№ уч-ка

d_i, м

I_i, м⁴

Х_i, м

Х³_i, м³

Х³_i - Х³_i-1, м³

,м^-1

S_b = = 468,414

S_a = = 327,408

S₀ = = 25,4

Правая часть

1

3,7 10^-2

9,210^-8

310^-2

2710^-6

2710^-6

2,93510²

2

4,110^-2

1410^-8

9,210^-2

778,68810^-6

751,68810^-6

53,69210²

3

4,510^-2

20,1310^-8

18,410^-2

6229,50410^-6

5450,81610^-6

270,78110²

4. Технологический процесс изготовления обмотки статора

4.1. Основные технологические операции

Фактически технологический процесс изготовления обмотки статора сводится к следующим основным операциям:

1. Пазоизолировка.

2. Намотка или укладка в пазы катушечных групп.

3. Заклеивание обмотки в пазы.

4. Бандажирование лобовых частей.

5. Пропитка.

6. Сушка.

7. Испытание.

Ниже эти операции описаны подробно.

Кроме перечисленных основных имеются заготовительные процессы. К ним принадлежат: порезка рулонов изоляционного материала на ролики для последующего изготовления из них па­зовых коробов, крышек и других деталей; изготовление между­фазных прокладок; порезка трубчатых изоляционных материа­лов; изготовление выводов обмотки из монтажных проводов.

При ручной укладке обмотки к заготовительным процессам относят также намотку катушек.

В серии 4А весь комплекс статорообмоточных операций для двигателей мощностью до 100 кВт механизирован. Первая операция – изолирование пазов статора осуществляется на станках полуавтоматах моделей ИПС-3-4; ИПС-5М; ИПС-8; ИПС-4 отечественного производства конструкции ВНИИТэлектромаш. В станке материал формируется по форме паза и подается в паз статора. Усилие подачи коробочки в паз контролируется предохранительной муфтой. Станки легко перестраиваются на разные части пазов и на различные исполнения статоров.

Наиболее часто применяемая конструкция пазовой изоляции, разработанная с учетом требований машинных процессов, пока­зана на рис. 4.1, а. Так как пазовый

Рис. 4.1 Конструкция пазовой изоляции с основными размерами.

короб 3 открытый, т. е. бо­ковые кромки его разомкнуты, внутрь короба поверх катушки 2 устанавливают пазовую крышку 1 таким образом, чтобы боко­вые стороны короба и крышки взаимно перекрывались. Значение этого перекрытия выбирают из условий обеспечения требуемой электрической прочности изоляционной конструкции. Если в одном пазу находятся стороны двух катушек, их разделяют межслойной прокладкой 4.

В рассматриваемой конструкции изоляции пазовая крышка одновременно с функциями изоляционной детали выполняет роль клина, крепящего катушку в пазу, поэтому ее называют крыш­кой-клином, а процесс установки — заклиниванием обмотки. Пазовый короб имеет манжеты 5 (рис 4.1,б), фиксирующие его в пазу в продольном направлении. Чаще других применяют простую конструкцию с одинарными манжетами. На рис. 4.1 б, вуказаны основные размеры короба, а на рис. 4.1 г – крышки.

Следующая операция- укладка обмотки в пазы статора. Станки для укладки обмотки работают по двум различным схемам: 1) непосредственная укладка проводников в паз; 2) раздельная намотка секции и пересыпка их в пазы статора. На станках непосредственной укладки провод протягивается через ролики в фильеру проводоводителя. На нем установлены специальные кольца, при помощи которых провод протаскивается в паз и забрасывается на пластины и крючья, образующие лобовые части. Проводоводитель совершает сложные возвратно-поступательные движения вдоль оси (провод проводится через паз) и вращательные вокруг оси статора (образуется лобовая часть). Пример такого станка серии WST-600 («Электромат» Германия).

Более эффективными являются станки раздельной намотки. Комплекс этого станка состоит из двух агрегатов. На первом наматываются на шаблоны секции, которые на специальной оправке переносятся на второй агрегат с установленным на нем сердечником статора. Здесь секции втягиваются в паз на один ход, после чего производится заклиновка рулонным синтетическим материалом. Примером такого оборудования служит комплекс станков НК-7 и ОСР-3, разработанных ВНИИТэлектромаш. Далее производится намотка катушечных групп электродвигателя. Шаблон размещается на планшайбе шпинделя станка. С помощью раскладчика осуществляется однородная намотка. Все операции (намотка, обрезка, пересыпание на съемник и т.д.) производятся автоматически от гидросистемы. Катушки укладывают на оправку, куда устанавливается статор, закрепленный на подвижной каретке. Происходит одновременное всыпание и заклинивание в пазах. Подвижная каретка переходит на формовочную позицию, где происходит отжим лобовых частей. Для всыпания второго яруса катушек цикл повторяется.

Опрессованые статоры бандажируются на станках типа БС, разработанных ВНИИТэлектромаш. Бандажирование производится лавсановым шнуром повышенной прочности, при этом игла проходит в просветы между катушками, делает петлю и затягивает ее. После бандажирования статор испытывают и посылают на пропитку.

Технологический процесс пропитки обмоток: электрических машин является неотъемлемой частью процесса изготовления электродвига­телей. Применительно к современным элек­трическим машинам он должен обеспечивать:

цементацию проводников обмотки, преду­преждающую вибрацию отдельных проводни­ков и истирание изоляции;

повышение теплопередачи от проводников, лежащих в пазах, к сердечнику;

создание дополнительной защиты от ув­лажнения изоляции проводников и действия; агрессивных сред.

Эти условия удовлетворяются при исполь­зовании современных пропиточных составов основой которых являются главным образом синтетические смолы. Существуют различные способы введения пропиточного состава в обмотки. Выбор спосо­ба диктуется конструктивными особенностя­ми пропитываемых изделий, применяемым пропиточным составом, характером производ­ства изделий.

Пропитка статоров двигателей с высотами оси вращения до 180 мм осуществляется капельным (струйным) методом пропиточными составами без растворителей на специальных роторных установках УПС конструкции ВНИИТэлектромаш. К основным преимуществам капельного метода относятся:

значительное сокращение длительности процесса пропитки и термообработки обмоток;

* отсутствие необходимости в зачистке поверхностей пакетов от наплывов пропиточного состава;

* очень малые потери пропиточного состава;

* хорошее заполнение обмотки смолой при однократной про­питке;

* хорошая цементация витков обмотки;

* компактное технологическое оборудование,требующеене­больших производственных площадей;
* возможность автоматизации процесса пропитки и термообра­ботки;

* снижение трудоемкости процесса пропитки и термообработки;

* снижение расхода электроэнергии, особенно при токовом на­греве обмоток;

* малое выделение летучих, отсутствие взрывоопасной среды,
что дает возможность встраивать технологическое оборудование
в поточно-механизированные линии изготовления сердечников
статоров или якорей.

Основное преимущество составов без растворителей в том, что процесс их полимеризации протекает в течении 15-30 мин, в то время как полимеризация основы лаков с растворителями требует 8-10 ч. Поскольку лаки с растворителями содержат до 50 % (основы) смолы, а без растворителей – около 100%, заполнение обмоток смолой при применении последних в 2 раза больше, чем при пропитке лаками с растворителями, т.е. улучшается качество пропитки, увеличивается теплопроводность системы изоляции, повышается надежность обмотки. При пропитке лак подается регулируемой струйкой из сопла на лобовую часть обмотки, статор в этот момент медленно вращается,ось его наклонена в вертикальной плоскости. Лак растекается по проводникам лобовой части, затекает в паз. Статор при этом нагревается пропускаемым по обмотке током промышленной частоты, что способствует вначале процессу повышения жидкотекучести лака, уменьшению его вязкости, а затем – отверждению. После пропитки обмотку сушат. Чем выше температура сушки, тем быстрее удаляется влага из обмотки, однако нельзя превышать температуру, определяемую нагревостойкостью изоляции, во избежание ее ускоренного старения. Значительно скорее происходит сушка под вакуумом. Перед вакуумной сушкой обмотки прогревают при атмосферном давлении. После сушки обмотку подвергают контрольным испытаниям.

При испытаниях обмотка подвергается действию повышенных напряжений, токов, скоростей вращения. Обмотки контролируют и испытывают после изготовления элементов обмотки, после укладки обмотки в пазы, после сборки машины и в процессе эксплуатации.

После изготовления элементов обмотки их контролируют и испытывают, чтобы не допустить укладки в пазы заведомо негодных катушек. Уложив обмотку в пазы, выявляют ослабления и нарушения изоляции, происходящие в процессе укладки обмоток в пазы, так как это нельзя проверить в собранной машине. При испытаниях собранной машины проверяют надежность обмоток при повышенных скоростях вращения и под нагрузкой.

4.2. Стандартизация

На современном уровне промышленного развития без широкого применения унификации и стандартизации невозможна организация рентабельного производства и эксплуатации электрических машин. Стандартизацией решаются задачи уменьшения затрат на производство и эксплуатацию электрических машин, а также задачи минимизации затрат общественного труда на генерирование, передачу электрической энергии и ее преобразование в механическую. Для достижения этой цели с позиций потребителя желательно для каждого конкретного механизма иметь специальную электрическую машину. С позиций производителя желательно в максимальной мере сохранить номенклатуру выпускаемых электрических машин и получить минимум затрат труда при их производстве, а также эксплуатационном обслуживании и ремонте.

