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(diǎn)，建立了復(fù)合分子泵可靠性模型，基于專家評(píng)分法對(duì)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(shí)間MTBF值更加符合整機(jī)可靠性的實(shí)際要求。基于復(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(tái)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(jí)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(diǎn)，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(diǎn)，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(dòng)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(duì)工業(yè)應(yīng)用的大型分子泵，對(duì)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(dòng)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(dòng)葉輪8和牽引單元6組成，驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)葉輪、高速永磁無刷直流電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、彈性支承組件和永磁軸承是本項(xiàng)目重點(diǎn)攻克的部分，陶瓷球軸承5和電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)單元和底座單元四部分，各單元又可詳細(xì)分解為動(dòng)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(dòng)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(gè)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)間；MTBFi為第i個(gè)單元的平均無故障時(shí)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(jì)

可靠性預(yù)計(jì)是對(duì)可靠性進(jìn)行定量估計(jì)，是可靠性分配的基礎(chǔ)，可以為設(shè)計(jì)決策依據(jù)，也是發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，改進(jìn)設(shè)計(jì)策略，開展可靠性增長試驗(yàn)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(jì)過程中，我們借助分子泵抽氣原理理論計(jì)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(cè)參考如《非電子零部件可靠性數(shù)據(jù)》（NPRD-3）數(shù)據(jù)等對(duì)4個(gè)組成單元進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)，結(jié)果如表1所示。

表1　單元可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果

2.3可靠性指標(biāo)分配

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

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

選取13位專家匿名評(píng)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(jì)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(gè)串聯(lián)系統(tǒng)考慮，逐級(jí)分析，確定了分子泵9種常見故障（泵過熱、振動(dòng)和噪聲異常、轉(zhuǎn)速波動(dòng)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(gè)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(jì)與分配結(jié)果驗(yàn)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(gè)基本故障事件，分別對(duì)應(yīng)真空系統(tǒng)、電機(jī)和陶瓷球軸承3個(gè)不同的部件級(jí)故障。

2）分子泵葉片或泵體損壞故障樹模型包含了25個(gè)基本故障事件，排除人為影響因素產(chǎn)生的4個(gè)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(gè)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(dòng)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(jì)時(shí)必須予以重點(diǎn)考慮和規(guī)避。

3）分子泵振動(dòng)、噪聲超標(biāo)故障樹包含了16個(gè)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(gè)部件級(jí)故障中。故障樹模型中的16個(gè)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(diǎn)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(gè)基本故障事件，主要集中在設(shè)計(jì)加工、裝配環(huán)節(jié)。在裝配過程中，需要重點(diǎn)控制各零件間的連接強(qiáng)度和受力均勻性；在設(shè)計(jì)加工過程中，需要對(duì)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(dòng)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(gè)基本故障事件，其中，電源輸出電源波動(dòng)、繞組接線虛連以及軟件通訊錯(cuò)誤為易發(fā)事件。在控制器設(shè)計(jì)過程中，電子元器件為外購件，因此在外購時(shí)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(jì)并運(yùn)行分子泵故障報(bào)告、分析和糾正措施（FRACAS）系統(tǒng)，及時(shí)通報(bào)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(píng)分法對(duì)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(dòng)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(duì)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(jì)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(cè)［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2011.8.

［5］ 曾聲奎.可靠性設(shè)計(jì)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(jì)手冊(cè)［S］.

［7］ 雷新.某型號(hào)數(shù)據(jù)通信產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)和分配［J］.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，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(xiàng)：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?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及可靠性技術(shù)。