфазное замыкание В качестве практической реализации полученных теоретических зависимостей был предложен метод диагностики электродвигателей на основе связи процессов развития дефектов в ЭД и изменений гармонического состава спектра их ВМП, а также диагностический параметр для оценки характера дефектов двигателя Н K ни, (7) Н где Н – амплитуды гармоник спектра напряженности магнитного поля ЭД.

Разработанный метод диагностики не требует большого числа операций, обеспечивает высокую достоверность получаемой информации, наглядность и простоту реализации при работе электродвигателей под нагрузкой.

Особого внимания в контексте рассматриваемого вопроса заслуживает ме тод волновых затухающих колебаний. Данный метод позволяет осуществлять пооперационную диагностику и контроль качества восстановления изоляции ЭД после ремонта.

Для нахождения оптимальной структуры диагностического параметра по методу ВЗК необходимо рассмотреть факторы, влияющие на затухающий коле бательный процесс, возникающий в обмотке после подачи на нее типового еди ничного сигнала.

Данный колебательный процесс может быть описан выражением s A0 e t cos( t ), (8) -t где A = Aoe – амплитуда затухающих колебаний;

– коэффициент затуха ния;

t – время затухания;

и – частота и фаза колебания соответственно.

Как известно, основными характеристиками электрического колебательного контура являются параметры R, L, C. Однако в формировании ВЗК процесса дан ные параметры обмотки участвуют по-разному. Так, индуктивность L и емкость С формируют значения периода T, а сопротивление R – значения амплитуд А.

При этом любые возможные изменения свойств изоляции влекут за собой изме нение значений параметров R, L, C обмотки и, как следствие, показателей T и А.

Полученная в ходе теоретических исследований математическая модель волновых затухающих колебаний в обмотке с учетом конструктивных парамет ров электроизоляционной системы позволила установить связь между парамет рами ВЗК и параметрами схемы замещения обмотки ЭД t e CR ( Rоб Rв ) Rк ( U вх Uк U вх ) t );

Uк U Uк e sin( t, (9) sin Rоб Rв Rоб Rк Rв Rк где Uк – напряжение обмотки относительно корпуса;

Rоб – активное сопро тивление обмотки;

Rв – междувитковое сопротивление;

Rк – сопротивление изо ляции относительно корпуса;

С и R – соответственно выходные емкость и со противление генератора импульсов;

Uвх – входное напряжение.

В результате предложен обобщенный диагностический параметр (ОДП), значение которого может быть измерено на любом этапе технологического про цесса восстановления изоляции, однако будет присуще лишь конкретной марке ЭД с определенным уровнем дефектности Т, (10) ln( A1 / A2 ) где к диагностическим параметрам относятся: А1 – амплитуда первого по лупериода;

А2 – амплитуда второго полупериода;

Т – период колебаний.

Разработанная модель волнового затухающего процесса позволяет опреде лять значения для любого, в т. ч. «идеального» (эталонного) состояния изоля ции каждого типа электродвигателей. Коэффициент корреляции между значе ниями ОДП, полученными теоретически и экспериментально, составил 0,88. В свою очередь, проведенный комплекс исследований подтвердил адекватность разработанных математических моделей, связывающих значения параметров схемы замещения со значениями параметров, определяющих конструкцию изо ляции ЭД. Коэффициент корреляции между значениями, полученными теорети чески и экспериментально, составляет 0,92.

Анализ альтернативных форм диагностического параметра позволил сде лать вывод о том, что в качестве технического критерия оптимизации парамет ров процесса восстановления изоляции ЭД наиболее приемлемо использование нормированных разностных ОДП, приведенных к температуре 20 С:

а) при сравнении вклада каждого из этапов ремонта электродвигателя в по лучаемое по окончании процесса пропитки и сушки качество tij, (11) tij t max где ij – разностный диагностический параметр, позволяющий установить вклад каждого этапа в качество ТОиР;

max – строго оговоренное (максимальное) значение ОДП на одном из этапов ремонта ЭД;

i – номер технологии;

j – показа тель этапа или группы этапов;

t = kt – значение ОДП при температуре 20 С;

kt – температурный коэффициент, найденный экспериментально;

б) при исследовании старения изоляции ti ~ ti, (12) ti эталон где ti – измеренное с помощью разработанных приборов значение ОДП, при веденное к 20 С;

tiэталон – эталонное значение ОДП;

i – номер марки двигателя.

Рассмотренные методы диагностики в комплексе позволяют оценивать со стояние электродвигателя на всех этапах его жизненного цикла от ввода в экс плуатацию до списания (рисунок 4).

Расчет экономического эффекта от внедрения разработанных методов и технических средств диагностики позволил определить срок их окупаемости, равный 1-1,5 года.

