高速小型復(fù)合分子泵可靠性建模與故障分析

張明君，劉有海，王文升，陶繼忠ZHANG Ming-jun， LIU You-hai， WANG Wen-sheng， TAO Ji-zhong（中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，綿陽 621900）

高速小型復(fù)合分子泵可靠性建模與故障分析

張明君，劉有海，王文升，陶繼忠
ZHANG Ming-jun， LIU You-hai， WANG Wen-sheng， TAO Ji-zhong
（中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，綿陽 621900）

根據(jù)高速小型復(fù)合分子泵的特點，建立了復(fù)合分子泵可靠性模型，基于專家評分法對其可靠性指標(biāo)進(jìn)行了分配，使得各單元分系統(tǒng)的平均故障間隔時間MTBF值更加符合整機(jī)可靠性的實際要求?；趶?fù)合分子泵可靠性模型，完成了故障樹模型建立及分析，發(fā)現(xiàn)了其薄弱環(huán)節(jié)，為高速小型復(fù)合分子泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和可靠性增長奠定基礎(chǔ)。

可靠性；可靠性建模；故障分析；復(fù)合分子泵

0　引言

分子泵是由德國的W.Gaede教授于1913年首先發(fā)明的，他基于分子牽引的原理研制成功了第一臺能獲得高真空的牽引分子泵（Drug Molecular Pump簡稱DMP）［1］。分子泵工作的壓力范圍主要在分子流態(tài)，在過渡流及滑流態(tài)的抽氣能力明顯下降，適應(yīng)更寬的工作壓力范圍，1972年，法國的阿爾卡特公司開發(fā)了一種在入口安裝若干級葉輪以獲得較大抽速的復(fù)合分子泵。復(fù)合分子泵集成了牽引分子泵和渦輪分子泵的技術(shù)特點，具有大抽速、高壓比、潔凈、結(jié)構(gòu)緊湊和可連續(xù)抽氣等優(yōu)點，代表了分子泵的發(fā)展方向［2］。國外的真空行業(yè)巨頭，普發(fā)真空、萊寶真空、島津公司等均開發(fā)了多品種、多規(guī)格的系列化分子泵產(chǎn)品，并已在全世界范圍內(nèi)的科學(xué)儀器、生物制藥、集成電路等行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用。

國內(nèi)在上世紀(jì)70年代以來，開始跟蹤研究復(fù)合分子泵。1964年上海真空泵廠研制成功了FW-140型臥式渦輪分子泵，并以機(jī)組型式出售。1980年沈陽真空技術(shù)研究所研制用脂潤滑的FB-110和油潤滑的FB-600、FB-1500和FB-3500型多種規(guī)格的立式渦輪分子泵，并將市售的變頻電源用于渦輪分子泵。當(dāng)前，我國以中科科儀為代表的分子泵研發(fā)企業(yè)已研發(fā)出了系列化的分子泵產(chǎn)品，解決了一部分工業(yè)生產(chǎn)和大型科學(xué)工程的清潔真空產(chǎn)品配套，但與國外商用分子泵產(chǎn)品相比仍然普遍存在振動噪音大、系統(tǒng)穩(wěn)定性較大的綜合性能差距，而且產(chǎn)品分布主要針對工業(yè)應(yīng)用的大型分子泵，對于高端科學(xué)儀器專用的進(jìn)氣口通徑小于DN100的小型復(fù)合分子泵，與國外成熟產(chǎn)品仍有較大差距。

1　高速小型復(fù)合分子泵的結(jié)構(gòu)

高速小型復(fù)合分子泵主要由抽氣系統(tǒng)（渦輪系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)）、驅(qū)動系統(tǒng)和支承系統(tǒng)組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。抽氣系統(tǒng)主要由靜葉片1、動葉輪8和牽引單元6組成，驅(qū)動系統(tǒng)主要由高速永磁無刷直流電機(jī)2和電機(jī)驅(qū)動器3組成，支承系統(tǒng)主要由彈性支承組件4和永磁軸承9組成。其中，靜葉片、動葉輪、高速永磁無刷直流電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動器、彈性支承組件和永磁軸承是本項目重點攻克的部分，陶瓷球軸承5和電機(jī)驅(qū)動器中的通用電氣元件可通過購置進(jìn)行集成。

