Прогнозирование эксплуатационной надёжности электрических машин переменного тока в алмазодобывающей промышленности
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………….. 4
1. АНАЛИЗ НАДЁЖНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН В
АЛМАЗОДОБЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ…………………. 10
1.1. Проблема надёжности электрических машин…………………… 10
1.2. Отказы электрических машин в алмазодобывающей
промышленности………………………………………………………… 13
1.3. Основные положения технической диагностики………………… 17
1.4. Диагностика электрических машин в алмазодобывающей
промышленности…………………………………………………………. 21
1.5. Система технического обслуживания и ремонта электрических
машин……………………………………………………………………… 25
1.6. Постановка задач исследования………………………………….. 28
2. АНАЛИЗ ВЫЖИВАЕМОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В АЛМАЗОДОБЫВАЮЩЕЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ…………………………………………………. 30
2.1. Массив исходных данных по эксплуатационной надёжности
электрических машин переменного тока алмазодобывающего
комплекса………………………………………………………………….. 30
2.2. Алгоритм анализа выживаемости электрических машин
переменного тока в алмазодобывающей промышленности…………… 34
2.3. Анализ выживаемости электрических машин переменного тока
в алмазодобывающей промышленности……………………………….. 35
2.4. Выводы……………………………………………………………… 41
3. СИСТЕМАТИЗИРОВАНИЕ ЗАДАЧИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЁЖНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
МАШИН В АЛМАЗОДОБЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ…… 42
3.1. Обоснование выбора системного подхода для обеспечения
эксплуатационной надёжности электрических машин в
алмазодобывающей промышленности…………………………………. 42
3.2. Разработка дерева целей для задачи обеспечения
эксплуатационной надёжности электрических машин режущего
органа проходческого комбайна АМ-75………………………………… 47
3.3. Выводы……………………………………………………………… 55
4. ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ВЕНТИЛЬНО-
ИНДУКТОРНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ДЛЯ ШАХТНОГО ГОРНОРУДНОГО
ПРОИЗВОДСТВА………………………………………………………… 57
4.1. Основные характеристики вентильного и вентильно-
индукторного электродвигателей…………………………………….. 57
4.2. Построение деревьев отказа асинхронного, вентильного и
вентильно-индукторного электродвигателей……………………………
4.3. Расчет интенсивности отказов……………………………………. 61
4.4. Выводы……………………………………………………………… 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………… 75
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ……………………….. 77
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ……………………… 78
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………… 81
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Статистические данные по наработке
электрических машин эксплуатируемых в алмазодобывающем
комплексе АК “АЛРОСА”. ……………………………………………… 93
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Экспертные оценки согласно дереву целей
обеспечения эксплуатационной надёжности ЭМ режущего органа
проходческого комбайна АМ-75………………………………………… 120
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Акты внедрения……………………………………. 122
Актуальность работы. Алмазодобывающая промышленность России в
основном находится в Республике Саха (Якутия), где сосредоточено 88% всех
ресурсов страны. В г. Мирный добыча происходит шахтным методом в двух
подземных рудниках АК «АЛРОСА» в агрессивных природных условиях Крайнего
Севера. Горное оборудование подвергается повышенной запылённости,
влажности, резким перепадам температур, вибрации и другим факторам. Поэтому
возможен внезапный выход из строя электрических машин (ЭМ), являющихся
основой горного оборудования, что способствует невосполнимым экономическим
потерям, ставит под угрозу безопасность персонала и способно привести к
техногенной катастрофе. Юридической основой обеспечения промышленной
безопасности служит Постановление Правительства РФ от 28.03.2001 № 241 О
мерах обеспечения на территории РФ промышленной безопасности опасных
производственных объектов (с изменениями от 1 февраля 2005 г. и 22 апреля 2009
г.). Прогнозирование и обеспечение необходимого уровня эксплуатационной
надёжности ЭМ, а также снижение рисков техногенных катастроф является
первостепенной задачей для алмазодобывающего комплекса и постоянно
нуждается в применении современных решений.