Комплексная диагностика электродвигателей в процессе эксплуатации в ходе обслуживания и ремонта 1 Измерить напряженность ВМП разра- 1 Измерить значение ОДП с исполь ботанными техническими средствами. зованием разработанных техниче 2 Полученный сигнал разложить в ских средств метода ВЗК.

гармонический ряд Фурье. 2 Результат измерения преобразовать 3 Используя найденные логические за- в нормированный обобщенный ди висимости, определить вид и степень агностический параметр.

развития дефекта: 3 Определить, к какому из диапазо I ранг (Кни 0,5) – дефект отсутствует;

нов относится полученное значение:

~ II ранг (0,5 Кни 0,6) – незначитель- 0,7 1 – качество изоляции дос ный уровень развития дефекта;

таточно высокое;

III ранг (0,6 Кни 0,7) – высокий уро- ~ 0,3 0,7 – качество изоляции вень развития дефекта, необходимо ТО;

удовлетворительное;

IV ранг (0,7 Кни) – критическое раз- ~ 0,3 – техническое состояние витие дефекта, дальнейшая эксплуа изоляции критическое.

тация не допустима.

Прогнозирование и выработка рекомендаций по обслуживанию и ремонту ЭД Рисунок 4 – Структура использования разработанных методов диагностики В третьем разделе представлены основные результаты теоретических иссле дований процессов тепломассопереноса в обмотках электрических двигателей, ко торые построены на применении системной методологии к анализу процессов пе реноса энергии и массы вещества, протекающих в твердых капиллярно-пористых телах. Следуя принципам системного анализа, рассмотрены основные и наиболее значимые процессы, определяющие качество изоляции и формирующие методы восстановления работоспособности электрических двигателей. Приведены разрабо танные математические модели процессов тепломассопереноса и обоснована целе сообразность использования скоростного вакуумирования для интенсификации этих процессов. Решена система дифференциальных уравнений переноса энергии и массы вещества для электротепловой вакуумной пропитки и сушки, что позволило установить закономерности протекания данных процессов и получить уравнения для расчета ряда параметров разрушения связующего, пропитки и сушки обмоток электродвигателей. Там же приведены результаты экспериментальных исследова ний процессов тепломассопереноса в теле обмотки электродвигателя. Реализованы сравнительные эксперименты и ускоренные лабораторные испытания по отыска нию зависимости качества изоляции ЭД от режимов пропитки и сушки, по резуль татам которых построен ряд математических моделей изучаемых процессов.

В основу выполненных теоретических исследований физико-химических яв лений, протекающих при восстановлении изоляции статорных обмоток, положен метод феноменологического исследования явлений переноса, который обеспечива ет возможность изучения переноса тепла и массы вещества в их неразрывной связи, охватывает гидродинамику вязких жидкостей, теплопроводность, диффузию, внут реннее трение и, в итоге, позволяет получить систему дифференциальных уравне ний переноса массы и энергии. Решения указанной системы уравнений представ ляют интерес не только для изучения основных закономерностей тепло- и массо обмена, но и для разработки новых методов разрушения связующего, пропитки и сушки обмоток ЭД, а также нанесения изоляционных покрытий (рисунок 5).

Согласно принципам системного анализа, конкретизируем поставленную проблему обеспечения высокого качества электрической изоляции.

Как известно, воздействие агрессивной среды в сочетании с характерными для сельского хозяйства режимами работы двигателей и низким качеством элек троэнергии негативно отражается на свойствах изоляции ЭД.

В то же время при выполнении капитального ремонта электродвигателей необходимо извлечение поврежденной статорной обмотки, что требует исполь зования таких средств и методов разрушения связующего, которые обеспечива ли бы максимальную эффективность данного процесса при минимальном по вреждении других конструктивных элементов ЭД.

Таким образом, задача теоретического исследования процессов разрушения связующего обмоток под действием агрессивных сред имеет важное значение как для выработки мероприятий по снижению скорости старения электроизоля ционных материалов в условиях эксплуатации, так и для разработки современ ных методик извлечения обмоток из статоров ЭД.

Основные поло- Процессы переноса Структура обмотки жения общей тео- энергии и массы ве- электрических дви рии систем и сис- щества в капилляр- гателей и их изоля темного анализа но-пористых телах ционных материалов Факторы, влияющие Традиционные для Процессы тепломас на качество пропит АПК методы вос- сопереноса в обмот ки и сушки обмоток становления изо- ках электрических электродвигателей ляции двигателей двигателей Скоростное Эксплуатация Характеристика вакуумирование в условиях АПК методов ремонта Сушка и Пропитка Разрушение пленкообразование обмоток связующего Рисунок 5 – Система исследования процессов тепломассопереноса в обмотках Химическая реакция между агрессивной средой и химически нестойкими связями полимера может происходить на границе раздела фаз и в объеме фазы полимера. Считая обе фазы единой замкнутой системой, скорость химической реакции W можно выразить через dn/vdt, где n – число распавшихся связей в мо мент времени t, v – объем полимера.

