一种基于罗茨泵故障模式的真空系统性能退化测量方法 |
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| 申请号 | CN201610192881.0 | 申请日 | 2016-03-30 | 公开(公告)号 | CN107035692A | 公开(公告)日 | 2017-08-11 |
| 申请人 | 张权; | 发明人 | 张权; | ||||
| 摘要 | 本 发明 实施例 提供了一种基于罗茨 泵 故障模式的 真空 系统性能退化测量方法，属于真空系统领域。所述方法包括：根据真空系统中罗茨泵工作模型以及所获取的罗茨泵的第一 转子 的 轴承 的第一磨损高度、第一转子的第二磨损高度以及第一转子的第三磨损高度确立真空容器内的压强与罗茨泵的工作时间的关系。根据实时采集到的真空容器内的真空度以及所确立的真空容器内压强与罗茨泵的工作时间的关系，测得真空系统的性能退化程度。本发明能够在线获取真空系统的性能退化程度，相比于现有的测量真空系统性能退化的方法，更具有直观性，有效地方便了用户及时获知真空系统的性能退化程度并对罗茨泵进行检修。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于罗茨泵故障模式的真空系统性能退化测量方法，其特征在于，真空系统包括真空容器和罗茨泵，所述罗茨泵包括第一转子和第二转子，所述罗茨泵的进气口与所述真空容器连通，所述方法包括： |
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| 说明书全文 | 一种基于罗茨泵故障模式的真空系统性能退化测量方法技术领域[0001] 本发明涉及真空系统领域，具体而言，涉及一种基于罗茨泵故障模式的真空系统性能退化测量方法。 背景技术[0002] 真空系统是空间环境模拟器的重要组成部分，其功能是为了使空间环境模拟器真空容器达到所要求的真空度，模拟太空的真空环境。真空系统的安全、可靠程度是决定空间环境模拟器能否有效工作的重要因素。真空系统的工作过程主要由以下几个步骤串联构成：粗抽真空子系统对真空容器进行粗抽—分子泵子系统进行过渡抽气—高真空子系统进行抽气—真空容器真空度达到要求，停止抽气。通过对于真空系统的故障模式影响分析，确定了决定真空系统性能的关键部件是粗抽真空子系统中的罗茨泵。因此，可以通过对罗茨泵的故障模式进行分析得到真空系统的性能退化情况。 [0003] 现有的关于罗茨泵故障模式的研究更多的着重于轴承振动信号分析、前级泵故障分析等，通过获取相关的振动信号再加以离线分析才能获得性能退化相关信息。这种方式无法在线获取真空系统性能退化的相关信息，不具有直观性。 发明内容[0004] 本发明的目的在于提供一种基于罗茨泵故障模式的真空系统性能退化测量方法，通过建立真空系统中真空容器内的压强与所述罗茨泵工作时间的关系，有效地改善了上述问题。 [0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下： [0006] 本发明实施例提供了一种基于罗茨泵故障模式的真空系统性能退化测量方法，所述真空系统包括真空容器和罗茨泵，所述罗茨泵包括第一转子和第二转子，所述罗茨泵的进气口与所述真空容器连通。所述方法包括：获取所述罗茨泵的第一转子的轴承的第一磨损高度。获取由所述罗茨泵的第一转子顶部与所述罗茨泵的壳体内壁之间的磨损引起的所述第一转子的第二磨损高度。获取由所述第一转子和所述第二转子之间的磨损引起的所述第一转子的第三磨损高度。根据所述第一磨损高度、所述第二磨损高度、所述第三磨损高度以及真空系统中罗茨泵工作模型确立所述真空容器内的压强与所述罗茨泵的工作时间的关系。获取当前时刻所述真空容器内的真空度，根据所述真空度以及所述真空容器内压强与所述罗茨泵的工作时间的关系，测得所述真空系统的性能退化程度。 [0007] 作为高速旋转机械产品，罗茨泵故障率较高。研究表明，转子磨损故障模式在各类故障模式中占比46％，是造成罗茨泵失效的主要模式。罗茨泵内装有两个同步反向旋转的转子，其转子之间、转子与罗茨泵的壳体内壁之间互不接触。但由于加工和安装过程中的误差、使用过程中的轴承磨损等原因，罗茨泵在工作过程中会产生转轴偏移，使转子旋转过程中产生不平衡力，导致转子磨损故障的发生。 [0008] 本发明实施例通过获取罗茨泵转子磨损故障发生时，所述罗茨泵的第一转子的轴承的第一磨损高度、由所述罗茨泵的第一转子顶部与所述罗茨泵的壳体内壁之间的磨损引起的所述第一转子的第二磨损高度以及由所述第一转子和所述第二转子之间的磨损引起的所述第一转子的第三磨损高度，建立所述真空系统中的真空容器内的压强与所述罗茨泵的工作时间的关系。