高速小型复合分子泵可靠性建模与故障分析

张明君，刘有海，王文升，陶继忠ZHANG Ming-jun， LIU You-hai， WANG Wen-sheng， TAO Ji-zhong（中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，绵阳 621900）

高速小型复合分子泵可靠性建模与故障分析

张明君，刘有海，王文升，陶继忠
ZHANG Ming-jun， LIU You-hai， WANG Wen-sheng， TAO Ji-zhong
（中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，绵阳 621900）

根据高速小型复合分子泵的特点，建立了复合分子泵可靠性模型，基于专家评分法对其可靠性指标进行了分配，使得各单元分系统的平均故障间隔时间MTBF值更加符合整机可靠性的实际要求。基于复合分子泵可靠性模型，完成了故障树模型建立及分析，发现了其薄弱环节，为高速小型复合分子泵的结构优化和可靠性增长奠定基础。

可靠性；可靠性建模；故障分析；复合分子泵

0　引言

分子泵是由德国的W.Gaede教授于1913年首先发明的，他基于分子牵引的原理研制成功了第一台能获得高真空的牵引分子泵（Drug Molecular Pump简称DMP）［1］。分子泵工作的压力范围主要在分子流态，在过渡流及滑流态的抽气能力明显下降，适应更宽的工作压力范围，1972年，法国的阿尔卡特公司开发了一种在入口安装若干级叶轮以获得较大抽速的复合分子泵。复合分子泵集成了牵引分子泵和涡轮分子泵的技术特点，具有大抽速、高压比、洁净、结构紧凑和可连续抽气等优点，代表了分子泵的发展方向［2］。国外的真空行业巨头，普发真空、莱宝真空、岛津公司等均开发了多品种、多规格的系列化分子泵产品，并已在全世界范围内的科学仪器、生物制药、集成电路等行业获得了广泛的应用。

国内在上世纪70年代以来，开始跟踪研究复合分子泵。1964年上海真空泵厂研制成功了FW-140型卧式涡轮分子泵，并以机组型式出售。1980年沈阳真空技术研究所研制用脂润滑的FB-110和油润滑的FB-600、FB-1500和FB-3500型多种规格的立式涡轮分子泵，并将市售的变频电源用于涡轮分子泵。当前，我国以中科科仪为代表的分子泵研发企业已研发出了系列化的分子泵产品，解决了一部分工业生产和大型科学工程的清洁真空产品配套，但与国外商用分子泵产品相比仍然普遍存在振动噪音大、系统稳定性较大的综合性能差距，而且产品分布主要针对工业应用的大型分子泵，对于高端科学仪器专用的进气口通径小于DN100的小型复合分子泵，与国外成熟产品仍有较大差距。

1　高速小型复合分子泵的结构

高速小型复合分子泵主要由抽气系统（涡轮系统、牵引系统）、驱动系统和支承系统组成，总体结构如图1所示。抽气系统主要由静叶片1、动叶轮8和牵引单元6组成，驱动系统主要由高速永磁无刷直流电机2和电机驱动器3组成，支承系统主要由弹性支承组件4和永磁轴承9组成。其中，静叶片、动叶轮、高速永磁无刷直流电机、电机驱动器、弹性支承组件和永磁轴承是本项目重点攻克的部分，陶瓷球轴承5和电机驱动器中的通用电气元件可通过购置进行集成。

图1　高速小型复合分子泵的结构简图

2　高速小型复合分子泵可靠性建模与分析

2.1可靠性模型建立

根据图1给出的分子泵结构原理图及其工作原理，可以将自研高速小型复合分子泵分为抽气单元、支承单元、驱动单元和底座单元四部分，各单元又可详细分解为动叶轮组件、静止组件、永磁轴承组件、球轴承组件、高速电机等，如图2所示。

图2　高速小型复合分子泵重要部件分布图

由图2及分子泵的工作原理可知，分子泵可靠性模型是抽气单元、支承单元、驱动单元和底座单元组成的串联系统，由此分子泵可靠性模型是一个串联系统，根据各系统的组成原理和功能绘出分子泵的可靠性框图，如图3所示。

图3　高速小型复合分子泵可靠性框图

高速小型复合分子泵是一个可修复性的串联系统，其可靠性的总目标是特征量平均无故障时间MTBF。单元寿命服从指数分布，根据任务可靠性框图建立各单元的可靠性数学模型，则有：

式中：MTBF为整机平均无故障时间，表示产品、设备、系统或零部件等由正常到失效的平均时间；MTBFi为第i个单元的平均无故障时间；i为高速小型复合分子泵单元数量，此处i=4。