Значительный теоретический и экспериментальный вклад в решение проблем
надёжности ЭМ принадлежит О.Д. Гольдбергу, Э.К. Стрельбицкому,
Ю.П. Похолкову, О.П. Муравлёву, Б.Н. Ванееву, А.А. Пястолову, И.П. Копылову и
другим.
Диссертационная работа направлена на поиск возможностей прогнозирования
отказов ЭМ и оборудования и совершенствования системы технического
обслуживания и ремонта.
Объектом исследования являются ЭМ переменного тока, эксплуатируемые в
условиях горнорудной промышленности.
Предметами исследования являются методы прогнозирования
эксплуатационной надёжности ЭМ.
Цель работы. Обеспечение и прогнозирование эксплуатационной
надёжности ЭМ переменного тока, и совершенствование системы технического
обслуживания и ремонта.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Собрать и проанализировать данные об отказах горного оборудования,
эксплуатируемого в условиях рудников АК «АЛРОСА» методами анализа
выживаемости. Выявить оборудование и узлы ЭМ наиболее подверженных
отказам. Определить критические интервалы времени, при которых вероятность
выхода из строя наиболее велика.
2. Разработать методику прогнозирования эксплуатационной надёжности на
основе полученных данных и анализа выживаемости, которая позволит
анализировать полные и цензурированные данные.
3. Разработать дерево целей (систему), где главной целью является обеспечение
эксплуатационной надёжности ЭМ в алмазодобывающей промышленности и
определить полный спектр мероприятий по её достижению. Определить критерий
системы, который оказывает наибольшее влияние на достижение главной цели.
4. Разработать дерево отказов для асинхронного (АД), вентильного (ВД) и
вентильно-индукторного (ВИД) электродвигателей и определить, с помощью
имеющихся данных об отказах, интенсивности отказов их элементов и методом
сравнительного анализа определить тип двигателя, эксплуатация которого
наиболее эффективна в условиях алмазодобывающей промышленности.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. «Кривая выживаемости» для ЭМ переменного тока, эксплуатируемых в
условиях подземных рудников, получена с помощью собранного статистического
материала об отказах и метода множительных оценок Каплана-Мейера.
Предназначена для прогнозирования отказов ЭМ и оборудования и
совершенствования системы технического обслуживания и ремонта.
2. Методика прогнозирования эксплуатационной надёжности ЭМ переменного
тока на основе множительных оценок Каплана-Мейера, позволяющая определить
критические интервалы времени, при которых отказ наиболее вероятен.
3. Структурная модель задачи обеспечения эксплуатационной надёжности ЭМ
в алмазодобывающей промышленности, которая с помощью метода анализа
иерархий позволяет определить наиболее эффективные пути решения задачи.
4. Обоснование выбора эффективного электродвигателя по показателю
интенсивности отказов для электропривода (ЭП) режущего органа промышленного
комбайна АМ-75.
Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов
диссертационной работы подтверждается корректностью поставленных задач;
корректным применением математических методов.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались:
математическая статистика, метод анализа выживаемости, метод множительных
оценок Каплана-Мейера, метод анализа иерархий, метод экспертных оценок, метод
дерева целей, метод дерева отказов, теория надёжности ЭМ, теория ЭМ. В работе
было использовано следующее программное обеспечение: MS Word, MS Excel,
Statistica.
Научная новизна:
1. Методом анализа выживаемости и с помощью собранных эксплуатационных
данных об отказах ЭМ получены оценки выживаемости электрооборудования,
эксплуатируемого на промышленных площадках АК «АЛРОСА». Данные
зависимости позволяют определить интервалы времени, при которых отказ
наиболее вероятен, а также выявить оборудование наиболее подверженное
отказам.
2. Предложен метод прогнозирования эксплуатационной надёжности ЭМ
переменного тока, эксплуатируемых в алмазодобывающей промышленности,
основанный на методе анализа выживаемости. Метод позволяет анализировать
полные и цензурированные статистические данные и построить «кривую
выживаемости», которая позволяет определить критическое время оборудования и
его узлов.