进一步地，本发明实施例能够通过实时采集真空容器的真空度数据，即当前时刻真空容器内的压强，根据所建立的真空系统中的真空容器内的压强与罗茨泵的工作时间的关系模型，在线获取真空系统性能退化程度。相比于现有的测量真空系统性能退化的方法，本发明实施例提供的基于罗茨泵故障模式的真空系统性能退化测量方法更具有直观性，有效地方便了用户能够及时获知真空系统的性能退化程度并对罗茨泵进行检修。附图说明 [0009] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。 [0010] 图1为本发明较佳实施例提供的计算机的方框示意图； [0011] 图2为空间环境模拟器的真空系统的结构示意图； [0012] 图3为本发明实施例提供的罗茨泵的外部结构示意图； [0013] 图4为本发明实施例提供的罗茨泵的内部结构示意图； [0014] 图5为本发明实施例提供的基于罗茨泵故障模式的真空系统性能退化测量方法的流程图； [0015] 图6为本发明实施例提供的罗茨泵的磨损量与时间的关系示意图； [0016] 图7为本发明实施例提供的第一种罗茨泵性能退化曲线对比示意图； [0017] 图8为本发明实施例提供的第二种罗茨泵性能退化曲线对比示意图； [0018] 图9为本发明实施例提供的罗茨泵转子的磨损量随着工作周期增加的变化曲线对比示意图； [0019] 图10为本发明实施例提供的软装置的功能模块示意图。 具体实施方式[0020] 下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0021] 应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。 [0022] 如图1所示，是本发明较佳实施例提供的计算机100的方框示意图。所述计算机100包括基于罗茨泵故障模式的真空系统性能退化测量装置110、存储器120、存储控制器130、处理器140、外设接口150、输入输出单元160、显示单元170。 [0023] 所述存储器120、存储控制器130、处理器140、外设接口150、输入输出单元160、显示单元170各元件相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。所述基于罗茨泵故障模式的真空系统性能退化测量装置110包括至少一个可以软件或固件(firmware)的形式存储于所述存储器120中的软件功能模块。所述处理器140用于执行存储器120中存储的可执行模块，例如所述基于罗茨泵故障模式的真空系统性能退化测量装置110包括的软件功能模块或计算机程序。 [0024] 其中，存储器120可以是，但不限于，随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)等。其中，存储器120用于存储程序，所述处理器140在接收到执行指令后，执行所述程序，前述本发明实施例任一实施例揭示的流过程定义的服务器所执行的方法可以应用于处理器140中，或者由处理器140实现。 [0025] 处理器140可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器140可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器140也可以是任何常规的处理器等。 [0026] 所述外设接口150将各种输入/输入装置耦合至处理器140以及存储器120。在一些实施例中，外设接口150，处理器140以及存储控制器130可以在单个芯片中实现。在其他一些实例中，他们可以分别由独立的芯片实现。 [0028] 显示单元170在所述计算机100与用户之间提供一个交互界面(例如用户操作界面)或用于显示图像数据给用户参考。在本实施例中，所述显示单元170可以是液晶显示器或触控显示器。若为触控显示器，其可为支持单点和多点触控操作的电容式触控屏或电阻式触控屏等。支持单点和多点触控操作是指触控显示器能感应到来自该触控显示器上一个或多个位置处同时产生的触控操作，并将该感应到的触控操作交由处理器140进行计算和处理。 [0029] 图2示出了空间环境模拟器的真空系统200的结构示意图。真空系统200包括真空容器210、粗抽真空子系统220、高真空子系统230、真空测量子系统240、分子泵子系统250以及复压子系统260，所有子系统均联接真空容器210。在真空系统200的各个工作过程中，粗抽真空子系统220最先开始工作，需要在短时间内将真空容器210内的压强抽到指定数值。例如，在20分钟之内将真空容器210从大气压抽真空到5.2Pa。粗抽真空子系统220包括罗茨泵221和前级泵。其中，罗茨泵221的进气口2215与真空容器210连通，是粗抽真空子系统220的核心抽气部件。