Научное обоснование ускоренных испытаний магнитных пускателей на коммутационную износостойкость

Актуальность темы

Электрические низковольтные коммутационные аппараты управления — магнитные пускатели, контакторы и др., несмотря на большие достижения в области электроники и быстрое развитие бесконтактной коммутационной аппаратуры на базе полупроводниковых элементов, сохраняют свое значение. Это вызвано такими их существенными преимуществами перед бесконтактными коммутационными аппаратами, как полная гальваническая развязка цепей в разомкнутом состоянии, относительно большая коммутируемая мощность на единицу собственного объема, большая устойчивость к токам перегрузки и перенапряжениям, стабильные параметры при широком изменении внешних условий.

Тенденция более широкого применения контактной коммутационной аппаратуры по сравнению с бесконтактными, вероятно, сохранится длительное время [3, 74, 101, 107].

В условиях современной экономики конкурентоспособность предприятий, изготавливающих коммутационную аппаратуру, определяется качеством выпускаемой ими продукции, основным свойством которой является надежность. В связи с тем, что контактные аппараты управления являются массовой продукцией, которая применяется также и на особо ответственных объектах (АЭС, предприятиях с непрерывным технологическим процессом и т. д.), требования к их надежности и качеству постоянно растут.

Важнейшим показателем надежности магнитных пускателей является коммутационная износостойкость [34, 83, 106]. Поэтому для получения информации о надежности магнитных пускателей необходимо проводить испытания на коммутационную износостойкость. Эти испытания являются неотъемлемой частью новых разработок и необходимы для контроля и поддержания уровня технологического процесса производства в соответствии с требованиями международных стандартов серии ИСО 9000. Испытания на коммутационную износостойкость — наиболее трудоемкий вид испытаний. Коммутационная износостойкость магнитных: пускателейсоставляет от десятков тысяч до нескольких миллионов циклов включения/отключения, что обуславливает большую продолжительность испытаний, исчисляемую месяцами и годами. За такие промежутки времени появляются новые технические решения, вводится в строй обновленное технологическое оборудование, что делает результаты испытаний запаздывающими ичастично обесцененными. В то же время затраты материальных ресурсов и энергоресурсов на проведение таких испытаний весьма существенны. Также следует отметить, что специальные испытания контакторов, пускателей на коммутационную износостойкость носят разрушительный характер, поэтому контроль износостойкости возможен только выборочным методом с малой численностью выборки. Следовательно, поиск новых способов получения объективной информации при обоснованном ускорении в условиях малой выборки является актуальной проблемой.

В течение последних 30−40 лет введутся активные исследовательские работы, в которых разрабатываются методы прогнозирования надежности на основе ускоренных испытаний [10, 13, 23, 41, 46, 65, 80, 85, 109, 111−113]. Достижения в области электроаппаратостроения, математики и компьютерных технологий стимулируют создание новых методов ускоренной оценки работоспособности магнитных пускателей на коммутационную износостойкость.

Целью диссертационной работы являются: разработка методики ускоренных испытаний на коммутационную износостойкость и ее научное обоснование в условиях малой выборки приемами непараметрической статистикиэкспериментальное апробирование методики на различных партиях изделийнаучное обоснование стандартизируемого плана контроля при специальных испытаниях на коммутационную износостойкость;

Достижение поставленной цели потребовало постановки и решения задач как технического, так и теоретического плана, основными из которых являются: получение оценок стандартизируемого плана контроля пускателейанализ методики испытаний на коммутационную износостойкость пускателей промышленного производстваанализ вероятностных моделей для оценки надежности контактов магнитных пускателей при испытаниях на коммутационную износостойкостьвыбор характерного параметра, определяющего техническое состояние контактов магнитных пускателей, по которому целесообразно осуществлять прогнозирование показателей надежностиразработка математической модели, описывающей изменения во времени характерного параметра, и проверка правильности выбора модели по результатам предварительных испытанийанализ методов расчета точечных и интервальных оценок прогнозируемых показателей надежностианализ ускоренных методов испытанийоценка точности и достоверности ускоренных испытаний и учет ошибок измерений.