Полагая, что соблюдается закон действия масс, объем полимера в ходе де струкции практически не изменяется и полимер изотропен, уравнение для ско рости распада химически нестойких связей можно записать так dCn W k (Cn0 Cn )Cкат С раст, (13) dt где Сn0 – начальная концентрация химически нестойких связей в полимере;

Сn – концентрация распавшихся связей;

Скат – концентрация катализатора в по лимере;

Сраст – концентрация растворителя в полимере;

k – константа скорости распада химически нестойких связей.

Если при распаде химически нестойких связей в полимере расходуется рас творитель, в частности, вода в реакциях гидролиза, то его концентрация нахо дится из уравнения Cраст Dраст 2Сраст k (Cn0 Cn )Cкат Сраст, (14) t где – оператор Лапласа;

Dраст – коэффициент диффузии растворителя.

При рассмотрении диффузии агрессивных сред в полимерах установлено, что диффузия катализатора (кислоты или основания) и растворителя в гидро фильных полимерах или в гидрофобных полимерах с высоким давлением пара происходит с одинаковой скоростью единым фронтом, тогда как в гидрофобных полимерах с низким давлением пара, что в большей степени характерно для сельского хозяйства, диффузия растворителя происходит со значительно боль шей скоростью, чем катализатора.

Указанные закономерности упрощают решение задачи, т. к. в первом слу чае диффузия катализатора и растворителя может быть охарактеризована одним коэффициентом диффузии Dраст = Dкат. Во втором случае можно считать, что концентрация растворителя в реакционной зоне полимерного изделия после не которого времени становится постоянной и равной его растворимости С 0раст, т. е.

дCраст /дt = 0. Таким образом, задача сводится к решению уравнения (14), которое приводится в диссертации.

Результатом данного решения стал вывод о том, что полученные в диссер тации зависимости позволяют качественно оценить степень воздействия агрес сивных сред на изоляцию обмотки в условиях эксплуатации и определить ско рость ее старения, что создало предпосылки к отысканию показателей интенси фикации процесса разрушения связующего в ходе ремонта.

Аналитическая задача установления связи между временными и простран ственными изменениями потенциалов переноса при разрушении связующего, пропитке и сушке обмоток формулируется на основе системы дифференциаль ных уравнений молярно-молекулярного тепломассопереноса.

Тогда для пропитки обмоток электродвигателей, принимая критерий фазо вого перехода равным нулю, т. к. испарение в начальной стадии отсутствует, в целях упрощения решения общей системы уравнений можно записать u 2 D uD p;

p (15) p ap p, где – время;

р – давление;

u – концентрация вещества;

р – относительный коэффициент фильтрационного потока парообразной влаги;

ар – коэффициент конвективной диффузии;

– оператор Гамильтона.

Использование теории подобия позволяет перейти к безразмерной форме записи системы уравнений (15), а на основе принятых в диссертации допущений возможен переход к одномерной форме записи 2 U U P Pn ;

X Fo X (16) P P Lu, X Fo где U и Р – соответственно безразмерные потенциал массопереноса и дав ление;

Lu – критерий Лыкова;

Pn – критерий Поснова;

Fo – критерий Фурье;

Х – безразмерная координата.

Система уравнений (16) описывает процесс пропитки обмоток статоров.

двигателей при изменении давления за промежуток времени Характер изменения давления аппроксимируется линейной функцией pc ( ) e p, (17) где ер – скорость создания вакуума.

Описание процесса нахождения решения системы дифференциальных уравнений (17) достаточно громоздко. Поэтому, опуская его, приведем лишь ко нечный результат, т. к. именно он представляет интерес с точки зрения получе ния связи между безразмерными величинами U и P:

Pn Pd Lu Pd 1 Pn Pd Lu Pd ( X 2 1) U ( X, Fo) Fo Lu 2 1 Lu 2 Bi 2 Bi Pn Pd Lu cos( m X ) Pn Pd Lu Pd 1 (18) Lu 2 1 Bi 2 Lu 2 1 m 1 3 ( 1) m Bi 2 2(Bi Pd) cos( n X ) exp( Fo) 2 n n exp( Fo) ;

m n (sin n n cos n Bi sin n) n cos m 12 P( X, Fo) Pd Fo ( X 1) exp( m Fo), (19) 3 m 2 ( 1) m где Pd – массообменный критерий Предводителева;

Bi – критерий Био;

(2m 1) / 2 ;

n – корни характеристического уравнения, т. е. для повыше m ния качества пропитки обмоток электродвигателей необходимо увеличивать градиент давления и критерий Поснова, который характеризует перепад потен циала массопереноса, вызванный разностью температур или разностью давле ний. При этом даже не смачивающие поверхность твердого тела жидкости могут проникать в поры, каналы и капилляры обмотки ЭД под действием градиента давления, создание которого возможно за счет вакуума определенной величины.

