Прогнозирование ресурса упорного подшипникового узла погружных электродвигателей для условий сельского водоснабжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.02, кандидат наук Гусейнов Руслан Тофикович

• Гусейнов Руслан Тофикович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Гусейнов Руслан Тофикович

Введение

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1 Условия эксплуатации, причины и виды отказов погружных электродвигателей в сельском водоснабжении

1.2 Анализ существующих методов испытаний надежности подшипниковых узлов электродвигателей и технические средства их реализации

1.2.1 Эксплуатационные испытания электрооборудования

1.2.2 Способы ускорения испытаний на надежность, технические средства стендовых испытаний

1.3 Существующие математические модели надежности подшипниковых узлов электрооборудования

1.4 Выводы и задачи исследования

Глава 2. Теоретические предпосылки оценки ресурса упорных подшипниковых узлов погружных электродвигателей

2.1 Критерии подобия стендовых и эксплуатационных испытаний

2.2 Зависимость изнашивания упорного подшипникового узла от действующих факторов

2.3 Обоснование детерминированной математической модели ресурса упорного подшипникого узла погружных электродвигателей

2.4 Прогнозирование ресурса упорного подшипникового узла погружных электродвигателей с использованием статистического моделирования

2.5 Установление закона распределения скорости и ускорения изнашивания упорного подшипникового узла погружных электродвигателей

2.6 Выводы

Глава 3. Методика экспериментального исследования долговечности упорных подшипниковых узлов погружных электродвигателей

3.1 Выбор типоразмера исследуемых погружных электродвигателей

3.2 Факторы, влияющие на изнашивание упорного подшипникового узла по-

гружных электродвигателей в условиях сельского водоснабжения

3.3 Построение группированного статистического ряда и выравнивание гистограммы

3.4 Выбор законов распределения основных факторов

3.5 Методика определения скорости и ускорения изнашивания упорного подшипникового узла погружных электродвигателей

3.6 Технические средства ускоренных стендовых испытаний упорного подшипникового узла погружных электродвигателей

3.6.1 Требования к экспериментальной установке, выбор схемы и конструкции стенда

3.6.2 Устройство для измерения изнашивания упорного подшипникового узла погружных электродвигателей

3.7 Планирование стендовых ресурсных испытаний упорного подшипникового узла, методика обработки результатов

3.8 Методика статистического моделирования ресурса упорного подшипникового узла погружных электродвигателей

3.9 Методика эксплуатационных испытаний упорного подшипникового узла погружных электродвигателей

3.10 Методика ускоренных стендовых испытаний упорного подшипникового узла погружных электродвигателей

3.11 Выводы

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований и определение эффективности проекта

4.1 Характеристика основных эксплуатационных факторов, влияющих на ресурс упорного подшипникового узла погружных электродвигателей

4.2 Зависимость скорости и ускорения изнашивания упорного подшипникового узла погружных электродвигателей от основных факторов

4.3 Оценка ресурса упорного подшипникового узла погружных электродвигателей

4.4 Соответствие результатов стендовых и эксплуатационных испытаний

упорного подшипникового узла погружных электродвигателей

4.5 Технико - экономическая эффективность стендовых ресурсных испытаний упорного подшипникового узла погружных электродвигателей

4.6 Выводы

Заключение

Список литературы

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Прогнозирование ресурса упорного подшипникового узла погружных электродвигателей для условий сельского водоснабжения»

Введение

Актуальность исследований. Эксплуатационные наблюдения за погружными электродвигателями указывают на их низкую надежность в условиях сельского водоснабжения. Анализ причин выхода из строя погружных электродвигателей показывает, что одной из главных является отказ их упорных подшипниковых узлов.

Для оценки мероприятий, направленных на повышение надежности погружных электродвигателей при их изготовлении, эксплуатации и ремонте необходимы оперативные сведения о ресурсе элементов данных электродвигателей. Учитывая низкую работоспособность упорных подшипниковых узлов, исследования данной работы были сосредоточены на изучении надежности этих узлов, важнейшим показателем которой является ресурс.

Наиболее достоверные сведения о ресурсе несут эксплуатационные испытания, однако время этих испытаний составляет более 10 лет. Такой срок проведения испытаний часто приводит к ненужности их результатов. Существующие методы ускоренных стендовых испытаний, возможные для оценки долговечности упорных подшипниковых узлов погружных электродвигателей, требуют своего совершенствования и дальнейшего развития. В связи с этим разработка методики ускоренных стендовых испытаний, позволяющей за короткое время производить оценку ресурса упорных подшипниковых узлов погружных электродвигателей, является актуальной задачей.

Степень разработанности темы. Исследованием надежности погружных электронасосных установок занимались: Пястолов А. А., Данилов В. Н., Шичко Л. П., Гетманенко В. М., Исупова А. М., Мамедов О. Г., Хан А. М., Садчиков А. В., Счастливый Г. Г., Петько В. Г., Семак В. Г., Казаков Ю. А., Рекус Г. Г., Белоусов А. П., Прищеп В. Г., Федеренко Г. М., Саидов Р. А., Гамзаев М. М., Керимов И. Д., Таран В. П. и др. При всей значимости выполненных исследований вопросы надежности упорного подшипникового узла изучены недостаточно. В частности требуется разработка математической модели оценки ресурса упорного подшип-

никового узла погружных электродвигателей и на её основе методики ускоренных испытаний этого ресурса.

Цель исследования. Разработка методики прогнозирования ресурса упорного подшипникового узла погружных электродвигателей по результатам ускоренных испытаний на нормальных режимах нагрузки при эксплуатации в различных условиях сельского водоснабжения.

Научная новизна работы:

1. Обоснована детерминированная модель надежности упорного подшипникового узла погружных электродвигателей, на основании которой разработан алгоритм статистического моделирования оценки ресурса при различных условиях эксплуатации.

2. Разработана методика ускоренных стендовых испытаний упорного подшипникового узла погружных электродвигателей, позволяющая определить начальную скорость и ускорение изнашивания этого узла и аналитическим путем с помощью предложенной модели производить оценку ресурса с учетом вероятностного характера эксплуатационных факторов.

3. Получены зависимости начальной скорости и ускорения изнашивания упорного подшипникового узла погружных электродвигателей от воздействующих эксплуатационных факторов.

Теоретическая и практическая значимость результатов работы:

1. На основе полученной математической модели разработана методика прогнозирования ресурса упорного подшипникового узла погружных электродвигателей по результатам ускоренных стендовых испытаний, обеспечивающая существенное сокращение времени (более 10 раз) оценки ресурса по сравнению с эксплуатационными испытаниями.

2. Разработаны устройства, позволяющие безразборным способом определять износ упорного подшипника погружного электродвигателя. Новизна предложенного устройства оформлена патентом № 160146 на полезную модель и патентом на изобретение № 2510655.

3. Обработка результатов стендовых испытаний и расчет ресурса упорного

подшипникового узла погружных электродвигателей производится с использованием ЭВМ без фактических затрат времени

4. Методика ускоренных испытаний ресурса упорного подшипникового узла погружных электродвигателей марки ПЭДВ принята к внедрению на электроремонтном предприятии ООО «Энергоремсервис» г. Челябинска.

5. Материалы теоретических и экспериментальных исследований ресурса упорного подшипникового узла погружных электродвигателей используются в курсе лекций на кафедре ЭОЭТ ФГБОУ ВО ЮУрГАУ.

Методология и методы исследования. Базируются на теории активного планирования эксперимента, на методе статистического моделирования, методах испытания на надежность, схемотехнике, теории вероятностей и математической статистике.

Положения, выносимые на защиту:

- детерминированная математическая модель оценки ресурса упорного подшипникового узла погружных электродвигателей;

- алгоритм статистического моделирования ресурса упорного подшипникового узла погружных электродвигателей;

- стенд для испытания упорного подшипникового узла погружных электродвигателей;

- устройства для безразборного контроля износа упорного подшипникового узла погружных электродвигателей;

- методика оценки ресурса упорного подшипникового узла погружных электродвигателей.

Степень достоверности и апробация результатов работы. Достоверность работы подтверждается достаточным объемом экспериментальных исследований, корректностью использования математического аппарата при обработке опытных данных, достаточной сходимостью стендовых и эксплуатационных испытаний.

Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались: на ежегодных международных научно-практических конференциях «Достижения науки - агропромышленному производству» (г. Челябинск, ЧГАА, ЮУрГАУ,

2012 - 2019 гг.); на IV Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Развитие научной, творческой и инновационной деятельности молодежи» (г. Курган, КГСХА, 2013 г.); на научно-практической конференции «Интеграция науки и производства, стратегия успешного развития АПК в условиях вступления России в ВТО», посвященной 70 - летию Победы в Сталинградской битве (г. Волгоград, ВГАУ, 2013 г.); на региональной научно - практической конференции молодых ученых «Инновационное развитие АПК Северного Зауралья» (г. Тюмень, ТГСХА, 2013 г.); на региональной научно - практической конференции молодых ученых «Перспективы развития АПК в работах молодых ученых» (г. Тюмень, ГАУСЗ, 2014 г.); на II международной научно-практической конференции, посвященной 35 - летию ЗАО «Курганстальмост «Инновации и исследования в транспортном комплексе» (г. Курган, 2014 г.); на международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергообеспечения предприятий. XIV Российский энергетический форум. Зелёная энергетика» в рамках XX юбилейной специализированной выставки «Энергосбережение. Электротехника. Кабель» международной выставки «Энергетика ШОС» (г. Уфа, 2014 г.); на I и II молодежной научной конференции «Разработки молодых ученых - агропромышленному комплексу» (г. Челябинск, 2013 - 2014 г.г.); на областном конкурсе научно - исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений, расположенных на территории Челябинской области (г. Челябинск, 2013 г.); на II международной научно-практической конференции «Надежда энергетики» (г. Саратов, 2013 г.); на всероссийской научно-практической конференции «Разработки Российской Федерации по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники (г. Челябинск, НИИ ЮУр-ГУ, 2013 - 2014 г.г.).

Публикации. Основные результаты исследования по теме диссертационной работы опубликованы в 18 работах, в том числе восемь - в изданиях рецензируемых ВАК, одна статья входит в индексируемую базу данных Скопус, один патент на изобретение и два патента на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 164 страницах

машинописного текста, в том числе 1 36 страницах основного текста, содержит 37 рисунков, 13 таблиц, состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка используемой литературы и приложений. Список используемой литературы включает в себя 125 наименований.

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1 Условия эксплуатации, причины и виды отказов погружных электродвигателей в сельском водоснабжении

Важным показателем качества погружных электродвигателей является надежность. Работоспособность электродвигателей различного применения по назначению, в том числе насосного оборудования, это их способность работать безотказно в течение заданного промежутка времени и в определенных условиях эксплуатации [55, 56, 76].

Электродвигатель - сложный механизм, его надежность основана на надежной работе основных элементов, включая обмотки статора и ротора, подшипниковые узлы, активное железо и прочие элементы. Отказ электрической машины в целом происходит при отказе любой ее составной части [8, 76, 89, 93].

Исследованием надежности погружных электронасосных установок занимались Пястолов А.А., Данилов В. Н., Попов А. М., Тетянич В. П., Беленький П. А., Кириенко П. И., Марков В. Г., Работников Г. М., Счастливый Г. Г., Петько В. Г., Богданов А. А., Казаков Ю. А., Рекус Г. Г., Костенко С. М., Белоусов А. П., Прищеп В. Г., Шумилин Г. Д., Федеренко Г. М., Саидов Р. А., Гамзаев М. М., Керимов И. Д., Таран В. П., Гетманенко В.М., Гуляев П.В., Садчиков Р.А. и др. [32, 33, 46, 51, 52, 56, 62, 74, 76, 80, 81, 94, 95, 106].

Однако в этих работах не представлены в полной мере количественные показатели долговечности распространенных в настоящее временя погружных электродвигателей марки ПЭДВ с центробежными насосами, не обоснована математическая модель и не спрогнозирован их ресурс. Также не изучены основные факторы, влияющие на долговечность упорного подшипникового узла погружных электродвигателей [76].

Большое значение представляет собой определение основных показателей надежности погружных электродвигателей при проведении лабораторных и эксплуатационных испытаний. Наиболее точное представление об отказах упорных подшипниковых узлов погружных электродвигателей дает обработка статистиче-

ских данных о выходе их из строя, полученных в результате эксплуатационных наблюдений [76].

Опыт эксплуатации и результаты многочисленных исследований представляют информацию о множестве факторов, влияющих на эксплуатационную надежность погружных электродвигателей. Большинство из этих факторов связаны с условиями эксплуатации. Как правило, под условиями эксплуатационной работы погружных электродвигателей понимаются химический состав воды, режим нагрузки и продолжительность работы, особенность питающих их сельских электрических сетей, уровень эксплуатационного обслуживания и др. [32, 74, 76].

Согласно сведений нормативно - технической литературы погружные электродвигатели эксплуатируются в среде с общей минерализацией (сухой остаток) не более 1500 мг/л, с водородным показателем (РН) от 6,5 до 9,5, температурой до 25 °С, включением твердых механических примесей не более 0,01 %, хлоридов не более 350 мг/л, сульфатов не более 500 мг/л и сероводорода не более 1,5 мг/л [76, 112, 121].

Больше всего на надежность работы погружных электронасосов влияет износостойкость их деталей [61, 76].

Чистая вода, не имеющая механических примесей и не обладающая минерализацией - основная среда, предназначенная для эксплуатации большинства типов погружных электронасосов.

По данным министерства природных ресурсов в Челябинской области имеются артезианские скважины, вода в которых по содержанию химических компонентов и механических примесей превышает допустимые нормы. Данный факт приводит к ускорению износа деталей и ухудшению эксплуатационных показателей электронасосов при эксплуатации. Износ узлов погружного электронасоса имеет различные формы и характер. Это обусловлено его конструктивными особенностями.

Гидроабразивный износ - вид износа, при котором абразивные частицы, находясь во взвешенном состоянии в потоке жидкости, перемещаются вместе с ней и негативно воздействуют на поверхности деталей насосов. Постоянные со-

ударения абразивных частиц с поверхностью деталей вызывают упругие деформации материала, которые в последствии приводят к усталостному разрушению [72, 76].

Резиновый подшипник при работе не только смазывается водой, но и охлаждается. Он быстро нагревается до температуры плавления при эксплуатации погружного электронасоса без воды. Расплавленная масса наволакивается на поверхности подпятника и образует корочку высокой твердости. Вследствие этого происходит увеличение зазора в подшипнике скольжения, возникновение вибраций, что впоследствии приводит к выходу насоса из строя [15, 60, 62, 69, 73, 76].

Деградация основных диэлектрических характеристик изоляции обмоток увеличивается при неверном выборе ингибитора для заливки в погружной электродвигатель, а также при наличии в воде химических веществ. При этом резко усиливается коррозия ротора, активной стали статора, упорного и радиальных подшипниковых узлов [14, 15, 98, 99].

Большинство предприятий, эксплуатирующих электронасосные установки, не проводят их техническое обслуживание и текущий ремонт. Также, они не выполняют правила заполнения герметизированных электродвигателей дистиллированной водой, нарушают требования по консервации и монтажу электронасосных установок, не проводят в полном объеме испытания перед эксплуатацией [74, 76, 81]. Зачастую это связано с недостаточным штатом электроремонтного персонала и его низкой квалификацией [32, 74].

Одним из методов повышения уровня эксплуатации погружных электродвигателей является использование рекомендаций системы технического обслуживания и ремонта [76].

Исследования, приведенные в [32, 33, 46, 51, 62, 74, 76, 80, 81, 93, 94, 95, 106, 108] показывают, что в наибольшей степени выходу из строя подвержены погружные электродвигатели в сельском водоснабжении. По данным Измаилова И.И. [59] средняя межремонтная наработка погружных электродвигателей в условиях сельского хозяйства составляет 3,5 тыс. часов, в то время как заводы изготовители гарантируют средний ресурс до первого капитального ремонта не менее 12

тыс. часов [94]. Примерно, аналогичные данные получены Даниловым В.Н. в результате наблюдений за 1830 погружными электродвигателями в условиях сельскохозяйственного производства [51].

Выход из строя электродвигателей в год по хозяйствам согласно [51] составляет: кормоприготовление - 18,2%, животноводство - 38,5%, птицеводство - 32,2%, механические мастерские и ремонтные предприятия - 17,2%, водоснабжение - до 100%. Число погружных электродвигателей от общего количества в водоснабжении достигает 50%, а их аварийность в среднем составляет 77%. В некоторых предприятиях в течение сезона производится замена 100 -200% погружных электродвигателей [51, 94].

Статистические данные по причинам выхода из строя асинхронных электродвигателей в условиях эксплуатации сельского хозяйства приведены в таблице 1.1

Таблица 1.1 - Статистика причин выхода из строя асинхронных электродвигателей [51, 94]

Отрасли хозяйства

Причина выхода из строя Ед. изм во т о ге ии Л и пе о в т с д о в о н о в т с д о « е е и н е же б сЗ н е и к с р (и т о * 1 мв ет нс Й « (и ЬЧ рз

ол м р о « т о в и К ц и т тП с о д о В с а Е ср зо я *

Разрушение подшипниковых узлов и токо- % 37,5 28,1 28,0 32,3 45,0 32,0

вая перегрузка

Обрыв фазы % 10,8 32,2 23,6 31,3 22,0 27,0

Заклинивание вала ЭД % 15,9 17,8 11,3 18,1 8,0 11,0

Нарушение в системе охлаждения % 7,2 3,0 2,0 5,5 18,0 8,0

Пробой изоляции вследствие её пере- % 24,0 13,9 30,0 7,8 3,0 17,0

увлажнения

Прочие % 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0

Всего шт. 1480 7125 23800 1830 7681 42096

Средний срок службы лет 5,5 2,6 3,1 1,3 5,8 3,7

Анализ статистических данных, приведенных в таблице 1.1, показывает, что влиянию аварийных режимов на отказы электродвигателей подвержены погружные электронасосные агрегаты в системах сельского водоснабжения.

