 |
Избежать механических воздействий на электротехническое оборудование в современном мире практически невозможно, поэтому должна быть проведена оценка стойкости
к влиянию внешних механических факторов. Существует несколько способов подобной проверки, о которых и рассказывают авторы материала.ВНЕШНЕЕ МЕХАНИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
СПОСОБЫ ПОДТВЕРЖДЕНИЯ
СТОЙКОСТИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
Валентин Шишенин,
д.т.н.,
Владимир Бакин,
к.т.н.,
Владимир Павлов,
инженер НИЦ 26 ЦНИИ МО РФ,
г. Санкт-Петербург
Научная разработка задач проверки факторов влияния удара и вибрации на различное оборудование была начата еще в 50–60-х годах прошлого века. Проведенные в этой области исследования [1] позволили выявить группы оборудования, наиболее критичные к вибрационным и ударным нагрузкам.
Электротехническое оборудование относится к группе, наиболее чувствительной к вибрационным и ударным (далее – механическим) нагрузкам, т. к. оно имеет в структуре функциональных схем автоматические выключатели (переключатели), электромагнитные пускатели, реле и размыкатели различного типа, показывающие приборы контроля (амперметры, вольтметры и др.). Эти выводы подтверждаются и зарубежными исследованиями [2].
Механические воздействия на электротехническое оборудование во многом обусловлены динамическими явлениями, возникающими при вращении и возвратно-поступательном движении неуравновешенных элементов и деталей. В свою очередь механические колебания с малой амплитудой часто вызывают резонансные колебания других элементов конструкций. Дополнительным источником механических воздействий на электротехническое оборудование являются факторы техногенного характера, а также внешние природные факторы, в том числе землетрясения. Примеры последних лет подтверждают, что на земле сейчас нет мест, где землетрясения невозможны [3].
Еще большей потенциальной опасностью для окружающей среды и населения отличаются случаи нарушения нормальной работы и выход из строя от механических воздействий электротехнического оборудования, установленного на опасных производствах и атомных станциях. Поэтому к стойкости электротехнического оборудования на объектах повышенной опасности предъявляются более высокие требования.
Стандарты испытаний
В зависимости от области применения и места установки электротехнические изделия по ГОСТ 17.516.1-90 [4] разделяются на группы механического исполнения. Исходя из этого к ним предъявляются требования по прочности, устойчивости и стойкости к механическим внешним воздействующим факторам различной степени жесткости.
Для аппаратуры, приборов, устройств и оборудования военного назначения требования по стойкости к внешним воздействующим факторам выдвигаются по ГОСТ РВ 20.39.304-98 [5]. Испытания электротехнического оборудования на соответствие требованиям ГОСТ 17.516.1-90 [4] в части стойкости к механическим внешним воздействующим факторам проводятся в соответствии с методами испытаний по ГОСТ 20.57.406-81 [6] и по ГОСТ 16962.2-90 [7]. Испытания электротехнического оборудования военного назначения на соответствие требованиям ГОСТ РВ 20.39.304-98 [5] в части стойкости к механическим внешним воздействующим факторам проводятся в соответствии с методами испытаний по ГОСТ 20.57.305-98 [8].
В общем случае проверка соответствия электротехнического оборудования выдвигаемым требованиям может осуществляться экспериментальным, расчетным и расчетно-экспериментальным способами. У каждого из них есть свои особенности, достоинства и недостатки.
Экспериментальный способ
Наиболее полные и достоверные данные о прочности, устойчивости и стойкости оборудования к механическому воздействию внешних факторов можно получить только экспериментальным путем.
Анализ результатов испытаний электротехнического оборудования на воздействие внешних механических факторов, проведенных за последние 10–20 лет в НИЦ 26 ЦНИИ, позволил установить наиболее характерные отказы и недостатки.
1. Поломки или разрушения узлов крепления, обусловленные:
- срезом крепежных болтов и шпилек;
- деформацией опорных узлов, выполненных из профильной или листовой стали;
- появлением трещин и разрушением чугунных фундаментных рам у основания;
- появлением трещин в сварных швах опорных узлов агрегатов.