3. Разработана структурная модель обеспечения эксплуатационной надёжности
режущего органа проходческого комбайна АМ-75, эксплуатируемого в условиях
подземного рудника АК «АЛРОСА», где элементами модели является мероприятия
по поддержанию эксплуатационной надёжности ЭМ. На основе метода анализа
иерархий модель позволяет определить спектр мероприятий для достижения
необходимого уровня эксплуатационной надёжности и выявить элементы,
имеющие наиболее сильное влияние на эксплуатационную надёжность.
4. Проведён сравнительный анализ асинхронного, вентильного и вентильно-
индукторного двигателей для обоснования и улучшения показателей
эксплуатационной надёжности ЭП режущего органа промышленного комбайна
АМ-75.
Практическая ценность работы:
1. Разработан учебный модуль «Обеспечение и прогнозирование
эксплуатационной надёжности ЭМ методами системного анализа» для
дисциплины «Испытания и техническая диагностика ЭМ и аппаратов»
направления ООП 13.04.02. «Электроэнергетика и электротехника».
2. Предложена методика прогнозирования эксплуатационной надёжности ЭМ
переменного тока на основе множительных оценок Каплана-Мейера, позволяющая
получить оценки выживаемости и определить интервалы времени, при которых
вероятность отказа наиболее высока [1, 2]. Получены оценки выживаемости ЭМ
переменного тока, эксплуатируемых в условиях подземных рудников АК
«АЛРОСА», позволяющие прогнозировать вероятность отказов ЭМ и
усовершенствовать систему технического обслуживания и ремонта [3].
3. Решена задача обеспечения эксплуатационной надёжности ЭМ режущего
органа проходческого комбайна АМ-75 методом анализа иерархии [4-9], которая
совместно с полученными экспертными оценками позволяет определить наиболее
эффективное решение задачи при наличии альтернатив.
4. Обосновано применение ВИД в составе ЭП режущего органа проходческого
комбайна АМ-75 [10, 11].
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В
соответствии с паспортом специальности 05.09.01 – Электромеханика и
электрические аппараты в диссертации содержатся исследования согласно пункту
5, который позволил разработать подход, обеспечивающий надёжность
функционирования ЭМ в процессе эксплуатации и в составе рабочих комплексов.
Внедрение результатов исследований. Результаты диссертационной работы
использованы на АК «АЛРОСА» в г. Мирный в виде: методики прогнозирования
эксплуатационной надёжности электрических машин переменного тока, дерева
целей задачи обеспечения эксплуатационной надёжности электрических машин,
обоснования применения вентильно-индукторного электродвигателя в составе
электропривода режущего органа проходческого комбайна АМ-75; а также в
учебном процессе Инженерной школы энергетики НИ ТПУ при подготовке
магистрантов по направлению 13.04.02 (Электроэнергетика и электротехника) по
дисциплине «Испытания и техническая диагностика электрических машин и
аппаратов».
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие на всех
этапах научной работы: обзор и анализ литературы по тематике работы, постановка
задач исследования, сбор исходного материала, его анализ и интерпретация
результатов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были
доложены и обсуждены на конференциях и форумах: Международная научно-
практическая конференция, посвященная 20-летию Политехнического института
(филиал) СВФФ им. М.К. Аммосова в г. Мирном “Наука и инновационные
разработки – Северу”, 10-12 марта 2014 г., Мирный, Россия; VII Международная
студенческая электронная научная конференция “Студенческий научный форум –
2015”, 15 февраля-31 марта 2015 г., Саратов, Россия; Молодёжь и научно-
технический прогресс в современном мире, 13-14 октября 2015 г., Москва, Россия;
IV Международный молодежный форум «Интеллектуальные энергосистемы», 10-
14 октября 2016 г., Томск, Россия; V Международный молодежный форум
«Интеллектуальные энергосистемы», 9-13 октября 2017 г., Томск, Россия; VI
Международная научно-практическая конференция «Перспективы развития
технических наук», 11 июля 2019 г., г. Челябинск; VI Международная научно-
практическая конференция «Технические науки в мире: от теории к практике», 11
августа 2019 г., г. Ростов-на-Дону.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 11 научных
работах, среди которых 2 статьи опубликованы в журнале, рекомендованном ВАК
РФ и в 3 статьях, опубликованных в изданиях Scopus и Web of Science.
