Связь эксплуатации и надежности оборудования

Процесс эксплуатации оборудования сопровождается его износом - изменением характеристик под действием окружающей среды и эксплуатационных режимов работы.

К воздействиям окружающей среды относятся ее температура, влажность, загрязненность, химическая активность, а также солнечная радиация, интенсивность грозовой деятельности, ветер, гололед и другие факторы.

В эксплуатационных режимах оборудование подвергается рабочим нагрузкам, систематическим и аварийным перегрузкам, перегрузкам от токов коротких замыканий, воздействию рабочих напряжений и перенапряжений (грозовых, коммутационных, феррорезонансных) и других факторов.

Перечисленный комплекс факторов при их совместном воздействии на оборудование приводит к ухудшению его характеристик, которое в конечном итоге может привести к отказу оборудования. Под отказом понимается событие, заключающееся в потере работоспособности оборудования, после которого оно не может выполнять свои функции.

К отказу оборудования могут привести нарушения условий транспортировки и хранения оборудования, а также случайные факторы, в частности ошибочные действия эксплуатационного персонала.

При отказе оборудования может возникнуть ущерб, значение которого зависит от категории приемников электроэнергии: опасность для жизни людей, расстройство сложного технологического процесса, массовый недоотпуск продукции, простои рабочих и механизмов и другие виды ущерба.

Из изложенного следует, что безотказная (а в более широком смысле надежная) работа оборудования тесно связана с различными сторонами его эксплуатации: транспортировкой, хранением, условиями и режимами работы, обслуживанием, ремонтами. Поэтому эксплуатация должна быть организована таким образом, чтобы обеспечивалась надежная работа электрооборудования и предотвращались возможные негативные последствия (ущербы) при ее нарушении.

Под надежностью понимается свойство оборудования выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования.

Надежность является одним из свойств оборудования, которое проявляет себя только в процессе эксплуатации. Надежность оборудования закладывается при его проектировании, обеспечивается при изготовлении и расходуется при эксплуатации.

Оборудование состоит из большого количества различных элементов, которые разделяются на группы: невосстанавливаемые и восстанавливаемые.

Невосстанавливаемыми являются элементы, работоспособность которых после отказа восстановлению не подлежит (тиристор, лампа накаливания). Восстанавливаемыми яляются элементы, работоспособность которых после отказа подлежит восстановлению в процессе эксплуатации за счет проведения ремонта (трансформатор, линия электропередачи).

Надежность является комплексным свойством оборудования, которое в зависимости от назначения и условий эксплуатации характеризуется безотказностью, долговечностью и сохраняемостью, а для восстанавливаемого оборудования дополнительно ремонтопригодностью.

Безотказность - свойство оборудования непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени. Эта наиболее общая и наиболее важная характеристика надежности определяется следующим показателями:

- вероятностью безотказной работы;

- интенсивностью отказов и наработкой до отказа (невосстанавливаемые элементы);

- параметром потока отказов и наработкой на отказ (восстанавливаемые элементы).

Долговечность - свойство оборудования сохранять работоспособность до наступления предельного состояния. Предельное состояние оборудования определяется невозможностью его дальнейшей эксплуатации вследствие экономической неэффективности, требований безопасности или морального износа.

При достижении предельного состояния оборудование подлежит капитальному ремонту или утилизации. Показателями долговечности являются срок службы невосстанавливаемых элементов и срок между ремонтами для восстанавливаемых элементов. Для восстанавливаемых элементов долговечность определяется системой обслуживания и ремонта в процессе эксплуатации.

Оборудование может изменять свои свойства при транспортировке, хранении, нахождении в бездействии. Показателем сохраняемости оборудования является срок сохраняемости.

Важной характеристикой надежности является ремонтопригодность - приспособленность оборудования к предупреждению и обнаружению причины возникновения отказов и устранению их последствий путем проведения ремонта. Основным показателем ремонтопригодности является среднее время восстановления.

Выбор показателей надежности или их совокупности определяется не только назначением оборудования, его местом в технологическом процессе, но и условиями использования. В частности, при эксплуатации воздушной инии электропередачи необходимо учитывать климатические условия, в которых проходит трасса линии: район по ветру, гололеду, интенсивности грозовой деятельности, пляске проводов, диапазон изменения температуры окружающей среды.

Правильный анализ и учет условий использования оборудования позволяют обоснованно организовать систему его технического обслуживания и ремонта.

Показатели надежности оборудования.Показатели надежности имеют вероятностно-статистическую природу и исследуются методами теории вероятностей и математической статистики, изучающими случайные события и величины. При оценке надежности оборудования в качестве случайного события рассматривается отказ, в качестве случайной величины - время безотказной работы Т. В качестве одного из основных показателей безотказности принимается вероятность безотказной работы Р(t) за время эксплуатации t.

