高速小型復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械制造工藝研究所，綿陽 621900）

高速小型復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械制造工藝研究所，綿陽 621900）

根據高速小型復合分子泵的特點，建立了復合分子泵可靠性模型，基于專家評分法對其可靠性指標進行了分配，使得各單元分系統的平均故障間隔時間MTBF值更加符合整機可靠性的實際要求。基于復合分子泵可靠性模型，完成了故障樹模型建立及分析，發現了其薄弱環節，為高速小型復合分子泵的結構優化和可靠性增長奠定基礎。

可靠性；可靠性建模；故障分析；復合分子泵

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，在過渡流及滑流態的抽氣能力明顯下降，適應更寬的工作壓力范圍，1972年，法國的阿爾卡特公司開發了一種在入口安裝若干級葉輪以獲得較大抽速的復合分子泵。復合分子泵集成了牽引分子泵和渦輪分子泵的技術特點，具有大抽速、高壓比、潔凈、結構緊湊和可連續抽氣等優點，代表了分子泵的發展方向［2］。國外的真空行業巨頭，普發真空、萊寶真空、島津公司等均開發了多品種、多規格的系列化分子泵產品，并已在全世界范圍內的科學儀器、生物制藥、集成電路等行業獲得了廣泛的應用。

國內在上世紀70年代以來，開始跟蹤研究復合分子泵。1964年上海真空泵廠研制成功了FW-140型臥式渦輪分子泵，并以機組型式出售。1980年沈陽真空技術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。當前，我國以中科科儀為代表的分子泵研發企業已研發出了系列化的分子泵產品，解決了一部分工業生產和大型科學工程的清潔真空產品配套，但與國外商用分子泵產品相比仍然普遍存在振動噪音大、系統穩定性較大的綜合性能差距，而且產品分布主要針對工業應用的大型分子泵，對于高端科學儀器專用的進氣口通徑小于DN100的小型復合分子泵，與國外成熟產品仍有較大差距。

1　高速小型復合分子泵的結構

高速小型復合分子泵主要由抽氣系統（渦輪系統、牽引系統）、驅動系統和支承系統組成，總體結構如圖1所示。抽氣系統主要由靜葉片1、動葉輪8和牽引單元6組成，驅動系統主要由高速永磁無刷直流電機2和電機驅動器3組成，支承系統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、電機驅動器、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和電機驅動器中的通用電氣元件可通過購置進行集成。

圖1　高速小型復合分子泵的結構簡圖

2　高速小型復合分子泵可靠性建模與分析

2.1可靠性模型建立

根據圖1給出的分子泵結構原理圖及其工作原理，可以將自研高速小型復合分子泵分為抽氣單元、支承單元、驅動單元和底座單元四部分，各單元又可詳細分解為動葉輪組件、靜止組件、永磁軸承組件、球軸承組件、高速電機等，如圖2所示。

圖2　高速小型復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、驅動單元和底座單元組成的串聯系統，由此分子泵可靠性模型是一個串聯系統，根據各系統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　高速小型復合分子泵可靠性框圖

高速小型復合分子泵是一個可修復性的串聯系統，其可靠性的總目標是特征量平均無故障時間MTBF。單元壽命服從指數分布，根據任務可靠性框圖建立各單元的可靠性數學模型，則有：

式中：MTBF為整機平均無故障時間，表示產品、設備、系統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為高速小型復合分子泵單元數量，此處i=4。

2.2可靠性預計

可靠性預計是對可靠性進行定量估計，是可靠性分配的基礎，可以為設計決策依據，也是發現薄弱環節，改進設計策略，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。在本次可靠性預計過程中，我們借助分子泵抽氣原理理論計算結果；機械本體結構的有限元仿真及疲勞分析結果；文獻手冊參考如《非電子零部件可靠性數據》（NPRD-3）數據等對4個組成單元進行可靠性預計，結果如表1所示。

表1　單元可靠性預計結果

2.3可靠性指標分配

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

式中，ri為第i個單元的第j個因素的評分數；Ci為第i個單元的評分系數；iλ為第i個單元的故障率；λ為整機的故障率，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，根據式（2）可將整機MTBF指標分配如表2中所示。圖4給出了可靠性的預計值與分配值的結果比較，整體是比較符合的。

2.4故障樹分析

根據分子泵可性框圖，將分子泵作為一個串聯系統考慮，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、轉速波動超標或停機、真空度不穩定、葉片損壞、泵體損壞、控制電源故障、控制器故障等）是誘發因素，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指標分配結果

圖4　可靠性預計與分配結果驗證

圖5　分子泵故障樹模型

根據進一步分析我們有如下結論：

1）分子泵過熱包含7個基本故障事件，分別對應真空系統、電機和陶瓷球軸承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，內鼓筒不平衡、外磁環損壞、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，且多為易發故障，在設計時必須予以重點考慮和規避。

3）分子泵振動、噪聲超標故障樹包含了16個基本故障事件，主要體現在抽氣單元、支撐單元和電機系統三個部件級故障中。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電流噪聲的發生概率最高，因此，支承單元和電機系統的易發基本故障事件最多，需要重點解決陶瓷球軸承的潤滑、減振以及電機電流噪聲問題。

4）分子泵真空度不穩定故障主要包含了20個基本故障事件，主要集中在設計加工、裝配環節。在裝配過程中，需要重點控制各零件間的連接強度和受力均勻性；在設計加工過程中，需要對泵體內零部件的材料選擇以及制造缺陷進行控制。

5）分子泵轉速波動超標或停機的故障主要由電機本身、控制器和電源誘發，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事件。在控制器設計過程中，電子元器件為外購件，因此在外購時需要明確技術指標及可靠性要求等參數，確保元器件供應合格。

結合分子泵故障樹分析結果，設計并運行分子泵故障報告、分析和糾正措施（FRACAS）系統，及時通報故障信息及歸零措施，以保證產品質量和可靠性。

3　結束語

利用可靠性建模技術，完成了高速小型復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進行了分配，獲得了高速小型復合分子泵的抽氣單元、支承單元、驅動單元和底座單元的MTBF指標。

根據高速小型復合分子泵的可靠性框圖，對其進行了FTA分析，結果表明，分子泵的陶瓷球軸承組件、減振墊、電機系統等為影響高速小型復合分子泵可靠性的薄弱環節，在后續設計或購買中應特別重視。

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

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

［3］ 王錫吉.電子設備可靠性工程［M］.西安：陜西科學技術出版社，1999.5.

［4］ Michael Pecht.產品可靠性、維修性及保障性手冊［M］.機械工業出版社，2011.8.

［5］ 曾聲奎.可靠性設計與分析［M］.國防工業出版社，2013.4.

［6］ GJB/Z 299B-98.電子設備可靠性預計手冊［S］.

［7］ 雷新.某型號數據通信產品的可靠性預計和分配［J］.電子產品可靠性與環境試驗，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

國家重大科學儀器開發專項：高速小型復合分子泵的開發和應用（2013YQ130429）作者簡介：張明君（1967 -），男，四川人，教授，博士，研究方向為機械設計及可靠性技術。