專利名稱：用于確定渦輪氣泵的泵轉(zhuǎn)子的疲勞的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于確定快速旋轉(zhuǎn)的渦輪氣泵的泵轉(zhuǎn)子的疲勞的 方法。
背景技術(shù)：
渦輪氣泵并且尤其是渦輪分子泵以每分鐘10,000至100,000轉(zhuǎn)的相
對高的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。由于高的離心力、溫度影響等使氣泵的泵轉(zhuǎn)子遭受機 械疲勞。尤其是在渦輪氣泵中在泵轉(zhuǎn)子和泵定子之間設(shè)有窄的間隙，以 便獲得盡可能高的泵輸出功率。在一定的時間后，由于泵轉(zhuǎn)子的疲勞導 致泵轉(zhuǎn)子的故障或?qū)е略诒棉D(zhuǎn)子和泵定子之間的碰撞。為了避免這些， 在預(yù)期的碰撞時間點以前更換泵轉(zhuǎn)子。
這能夠設(shè)有在時間上恒定的維護周期，預(yù)定在一定的時間或一定的 運行持續(xù)時間后進行泵轉(zhuǎn)子的維護或更換。
從DE 101 51 682A1中已知一種方法，在所述方法中，從泵轉(zhuǎn)子的 絕對轉(zhuǎn)速和溫度計算出動態(tài)的維護周期。因此檢測所謂的泵轉(zhuǎn)子蠕變應(yīng) 力并且在動態(tài)的維護周期計算中考慮到該蠕變應(yīng)力。研究表明，單獨以 這種方式在一定的運行條件下不能夠足夠精確地確定符合實際需要的 動態(tài)的維護周期。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的是，提供一種用于確定泵轉(zhuǎn)子的疲勞的方法，所 述方法對于所有實際發(fā)生的運行條件盡可能接近真實地確定泵轉(zhuǎn)子的 疲勞。
根據(jù)本發(fā)明該目的借助在權(quán)利要求1中提及的特征得以實現(xiàn)。 根據(jù)本發(fā)明的用于確定渦輪氣泵的轉(zhuǎn)子疲勞的方法設(shè)有如下步驟 連續(xù)地測定泵轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(《); 測定所考慮的隨時間變化的轉(zhuǎn)速曲線的局部的轉(zhuǎn)速最大值和最小
值；
將轉(zhuǎn)速最大值和最小值相互關(guān)聯(lián)以形成對；
測定用于每個轉(zhuǎn)速對的成對疲勞值(丄)；
將所有成對疲勞值(丄)累加為總疲勞值(丄,。J。
試驗表明，除了可能的蠕變應(yīng)力，顯著地在快速旋轉(zhuǎn)的金屬部件的 壽命或疲勞中獨立地包括所謂的周期應(yīng)力。只是當附加地檢測周期應(yīng)力 時，在確定泵轉(zhuǎn)子的機械疲勞中尤其能夠?qū)嶋H地包括在泵轉(zhuǎn)子上的斷裂 的危險。
在應(yīng)力明顯低于金屬材料的所謂的抗拉強度及 的情況下，周期應(yīng) 力已經(jīng)出現(xiàn)，并且在表明開始宏觀塑性變形的屈服點凡的下面，周期 應(yīng)力也經(jīng)常出現(xiàn)。周期應(yīng)力的原因在于，有關(guān)的材料的微觀結(jié)構(gòu)與周期 應(yīng)力加栽相互作用。在屈服點的下面也能夠在材料中出現(xiàn)微觀的微塑性 變形。