Надежность контактных колец. Причиной отказов контактных колец является образование на их рабочей поверхности под действием нагрева пятен, состоящих из окислов металла. Это приводит к повышенному износу контактных колец, местному искрению и преждевременному выходу из строя контактного узла, требующего после этого проточки и шлифовки колец.

Важным показателем работы контактного узла является перегрев контактных колец, допустимый уровень которого зависит от материала колец. Так, при выполнении контактных колец из медь-серебра и стали 1X18H9T их перегрев ограничивается температурой 180 °С, при повышении которой кольца подвергаются окислению. При использовании медь-кадмия, меди М1 и БрАЖ-МЦ или латуни их перегрев не должен превышать 130, 100 и 80 °С из-за склонности к эрозии, окислению и полярного эффекта (величина переходного напряжения на отрицательном кольце в 5 раз больше, чем на положительном).

При нормальном состоянии поверхности контактных колец и номинальном давлении на щетку заметного искрения в переходном контакте не наблюдается. Искрение возникает при нарушении крепления щеток, значительной выработке подшипников, приводящей к эксцентрическому вращению колец, неудовлетворительном нажатии щеток, загрязнении контакта и др. В этих случаях искрение более одного балла может быть принято как критерий отказа контактного узла.

Температура контактных колец также является критерием отказа. Повышение температуры сверх допустимых значений свидетельствует об отказе контактного узла. Измерение температуры осуществляется обычно потенциометрическим способом.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Целесообразно также за критерий работоспособности токосъема контактных колец взять суммарную площадь окислов, появляющихся на контактных кольцах как плюсовой, так и минусовой полярностей. Этот критерий наилучшим образом оценивает физико-химические явления в переходном контакте. Методы измерения площади пятен окислов несложны и не нуждаются в специальном пояснении.

6.2. Примеры расчета надежности узлов синхронных машин большой мощности

Расчет надежности подшипников качения и подшипников скольжения подробно рассматривается в гл. 8. Закон распределения отказов обмотки ротора в первом приближении можно считать экспоненциальным (более сложные модели надежности рассматриваться не будут). Распределение отказов контактных колец подчиняется нормальному закону, поэтому надежность контактных колец рассчитывается по известным значениям σk и Тср k. Закон распределения отказов щеток также нормальный, поэтому расчет надежности щеточного аппарата аналогичен расчету щеточного аппарата машин постоянного тока, изложенному в § 5.4. Следует отметить, что надежность контактных колец значительно выше надежности щеток, что при предварительных расчетах на надежность позволяет делать соответствующие допущения.

Расчет надежности изоляции стержневой обмотки статора осуществляется на основе закона Вант-Гоффа – Аррениуса:

                                               (6.1)

где Т0 – средний (условный) срок службы изоляции, ч; И – средне-годовая температура изоляции, К; В=0,99·104 К, для микалентной изоляции G=14,33.

Коэффициент запаса электрической прочности изоляции

,  (6.2)

где U0 – пробивное напряжение изоляции стержня в исходном состоянии, В; Uном – номинальное напряжение, В.

Коэффициент определяет свойства изоляции стержней непосредственно после их изготовления и может быть найден экспериментально. В процессе транспортировки  и укладки стержней в пазы прочность изоляции несколько снижается (рис. 6.1). Фактический коэффициент запаса электрической прочности определяется

,  (6.3)

Рис. 6.1. Интегральные функции распределения пробивного напряжения стержней 6кВ:

1 – до укладки в пазы;

2 – после укладки в пазы

где б0 = 0,20,25 – коэффициент, учитывающий снижение прочности изоляции; K – кратность возможных перенапряжений; =79.

Обычно k0 = 36.

Изменение электрической прочности во времени может быть выражено уравнением

,                                                (6.4)

где kt – значение коэффициента запаса прочности изоляции как функция времени t.

Пробой наступает  при kt = 1, когда пробивное напряжение стержня становится равным KUном. Для этого момента времени (t = Tср)

  (6.5)

и наработка до отказа

Tср=  T0=.  (6.6)

Соответствующее значение интенсивности отказов

.  (6.7)

То же для любого момента времени:

.  (6.8)

Вероятность безотказной работы стержня

               Pст(t) = P(K)

где Р(K) – вероятность того, что перенапряжения не превысят расчетной кратности K;

;  (6.10)

  (6.11)

Вероятность безотказной работы обмотки в целом

  (6.12)

где z1 – число пазов статора.

Изложенная методика не только позволяет ориентировать расчеты вероятности отказов, вызванных износов, но и может быть использована для сравнительных расчетов. Старение изоляционных материалов под воздействием вибрации можно учесть путем введения в (6.4) коэффициента

где c2 – среднее число циклов колебаний в единицу времени; c1 – коэффициент, зависящий от амплитуды колебаний. Однако введение коэффициента k1 затрудняет аналитическое решение задачи.

Пример 1. Определить надежность обмотки с микалентной изоляцией статора турбогенератора Т2-12-2 по следующим данным: коэффициент запаса прочности изоляции стержня k0 = 4,5; среднегодовая температура изоляции Θ = 60 °С или 333 К; число пазов статора z1 = 48; расчетное время эксплуатации 20 лет.

По (6.11) имеем

По (6.11)

и по (6.10)

Полагая Р(К)=1, получаем по уравнению (6.9)

При расчете надежности механически нагруженных деталей исходят из того, что механические напряжения, возникающие в материале от внешних нагрузок, и допустимые напряжения являются случайными величинами. Они имеют те или иные отклонения от средних значений и подчиняются нормальному распределению.

Если S1 – механическое напряжение от внешней нагрузки, S2 – допустимое напряжении е, то отказ детали наступает, когда

S1 > S1; S = S2 – S1 < 0,  (6.13)

Или, иначе, средний коэффициент запаса прочности детали

k = S2 / S1 < 1.  (6.14)

Так как величины S1 и S2 независимы, то величина S также имеет нормальное распределение

,  (6.15)

где уS = у1 и у2 – среднеквадратическое отклонения величин механических напряжений в деталях S1 и S2 соответственно.

Вероятность безотказной работы статистически нагружено детали машины

P (S > 0) = ,  (6.16)

Обозначая , получаем

P (S > 0) = 0,5 + ,  (6.17)

где Ф1 – нормированная функция Лапласа, определяемая по таблице Приложения 2.

В реальных условиях величины S2 и σs являются функциями времени, причем S2 обычно имеет тенденцию к уменьшению вследствие структурных изменений в материале, усталости, коррозии и других явлений, в то время как σs имеет тенденцию к увеличению. Нагрузки часто также не остаются постоянными. Соответственно и вероятность безотказной работы становится в этих условиях функцией времени.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4