Результаты исследования, представленные в таблице 1.2 работы [95], показывают относительное распределение повреждений погружных электронасосов на предприятиях сельского хозяйства.

Таблица 1.2 - Относительное распределение повреждений погружных электрона-

сосов [95]

Основные виды повреждений электронасосов ПЭДВ - 32 - 230 ПЭДВ - 65 - 270 и ПЭДВ - 45 - 270

количество, шт. % количество, шт. %

Износ изоляции обмоток статора 29 23,0 25 33,3

Износ изоляции в местах соединений 28 22,2 15 20,0

Износ радиальных подшипников электродвигателя 15 11,9 10 13,3

Износ упорных подшипников электродвигателя 15 11,9 12 16,0

Повреждения насосной части 15 11,9 5 6,7

Комбинированный износ (механический и электрический) 24 19,1 8 10,7

Итого 126 100 75 100

В работе [52] приведены сведения, которые показывают, что более 50 %

электродвигателей выходят из строя вследствие технологических перегрузок, заклинивания ротора и разрушения подшипникового узла [52].

Макаренко А.С. [69] при исследовании отказов погружных электродвигателей установил, что из за выхода из строя подшипниковых узлов отказывают до 10% этих электродвигателей.

Опыт эксплуатации показывает, что условия работы, химический состав воды в значительной степени влияют на износ элементов погружных электронасосных установок [32, 61, 74, 76].

Вследствие конструктивных особенностей деталей погружного электронасоса, движения жидкости внутри насоса, особенности условий и режимов работы, износ деталей приобретает различные формы и характер. В настоящее время имеется ограниченная статистика отказов погружных электродвигателей типа ПЭДВ (погружной электродвигатель водозаполненный). По данным эксплуатационных наблюдений [106] можно принять следующее распределение видов отказов погружных электродвигателей. Это распределение представлено в таблице 1.3.

Таблица 1.3 - Распределение видов отказов погружных электродвигателей

Вид отказа Распределение отказа в %

Упорный подшипник 30

Обмотка статора 30

Износные отказы других узлов 20

Прочие отказы 20

Проанализировав работы [32, 33, 46, 51, 62, 74, 76, 80, 81, 93, 94, 95, 99, 108] и данные предприятий, занимающихся эксплуатацией и ремонтом погружных насосных установок, можно заключить, что одним из наиболее слабых узлов погружных электродвигателей является упорный подшипниковый узел.

1.2 Анализ существующих методов испытаний надежности подшипниковых узлов электродвигателей и технические средства их реализации

Важнейшее звено технологии процесса изготовления и ремонта электрооборудования - экспериментальная оценка надежности. Определительные и кон-

трольные испытания - основные виды таких испытаний [13, 63, 65].

Определительные испытания объектов на надежность проводятся для нахождения фактических количественных показателей надежности [13]. Они позволяют определить плотность распределения ресурса и, следовательно, любой гамма - процентный ресурс испытываемых изделий. Определительные испытания позволяют получить исчерпывающую информацию о работоспособности исследуемых деталей. К недостатку данных испытаний относится большой объем проводимых исследований [12].

Контрольные испытания на надежность проводятся для определения соответствия количественных показателей надежности требованиям стандартов или технических условий [13]. Эти испытания несут лишь определенную оценку надежности по сравнению с базовым изделием. Они могут лишь сказать, что надежность испытываемого изделия выше или ниже надежности базового изделия.

Эксплуатационные и стендовые испытания применяются для оценки надежности объектов электрооборудования, их узлов и деталей [12, 13, 104].

1.2.1 Эксплуатационные испытания электрооборудования

Наиболее полную информацию о фактической надежности элементов электрооборудования дают эксплуатационные испытания, поскольку они являются определительными [13, 63]. Методику данных испытаний можно применять как для нового, так и для капитально отремонтированного электрооборудования [13].

Надежность электрооборудования по результатам эксплуатационных испытаний следует проводить согласно методике, приведенной в работах [87, 91] и реализованной в работах кафедры ЭОЭТ [3, 10, 9, 53, 118].

С целью сокращения времени и числа необходимых объектов при эксплуатационных наблюдениях можно обоснованно использовать проверенную информацию о результатах предварительных испытаний при строгом соблюдении их точности и достоверности [12, 80].

Методы определения надежности в условиях эксплуатации согласно стан-

дарта включают 7 планов испытаний, они рекомендуют число испытываемых объектов. Данные планы имеют обозначения [12, 13, 39, 41, 66]:

U - вышедшие из строя объекты не заменяют на новые и не восстанавливают;

R - вышедшие из строя объекты заменяют на новые;

М - вышедшие из строя объекты восстанавливают (ремонтируют);

N - количество объектов, находящихся на испытании (первая буква), или количество вышедших из строя объектов (третья буква);

г - количество вышедших из строя объектов, достигнув которого испытания прекращаются (г<Щ

Т - период, после достижения которого испытания прекращаются.

Количество наблюдений в условиях применения по назначению зависит от матрицы испытаний и уровня значимости результатов оценки работоспособности исследуемых объектов. Эксплуатационные испытания могут быть полными или усеченными.

Проведение эксплуатационных испытаний представляет широкую информацию о фактической надежности электрооборудования, однако главный их недостаток - продолжительный срок их реализации [13].

1.2.2 Способы ускорения испытаний на надежность, технические средства стендовых испытаний

Выше было отмечено, что одним из способов получения информации о ресурсе электрооборудования - является проведение стендовых испытаний. Основным их преимуществом перед эксплуатационными испытаниями является значительное сокращение времени получения информации с достаточно высоким уровнем точности и достоверности информации [3, 12, 13, 77, 83].

Совершенствованием методов ускоренных стендовых испытаний объектов электрооборудования на надежность занимались ВНИИэлектропривод, ВНИИР, ВИМ, ВНИИВЭ, ЭНИМС, МЭИ, МАИ, ТПИ, ЮУрГАУ и другие организации.

Значительный вклад в разработку методов ускоренной оценки надежности

узлов электрооборудования внесли О.Д. Гольдберг, А.Г. Горбунов, В.А. Буторин, Б.Н. Ванеев, М.М. Гамзаев, В.М. Гетманенко, Г.В. Ермолин, Н.Л. Кузнецов, П.С. Сотсков, Э.К. Стрельбицкий, Б.В. Токарев, Д.Н. Хомченко и др. [12, 24, 35, 63, 64, 111, 115]. Классифиция ускоренных стендовых испытаний по виду, принципам назначения, по режиму и способу снижения времени проведения испытаний представлена на рисунке 1.1 [12, 13].

Классификация ускоренных иляФФилиЛ

По Си Я р иихыыиыиС

Пи и-яно-и-ни я иихы-тихиU

Пи цс и иы ы _

UUXЫФUXUU

Пи иыии сЫ ц

CUXфUфEXUX

ВЦСФСЯХ

UUXЫФUXUU

МсфсФы си ис яссссых и фс я Фс Сы я

UUXЫФUXUU

0хыилихифихяхыи

Ни Ыисофниянсифь

/-/иыыихяхыи (эхиххыифиии-инныи} р и ии ЫЫ нии ЫЫ фе я их

Кинфриняныи

Ни ЛихииUиохииФь

Фиыииыиииыныс ф и ии я ы нии ыы фе ни я

ч

I

1 I

ш

3

Сэ ¡1 § I ^

? I

I I & Iя

I I

I &

^ §§

I & I § § I § I I

1

I §

§ I

I &

I (I

3= 3:

за

л I

1 и

§ I

I I 1

!

I

Л

I

ш

и

I

$

1

&

1 ш

ш I

I!

И

I

I

I

I -

I &

£ 1

I §

Сз ^

I IX

^ §

Рисунок 1.1 -Методы ускоренных испытаний [12]

Степень нагружения при стендовых испытаниях может быть различная, в связи с этим они могут быть нормальными или форсированными. При нормальном уровне нагружения в процессе стендовых испытаний они соответствуют условиям реального применения по назначению. Режимы нагрузок при форсированных испытаниях превышают режимы нагрузок в реальных условиях использования объекта [12, 13].

Степень ускорения при испытаниях с уплотнением циклов применения по назначению описывается уравнением [10, 12]

К _ (1р + 1ПЭ) (1 1)

у (1р + 1 ПИ)' ( . )

где ^ - период рабочего цикла применения по назначению;

- период паузы (простоя) в цикле применения по назначению; 1ПИ - период пауз между рабочими циклами в процессе ускоренных испытаний.

Снижение периода экспериментальных исследований на средних уровнях воздействующих факторов для электрооборудования с известным показателем характера изменения определяющего параметра состояния (ПТС) в зависимости от времени работы можно добиться за счет экстраполяции во времени [63]. Данный способ обеспечивает достоверную оценку прогноза показателей надежности электрооборудования по результатам краткосрочных испытаний (рис. 1.2). Коэффициент ускорения при известном значении показателя характера изменения определяющего параметра описывается уравнением [13]

Ку = (1.2)

1И

где гэ - наработка объекта до предельного состояния в процессе применения по назначению;

ги - период испытаний на стенде с нормальной величиной нагрузки.

