Исследование надежности сильфонных упругих элементов коммутационной техники

ИССЛЕДОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ СИЛЬФОННЫХ УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ КОММУТАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

Н.А. Рыбакова

Параметры надежности сильфонного упругого элемента - основа для расчета надежности высоковольтных вакуумных и элегазовых выключателей, одним из элементов которых он является. Основной задачей силовых выключателей является отключение токов короткого замыкания и, тем самым, защита электрооборудования от воздействий на него, вызываемых аварийными токами. Силовые выключатели должны справляться с этой задачей с высокой эффективностью и надежностью.

Одним из важных критериев оценки эффективности и надежности электрооборудования является показатель эксплуатационной надежности (ПЭН), который определяется как среднее ожидаемое число лет безаварийной работы. Обратной величиной ПЭН является частота отказов. Как показал многолетний анализ эксплуатационной надежности маломасляных, электрогазовых и вакуумных выключателей, ПЭН приблизительно обратно пропорционален числу составных частей коммутационной камеры выключателя [1]. К примеру, ПЭН вакуумного выключателя ЗАН фирмы Siemens составляет около 1500 лет, а ПЭН самих вакуумных дугогасительных камер Siemens (рис.1) - 32000 лет. Частота отказов подвижных деталей, естественно, выше, чем у неподвижных деталей.

Рис. 1. Вакуумная камера: 1 - неподвижный контакт, 2 - место подключения, 3 - изолятор (керамический), 4 - коммутационная камера, 5 - металлический сильфон, 6 - направляющая шайба, 7 - подвижный контакт, 8 - резьба

для присоединения к приводу

Кроме того, число составных частей выключателя влияет на номинальное число его коммутаций, которое является одним из важных характеристик коммутационных аппаратов.

Например, стандартный вакуумный выключатель фирмы Siemens на 12кВ / 31,5кА / 2500А 3АН2 может отключать ток 20кА - 250 раз, 31,5кА - 85 раз; 4,5кА -10.000 раз; 2500А - 30.000 раз.

Механическая долговечность составляет 60.000 коммутационных циклов. Исходя из этого, вакуумные выключатели хорошо подходят для частых кратковременных отключений в сетях воздушных линий электропередач.

Надежность работы выключателя зависит от надежности работы всех его элементов. В частности, ответственным элементом коммутационной камеры вакуумного выключателя является металлический сильфон.

Сильфоны относятся к невосстанавливаемым элементам, которые после отказа не ремонтируются и подлежат замене. Отказ, проявляющийся в разгерметизации сильфонов вследствие нарушения их механической прочности, характеризует прочностную надежность сильфонов. Частичный отказ ведет к неполной потере работоспособности сильфонов, что выражается в "уходе" рабочих параметров сильфонов за допустимые пределы. Частичный отказ характеризует параметрическую надежность.

На стадии проектирования и конструирования показатели надежности трактуют как характеристики вероятностных математических моделей создаваемых объектов. На стадии экспериментальной отработки, испытаний и эксплуатации роль показателей надежности выполняют статистические оценки соответствующих вероятностных характеристик [2].

Долговечность сильфона определяется числом циклов, которые он может выдержать до разрушения. Разрушение сильфона вызывается напряжениями, многократно возникающими в нем на сгибе материала, и зависит от величины этих напряжений.

Циклическая прочность сильфонов (ресурсная характеристика) зависит от условий эксплуатации: рабочего хода, рабочего давления, температуры, рабочей среды, вибрационных нагрузок и т. д. Статистика показывает, что наиболее часто разрушение сильфона при его эксплуатации происходит в районе вершины или впадины гофра, так как именно здесь при долговременной работе появляются усталостные трещины. Для анализа надежности автором построена трехуровневая иерархическая структура, показывающая взаимосвязь параметров сильфонов с характеристиками надежности [3]. Нижний уровень, названный "входные параметры", учитывает геометрию, вид и условия эксплуатации сильфонов. Вторым уровнем являются средства, которые представляют собой расчет механических напряжений по математическому описанию сильфонов и расчет резонансных частот по моделям расчета присоединенных масс. В результате на третьем уровне осуществляется переход к прогнозированию ресурсных характеристик надежности: долговечности, циклической прочности и работоспособности.

Построение такой схемы объясняется тем, что при статических нагружениях ресурсными характеристиками сильфонов являются долговечность и циклическая прочность, основным показателем которых служит наработка до отказа. Наиболее рациональный путь расчета циклической прочности - определение статической связи между циклической прочностью и напряжениями в опасных точках сильфонов. Циклическая прочность зависит от геометрических и эксплуатационных параметров конкретного сильфона, а выявление опасных точек в данной работе осуществляется с помощью математического описания геометрии профиля сильфона.