2. Деформация или разрушение целостности корпуса из-за:
- деформации каркаса, крышек и створок дверей оборудования стоечного и шкафного исполнения;
- деформации опорных узлов стоек дверей, препятствующей их дальнейшей фиксации в закрытом положении;
- разрушения и откола фланцевых выступов на чугунных крышках электродвигателей.
3. Деформация или поломка внутренних узлов и элементов
в результате:
- смещения выкатных тележек;
- разрушения проходных и опорных изоляторов, гетинаксовых плат и текстолитовых корпусов;
- выпадения дугогасительных камер, электроизмерительных приборов;
- разрушения нити накала ламп в светотехническом оборудовании и аппаратуре;
- разрушения подшипников.
4. Ложные срабатывания контактных элементов.
Самопроизвольное замыкание и размыкание контактных элементов аппаратов в момент воздействия нагрузки может привести к отключению важных технических систем и нарушению технологических процессов.
По объективным причинам в России за последние пятнадцать лет произошло значительное сокращение числа функционирующих испытательных лабораторий и испытательных центров и, как следствие, количества испытательных средств, воспроизводящих механические, в том числе и сейсмические, воздействия.
Следует также отметить большую изношенность парка испытательных средств на механические воздействия, относительно
небольшие размеры испытательных столов и недостаток многокомпонентных установок.
Фактически отсутствует возможность испытания крупногабаритного оборудования с линейными размерами более 3 м и массой более 3 т на вибрационные воздействия и удар.
А как показывает практика, уникальное крупногабаритное и массивное оборудование из-за своих инерционных характеристик хуже переносит механические воздействия и поэтому нуждается в обязательной проверке на воздействие ожидаемых внешних механических факторов.
Аналогичным образом обстоят дела с испытательными средствами для проверки на воздействия, адекватные интенсивным землетрясениям. В бывшем СССР функционировало пять крупных
сейсмоплатформ программного действия, оснащенных гидравлическими приводами. В последние годы сейсмоплатформы, расположенные на территории Российской Федерации, практически
не работали, и остается неясным, каковы необходимые объемы ассигнований для восстановления их работоспособности и модернизации.
Расчетный способ
Существенным недостатком использования экспериментального способа является его зависимость от ограниченных возможностей испытательного оборудования. Поэтому в случае необходимости проведения оценки прочности к механическим воздействиям образцов электротехнического оборудования, изготовленных из материалов с известными характеристиками, применяют расчетный способ. Этому способствует современное развитие методов моделирования и расчета, программных средств и вычислительной техники.
Неоспоримое преимущество расчетного пути определения прочности заключается в том, что его применение не ограничено размерами и максимальной массой рассчитываемого оборудования. Кроме того, по сравнению с экспериментальным путем расчетный имеет достаточно низкую себестоимость.
Среди основных недостатков данного метода определения прочности можно подчеркнуть следующие:
- расчетным путем практически нельзя оценить устойчивость работы электротехнического оборудования во время воздействия внешнего механического фактора;
- практически нельзя подтвердить соответствие выдвигаемым требованиям по прочности к воздействию внешних механических факторов для образцов оборудования с нелинейными характеристиками и сложных систем электротехнического оборудования;
- точность определения прочности зависит от принятой расчетной модели, квалификации специалистов-расчетчиков, применяемых программных продуктов и методик.
Расчетно-экспериментальный способ
Учитывая технические возможности существующих испытательных средств, испытание сложной электротехнической системы на стойкость при воздействии механических факторов может оказаться фактически нереализуемым или потребует значительных материальных затрат, а оценка стойкости системы в целом расчетным путем – невозможной. В этом случае используется расчетно-экспериментальный способ.