Исходя из этого, стандартизация электрических машин имеет ряд особенностей. Потребителю стандартизация должна обеспечить возможность получения электрических машин с необходимыми электромеханическими характеристиками, возможность подключения электрической машины к электрическим сетям, ее сопрягаемость с производственными механизмами и возможность ее замены при необходимости другой однотипной машиной, изготовленной другими фирмами или заводами.

Производителю электрических машин стандартизация должна обеспечить возможность выпуска большего разнообразия машин при минимальной перестройке технологии и оснащения для сохранения при этом массового или крупносерийного характера производства.

Для удовлетворения этих требований стандартизация электрических машин строится по иерархическому принципу. Основу этой системы составляют группы стандартов верхнего, среднего и нижнего уровней.

Группа стандартов верхнего уровня, так называемые, основополагающие, распространяется на все виды и типы машин. Ряд групп стандартов, распространяющихся на отдельные виды машин, относятся к среднему уровню, и ряд стандартов на конкретные совокупности машин - к нижнему уровню.

В группу основополагающих стандартов входят ГОСТ, обеспечивающие конструктивную совместимость с производственными механизмами и взаимозаменяемость машин, ряды номинальных напряжений, частот тока и частот вращения, с которыми разрешается проектировать и изготовлять электрические машины. В эту же группу входят ГОСТ, устанавливающие единую терминологию, единые методы испытаний, единые требования стойкости к внешним воздействиям.

Стандартизация электрических машин базируется на нескольких принципах:

1) должно быть сгруппировано для унификации и последующей стандартизации все то, что прямо не препятствует получению любых необходимых потребителям характеристик электрических машин;

2) должны быть стандартизированы конструктивные параметры, обеспечивающие максимальную выгоду как производителю, так и потребителю за счет конструктивной взаимозаменяемости составных частей и машины в целом;

3) должны быть созданы ограничительные стандарты, исключающие возможность создания электрических машин с очень близкими или совпадающими по основным параметрам характеристиками.

Разработка и установление технических нормативов и норм на конкретные группы и виды электрических машин осуществляется на основе объединения их в группы однородной народнохозяйственной продукции – продукции, обладающей одинаковыми принципами действия и свойствами, общими значениями основных конструктивно - технологических параметров и одинаковым или подобным целевым ( функциональным) назначением.

5. Шум и вибрация электрических машин

Человеческий организм подвергается воздействию смешанных нагрузок, а в традиционных электрических машинах – шума и вибрации. Воздействие шума повышенного уровня громкости на человеческий организм может отрицательно сказывается на нервной системе человека в целом, а также может повредить слуховой аппарат. Сильная кратковременная вибрация оказывает физическое и физиологическое воздействие на человека. многочисленные наблюдения показывают, что работа, и особенно отдых, при повышенных уровнях громкости шума приводит к повышению кровяного давления и раздражительности. Общее самочувствие ухудшается, а трудоспособность, особенно при умственном труде, понижается.

Источниками являются:

а) Электромагнитные силы. Эти силы действуют в воздушном зазоре между статором и ротором и имеют характер вращающихся или пульсирующих силовых волн. Их величина зависит от электромагнитных загрузок и некоторых конструктивных и расчетных параметров активного ядра машины. Вызывая электромагнитными силами вибрация зависит от характеристик статора как колебательной системы. В большинстве типов электрических машин значение магнитной вибрации в диапазоне 100-4000 Гц.

б) Подшипники качения. Интенсивность звука этого источника зависит от следующих факторов: от качества изготовления самих подшипников; от точности обработки мест под посадку подшипников и замков в щитах для их фиксации относительно корпуса машины; от свойств подшипниковых щитов, которые при неудачных конструктивных формах могут быть интенсивными излучателями шума, возбуждаемого подшипниками;

в) Аэродинамические силы. Интенсивность звука вентиляторов и вентиляционных каналов электрической машины зависит от того, насколько хорошо с точки зрения аэродинамики и акустики они сконструированы. Особое внимание здесь уделяется также конструированию тонкостенных воздуховодов, которые могут являться интенсивными излучателями шума. Хорошо выполненная в аэродинамическом отношении электрическая машина не содержит в спектре шума дискретных составляющих;

г) Механическая несбалансированность роторов. Ротор возбуждает ощутимые вибрации особенно в быстроходных машинах с частотами вращения 3000 ^об/_мин и выше. Уменьшение небаланса ротора достигается динамическим уравновешиванием ротора на балансировочном станке или, в особых случаях, в собранной машине. Чрезвычайно важным является процесс изготовления ротора, при котором была бы достигнута максимальная монолитность вращающихся обмоток;

д) Трение щеток о коллектор или контактные кольца. Возбуждаемый трением шум является преимущественно высококачественным, особенно проявляется в крупных машинах постоянного тока с большим щеточным аппаратом.

Методика расчета вибрации электрической машины во многом зависит от характера сил и мест их приложения. Например, причинами низкочастотной вибрации (от 1 до 100 Гц) в машинах с частотой вращения до 3000 об/мин являются: небаланс ротора; несоосность приводов отдельных агрегатов; нарушение геометрии цапф; двойная жесткость ротора. Динамическая модель для исследования таких колебаний состоит обычно из 2-3 сосредоточенных масс, связанных между собой упругими безынерционными элементами. Вся машина рассматривается как единая упругая система, исследование свойств которой производится обычно методами прикладной теории колебаний.

В диапазоне средних и высоких частот вибрация возбуждается электромагнитными силами и подшипниками качения. Динамическая модель представлена в виде совокупности радиальных каналов, по которым колебания распространяются от точек приложения сил к выбранным точкам наблюдения. Наибольшую интенсивность имеет вибрация, возбуждаемая основной волной вращающегося магнитного поля. Частота этой вибрации равна удвоенной частоте питающей сети.

Вибрация отдельных элементов конструкции электрической машины может быть рассчитана методом электромеханической аналогии. Сущность метода в том, что любые механические колебательные системы могут быть заменены эквивалентными электрическими цепями. В качестве основы для построения аналогии между механическими и электрическими системами используются дифференциальные уравнения, которые описывают колебательные процессы, происходящие в указанных системах.

Вибрация статоров асинхронных машин, возбуждаемая электромагнитными силами

Основным источником магнитного шума являются не колебания зубцов или полюсов, непосредственно к которым приложено электромагнитные силы, а колебания ярма статора. При расчетах ярмо статора представляется в виде цилиндрической оболочки, на которую воздействует система с rчислом волн, периодически изменяющихся во времени и симметрично распределенных по окружности радиальных и тангенциальных сил.

При r = 0 статора вибрирует, как пульсирующий цилиндр (растяжение- сжатие). Частота собственных колебаний кольца статора ω₀ = .

При r = 1 все силы, возбуждающие этот вид колебаний, приводятся к одной вращающейся результирующей силе, приложенной в центре тяжести машны.

ω₀ =f(α).

При r ≥ 2 (наиболее часто встречающихся в практике) частота собственных колебаний ярма статора машин переменного тока может быть рассчитана по формулам:

при ≤ 1,0;

ω₀ =r(r² -1) при > 1,0;

где Х = h²/ (12R²_c)

m – масса, приходящаяся на 1 см² средней цилиндрической поверхности ярма;

h – высота спинки статора, см;

R_c – средней радиус ярма, см;

Е – модуль упругости, Н/см².

Параметрыколебательной системы, эквивалентной статору: колеблющаяся масса (в кг).

m_c = М_c / (2πR_ct),

гдеМ_c – полная масса пакета железа статора с обматкой или станины с полюсами;

_t – активная длина ярма;

приведенная податливость статора равна:

для колебаний при r = 0λ_с = R²_c / (Eh);

для колебаний при r ≥ 2

при ≤ 1,0;

λ_с =

(1+3r²X)при > 1,0

Полное механическое сопротивление статора при частоте ω возбуждающих сил Z_c = ω m_c -1 / (ωλ_c).

Скорость колебаний на поверхности сердечника статора у = р₀/Z_c, здесь р₀ = р₀₁R₀ /R_c,

где р₀₁ - удельная сила, действующая в воздушном зазоре, Н/см²;

R₀ – радиус расточки статора, см.

При жестком креплении машины к фундаменту пространственные формы колебаний статора искажаются. Поэтому при исследованиях виброакустических характеристик машин принята методика, при которой машина устанавливается на амортизаторы, чем исключается влияние фундаментов.

В машинах переменного тока пакет железа статора преимущественно жестко крепится в корпусе, поэтому необходимо учесть сопротивление корпуса:

Z_к = ω m_c -1 / (ωλ_к).

При этом колебательная скорость на поверхности корпуса

₂ = р₀/(Z_c +Z_к).

Величины m_ки λ_к рассчитываются аналогично расчету m_си λ_с.

Влияние режима работы на уровень громкости магнитного шума.