Вероятность безотказной работы - вероятность того, что время безотказной работы Т будет больше времени эксплуатации t

(2.1)

Вероятность Р(t) является функцией времени (рис. 6.2) и представляет собой функцию распределения случайной величины - времени безотказной работы.

Распределение случайной величины подчиняется определенным законам. При оценке надежности часто используются известные из теории вероятностей экспоненциальный и нормальный законы распределения случайной величины. Приведенное на рис. 2.2 распределение случайной величины Р(t) можно описать экспоненциальным законом.

По аналогии с вероятностью безотказной работы, вероятность отказа Q(t) - это вероятность того, что время безотказной работы Т будет меньше времени эксплуатации t:

(2.2)

Вероятность безотказной работы Р(t) и вероятность отказа Q(t) на интервале эксплуатации t образуют полную группу событий и, следовательно, связаны соотношением:

(2.3)

Рис. 2.2. Зависимости вероятности безотказной работы Р(t) и вероятности отказа Q(t) от времени эксплуатации

Статистически вероятность безотказной работы определяется отношением числа однотипных элементов N, безотказно проработавших время t, к числу элементов N0, работоспособных в начальный момент времени t=0

(2.4)

Дифференциальная характеристика вероятности отказа

(2.5)

представляет собой плотность распределения случайной величины Q(t). Функция распределения и плотность распределения случайной величины связаны соотношением

(2.6)

Под интенсивность отказов λ(t), понимается вероятность возникновения отказа, определенная для рассматриваемого интервала времени ∆t при условии, что до начала этого интервала отказ не возник.

Из определения интенсивности отказов следует, что:

(2.7)

В сооветствии с (6.5)

(2.8)

Тогда

(2.9)

Таким образом, интенсивность отказов представляет собой условную (относительную) плотность распределения отказов в любой момент времени.

Статистически λ (t) показывает, какая доля отработавших к моменту времени t элементов откажет в единицу времени после этого момента

(2.10)

где ∆m - разность между числом отказов к моменту времени t+∆t и числом отказов к моменту времени t; N - количество однотипных элементов.

Интенсивность отказов определяет вероятность безотказной работы оборудования. В соответствии с основной формулой надежности

(2.11)

Если интенсивность отказов при эксплуатации принять за постоянную величину, не зависящую от времени λ (t) = λ 0, то для вероятности безотказной работы будет получен экспоненциальный закон распределения

(2.12)

один из основных в теории надежности.

Показателем безотказности невосстанавливаемых элементов является средняя наработка до отказа То, который представляющий собой математическое ожидание случайной величины – наработки оборудования до отказа, вы ражается через вероятность безотказной работы зависимостью

(2.13)

Геометрически величина То равна площади фигуры под кривой вероятности безотказной работы Р(t) (рис. 2.1.2).

Статистически средняя наработка до отказа определяется отношением суммы наработок однотипных элементов до отказа к количеству N этих элементов, если к концу интервала наблюдения все элементы отказали,λ

(2.14)

Характерная для большинства восстанавливаемого оборудования зависимость интенсивности отказов от времени эксплуатации показана на рис. 2.4. Эта зависимость, называемая «кривой жизни» технического изделия, имеет три характерные временные области 1, 2 и 3. Область 1 - период приработки оборудования после монтажа или ремонта, когда интенсивность отказов достаточно высокая. Область 2 - период нормальной эксплуатации оборудования с практически неизменной интенсивностью отказов. Это область характеризуется внезапными отказами случайного характера. Область 3 - период старения отдельных узлов и оборудования в целом. Эта область характеризуется увеличением интенсивности износовых отказов.

При эксплуатации электрооборудование подвергается разнообразным воздействиям, зависящим от нагрузки, режима и условий работы. По влиянию на характеристики работоспособности оборудования эксплуатационные факторы делят на две группы:

1. Ток и напряжение, род тока, характер нагрузки, частота срабатывания, продолжительность включения и др.;

2. Окружающая температура, влажность воздуха, давление и запыленность воздуха, агрессивные газы, особенности монтажа, внешние вибрации, действия обслуживающего персонала и др.

Возникновению отказов способствуют следующие часто встречающиеся недостатки при эксплуатации оборудования: – пренебрежение указаниями заводских инструкций по монтажу, регулировке и обслуживанию; – недопустимые замены материалов изношенными.

Рис.2.3. Кривая интенсивности отказов

На кривой интенсивности отказов показаны значения средней долговечности изделия T1 и средней наработки до первого отказа Tср> T1. Средняя наработка до первого отказа Tср характеризует запас надежности устройства в период нормальной эксплуатации. Обычно T1 ненамного превышает время t2, т. е. соответствует начальному участку периода старения и износа.