罗茨泵221的主要作用是通过转子的连续旋转，将被抽气体从进气口2215吸进转子与壳体间的封闭空间，再经排气口2216排出实现抽气的目的，其性能决定着真空系统200能否有效工作。 [0030] 罗茨泵221是一种双转子的容积式真空泵，包括第一转子2212、第二转子2213和壳体2211，如图3和图4所示。其两转子的轴线互相平行，转子由叶轮与轴组合而成，叶轮之间、叶轮与机壳及墙板之间具有微小间隙，以避免相互接触，泵腔靠间隙密封。两转子由原动机通过一对同步齿轮驱动，作方向相反的等速旋转。传统的两叶罗茨真空泵的结构，在泵腔内，有两个“8”字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上。由于罗茨泵221泵腔内无摩擦，转子可以高速转动，而且不必用油润滑，可实现无油清洁抽气的过程。泵的润滑部位仅限于轴承和齿轮，以及动密封处。泵没有往复运动部件，故可以实现良好的动平衡。 [0031] 由于转子的不断旋转，真空容器中的被抽气体从进气口2215吸入到转子与泵壳之间的空间内，再经排气口2216排出。由于吸气后空间是全封闭状态，所以，在泵腔内气体没有压缩和膨胀。但当转子顶部转过排气口2216边缘，空间与排气侧相通时，由于排气侧气体压强较高，则有一部分气体返冲到空间中去，使气体压强突然增高。当转子继续转动时，气体排出泵外。 [0032] 罗茨泵221转子转轴与罗茨泵221的壳体2211之间通过滚针轴承2214进行约束，在罗茨泵转子高速旋转时，滚针轴承不可避免的会产生磨损。转子磨损故障机理为：随着轴承2214磨损量增大，罗茨泵221转轴轴心偏移，并伴随出现附加偏心力，加剧轴承2214磨损，进一步导致罗茨泵转轴轴心偏移，罗茨泵转轴轴心偏移将可能导致罗茨泵的转子发生磨损。 需要说明的是，实际应用中，罗茨泵的第一转子2212的轴承和第二转子2213的轴承同时发生偏轴磨损的情况极少发生。此外，若两个罗茨泵的第一转子的轴承和第二转子的轴承同时发生偏轴磨损将导致罗茨泵直接锁死，无法继续工作，属于罗茨泵的突发性故障。鉴于此，本发明实施例基于罗茨泵的单轴磨损故障模式，设计了一种真空系统性能退化测量方法。 [0033] 请参阅图5，是本发明较佳实施例提供的基于罗茨泵故障模式的真空系统性能退化测量方法的流程图。下面将对图5所示的具体流程进行详细阐述。所述方法包括： [0034] 步骤S501：获取罗茨泵的第一转子的轴承的第一磨损高度； [0035] 其中，第一磨损高度即为罗茨泵221的第一转子2212的轴承在轴承的径向方向的磨损厚度。 [0036] 步骤S502：获取由罗茨泵的第一转子顶部与罗茨泵的壳体内壁之间的磨损引起的第一转子的第二磨损高度； [0037] 当第一磨损高度超过第一转子2212顶部与罗茨泵221内壁之间的固有间隙时，第一转子2212的转轴发生偏移，进而第一转子2212发生磨损。 [0038] 具体的，所述第二磨损高度为第一转子2212顶部与罗茨泵221的壳体2211内壁之间发生磨损时，第一转子2212顶部与罗茨泵的壳体2211内壁的接触点与第一转子2212的转轴中心点之间的连线方向上第一转子的磨损厚度。 [0039] 步骤S503：获取由第一转子和第二转子之间的磨损引起的第一转子的第三磨损高度； [0040] 其中，所述第三磨损高度为第一转子2212与第二转子2213的接触点至第一转子2212的转轴中心点的连线上，由第一转子2212和第二转子2213之间的磨损引起的第一转子 2212的磨损厚度。 [0041] 罗茨泵221的第一转子2212的轴心偏移情况下，将会造成第一转子的磨损。第一转子2212的磨损包括第一转子2212的顶部与罗茨泵的壳体2211内壁之间的磨损以及第一转子2212和第二转子2213之间的磨损。 [0042] 步骤S504：根据第一磨损高度、第二磨损高度、第三磨损高度以及真空系统中罗茨泵工作模型确立真空容器内的压强与罗茨泵的工作时间的关系； [0043] 在正常工作情况下，罗茨泵221中存在三种固有间隙：两个转子的顶部分别与罗茨泵的内壁之间的间隙、两个转子之间的间隙以及转子轴向表面的间隙。由于这三种固有间隙的存在，罗茨泵在实际工作中受到间隙造成的返流现象影响，使得罗茨泵在工作过程中存在固有泄露量。 [0044] 具体的，罗茨泵221的固有泄露量主要包括：转子顶部与罗茨泵壳体内壁的泄漏量、两个转子之间的泄漏量以及转子轴向表面的解吸泄漏。需要说明的是，解吸泄漏产生的机理为：罗茨泵转子转动时，在低真空侧将有大量的气体分子吸附于转子表面，而在高真空侧，气体分子的脱附能力大于吸附能力，从而造成的泄漏作用。其中，气体被固体表面俘获而附着于固体表面上的现象称为吸附现象。吸附有气体分子的固体表面处在真空中时，吸附的分子将由于热运动而逐渐脱附，称为热脱附。 [0045] 令转子顶部与罗茨泵的壳体内壁的泄漏量为Q1，则Q1可以表示为： [0046] [0047] 式(1)中，W为气体管路的传输几率，可以由克劳辛方程得到，C为气体总流导，K为流导系数，B为转子厚度，δ1为第一转子顶部与罗茨泵的壳体内壁之间的间隙。Δp＝Pout-Pin，Pin为所述罗茨泵的进气压力，Pout是所述罗茨泵的排气压力，且Pout可以根据公式Pout＝(Sp/Sbp)×Pin得到。其中，Sbp是所述罗茨泵前级泵抽气速度，Sbp为常数，Sp为罗茨泵的实际抽速。 [0048] 令两个转子之间的泄漏量为Q2，则Q2可以表示为： [0049] [0050] 式(2)中，W为气体管路的传输几率，可以由克劳辛方程得到。δ2为两个转子之间的间隙。 [0051] 令转子轴向表面的解吸泄漏量为Qjx，则Qjx可以表示为： [0052] [0053] 式(3)中，Nt为单位时间内向高真空侧脱附的分子摩尔数，n为第一转子的转速，l为第一转子的横截面的周长；K2为解吸作用系数，θ1为罗茨泵的低真空侧气体分子在第一转子表面的覆盖度，θ2为罗茨泵的高真空侧气体分子在第一转子表面的覆盖度。其中，θ1与θ2的具体值与相同温度下气体饱和蒸气压、吸附分子的平衡气体压强有关。 [0054] 因此，罗茨泵的固有泄露量可以表示为： [0055] Qtotal＝Q1+Q2+Qjx (4) [0056] 式(4)中，Qtotal为罗茨泵的固有泄露总量。 [0057] 进一步的，罗茨泵的实际抽速为理论抽速和因返流等因素造成的损失之差，即[0058] [0059] 其中，Sth为罗茨泵理论抽速，ΔS为因返流等因素造成的抽速损失。于是，在罗茨泵正常工作即转子不发生磨损的情况下，根据式(1)至式(5)可以得到罗茨泵的实际抽速模型如式(6)所示。 [0060] [0061] 当转子发生磨损时，转子的磨损量将影响罗茨泵的泄露量，主要包括以下两种影响方式： [0062] (1)当转子顶部与罗茨泵的壳体内壁之间发生磨损的时候，转子顶部与罗茨泵的壳体内壁之间的固有间隙消失，这一部分的固有泄漏量减半，同时，两个转子之间的泄漏量增加。 [0063] (2)当两个转子之间发生磨损的时候，两个转子之间的固有泄露量不存在，转子顶部与罗茨泵的壳体内壁之间的泄漏量增加。 [0064] 由于第一磨损高度、第二磨损高度以及第三磨损高度的存在，转子顶部与罗茨泵的壳体内壁之间的间隙以及两个转子之间的间隙将随着磨损的加剧而变大，造成泄漏量增加。 [0065] 本发明实施例中，当罗茨泵的转子发生磨损时，在第一磨损高度、第二磨损高度以及第三磨损高度的影响下，罗茨泵的泄漏量增加，罗茨泵的实际抽速模型可以改变为： [0066] [0067] 式(7)中，Δδ(t)为当前时刻所述罗茨泵的第一转子的轴承的第一磨损高度，h(t)为当前时刻所述第一转子的第二磨损高度，h1(t)为当前时刻所述第一转子的第三磨损高度，P(t)为当前时刻所述真空容器内的压强。 [0068] 此后，在分别获取到Δδ(t)、h(t)及h1(t)后，根据Δδ(t)、h(t)、h1(t)、流导系数K、转子的厚度B、气体管路的传输几率W、所述罗茨泵的前级泵抽气速度Sbp、罗茨泵的第一转子顶部与所述罗茨泵的壳体内壁的固有间隙δ1以及式(7)，即可以得到当前时刻罗茨泵的实际抽速Sp(t)与当前时刻所述真空容器内的压强P(t)之间的关系。 [0069] 因此，获取抽气过程开始时所述真空容器内的压强，罗茨泵的极限压强以及真空容器的体积，且根据式(7)所得到的当前时刻罗茨泵的实际抽速Sp(t)与当前时刻所述真空容器内的压强P(t)之间的关系以及如式(8)所示的真空系统中罗茨泵工作模型： [0070] [0071] 可以得到真空系统中真空容器内的压强与罗茨泵的工作时间的关系。式(8)中，P0为抽气过程开始时所述真空容器内压强，Pj为罗茨泵的极限压强，V为真空容器的体积，t1为罗茨泵的最长工作时间。 [0072] 其中，流导系数K、转子的厚度B、气体管路的传输几率W、罗茨泵的前级泵抽气速度Sbp、罗茨泵的第一转子顶部与所述罗茨泵的壳体内壁的固有间隙δ1、第一转子与第二转子之间的间隙δ2，抽气过程开始时所述真空容器内的压强P0、罗茨泵的极限压强Pj以及真空容器的体积V可以预先存储在计算机100的存储器120中，也可以通过输入输出单元160输入。 [0073] 因此，本发明实施例中，真空系统中真空容器内的真空度随时间变化的真空系统性能退化模型可以表示为： [0074] [0075] 步骤S505：获取当前时刻真空容器内的真空度，根据真空度以及真空容器内的压强与罗茨泵的工作时间的关系，测得真空系统的性能退化程度。 [0076] 通过真空系统中自带的真空度监测器，可以实时监测真空容器中的真空度。需要说明的是，本发明实施例中真空容器的真空度可以通过真空容器内的压强表征。