К аналогичным выводам можно прийти и относительно удаления жидкости и газовых включений путем скоростного вакуумирования как при эксплуатации, так и при ремонте. В результате были получены новые закономерности, которые имеют место в процессе сушки, когда создание градиента давления от 760 до 100 150 мм рт. ст. за время 0,1-10 с не приводит к постепенной релаксации давления па ров и обеспечивает до 95 % удаления влаги из изоляции без фазового перехода.

Кроме того, в диссертации приведены результаты теоретических исследо ваний влияния условий пленкообразования на свойства изоляционного покры тия, а также рассмотрены способы сокращения продолжительности достаточно энергоемкого процесса сушки обмотки до пропитки и после нее.

Для подтверждения результатов выполненных теоретических исследований и выдвинутых предпосылок о возможности интенсификации процессов тепло массопереноса и повышения качества изоляции, имеющих место при разруше нии связующего обмоток на начальных стадиях ремонта, ее пропитки и сушки путем создания градиентов давления, температуры и скорости их изменения, в работе осуществлен комплекс экспериментов с использованием предложенной и созданной при непосредственном участии автора многофункциональной элек тротермовакуумной установки (рисунок 6, патент № 2191461).

Изображенная на рисунке 6 установка позволила на практике реализовать в несколько этапов операции удаления связующего обмоток, сушки до пропитки, пропитки и сушки после пропитки. С учетом поставленных на каждом этапе за дач, в диссертации экспериментально для различных способов пропитки и сушки определялись параметры, по которым можно было бы судить о качестве изоляции.

Рисунок 6 – Функциональная схема электротермовакуумной установки разрушения связующего обмоток, пропитки и сушки изоляции электродвигателей:

1 – вакуумный насос;

4, 9-12, 14, 15, 17, 19, 24, 28, 29, 30, 33, 34 – вентили;

6 – ресивер;

13 – смесительный котел;

16 – резервуар для водного раствора;

18 – циркуляционный насос;

22 – автоклав для разрушения связующего;

31 – автоклав для пропитки и сушки В частности, были рассмотрены: коэффициент пропитки обмоток kп, сопро тивления витковой и корпусной изоляции Rв и Rк, прирост емкости С, показа тель насыщения обмотки лаком, пробивное напряжение корпусной и витковой изоляции Uк и Uв, распределения вероятностей напряжения пробоя корпусной и витковой изоляции Рк и Рв, глубина проникновения лака в обмотку h и др. В ре зультате для оценки качества изоляции ЭД на всех этапах технологического процесса его ремонта предложено использовать обобщенный диагностический параметр, рассмотренный во втором разделе диссертации, который позволяет заменить группу указанных выше частных показателей качества.

В ходе проведения экспериментов было установлено, что качество всего технологического процесса целиком и полностью определяется качеством про питки при условии завершенности процесса сушки до и после пропитки.

На рисунке 7 представлены графики пропитки обмоток электродвигателей серии 4А при использовании скоростного электротермовакуумного метода, из которых видно, что изменение обобщенного диагностического параметра в про цессе пропитки зависит как от используемой марки лака, так и от температуры пропитки обмоток Тпр двигателя и глубины вакуума р.

МЛ-92 ПЭ-, о.е., о.е.

0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, р, о.е. 0, 0,2 р, о.е.

0,1 0, 0, 0 0, 0 0, 100 Тпр, °С 100 Тпр, °С 0 20 40 60 0 20 40 60 ГФ- КО-916к, о.е.

, о.е.

0,6 0, 0,5 0, 0,4 0, 0,3 0, р, о.е. 0, 0, р, о.е.

0,1 0,1 0, 0, 0 0,4 0 0, 100 Тпр, °С 100 Тпр, °С 0 20 40 60 80 0 20 40 60 tв= 0,1 с;

В = 20 с Рисунок 7 – Графики зависимости ОДП от параметров процесса пропитки изоляции скоростным вакуумным методом Таким образом, результаты экспериментов подтвердили выводы о возмож ности существенного ускорения процессов разрушения связующего, пропитки и сушки обмоток двигателей, а также значительного проникновения пропиточного состава внутрь обмоток посредством создания градиента давления за счет ва куума определенной глубины и скорости его изменения.