這一方面能夠在部件中局部的應(yīng)力集中的地方發(fā)生，但是也能夠 在較軟的結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)，例如在沉淀硬化的材料中。但是也能夠在各 個晶粒的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)微觀變形，所述各個晶粒在結(jié)晶學上相對于加載方 向有利地定向，使得在這里能夠局部地發(fā)生滑動并且因此發(fā)生塑性變 形。當這個滑動凸出于部件表面時，發(fā)生微觀的階梯形成，也稱之為侵 入和擠出。這些形成導致局部應(yīng)力過載的缺口。然后在這些地方，在進 一步的周期應(yīng)力過程中能夠出現(xiàn)裂紋，所述裂紋通過周期應(yīng)力進一步變 大，直至在這個地方使部件變?nèi)酰沟贸霈F(xiàn)部件斷裂。
為了檢測和估計周期應(yīng)力，需要考慮泵轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和檢測轉(zhuǎn)速 周期的終止或結(jié)束。在本文中，轉(zhuǎn)速周期可理解為如下時間間隔，在所 述時間間隔開始和結(jié)束時泵轉(zhuǎn)子的加速度符號變化，即泵轉(zhuǎn)子加速度的 隨時間變化的曲線具有零交點.轉(zhuǎn)速周期最好從隨時間變化的加速度曲 線的零交點持續(xù)至下一個零交點?；蛘咿D(zhuǎn)速周期能夠理解為如下時間間 隔，所述時間間隔以正加速度的起始開始并且以緊接著的負加速度的終 止結(jié)束。
為了能夠測定泵轉(zhuǎn)子的所謂的周期應(yīng)力，連續(xù)地測定泵轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(")。以這種方式建立隨時間變化的轉(zhuǎn)速曲線，為此測定相應(yīng)的局 部的轉(zhuǎn)速最大值和轉(zhuǎn)速最小值。轉(zhuǎn)速最大值和轉(zhuǎn)速最小值分別為轉(zhuǎn)速極 值，在達到所述極值后加速度的符號變化。因此在達到轉(zhuǎn)速最大值后轉(zhuǎn) 速降低，然而在達到轉(zhuǎn)速最小值后轉(zhuǎn)速提高。所考慮的時間間隔能夠為
從最大值持續(xù)到最小值或從最小值持續(xù)到最大值的單獨的周期；能夠為 從泵轉(zhuǎn)子起動持續(xù)到泵轉(zhuǎn)子停止；能夠為確定的時間間隔或最大值和最 小值的確定的數(shù)量。
為了考慮時間間隔，將轉(zhuǎn)速最大值和最小值相互關(guān)聯(lián)以形成對。為 了將轉(zhuǎn)速最大值和最小值相互關(guān)聯(lián)用于產(chǎn)生最大值/最小值對能夠使用 不同的規(guī)則和算法。
從每個轉(zhuǎn)速最大值/最小值對中測定成對疲勞值l。最后將所有成對 疲勞值丄累加為總疲勞值z^。
為了使轉(zhuǎn)速曲線完整，首先根據(jù)確定的規(guī)則確定所有轉(zhuǎn)速對，計算 每個轉(zhuǎn)速對的疲勞值并且將計算出的疲勞值累加為總疲勞值.以這種方
應(yīng)力而產(chǎn)生的總疲勞。以這種方式提供了計算維護周期的可能性，在所 述維護周期的計算中也包括泵轉(zhuǎn)子的周期應(yīng)力。因此以高的安全性并且
很精確地確定維護周期，使得能夠一方面避免疲勞導致的損壞并且另一 方面避免用于測定維護周期的大的安全限度.