根据真空容器内的压强与罗茨泵的工作时间的关系可以得到罗茨泵的性能退化基本过程，进而可以预先得到罗茨泵的失效点。例如，根据真空容器内的压强与罗茨泵的工作时间的关系判定罗茨泵工作X小时(h)，真空容器内的压强为Y帕(Pa)为罗茨泵的失效点。 [0077] 实时采集真空度监测器的输出数据，当真空度监测器的输出数据达到预先判定的失效点时，就可以判定真空系统的罗茨泵失效，将使得真空系统的性能退化，需要对真空系统中的罗茨泵进行检修。例如，当罗茨泵连续工作X小时时，所获取到的真空度监测器的输出压强超过Y帕，则可以判定真空系统的罗茨泵失效。当然，根据真空容器内的压强与罗茨泵的工作时间的关系可以得到罗茨泵的性能退化基本过程，预先设置不同程度的失效点，从而根据实时获取到的真空度监测器的输出压强就可以测得真空系统的性能退化程度。 [0078] 因此，本发明实施例能够通过实时采集真空容器的真空度数据，根据所建立的真空系统中的真空容器内的压强与罗茨泵的工作时间的关系模型，在线获取真空系统性能退化程度。相比于现有的测量真空系统性能退化的方法，本发明实施例提供的基于罗茨泵故障模式的真空系统性能退化测量方法更具有直观性，有效地方便了用户能够及时获知真空系统的性能退化程度并对罗茨泵进行检修。 [0079] 具体的，本发明实施例中，获取罗茨泵的第一转子的轴承的第一磨损高度的方式可以为： [0080] 滚针轴承磨损磨损量主要产生在滚子上，滚子与轴承挡圈接触面积极小。本发明实施例中，设计滚子的磨损部分为长方体，此时，当前时刻第一转子的轴承的第一磨损高度与体积磨损量之间成线性关系，即Vzc(t)＝Δδ(t)·Szc。其中，Vzc(t)为当前时刻第一转子的轴承的体积磨损量，Δδ(t)为当前时刻第一转子的轴承的第一磨损高度，Szc为第一转子的轴承的滚子与轴承挡圈的接触面积。从而可以得到： [0081] [0082] 式(10)中，Pzh为第一转子工作时滚子受到的载荷；k为滚子的磨损率系数，与轴承材料和使用环境有关；v为轴承的转速；t为罗茨泵的工作时间。 [0083] 因此，获取第一转子工作时滚子受到的载荷、滚子的磨损率系数、第一转子的轴承的滚子与轴承挡圈的接触面积、轴承的转速以及罗茨泵的工作时间。根据公式(10)即可以获得第一转子的轴承的第一磨损高度。其中，第一转子工作时滚子受到的载荷Pzh、滚子的磨损率系数k、轴承的转速v以及第一转子的轴承的滚子与轴承挡圈的接触面积Szc可以根据用户所使用的罗茨泵轴承的具体型号获得，并预先存储在计算机100的存储器120中，当然，也可以通过输入输出单元160输入。 [0084] 具体的，本发明实施例中，获取由罗茨泵的第一转子顶部与所述罗茨泵的壳体内壁之间的磨损引起的所述第一转子的第二磨损高度的方式可以为： [0085] 获取当前时刻所述第一转子顶部与所述罗茨泵的壳体内壁的最大接触应力。根据初始时刻至当前时刻的时间段内的单位时间点处，所述第一转子顶部与所述罗茨泵的壳体内壁的最大接触应力、所述第一转子顶部与所述罗茨泵的壳体内壁的接触点处的相对滑动速度以及所述第一转子的当量磨损系数，获取当前时刻所述罗茨泵的第一转子的第二磨损高度。 [0086] 其中，获取当前时刻所述第一转子顶部与所述罗茨泵的壳体内壁的最大接触应力的方法可以优选为： [0087] 获取第一转子顶部与所述罗茨泵的壳体内壁的固有间隙、第一转子的厚度、第一转子的弹性模量。根据第一转子顶部与所述罗茨泵的壳体内壁的固有间隙、第一转子的厚度以及第一转子的弹性模量以及步骤501中所获取到的当前时刻的第一磨损高度，获得当前时刻所述罗茨泵的第一转子顶部与所述罗茨泵的壳体内壁之间接触点处所述第一转子顶部受到的当量载荷。需要说明的是，所获得的当前时刻所述罗茨泵的第一转子顶部与所述罗茨泵的壳体内壁之间接触点处所述第一转子顶部受到的当量载荷为一个与当前时刻的第二磨损高度相关的函数。其中，第一转子顶部与罗茨泵的壳体内壁的固有间隙、转子的厚度以及第一转子的弹性模量可以预先存储在计算机100的存储器120中，也可以通过输入输出单元160输入。 [0088] 具体的，本发明实施中，根据第一转子顶部与所述罗茨泵的壳体内壁的固有间隙、转子的厚度、第一转子的弹性模量以及步骤501中所获取到的当前时刻的第一磨损高度，获得当前时刻所述罗茨泵的第一转子顶部与所述罗茨泵的壳体内壁之间接触点处所述第一转子顶部受到的当量载荷的具体方式可以为： [0089] 将第一转子的转轴至第一转子顶部的方向上，第一转子的转轴与罗茨泵壳体内壁之间的属于第一转子的部分简化为一个圆柱体，则该圆柱体沿直径方向受压。圆柱体的厚度等于转子的厚度B，圆柱体的半径为Rc，则该圆柱体沿直径方向的平均截面积为： [0090] [0091] 根据沿圆柱体受压方向的变形得出正压力为Pz＝ΔlE1A/D。其中，E1为第一转子的弹性模量。D圆柱体直径，可以表示为2Rc。Δl＝Δδ(t)-δ1-h(t)。