Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Актуальные вопросы использования матема тического моделирования для определения выходов из строя электрооборудования в агропромышленном комплексе 9
1.1 Теоретические и общетехнические предпосылки математического моделирования для определения дефектов электрооборудования на предприятиях агропромышленного комплекса 9
1.2 Оценка надежности как один из наиболее прогрессивных и ресурсосберегающих методов определения степени износа и ремонтопригодности ЭД 15
1.3 Цели и задачи исследования 30
ГЛАВА 2 Теоретические аспекты прогнозирования временных рядов 32
2.1 Методы оценки параметров функций распределения 33
2.2 Использование аппроксимации на основе универсальных семейств распределений для создания модели прогнозирования остаточного ресурса ЭД 49
2.3 Метод анализа сингулярного спектра для определения сопротивления изоляции ЭД 62
2.4 Выводы к главе 2 69
ГЛАВА 3 Анализ результатов экспериментального исследования на основе математической модели прогнозирования эксплуатационной надежности ЭД 71
3.1 Разработка вероятностной модели остаточного ресурса ЭД 71
3.2 Проверка разработанной модели на адекватность 82
3.3 Опытно-экспериментальные исследования ЭД мощностью от 2,2 до 7,5 кВт 88
3.4 Пример расчета сопротивления изоляции ЭД посредством разработанной з математической модели
3.5 Аналитическое прогнозирование использования метода АСС при прогнозировании сопротивления изоляции ЭД 93
3.6 Аппроксимация по Джонсону и Пирсону как результат выбора временного ряда при расчете модели прогнозирования остаточного ресурса ЭД... 98
3.7 Выводы к главе 3 100
ГЛАВА 4 Результаты использования и внедрения разра ботанной методики 101
4.1 Результаты применения методики прогнозирования надежности ЭД на основе вероятностной модели его технического состояния 101
4.2 Результаты оценки экономической эффективности применения методики прогнозирования надежности ЭД на основе вероятностной модели его технического состояния 109
4.3 Выводы к главе 4 116
Основные выводы и результаты исследований 117
Список использованных источников
- Оценка надежности как один из наиболее прогрессивных и ресурсосберегающих методов определения степени износа и ремонтопригодности ЭД
- Использование аппроксимации на основе универсальных семейств распределений для создания модели прогнозирования остаточного ресурса ЭД
- Пример расчета сопротивления изоляции ЭД посредством разработанной з математической модели
- Результаты оценки экономической эффективности применения методики прогнозирования надежности ЭД на основе вероятностной модели его технического состояния
Оценка надежности как один из наиболее прогрессивных и ресурсосберегающих методов определения степени износа и ремонтопригодности ЭД
Внешняя окружающая среда часто оказывает неблагоприятное воздействие на техническое состояние и работу ЭО. Отрицательное влияние химической и биологической среды, запылённости, перепадов температур и вредных излучений имеет место и на промышленных предприятиях, но ЭО, эксплуатируемое в АПК, находится под одномоментным воздействием всех этих отрицательных факторов. По результатам исследований, проведенных у нас в стране и за рубежом, обеспечение высокой эксплуатационной надёжности ЭД становится возможным не только при создании благоприятных условий их эксплуатации, но и при использовании эффективных методов диагностики. Большую роль в использовании этих методов играет наличие современных средств измерения и контроля технического состояния двигателя, как в периоды его эксплуатации, так и в периоды хранения [42].
На эксплуатационную надежность работы ЭО влияют также такие факторы, как сезонность и режим работы. Например, использование ЭО в области расте 17
ниеводетва осуществляется в два периода, практически равных по времени (первый - с марта по май, второй - с августа по сентябрь). В отдельные годы возникает неизбежное варьирование этих периодов в достаточно небольших временных рамках [36, 43-46].
В животноводстве сезонно эксплуатируемое ЭО можно подразделить на оборудование для кормоприготовления, обслуживание свинокомплексов и комплексов для крупнорогатого скота (включающего в себя помещения для выращивания молодняка отдельно от дойного стада).
Электроэнергия интенсивно используется также в электромашинном доении коров для [47-54]: питания электромагнитных пульсаторов, привода вакуум-насосов, циркуляционных насосов, молочных насосов, танков-охладителей молока и других приборов и систем управления процессом доения. Вакуум-насосы, например, типа РРН - 40/350, УВН - 45, 40/130 с ЭД мощностью 3 кВт применяются для создания вакуума в доильных установках [49-56].