Расчет радиальных сил в режиме холостого хода может быть произведен по формулам:

Р₁ = 20В²_δиР_υμ = 40В_υ В_μ

1) Основная волна магнитного поля при переходе от нагрузки к режиму холостого хода практически не меняет свою величину;

2) Высшие гармоники обмотки статора В_υ и ротора В_μ меняют свою величину пропорционально I₁/I_0rиI^/₂/I_0rсоответственно. Поэтому уровень вибрации, возбуждаемой этими гармониками полей, при переходе от нагрузки к режиму холостого хода должен понизиться на значение

ΔL = 20lg-20lg

Аэродинамический шум

Основные причины возникновения:

1. Шум вентилятора, обусловленный срывающимися вихрями от рассечения воздушной струи кромками лопаток и дисками вентилятора.

2. Шум вращения ротора, обусловленный срывом вихрей с его поверхности от рассечения воздушной струи головками обмоток ротора или выступающими концами стержней беличьей клетки короткозамкнутых роторов.

3. Шум воздушных потоков, вызываемых срывом вихрей с неподвижных препятствий в вентиляционных путях. Например, на решетках входных и выходных окон, с ребер статора, лобовых частей обмоток статора и др.

4. Звуки, вызываемые тем, что воздушный поток на выходе с вентиляторного колеса встречает на своем пути препятствия в виде ребер, проходных шпилек и др. деталей.

5. Тональные звуки дискретной частоты, вызванные периодическими колебаниямидавления на отдельных участках аэродинамической цепи. Например, при пульсациях потока воздуха, выходящего из радиальных вентиляционных каналов ротора и входящего в радиальные вентиляционные каналы статора.

Общие уровни громкости шума электрических машин на расстоянии 0,5 м от корпуса в точке с максимальным уровнем рассчитывают по следующим приближенным формулам: L = 10lgP +20lgn +5,машины защищенного исполнения с самовентиляцией, где Р – мощность машины, кВт;n – частота вращения, об/мин;

машины с замкнутой самовентиляцией:

L = 10lgP +20lgn;

машины закрытые с водяным охлаждением:

L = 10lgP +20lgn -10;

машины с независимой вентиляцией, шум которых определяется шумом вентилятора:

L = 14lgP +80,где Р – мощность вентилятора, кВт.

Колебания ротора.

Колебания вала с одной сосредоточенной массой сердечника ротора вызывают дополнительные нагрузки на подшипниковые опоры и соответственно шум и вибрацию.

Проблема математического описания колебания роторов чрезвычайно сложна, поэтому здесь не рассматривается.

Уравновешивание роторов

Одной из основных причин вибрации вращающегося ротора и всей машины в целом является неуравновешенность ротора (небаланс). Три возможных случая его небаланса:

Статический – центробежная сила небаланса вызывает на опорах одинаковые по значению и совпадающие по фазе вибрации: А₁= А₂;

Динамический – пара центробежных сил небаланса вызывает на опорах одинаковые по значению и противоположные по фазе вибрации: А₁ = -А₂;

Смешанный – остаточный небаланс ротора приводит к паре сил и к радиальной силе, приложенной в центре тяжести ротора; вибрации опор здесь различаются как по значению, так и по фазе: А₁ ≠ А₂.

Наиболее распространенный в практике – смешанный. Эти виды небаланса могут быть устранены путем установки добавочных грузов, которые привели бы к компенсации. Обычно грузы устанавливают в двух плоскостях ротора, в специальных круговых канавках с радиусом r. Например, при статическом небалансе m_неб = (e /r) М,

где М – масса ротора,е – смещение центра тяжести ротора.

= Мω²е /Z_м – скорость колебания опор.

А₁ = Мωе /Z_м = m_неб(ω r/ Z_м) = m_неб К – амплитуда вибрации,

где Z_м = механическое сопротивленииемашины.

Величина ω r/ Z_м = К характеризует балансировочную чувствительность машины.

Тепловой небаланс вызывается неравномерным нагревом или охлаждением активной зоны ротора и встречается в турбогенераторах с воздушным и непосредственным водяным охлаждением.

Вибрация машин, возбуждаемая небалансом

Роторы различных типов электрических машин имеют свои конструктивные особенности, поэтому поддаются уравновешиванию с различной степенью тяжести.

Самая высокая точность может быть достигнута в асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором. Роторы этих машин термически стабильны во времении практически не меняют свой небаланс в эксплуатации.

Якоря машин постоянного тока и явно полюсные роторы синхронных машин имеют более высокий остаточный небаланс. Стабильность вибрации указанных машин достигается особой технологией формовки и запечки коллекторов и обмоток роторов.

Самые высокие вибрации наблюдаются в машинах с гибкими роторами, у которых рабочая частота вращения выше первой и второй критической. Роторы этих машин особенно чувствительны к тепловой несимметрии и требуют дополнительной балансировки ротора в собранной машине.

При разработке норм на допустимый остаточный небаланс роторов электрических машин и вызываемые им вибрации исходят из необходимости выполнения следующих требований:

1) обеспечить отсутствие усталостных разрушений в течение установочного срока службы машины;

2) уровень вибрации электрических машин не должен отражаться на качестве технологических процессов;

3) вибрация машин при их эксплуатации не должна оказывать вредного физического воздействия на человека.

В зависимости от размеров и требований к исполнению машины ее относят к одному из классов вибрации, которые обозначаются индексами, соответствующими максимально допустимой для данного класса вибрационной скорости V_{эф. max} (в мм в сек): 0,28;0,45;0,71;1,12;1,8;2,8;4,5;7,1.По стандарту НСО-2372-74 двигатели мощностью до 15 кВт, встраиваемые в основной механизм, относят к классу вибрации 18,, большие машины на тяжелых фундаментах – 4,5.

Вибрация машины, возбуждаемая небалансом, практически не поддается расчету из-за невозможности определить распределение остаточной неуравновешенности во всем объеме ротора. В самом простом случае, когда в роторе имеется чисто статический небаланс, центр тяжести машины совпадает с центром тяжести амортизирующего крепления, расчет вибрации производят как для одномассовой системы, в которой расчетными элементами являются масса машины и жесткость амортизации. При гибком роторе, жесткость которого соизмерима с жесткостью амортизации, расчет производят как для двухмассовой системы, в которой расчетными элементами являются массы статора и ротора, а так же жесткость ротора при изгибе и жесткость амортизации. Вибрация машины в дБ, измеренная по ускорению, будет тем выше, чем быстроходнее машина.

Источники вибраций подшипников качения.

При изготовлении деталей подшипников имеют место отклонения в пределах допусков, нормированных соответствующими ГОСТ. Этими отклонениями в значительной мере обусловлены вибрация и шум подшипников. Наиболее существенные: радиальный и осевой бой колец, овальность, гранность и конусность колец; разномерность, овальность и гранность шариков; допуски в гнездах сепараторов; волнистость и шероховатость дорожек качения.

Классы точности исполнения подшипников: Н – нормального, П – повышенного, В – высокого, А – особо высокого, С- сверхвысокого.

1. Радиальный бой внутреннего кольца подшипника вызывает вибрации, подобные остаточному небалансу ротора. Радиальный бой наружных колец нарушает соосность в подшипниковых узлах. Боковое биение торцов внутренних и наружных колец вызвано их непараллельностью величина указанного боя тем меньше, чем выше прецизионность подшипника.

2. Овальность и конусность колец допускается в пределах 0,5 допуска на диаметр для подшипников класса Н и 0,25 для класса С. Овальность колец является причиной вибрации с двойной частотой f = 2n/60.

3. Вибрация, возбуждаемая разномерностью шариков, зависит от угловой скорости сепаратора и конкретного распределения разномерных шариков в подшипнике.

f = , где r₁ иr₂ – радиусы дорожек качения внутреннего и наружного колец.

Z – число тел качения.

4. Овальность и гранность тел качения зависит от класса точности подшипников. Для класса С она в 5 раз меньше, чем для класса Н. Частота вибрации, вызванная гранностью тел качения:

f = ,где D₀ – диаметр центров тел качения,

d_Ш – диаметр тел качения,

К- число граней.

5. Зазоры в гнездах сепараторов – существенный источник вибрации подшипников. Чрезмерно большие зазоры приводят к смещению сепаратора на величину зазора и появлению вибрации частотой: f = .

Малые зазоры могут быть причиной залегания шариков и нарушения кинематики вращения подшипника, что также вызывает повышенный шум.

6. Возникающие в подшипниковых узлах динамические импульсы от волнистости не имеют периодического характера. Спектр вибраций нестабилен. Волнистостью считают углубления, превышающие 0,1 мкм с длиной волны, соизмеримой с радиусом шарика. Частота, обусловленная волнистостью:

f = , где m – число волнистостей по окружности дорожки качения внутреннего или наружного кольца.

Шероховатость поверхностей качения имеет меньшее значение в шумообразовании подшипников из-за малого расстояния между отдельными выступами по сравнению с радиусами шариков.

Кроме указанных причин, возможны локальные дефекты на дорожках качения: при транспортировке – местный наклеп дорожек качения. Частота этой вибрации: f = , где К₂ – число дефектов на дорожках качения. Вибрация подшипников возбуждается также периодическими изменениями жесткости подшипника, при перекатывании тел качения.