Применение подробно описанного в первом разделе диссертации информа ционно-логического анализа результатов экспериментов для получения явного вида целевой функции влияния режимов пропитки и сушки на качество изоля ции, позволило выявить следующую зависимость для ОДП = р tв (tс tпр Tпр) Nв.у Tс, (20) где tв – время создания вакуума;

tс – время сушки;

tпр – время пропитки;

Nв.у – количество циклов вакуумирования;

Tс – температура сушки;

– логическая функция дизъюнкции или логическое сложение;

– логическая функция конъ юнкции или логическое умножение;

() – скобки, обозначающие примерно оди наковое влияние каждого из параметров, находящихся в них, на ОДП.

В итоге, полученная математическая модель пропитки и сушки изоляции электродвигателей позволила дать количественную оценку влияния каждого из факторов на показатель качества. Наибольший положительный эффект качества и интенсификации процессов пропитки и сушки изоляции, согласно результатам данной количественной оценки, достигается от разности потенциалов давления, а наименьший – от температуры сушки.

Практическая реализация сделанных теоретических предпосылок дала воз можность внести необходимые коррективы в выбор режимов термовакуумной пропитки и сушки обмоток. Предлагаемые режимы сократили температуру суш ки на 15-20 С, общую длительность процесса до 1,5-2 ч без промежуточных транспортировочных операций по замкнутому циклу.

В четвертом разделе рассмотрены вопросы создания универсальной элек тротермовакуумной технологии, обеспечивающей замкнутый цикл выполнения операций разрушения связующего, сушки изоляции до пропитки, ее пропитки и сушки после пропитки, а также обобщены результаты оптимизационных иссле дований параметров технологического процесса восстановления изоляции элек тродвигателей. На основе анализа показателей эффективности рассматриваемого процесса, интересов участников рыночных отношений с точки зрения эксплуа тации и ремонта ЭД, а также математического аппарата теории исследования операций сформирован комплекс решаемых задач оптимизации и для каждой предложен эффективный способ решения.

В основе разработанной современной электротермовакуумной технологии лежит необходимость создания и внедрения на специализированных электроре монтных предприятиях АПК высокопроизводительных, эффективных, надежных и обеспечивающих высокое качество ремонта установок восстановления изоляции электрических машин, позволяющих для различных производственных помещений и объемов ремонтов менять габаритные размеры и число рабочих сосудов с приме нением автоматизации всего процесса и включением его в единую схему ремонта.

В результате разработана прогрессивная технология единого комплекса элек тротермовакуумного разрушения связующего, пропитки и сушки обмоток электри ческих двигателей, основанная на интенсификации процессов тепломассопереноса, путем использования перепадов давления между атмосферным и вакуумом за очень короткое время, что позволило в совокупности с нагревом за счет вакуумирования достичь при сушке обмоток интенсивного удаления из них влаги, а при пропитке – наиболее глубокого проникновения пропитывающего состава вглубь обмотки.

Созданные при участии автора и внедренные в производство стационарные и передвижные ремонтно-диагностические комплексы, представляющие собой совокупность вакуумных сосудов в модульном исполнении, соединенных систе мой трубопроводов и задвижек, работающих по заранее заданной программе (рисунок 8), а также технических средств диагностики позволили осуществить на практике реализацию разработанной технологии.

Предложенная в диссертации система информационно-программного со провождения созданной технологии ремонта, а также комплекса приборов и уст ройств диагностики, повышает эффективность мероприятий по восстановлению изоляции электродвигателей, увеличивает производительность технологическо го оборудования, которая для специализированных ремонтных предприятий мо жет достигать, в среднем, 2000 ремонтов в год.

С точки зрения системного анализа, важнейшей целью исследования тех нологических процессов, анализа существующих и синтеза новых технологий является решение задач оптимального управления данными процессами, осно ванное, в том числе, на полученных логических зависимостях.

Рисунок 8 – Стационарная установка для использования на специализированных ремонтных предприятиях АПК При оптимизации параметров технологий ремонта изоляции ЭД целесообраз но говорить о трех группах задач оптимизации. Решение задач первой группы по зволяет установить оптимальные режимы работы технологического оборудования на различных этапах процесса восстановления изоляции электродвигателей. Ре зультатом решения задач второй группы является оптимальное сочетание методов, используемых на различных этапах технологического процесса. При решении задач третьей группы могут быть получены оптимальные сочетания условий эксплуата ции двигателей и применяемых (рекомендуемых) технологий пропитки и сушки.