Однако, ЭО, эксплуатируемое в животноводстве, в течение всего года загружено неравномерно. График использования сезонного оборудования, усредненный по районам, представлен на рисунке 1.2. 11 12 і, месяц
График использования сезонного оборудования, усредненный для районов Алтайского края Из рисунка видно, что потребление электроэнергии в осенне-зимнем периоде выше, нежели в летнем периоде, так как в летний период активно задействуют-ся летние доильные площадки. Поскольку стационарные животноводческие комплексы находятся на консервации, потребление электроэнергии в данный период не столь велико. В период межсезонья (май и октябрь) эксплуатация ЭО наиболее интенсивна, так как используются как стационарные, так и летние комплексы (май - перевод животных на выпас, а октябрь - на стойловое содержание).
В настоящее время известно и широко применяется достаточно большое количество способов, позволяющих повысить надежность ЭО [8,57-64] или определить их возможный выход из строя: использование защитных устройств, контроль режимов работы и качества напряжения, установка оборудования в приспособленных помещениях или под навесом, профилактика оборудования. Согласно результатам, полученным во время проведения исследования, при осуществлении диагностики и необходимости проведения предупредительного ремонта, наиболее рационально использование метода математического моделирования данного процесса как наиболее экономичного.
В ходе исследования был произведён сбор и анализ статистических данных среднего числа работы ЭД в АПК. В ходе работы определены наиболее существенные убытки, которые претерпевают хозяйства вследствие особенностей технологического процесса и простоя ЭО. Для построения приведенных ниже диаграмм использованы данные ряда сельскохозяйственных предприятий Алтайского края, таких как: АКГУП «Центральный», Ащегульское коллективное сельхозпредприятие, ООО «КФХ «Стиль», КХ «Рубин», КХ «Труд», ОАО «Великий Октябрь», ОАО «Зеленый клин», 000 Племпредприятие «Барнаульское», совхоз «Санниковский», 000 совхоз «Пригородное», СПК «Гавриловский», СПК «Знамя Родины», 000 «Сибирь-Агро», СПК им. Мамонтова, СПК «Нива», СПК «Николаевский», СПК «Поспелихин-ский». В таблице 1.2 представлены данные о сроках службы ЭД, которые согласуются с результатами опросных листов (в Московской, Ленинградской, Челябинской, Новосибирской и Волгоградской областях) [60].
Из таблицы можно сделать вывод: ЭД, используемые на кормораздаче и уборке навоза, имеют наименьшее количество часов работы, что непосредственно связано с условиями эксплуатации.
Помимо этого на основе статистики выходов из строя ЭД построена линейчатая диаграмма, изображенная на рисунке 1.3 [61]. Горизонтальные столбцы отображают среднестатистический ресурс ЭД (математические ожидания) по технологическим процессам и отраслям сельского хозяйства. Условная плоскость является расчетным ресурсом, составляющий, согласно нормам амортизационных отчислений, не менее 8 лет. Наименование технологического процесса
Как показывают статистические данные, полученные в результате исследования, в сельском хозяйстве ЭД надежно работает лишь 2-2,5 года, поскольку эксплуатация происходит в помещениях с агрессивной средой. Действительный срок службы изоляции составляет от 2 до 5 лет (после ремонта он сокращается до 0,5-1,5 лет) [51, 58, 59, 66-71]. С экономической точки зрения наибольшие потери приносит вынужденный останов производственного процесса из-за неисправности ЭД, а не его ремонт и связанные с ним затраты [63, 65]. Это касается практически всех хозяйств и малых предприятий, производящих и перерабатывающих сельхозпродукцию.
Использование аппроксимации на основе универсальных семейств распределений для создания модели прогнозирования остаточного ресурса ЭД
Для решения выше указанных целей будет разработана математическая модель на основе вероятностных факторов, которая позволяет прогнозировать время работы ЭД до его отправки в ремонт. Положения и теоретические аспекты прогнозирования временных рядов, необходимых для разработки математической модели, изложены в главе 2. Под временными рядами в исследовании понимается собранный в разные моменты времени статистический материал о значении каких-либо параметров исследуемого процесса. В данном случае - определение внешних факторов, оказывающих влияние на изоляцию ЭД, а, следовательно, и на его эксплуатационную надежность.
На основе изучения положительных и отрицательных сторон традиционных методов диагностики состояния изоляции ЭД исследование ставит своей целью доказать, что в основу предложенного метода математического моделирования заложено стремление создать наилучшие условия для его применения, интенсифицировать процесс ввода ЭО в эксплуатацию и снизить финансовые затраты.
