低温泵现场使用可靠性评价及维修保障方法

闫 琦，黄小凯，张立海，刘守文

（1. 北京卫星环境工程研究所；2. 航天机电产品环境可靠性试验技术北京市重点实验室：北京 100094）

低温泵现场使用可靠性评价及维修保障方法

闫 琦1,2，黄小凯1,2，张立海1,2，刘守文1,2

（1. 北京卫星环境工程研究所；2. 航天机电产品环境可靠性试验技术北京市重点实验室：北京 100094）

结合北京卫星环境工程研究所现有低温泵使用情况，建立低温泵任务可靠性模型，开展低温泵 FMEA。对 2009年—2015年的低温泵故障数据进行收集和整理，采用直方图法进行现场故障率和MTBF估计，评估低温泵现场使用可靠性水平；又通过基于P-P理论的寿命分布假设检验方法，获得低温泵现场使用寿命分布特征。根据现场可靠性分析结果并结合多年维修保障经验，给出了低温泵使用过程中常见故障的维修保证流程及方法，有助于后续真空热试验的连续实施。

低温泵；现场故障；故障率；可靠性；维修保障

0 引言

低温泵是空间环境模拟的重要设备[1]，其冷头及氦压缩机的故障发生频率较高，会导致低温泵抽气能力下降、低温异常噪声等，严重影响低温泵的正常使用[2]。近年来，随着对低温泵的试验研究及使用经验积累，国内逐渐掌握了低温泵的运行规律及关键部件维护保养措施，使其可靠性得到大幅提升[3-4]。

本文搜集和整理了北京卫星环境工程研究所多年来的低温泵故障数据，开展了可靠性的分析和评价，为更加合理地制定低温泵维修保障策略提供参考。

1 低温泵工作原理及故障特性

1.1 工作原理

低温泵作为高真空泵，其结构组成如图1所示。

低温泵通常采用两级吉福特-迈克马洪（G-M）循环制冷原理，其氦压缩机将来自于冷头的低压低温氦气压缩至高压高温后，经过换热器、油气分离器及吸附器的过滤，变成高压常温的纯净氦气进入冷头（同时控制电路完成各环节监视及阀门控制），通过电机或配气盘驱动活塞作用，在冷头的一、二级气缸内绝热膨胀制冷，使高压常温氦气变成低压低温后再返回压缩机，如此反复循环，逐渐降低一、二级冷头温度，实现气体及水蒸气在冷屏表面上的冷凝及吸附效应[5]。基于低温泵工作原理，研究得到其任务可靠性框图如图2所示。

根据任务可靠性框图，得到低温泵可靠性模型：R=R氦压缩机R氦管R缸体R冷头=R阀门1R阀门2R控制器R压缩机×R换热器R油气分离器R吸附器R低压氦管R高压氦管R活塞驱动R活塞×R一级冷头R二级冷头R冷屏×(R一级密封R二级密封)/(R一级密封+R二级密封)，式中：Rx表示设备x的可靠度，x代表模型中低温泵、氦压缩机、氦管、缸体等组件。

1.2 故障模式及原因分析

以低温泵为初始约定层次，进行故障模式及影响分析（FMEA）[6]，得到低温泵在使用过程中可能故障模式及原因如表1所示。

表1 低温泵常见故障模式及原因分析Table 1 Common failure mode of cryopump and cause-effect analysis

表1（续）

2 低温泵现场使用可靠性计算

2.1 现场故障数据收集与整理

系统梳理和整理了北京卫星环境工程研究所部组件真空热试验43台低温泵在2006年—2015年间的故障数据，如表2所示。

部组件真空热试验低温泵在各年份的使用台数如表3所示。

表2 2006年—2015年低温泵故障数据Table 2 Cryopump failure data from the year 2006 to 2015

表3低温泵各年份使用台数Table 3 The number of cryopumps used in recent years台

2.2 现场故障率及MTBF估算

1）故障率及MTBF估算

采用直方图法对表2和表3中数据进行统计分析，估算低温泵的现场故障率及平均故障间隔时间（MTBF），统计时间从2006年1月开始，计算公式为[7]：

式中：λ(ti)为 ti时刻低温泵的故障率；MTBF(ti)为ti时刻低温泵的平均故障间隔时间；Nf(Δti)是在时间间隔Δti内故障样本的数目；Ns(Δti-1)是在时间间隔Δti前存活的低温泵数量；Δti为时间区间(ti-1, ti)的长度。计算结果如表4所示。

表4低温泵现场故障率及累积故障率计算结果Table 4 Calculated cryopump field failure rate and accumulative failure rate