На вибродинамическом стенде были проведены испытания шкафов на стойкость к воздействию синусоидальной вибрации с указанными амплитудами виброперемещения и виброускорения в диапазоне от 7 до 100 Гц. Как известно, виброиспытания в диапазоне
от 1 до 5 Гц представляют сложность из-за отсутствия вибродинамических стендов необходимой грузоподъемности. Во время испытаний с помощью установленных в определенных местах шкафов трех датчиков регистрировались параметры ускорений. Параллельно были разработаны расчетные модели шкафов и проведены расчеты на аналогичное воздействие.
Пример из практики
Была поставлена задача произвести оценку стойкости группы шкафов электротехнического оборудования с максимальными габаритами 600х800х2000 мм и максимальной массой 250 кг к воздействию синусоидальной вибрации в диапазоне от 1 до 100 Гц, с амплитудой виброускорения 7 м/с2 от 1 до 35 Гц и с амплитудой виброускорения 10 м/с2 от 35 до 100 Гц.
После испытаний было произведено сравнение расчетных и экспериментальных данных в диапазоне частот от 7 до 100 Гц и выявлена достаточная сходимость результатов расчета и испытаний. Испытания показали стойкость шкафов к испытательному воздействию в диапазоне от 7 до 100 Гц. После испытаний были проведены расчеты шкафов на проверенных расчетных моделях на воздействие синусои-дальной вибрации в диапазоне от 1 до 7 Гц. Полученные по расчету в установленных точках кинематические параметры не превышали параметров движения, зарегистрированных в этих же точках во время испытаний. Поэтому по результатам расчетно-экспериментальной оценки был сделан положительный вывод о стойкости оборудования в диапазоне от 1 до 100 Гц при воздействии заданной синусоидальной вибрации.
Расчетно-экспериментальный – это наиболее универсальный способ определения стойкости (прочности, устойчивости) образцов оборудования и их систем к внешним механическим воздействующим факторам. Он сочетает достоинства и частично исключает недостатки расчетного и экспериментального способов, однако его применение требует достаточного объема необходимых исходных и экспериментальных данных, корректности используемых методов и методик, высокой квалификации специалистов.
Несколько советов производителям
Повышение стойкости электротехнического оборудования к воздействию внешних механических факторов может осуществляться за счет:
- применения оптимальных схемных решений;
- применения в оборудовании стойких комплектующих;
- уменьшения габаритов изделий;
- рациональной компоновки и крепления комплектующих изделий, повышения коэффициента заполнения;
- применения унифицированных каркасов оптимального профиля;
- совершенствования запорных устройств дверей и крышек шкафного оборудования;
- устройств дополнительного закрепления в верхней точке изделия;
- расчета узлов штатного крепления оборудования;
- контроля при монтаже необходимого усилия затяжки болтовых соединений.
Литература
1. Вибрации в технике. Справочник в 6 томах. – Т. 3. Колебания машин, конструкций и их элементов. – М.: Машиностроение, 1980.
2. Coloiaco A.P., Elsher E. G. Sine-beat tests verifies switchgear control equipment// IEEE Trans. Power Appar. and Syst. – 1973. – Vol. 93, N2. -
P. 751-758.
3. Кириллов А.П., Амбриашвили Ю.К. Сейсмостойкость атомных электростанций. – М.: Энергоатомиздат, 1985.
4. ГОСТ 17.516.1-90 «Изделия электротехнические. Общие требования в части стойкости к механическим внешним воздействующим факторам».
5. ГОСТ РВ 20.39.304-98 «Требования по стойкости к внешним воздействующим факторам».
6. ГОСТ 20.57.406-81 «Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнические».
7. ГОСТ 16962.2-90 «Изделия электротехнические. Методы испытаний на стойкость к механическим внешним воздействующим факторам».
8. ГОСТ РВ 20.57.305-98 «Методы испытаний на воздействие механических факторов».
9. Бакин В.А., Беляев В.С., Виноградов В.В., Сирро В.А. Испытание строительных конструкций и крупногабаритного оборудования на сейсмические воздействия//Сейсмостойкое строительство. – М.: ВНИИНТПИ, 1996. – Вып. 6. – С. 3–10.
| 
|