Структура и объём работы. Диссертация включает в себя введение, четыре
главы, заключение, список используемой литературы из 119 наименований. Объем
диссертации составляет 123 с., включая 14 рис., 21 табл., приложений на 30 с.
1. АНАЛИЗ НАДЁЖНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН В
Исследование эксплуатационной надёжности электрических машин
переменного тока в алмазодобывающей промышленности ещё долгое время будет
являться актуальной задачей поскольку от неё зависят такие важные факторы для
алмазодобывающей отрасли как экономический эффект и безопасность рабочего
персонала. Необходимо постоянное усовершенствование системы технического
обслуживания и ремонта с учётом современных методов и технологий. Материалы,
представленные в диссертационной работе, позволяют решить задачи,
направленные на прогнозирование времени, при котором наиболее вероятен отказ
электрической машины, с помощью информации, полученной во время
эксплуатации; сокращение времени простоя оборудования; определение
мероприятий для наиболее эффективного решения задачи обеспечения
эксплуатационной надёжности. Проведённые в работе исследования можно
представить следующими результатами.
1. Методом анализа выживаемости определено оборудование и узлы
электрических машин наиболее подверженные отказам. В ходе исследования были
получены следующие результаты. Из представленных производственных объектов
(рудник «Мир», рудник «Интернациональный» и обогатительная фабрика №3)
наиболее подвержено отказам оборудование на руднике «Мир» (вероятность
дожития до 30000 часов – 11%). В качестве исследуемых объектов на руднике
«Мир» были рассмотрены проходческие комбайны АМ-75 и АМ-105. В результате
было выявлено, что самой низкой вероятностью безотказной работы обладает
проходческий комбайн марки АМ-75 (вероятность дожития до 15000 часов – 11%).
Далее были проанализированы отказы рабочих элементов проходческого комбайна
АМ-75. Анализ показал, что режущий орган комбайна имеет наименьшую оценку
выживаемости (вероятность дожития до 10000 часов – 10%). Используемый метод
анализа также помог определить наиболее подверженный дефектам узел ЭМ
режущего органа комбайна АМ-75, им является подшипниковый узел (вероятность
дожития до 15000 – 18%).
2. Впервые предложен подход оценивания выживаемости электрических
машин переменного тока методом множительных оценок Каплана-Мейера на
основании полученных данных об отказах электрических машин, эксплуатируемых
в условиях алмазодобывающего комплекса АК «АЛРОСА». Из графиков
выживаемости получены интервалы критического времени электрических машин
и их узлов, при котором отказ наиболее вероятен.
3. В работе впервые выполнен подробный анализ иерархий для задачи
обеспечения эксплуатационной надёжности электрических машин режущего
органа проходческого комбайна АМ-75, эксплуатируемого в алмазодобывающей
промышленности. Анализ показал, что со значением коэффициента относительной
важности равным 0,596 критерий «Модернизация оборудования» наиболее сильно
влияет на главную цель.
4. Разработаны деревья отказов для асинхронного, вентильного и
вентильно-индукторных электрических машин, которые с помощью информации
об отказах позволяют выявить слабые стороны машин. С помощью деревьев
отказов определены показатели интенсивности отказов и можно утверждать, что
вентильно-индукторный электродвигатель с бездатчиковым управлением и
применением магнитных подшипников являются наиболее эффективным
решением (интенсивность отказа равна 12,42*10−6 ч-1) для горного оборудования
алмазодобывающей промышленности. Показатели интенсивности отказов данной
машины ниже на 99% в сравнении с используемым на данный момент
асинхронным двигателем.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ
АД – асинхронный двигатель.
АК «АЛРОСА» – акционерная компания «АЛРОСА».
ВБР – вероятность безотказной работы.
ВД – вентильный двигатель.
ВИД – вентильно-индукторный двигатель.