Объектом исследования являются магнитные пускатели различных серий.

Предметом исследования является процесс деградации контактной системы магнитных пускателей в ходе выполнения коммутационных циклов.

Методология исследования. Теоретической и методологической базой диссертационного исследования являются теория электрических коммутационных аппаратов (раздел электрические контакты), теория вероятностей и математическая статистика, элементы теории случайных процессов и теории надежности, системы управления качеством. При решении задач использованы современные программные средства.

Диссертационная работа опирается на исследования коллективов ведущих научно-исследовательских институтов и организаций: Московского энергетического института (МЭИ), Федерального государственного образовательного учреждения высшего и профессионального образования «Чувашский государственный университет им. И. Н. Ульянова» (ЧТУ), ОАО «Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт релестроения с опытным производством» (ОАО «ВНИИР»), а также на труды ведущих ученых И. Е. Дулина, Р. С. Кузнецова, 3. В. Тевлина, В. А. Яковлева, И. С. Таева, Ю. К. Розанова, Г. С. Белкина, В. Н. Шоффы, М. Г. Кобленца, Е. Г. Егорова, В. С. Генина и др.

Достоверность, результатов подтверждается представленным объемом статистического материла, соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований, результатами расчета, положительными результатами внедрения разработанной методики ускоренных испытаний.

Научная новизна настоящей работы заключается в: разработке в рамках непараметрической статистики методики прогнозирования надежности контактов магнитных пускателей на основе результатов сокращенных испытаний на коммутационную износостойкость. проведении серии экспериментов коммутации электрических цепей и получении экспериментальных данныхиспользовании приемов непараметрической статистики для анализа результатов промышленных нормальных испытаний на коммутационную износостойкость, что позволило улучшить достоверность прогноза в условиях малой выборкиполучении необходимых оценок стандартного плана контроля, позволяющих аргументировано решать вопросы арбитражных ситуаций.

На защиту выносятся: характеристики стандартизируемого плана контроля специальных испытаний на коммутационную износостойкостьвероятностно-статистическая модель случайного процесса износа контактной системы магнитных пускателей, разработанная по результатам нормальных испытаний на коммутационную износостойкостьметоды прогнозирования, которые могут быть применены для оценки работоспособности аппарата по результатам сокращенных испытанийметодика ускоренных испытаний на, коммутационную износостойкость на основе непараметрического прогнозирования технического состояния контактов, использующая информацию, полученную в ходе сокращенных испытаний.

Практическая ценность работы. Разработанная методика ускоренных испытаний на коммутационную износостойкость позволяет за более короткий срок дать оценку технического состояния и надежности контактов магнитных пускателей в пределах установленного стандартами ресурса, что ведет к снижению затрат на проведение таких испытаний. Результаты исследования дают основания для корректировки самих планов испытаний с целью получения более достоверного прогноза.

Кроме того, по экспериментальным данным (линейной деградации контактов), полученным в процессе коммутации и измеренным при различной наработке в условиях без разборки конструкции аппарата, выполнен пересчет в деградацию по объему в функции числа циклов. Это позволяет определить важные эрозионные характеристики контактов.

Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались на:

— научных семинарах кафедры «Электрические и электронные аппараты» ЧТУ;

— научно-технических семинарах ОАО «ВНИИР»;

— конференции, посвященной 40-летию ОАО «ВНИИР» «Релейная защита, низковольтная аппаратура управления, регулируемый привод», Чебоксары, 2001 г.- международной конференции «Электрические контакты и электроды», Киев, 2001 г.;

— Поволжской научно-практической конференции «Электротехника и энергетика Поволжья на рубеже тысячелетий», Чебоксары, 2001 г.-'.

— международной конференции «Электрические контакты», Санкт-Петербург, 2002 г.;

— IV Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике», Чебоксары, 2002 г.;

— конференциях молодых ученых и аспирантов ЧТУ.

Внедрение. Разработанная методика ускоренных испытаний магнитных пускателей на коммутационную износостойкость внедрена в практике оценочных испытаний в ОАО «ВНИИР».

Отдельные результаты работы используются в учебном процессе кафедры «Электрические и электронные аппараты» ЧТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 154 страницах машинописного текста (в компьютерной верстке) и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (117 наименований в алфавитном порядке), приложений.

Выводы по четвертой главе:

1) для получения реальной оценки функции надежности по: а) методике, изложенной в [87], требуется оценка начала зоны интенсивного старения или параметрический отказб) методике, основанной на знании параметров законов распределения исследуемого параметра в различных сечениях, требуется довольно большой объем выборки, что выходит за пределы стандартов испытаний магнитных пускателей на коммутационную износостойкость;

2) одним из методов непараметрической экстраполяции является экспоненциальное сглаживание, при котором выполняется выравнивание данных одномерного динамического массива на основе аддитивной модели временного ряда. Однако по этому методу требуется строгая периодичность замеров провала;

3) методика прогнозирования, основанная на непараметрическом сглаживании (лагах), по результатам сокращенных испытаний магнитных пускателей на различных партиях обнаруживает возможность построения достоверного прогноза технического состояния контактов до ресурса, установленного НТД;

4) опытная проверка рекомендуемой методики ускоренных испытаний на коммутационную износостойкость на основе непараметрического прогнозирования технического состояния контактов, показала целесообразность ее применения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По результатам проведенного исследования можно сформулировать следующие итоги и выводы.

1. Для получения информации о надежности магнитных пускателей проводятся испытания на коммутационную износостойкость.

2. В связи со значительной стоимостью и длительностью проведения необходимо ускорять эти испытания.

3. Испытания на коммутационную износостойкость промышленных образцов пускателей необходимо проводить в нормальных режимах в соответствии с требованиями стандартовпри этом не допускается разборка и сборка испытуемых образцов.

4. Специальные испытания контакторов, пускателей на коммутационную износостойкость носят разрушительный характер, поэтому контроль износостойкости возможен только выборочным методом с малой численностью выборки.

5. Получены необходимые оценки стандартного плана контроля, позволяющие аргументировано решать вопросы арбитражных ситуаций.

6. Условия малой выборки не позволяют применять стандартные методы параметрической статистики. В связи с этим в работе обоснована целесообразность применения методов и приемов непараметрической статистики.

7. Разработаны технические средства для проведения испытаний магнитных пускателей на коммутационную износостойкость.

8. Проведены нормальные испытания до отказа всех изделий в выборке и получены экспериментальные данные, посредством измерений в условиях без разборки конструкции аппарата.

9. Установлена модель случайного процесса деградации контактной системы магнитных пускателей на основе полученных экспериментальных данных при нормальных испытаниях на коммутационную износостойкость до отказа всех изделий.

10. Экспериментальные данные подвергнуты анализу с использованием вероятностно-статистических методов (включая теорию случайных процессов), что позволило получить оценку функции безотказной работы, провести пересчет линейной деградации в деградацию по объему, а также найти расчетную оценку средней наработки до отказа пускателей испытуемой серииопределить важные эрозионные характеристики контатков.

11. В тех случаях, когда методы расчетов по существу основываются на нормальности распределения, данная гипотеза проверяется через промежуточный этап (метод прямоугольных вкладов, позволяющий развернуть информацию, содержащуюся в малой выборке).

12. Выявлены границы применимости методов прогнозирования, которые могут быть использованы для оценки работоспособности аппарата по результатам сокращенных испытаний.

13. Разработана методика ускоренных испытаний на коммутационную износостойкость на основе непараметрического прогнозирования технического состояния контактов, использующая информацию, полученную в ходе сокращенных испытаний.

14. Проведена опытная проверка рекомендуемой методики ускоренных испытаний.

15. Разработанная методика ускоренных испытаний магнитных пускателей на коммутационную износостойкость внедрена в практике оценочных испытаний в ОАО «ВНИИР». Отдельные результаты работы используются в учебном процессе кафедры «Электрические и электронные аппараты» ФГОУ ВПО «Чувашский государственный университет им. И. Н. Ульянова».