根据表4，可得低温泵现场故障率随使用年份的变化规律如图3所示。

从图3中可以看出，低温泵现场故障率呈现逐渐增大的变化趋势，且德国莱宝公司设备的故障率较美国CVI公司的高。

2）可靠度估算

在ti时间低温泵的可靠度R(ti)计算公式为

从而可得低温泵现场使用可靠度的计算结果（表5）。

表5 低温泵现场使用可靠度Table 5 Cryopump field reliability value

根据表 5可得低温泵现场使用可靠度随使用年份的变化规律，如图4所示。

2.3 现场寿命分布检验

采用P-P图检验法对表2中数据进行寿命分布检验。

寿命分布检验（P-P图）的原理如下[8]：设总体X的分布函数为F(x)，X1, X2,…, Xn为来自于总体X的简单随机样本，即X1, X2,…, Xn独立同分布，且与总体 X的分布相同。其顺序统计量为 X(1)≤X(2)≤…≤X(n)。设样本的观察值为x1, x2,…, xn，顺序统计量的观察值为x(1)≤x(2)≤…≤x(n)，则总体X的经验分布函数为[9]

对于经验分布函数有Fn(x)=#{X1, X2, …, Xn≤x}/n，其中#代表计算测度：

式中：I{A}表示为示性函数，即当x∈A时，I{A}=1，否则 I{A}=0；I{A}=0 容易看出；I{Xi≤x}，i=1, 2,…,n为独立同分布的随机变量序列，且均服从2点分布B(1, F(x))。由大数定律可知Fn(x)a.x.→F(x)。

根据上述理论，对于统计假设H0：X～F(x)成立时，下列点

应当在直角平面坐标系中y=x的直线上，由上述中点所作的散点图成为P-P图。依次对正态分布、威布尔分布、指数分布、对数正态分布检验的P值和Anderson-Darling值进行统计，检验原则为：①分布检验 P值均大于 0.05时接收分布假设检验；②Anderson-Darling统计量越小，则分布假设越佳。

根据上述原则，低温泵基于现场故障数据的最佳寿命分布为正态分布，即AD对数正态0.440＜AD威布尔0.481＜AD指数0.574＜AD正态0.625，LN（3.74, 0.9157），单位为月，可得MTBF为66.54月，如图5所示。

3 低温泵常见故障的维修保障措施

通过对低温泵的故障规律及可靠性水平进行深入分析，可知压缩机出油、噪声、不能冷却、再生失败等故障模式是低温泵的常见故障，且MTBF一般大于 5年，因此其维修频率及工作量需结合MTBF值紧密开展。结合低温泵多年的返厂修复记录及现场维修保障处理经验，得到低温泵常见故障的分析流程如图6～图9所示。

如图6所示，低温泵在运行的过程中出现压缩机、冷头噪声或冷头温度无法降低或不稳定，初步判断可能是压缩机出油，这时首先应对压缩机进行出油测试：如果判断结果为压缩机出油，则进一步考虑过滤器使用寿命是否到期；如果未到期，进一步检查单向阀和回油毛细管。如果单向阀和毛细管均无问题，则很有可能是油雾分离器故障，需要对分离器进行更换或拆卸维修。

如图7所示，若低温泵噪声只在低温状态下出现，则极有可能是低温泵氦气受到污染，需要检查压缩机是否出油；若压缩机并未出油，则可初步判断氦气不纯，需要对氦气进行纯化处理。低温泵噪声在低温和常温状态下都有可能出现，原因主要有两个方面：一方面可能由于低温泵系统的电源设置故障，需要检查低温泵系统的设置，确定压缩机/控制器所需的电压同为三相或二相。检查低温泵冷头的输入电压，如果不正确，则检查压缩机的输出电压，因为低温泵冷头的电源是由压缩机提供的。如果压缩机的输出电压不正确，需要检查压缩机的输出电压是否正确，以及压缩机的电源系统是否有故障。如果在压缩机和低温泵之间装有50 Hz变60 Hz的变频控制器或三相电源变二相电源的相位控制器，检查这些控制器是否有故障。检查所有电源连接线是否正常。另一方面可能由于低温泵冷头内部出现零件破损故障，比如防撞圈破损等。

如图8所示，低温泵在运行时，冷头温度无法降低。如果冷头出现噪声，可初步判断氦气不纯或压缩机出油，需对氦气进行纯化处理和测油；如果没有噪声，需检查氦气压力和冷头温度设定值；若检查上述结果均正常，则可能由于氦管连接不到位，导致氦气无法流通；在检查过氦气管连接正常后，则很有可能是低温泵系统泄漏，需进一步对系统进行检漏。

如图9所示，低温泵再生失败，检查低温泵控制系统设定的参数是否正确，如不正确，重新设定，重启系统。检查低温泵开始再生后是否能在20 min内升温到310 K，如果不能，首先可能由于吹除气体（氮气）压力不足或吹气阀故障等造成的吹气故障，其次可能由于粗抽装置和加热装置故障。若上述问题均未检出，则也有可能是由于低温泵泄漏。