2.2可靠性预计

可靠性预计是对可靠性进行定量估计，是可靠性分配的基础，可以为设计决策依据，也是发现薄弱环节，改进设计策略，开展可靠性增长试验的前提，在可靠性工作中具有重要意义。在本次可靠性预计过程中，我们借助分子泵抽气原理理论计算结果；机械本体结构的有限元仿真及疲劳分析结果；文献手册参考如《非电子零部件可靠性数据》（NPRD-3）数据等对4个组成单元进行可靠性预计，结果如表1所示。

表1　单元可靠性预计结果

2.3可靠性指标分配

采用专家评分法对自研高速小型复合分子泵的可靠性指标MTBF8000小时进行可靠性分配，评分法原理如下：

式中，ri为第i个单元的第j个因素的评分数；Ci为第i个单元的评分系数；iλ为第i个单元的故障率；λ为整机的故障率，λ=1/8000；MTBFi为第i个单元的MTBF分配值。

选取13位专家匿名评分，根据式（2）可将整机MTBF指标分配如表2中所示。图4给出了可靠性的预计值与分配值的结果比较，整体是比较符合的。

2.4故障树分析

根据分子泵可性框图，将分子泵作为一个串联系统考虑，逐级分析，确定了分子泵9种常见故障（泵过热、振动和噪声异常、转速波动超标或停机、真空度不稳定、叶片损坏、泵体损坏、控制电源故障、控制器故障等）是诱发因素，这九种故障可以合并为图5所示的5个主要故障模式。

表2　各单元的MTBF指标分配结果

图4　可靠性预计与分配结果验证

图5　分子泵故障树模型

根据进一步分析我们有如下结论：

1）分子泵过热包含7个基本故障事件，分别对应真空系统、电机和陶瓷球轴承3个不同的部件级故障。

2）分子泵叶片或泵体损坏故障树模型包含了25个基本故障事件，排除人为影响因素产生的4个基本故障事件外，分子泵叶片或泵体损坏故障主要集中在抽气单元和和支承单元。故障树模型的25个基本故障事件中，内鼓筒不平衡、外磁环损坏、静叶片变形、陶瓷球轴承润滑不良、径向和轴向减振垫失效基本事件的发生概率最大，因此，抽气单元的动叶轮组件和支承单元的陶瓷球轴承组件的基本故障事件最多，且多为易发故障，在设计时必须予以重点考虑和规避。

3）分子泵振动、噪声超标故障树包含了16个基本故障事件，主要体现在抽气单元、支撑单元和电机系统三个部件级故障中。故障树模型中的16个基本故障事件中，陶瓷球轴承润滑不良、径向和轴向减振垫故障以及电机电流噪声的发生概率最高，因此，支承单元和电机系统的易发基本故障事件最多，需要重点解决陶瓷球轴承的润滑、减振以及电机电流噪声问题。

4）分子泵真空度不稳定故障主要包含了20个基本故障事件，主要集中在设计加工、装配环节。在装配过程中，需要重点控制各零件间的连接强度和受力均匀性；在设计加工过程中，需要对泵体内零部件的材料选择以及制造缺陷进行控制。

5）分子泵转速波动超标或停机的故障主要由电机本身、控制器和电源诱发，共包含16个基本故障事件，其中，电源输出电源波动、绕组接线虚连以及软件通讯错误为易发事件。在控制器设计过程中，电子元器件为外购件，因此在外购时需要明确技术指标及可靠性要求等参数，确保元器件供应合格。

结合分子泵故障树分析结果，设计并运行分子泵故障报告、分析和纠正措施（FRACAS）系统，及时通报故障信息及归零措施，以保证产品质量和可靠性。

3　结束语

利用可靠性建模技术，完成了高速小型复合分子泵的可靠性模型建立，并基于专家评分法对其可靠性指标进行了分配，获得了高速小型复合分子泵的抽气单元、支承单元、驱动单元和底座单元的MTBF指标。

根据高速小型复合分子泵的可靠性框图，对其进行了FTA分析，结果表明，分子泵的陶瓷球轴承组件、减振垫、电机系统等为影响高速小型复合分子泵可靠性的薄弱环节，在后续设计或购买中应特别重视。

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

［2］ 杨乃恒，巴德纯，王晓冬，于治明.分子泵的世纪回顾与展望［J］.真空，2001（4），2：1-14.

［3］ 王锡吉.电子设备可靠性工程［M］.西安：陕西科学技术出版社，1999.5.

［4］ Michael Pecht.产品可靠性、维修性及保障性手册［M］.机械工业出版社，2011.8.

［5］ 曾声奎.可靠性设计与分析［M］.国防工业出版社，2013.4.

［6］ GJB/Z 299B-98.电子设备可靠性预计手册［S］.

［7］ 雷新.某型号数据通信产品的可靠性预计和分配［J］.电子产品可靠性与环境试验，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

国家重大科学仪器开发专项：高速小型复合分子泵的开发和应用（2013YQ130429）作者简介：张明君（1967 -），男，四川人，教授，博士，研究方向为机械设计及可靠性技术。