圖1　高速小型復(fù)合分子泵的結(jié)構(gòu)簡圖

2　高速小型復(fù)合分子泵可靠性建模與分析

2.1可靠性模型建立

根據(jù)圖1給出的分子泵結(jié)構(gòu)原理圖及其工作原理，可以將自研高速小型復(fù)合分子泵分為抽氣單元、支承單元、驅(qū)動單元和底座單元四部分，各單元又可詳細(xì)分解為動葉輪組件、靜止組件、永磁軸承組件、球軸承組件、高速電機(jī)等，如圖2所示。

圖2　高速小型復(fù)合分子泵重要部件分布圖

由圖2及分子泵的工作原理可知，分子泵可靠性模型是抽氣單元、支承單元、驅(qū)動單元和底座單元組成的串聯(lián)系統(tǒng)，由此分子泵可靠性模型是一個串聯(lián)系統(tǒng)，根據(jù)各系統(tǒng)的組成原理和功能繪出分子泵的可靠性框圖，如圖3所示。

圖3　高速小型復(fù)合分子泵可靠性框圖

高速小型復(fù)合分子泵是一個可修復(fù)性的串聯(lián)系統(tǒng)，其可靠性的總目標(biāo)是特征量平均無故障時間MTBF。單元壽命服從指數(shù)分布，根據(jù)任務(wù)可靠性框圖建立各單元的可靠性數(shù)學(xué)模型，則有：

式中：MTBF為整機(jī)平均無故障時間，表示產(chǎn)品、設(shè)備、系統(tǒng)或零部件等由正常到失效的平均時間；MTBFi為第i個單元的平均無故障時間；i為高速小型復(fù)合分子泵單元數(shù)量，此處i=4。

2.2可靠性預(yù)計

可靠性預(yù)計是對可靠性進(jìn)行定量估計，是可靠性分配的基礎(chǔ)，可以為設(shè)計決策依據(jù)，也是發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，改進(jìn)設(shè)計策略，開展可靠性增長試驗的前提，在可靠性工作中具有重要意義。在本次可靠性預(yù)計過程中，我們借助分子泵抽氣原理理論計算結(jié)果；機(jī)械本體結(jié)構(gòu)的有限元仿真及疲勞分析結(jié)果；文獻(xiàn)手冊參考如《非電子零部件可靠性數(shù)據(jù)》（NPRD-3）數(shù)據(jù)等對4個組成單元進(jìn)行可靠性預(yù)計，結(jié)果如表1所示。

表1　單元可靠性預(yù)計結(jié)果

2.3可靠性指標(biāo)分配

采用專家評分法對自研高速小型復(fù)合分子泵的可靠性指標(biāo)MTBF8000小時進(jìn)行可靠性分配，評分法原理如下：

式中，ri為第i個單元的第j個因素的評分?jǐn)?shù)；Ci為第i個單元的評分系數(shù)；iλ為第i個單元的故障率；λ為整機(jī)的故障率，λ=1/8000；MTBFi為第i個單元的MTBF分配值。

選取13位專家匿名評分，根據(jù)式（2）可將整機(jī)MTBF指標(biāo)分配如表2中所示。圖4給出了可靠性的預(yù)計值與分配值的結(jié)果比較，整體是比較符合的。

2.4故障樹分析

根據(jù)分子泵可性框圖，將分子泵作為一個串聯(lián)系統(tǒng)考慮，逐級分析，確定了分子泵9種常見故障（泵過熱、振動和噪聲異常、轉(zhuǎn)速波動超標(biāo)或停機(jī)、真空度不穩(wěn)定、葉片損壞、泵體損壞、控制電源故障、控制器故障等）是誘發(fā)因素，這九種故障可以合并為圖5所示的5個主要故障模式。