В самом общем виде постановки задачи оптимизации параметров технологий пропитки и сушки изоляции электрических двигателей выражают интересы сторон, участвующих в данном процессе. Эксплуатирующая электродвигатель организация заинтересована в максимизации срока безотказной работы двигателя tсл, в миними зации суммарных затрат на эксплуатацию и ремонт ЭД З, а также в минимизации срока его ремонта tрем. Формально эти интересы могут быть записаны как tсл max;

З min;

tрем min. (21) В большинстве случаев для упрощения решения многокритериальных задач оптимизации применяются постановки, в которых доминирующим остается только один критерий оптимизации, а на значения всех остальных критериев на лагаются ограничения. При этом многокритериальные задачи сводятся к одно критериальным задачам с ограничениями.

В диссертации рассмотрены три варианта постановки задач оптимизации:

max {t сл u U } при З З зад и t рем t рем.зад ;

(22) min {З u U } при t сл t сл.зад и t рем t рем.зад ;

(23) min {t рем u U } при З З зад и t сл t сл.зад, (24) где U – множество технологий восстановления изоляции ЭД;

u – один из вариантов технологий ремонта.

В соответствии со структурой пространства состояния изоляции ЭД и раз работанной в первом разделе модели жизненного цикла электродвигателей, все постановки задач оптимизации необходимо разделить на две группы: задачи, ис пользующие фактические данные о качестве изоляции (например, срок службы tсл) и задачи, основывающиеся на использовании измеряемых диагностических параметров. Последние можно разделить на задачи c традиционными критерия ми качества и задачи, использующие ОДП.

Проведенные исследования показали, что использование обобщенного ди агностического параметра дает возможность упростить задачу оценки качест ва изоляции электродвигателей, а применение нормированных разностных диаг ностических параметров, определяющих в относительной форме изменение ОДП на различных этапах жизненного цикла ЭД, наиболее удобно в качестве технических критериев оптимизации.

При разработке единого экономического критерия (ЕЭК) оптимизации вос пользуемся допущением, что себестоимость ремонта и отпускная цена за ремонт равны. Отсюда ЕЭК определим как k k У пр.i t пр.i + Зтр + Зобсл, S м,i + А + Зраб + З = (25) i i где k – количество вышедших из строя двигателей за период времени t;

Sм – стоимость материалов, расходуемых на ремонт одного электродвигателя;

А – по стоянные затраты на текущее содержание мастерской и амортизационные отчис ления;

Зраб – заработная плата рабочих;

Упр.i – убытки от простоя i-го ЭД в еди ницу времени;

tпр – длительность простоя электродвигателей, состоящая из вре мени ожидания ремонта tож и времени самого ремонта tрем, Зтр – транспортные расходы;

Зобсл – затраты на ежегодное техническое обслуживание.

Тогда при использовании для диагностики изоляции метода ВЗК постанов ки задач оптимизации примут следующий вид:

~ ~ и t рем t рем.зад ;

min{З (U, X ) U U, X X } при зад (26) ~ max{ (U, X ) U U, X X } при З зад З и t рем t рем.зад ;

(27) ~ ~ min {t рем (U, X ) U U, X X } при зад и З зад З, (28) ~ где З зад – заданный уровень затрат (объем средств на ремонт);

зад – за данное значение нормированного диагностического параметра (требуемое каче ство ремонта);

tрем.зад – заданная продолжительность ремонта при условии вы полнения требуемого объема работ.

Для оптимизации режимов сушки до и после пропитки вместо минимиза ции времени достижения заданного уровня критерия качества можно использо вать минимизацию затрат на режим при условии завершенности физико химических процессов, заключающейся в полном удалении паров растворителей и запекании лаковой пленки при сушке после пропитки и полном удалении вла ги при сушке до пропитки. Для определения рациональных режимов пропитки статоров ЭД предлагается применить стратегию максимизации нормированного разностного диагностического параметра или минимизации затрат на обеспече ние режима работы технологической установки. В результате использования электротермовакуумной технологии могут быть получены следующие постанов ки задач оптимизации:

при сушке до пропитки min {Зреж ( p, t в, t с, Т с, N в. у )} при III зад III ;

(29) max { III ( p, t в, tс, Т с, N в. у )} при Зреж Зреж.зад ;

(30) при пропитке max { IV ( p, tв, t пр, Т пр, N в. у, B, M лак )} при Зреж Зреж.зад ;

(31) min {Зреж ( p, tв, t пр, Т пр, N в. у, B, M лак )} при, (32) IV зад IV где Зреж – затраты на реализацию заданного режима;

Зреж.зад – заданный уро вень затрат на реализацию режимов;

В и Млак – вязкость и марка лака соответст венно;

III и IV – соответственно значения нормированного диагностического параметра для этапов сушки до пропитки и пропитки.

Аналогичным образом формируются постановки задач оптимизации для сушки после пропитки обмоток электрических двигателей.