最好在磨損值z的測定中包括相應(yīng)的轉(zhuǎn)速對的特征機械應(yīng)力。轉(zhuǎn)速 對的特征應(yīng)力例如能夠是兩個機械應(yīng)力的算術(shù)平均值，所述兩個機械應(yīng) 力通過在所考慮的部件內(nèi)的離心力在轉(zhuǎn)速的最大值/最小值對的兩個轉(zhuǎn) 速附近出現(xiàn)。以這種方式轉(zhuǎn)速水平和轉(zhuǎn)速擺幅也包括在磨損值的測定 中。
最好在恒定的時間間隔內(nèi)測定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。因此在該情況下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 的連續(xù)的測定也可理解為在恒定的不連續(xù)的時間間隔內(nèi)的測定。時間間 隔能夠為一秒或幾秒。因為例如渦輪氣泵的轉(zhuǎn)速不能夠不斷地變化并且 尤其不能夠非?？斓刈兓詴r間間隔通常是足夠的。通過引入用于 測定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的適當?shù)臅r間間隔減輕負責測定的計算機硬件的工作負 荷。
6根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的實施形式，通過至少二次冪，尤其優(yōu)選三次冪 的多項式確定成對疲勞值。從而能夠計算出接近真實的疲勞值，所述疲 勞值足夠精確地表明出現(xiàn)的應(yīng)力。但是可替代的，當可容忍一定程度的 增高的誤差時，也能夠較簡單地測定成對疲勞值。
最好是只要總疲勞值超過總疲勞極限值就輸出疲勞信號。例如能夠 如此選擇總疲勞極限值，使得直到維護周期結(jié)束仍舊保留備份，以便能 夠預(yù)先在幾天或幾周前準備維護。顯然能夠設(shè)有多個總疲勞極限值，所 述總疲勞極限值在維護周期臨近結(jié)束時引起不同的警告。


下面參考附圖詳細闡述本發(fā)明的實施例。附圖示出
圖1示出與相應(yīng)的轉(zhuǎn)速對應(yīng)的應(yīng)力幅值a。和直至破壞的周期數(shù)之 間的關(guān)系的曲線圖(韋勒曲線圖，WShler-Diagramm);
圖2示出與相對于轉(zhuǎn)速的a。和另外的特征應(yīng)力參數(shù)相關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)速 周期和應(yīng)力循環(huán)之間的關(guān)系的示意圖；以及
圖3示出例如渦輪氣泵的可能的周期的運轉(zhuǎn)過程，表明在時間f上 的轉(zhuǎn)速《用于限定不同的參數(shù)。
具體實施例方式
在渦輪氣泵運轉(zhuǎn)時并且尤其是在渦輪分子泵運轉(zhuǎn)時，由于高的轉(zhuǎn)速 和因此高的離心力，尤其是在泵轉(zhuǎn)子的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力形式的高的徑向 的機械負載。由于在泵定子和泵轉(zhuǎn)子之間的盡可能小的間隙，泵轉(zhuǎn)子的 相對小的機械變化就會引起泵轉(zhuǎn)子和泵定子之間的碰撞。
除了純粹的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子溫度的影響外，所述影響在DE 101 51 682 Al中被說明并且描述為所謂的蠕動應(yīng)力，在泵轉(zhuǎn)子的機械疲勞中還包 括所謂的周期應(yīng)力。試驗表明， 一方面由于蠕變的材料疲勞和另一方面 由于所謂的周期應(yīng)力的材料疲勞，在實際上通常的應(yīng)力和溫度的負載區(qū) 域內(nèi)是相互獨立的。在考慮到部件的總疲勞的情況下，蠕變應(yīng)力和周期 應(yīng)力的在時間上的連續(xù)不是十分重要的，因此在測定兩個應(yīng)力后能夠?qū)?它們相加。在圖1中示出在縱坐標上的應(yīng)力幅值 和在橫坐標上的直至破壞 的相應(yīng)的轉(zhuǎn)速周期數(shù)之間的關(guān)系。由此可看出，對于C7a具有極限值， 在所述極限值以下直至斷裂的可承受的周期數(shù)趨于無限。通過泵轉(zhuǎn)子的 材料、形狀、質(zhì)量等定義轉(zhuǎn)速和應(yīng)力之間的關(guān)系，使得能夠用兩個值中 的一個進行計算。在下文中，示范地使用機械應(yīng)力用于測定疲勞。
