10.ЛекцДиагнТМН - МГТУ им. Н. Э. Баумана

МГТУ им. Н.Э. Баумана кафедра
«Электронные технологии в
машиностроении»
Курс Основы Вакуумной Техники
Раздел: Разработка компьютерной
системы диагностики
турбомолекулярных вакуумных насосов
(ТМН)
Научный руководитель: проф., д.т.н. Деулин Е.А.
Научный консультант: Басманов М.С.
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНА
Направления работы научной группы
«Вакуумный привод»
Физика трения в вакууме
Теория сухого трения
Теория газообмена
Поляризационное уплотнение
Исследование и разработка
mi
ni
Сектор уплотнения
Модель
Суммарная проводимость уплотнения
U 
mconst 1

i 0
niU Д k
mi  k  mi  1
, где
- число последовательных
трубопроводов
Ведущие специалисты:
DН  DВ
i
2b
D
ni  В   i  ni 1
a
к.т.н. Гаценко А.А., к.т.н. Коновалов В.В.
Ведущий специалист: Косинский М.В.
mi 
- число параллельных
трубопроводов
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНА
Направления работы научной группы
«Вакуумный привод»
Разработка позиционирующих механизмов нанометровой точности
Астрономические
телескопы
Зондовые
микроскопы
Координатные
cтолы ВТО
Компьютерная диагностика
Диагностика механизмов
для СВВ
Ведущий специалист: к.т.н. Пересадько А.Г.
Диагностика роторных
механизмов (ТМН и др.)
Ведущий специалист: Басманов М.С.,.
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНА
История создания турбомолекулярных насосов
В молекулярных насосах при вращении ротора в газе молекулы получают
дополнительную скорость в направлении их движения. Впервые такой насос
был предложен в 1912 немецким учёным В. Геде, но долго не получал
распространения из-за сложности конструкции.
В 1957 немецкий учёный В. Беккер применил турбомолекулярный насос,
ротор которого состоит из системы дисков. В 1958 г., когда Беккер опубликовал
работы по многоступенчатым молекулярным насосам с аксиально-поточной
схемой был построен первый турбомолекулярный насос.
В том же году Хабланян опубликовал результаты опытов по компрессору
аксиального потока на тонких вращающихся дисках, работающему в высоком
вакууме.
После 1958 г. оригинальная идея Беккера претерпела ряд улучшений, что
и воплотилось в разработку современных турбомолекулярных насосов.
Наиболее важные теоретические работы были проделаны с 1960 по 1963гг.
Крюгером и Шапиро. Эти исследователи разработали основные методы для
расчета производительности насосов и оптимизации геометрии турбин.
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНА
История создания турбомолекулярных насосов
В 1961 г. французская компания SNECMA (Societe Nationale d’Etude et
de Construction de Moteurs d'Aviation), при участии Зелбштейна (Zelbstein) и
Руссо (Rousseau) приступила к исследованиям по улучшению вертикального
одностадийного насоса с открытой структурой из тонких лезвий. В 1965 г.
насос был запущен в серийное производство и поступил в продажу.
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНА
История создания турбомолекулярных насосов
В 70-х годах в основном определился дизайн насосов.
В
80-х
годах
необходимость
в
чистых
высоко-
и
сверхвысоковакуумных системах привела к необходимости
применения высококипящих густых смазок для понижения
уровня маслянного загрязнения объема и возможности
работы насоса в любой ориентации.
Далее конструкция насосов опять была улучшена в связи
с применением подшипников с шариками из керамики
(вместо стали). Главное преимущество керамических
шариков – их небольшая масса. Когда ротор тщательно
сбалансирован,
подшипнике
основные
обусловлены
радиальные
массой
силы
в
вращающихся
шариков. Уменьшение этих сил приводит к уменьшению
рабочей температуры подшипника, что увеличивает его
ресурс.
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНА
Основные преимущества и область применения ТМН

Простое обслуживание;

Стойкость к агрессивным
средам;

Высокое быстродействие;

Чистота получаемого
вакуума;

Большой диапазон рабочих
давлений;