Частота: f = . На уровень вибрации кроме жесткости колец влияют радиальный зазор и нагрузка на подшипник.

Виброизоляция машин

Допустим, неуравновешенная машина устанавливается на фундамент, колебания которого нежелательны. Задача заключается в установке машины так, чтобы на фундаменте, с которым она связана, колебания были малыми. Решение сводится к установке машины на амортизаторах и правильному их выбору.

Эффективность виброизоляции (в дБ)

ВН = 20lg= 10 lg

При низких частотах вращения (n=ω/ω₀<<1) виброизоляция амортизаторов = 0, при резонансной частоте ВН отрицательна и определяется ≈ 10 lg[ω²₀M²/(Z_ф+ω₀М²)], то есть при резонансной частоте вибрация фундамента при упругом креплении машины больше, чем при жестком;на высоких частотах, то есть при условии n>> 1, ВН = 10 lg[Z²_фn²+ ω²₀M² / (Z²_ф+ω²₀М²n²)]. Если полное сопротивление фундамента во много раз больше полного сопротивления виброизолируемого механизма, т.е. выполняется условие ω²₀М²n²/ Z²_ф <<1, то виброизоляция вычисляется:

ВН ≈ 20 lgn = 20 lg(ω/ ω₀).

При выборе амортизирующего крепления руководствуются следующим:

1. Крупные машины с малой опорной поверхностью устанавливают преимущественно на пластинчатые амортизаторы. В остальных случаях применяют амортизаторы типа АКСС. При особо жестких требованиях к виброизоляции машины применяют амортизаторы типа АПС.

2. Количество опорных амортизаторов определяют из условия обеспечения номенклатурной нагрузки на каждый амортизатор и устойчивости установки машины. Нужно иметь в виду, что при недогрузках увеличивается число амортизаторов, следовательно, и жесткость амортизирующего крепления. При перегрузках сокращается срок службы амортизаторов. При определении количества амортизаторов необходимо учитывать количество и расположение отверстий в опорных лапах.

3. Для снижения вибрации, возбуждаемой небалансом, необходимо опорные лапы расположить так, чтобы центр жесткости амортизирующего крепления был по возможности ближе к центру тяжести машины.

4. При выборе схемы расположения амортизаторов не следует учитывать удобства монтажа и замены амортизаторов.

Измерение шума электрических машин

Измерение шумовых характеристик производятся любым из четырех методов:

1) В свободном звуковом поле; 2) в отраженном звуковом поле; 3) при помощи образцового источника;4) на расстоянии 1м от наружного контура машины.

1. Первый метод можно считать наиболее точным. Он позволяет определить все шумовые характеристики машин, во всем контролируемом диапазоне частот. Недостаток: необходимость иметь заглушенную камеру с хорошим звукопоглощающими свойствами.

2. Второй метод требует реверберационной камеры – помещения с хорошим звукоотражением. По сравнению с заглушенной ее конструкция проще, дешевле и удобнее в эксплуатации. Но в реверберационной камере очень трудно обеспечить требуемое звукоотражение на низких частотах, поэтому измерения в ней возможны только в диапазоне частот не ниже 124 Гц. Неудобство: не позволяет измерить уровень громкости звука в (дБ), хотя именно эта величина – основная при контрольных испытаниях. Недостаток: невозможность определения характеристики направленности излучения, т.к .во всех точках диффузного поля уровни громкости шума одинаковы. Преимущество: отпадает необходимость соблюдения точного расстояния от точек измерения шума до испытуемой машины.

3. Зная истинные шумовые характеристики образцового источника, заранее снятые в условиях свободного поля, и фактически того же образцового источника, измеренного в данном помещении, можно судить о том, насколько эти характеристики отличаются от условий свободного поля. В настоящее время нет достаточного опыта в применении метода образцового источника.

4. Четвертый метод измерения – основной. Для машин размером до 0,75 м он обеспечивает точность определения всех шумовых характеристик. Для более крупных машин расстояние 1 м не гарантирует выхода за границы «ближнего» звукового источника.

Этот метод позволяет определить нормируемую характеристику шума, упрощает выбор точек измерения. Для крупных машин позволяет иметь меньшие размеры заглушенной камеры.

Проведение измерений и обработка результатов

Полученные результаты измерений обрабатываются в следующем порядке:

1. Если разность между уровнем громкости звука, измеренным при работающей машине и уровнем громкости помех составляет 6-9 дБ, то поправка, учитывающая влиянии помех, будет 1дБ, если разность 4-5 дБ, то поправка будет 2дБ. Эта поправка вычитается из уровня громкости звука, измеренного при работающей машине. При разностях более 9 дБ, поправка не вносится.

2. Производится усреднение уровней громкости звука измеренных в нескольких точках внутри машины. Если усредненные уровни отличаются друг от друга менее чем на 5 дБ, то за средний уровень принимается их среднее арифметическое значение, если более чем на 5 дБ, усреднение производится по формуле: L_a = 10 lg () -10 lgn,

где L_a – уровень громкости шума в i-ой точке измерения на расстоянии 1 м от корпуса,

n – число точек измерения.

При типовых испытаниях дополнительно измеряются уровни звукового давления в точке с максимальным уровнем звука.

6. Вопросы техники безопасности и охраны труда

6.1 Техника безопасности при производстве статорной обмотки АД

При производстве обмотки статора АД происходят следующие технологические операции: изолирование пазов, намот­ку катушек, укладку катушек в пазы; заклинивание катушек в пазах, разжим лобовых частей; осадку катушек в пазах для двухслойных обмоток; установку междуфазной изоляции; соединение пайкой или сваркой концов ка­тушечных групп фаз; образование выводов об­мотки; изолирование, мест соединений; увязку и закрепление выводов и межгрупповых пере­ходов; формование, бандажирование и калиб­ровку лобовых частей, испытание обмотки, пропитка обмотки.

Наличие движущихся с большой скоростью деталей станков при выполнении операций изолирования пазов, намотки катушек и т.д. предъявляет следующие требования к рабочим:

они должны иметь соответствующую квалификацию для работы на данном оборудовании;

у женщин на голове должна быть повязана косынка, рукава у всех рабочих необходимо подвязать тесёмками, шарфы и галстуки снять;

персонал должен пользоваться только исправным инструментом, не пренебрегать защитными стёклами и очками.

Также необходимо с особой тщательностью следить, чтобы все вращающиеся части станков (зубчатые передачи, муфты, шкивы) были ограждены специальными щитами, кожухами или решётками.

При операциях пайки нужно предусмотреть вытяжную вентиляцию, т. к. пары свинца являются сильным ядом, а также удалить из зоны работ все легковоспламеняющиеся материалы и обеспечить рабочие места средствами пожаротушения. При пайке электродуговым паяльником следует защитить глаза от ослепляющего действия дуги, а также использовать перчатки во избежание ожога рук.

На этапах пропитки и сушки обмотки одним из основных вредных факторов является наличие в воздухе ядовитых испарений от пропиточных материалов. Согласно требованиям санитарии в воздухе рабочей зоны производ­ственных помещений устанавливают предельно допустимые концент­рации (ПДК, мг/м³) вредных веществ, утвержденные Минздравом РФ превышение которых не допускается.

Предельно допустимыми концентрациями вредных веществ в воздухе рабочей зоны являются такие концентрации, которые при ежедневной работе в течение 8 ч на протяжении всего рабочего стажа не могут вызывать у работающих заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследования, непосредственно в процессе работы или в отда­ленные сроки. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны являются максимально разовыми. Рабочей зоной следует считать пространство высотой до 2 м над уровнем пола или площадки, на которой находятся места постоянного или времен­ного пребывания работающих.

Контроль за составом воздуха должен осуществляться постоянно в сроки, установленные санитарной инспекцией. Определение концентрации газов производят разнообразными стан­дартизированными методами, основанными на химических, диффузион­ных и электрических принципах. Наиболее быстрые из них получили название экспресс-методов. Экспрессный линейно-колористический метод определения содержания вредных веществ в воздухе основан на быстропротекающих цветных реакциях в высокочувствительной специальной поглотительной жидкости или твердом веществе, напри­мер силикагеле или фарфоровом порошке, пропитанном индикатором, Порошок, пропитанный индикатором, помещают в стеклянную трубоч­ку, через которую пропускают определенный объем исследуемого воздуха. В зависимости от количества вредного вещества в воздухе порошок окрашивается на определенную длину, интенсивность окраски также может быть различной. Сравнивая результаты опыта со шкалой, определяют содержание вредного вещества в воздухе.

Защита человека от воздействия вредных веществ осуществляется с помощью мероприятий, которые в ряде случаев следует применять комплексно. Основные из них:

1)автоматизация и механизация процессов, сопровождающихся выделением вредностей;

2)совершенствование технологических процессов и их рациона­лизация (замена токсических веществ нетоксическими, отказ от при­менения пылящих материалов, переход с твердого топлива на газо­образное и пр.);

3)совершенствование конструкций оборудования, при которых исключаются или резко уменьшаются вредные выделения в окружаю­щую среду, что возможно, например, при герметизации.