Рисунок 1.2 - Ускорение испытания при известном показателе характера изменения определяющего параметра

В случае, когда изменение ПТС объекта электрооборудования линейно связано с его наработкой степень ускорения стендовых испытаний может быть определена по формуле [10, 12]

Ку = Н >

у Ь (1.3)

где Н - предельное изменение ПТС;

Ь - изменение ПТС за время испытаний.

Перспективным направлением в сокращении длительности стендовых испытаний является определение функциональной зависимости количественных показателей надежности и скорости изменения ПТС. При этом определяются плотность распределения параметра технического состояния Д(Ь) и его изменение во времени (рисунок 1.3) [3, 13].

/

Рисунок 1.3 - Применение статистических методов анализа результатов стендовых испытаний для определения Р^) [3]

При обосновании методики испытаний с форсированной нагрузкой объектов электрооборудования в большинстве случаев используются результаты исследований А.М. Перроте [87] по ускоренным испытаниям работоспособности радиоэлементов. При этих испытаниях используется принцип равной вероятности (рисунок 1.4) [12]

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гусейнов Руслан Тофикович, 2020 год

- анализ литературных источников;

- синтез экспертных оценок специалистов в области эксплуатации ПЭДВ;

- проведение отсеивающих экспериментов;

- определение статистически значимых факторов при проведении стендовых испытаний по плану многофакторного эксперимента [7].

Выбранные факторы должны быть независимыми, т. е. при испытаниях на стенде необходимо обеспечить установление каждого из выбранных факторов на любом эксплуатационном уровне вне зависимости от уровней других факторов [17, 18, 19, 58].

Большинство факторов делятся на три группы [10, 16]:

- эксплуатационные факторы: переменное усилие, передаваемое соединительной муфтой от насоса, (С); вибрация, обусловленная неправильной установкой ПЭДВ, (Q); песок, (П); наличие агрессивных элементов в воде, (п); температура воды, (Т); качество подводимого напряжения, (и);

- технологические факторы: твердость рабочих поверхностей элементов

подшипникового узла, (Н); технология термообработки элементов подшипникового узла, (Н1); переменное усилие, возникающее по причине неуравновешенности вращающихся масс, (Р); шероховатость подпятника, (Ш);

- конструктивные факторы: химический состав материалов деталей подшипниковых узлов, (Х); размеры элементов подшипникового узла, (К); частота вращения ротора, (Ь); масса ротора, (М).

Схема процесса износа упорного подшипникового узла ПЭДВ приведена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 - Процесс износа подшипникового узла ПЭДВ

Рассмотрение факторов, влияющих на долговечность упорного подшипникового узла погружных электродвигателей, проводилось следующим образом. Все действующие факторы были разделены на две группы, основные и второстепенные. Второстепенные факторы в большинстве случаев принимаются постоянными, так как они оказывают не существенное влияние. В связи с этим в дальнейшем в работе их не учитываем.

Износ элементов упорного подшипникового узла погружных электродвигателей зависит от фактора величины напряжения (и), к которому

запитывается данный электродвигатель. Это связано с тем, что момент М погружного электродвигателя связан с питающим напряжением зависимостью М=/(и). При увеличении напряжения значение момента увеличивается в квадрате от этого напряжения. Известно, что чем выше момент, тем меньше время разгона электродвигателя и, следовательно, меньше время соприкосновения опорной пяты с подпятником. Вследствие этого износ упорного подшипникового узла погружных электродвигателей снижается [19]. При снижении напряжения, наоборот, износ этого узла увеличивается. Поэтому фактор напряжения относится к основным.

Одной из трущихся частей электронасоса является опора скольжения, смазываемая скважинной водой. Увеличение содержания песка в воде приводит к снижению долговечности элементов погружного электродвигателя. Песок в воде приводит к абразивному изнашиванию упорного подшипникового узла погружных электродвигателей в связи с этим фактор (П) будет основным.

Факторы усилие муфты (С) и вибрация электронасоса (Q) относятся к второстепенным, так как муфта устанавливается с натягом при помощи шпонки и валы электродвигателя и насоса достаточно сцентрированы.

Фактор температура (Т) относится к второстепенным, потому что за 12 месяцев эксплуатации она практически не меняется. В процессе испытаний величину указанного фактора следует поддерживать близкой к эксплуатационному значению.

Анализируя информацию, полученную из литературы, видно, что на работоспособность скважинных насосов значительное влияние оказывает химический состав воды, а именно, содержание Ж, О и Х [16].

Влияние жесткости воды на упорный подшипниковый узел погружного электродвигателя зависит от концентрации солей магния и калия, магниевые соли хуже растворяются в воде и тем самым образуют микротрещины на резиновых подушечках подпятника. Так же соли жесткости образуют на поверхности подпятника кристаллическую солевую решетку, которая приводит к загрубению резины, вследствие чего она теряет эластичность. Резина подпятника становится

грубой и хрупкой, поэтому легче подается механическому изнашиванию [27, 28, 73, 117].

Окисляемость воды - одна из причин старения резины, в результате которого ухудшаются эксплуатационные свойства. Взаимодействие резины с кислородом имеет весьма существенное значение при проведении технологического процесса вулканизации, приводящее к изменению свойств резины. В начале реакции окисления резина характеризуется относительной липкостью, после реакции присоединения 0,5 - 1,0% кислорода вся масса резины размягчается. При дальнейшем окислении и поглощения резиной 5 - 10% кислорода она становится твердой, что приводит к увеличению её хрупкости, поверхность резины покрывается трещинами [27, 28, 73, 117].

Ионы хлора воды приводят, к набуханию резиновой подушечки упорного подшипникового узла погружного электродвигателя и тем самым происходит частичное отслоение вулканизированной резины от подпятника в процессе включения и отключения этого электродвигателя [27, 28, 73, 117].

Факторы Ж, О и Х следует принять основным при проведении ресурсных испытаний упорного подшипникового узла ПЭДВ [16].

При проведении ресурсных стендовых испытаний используются детали упорного подшипникового узла, принятые с завода изготовителя. Вследствие этого конструктивные факторы являются не регулируемыми. В связи с этим в дальнейшем они рассматриваться не будут [18].

Следующая группа объединяет технологические факторы, возникающие при изготовлении упорного подшипникового узла и осуществлении его ремонта. Данные факторы являются нерегулируемыми, их следует контролировать при проведении стендовых испытаний [10, 19].

На основании вышесказанного, установлены конструктивные, технологические и эксплуатационные факторы, влияющие на процесс износа подшипникового узла ПЭДВ. Из всего многообразия факторов выявлены основные, к которым относятся эксплуатационные факторы: качество напряжения (И), наличие в воде механических примесей в виде песка (П), жесткость воды (Ж),

окисляемость воды (О) и содержание ионов хлора в воде (Х). Данные факторы при проведении экспериментальных исследований должны воспроизводиться во всем диапазоне своих эксплуатационных значений.

3.3 Построение группированного статистического ряда и выравнивание гистограммы

Для получения представления о плотности распределения эксплуатационных факторов и ресурса необходимо построить группированный статистический ряд и гистограмму.

Под группированным статистическим рядом понимают таблицу 3.2.

Таблица 3.2 - Группированный статистический ряд

.0 * .1 .1 : .2 .N-1 :

* А * р2 * р2 2 р N

где р*, р*,... р*,... р* статистические вероятности (частоты), с которыми значения случайной величины X попадает в интервал

Статистические вероятности (частоты) рассчитываются по формуле

* П (1 1\

р*=—, (31)

п

где щ - число наблюдений, в которых значения случайной величины X попадает в интервал

п - объем статистической выборки.

На оси абсцисс откладывают интервалы. Данные интервалы служат основаниями прямоугольников площадью р *. Совокупность прямоугольников образует гистограмму, являющуюся аналогом распределения, полученного на основании статистических данных (рисунок 3.5) [25].

Рисунок 3.5 - Гистограмма и выравнивающая кривая для фактора Х

При выравнивании гистограммы некоторой кривой возникает два вопроса:

- какую теоретическую плотность распределения принять в качестве выравнивающей функции;

- проверка правдоподобия гипотезы о соответствии статистического ряда (табл. 3.2), по которому построена гистограмма, принятому закону распределения.

Рассмотрим эти вопросы по очереди.

Закон распределения выбирают исходя из существа задачи и физических соображений. Например, в расчетах по теории надежности широкое распространение получило распределение Вейбулла (2.34). Если имеет место совокупное влияние большого числа случайных факторов, сравнимых по порядку своего влияния, то прибегают к нормальному закону, плотность распределения которого имеет вид

/ (=—тт= ехр

<Гл/ 1Л

2аг

(3.2)

где т - математическое ожидание случайной величины;

а - среднеквадратическое отклонение.

Проверка гипотезы о сходимости статистического и теоретического распределений производится с использованием критерия согласия. С этой целью назначается величина Я, которая обуславливает предельное отличие статистического и теоретического распределений. Далее находится такая величина Яа, при которой Р(Я> Яа)=а - величина уровня значимости. В случае, когда определённое по результатам эксперимента Ястат, окажется больше чем Яа, то отличие статистического и теоретического распределений считается значимым. Наоборот, в случае, когда Ястат окажется меньше назначенной меры величины Я, различие статистического и теоретического распределений можно принять не существенным.

Количественная оценка величины расхождения Я статистического и теоретического распределений проводится с помощью различных критериев согласия, разработанных К. Пирсоном, А.Н. Колмогоровым, В.Н. Романовским, Б.М. Ястремским и др. При оценке надежности элементов электрооборудования в качестве критерия согласия указанных выше распределений чаще всего используется критерий X Пирсона. Величина данного критерия определяется с использованием следующего равенства

^ = £ М., (3.3)

¿=1 П

где п* - статистическая частота попаданий случайной величины в интервал

П - теоретическая частота попадания в этот же интервал;

N - число интервалов.

Значения вероятностей р(^2 > хСшат) в зависимости от %1тат находят по таблице, входом в которую служат:

- уровень значимости а;

- число степеней свободы к, которое рассчитывается по формуле

k = N - r-1, (3.4)

где r - число параметров в законе распределения.

Для нормального закона r=2, для закона Релея r=1, для трехпараметрического закона Вейбулла r=3 [см. формулы (3.2), (2.30), (2.34) соответственно].

3.4 Выбор законов распределения основных факторов

При износе упорного подшипникового узла погружных электродвигателей необходимо оценить степень влияния каждого фактора. Для этого необходимо установить диапазон эксплуатационных значений каждого фактора. Так как действие факторов в определенный момент времени является случайной величиной, определяющим будет закон распределения для каждого из них. Необходимым также является независимость воздействия каждого фактора на любом уровне его значений от уровней воздействия других факторов [57, 58].

Распространенными законами для описания основных воздействующих факторов, влияющих на параметр технического состояния упорного подшипникового узла электродвигателей, являются нормальный и Рэлея [36, 43].

При нормальном распределении случайная величина с вероятностью 0,997 находится в интервале

X±3aX. (3.6)

Плотность распределения Рэлея имеет вид

1 -Xi

f(x) = — е-2, (3.7)

a

среднеквадратическое отклонение, которого записывается уравнением

* = f-f-a. (3.8)

где a - параметр распределения Рэлея.

Достоверность принятой гипотезы в настоящей работе проверялась по критерию Пирсона, см. формулу (3.3) [36,43].

3.5 Методика определения скорости и ускорения изнашивания упорного подшипникового узла погружных электродвигателей

Для оценки скорости и ускорения изнашивания упорного подшипникового узла погружных электродвигателей необходимо реализовать следующую программу:

- на основании априорных сведений и проведения испытаний определить параметры законов распределения эксплуатационных факторов, влияющих на скорость и ускорение изнашивания упорного подшипникового узла погружных электродвигателей;

- по результатам стендовых испытаний определить коэффициенты полиномиальных зависимостей при двух наработках, отличающихся друг от друга в два раза. Эти коэффициенты дают представление о доли воздействия рассматриваемых факторов и их сочетаний на износ упорного подшипникового узла погружных электродвигателей;

- произвести оценку скорости и ускорения изнашивания упорного подшипникового узла погружных электродвигателей по формулам (2.26) и (2.28).

Оценка скорости и ускорения износа позволяет спрогнозировать ресурс упорного подшипникового узла погружных электродвигателей по формуле (2.22). Прогнозирование ресурса рассматриваемых объектов проводилось на кафедре ЭОЭТ ЮУрГАУ [16, 17, 18, 19, 86].

3.6 Технические средства ускоренных стендовых испытаний упорного подшипникового узла погружных электродвигателей 3.6.1 Требования к экспериментальной установке, выбор схемы и

конструкции стенда

Экспериментальная установка для проведения испытаний на надежность упорного подшипникового узла погружного электродвигателя должна отвечать

следующим требованиям [10, 18]:

- обеспечивать воздействие на испытываемый упорный подшипниковый узел каждого из факторов в диапазоне их эксплуатационных значений;

- схема управления должна обеспечивать проведение испытания в автоматическом режиме и иметь независимую защиту;

- обладать минимально возможными габаритами и массой;

- использовать стандартные узлы и агрегаты;

-обладать достаточной надежностью, простотой и удобством в обслуживании и ремонте.

В результате выполнения приведенных выше требований был разработан испытательный стенд для проведения ресурсных испытаний упорного подшипникового узла ПЭДВ. Данный стенд, его компоновочная схема и внешний вид приведены на рисунках 3.6 и 3.7 [18].

1 - электронасос; 2 - счетчик расхода воды; 3 - краны; 4 - пусковая станция; 5 - манометр; 6 - регулятор напряжения; 7 - бак. Рисунок 3.6 - Принципиальная схема стенда для проведения испытаний упорного подшипникового узла погружного электродвигателя

Рисунок 3.7 - Внешний вид испытательного стенда по определению ресурса упорного подшипникового узла погружного электродвигателя а - внешний вид; б - вид внутри бака.

Технологическая схема испытательного стенда приведена на рисунке 3.6. Работа данной установки осуществляется следующим образом. Насос 1 помещается в рабочий бак установки 7. Запуск насоса осуществляется с пусковой станции 4, изображенной на рисунке 3.8. После запуска насоса вода, находящаяся в баке, перемещается по трубопроводу и, проходя через манометр 5, попадает на задвижки 3. После чего вода по трубопроводу перемещается на водомер 2 и попадает в рабочий бак установки. Таким образом, в установке образуется замкнутый контур движения воды. Также, схемой установки предусмотрен регулятор напряжения 6.

Для оценки продолжительности работы насоса в схеме управления установкой предусмотрено реле времени, позволяющее производить запуск и остановку насоса, т. е. регулировать цикл работы насоса. В нашем случае с целью ускорения процесса испытаний, согласно паспорту двигателя ПЭДВ, за цикл работы насоса было решено взять 6 минут, с учетом того, что износ упорного подшипникового узла происходит только в момент пуска и остановки насоса.

Пусковая и контрольная аппаратура смонтированы в пусковую станцию (4), внешний вид которой представлен на рисунке 3.8. Пусковая станция включает пусковую, защитную и контрольно-измерительную аппаратуру. К контрольно-измерительной аппаратуре относится манометр, расходомер и амперметр, по показаниям которых судят о работе электронасоса [18].

Имитирование основных эксплуатационных факторов осуществляется при помощи задвижек, путем регулирования объема необходимого химического состава воды в баке, а также индукционным регулятором 6, путем изменения подводимого напряжения. Индукционный регулятор служит для имитирования фактора (и) [18, 49, 50].

Содержание примесей в воде регулируется за счет применения различных химических добавок с различными компонентами. Имитирование, а также контроль факторов (Ж, О и X) и наличие песка (П), создавалось благодаря специализированной лаборатории (приложение А).

б

Рисунок 3.8 - Щит управления испытательного стенда а) внутренний вид схемы управления; б) внешний вид щита управления.

Разработанная схема управления испытательного стенда приведена на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 - Принципиальная электрическая схема испытательного стенда

В ручном режиме работы схемы управления запуска ПЭДВ осуществляется нажатием кнопки SB2 «Пуск», а остановка нажатием кнопки SB1 «Стоп». Для перехода схемы управления в автоматический режим необходимо переключатель SA перевести в положение «A». В этом случае питание подается на электромагнит YA и электродвигатель M2 программного реле времени KT1. Через заданный промежуток времени, обеспечивающий уставкой реле, нормально открытый контакт с выдержкой времени на замыкание KT1 замыкается и собирает цепь, по которой питание подается на катушку промежуточного реле

КУ1. Нормально открытый контакт КУ1 промежуточного реле замыкается и собирает цепь, по которой подается питание на катушку пускателя КМ, силовые контакты КМ замыкаются, происходит пуск ПЭДВ. Так же, контакт КТ1 программного реле времени собирает цепь, по которой питание получает катушка реле времени КТ 2. Спустя заданный интервал времени его нормально закрытый контакт КТ2.2 с задержкой времени на возврат размыкается, при этом разбирает цепь, по которой осуществлялось питание катушки промежуточного реле КУ1 . Контакт КУ 1 размыкается и происходит отключение ПЭДВ. Контакт КТ 2.1 реле времени КТ2 с задержкой времени на возврат разбирает цепь питания программного реле КТ 1, которое возвращается в исходное состояние. Время работы ПЭДВ составляет 9 секунд, время ожидания - 6 минут [18].

3.6.2 Устройство для измерения изнашивания упорного подшипникового узла погружных электродвигателей

В процессе эксплуатации электронасоса из-за изнашивания упорного подшипникового узла вал с ротором погружного электродвигателя смещается вертикально вниз по оси относительно корпуса. В качестве параметра технического состояния подшипникового узла погружного электродвигателя принимается износ (снижение высоты подпятника) упорного подшипника [120]. Таким образом, износ упорного подшипника необходимо контролировать по перемещению вдоль вертикальной оси ротора электродвигателя.