為了更好的理下面的算法，在圖2中示例地示出與作為時間f的函
數(shù)的泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速w和相應(yīng)的應(yīng)力a有關(guān)的周期曲線。
對于渦輪氣泵的每個周期變化，通過實驗測定用于不同的負載的根 據(jù)圖1的曲線或完整的曲線簇。從這些曲線中確定多項式的常數(shù)因子，
借助所述多項式對于每個周期變化能夠根據(jù)圖2確定直至破壞總共將出 現(xiàn)多少相同的周期
其中
A^=直至破壞的相同的周期數(shù)(應(yīng)力擺幅)
a =^±^丄=平均應(yīng)力
。' 2
a ^cr, —cr =cr —o% =應(yīng)力擺幅/2=應(yīng)力范圍
根據(jù)從實驗中測定的三個一組的值iV,w、 "w、 "fl，通過內(nèi)插法， 例如通過離差平方和的方法確定系數(shù)^-^和y廣y;以及cro。
如可看出，在有關(guān)機械應(yīng)力的計算中包括平均應(yīng)力aM和應(yīng)力擺幅 2。
A =上限應(yīng)力；w^和"z，2為彼此相關(guān)聯(lián)的
M/,。'tteJ 轉(zhuǎn)速值
=下限應(yīng)力；"^為轉(zhuǎn)子中當轉(zhuǎn)速為 , 時的應(yīng)力在圖3中示范地示出實踐中的隨時間變化的轉(zhuǎn)速曲線。在恒定的時間 間隔」,內(nèi)連續(xù)地測定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ii。顯然由能夠比在目前情況下所示的顯 著地短，以便實現(xiàn)更密集的轉(zhuǎn)速測定并且由此獲得隨時間變化的轉(zhuǎn)速曲線 的更精確的圖。在低于例如10 Hz的最小轉(zhuǎn)速或最小轉(zhuǎn)動頻率后進行疲勞 測定。
只要加速度的符號變化，就將剛好經(jīng)過的轉(zhuǎn)速最大值或轉(zhuǎn)速最小值 作為局部最大值或最小值存儲。如果被存儲的轉(zhuǎn)速為局部最大值，那么 將其存儲在最大值存儲器中。如果被存儲的轉(zhuǎn)速為局部最小值，那么將 其存儲在最小值存儲器中。在該示例中，以這種方式在點5、 2)、 F、" 上確定最大值并且在點j、 C、五、C7上確定最小值。
為了檢測周期應(yīng)力，沒有形成在時間上接近的最大值/最小值對，而 是通過被觀測的時間間隔形成極值對。第一對由最小的轉(zhuǎn)速最小值和最 大的轉(zhuǎn)速最大值組成，即在當前情況下由A和D組成。第二對由余下 的極值G、 F組成，第三對由C和B的值組成等等。這個過程本身就建 立為有效的方法。
因此按照時間順序表示為最小值并且由于形成值對而必須作為最 大值使用的轉(zhuǎn)速值不是真正的最大值，并且在總的計值中忽略不計。這 同樣適用于非真實的最小值。在當前的情況下這適用于五、及對。
用于疲勞測定所考慮的時間間隔能夠為全部的運轉(zhuǎn)周期，即從上次 打開氣泵持續(xù)到隨后關(guān)閉氣泵。但是所考慮的時間間隔也能夠是全部的 泵壽命。實際上，所考慮的時間間隔通過可供使用的計算機和存儲器容 量限定。在考慮整個過去的泵壽命的情況下，每次完整地重新計算出總 的累加的磨損值。
對于每對最大值-最小值-轉(zhuǎn)速，借助求解7V,。，的公式測定一對疲勞 值丄，根據(jù)如下公式