При динамических условиях эксплуатации сильфонов надежность характеризует работоспособностью сильфонов. В этом случае производят расчет резонансных частот колебаний при гармонических возмущениях без демпфирования для наиболее распространенных схем закрепления сильфонов в приборах. Вопросы надежности впервые были поставлены при расчетах механических систем в связи со статическим истолкованием коэффициентов запаса и допускаемых напряжений. Основная задача теории надежности состоит в оценке показателей надежности систем по известным показателям отдельных элементов.

Для предсказания поведения деталей машин и элементов конструкций необходимо рассматривать процессы деформирования, изнашивания, накопления повреждений и разрушения при переменных нагрузках, температурах и других внешних воздействиях.

У сильфонов можно выделить три типа отказов [5]:

• приработочные, обусловленные засоренностью партии технологическим браком, например, негерметичными сильфонами или сильфонами со скрытыми дефектами;

• внезапные, возникающие вследствие перегрузки сильфонов (при отсутствии в изделии соответствующей защиты);

• износовые, обусловленные необратимыми процессами, которые происходят в материале в результате усталостных и релаксационных явлений, естественного старения и др.

В теории надежности отказ трактуют как случайное событие, принимая за один из основных показателей надежности вероятность безотказной работы в течение заданного отрезка времени или в пределах заданной наработки.

Ресурс и срок службы, будучи показателями долговечности, также принадлежат к числу основных понятий теории надежности.

Для оценки долговечности служат показатели:

• средний срок службы (средняя календарная продолжительность эксплуатации изделия до момента возникновения предельного состояния или до списания),

• средний ресурс (средняя наработка изделия до предельного состояния),

• гамма-процентный ресурс (ресурс, который имеет у процентов изделий).

Гамма-процентный ресурс N98 (при у = 98 %) сильфонов при температуре 298 ± 10К (25 ± 10°С) определяют по номограммам, приведенным в [4]. На номограммах указана циклическая прочность в циклах для различных схем нагружения сильфонов в зависимости от отношения рабочего хода к максимальному рабочему ходу - горизонтальная ось, рабочего давления к максимальному рабочему давлению -вертикальная ось.

Средний ресурс (средняя циклическая прочность) сильфонов вычисляют по формуле

lgN^ = 1,25 lg N98.

В книге [6] приведен расчет сильфонов на малоцикловую усталость от периодических смещений, вызванных изменением температуры или перемещениями при эксплуатации. Для гибких элементов, изготовленных

из упрочняющихся или разупрочняющихся материалов, максимальные деформации не остаются при заданных смещениях постоянными (хотя меняются несущественно), и условие разрушения принимает вид

NV , \2

= '1 1 '

-ln-

4 1 -WJ

где еа - деформация нулевого полуцикла, Е - предел текучести, N - число циклов, ст_1 — предел усталости при базовом числе циклов N0, V - поперечное сужение при

разрыве, 1п-= вв - истинное удлинение при разрыве (в [6] принято у = 67%, о-1 =

1 -у

24 105 Па).

Запасы прочности сильфонов могут определяться по перемещениям для заданного срока службы N, п

п = "пред пи -

праб

либо по числу циклов до разрушения,

N

= "пред

~-,

Nраб

для заданных перемещений.

Так, для рассмотренного выше выключателя рабочий ход контактов составляет до 5 мм при сравнительно большем перемещении сильфона. Предельное число циклов до разрушения составляет более 60000 при максимальном числе коммутации выключателя до 30000. Эти механические условия работы сильфона определяют его высокий средний срок службы и, как следствие, величину приведенного выше ПЭН дугогасительных камер.

Литература

1. Евдокунин Г.А., Тилер Г. Современная вакуумная коммутационная техника для сетей среднего напряжения (технические преимущества и эксплуатационные характеристики). СПб: Издательство Сизова М.П., 2002.

2. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1990.

3. Рыбакова Н.А. Моделирование сильфонов. // Современные технологии: Сборник научных статей / Под ред. Проф. Н.А. Козлова. СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2001. С. 312-319.

4. ГОСТ 21482-76. Сильфоны однослойные измерительные металлические. Технические условия. М.: Издательство стандартов, 1976.

5. Сильфоны. Расчет и проектирование. / Под ред. Л.Е. Андреевой. М.: Машиностроение, 1975.

6. Серенсен С.В., Когаев В.П., Шнейдерович Р.М. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. / Руководство и справочное пособие. М.: Машиностроение, 1975.