则当前时刻所述罗茨泵的第一转子顶部与所述罗茨泵的壳体内壁之间接触点处所述第一转子顶部受到的当量载荷为： [0092] [0093] 因此，通过式(11)可以获得当前时刻所述罗茨泵的第一转子顶部与所述罗茨泵的壳体内壁之间接触点处所述第一转子顶部受到的当量载荷PDL(t)。需要说明的是，PDL(t)为与当前时刻的第二磨损高度h(t)相关的函数。 [0094] 根据所获取到的当前时刻第一转子顶部受到的当量载荷以及当前时刻罗茨泵的第一转子的顶部与所述壳体内壁的接触面积，获得当前时刻罗茨泵的第一转子顶部与罗茨泵的壳体内壁的接触应力的分布情况。从而进一步获得当前时刻罗茨泵的第一转子顶部与罗茨泵的壳体内壁的最大接触应力。当然，所述最大接触应力也是一个与当前时刻的第二磨损高度h(t)相关的函数。 [0095] 具体的，第一转子的顶部与罗茨泵内壁的接触面积S为： [0096] [0097] 式(12)中 [0098] [0099] Rc*为该圆柱体的当量曲率半径。Pz为该圆柱体沿直径方向受到的由壳体内壁施加的正压力。a为第一转子的顶部与罗茨泵内壁的接触长度，E1为第一转子的弹性模量，E2为罗茨泵壳体内壁的弹性模量，v1为第一转子的泊松比和v2为罗茨泵壳体内壁的泊松比。 [0100] 因此，本发明实施例中，可以根据公式 [0101] [0102] 获取当前时刻第一转子顶部与所述罗茨泵的壳体内壁的接触应力的分布情况。进一步再根据该分布情况获得当前时刻第一转子顶部与所述罗茨泵的壳体内壁的最大接触应力。式(13)中，μm为第一转子顶部与罗茨泵壳体内壁的摩擦系数。 [0103] 进一步的，本发明实施例中，上述的根据初始时刻至当前时刻的时间段内的单位时间点处，所述第一转子顶部与所述罗茨泵的壳体内壁的最大接触应力、所述第一转子顶部与所述罗茨泵的壳体内壁的接触点处的相对滑动速度以及所述第一转子的当量磨损系数，获取当前时刻所述罗茨泵的第一转子的第二磨损高度的方式优选为： [0104] 获取第一转子顶部与罗茨泵的壳体内壁的接触点处的相对滑动速度以及第一转子的当量磨损系数，将根据式(13)获得的当前时刻的最大接触应力pmax(t)以及式(14)[0105] [0106] 联立求解即可以获取当前时刻所述罗茨泵的第一转子的第二磨损高度h(t)。式(14)中，k1为当量磨损系数。pmax(t)为当前时刻所述第一转子顶部与所述罗茨泵的壳体内壁的最大接触应力。vs为当前时刻所述接触点处所述第一转子顶部与壳体内壁的相对滑动速度。 [0107] 需要说明的是，预设公式(14)的具体获取方式为：根据Archard磨损量计算模型： [0108] [0109] 获得磨损过程中引起的磨损第二磨损高度的计算表达式为：dh＝k1pds。其中，Vm1为罗茨泵的第一转子顶部与罗茨泵的壳体内壁之间的磨损引起的第一转子的体积磨损量，s为滑动距离，H是转子的材料硬度，K4是一个无量纲的磨损系数，可以用k1代替式中的K4/H，则k1成为有量纲的磨损系数，简称当量磨损系数，p为接触应力。假设第一转子转动过程中与罗茨泵的壳体内壁的初始接触临界点与脱离接触临界点之间的角度为ω，壳体的曲率半径r，则s＝ωr。从而可以得到：dh＝k1prdω。进一步对上式微分，得： [0110] [0111] 因此，就可以得到如式(14)所示的第一转子的第二磨损高度公式。 [0112] 需要说明的是，本发明实施例中，还可以根据所获取的当前时刻的第一磨损高度Δδ(t)、第二磨损高度h(t)以及罗茨泵的第一转子顶部与所述罗茨泵的壳体内壁的固有间隙δ1，确立罗茨泵的第一转子顶部与所述罗茨泵的壳体内壁之间的磨损发生的前提条件：当h(t)＜Δδ(t)-δ1且Δδ(t)>δ1时，罗茨泵的第一转子顶部与所述罗茨泵的壳体内壁之间会发生磨损，当不满足上述条件时，罗茨泵的第一转子顶部与罗茨泵的壳体内壁之间将不会发生磨损。 [0113] 另外，具体的，本发明实施例中，获取由所述第一转子和所述第二转子之间的磨损引起的所述第一转子的第三磨损高度的方式可以为：获取第一转子相对于第二转子的滑动系数。获取第二转子施加给所述第一转子的当量载荷。根据第一转子相对于第二转子的滑动系数、第二转子施加给所述第一转子的当量载荷、第一转子的转速、转子的厚度以及第一转子的轴承的磨损率系数，获得当前时刻所述第一转子的第三磨损高度。其中，第一转子的转速、第一转子的厚度以及第一转子的轴承的磨损率系数可以预先存储在计算机100的存储器120中，也可以通过输入输出单元160输入。 [0114] 其中，本发明实施例中，获取第二转子施加给所述第一转子的当量载荷的方式优选为： [0115] 根据第一转子与第二转子之间的固有间隙δ2、转子的厚度B、第一转子的弹性模量E1、步骤501中所获取到的当前时刻的第一磨损高度Δδ(t)以及公式 [0116] [0117] 获得当前时刻第二转子施加给第一转子顶部的当量载荷PDL1(t)。