Измерение изменения в процессе износа высоты упорного подшипника можно производить штангенциркулем, микратором, миниметром и микрометром. Для проведения экспериментов в качестве измерительного прибора нами был выбран микрометр (миниметр), внешний вид которого представлен на рисунке 3.10.

Для совершенствования процесса оценки технического состояния было разработано устройство, позволяющее производить измерения износа упорного подшипника без снятия со стенда и разборки погружного электродвигателя, что в

свою очередь ведет к снижению трудоемкости измерений и сокращению времени проведения ускоренных стендовых испытаний [10, 85, 86].

Рисунок 3.10 - Внешний вид микрометра

На рисунке 3.11 представлено схематичное изображение предлагаемого устройства.

Устройство для измерения износа упорного подшипникового узла погружного электродвигателя состоит из торцевого круга (4) и соединительной муфты (5), в которой просверлено три отверстия (11) и нарезана резьба под стопорный винт (12), служащих для фиксации пластин (3). Фиксация микрометра (миниметра) (2) осуществляется за счет крепежной пластины (13) на штативе (14). Соединительная муфта (5) соединяет вал (7) двигателя (9) с валом (6) насоса (10). На боковой поверхности соединительной муфты (5) выполнены отверстия с резьбой для крепления пластин (3). Часть пластины с одной стороны выполнена под крепление на муфте и имеет круглое сечение с наружной резьбой. На торце электродвигателя (9) при помощи шпилек (8) (имеются на двигателе) прикреплен

торцевой круг (4). Один конец микрометра крепится непосредственно за торцевой круг, второй конец закрепляется на пластине [86].

10

Рисунок 3.11 - Схематическое изображение устройства для определения износа упорного подшипника погружного электродвигателя

Работа устройства осуществляется следующим образом. Установленный на штативе микрометр (миниметр) закрепляют за торцевой круг и пластину. Перед началом измерений к торцу электродвигателя при помощи шпилек жестко закрепляют торцевой круг, на соединительной муфте с помощью резьбы устанавливают съемные пластины. При этом микрометр (миниметр) показывает начальный износ, который записывают. Затем с соединительной муфты снимают съемные пластины и запускают электродвигатель насоса, оставляя работать на необходимое время. После окончания опыта и остановки электродвигателя на

муфте повторно закрепляют съемные пластины и повторяют измерения при помощи микрометра (миниметра). Внешний вид данного устройства представлен на рисунке 3.12.

Рисунок 3.12 - Устройство для измерения износа упорного подшипника

погружного электродвигателя

Использование устройства для измерения износа упорного подшипника погружного электродвигателя позволяет обеспечить микрометрический контроль его износа при проведении стендовых испытаний. Контроль технического состояния упорного подшипникового узла осуществляется без разборки электродвигателя, что не приводит к дополнительному износу элементов погружного электродвигателя.

Работникам, занимающимся эксплуатацией погружных

электродвигателей, для обеспечения возможности осуществления ступенчатого контроля износа (диагностирования) подшипниковых узлов при работающем и отключенном ПЭДВ, а также для автоматического отключения насосной установки в момент наступления предельного износа подшипникового узла, предлагается устройство, описанное в работе [85].

Технической задачей устройства является обеспечение возможности осуществлять ступенчатый контроль износа подшипниковых узлов при работающем и отключенном электродвигателе, без выемки его из скважины, а

также автоматическое отключение насосной установки в момент наступления предельного износа подшипникового узла.

На схемах рисунков 3.13 и 3.14, представлено схематичное изображение предлагаемого устройства. В качестве датчиков контроля технического состояния подшипниковых узлов ПЭДВ применены кондуктометрические датчики.

Рисунок 3.13 - Внешний вид устройства

Устройство (рисунок 3.13) содержит три нижних кондуктометрических датчика с изогнутыми электродами в виде крючка, нижний крючковой электрод 1, нижний крючковой электрод 2, нижний крючковой электрод 3, связанные с ними кондуктометрические датчики 4, 5, 6. Все электроды 1, 2, 3 закреплены при помощи хомутов 12 на корпусе насоса. Дисковая муфта с заостренной торцевой частью 7 (рисунок 3.13, вид А-А) установлена на соединительной муфте электродвигателя и насоса 8. На соединительной муфте выполнена прорезь для

обеспечения ступенчатого хода дисковой муфты, которая при помощи болта 9 крепится на валу электродвигателя 10. На схеме управления (рисунок 3.14) представлены схема соединения подводящими проводами в кабеле кондуктометрических датчиков в корпусе устройства 11; блок светодиодных индикаторов сигнализации 12-14; регулятор чувствительности 15-17; пороговые устройства ПУ 1, ПУ 2, ПУ 3; логический элемент И-НЕ 18; промежуточное реле для обрыва подводящего провода 19 к катушке магнитного пускателя; корпус блока управления и сигнализации устройства 11; труба 9, играющая роль общего электрода для всех изолированных электродов.

Устройство работает следующим образом. Контроль износа в пределах величин Lmin-Lmax определяется при помощи дисковой муфты 7 и нижних крючковых электродов. Закрепленная на валу 10 дисковая муфта 7 своей нижней поверхностью постепенно начнет истирать изоляцию верхнего крючкового электрода 1. При величине смещения вала 10 на значение Lmin на электрод поступит вода, замкнется цепь электрод 1 и труба 9. Сигнал поступит на кондуктометрический датчик 4, далее на клемму 1, на регулятор чувствительности 15 и пороговое устройство ПУ 1 со светодиодом 12. Вследствие этого загорится светодиодный индикатор сигнализации на панели устройства, который покажет минимальный износ (износ в норме). При возникновении среднего износа (предотказное состояние) вал 10 сместится на величину Lcp и дисковая муфта 7 опустится еще ниже, что приведет к износу изоляции среднего крючкового электрода 2. Вследствие этого вода поступит на электрод 2, замкнется цепь электрод 2 и труба 9. Так же как и в верхнем электроде, сигнал поступит на кондуктометрический датчик 5, далее на клемму 2, на регулятор чувствительности 16 и пороговое устройство ПУ 2 со светодиодом 13. Загорится светодиодный индикатор сигнализации на панели устройства, который укажет на наступление среднего износа (предотказный износ). Далее наступает износ нижнего крючкового электрода 3. Максимальный (предельный) износ Lmax вызывает непосредственный контакт нижнего электрода с водой. При этом замкнется цепь электрод 3 и труба 9, сигнал поступит на кондуктометрический

датчик 6, далее на клемму 3, на регулятор чувствительности 17 и пороговое устройство ПУ 3 со светодиодом 14. Светодиодный индикатор сигнализации загорится, сигнал через светодиод 14 и логический элемент 18 поступает на реле 19, которое разомкнет свой контакт К1.1 в цепи катушки магнитного пускателя, соответственно отключится ПЭДВ.

\3

Рисунок 3.14 - Схема управления устройства

Применение предложенного устройства позволяет обеспечить ступенчатый контроль износа подшипниковых узлов, автоматически отключить ПЭДВ во избежание более сложного ремонта. Установка устройства осуществляется без разбора ПЭДВ и позволяет осуществлять контроль технического состояния подшипниковых узлов ПЭДВ без подъема из скважины.

3.7 Планирование стендовых ресурсных испытаний упорного подшипникового узла, методика обработки результатов

После выбора основных факторов можно перейти к планированию эксперимента, который состоит из следующих этапов [2, 58]:

- выбора параметра технического состояния и уровней варьирования факторов;

- кодирования факторов;

- составления матрицы планирования эксперимента;

- реализации плана эксперимента;

- проверка воспроизводимости опытов;

- расчета коэффициентов регрессии, их значимости;

- проверка адекватности полученной модели.

Для составления матрицы планирования многофакторного эксперимента необходимо привести выделенные факторы к единой системе исчисления путем перевода от действительных значений факторов в кодированные, поскольку факторы не однородны и имеют различные порядки измерения. Кодирование факторов производится по выражению [2, 57, 58]

хг = (3 9)

г АХ. , ( )

где х1 - величина фактора в кодированном виде;

X - натуральное значение фактора на нижнем или верхнем уровне;

X 0 - натуральное значение фактора на нулевом уровне;

АХх - интервал варьирования.

При планировании многофакторного эксперимента основные эксплуатационные факторы, выбранные ранее в разделе 3.2, были выражены в кодовых обозначениях (таблица 3.3).

Таблица 3.3 - Эксплуатационные факторы в кодовых обозначениях

Наименование факторов Единица измерения Натуральное обозначение Кодовое обозначение

Качество питающего напряжения В и Х1

Наличие песка в воде мг/м3 П Х2

Жесткость воды ммоль Ж Х3

Окисляемость воды мг/дм3 О Х4

Содержание ионов хлора в воде мг/дм3 Х Х5

Для сокращения числа опытов и сохранения оптимальных свойств матрицы планирования эксперимента стендовые испытания целесообразно проводить, используя план дробного факторного эксперимента. Дробнофакторное планирование обычно применимо при числе факторов более трех. Дальнейшие исследования показали, что следует принимать матрицу планирования эксперимента типа 25 2, приведенную в таблице 3.4, показывающую влияние основных факторов на износ И} и И2 упорного подшипникового узла погружных электродвигателей.

Влиянием взаимодействий факторов ХХ2 и ХгХ3 можно пренебречь. Это объясняется тем, что при незначительном изменении напряжения момент на валу электродвигателя измениться так же незначительно [69] и, следовательно, его взаимодействия с факторами песка и жесткости воды можно не учитывать.

Таблица 3.4 -План эксперимента при оценке износа И} и И2 упорного

подшипникового узла

№ опыта Значения факторов в кодированных обозначениях Износ

Х 0 Х! Х 2 Х 3 Х 4 Х 5 Х 2 Х 3 Х 2 Х 4 Х 2 Х3 Х 4 И} И2

1 + + + + + + + + +

2 + — + + — — — — +

3 + + — + — + — + +

4 + — — + + — + — +

5 + + + — + — + — +

6 + — + — — + — + —

7 + + — — — — — — +

8 + — — — + + + — +

По результатам каждого опыта в соответствующие столбцы матрицы планирования эксперимента записывался износ, учитывая который по формулам 2.26 и 2.28 рассчитывалась начальная скорость и ускорение.

После реализации матрицы планирования эксперимента проводилась обработка полученных экспериментальных данных по изменению параметра технического состояния упорного подшипникового узла. Обработка выполнялась согласно методик [2, 7], которые включают следующие этапы: расчет коэффициентов уравнений регрессии; проверку воспроизводимости опытов, значимости коэффициентов регрессии и адекватности полученной модели [58].

Коэффициенты регрессии в функциях

где

к

Ь1 = С0 + ХС • X + Хси • X • xj + •••,

,=1

к

i<j

к

h2 = Со +ХС • X + ХС • X • Xj + •

(3.10)

(3.11)

,=1

i<j

определяются из выражений

N

X ь

С0 =

N

N

X X, ■ ь,

с

N

N

X х, - ь ■ Xj,

с

N

(3.12)

(3.13)

(3.14)

Ь, -среднее значение износа, в соответствующем 1 - ом опыте;

Хе. - значение фактора в 1 - ом опыте;

X- значение фактора Х] в 1 - ом опыте;

N - количество опытов. Дисперсия выхода опыта

к

1

1

N

I h - h J

О 2 1

Shi ----, (3.15)

m -1

N _

v2

где I (hi hi) - сумма квадратов отклонений проведенных повторных опытов;

i

m - число многократных повторов.

Для определения воспроизводимости опытов при экспериментальных исследованиях использовался критерий Кохрена

S 2

_ h max

Gpac4 - — (3.16)

I Shi 1

где ^/гтах - максимальная дисперсия в отдельных опытах;

- дисперсия в I - ом опыте. Числитель в выражении (3.16) характеризуется числом степеней свободы / = т -1, а значение /2 = N.

При вычислении критерия Кохрена, дисперсия для каждого опыта находится по выражению [2, 58]

11 (h - h J2

о 2 _ 1 1_

3= N(т -1) , (3.17)

где к - значение износа изменяемого ПТС элементов упорного подшипникового узла в I - ой строке I - го опыта;

т - число повторных опытов.

Дисперсия среднего значения [2, 58]

3 2

о2

) =— . (318)

Дисперсия коэффициентов регрессии [2, 58]

srh

(h

N

о 2 (h)

Sc) . (3.19)

Квадратическая погрешность коэффициентов регрессии [2, 58]

Б(с) = ^) . (3.20)

Если Gmax меньше Отабл при степенях свободы /1 = т —1 и /2 = N рассматриваемые дисперсии можно считать однородными.

Оценка значимости коэффициентов регрессии находилась по выражению

Асг =±1 ■ Б{С1), (3.21)

где I - табличный уровень параметра Стьюдента для числа степеней свободы N{m —1) и принятом уровне значимости;

Б(с0 - ошибки коэффициентов регрессии.

Проверка адекватности модели проводится по критерию Фишера

V 2

Г = Бад

расч 02

(3.22)

(ь)

где - дисперсия адекватности, которая находится из выражения

где

N

т

Я2 =

X (Ь г - Ь )

_J_

I

к -

(3.23)

численное значение выхода опыта, вычисленное по выражению

регрессии;

I = N — (к +1) численное значение степеней свободы; к - численное значение значимых коэффициентов.

Расчетную величину Грасч сравнивается с Гтабл при значении уровня значимости д=0,05. Если выполняется условие Грасч < Гтабл, то полученная

модель не противоречит результатам испытаний.

Приведенная выше методика служит для расчета коэффициентов регрессии уравнений (3.10) и (3.11).

2

3.8 Методика статистического моделирования ресурса упорного подшипникового узла погружных электродвигателей

Оценка параметров распределения ресурса упорного подшипникового узла погружных электродвигателей по результатам стендовых испытаний производится с использованием метода статистического моделирования [9, 12, 90].

Износ И упорного подшипника при фиксированной наработке является случайной величиной, т. к. зависит от эксплуатационных факторов, которые носят случайный характер. Поэтому случайным будет и его ресурс Т.

Оценка основных вероятностных характеристик ресурса Т, таких как плотность распределения, среднее значение, среднеквадратичное отклонение, вероятность безотказной работы при заданной наработке и т. д. может быть получена с помощью метода статистического моделирования. Суть метода состоит в том, чтобы с помощью генератора случайных чисел смоделировать статистическую выборку эксплуатационных факторов. Это позволит, на основании результатов стендовых испытаний [см. формулу (2.7)], а также выражений (2.26) и (2.28) получить выборку для случайных величин, включающих начальную скорость У0 и ускорение а, от которых зависит ресурс Т. Статистическое распределение ресурса, таким образом, может быть смоделировано с помощью формулы (2.22). Блок-схема алгоритма статистического моделирования для оценки ресурса упорного подшипника погружных электродвигателей представлена на рисунке 3.13 [40].

Для определения ресурса упорного подшипникового узла погружных электродвигателей кроме эксплуатационных факторов, влияющих на ресурс, нужно знать значение параметра технического состояния, соответствующее предельному значению Н. Данная информация представлена в нормативно -технической литературе [86, 120]. Согласно этой литературы предельное значение износа подпятника составляет Н=1 мм.

Рисунок 3.13 - Блок схема алгоритма статистического моделирования для прогнозирования долговечности упорного подшипникового узла погружных электродвигателей

3.9 Методика эксплуатационных испытаний упорного подшипникового узла погружных электродвигателей

С целью оценки точности результатов стендовых ресурсных испытаний упорного подшипникового узла партии погружных электродвигателей необходимо установить параметры распределения ресурса и его статистические характеристики подшипникового узла другой партии погружных электродвигателей, работающей в условиях реальной эксплуатации.

Необходимое для проведения реальных эксплуатационных испытаний количество упорных подшипниковых узлов погружных электродвигателей, нормируется в соответствии с требованиями ГОСТ [38, 53].

Для эксплуатационных испытаний были подобраны упорные подшипниковые узлы погружных электродвигателей не бывавшие в капитальном ремонте. Непосредственно перед эксплуатацией нами были определены значения параметра технического состояния упорных подшипниковых узлов погружных электродвигателей.

3.10 Методика ускоренных стендовых испытаний упорного подшипникового узла погружных электродвигателей

Исследования, проведенные на кафедре ЭОЭТ ЮУрГАУ, показали, что зависимость износа подшипника И, под которым понимается уменьшение толщины резиновой подушки подпятника за наработку I, измеряемую в циклах включения-отключения, описывается выражением (2.16).

Начальная скорость У0 (мкм/цикл) и ускорение а (мкм/цикл ) изнашивания, входящие в выражение (2.16) могут быть определены исходя из экспериментальных данных по формулам (2.26) и (2.28).

Ресурс Т упорного подшипника выражается через начальную скорость У0 и ускорение а по формуле (2.22).

В результате предварительных исследований было установлено, что

зависимость И} и И2 от действующих факторов при стендовых испытаниях надо определять, соответственно при наработке = 1000 циклов и 12 = 2000 циклов.

Износ упорного подшипника при фиксированной наработке является случайной величиной, т. к. зависит от эксплуатационных факторов, которые, как указывалось выше, носят случайный характер. Поэтому случайным будет и его ресурс.

Вероятностные характеристики ресурса Т, могут быть получены с помощью метода статистического моделирования. Данное моделирование предусматривает большое количество расчетов ресурса Т исследуемого объекта по формализованной схеме (рисунок 3.13). С помощью генератора случайных чисел моделируется статистическая выборка эксплуатационных факторов: напряжения, жесткости воды, ее окисленности, содержания в воде песка и ионов хлора. Это позволит, на основании результатов стендовых испытаний [см. формулы (4.6) и (4.9)] и выражений (2.26) и (2.28) получить выборку для случайных величин начальной скорости У0 и ускорения а, от которых зависит ресурс Т. Статистическое распределение ресурса, таким образом, может быть смоделировано с помощью формулы (2.22).

Благодаря использованию математического пакета МаШСАО объем выборки может достигать десятков тысяч, что позволит построить гистограмму для ресурса упорного подшипника, которая, на основании закона больших чисел мало отличается от плотности распределения.