ЗИП – поставка запасных частей, инструмента и принадлежностей.
ИС – индекс согласованности.
КОВ – коэффициент относительной важности.
КР – капитальный ремонт.
МНК – методы неразрушающего контроля.
НТД – нормативно-техническая документация.
ОД – объект диагностирования.
ОКР – опытно-конструкторские работы.
ОС – отношение согласованности.
ПОН – программа обеспечения надёжности.
ППР – планово-предупредительный ремонт.
СР – средний ремонт.
СС – средняя согласованность.
СФД – система функционального диагностирования.
ТО – техническое обслуживание.
ТОиР – система технического обслуживания и ремонта.
ТР – текущий ремонт.
ТУ – технические условия.
ЭМ – электрическая машина.
ЭН – эксплуатационная надёжность.
ЭП – электропривод.
Statistica – математический программный пакет.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
Ti – время жизни объекта.
Ui – переменная цензурирования.
= min( , ) – цензурированное время жизни объекта.
S(τi) – вероятность того, что объект будет работоспособен в конце исследования.
τi – максимально возможный период наблюдения.
f(t) – плотность распределения.
F(t) – функция распределения.
S(t) – вероятность того, что исследуемое событие не наступило к моменту времени
е.
dt – число отказов в момент времени t.
nt – число наблюдавшихся к моменту t.
Фα – двустороннее критическое значение для стандартного нормального
распределения.
α – уровень значимости.
SE(Si) – стандартная ошибка для этой доли.
xij, xji – оценка эксперта по 9-балльной шкале.
ai – геометрическая сумма.
Vi – компонент нормализованного вектора.
– максимальное собственное значение матрицы.
– сумма элементов n – столбца.
– коэффициент относительной важности.
( ) – интенсивность отказа.
ср – среднее число изделий, исправно работающих в интервале времени ∆ .
, +1 – число изделий, исправно работающих в начале и конце интервала ∆ .
АД – интенсивность отказов асинхронного двигателя.
ВД – интенсивность отказов вентильного двигателя.
ВИД – интенсивность отказов вентильно-индукторного двигателя.
ПУ – интенсивность отказов подшипникового узла.
Р – интенсивность отказов ротора.
С – интенсивность отказов статора.
ПУ – интенсивность отказов подшипникового узла.
Р – интенсивность отказов ротора.
С – интенсивность отказов статора.
ПК – интенсивность отказов полупроводникового коммутатора.
ДПР – интенсивность отказов датчика положения ротора.
ПЧ – интенсивность отказов преобразователя частоты.
( ) – вероятность безотказной работы.
N0 – исходное число работоспособных объектов.
n(t) – число отказавших объектов за время t.
( ) – частота отказов.
(∆ ) – количество отказавших изделий в интервале времени ∆ .
n(t) – число отказавших объектов за время t.
э – эксплуатационная интенсивность отказов.
λ0 – справочное значение интенсивности отказов элемента.
m – количество факторов, принятых во внимание из числа влияющих на
безотказность элементов.
Ki – поправочный коэффициент, учитывающий влияние i-го фактора.
б – справочное значение интенсивности отказов элемента.
р – поправочный коэффициент, учитывающий зависимость от электрической
нагрузки и температуры окружающей среды ил корпуса.
ф – поправочный коэффициент, учитывающий зависимость от функционального
назначения прибора.
– поправочный коэффициент, учитывающий зависимость от величины рабочего
напряжения относительно максимально допустимого.
э – поправочный коэффициент, учитывающий коэффициент жесткости условий
эксплуатации.
– поправочный коэффициент, учитывающий зависимость от величины
номинального сопротивления.
С – поправочный коэффициент, учитывающий зависимость от величины
номинальной емкости.
– поправочный коэффициент, учитывающий зависимость от максимально
допустимых температур.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.6 (30 отзывов)
4.7 (96 отзывов)
4.9 (35 отзывов)
5 (174 отзыва)
4.7 (46 отзывов)
4.9 (298 отзывов)
4.8 (9 отзывов)
4.9 (37 отзывов)
5 (285 отзывов)