Возможность работы с
большими потоками газов (до
10-1м3Пас-1).
Области применения ТМН:
Медицина; нано-электроника; ядерная физика; электронная техника;
другие области
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНА
Основные недостатки ТМН


Высокая стоимость насоса (цена на ТМН
достигает от 5000 $ до 50000 $);
Непредсказуемость отказов подшипникового
узла быстровращающейся подвески ротора
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНА
Анализ сепараторов, отказавших
при работе в ш/п ТМН 01 АБ 1500-004
Минимальный объемный
износ:
V30min = 3,53 мм3
Максимальный объемный
износ:
V30max=4,02 мм3
Стандартное отклонение:
=0,12
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНА
Вибрационная диагностика ТМН
Диагностика по спектру вибросигнала (Спектр (лат. spectrum от лат. spectare — смотреть) —
совокупность значений и/или их распределение по какому-либо параметру, которую может принимать
наблюдаемая величина)
Частота вращения сепаратора: ns=n0[1/2Dbcos()/2D0];
Частота контактирования шарика с
элементами ш/п:
nb=nb-or =nb-s= nb-in=n0∙Db∙cos( )/Din;
Частота контактирования наружного кольца с
шариками:
nor-b= nSz;
Частота контактирования внутреннего кольца
с шариками:
nin-b=(n0- nS)z;
Где n0-частота вращения ротора ТМН, Dbдиаметр шарика, -угол контакта шариков с
дорожкой качения, D0-средний диаметр, Dinдиаметр внутренней дорожки качения.
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНА
Вибрационная диагностика ТМН
Схема работы датчика оборотов
Сигнал с датчика оборотов
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНА
Вибрационная диагностика ТМН
Пример анализа
вибрационного спектра
Завышенная амплитуда
на частоте взаимодействия
шарика с элементами ш/п
говорит о многочисленных
дефектах на телах качения
ш/п, что привело к износу
и потери геометрических
размеров внешней
дорожки качения:
в спектре наблюдается
размытие пика и появление
большой широкополосной
области высокого уровня на
соответствующей частоте.
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНА
Спектры виброколебаний корпуса ТМН при
наработке 500,1000, 1500, 2000 часов
соответственно
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНА
Модель зажатия сепаратора ведущим
и ведомым шариками*
*- Деулин Е.А., Папко В.М.,
Юрков Ю.В. Влияние надежности
вакуумных
подшипников
качения на производительность
автоматизированного
технологического оборудования.
Тезисы докл. V Всесоюзная
конф. МВТУ.М.1979, с.с. 38-44.
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНА
Изменение Мтр шарикоподшипника является случайной величиной
Результаты экспериментов по исследованию
износа сепаратора шарикоподшипника ТМН 01 АБ 1500-004
Коэффициент
корреляции: R=0,96±0,01
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНА
Экспериментальные стенды системы диагностики
Рабочий стенд системы диагностики
Калибровочный стенд системы диагностики
Задача стенда: Выделить затраты мощности,
расходующейся на преодоления Мсопр подшипника
при изменяющимся впускном давлении
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНА
Экспериментальные стенды системы диагностики
Рабочий стенд системы
диагностики
Калибровочный стенд системы
диагностики
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНА
Датчики системы диагностики
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНА
Программное обеспечение системы диагностики
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНА
Текущие задачи для промышленного внедрения
системы диагностики
САУ
Анализ рисков для
вакуумной системы,
принятие решений
1. Разработать новый блок для предсказания
отказов ТМН, включающий стандартный блок
питания и модуль (микроконтроллер) для
расчета работы по износу сепаратора
шарикоподшипника ТМН.
2. На основе разработанных алгоритмов
создать программное обеспечению к
микроконтроллеру для оценки работы по
износу ш/п ТМН
3. Разработать методику работы и проект
включения системы предсказания отказом
ТМН в состав оборудования РНЦ
«Курчатовский институт».
4. Разработать готовый к продаже продукт,
включающий усовершенствованной блок
питания ТМН и программный продукт для
анализа оставшегося ресурса ТМН.