Защита от вредных газов, паро - и пылевыделений предусматривает устройство местной вытяжной вентиляции для отсоса ядовитых ве­ществ непосредственно от мест их образования. Местные отсосы устраи­вают конструктивно встроенными и сблокированными с оборудованием так, что агрегат нельзя пустить в ход при выключенном отсосе.

Особые требования предъявляются также к устройству помещений, в которых ведутся работы с вредными и пылящими веществами. Так, полы, стены, потолки должны быть гладкими, легко моющимися. В цехах с большими выделениями пыли производят регулярную мокрую или вакуумную уборку.

Индивидуальные средства защиты. При работе с ядовитыми и загрязняющими веществами пользуются спецодеждой — комбинезо­нами, халатами, фартуками и пр., для защиты от щелочей и кислот — резиновыми обувью и перчатками. Для защиты кожи рук, лица, шеи, применяют защитные пасты: антитоксичные, маслостойкие, водостойкие. Глаза от возможных ожогов и раздражений защищают очками с герметичной оправой, масками и шлемами.

Органы дыхания защищают фильтрующими и изолирующими при­борами. Фильтрующие приборы — это промышленные противогазы и респираторы. Респиратор состоит из резиновой полумаски и фильт­ров, очищающих вдыхаемый воздух от пыли или газов. Изолирующие дыхательные приборы (шланговые или кислородные) применяют в случаях высоких концентраций вредных веществ.

Также необходимо уделить особое внимание пожарной безопасности:

не применять открытого огня и не курить;

оборудовать помещения установками для подачи пара и пенными огнетушителями;

не допускать ударов металлическихпредметов друг об друга во избежание искрения;

тщательно следить за исправностью технологического оборудования, избегать отклонений от номинальных режимов работы;

периодически проверять работоспособность противопожарного инвентаря.

В процессе испытания обмотки статора на электрическую прочность необходимо соблюдать осторожность при работе с высоким напряжением, пользоваться средствами индивидуальной защиты и соблюдать общие правила электробезопасности, такие как защитное заземление используемого оборудования и рабочего места, защита от случайного прикосновения к токоведущим частям оборудования, контроль и профилактика повреждения изоляции. Более подробно вопросы электробезопасности при эксплуатации оборудования рассмотрены в пункте 6.2.

6.2 ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВИГАТЕЛЯ

При эксплуатации электродвигателя необходимо соблюдать общие меры безопасности, применяемые ко всему электрооборудованию. Рабочий должен быть защищён от удара электрическим током, а также от повреждений, вызванных механической поломкой машины и окружающего оборудования. В частности, асинхронный двигатель, рассмотренный в данном дипломном проекте, выполнен по степени защиты IP 44, что означает наличие закрытого корпуса и способность работать в достаточно жёстких условиях при обеспечении безопасности рабочего.

Электродвигатели, работающие на производстве, должны быть обеспечены всеми видами защит: от короткого замыкания, от перегрузки, от чрезмерного увеличения частоты вращения. Для защиты от к.з. применяют предохранители и автоматические выключатели. Номинальные токи плавких вставок предохранителей и расщепителей автоматических выключателей выбираются таким образом, чтобы отношение пускового тока двигателя к номинальному току вставок плавких было равным 1,6 до 2. Плавкие вставки калибруют и ставят клеймо с указанием завода – изготовителя и номинального тока. Применение некалиброванных вставок плавких не допускается.

Защита электродвигателей от перегрузок устанавливается в случаях, когда возможна перегрузка по технологическим причинам, а также когда при особо тяжёлых условиях пуска или самозапуска необходимо ограничить длительность пуска при пониженном напряжении. Защита выполняется с выдержкой времени и осуществляется тепловым реле или другими устройствами. Защита от перегрузки действует на отключение, на сигнал или на разгрузку механизма, если разгрузка возможна.

Если электродвигатели располагаются в пыльных помещениях или с повышенной влажностью, то к ним необходим подвод чистого охлаждающего воздуха. Плотность тракта охлаждения (корпуса электродвигателей, воздуховодов, заслонок) проверяется не реже 1 раза в год.

Напряжение на шинах распределительных устройств должно поддерживаться в пределах 100 – 105 % от номинального. Для обеспечения долговечности двигателей использовать их при напряжении выше 110 и ниже 95 % от номинального не рекомендуется.

Необходимо также периодически проводить осмотры, капитальные и текущие ремонты согласно плану эксплуатации двигателя.

Электродвигатели аварийно отключаются от сети в следующих случаях:

при несчастных случаях с людьми;

появление дыма или огня из двигателя или из его пускорегулирующей аппаратуры;

поломке приводного механизма, появлению ненормального стука;

при резком увеличении вибрации подшипников агрегата, нагреве подшипников сверх допустимой температуры.

При обслуживании электрических установок возможны случаи, когда металлические конструктивные части, нормально не явля­ющиеся токоведущими и не находящиеся под напряжением, элек­трически соединяются с элементами цепи электрического тока и получают вследствие этого потенциал, отличный от потенциала земли. Замыкание, возникающее в машинах, аппаратах, линиях, на нетоковедущие части конструкции называют замыканием. В этих случаях человек, не имеющий специальных средств защиты (резиновых перчаток, галош и т. п.), может, прикоснув­шись к этим частям, оказаться под напряжением: через его тело пройдет ток, опасный или смертельный для организма.

Для обеспечения безопасности обслуживания электроустано­вок применяют защитное заземление, зануление или защитное отключение. Выбор вида защиты зависит от режима работы нейт­рали генераторов и трансформаторов.

Нейтрали генераторов и трансформаторов, соединяющиеся с за­земляющим устройством через резистор малого сопротивления, на­зывают глухозаземленными (рис.6.1,а). Нейтрали, не присоединенные к заземляющим устройствам непосредственно или присоеди­ненные через резисторы большого сопротивления (например, транс­форматоры напряжения), называют изолированными (рис. 6.1,б). Электроустановки переменного тока напряжением до 1000 В конструктивно выполняют глухозаземленными или с изолирован­ной нейтралью, а электроустановки постоянного тока - глухоза­земленными или с изолированной средней точкой. В четырехпроводных сетях переменного тока должно быть обязательно глухое заземление нейтрали.

Рис. 6.1 Схемы заземления в сетях напряжением до 1000В.

Защитным заземлением электрической установки называют пред­намеренное соединение ее нетоковедущих частей с заземляющим устройством, представляющим собой совокупность заземлителя и заземляющих проводников. Оно широко используется в электро­установках, работающих в сетях с изолированной нейтралью. При этом осуществляется непосредственная металлическая связь кор­пусов электрооборудования с землей (см. рис. 6.1, б), имеющая своей целью предельно ограничить разность потенциалов, кото­рая может воздействовать на человека, одновременно соединен­ного с землей и корпусом.

К частям силового оборудования, подлежащим зазем­лению относят:

корпуса электрических машин, трансформаторов и аппаратов;

приводы электрических аппаратов;

вторичные обмотки измерительных трансформаторов;

каркасы распределительных щитов, шкафов и пультов управ­ления;

металлические конструкции распределительных устройств, металлические кабельные конструкции;

металлические корпуса кабельных муфт, металлические обо­лочки и брони контрольных и силовых кабелей, металлические оболочки проводов, стальные трубы для проводов электросети и другие металлические конструкции, связанные с установкой элек­трооборудования;

съемные или открывающиеся части на металлических заземленных каркасах любых электроконструкций;

металлические корпуса передвижных и переносных электроприёмников.

Заземлению не подлежит электрооборудование, которое по характеру своего расположения и способу крепления имеет надёжный контакт с другими заземлёнными металлическими частями установки;

оборудование, установленное на заземлённых металлических конструкциях, имеющие в местах крепления зачищенные и незакрашенные места;

корпуса электроизмерительных приборов, реле и т.п. установленные на шкафах, щитах и пультах;

съёмные или открывающиеся на металлических заземлённых каркасах любых электроконструкций.

Для защиты от перехода высокого напряжения в сеть низкого напряжения, при пробое изоляции обмоток трансформаторов в этих установках обмотку трансформатора заземляют через про­бивной предохранитель. В случае попадания тока высокого напря­жения в сеть тока низкого напряжения происходит электричес­кий пробой пробивного предохранителя и обмотка низшего на­пряжения трансформатора оказывается заземленной.

В качестве естественных заземлителей используют:

свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле;

металлические конст­рукции зданий (фермы, колонны и т.п.);

металлические конст­рукции производственного назначения (подкрановые пути, кар­касы распределительных устройств, галереи, площадки и т.п.); стальные трубы электропроводок; обсадные трубы скважин; ме­таллические, стационарные открыто проложенные трубопроводы всех назначений, кроме трубопроводов горючих и взрывоопасных смесей, канализации и центрального отопления.

Если естественных заземлителей нет или их использование не дает нужных результатов, то применяют искусственные заземлители в виде стержней из угловой или круглой стали и из газово­допроводных труб.