然后從疲勞值對丄的總和中獲得總疲勞值i:,此外，在這里能夠加上不斷累加的蠕動疲勞值。累加的周期疲勞值 丄^或組合的蠕動/周期疲勞值能夠連續(xù)地與總疲勞值極限值I皿比較。 因為在極限值/^ = 1.0時可預(yù)料到故障，所以極限值Z謹小于1.0。只 要總疲勞值￡柳超過極限值4虹，那么就輸出相應(yīng)的疲勞信號。
權(quán)利要求
1.一種用于確定渦輪氣泵的泵轉(zhuǎn)子的疲勞的方法，具有如下步驟·連續(xù)地測定泵轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(n)；·測定所考慮的隨時間變化的轉(zhuǎn)速曲線的局部的轉(zhuǎn)速最大值和最小值；·將轉(zhuǎn)速最大值和最小值相互關(guān)聯(lián)以形成對；·測定用于每個轉(zhuǎn)速對的成對疲勞值(L)；·將所有成對疲勞值(L)累加為總疲勞值(Ltot)。
2. 如權(quán)利要求l所述的用于確定渦輪氣泵的泵轉(zhuǎn)子的疲勞的方法， 其特征在于，在所述成對疲勞值(￡)的測定中包括轉(zhuǎn)速對的至少一個 特征應(yīng)力。
3. 如權(quán)利要求2所述的用于確定渦輪氣泵的泵轉(zhuǎn)子的疲勞的方法， 其特征在于，特征應(yīng)力為相應(yīng)的轉(zhuǎn)速對的平均應(yīng)力。
4. 如權(quán)利要求1至3中任一項所述的用于確定渦輪氣泵的泵轉(zhuǎn)子的疲勞的方法，其特征在于，局部的轉(zhuǎn)速最大值和最小值分別為轉(zhuǎn)子加 速度的隨時間變化的曲線的零交點。
5. 如權(quán)利要求1至4中任一項所述的用于確定渦輪氣泵的泵轉(zhuǎn)子 的疲勞的方法，其特征在于，在恒定的時間間隔(」門內(nèi)進行所述轉(zhuǎn) 子轉(zhuǎn)速(w)的測定。
6. 如權(quán)利要求1至5中任一項所述的用于確定渦輪氣泵的泵轉(zhuǎn)子 的疲勞的方法，其特征在于，通過至少二次冪，尤其優(yōu)選三次冪的多項 式確定所述成對疲勞值(1)
7. 如權(quán)利要求1至6中任一項所述的用于確定渦輪氣泵的泵轉(zhuǎn)子 的疲勞的方法，其特征在于，只要所迷總疲勞值(A。,)超過總疲勞極 限值(￡waJ就輸出疲 勞信號。
8. 如權(quán)利要求1至7中任一項所述的用于確定渦輪氣泵的泵轉(zhuǎn)子 的疲勞的方法，其特征在于，從所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(w)和轉(zhuǎn)子溫度中連續(xù)地測定蠕動疲勞值并且將蠕動疲勞值連續(xù)地累加在所述總疲勞值(ZtoJ 中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于確定渦輪氣泵的泵轉(zhuǎn)子的疲勞的方法，具有如下步驟連續(xù)地測定泵轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(n)；測定所考慮的隨時間變化的轉(zhuǎn)速曲線的局部的轉(zhuǎn)速最大值和最小值；將轉(zhuǎn)速最大值和最小值相互關(guān)聯(lián)以形成對；測定用于每個轉(zhuǎn)速對的成對疲勞值(L)；將所有成對疲勞值(L)累加為總疲勞值(L_tot)。以這種方式可以測定用于真空泵的泵轉(zhuǎn)子的周期應(yīng)力并且也將其計入總疲勞值的計算中。
文檔編號F04D27/02GK101622457SQ200880006005
公開日2010年1月6日 申請日期2008年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月24日
發(fā)明者托馬斯·帕爾滕, 曼弗雷德·基弗, 米夏埃爾·弗羅伊茨海姆, 羅蘭·布盧門塔爾, 迪特爾·博里 申請人:厄利孔萊博爾德真空技術(shù)有限責任公司