表2　各單元的MTBF指標(biāo)分配結(jié)果

圖4　可靠性預(yù)計與分配結(jié)果驗證

圖5　分子泵故障樹模型

根據(jù)進(jìn)一步分析我們有如下結(jié)論：

1）分子泵過熱包含7個基本故障事件，分別對應(yīng)真空系統(tǒng)、電機(jī)和陶瓷球軸承3個不同的部件級故障。

2）分子泵葉片或泵體損壞故障樹模型包含了25個基本故障事件，排除人為影響因素產(chǎn)生的4個基本故障事件外，分子泵葉片或泵體損壞故障主要集中在抽氣單元和和支承單元。故障樹模型的25個基本故障事件中，內(nèi)鼓筒不平衡、外磁環(huán)損壞、靜葉片變形、陶瓷球軸承潤滑不良、徑向和軸向減振墊失效基本事件的發(fā)生概率最大，因此，抽氣單元的動葉輪組件和支承單元的陶瓷球軸承組件的基本故障事件最多，且多為易發(fā)故障，在設(shè)計時必須予以重點考慮和規(guī)避。

3）分子泵振動、噪聲超標(biāo)故障樹包含了16個基本故障事件，主要體現(xiàn)在抽氣單元、支撐單元和電機(jī)系統(tǒng)三個部件級故障中。故障樹模型中的16個基本故障事件中，陶瓷球軸承潤滑不良、徑向和軸向減振墊故障以及電機(jī)電流噪聲的發(fā)生概率最高，因此，支承單元和電機(jī)系統(tǒng)的易發(fā)基本故障事件最多，需要重點解決陶瓷球軸承的潤滑、減振以及電機(jī)電流噪聲問題。

4）分子泵真空度不穩(wěn)定故障主要包含了20個基本故障事件，主要集中在設(shè)計加工、裝配環(huán)節(jié)。在裝配過程中，需要重點控制各零件間的連接強(qiáng)度和受力均勻性；在設(shè)計加工過程中，需要對泵體內(nèi)零部件的材料選擇以及制造缺陷進(jìn)行控制。

5）分子泵轉(zhuǎn)速波動超標(biāo)或停機(jī)的故障主要由電機(jī)本身、控制器和電源誘發(fā)，共包含16個基本故障事件，其中，電源輸出電源波動、繞組接線虛連以及軟件通訊錯誤為易發(fā)事件。在控制器設(shè)計過程中，電子元器件為外購件，因此在外購時需要明確技術(shù)指標(biāo)及可靠性要求等參數(shù)，確保元器件供應(yīng)合格。

結(jié)合分子泵故障樹分析結(jié)果，設(shè)計并運行分子泵故障報告、分析和糾正措施（FRACAS）系統(tǒng)，及時通報故障信息及歸零措施，以保證產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。

3　結(jié)束語

利用可靠性建模技術(shù)，完成了高速小型復(fù)合分子泵的可靠性模型建立，并基于專家評分法對其可靠性指標(biāo)進(jìn)行了分配，獲得了高速小型復(fù)合分子泵的抽氣單元、支承單元、驅(qū)動單元和底座單元的MTBF指標(biāo)。

根據(jù)高速小型復(fù)合分子泵的可靠性框圖，對其進(jìn)行了FTA分析，結(jié)果表明，分子泵的陶瓷球軸承組件、減振墊、電機(jī)系統(tǒng)等為影響高速小型復(fù)合分子泵可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，在后續(xù)設(shè)計或購買中應(yīng)特別重視。

［1］ W.Geade.Annalen der physik［M］.1913（41）：337/287.

［2］ 楊乃恒，巴德純，王曉冬，于治明.分子泵的世紀(jì)回顧與展望［J］.真空，2001（4），2：1-14.

［3］ 王錫吉.電子設(shè)備可靠性工程［M］.西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1999.5.

［4］ Michael Pecht.產(chǎn)品可靠性、維修性及保障性手冊［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2011.8.

［5］ 曾聲奎.可靠性設(shè)計與分析［M］.國防工業(yè)出版社，2013.4.

［6］ GJB/Z 299B-98.電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊［S］.

［7］ 雷新.某型號數(shù)據(jù)通信產(chǎn)品的可靠性預(yù)計和分配［J］.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2001（4），2：6-9.

Reliability modeling and fault analysis of high speed small compound molecular pump

TH12

A

1009-0134（2016）08-0099-03

2016-06-03

國家重大科學(xué)儀器開發(fā)專項：高速小型復(fù)合分子泵的開發(fā)和應(yīng)用（2013YQ130429）作者簡介：張明君（1967 -），男，四川人，教授，博士，研究方向為機(jī)械設(shè)計及可靠性技術(shù)。