При осуществлении поставленной задачи изучены также теоретические предпосылки прогнозирования предполагаемых результатов и временных рядов.
Все состояния погоды (в частности, метеорологические характеристики) подвержены значительным колебаниям во времени и обусловлены процессами, протекающими в атмосфере. Они имеют природную (климатическую) вероятность осуществления. Статистический анализ допускает использование ряда различных подходов, способов и методов математической статистики для моделирования такого рода величин [88-89]. При этом для полной статистической достоверности рассчитываются не только основные параметры (среднее, среднее квадратичное, мода, медиана, показатели асимметрии), но и определяется функция распределения вероятностей, например, функция распределения F(t) по методам Пирсона и Джонсона соответственно, отражающая влияние температуры на состояние изоляции. К. Пирсон и Н. Джонсон, известные ученые в области математической статистики, большая часть работ которых посвящена вопросам обработки данных и планирования эксперимента. В частности, большое внимание ими было уделено распределениям, то есть законам, описывающим область значений случайных величин и вероятности их принятия.
В исследовании используются вышеуказанные методы потому, что в большинстве случаев они содержат в себе всю возможную, исчерпывающую информацию о свойствах систем, способных достаточно достоверно определить, например, процесс старения изоляции, а значит прогнозировать время выхода ЭД из строя. Вероятностные факторы, влияющие на работу двигателя и описанные в главе 1, можно представить в виде распределений числовых случайных величин и таким образом определить их посредством функций распределения. Следовательно, представляется необходимым определить эти функции. После определения функций распределения случайной величины возникает следующая задача: оценка параметров, которыми определяются эти распределения. Данная задача относится к классическим задачам математической статистики, решаемым с помощью различных методов оценок неизвестных параметров. Принцип их использования, достоинства и недостатки всесторонне проанализированы для того, чтобы выбрать наилучший из них для дальнейшего применения.
Решение сформулированных задач требует обоснования и соответствующих математических выкладок. Создано теоретическое обоснование, без которого определение функции распределения вероятных величин не представляется возможным. Данным вопросам и посвящена вторая глава.
В настоящее время используется большое количество методов оценки параметров функции распределения, таких как [90-93, 97-101]: - метод максимального правдоподобия (ММП); - метод Уиттла асимптотический МП (АМП); - метод Квази - АМП; - метод минимума меры близости (ММБ-оценивание); - ММБНК, обобщенный нелинейный корреляционный; - оценивание по методу числовых характеристик (ЧХ); - спектральный метод; - оценивание по методу значений характеристик (ЗХ): корреляционный; - метод смешанного оценивания корреляционно-спектральных характеристик (КСХ). Данные методы (накладываемые условия, формула для их оценки, а также асимптотическая корреляционная матрица оценок) объединены в процессе исследования в 7 таблиц, достаточно достоверно демонстрирующих их достоинства и недостатки [90-101]. На основе этих таблиц в исследовании составлена единая таблица 2.1, как наиболее пригодная для выбора подходящего метода дальнейшей оценки степени изношенности изоляции и остаточного ресурса ЭД.
Пример расчета сопротивления изоляции ЭД посредством разработанной з математической модели
Математический аппарат методов, необходимых для создания вероятностной математической модели технического состояния ЭД, уже были проанализированы и приведены во второй главе. Помимо этого, рассмотрены методы оценки параметров функций распределения случайных величин: температуры, влажности, теплопроводности, режимов работы ЭД, долговечности, тока ЭД. Кроме того, выбран метод смешанного оценивания корреляционно-спектральных характеристик для определения данных, которые необходимы при аппроксимировании по методам Пирсона и Джонсона. При моделировании временных рядов применен метод анализа сингулярного спектра.
Поскольку описанные характеристики изменяются во времени и носят случайный характер, представляя собой временные ряды случайных чисел, основной задачей являлся выбор метода их прогнозирования с минимальной потерей достоверности полученных данных.
Аппроксимативные методы позволили найти подходящие аналитические выражения с неизвестными параметрами. Эти параметры полностью удовлетворяют поставленным задачам и описывают найденные экспериментальные результаты. Так как значительная часть электрооборудования находится и эксплуатируется на открытом воздухе, оно, соответственно, испытывает воздействие внешних факторов - метеорологических характеристик (глава 1). Для таких характеристик как температура окружающей среды и влажность воздуха - в различных районах Алтайского края (конкретно для предприятий ООО Племпредприятие «Барнаульское», 000 «Сибирь-Агро», 000 АПГ «Алтайские закрома») получены статистические модели распределения. В качестве функций аппроксимации семейство распределений Пирсона использовалось следующим образом для распределения температуры и влажности - бета-распределение.