В электроустановках с глухозаземленной нейтралью при замы­каниях на нетоковедущие части должно быть обеспечено надеж­ное автоматическое отключение поврежденных участков сети с наименьшим временем отключения. С этой целью в электроуста­новках напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью, а также в трехпроводных сетях постоянного тока с глухозаземлен­ной средней точкой обязательно зануление — металлическая связь корпусов электрооборудования с заземленной нейтралью элек­троустановки (рис. 6.2). Проводимость фазных и нулевых защитных проводников должна быть выбрана такой, чтобы при замыкании на корпус возникал ток короткого замыкания, превышающий не менее чем в 3 раза номинальный ток плавкого элемента предохра­нителя.

Рис 6.2 Схемы зануления электрооборудования

Схема зануления включает в себя следующие элементы: нуле­вой провод питающей сети, заземление нейтрали источника пи­тания (рабочее заземление) и повторное заземление нулевого провода. Нулевой провод питающей сети в схеме зануления обес­печивает создание цепи с малым сопротивлением для тока при замыкании фазы на корпус и превращении этого замыкания в однофазное короткое замыкание. Различают нулевой защитный 0₃ и нулевой рабочий 0_Р провода (см. рис. 6.2, б). Нулевой защитный провод служит для соединения зануляемых частей оборудования с глухозаземленной нейтралью источника тока, а нулевой рабо­чий провод — для питания электроприемников фазным напряже­нием. Однако схемы с разделением нулевого провода выполняют редко. В большинстве случаев используют один нулевой провод, одновременно выполняющий функции и рабочего, и защитного (см. рис. 6.2, а).

В качестве нулевых защитных проводов можно использовать:

нулевые рабочие, специально предусмотренные проводники (четвертая или третья жила кабеля, четвертый или третий про­вод, стальные полосы и т.п.);

стальные трубы электропроводки;

алюминиевые оболочки кабелей;

металлические конструкции зданий (фермы, колонны и т.п.);

металлические конструкции производственного назначения (подкрановые пути, каркасы распределительных устройств, гале­реи, площадки, шахты лифтов, подъемников, элеваторов, об­рамление каналов и т.п.);

6.3 Пожарная безопасность при эксплуатации двигателя

Многие производственные процессы сопровождаются значительным выделением пыли. Пыль – это тонкодисперсные частицы, которые образуются при различных производственных процессах – дроблении, размалывании и обработке твёрдых тел, при просеивании и транспортировке сыпучих веществ и т.п. Кроме того пыли образуются при горении топлива. Пыли, взвешенные в воздухе, называются аэрозолями, скопления осевших пылей – аэрогелями. Промышленная пыль бывает органическая (древесная, торфяная, угольная) и неорганическая (металлическая, минеральная).

Для обеспечения противопожарной безопасности в помещениях с повышенным содержанием пыли (деревообрабатывающие мастерские, мукомольни и т.д.) необходимо обеспечить бесперебойную вытяжную вентиляцию, а также предусмотреть необходимые средства пожаротушения. Естественно, в таких помещениях нужно полностью исключить курение, использование обогревательногооборудования, не предусмотренного в конструкции помещения. Электродвигатели, используемые в приводах, должны быть взрыво – пожаробезопасной конструкции.

Согласно строительным нормам и правилам все производства подразделяются на пять категорий: А, Б, В, Г, Д.

Проектируемый двигатель находится в помещении II класса по огнестойкости категории В. К категории В относятся производства связанные с обработкой твёрдых сгораемых веществ и материалов, а так же жидкостей с температурой возгорания выше 120ºС.

Пожарная опасность электроустановок обусловлена наличием в применяемом электрооборудовании изоляционных материалов. Горючей является электрическая изоляция обмоток электрических машин, различных электромагнитов, проводов и кабелей. Всевозможные лаки и компаунды, изоляционное (трансформаторное) масло. битум, канифоль, и ряд других электроизоляционных и конструкционных материалов, являющихся горючими и пожароопасными.

Электроизоляционные материалы, применяющиеся в электрических машинах, по их нагревостойкости подразделяются на семь классов. Для каждого класса установлена предельно допустимая рабочая температура.

Выделяемая изолированными проводниками теплота вызывает повышение температуры. В случае значительных перегрузок проводников и особенно при протекании токов КЗ, температура изоляции возрастает настолько, что материал разлагается с выделением горючих паров и газов, что и бывает обычно причиной возгорания изоляции.

Значительную пожарную опасность представляют коммутационные аппараты открытого типа и открытые плавкие вставки, в которых при отключении тока, а так же при перегорании плавкого предохранителя возникает опасное искрообразование. Поэтому, как правило, рубильники, предохранители и переключатели следует применять закрытого типа.

Учитывая пожарную опасность электроустановок, ПУЭ устанавливают ряд специальных требований к электрооборудованию при установке и монтаже. В процессе эксплуатации электроустановок необходимо так же соблюдать ряд мер предусмотренных ПТЭ с учётом пожарной безопасности. Система пожарной безопасности предусматривает следующие меры:

- удаление избыточного тепла, выделяемого двигателями;

- максимально возможное применение негорючих и трудно горючих веществ и материалов;

- ограничение количества горючих веществ и их надлежащее расположение;

- изоляцию горючей среды;

- предотвращение распространения огня за пределы очага;

- применение средств пожаротушения.

7. Технико-экономическое обоснование спроектированного двигателя

7.1. Описание конструкции АД

Электрические машины мало вступают в физический и психологический контакт с человеком, поэтому требование при проектировании АД сводятся к обеспечению удобства их монтажа, встраиваемости в различные механизмы, безопасности при эксплуатации, малошумности, максимально возможного охлаждения электрической машины и удобства подключения.

К видимым частям электрической машины относятся станина, подшипниковые щиты, кожух вентилятора, ротор. Станина АД изготавливается методом литья под давлением. Два подшипниковых щита одинаковы по форме, гладкие. Конфигурация кожуха служит для оптимального обтекания двигателя струями охлаждающего воздуха. Магнитная система набирается из листов электротехнической стали марки 2013. Обмотка статора из мягких секций, намотанных круглым медным проводом. Секции укладываются в пазы статора через шлицы. Подшипниковые щиты литые, имеют внутреннюю замковую поверхность, полностью прилегающую к станине. Также в двигателе есть подшипники качения, легкой серии с понижением уровня шума.

7.2. Структурно-функциональный анализ асинхронного двигателя

Структурно-функциональный анализ (СФА) применяется для всестороннего изучения изделия с целью установления его главных, основных и вспомогательных функций, для совершенствования конструкции в направлении повышения надежности, безопасности, экономичности производства и эксплуатации при выполнении главной функции. При проведении СФА все изделие представляется в виде нескольких систем, а каждая система разбивается на несколько элементов. Анализ выявляет связь, главенство, полезность, функциональность элементов системы. Структура системы – это то, что остается неизменным при изменении ее состояния реализации различных функций в процессе совершения системой различных операций.

Для проведения СФА выделяются главная, основная и вспомогательная функции. Функция системы – действие, которое она выполняет для достижения поставленной цели.Главнаяфункция–неизменноевыражениеосновногоназначения изделия,егополезностидлядостиженияконечногорезультата.Ее основное отличиеотдругихфункций–неизменность,независимостьотконструктивныхмодификацийсистемы.

Основнаяфункцияхарактеризуетназначениеэлементовизделия,котороеповозможностистабильноинезависимоотизменяющихсяфакторов–материалытехнологияитакдалее.

Лишняяфункция-назначениеэлементанеучаствующеговвыполненииосновнойфункциииоказывающегосяненужнымприизготовлении,либофункционированиисистемы.

Рис.7.1. Схема СФА АД.

НаоснованииСФАвыявляютсясвязимеждуэлементамисистемы.Полныйнабормеханическихсвязейкаждогоэлементасдругимиосуществляетсяспомощьюструктурнойматрицы.Матрицасвязейпозволяетвнаиболеепростойинагляднойформепроследитьсвязиузловидеталей,составляющихизделие.При установленииэтихсвязей,анализируютсянаиболеезагруженныеи ненадежныеузлыидеталимашины,содержащиенаибольшее количество единицвматрице (рис. 7.1 и табл. 7.1).

Наименование

системы

Выполняемая

функция

Уровень функции

Выполнение операции

Материалы

асинхронный двигатель

преобразование

эл. энергии в механическую

главная

все изделие

сталь, медь, латунь

магнитная система

создание магнитодвижущей силы

основная

Станина

медь

система подключения

подключение обмотки статора к питанию сети

вспомо-

гатель-ная

коробка выводов

железо

система центровки икрепления

обеспечение “жесткого” положения ротора в подшипнков. щитах

вспомо-

гатель-ная

подшипни-

ков. щиты, подшипники вал

конструкционные материалы

система смазки

уменьшает силу трения в подшипниках

вспомо-

гатель-ная

масленка, “шприц” для металла

металл

система охлаждения

Отвод тепла от активных частей машины

вспомо-

гатель-ная

вентилятор на валу ротора

сталь

системы защиты.

защита человека от прикосновения к вращающимся частям, от поражения эл. током, от выхода из строя эл. двигателя.

вспомо-

гатель-ная.

Защитные крышки, кожухи, эмали, лаки.

Конструк-

ционные материалы, краски, лаки, эмали.

Таблица 7.1. СФА АД

Система асинхронного двигателя для структурно-функционального анализа представлена на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Схема для СФА

Матрица механической связи основных элементов структуры асинхронного электродвигателя приведена ниже в табл. 7.2.

Табл. 7.2.

Подшип-ник

Ста-нина

Ста-тор

Ротор

Об-мотка ста-тора

Об-мотка ротора к.з.

Задний подшип. щит

Перед. подшип. щит

Вал

Подшипник

0

0

0

1

0

0

1

1

1

Станина

0

0

1

0

0

0

1

1

0

Статор

0

1

0

0

1

0

0

0

0

Ротор

0

0

0

0

0

1

0

0

1

Обмотка статора

0

0

1

0

0

0

0

0

0

Обмотка ротора к.з.

0

0

0

1

0

0

0

0

0

Задний подшип-ник. щит

1

1

0

0

0

0

0

0

0

Передний подшип-ник. щит

1

1

0

0

0

0

0

0

0

Вал

1

0

0

1

0

0

0

0

0

Примечание: 0-отсутствие; 1-наличие механической связи между системами.

Главная функция отличается от остальных неизменностью, независимостью от конструктивных модификаций системы.

Основная – характеризует назначение элементов изделия.

Вспомогательная – это результат конструктивных, технических, либо других решений для реализации основной и главной функции.

Полный набор механической связи каждого элемента с другими осуществляется с помощью структурной матрицы. В проведённом СФА, изделие было представлено не в его реальной форме, а как комплекс выполняющих функций. В процессе анализа были установлены главные, основные, и вспомогательные функции. Приведенный анализ показал, что все элементы изделия участвуют в выполнении главной функции – обеспечение работы АД при большом пусковом моменте. На основании данного анализа был сделан вывод, что снижение себестоимости, повышение качества нужно добиваться за счет применения новых материалов.

Повышениеэффективностиновыхмашинсвязанососнижениемэксплуатационных расходов,тоестьповышениянадежностииулучшениемэнергетическихпоказателей,однакоэтодолжнодостигатьсябезувеличениязатратнаизготовление. Машинаобщегоназначениядолжнаудовлетворятьвчастирабочиххарактеристиктребованиямдействующихстандартовилитехническихусловийивместестембытьэкономическиэффективной.

Например,присоблюденииуказанныхтребованийстандартовмашинаможетбытьспроектированасвысокимиспользованиемактивных(проводниковыхимагнитных )материалов,иметьуменьшеннуюмассуи,следовательностоимость.Однакоеслиприэтомухудшаютсяэнергетическиепоказатели,топовыситсястоимостьпотерьэнергии.

Дляповышенияэффективностимашинынеобходимосократитьрасходынаэлектротехническуюсталь,обмоточныепровода,снизитьтрудоемкостьизготовления.Переходнаболеенагревостойкуюизоляциюпозволяетпритойжемощностимашиныуменьшитьеегабариты.Применениеболеесовершеннойсистемыохлаждения,новыхсортовэлектротехническойсталислучшимимагнитнымисвойствамиименьшимиудельнымипотерями,новыхэлектроизоляционныхматериаловприводиткуменьшениюпотерьиобъемаактивнойчасти.

Данные мероприятияприводяткснижениюсебестоимостидвигателя,следовательно,иегоцены.

7.3.Определениесебестоимостииоптовойценыспроектированногодвигателя

Трудоемкость изготовления спроектированного двигателя:

Т_н = Т_б ³√(mмаш.н/mмаш.б)²=25 ³√(41,8/49)²= 22,49нч,

где Т_б = 25 нч - трудоемкость базового двигателя.

Заготовительные массы материалов

Масса проводов обмоток

m'_м1 = 1,03m_м1. =1,03·3,73= 3,84 кг.

Масса алюминия короткозамкнутого ротора

m'ал =1,05mал = 1,05·1,12=1,18 кг.

Масса стали статора и ротора

m'_сΣ =m_сΣ= 16,32 кг.

Масса изоляции машины

m'_и1 =1,05 m_и1 = 1,050,07 = 0,0735кг.

Массаконструкционных материалов

m'_к =1,1 m_к = 1,120,66 = 22,73 кг.

Себестоимость материалов

Провода обмоток

С_м1 = с_м1 m′_м1 =1503,84= 576,29 руб.

Алюминий ротора

С_ал =салm′ал = 1001,18 =118 руб.

Сталь статора

С_сΣ= с_сΣ m′_сΣ = 8016,32 =1305,6 руб.

Изоляция

С_и1 =с_и1 m'_и1 = 750,0735 =5,51 руб.

Конструкционные материалы

С_к =с_к m'_к = 3522,73 =795,55 руб.

Суммарная стоимость материалов

С_мат= С_м1+С_сΣ + С_ал + С_и1 + С_к = =576,29+118+1305,6+5,5+795,55=2800,95 руб.

Покупные изделия

Таблица 7.3

№

Наименование изделия

Количество

изделий

Ки

Действующие цены на покупное изделие

Спи

1

Болт М8

4 шт.

7

2

Болт М6

16 шт.

6

3

Болт М4

18 шт.

5

8

Подшипники

2 шт.

65

9

Лакокраски

0,4 л.

90

Стоимость покупных изделий

С_п.и=∑( С_пи К_и) = 74+616+518+652+900,4= 380руб.

Транспортные расходы

С_mр = (С_мат. + С_п.и. )/100% а_mр = (2800,95+380)/1008=254,48руб.,

где а_mр = 8% - процент транспортных расходов.

Основная зарплата производственных рабочих

З_о = Т_нU_с =22,49 17,5 = 393,58 руб.,

где Uс = 17,5 руб. – часовая ставка.

Премия производственных рабочих

П= З_о /100% а_п=393,58/100·30=118,07руб.

где а_п = 30% .

Дополнительная зарплата производственных рабочих

З_доп = (З_о+П) /100% а_доп = (393,58+118,07)/10015= 76,74 руб.,

где а_доп = 15% .

Единый социальный налог

О_сс=( З_о +П+ З_доп)/100% а_с =

= (393,58+118,07+76,74)/10026= 152,98 руб.,

где а_с = 26% .

Зарплата производственных рабочих

З_пр = З_о +П+ З_доп + О_сс =393,58+118,07+76,74+152,98=741,37 руб.

Цеховые расходы

Р_ц =( З_о а′_цех )/100% = (393,5850)/100=196,79 руб.,

где а′_цех = 50% .

Расходы на содержание оборудования и его эксплуатацию (амортизация)

Р_со =( З_о а′_со )/100% = (393,58110)/100=432,94 руб.,

где а′_со = 110% .

Цеховая себестоимость

С_ц = С_мат + С_п.и + С_mр + З_пр +Р_со + Р_ц = 2800,95+380+741,37+196,79+432,94=4806,53 руб.

Общезаводские расходы

Р_з =( З_о а_зав )/100% = (393,5870)/100 =275,5 руб.,

где а_зав. =70% .

Производственная себестоимость

С_п= С_ц + Р_з =4806,53+275,5 = 5082,03 руб.

Прочие производственные расходы

Р_пр =( С_п а_пр )/100% = (5082,032)/100 = 101,64 руб.,

где а_пр. = 2% .

Общезаводская себестоимость

С_з =С_п+ Р_з + Р_пр = 5082,03+101,64 =5183,67 руб.

Внепроизводственные расходы

Р_вн. =( С_з а_вн. )/100% = (5183,671,5)/100= 77,76 руб.,

где а_вн. = 1,5% .

Полная себестоимость двигателя

С_д = С_з + Р_вн =5183,67 +77,76 = 5261,43 руб.

Прибыль

Р =( С_п а_пб )/100% = (5261,434,4)/100 = 231,5 руб.,

где а_пб = 4,4% .

Оптовая цена

С_г= С_п + Р_б =5261,43+231,5= 5492,93 руб.

Калькуляция себестоимости АД

Таблица 7.4

№

Наименование статей и затрат

Цена нового двигателя

Руб.

Цена базового двигателя

Руб.

1

Основные материалы

2800,95

3283,41

2

Покупные изделия

380

380

3

Транспортно-заготовительные расходы

254,48

293,07

4

Основная зар.плата рабочих

393,58

437,5

5

Дополнительная зар.плата рабочих

76,74

85,31

6

Премия

118,07

131,25

7

Единый соц.налог

152,98

170,06

8

Цеховые расходы

196,79

218,75

9

Расходы на содержание оборудования (амортизация)

432,94

484,25

10

Общезаводские расходы

275,5

306,25

11

Внепроизводственные расходы

77,76

88,58

12

Прочие постоянные расходы

101,64

115,8

13

Полная себестоимость

5261,43

5994,23

14

Прибыль

231,5

263,75

15

Цена

5492,93

6257,98

16

Объем производства

550

550

Таким образом спроектированный двигатель дешевле базового на 765,05 руб. Разница обусловлена меньшей затратой на основные материалы, так как масса нового двигателя меньше чем масса базового и соответственно меньшей заработной платой на их изготовление.

7.4. Определение экономической эффективности

Годовая себестоимость нового двигателя:

К_н=К₁*N_год.б=5261,43*550=2893786,5 руб

Годовая себестоимость базового двигателя:

К_б=К₂*N_год.б=5994,23*550=3296826,5 руб

Годовая экономия от снижения себестоимости:

ΔК= К_б- К_н=3296826,5-2893786,5=403040 руб

Определение точки безубыточности

Переменные издержки на калькуляционную единицу:

v=Смат+Сп.и+Сmр+Зо+Здоп+П+Осс+=2800,95+380+254,48+393,58+76,74+118,07+152,98=4176,8 руб

Общие переменные издержки:

V= v*Q=4176,8*550= 2297240 руб

Постоянные издержки на калькуляционную единицу:

f= Рц + Рсо + Рз + Рпр =196,79+432,94+275,5+101,64=1084,63 руб

Общие постоянные издержки:

F=f*Q=1084,63*550=596546,5 руб

Себестоимость калькуляционной единицы:

C=v+f=5261,43 руб

Общая себестоимость:

Co= C*Q =5261,43*550=2893787

Валовая выручка:

R= Сг*Q = 5492,93*550 = 3021112 руб

Прибыль:

P= R- Co =3021112-2893787= 127325 руб

Объем производства в критической точке (Nкр)

Nкр = F/( Цд - v) = 596546,5/(5492,93 – 4176,8) = 453,258 шт.

Выручка от реализации продукции в критической точке

Rкр = ЦдNкр =5492,93 453,258= 2489715руб.

Таблица 7.5

№

Наименование статей

Обозначение, ед. измерения

Кол-во

Базовый двигатель

Новый двигатель

1

Объем производства

Q, шт.

550

550

2

Переменные издержки на калькуляционную единицу

v, руб

4780,6

4176,8

3

Общие переменные издержки

V, руб.

2629330

2297240

4

Постоянные издержки на калькуляционную единицу

f, руб

1213,63

1084,63

5

Общие постоянные издержки

F, руб.

667496,5

596546,5

6

Себестоимость калькуляционной единицы

C, руб.

5994,23

5261,43

7

Общая себестоимость

Co, руб.

3296827

2893787

8

Валовая выручка

R, руб.

3441889

3021112

9

Прибыль

P, руб.

145062,5

127325

10

Точка безубыточности в стоимостном выражении

руб.

2827424

2489715

11

Точка безубыточности в натуральном выражении

шт.

451,811

453,258

Минимальная продажная цена при которой производство остается безубыточным:

Cр.min= F + V / Q= 2893786,5/ 550 =5261,43 руб.,

Запас финансовой устойчивости:

Зф.у = R – Rкр =3021111,5-2489715=531396,5руб.,

где R – валовая выручка от реализации продукции;

Rкр – выручка от реализации продукции в критической точке.

Показатель финансовой устойчивости в относительном выражении

Кзфу = Зф.у / R =531396,5/3021111,5=0,176

График безубыточности

Издержки,

тыс. руб.

3021111,5

2893786,5

2489715

N_кр

1500000

F

596546,5

0100200300400453500550600

Объёмпроизводства, шт.

Безубыточность достигается после выпуска 453 изделий на сумму 2489715 руб.

7.5. Определение экономического эффекта

Необходимо инвестиций 1052286 руб

Инфляция- 13%

Ставка налога на прибыль- 24%

Среднегодовая ставка по кредиту- 15%

Таблица 7.6

Наименование показателей

Год инвестиций

Год эксплуатации

0

1

2

3

4

5

Инвестиции, руб.

248375,1

Цена, руб./шт.

5492,93

5492,93

5492,93

5492,93

5492,93

Объем производства, шт./год

550

550

550

550

550

Себестоимость единицы продкуции, руб./шт.

5261,43

5261,43

5261,43

5261,43

5261,43

в т.ч. на амортизацию

432,94

Выручка

3796568

3796568

3796568

3796568

3796568

Общие издержки

3548193

3548193

3548193

3548193

3548193

в т. ч. на амортизацию

384500

384500

384500

384500

384500

Балансовая прибыль

248375

248375

248375

248375

248375

Налог на прибыль

59610

59610

59610

59610

59610

Чистая прибыль

188765

188765

188765

188765

188765

NCF

573265

573265

573265

573265

573265

Kd

1

0,98039

0,96116

0,94232

0,92384

0,90573

1.Определение нормы дисконта q:

q= Банковская ставка по кредиту – Инфляция

q=0,15-0,13=0,02

Коэффициент дисконтирования ( для каждого года с нулевого года, для нулевого года Kd=1 )

Kd = (1+q)^-t

2. Находим чистую дисконтную стоимость NPV

где IC – капитальные вложения.

Инвестиции эффективны если NPV>0.

NPV = 334884*0,9803922 + 334884*0,96116878 + 334884*0,942322335 + 334884*0,9238454 + 334884*0,9057308 – 1*1052286 = 526176,174

3. Внутренняя норма доходности:

Внутреннюю норму доходности проекта можно рассматривать как наивысшую ставку процента, которую может заплатить заемщик без ущерба для своего финансового положения, если все средства для реализации инвестиционного проекта заемные. Она показывает запас прочности проекта по отношению к выбранной процентной ставки.

Для данного расчета используем метод подбора. Подберем 2 значения нормы дисконта (округление до тысячных) таким образом, что при значении q’NPV’>0. А при значении q’’NPV’’<0. И рассчитаем IRR по формуле:

IRR=[q′+ NPV′(q′′-q′)]/( NPV′′ - NPV′)

Таблица 7.7

Значение q` при котором NPV>0 но →0

0,17

19123,84

Значение q`` при котором NPV<0 но →0

0,18

-5046,4598

IRR=[0,17+19123,84(0,18-0,17)]/(19123,84-5046,4598)=0,177912124

Условие эффективности для внутренней нормы доходности IRR>q.

4. Коэффициент рентабельности инвестиций

К_рент = (334884*0,9803922 + 334884*0,96116878 + 334884*0,942322335 + 334884*0,9238454 + 334884*0,9057308)/(1·1052286)=1,500031526

При Крент > 1 сумма дисконтных денежных доходов > суммы инвестиций. Данный коэффициент является относительным показателем, поэтому он очень удобен при выборе одного проекта из альтернативных, имеющих одинаковые значения NPV.

5. Срок окупаемости проекта:

Значение этого показателя определяет такой срок, при котором суммированные дисконтированные доходы равны суммарным дисконтированным затратам (NPV=0)

Таблица 7.8

Срок окупаемости (PBP)

3,38913017

0 год(1·0-1052286)

-1052286

1 год(334884·0,9803922-1052286)

-723968,3529

2 год(334884·0,96116878-723968,3529)

-402088,3068

3 год(334884·0,942322335-402088,3068)

-86519,63412

4 год(334884·0,9238454-86519,63412)

222861,4175

5 год(334884·0,9057308+222861,4175)

526176,174

Заключение

Приведенное в данном дипломном проекте расчет и принятые инженерно-конструктивные решения позволяют надеяться на то, что двухскоростной АД, изготовленный в соответствии с материалами дипломного проекта будет удовлетворять требованиям технического задания и находится на уровне известных отечественных аналогов.

Конкретно, основные энергетические показатели на большой частоте вращения выглядят следующим образом:

КПД – 0,875

Коэффициент мощности – 0,86

Для сравнения у ближайшего аналога АД серии 4А типоразмера 4А112М2У3: КПД = 0,875; cosφ = 0,88. Таким образом, незначительно ухудшился лишь коэффициент мощности.

Пусковые показатели спроектированного двигателя в сравнении с вышеуказанным аналогом: кратность пускового тока 7,97 против 7,5 (немного возрасло), кратность пускового момента 2,61 против 1,6 (заметно увеличилось). Перегрузочная способность /кратность максимального момента 3,6 против 2,2 (заметно возросло).

При этом также незначительно снизилась масса, в основном за счет перехода на алюминиевые сплавы в таких конструктивных деталях, как корпус, подшипниковые щиты и т.д.

Литература

1. Проектирование электрических машин: учебное пособие для ВУЗов. Под редакцией И.П. Копылова. М. Энергия, 1980, 496с

2. Г.К.Жерве «Обмотки электрических машин».

3. И.Г. Шубов «Шум и вибрация электрических машин»

4. Костромин В.Г. «Технология производства асинхронных двигателей», Энегоиздат, М, 1984 г.

5. Котеленец Н.Ф., Кузнецов Н.Л. «Испытание и надежность элекутрических машин». Высшая школа, М, 1988 г.

6. Фионин В.И. «Проведение функционально-стоимостного анализа конструкций электрических изделий в курсовых работах и дипломных проектах», Куйбышев, 1989 г.

7. Ю.В.Копытов, Л.И.Вайнштейн, А.В.Михалков, П.В.Филимонов - Пра-вила технической эксплуатации электроустановок потребителей и пра-вила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потре-бителей – М, «Атомиздат», 1971.

8. П.А.Долин – Основы техники безопасности в электроустановках –

М, «Энергоиздат»,1984.