Предложенный подход к формированию постановок задач оптимизации стал основой разработки ряда методик: методики оптимизации параметров технологи ческого процесса пропитки и сушки изоляции электродвигателей, методики опре деления оптимального сочетания методов пропитки и сушки, используемых в технологическом процессе восстановления изоляции, методики определения оп тимального сочетания технологий пропитки и сушки изоляции с условиями экс плуатации электродвигателей (рисунок 9), методики расчета экономических кри териев оптимизации качества процесса пропитки и сушки изоляции двигателей.

Конечным результатом применения данных методик стали рекомендации по про питке и сушке изоляции электродвигателей в условиях АПК (таблицы 1 и 2), что обеспечивает повышение срока службы изоляции в 1,7-2,2 раза и сокращает еже годный ущерб, наносимый сельскохозяйственному производителю, в 1,3-1,8 раза.

Условия Технологии Требования эксплуатации и ремонта восстановления изоляции заинтересованных сторон параметры эффективности параметры процесса технологического процесса восстановления изоляции Определение нормированного диагностического параметра и единого экономического критерия. Выбор стратегии оптимизации ~ min З max min tрем ~ ~ ~ ~ З З ;

t рем t рем.зад ;

З зад З tрем tрем.зад ;

зад зад зад Отбор всех вариантов Отбор всех вариантов Отбор всех вариантов tрем tрем.зад З зад З З зад З Отбор всех вариантов Отбор всех вариантов Отбор всех вариантов ~ ~ ~ ~ t рем t рем.зад зад зад Выбор оптимального варианта технологии пропитки и сушки изоляции ЭД Рисунок 9 – Блок-схема выбора оптимальной технологии пропитки и сушки изоляции в зависимости от условий эксплуатации ЭД Таблица 1 – Режимы, обеспечивающие максимальное качество электротермова куумной пропитки и сушки, в зависимости от объема затрат За- Темпе- Количество Темпе- Глуби- Время Время Время тра- ратура циклов соз- ратура на ва- создания про- суш ты, пропит- дания ва- сушки, куума, вакуума, питки, ки, о о руб. ки, С куума, шт. С о.е. с мин мин 0,5 – 400 50 3 80 0,50 13 0,5 – 450 60 1 100 0,40 13 0,5 – 500 70 2 100 0,40 14 0,5 – 550 70 1 100 0,50 14 0,1 – 0, 600 40 3 100 0,40 15 0,1 – 0, 650 70 1 100 0,60 15 0,1 – 0, 700 80 2 100 0,50 17 0,1 – 0, 750 90 2 100 0,50 18 0,1 – 0, 800 110 2 100 0,50 18 Таблица 2 – Рекомендуемые технологии восстановления изоляции в зависимости от условий эксплуатации Технологические Рекомендуемые Помещение механизмы технологии Инкубатории Линии для обработки яиц, Струйная пропитка сортировальные машины Цеха по переработке Маслоизготовители, элек Струйная пропитка продуктов животновод- тропилы для распиловки туш ства Костедробильные машины Вакуумно-нагне тательная пропитка Кормоприготовительные Кормоприемники-питатели, цеха для влажных кормов измельчители и смесители Вакуумно-нагне животноводческих ферм кормов, кормоприготови- тательная пропитка и комплексов тельные агрегаты, мешалки Доильные залы, молоч- Насосы доильных установок, Скоростная ные отделения, моечные сепараторы, пастеризаторы, электротермоваку отделения ферм моечные установки умная технология Пункты послеуборочной Зерносушилки, зерноочи- Скоростная обработки зерна и тех- стительные машины, моло- электротермоваку нических культур тилки, зернодробилки умная технология Овощехранилища, Линии обработки плодов и Струйная пропитка фруктохранилища овощей, транспортеры Моечные отделения по Машины для мойки плодов Вакуумно-нагне переработке плодов и отмывки семян тательная пропитка Парники, теплицы Опрыскиватели, парниковые Вакуумно-нагне транспортеры тательная пропитка Животноводческие и Кормораздатчики, навозные Скоростная птицеводческие помеще- транспортеры, оборудование электротермоваку ния для сушки помета умная технология Склады минеральных Измельчители минеральных Скоростная удобрений удобрений, транспортеры электротермоваку удобрений умная технология В пятом разделе, посвященном ситуационному планированию ремонтов электродвигателей на основе их диагностики, дан анализ используемых на прак тике методов планирования, определены показатели системы массового обслу живания ЭД в сельском хозяйстве, в т. ч. найдены закон распределения и дли тельности ожидания ремонтов отказавших двигателей при централизованной и собственной системе обслуживания. Осуществлена оптимизация показателей СМО двигателей для различных способов организации ремонта. Построены мо дели и разработана система автоматизированной оценки результатов диагности ки и прогнозирования наработки до очередного контроля состояния ЭД, экс плуатирующихся в условиях сельского хозяйства.

Как установлено, увеличение срока службы электродвигателей во многом зависит от того, насколько правильно и эффективно будет решена задача по формированию системы повышения надежности ЭД, охватывающей все стадии жизненного цикла двигателей от ввода в эксплуатацию до списания. При этом построение эффективной методики планирования ремонтов ЭД в современной экономической ситуации возможно только на основе анализа данных об их те кущем состоянии, интенсивностях отказов и производительности ремонтной ба зы с использованием теории массового обслуживания.

В ходе работы над диссертацией доказано, что большинство математиче ских методов управления системами массового обслуживания находится в ста дии теоретических исследований, а их практическая реализация требует боль ших временных и материальных затрат.

В результате проведенного исследования определены основные параметры функционирования СМО электродвигателей в сельском хозяйстве, в т. ч. выяв лены зависимости нахождения отказавшего ЭД в очереди на ремонт при нали чии и отсутствии ремонтной базы, что дает возможность оценить эффективность ее создания для каждого предприятия АПК, а также создана методика расчета длительностей ожидания ремонта при наличии особо ответственных двигателей, позволяющая минимизировать время их простоя и, как следствие, сократить из держки от их отказов.

Кроме того, на основе анализа динамики изменения технического состоя ния изоляции электродвигателя оказалось возможным построить математиче скую модель системы ремонта ЭД, позволяющую находить зависимости между показателями эксплуатации парка двигателей, интенсивностями их отказов и имеющимся объемом средств на ремонт.

Так, в частности, использование информационно-логического анализа экс периментальных данных для случаев с межвитковым и с межфазным замыка ниями позволило установить зависимость текущего состояния двигателя от ам плитуд ряда гармоник спектра напряженности его магнитного поля:

для межвиткового замыкания D = Н3 (Н11 Н5) Н7 Н1 ;

(33) для межфазного замыкания D = Н3 Н5 (Н7 Н9) Н1, (34) где D – уровень дефектности ЭД.

На основании полученных логических зависимостей и предложенного в диссертации способа расчета весовых коэффициентов гармоник спектра напря женности ВМП ЭД можно проводить оценку технического состояния электро двигателей, а также прогнозировать остаточный ресурс.

В свою очередь, выполненный в диссертации анализ способов ремонта элек тродвигателей при наличии или отсутствии на сельскохозяйственном предпри ятии собственной ремонтной базы позволил на основе выражения (25) получить функцию затрат на ремонт ЭД в зависимости от параметров СМО. Так как сум марные убытки от простоя оборудования Упр имеют прямую зависимость от дли тельности ожидания ремонта tож, которая, в свою очередь, связана с количеством линий обслуживания n, появляется возможность выразить убытки от простоя че рез число линий обслуживания. В то же время затраты, связанные с созданием и функционированием ремонтной мастерской, прямо пропорциональны количеству линий n и, как правило, ограничены конкретным объемом денежных средств.

Таким образом, выражение (25) является целевой функцией задачи оптими зации параметров СМО. Ее линейность предопределила использование метода линейного программирования для нахождения оптимального распределения имеющихся в хозяйстве материальных и трудовых ресурсов.

Вместе с тем, показано, что наиболее эффективными для сельскохозяйст венных предприятий являются замкнутые системы массового обслуживания, ко гда выходящие из строя двигатели и система их ремонта тесно связаны между собой. При таком способе интенсивность потока ремонтных заявок зависит от состояния СМО, а сами источники заявок (электродвигатели) являются не внеш ними, а внутренними элементами системы.

Опуская промежуточные преобразования системы уравнений для вероятно стей состояний рассматриваемой системы массового обслуживания при стацио нарном режиме ее работы, запишем окончательное решение k m!

pk p0, (k 0, 1, 2,..., n), (35) k!(m k )!

где рk – вероятность того, что в СМО находится k двигателей и все они об служиваются;

m – общее число электродвигателей, подлежащих обслуживанию;

р0 – вероятность того, что все линии свободны от обслуживания;

– интенсив ность потока отказов ЭД;

– интенсивность потока ремонтов.

В свою очередь, вероятность того, что все линии заняты ремонтом и r элек тродвигателей находятся в очереди определится по формуле nr m!

pn r p0, (r 0, 1, 2,..., m n). (36) r n n!(m n r )!

При этом величина р0 находится из нормировочного условия n mn pk pn 1. (37) r k0 r Тогда среднее число обслуживаемых ЭД k и среднее число двигателей r, ожидающих очереди на обслуживание, определим следующим образом mn n mn n kpk n p n r 1 р0 ;

r rpn r m ( 1)(1 p0 ).