Все эти характеристики имеют решение с помощью аппроксимации семейства распределений Бв-Джонсона. В качестве одной из баз данных в программное обеспечение заложены полученные результаты.
На сопротивление изоляции ЭД оказывают влияние нагрузка и режим его работы. В связи с тем, что они зависят от времени, т.е. имеют явный характер временного ряда, наилучшим методом для прогнозирования является метод АСС, который был достаточно подробно рассмотрен в главе 2.
Суть алгоритма ПО заключается в следующем: используя исходные данные (тип ЭД, характер работы ЭД, наименование технологического процесса, температура (), влажность ( р), концентрация агрессивного агента (С), тип среды, сопротивление изоляции (R20), норма вероятности, постоянная времени нагрева (Тн)) производится отслеживание и прогноз остаточного ресурса ЭД. Норма вероятности - это априорно заданная вероятность выхода ЭД из строя, которая может быть изменена в зависимости от степени ответственности ЭД в технологическом процессе.
Типы ЭД, эксплуатируемые на предприятиях АПК, и причины выхода их из строя приведены в приложении Г. Они заложены в программном обеспечении в качестве одной из баз данных. В случае если в базе данных нет каких-либо типов ЭД, пользователь может их внести и сохранить.
Аналогично типу ЭД указываются данные о наименовании технологического процесса. Климатические факторы (температура, влажность, примеси в воздухе) замерялись универсальными газоанализаторами упрощенного типа DT-321S. Регистрация показаний сопротивления изоляции при проведении исследований осуществлялась с помощью мегаомметра ЭС0202/2Г.
В качестве нормы вероятности рассматривалась вероятность выхода ЭД из строя, заданная априорно, которая может быть изменена в зависимости от степени занятости ЭД в технологическом процессе.
Приведенные выше параметры не являются обязательными и вводятся для обобщения результатов статистики. Они тем самым облегчают задачу поиска и получение общей картины состояния ЭД.
В основу модели положены сопротивления, полученные в зависимости от показаний агрессивности среды (влажности, температуры), а также с учетом изменения параметров от времени и аналитических зависимостей. Общая функциональная зависимость (3.1): была получена следующим образом:
Для получения частного вида модели (3.1) на основании вышеописанной цепочки зависимостей произведен ряд необходимых подстановок. Согласно О.Д. Гольдбергу, суть данной модели состоит в том, что сопротивление изоляции ЭД R (3.2) зависит от величины первоначального сопротивления Ro, измеренного при эксплуатационной температуре ижспл 5 времени t и срока службы ЭД Тсл [6]:
Гольдберг полагал, что вышеуказанная зависимость имеет строго детерминированный характер. В основу данного исследования положен тот факт, что все входящие величины носят вероятностный характер.
В свою очередь, параметр R0 вычисляется следующим образом по (3.3): где а - температурный коэффициент сопротивления, 1/С [119]; R20 - начальное сопротивление изоляции ЭД, замеренное непосредственно перед вводом в эксплуатацию ЭД при температуре 20С; 6Экст - эксплуатационная температура. Температурный коэффициент сопротивления содержится в программном обеспечении. в0 Эксплуатационная температура экст определяется в соответствии с режи мом работы ЭД [120] по (3.4): экспл о.с. у где ио.с. - температура окружающей среды; ту - установившееся превышение температуры.
Результаты оценки экономической эффективности применения методики прогнозирования надежности ЭД на основе вероятностной модели его технического состояния
Расчет экономической эффективности разработанной модели и методики ее применения основан на данных, полученных в процессе изучения следующих ремонтных мероприятий:
1) Текущий ремонт, применяемый для двигателей, находящихся в эксплуатации или в резерве, в сроки, установленные графиком ППР. Данный вид ремонта производится при полностью остановленном и выключенном ЭД на месте его установки силами обслуживающего электротехнического персонала.