Таким образом методика ускоренных стендовых испытаний включает в себя следующие пункты [42]:

- изучить условия эксплуатации исследуемого объекта для выбора основных воздействующих факторов и определения уровней их варьирования при проведении стендовых испытаний;

- на разрабатываемом стенде с применением активного планирования опытов установить зависимости износа И} и И2 от наработки равной t1 циклов и 12 циклов;

- с использованием полученных выражений для расчета И1 и И2 получить полиномиальные зависимости начальной скорости и ускорения изнашивания от действующих факторов;

- на основании разработанной детерминированной модели методом статистического моделирования установить статистические характеристики ресурса упорного подшипникового узла погружных электродвигателей ПЭДВ.

3.11 Выводы

1. В качестве испытуемого объекта выбран упорный подшипниковый узел наиболее распространенных погружных электродвигателей марки ПЭДВ.

2. В целях сокращения сроков проведения ресурсных испытаний предложено устройство для безразборного определения износа упорного подшипникового узла погружных электродвигателей.

3. Предложена матрица взаимодействия эксплуатационных факторов для определения износа И1 и И2 упорного подшипникового узла погружных электродвигателей, соответственно за наработку 11 и t2.

4. Представлена блок - схема алгоритма статистического моделирования для оценки ресурса упорного подшипникового узла погружных электродвигателей.

5. Предложена методика проведения стендовых испытаний по определению изменения оценки скорости и ускорения параметра технического состояния упорного подшипникового узла погружных электродвигателей.

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований и определение

эффективности проекта

4.1 Характеристика основных эксплуатационных факторов, влияющих на ресурс упорного подшипникового узла погружных электродвигателей

Одной из основных задач в процессе оценки ресурса упорного подшипникового узла погружного электродвигателя является установление законов распределения основных эксплуатационных факторов, влияющих на ресурс. Эти распределения определялись на основе специально проведенных исследований, опроса специалистов ремонтных заводов и работников, занимающихся эксплуатацией погружных электродвигателей, а также обобщения данных технической литературы.

Выше, в разделе 3.2, было установлено пять основных эксплуатационных факторов; влияющих на долговечность упорного подшипникового узла погружных электродвигателей:

- напряжение питающей сети;

- содержание механических примесей (песка) в воде;

- жесткость воды (содержание в воде ионов калия и магния);

- окисляемость воды (наличие бактерий и сероводорода);

- наличие ионов хлорида в воде (которые ускоряют процесс коррозии металла).

На основе пользования предоставленной информации федерального бюджетного учреждения «Территориальный фонд геологической информации по Уральскому федеральному округу» (приложение Б), данных лабораторий и ремонтных предприятий построены гистограммы основных эксплуатационных факторов, влияющих на ресурс упорного подшипникового узла погружных электродвигателей.

В результате предоставленной информации выяснено, что содержание песка в артезианских скважинах на территории Челябинской области хорошо согласуется с законом Рэлея (рисунок 4.1)

П -П2-

1 {П) = Ш"6 5832 ' (4-1}

3

где П - содержание песка в скважинной воде, мг / дм .

Расчет статистических характеристик распределения песка в скважинной воде представлен в приложении В. Эти характеристики равны:

П = 67,68 мг/дм3, ап= 54,00 мг/дм3.

200 П.мг/дм

Рисунок 4.1 - Плотность распределения песка в скважинной воде

Анализ исследований и предоставленная информация работников эксплуатационных служб и ремонтных предприятий на территории Челябинской области показывает, что распределение напряжения на клеммах погружных электродвигателей в процессе их эксплуатации удовлетворительно согласуется с нормальным законом (рисунок 4.2), описываемым выражением

(и-375)2

/(и) = 0,034 • 6" 27191 , (4.2)

где и - напряжение на зажимах погружного электродвигателя, В.

т

1/В

Рисунок 4.2 - Плотность распределения напряжения на зажимах погружного

электродвигателя

Расчет статистических характеристик закона распределения напряжения на зажимах погружного электродвигателя приведен в приложении Г. При этом статистические характеристики равны:

и = 375 В; &и = 11,66 В.

Исходя из обработки предоставленной информации лабораторных станций по контролю качества воды распределение параметра жесткости воды наиболее близко согласуется с нормальным законом рисунок 4.3, который описывается выражением

_(Ж-6,85)2

/ (Ж) = 0,3 • е ^^ (4.3)

где Ж - жесткость воды, ммоль/л.

Расчет статистических характеристик закона распределения жесткости воды приведен в приложении Д. Значения этих характеристик составляют:

Ж = 6,85 ммоль/л; сгА = 1,3 ммоль/л.

Жесткость

Рисунок 4.3 - Плотность распределения жесткости скважинной воды

Полученная информация от лабораторных станций по качеству воды позволила построить гистограмму распределения окисляемости воды, которая приведена на рисунке 4.4. Окисляемость воды удовлетворительно согласуется с нормальным законом распределения, описываемое выражением

(0-3,03)2

(4.4)

f (О) = 0,48 • е 0'46 ,

где О - окисляемость воды, мг / дм3.

Расчет статистических характеристик закона распределения окисляемости воды приведен в приложении Е. Значения этих характеристик составляют

О = 3,03 мг/дм3; а0 = 1,41 мг/дм3.

Рисунок 4.4 - Плотность распределения окисляемости скважинной воды

Так же в результате обработки полученной от лабораторных станций информации содержание ионов хлора наиболее близко согласуется с нормальным

законом (рисунок 4.5), описываемым выражением

/ (X) = 0,006 • е

(X —248,5)2 8797

(4.5)

где X- ионы хлора в воде, мг/ дм3.

Расчет статистических характеристик закона распределения ионов хлора в воде приведен в приложении Ж. Значения этих характеристик

X = 248,5 мг/дм3; ах = 66,32 мг/дм3.

430 X, иг/дм

Рисунок 4.5 - Плотность распределения ионов хлора скважинной воде

Для реализации ресурсных испытаний на основании разработанной методики, представленной в главе 3, были определены уровни варьирования основных эксплуатационных факторов [2, 58, 118], характерных для артезианских скважин Челябинской области, которые распределены по нормальному закону и закону Рэлея. Уровни варьирования факторов для ускоренных испытаний упорного подшипникового узла погружных электродвигателей находятся в

пределах X + 3<гх. Значения уровней факторов приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Уровни варьирования основных эксплуатационных факторов для артезианских скважин Челябинской области при эксперименте

№ Наименование Кодиро- Уровни варьирования

п/п эксплуатационного ванное Ниж- Основной Верх- Интервал

фактора, единица обозна- ний ний

измерения чение

1 Питающее напряжение (V), В Xi 350 380 410 30

2 Песок (П), мг / дм3 Х2 0 100 200 100

3 Жесткость воды (Ж), ммоль/л Хз 4 7 10 3

4 Окисляемость воды (О), мг / дм3 Х4 0 з,з 6,6 3,3

5 Ионы хлора (X), мг / дм3 Х5 115 250 385 135

4.2 Зависимость скорости и ускорения изнашивания упорного подшипникового узла погружных электродвигателей от основных факторов

Скорость и ускорение изнашивания рассчитывается по формулам (2.26) и (2.28), в которые входят результаты стендовых испытаний упорных подшипниковых узлов.

В результате реализации опытов матрицы планирования эксперимента 25-2 (таблица 3.4) для оценки скорости изнашивания, получены оценки износа И} при = 1000 циклов изнашивания опорной пяты упорного подшипникового узла погружного электродвигателя, которые представлены в таблице 4.2.

Статистическая оценка результатов стендовых испытаний упорного подшипникового узла погружного электродвигателя осуществлялась по методике, приведенной в третьей главе. Данная методика включала проверку воспроизводимости опытов, определение коэффициентов полиномиального выражения и оценку их значимости, проверку адекватности конечной математической модели [2, 58, 118].

Таблица 4.2 - Результаты испытания на стенде износа hj при tj = 1000 циклов

Номер опыта износ \ 102 упорного подшипникового узла погружного электродвигателя при наработке 1000 циклов, мм

hii hi2 h13 hep. h

1 5,74 6,6 6,39 6,24 6,16

2 6,3 7 6,6 6,63 6,72

3 0,9 1 1,1 1 0,86

4 0,9 1,2 1,3 1,13 1,28

5 2,3 2 2,4 2,23 2,08

6 2,1 2,5 2,7 2,43 2,58

7 0,44 0,6 0,5 0,51 0,43

8 0,6 0,7 0,8 0,7 0,78

Расчетные значения всех коэффициентов регрессии уравнения износа И\ при наработке = 1000 циклов приводятся в приложении И. Расчеты проводились в следующей последовательности.

Дисперсию параллельных опытов определим из выражения (3.15). - Сумма дисперсий всех восьми опытов для И1 составляет

N

2 Si = 0,53 • 10мм2

- Оценка воспроизводимости опытов при реализации плана испытаний осуществлялась согласно [2, 58, 118] по критерию Кохрена

Б* 0,201 • 10 -4

G = 0,201 10 = 0,379.

2S2

расч N 0,53 • 104