Период приработки (0 < t < t1) начинается с выхода нового изделия из цехов завода (t = 0) ихарактеризуется высокой интенсивностью отказов, которая постепенно падает. Эти отказы обусловлены технологическими, производственными или конструкционными недостатками, присущими как самому изделию, так и производству (включая также производство материалов, их хранение и транспортировку). Отказы, возникающие в период приработки, стремятся исключить путем выявления скрытых дефектов монтажа и изготовления, отбраковкой элементов. Отказы в период приработки подчиняются закону Вейбулла.

Период нормальной эксплуатации ( t1 < t < t2) характеризуется минимальной интенсивностью отказов. В период нормальной эксплуатации происходят внезапные отказы, которые имеют случайный характер (механические повреждения, повреждения вследствие неблагоприятных внешних условий и т.д.). Природа таких отказов обусловлена неожиданной концентрацией нагрузок внутри изделия (или извне). Основной причиной внезапных отказов является превышение механической прочности элемента. Регулярность событий в период нормальной эксплуатации не наблюдается. Закон распределения отказов в этот период экспоненциальный.

Период старения и износа (t > t2)характеризуется резким увеличением интенсивности отказов и связан с интенсивным износом и старением, необратимыми физико-химическими процессами в материалах, из которых изготовлены элементы и их части (постепенные отказы). Закон распределения отказов - либо нормальный, либо логарифмически-нормальный (могут быть и другие случаи). Т.о., отказ оборудования может произойти в любом из рассматриваемых периодов работы и зависит это от суммарного воздействия той или иной комбинации факторов, основными из которых являются следующие.

Эксплуатация оборудования систем электроснабжения должна быть организована таким образом, чтобы не допустить отказов оборудования по причине его износа.

Последовательность отказов, происходящих один за другим в случайные моменты времени, образует поток отказов, основным показателем которого является параметр потока отказов ω (t). Этот параметр представляет собой плотность вероятности возникновения отказа в рассматриваемый момент времени. Иными словами, это математическое ожидание числа отказов в единицу времени.Статистически параметр потока отказов определяется как

(2.15)

где m - количество отказов за время t; N - количество однотипных элементов.

Поток отказов может иметь различный характер. Наибольшее распространение в практике нашел простейший поток, характеризуемый свойствами: ординарности, стационарности и отсутствия последействия.

Ординарность выражается в том, что за малый промежуток времени вероятность появления двух и более отказов стремится к нулю, то есть в системе не произойдет более одного отказа.

Стационарность заключается в том, что параметр потока отказов является постоянным, то есть ω (t) = ω0 = const.

Если поток отказов в период нормальной эксплуатации рассматривать как простейший, то в период нормальной эксплуатации распределение вероятности безотказной работы будет определяться экспоненциальным законом

(2.16)

Наработка на отказ восстанавливаемого оборудования в период его нормальной эксплуатации при экспоненциальном законе распределения отказов составит

(2.17)

В качестве основного показателя ремонтопригодности восстанавливаемого оборудования используется среднее время восстановления Tв, представляющее собой математическое ожидание времени восстановления.

Статистически среднее время восстановления определяется как

(2.18)

где tвi- время восстановления оборудования после i-го отказа; m - количество отказов.

В качестве показателя долговечности используется средний срок службы Тсл - математическое ожидание срока службы от начала эксплуатации до достижения предельного состояния.

Статистически средний срок службы определяется отношением суммы сроков службы tслiоднотипных элементов к количеству N этих элементов:

(2.19)

Основным показателем сохраняемости восстанавливаемого и невосстанавливаемого оборудования является средний срок сохраняемости - математическое ожидание срока сохраняемости. Для оценки влияния условий хранения оборудования этот показатель определяется как

, (2.20)

где ωt, λt- параметр потока отказов и интенсивность отказов оборудования при определенных условиях его хранения в течение срока t.

По приведенным выше показателям надежности можно определить комплексные показатели надежности оборудования:

коэффициент простоя

(2.21)

Комплексные показатели надежности связаны соотношением

(2.22)

Рассмотренные выше показатели позволяют не только разносторонне оценить надежность оборудования, но и обосновать комплекс технических, организационных и экономических мероприятий, повышающих надежность и эффективность эксплуатации оборудования.

Вот некоторые из мероприятий:

- накопление статистических данных по надежности оборудования и организация обратной связи с проектными организациями и заводами- изготовителями;

- выбор оптимальной продолжительности ремонтного цикла и цикла технического обслуживания с целью использования оборудования до предельного состояния, но исключения его работы в области износовых отказов;

- совершенствование системы контроля и диагностирования оборудования, позволяющей: выявлять дефекты на ранней стадии их развития, прогнозировать состояние оборудования, эффективно уменьшать время отыскания дефектов и устранения отказов за счет совершенствования технических и диагностических средств;

- вынос режима послеремонтной приработки оборудования в ремонтную зону;

- повышение квалификации эксплуатационного персонала;

- своевременная замена (утилизация) физически и морально изношенного оборудования.