4 总结与分析

本文通过对低温泵进行FMEA，结合现场使用数据平台，掌握了低温泵常见故障机理及现场使用可靠性水平，并在此基础上归纳出保证可靠稳定运行的经验和口诀：

1）低温泵主要失效形式为压缩机出油、噪声、不能冷却、再生失败，其原因为泵腔及冷头油污染；

2）低温泵MTBF一般大于5年，能为维修保障频率的制定提供借鉴；

3）拆装活塞及一二级密封环经验技巧：一泄二拆三清洁，四套五塞六充氦；

4）拆装低温泵泵体经验技巧：铟片压实导热好，屏壳同轴很重要；炭层粘贴讲技巧，多余检查要记牢。

（References）

[1] 茹晓勤, 祁妍, 吴树迎. 用制冷机低温泵获得清洁无油高真空[J]. 航天器环境工程, 2006, 23(2): 119-121 RU X Q, QI Y, WU S Y. Production of dry-clean high-vacuum with refrigerator's cryopumps[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2006, 23(2): 119-121

[2] 许忠旭, 杜春林, 武越. 低温泵常见故障分析及其解决措施[J]. 航天器环境工程, 2014, 31(5): 532-535 XU Z X, DU C L, WU Y. Analysis of typical troubles in the cryopump and related trouble-shooting measures[J].Spacecraft Environment Engineering, 2014, 31(5): 532-535

[3] 张杰, 范虹. 机械真空泵抽空系统试验研究及分析[J].真空与低温, 2011(8): 401-404 ZHANG J, FAN H. Test research and analysis of cryopump vacuum off-gas system[J]. Vacuum &Cryogenics, 2011(8): 401-404

[4] 陈涛, 许忠旭, 李玉忠. KM6低温泵新型测温系统研制[J]. 航天器环境工程, 2008, 25(6): 591-593 CHEN T, XU Z X, LI Y Z. A new temperature measurement system for cryopumps in KM6[J].Spacecraft Environment Engineering., 2008, 25(6): 591-593

[5] 德国莱宝公司. COOLVAC低温泵使用说明书[G].2008-11: 8-12

[6] 陈颖, 康锐. FMECA技术及其应用[M]. 北京: 国防工业出版社, 2014: 98-111

[7] 赵宇. 可靠性数据分析[M]. 北京: 国防工业出版社,2011: 121-145

[8] 魏宗舒. 概率论与数理统计教程[M]. 北京: 高等教育出版社, 2001: 189-211

[9] 宗序平, 姚玉兰. 利用Q-Q图和P-P图快速检验数据的统计分布[J]. 统计与决策, 2010, 20: 151-153 ZONG X P, YAO Y L. Using Q-Q diagram and P-P diagram to quick test the statistical distribution of data[J].Statistic and Decision, 2010, 20: 151-153

（编辑：冯露漪）

Cryopump field reliability assessment and maintenance support method

YAN Qi1,2, HUANG Xiaokai1,2, ZHANG Lihai1,2, LIU Shouwen1,2
(1. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering;2. Beijing Key Laboratory of Environment & Reliability Test Technology for Aerospace Mechanical & Electrical Products: Beijing 100094, China)

Based on the conditions of the cryopump application in Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, this paper establishes reliability models for cryopump tasks, and carries out the FMEA on the cryopumps. Upon collection and organization of the failure data of the cryopumps during the year 2009 to 2015, an estimation is given of the field failure rate and the MTBF in the form of histogram, and the reliability level of the cryopump in field use is assessed. In addition, based on the P-P theory of the lifetime distribution hypothesis, the lifetime distribution characteristics of the cryopumps are obtained. Based on the field reliability analysis and in light of the maintenance support experiences over the years, we provide relevant processes and methods for the maintenance of common failures of cryopumps in their subsequent use to ensure the continuous implementation of the thermal vacuum test.

cryopump; field failure; failure rate; reliability; maintenance support

V37

：B

：1673-1379(2017)03-0336-07

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.03.019

闫 琦（1986—），男，高级工，从事真空热试验研究；E-mail: 13466576942@163.com。通信作者：黄小凯（1986—），男，博士学位，从事单机环境与可靠性试验研究；E-mail: huangxiaokai511@126.com。

2016-05-18；

2017-06-07

闫琦，黄小凯，张立海, 等. 低温泵现场使用可靠性评价及维修保障方法[J]. 航天器环境工程, 2017, 34(3)：336-342

YAN Q, HUANG X K, ZHANG L H, et al. Cryopump field reliability assessment and maintenance support method[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(3)： 336-342