需要说明的是，由式(15)获取到的当前时刻第二转子施加给第一转子顶部的当量载荷PDL1(t)为与当前时刻的第三磨损高度h1(t)相关的函数。 [0118] 同理，根据公式 [0119] [0120] 还可以获得第一转子顶部施加给第二转子中部的当量载荷PDL2(t)。当然，由式(16)获取到的当前时刻第二转子施加给第一转子顶部的当量载荷PDL2(t)也是与当前时刻由第一转子和第二转子之间的磨损引起的第二转子的磨损高度h2(t)相关的函数。式(16)中，L为第一转子中部的凹陷处到第一转子转轴的最短距离，S2为第一转子与第二转子的接触面积，a2为第一转子与第二转子的接触长度。 [0121] 本发明实施例中，第一转子相对于第二转子的滑动系数的获取方法可以为：第一转子和第二转子啮合运动。设在单位时间内，第一转子从接触点A1运动到接触点B1的运动距离为ds(1)，第二转子从接触点A2运动到接触点B2的运动距离为ds(2)。根据滑动系数的定义，(1,2) (1) (2) (1)得到第一转子相对于第二转子的滑动系数ε ＝|ds -ds |/ds ，第二转子相对于第一转子的滑动系数ε(2,1)＝|ds(1)-ds(2)|/ds(2)。 [0122] 具体的，本发明实施例中，根据第一转子相对于第二转子的滑动系数、第二转子施加给所述第一转子的当量载荷、第一转子的转速、第一转子的厚度以及第一转子的轴承的磨损率系数，获得当前时刻所述第一转子的第三磨损高度的优选实施方式为： [0123] 根据所获取到第一转子相对于第二转子的滑动系数ε(1,2)、第二转子施加给所述第一转子的当量载荷、第一转子的转速n、转子的厚度B以及转子的磨损系数k2，根据由式(15)获得的当前时刻第二转子施加给第一转子顶部的当量载荷PDL1(t)以及式(17)： [0124] [0125] 联立求解即可以获得当前时刻第一转子的第三磨损高度h1(t)。 [0126] 同理，根据所获取到的第二转子相对于第一转子的滑动系数ε(2,1)、第二转子的转速、转子的厚度B以及转子的磨损系数k2。根据由式(15)获得的当前时刻第一转子施加给第二转子的当量载荷PDL2(t)以及式(18)： [0127] [0128] 联立求解即可以获得当前时刻由第一转子和第二转子之间的磨损引起的第二转子的磨损高度h2(t)。需要说明的是，罗茨泵的两个转子的转速和厚度均相等，且第一转子的轴承的磨损率系数以及第二转子的轴承的磨损率系数也相等。 [0129] 需要说明的是，式(17)和式(18)的具体获取方式为：由上述Archard磨损量计算模型可知，在dt时间内，如果两转子型线的接触线长度为转子厚度B，第一转子的运动距离为ds(1)时，由第一转子和第二转子之间的磨损引起第一转子的磨损体积dVm2为：dVm2＝B·dh1·ds(1)。进一步可以得到： [0130] [0131] 转子每转过一周，转子便接触一次，当转子转速为n时，在dt的时间内，转子表面的磨损次数为n·dt。从而可以获得式(17)和式(18)。 [0132] 需要说明的是，宏观上，图6示出了转子的磨损量与罗茨泵的工作时间的关系，可以将磨损可分成三个阶段： [0133] A.跑合磨损阶段。磨损率随时间推移由快速升高转变为逐渐降低。它出现在摩擦副运行初期。 [0134] B.稳定磨损阶段。摩擦表面经磨合后逐步趋于稳定，磨损率基本保持不变。摩擦副处于正常工作期间。 [0135] C.剧烈磨损阶段。磨损率随时间推移迅速增加，工作条件急剧恶化，导致零件快速发生失效。 [0136] 本发明实施例是在稳定磨损阶段下获取由罗茨泵的第一转子顶部与罗茨泵的壳体内壁之间的磨损引起的第一转子的第二磨损高度以及由第一转子和第二转子之间的磨损引起的第一转子的第三磨损高度。因此，需要理解到的是，本发明实施例中，上述式(10)、式(13)、式(14)、式(17)、式(18)中的磨损系数均为常值。 [0137] 另外，本发明实施例还对所建立的真空系统中真空容器内的真空度随时间变化的真空系统性能退化模型进行了仿真验证。 [0138] 通过MATLAB对本发明实施例建立的真空系统性能退化模型进行仿真，得到基于所建立的真空系统性能退化模型的罗茨泵性能退化曲线。并通过ANSYS进行物理建模仿真，得到基于物理模型的性能退化数据并生成性能退化曲线。 [0139] 例如，仿真对象为ZJY-600A型号罗茨泵。仿真基本参数根据具体型号的罗茨泵和真空系统获得。例如，真空容器的体积V为15.3(m3)，第一转子顶部与罗茨泵的壳体内壁之间的间隙δ1为0.1(mm)，罗茨泵的理论抽速Sth为2000(m3/h)，抽气过程开始时所述真空容器内压强P0为101.3(kPa)，转子材料选取45号钢，粗抽真空子系统的粗抽过程时间为20min，真空系统的基本要求为在20分钟之内通过罗茨泵将真空容器内压强降到5.2Pa以下。 [0140] 罗茨泵在工作中以20分钟为一个工作周期，随着罗茨泵的性能退化，罗茨泵达到真空系统基本工作要求的能力逐渐降低。基于ANSYS物理建模数据与本发明模型MATLAB仿真数据，得到以下三组仿真对比曲线。图7给出了罗茨泵性能退化曲线(压强与周期)，表征的是在转子磨损量累积的过程中，随着罗茨泵工作周期的增加，真空容器内压强到达5.2Pa的时候所用的时间。图8给出了罗茨泵性能退化曲线(时间与周期)，表征随着工作周期的增加，转子磨损量的变化规律。图9给出了全周期磨损量变化曲线，表征的是随着工作周期的增加，转子磨损量的变化规律。 [0141] 本发明实施例中，通过对比ANSYS物理建模仿真结果与MATLAB仿真结果，可以得出：(1)本发明实施例所建立的真空系统性能退化模型的MATLAB仿真结果与ANSYS物理仿真结果吻合，能够用于表征罗茨泵性能退化过程。(2)罗茨泵的性能退化基本过程是：在转子磨损开始之前，罗茨泵性能相对平稳，当转子磨损发生后，罗茨泵性能退化明显，在罗茨泵连续工作2100小时(6300个周期)的时候开始性能退化过程，当工作4494小时(13482个周期)之后，罗茨泵性能无法满足真空系统要求，罗茨泵失效。 [0142] 综上所述，本发明实施例通过真空系统中罗茨泵的工作模型以及所获取的第一磨损高度、第二磨损高度以及第三磨损高度建立了真空系统中真空容器内的压强与罗茨泵的工作时间的关系，进而根据实时采集到的真空容器内的真空度，就可以实现对真空系统的性能退化程度的监测。相比于现有的真空系统的性能退化程度的监测方法，本发明实施例提供的基于罗茨泵磨损故障模式的真空系统性能退化测量方法具有以下优点： [0143] (1)直观性。相关研究更多的着重于轴承振动信号分析、前级泵故障分析等，在具体实施过程中需要通过获取相关的振动信号再加以分析获得真空系统性能退化的相关信息，所采集信号并不具备直观性。而本发明实施例直接采集真空容器内的真空度的数据，根据所建立的真空系统中真空容器内的压强与罗茨泵的工作时间的关系就可以获取真空系统性能退化的相关信息，具备直观性。 [0144] (2)时效性。相关研究方法从信号获取开始到分析结果出现具有时间的延迟性，往往适用于事后维修。而本发明实施例提供的测量方法相应速度快，可以在线获取真空系统的性能状态。 [0145] (3)便捷性。相关研究方法在实际应用中需要在真空系统中匹配安装相应的传感器以获取相应监测数据，不具备便捷性。本发明的优选实施例中，用于采集真空容器的真空度数据的真空度监测器是真空系统中自带的，无需额外安装传感器，具备便捷性。 [0146] 请参阅图10，是本发明较佳实施例提供的图1所示的基于罗茨泵故障模式的真空系统性能退化测量装置的功能模块示意图。所述基于罗茨泵故障模式的真空系统性能退化测量装置110包括第一磨损高度获取模块111、第二磨损高度获取模块112、第三磨损高度获取模块113、关系构建模块114以及测量结果获取模块115。 [0147] 第一磨损高度获取模块111用于获取罗茨泵的第一转子的轴承的第一磨损高度。 [0148] 第二磨损高度获取模块112用于获取由罗茨泵的第一转子顶部与罗茨泵的壳体内壁之间的磨损引起的所述第一转子的第二磨损高度。 [0149] 第三磨损高度获取模块113用于获取由第一转子和所述第二转子之间的磨损引起的第一转子的第三磨损高度。 [0150] 关系构建模块114用于根据所获取的第一磨损高度、第二磨损高度、第三磨损高度以及真空系统中罗茨泵工作模型确定真空系统中真空容器内的压强与罗茨泵的工作时间的关系。 [0151] 测量结果获取模块115用于获取当前时刻真空容器内的真空度，并根据所述真空度以及所述真空容器内压强与罗茨泵的工作时间的关系，测得真空系统的性能退化程度。 [0152] 在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。 [0153] 另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。 [0154] 所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。 在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。 [0155] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。 [0156] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。 |
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