Установлено, что в процессе ремонта выполняются следующие работы: чистка наружных поверхностей машины; проверка состояния подшипников качения, их промывка и замена (в случае увеличенных радиальных зазоров); проверка работы смазочных колец и системы принудительной смазки в подшипниках скольжения; осмотр и чистка вентиляционных каналов, обмоток статора и ротора, коллекторов и контактных колец; проверка состояния крепления лобовых частей обмоток и бандажей; устранение местных повреждений изоляции и дефектов, выявленных при осмотре; сушка обмоток и покрытие их при необходимости эмалями; шлифовка контактных колец и коллекторов; проверка и регулировка щеточного механизма и систем защиты; сборка машины, проверка ее работы на холостом ходу и под нагрузкой; проведение приемосдаточных испытаний и сдача в эксплуатацию с соответствующей отметкой в технической документации. 2) Капитальный ремонт двигателей. Применяется для двигателей, находящихся в эксплуатации, в сроки, установленные графиком ППР или по результатам профилактических (послеосмотровых) испытаний. Назначение капитального ремонта восстановление работоспособности и полного восстановления ресурса ЭД. В данном случае происходит восстановление или замена всех изношенных или поврежденных узлов и замена обмоток. Типовой объем капитального ремонта включает в себя: операции текущего ремонта; проверку воздушного зазора между статором и ротором (если конструкция машины позволяет это осуществить); проверку осевого разбега ротора и зазоров между шейкой вала и вкладышем подшипника скольжения (при необходимости проводится перезаливка вкладыша); полную разборку машины и мойку всех механических узлов и деталей, продувку и чистку коллектора, контактных колец, щеточного механизма и неповрежденных изоляционных деталей, дефекта-цию узлов и деталей; ремонт корпуса, подшипниковых щитов, магнитопроводов (заварка трещин, восстановление резьбовых отверстий, восстановление посадочных мест в корпусе и щитах, удаление замыканий между отдельными листами сердечников статора и ротора, устранение рас-пушения листов, восстановление прессовки, ремонт выгоревших участков с установлением протезов); ремонт вала (исправление торцевых отверстий, устранение прогиба, восстановление посадочных отверстий и шпоночных канавок); извлечение старых обмоток, изготовление и укладка новых обмоток из круглого провода, ремонт или изготовление новых обмоток из прямоугольного провода и их укладка, сборка и пайка (сварка) электрических схем, пропитка и сушка обмоток, нанесение на лобовые части покровных эмалей; сборка и отделка машины, проведение приемосдаточных испытаний. При капитальном ремонте производится замена подшипников качения, выработавших свой ресурс (вне зависимости от их состояния), а также замена обмотки из круглого провода и низковольтных обмоток из прямоугольного провода. Высоковольтные обмотки, выполненные из прямоугольного провода, могут использоваться повторно после замены витковой и корпусной изоляции.
Расчет экономической эффективности предлагаемой методики При расчете экономической эффективности определяется в первую очередь величина денежных средств, которые необходимо затратить для того, чтобы осуществить все ремонтные работы, включая подготовительные. В расходы на ремонтные работы входят также временная стоимость и возможные риски. В случае если денежные затраты превосходят или составляют более 70% признается нерентабельным проведение капитального ремонта и ЭД подлежит списанию.
Чистая дисконтированная стоимость (ЧДД) рассчитывается по формуле: (1 + А) s (4.1) где R(t) результаты, достигаемые на t-ом шаге расчета, руб.; S(t) затраты на t-ом шаге расчета, руб.; Т- горизонт расчета, количество лет; Е норма дисконта, доли единицы.
На основании 4.1 произведен расчет экономической эффективности разработанной методики, представленный в таблице 4.3. Расчеты произведены для двух предприятий, на которых было осуществлено внедрение.
Расчеты велись по нескольким принципам. В первом случае по статистике, приведенной в главе 1: выход из строя ЭД происходит через 3 года и его отправляют на капитальный ремонт. После ремонта он отрабатывает около 3 лет и собственник вновь делает капитальный ремонт, но через год ЭД списывается окончательно по причине неремонтопригодности. Во втором случае, при использовании данной методики, ЭД примерно через 3 года отправляется на деструкцию с дальнейшей пропиткой и сушкой, поскольку согласно прогнозу может выйти из строя. Затем он эксплуатируется еще несколько лет и, вновь, согласно прогнозу, повторяется процесс пропитки и сушки. В то время как в первом случае двигатель списывается, во втором случае он продолжает работать и отправляется на капитальный ремонт через год.
Таким образом, в первом случае ЭД работает лишь 7 лет, а во втором 8, и с возможностью дальнейшего проведения капитального ремонта.
Рассчитаем ЧДД по формуле (4.1) для первого (затраты на обслуживание ЭД в реальности) и второго случая (затраты на обслуживание ЭД по разработанной методике) [125-129]. После подстановки и преобразований (для одного двигателя) получим: