CN101622457B - 用于确定涡轮气泵的泵转子的疲劳的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定涡轮气泵的泵转子的疲劳的方法，具有如下步骤：连续地测定泵转子的转子转速(n)；测定所考虑的随时间变化的转速曲线的局部的转速最大值和最小值；将转速最大值和最小值相互关联以形成对；测定用于每个转速对的成对疲劳值(L)；将所有成对疲劳值(L)累加为总疲劳值(L_tot)。以这种方式可以测定用于真空泵的泵转子的周期应力并且也将其计入总疲劳值的计算中。

Description

用于确定涡轮气泵的泵转子的疲劳的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定快速旋转的涡轮气泵的泵转子的疲劳的方法。

背景技术

涡轮气泵并且尤其是涡轮分子泵以每分钟10,000至100,000转的相对高的转速运转。由于高的离心力、温度影响等使气泵的泵转子遭受机械疲劳。尤其是在涡轮气泵中在泵转子和泵定子之间设有窄的间隙，以便获得尽可能高的泵输出功率。在一定的时间后，由于泵转子的疲劳导致泵转子的故障或导致在泵转子和泵定子之间的碰撞。为了避免这些，在预期的碰撞时间点以前更换泵转子。

这能够设有在时间上恒定的维护周期，预定在一定的时间或一定的运行持续时间后进行泵转子的维护或更换。

从DE 101 51 682 A1中已知一种方法，在所述方法中，从泵转子的绝对转速和温度计算出动态的维护周期。因此检测所谓的泵转子蠕变应力并且在动态的维护周期计算中考虑到该蠕变应力。研究表明，单独以这种方式在一定的运行条件下不能够足够精确地确定符合实际需要的动态的维护周期。

发明内容

因此本发明的目的是，提供一种用于确定泵转子的疲劳的方法，所述方法对于所有实际发生的运行条件尽可能接近真实地确定泵转子的疲劳。

根据本发明该目的借助本发明得以实现。

根据本发明的用于确定涡轮气泵的转子疲劳的方法设有如下步骤：

·连续地测定泵转子的转子转速(n)；

·测定所考虑的随时间变化的转速曲线的局部的转速最大值和最小值；

·将转速最大值和最小值相互关联以形成对；

·测定用于每个转速对的成对疲劳值(L)；

·将所有成对疲劳值(L)累加为总疲劳值(L_tot)。

试验表明，除了可能的蠕变应力，显著地在快速旋转的金属部件的寿命或疲劳中独立地包括所谓的周期应力。只是当附加地检测周期应力时，在确定泵转子的机械疲劳中尤其能够实际地包括在泵转子上的断裂的危险。

在应力明显低于金属材料的所谓的抗拉强度R_m的情况下，周期应力已经出现，并且在表明开始宏观塑性变形的屈服点R_e的下面，周期应力也经常出现。周期应力的原因在于，有关的材料的微观结构与周期应力加载相互作用。在屈服点的下面也能够在材料中出现微观的微塑性变形。这一方面能够在部件中局部的应力集中的地方发生，但是也能够在较软的结构区域内出现，例如在沉淀硬化的材料中。但是也能够在各个晶粒的区域内出现微观变形，所述各个晶粒在结晶学上相对于加载方向有利地定向，使得在这里能够局部地发生滑动并且因此发生塑性变形。当这个滑动凸出于部件表面时，发生微观的阶梯形成，也称之为侵入和挤出。这些形成导致局部应力过载的缺口。然后在这些地方，在进一步的周期应力过程中能够出现裂纹，所述裂纹通过周期应力进一步变大，直至在这个地方使部件变弱，使得出现部件断裂。

为了检测和估计周期应力，需要考虑泵转子的转子转速和检测转速周期的终止或结束。在本文中，转速周期可理解为如下时间间隔，在所述时间间隔开始和结束时泵转子的加速度符号变化，即泵转子加速度的随时间变化的曲线具有零交点。转速周期最好从随时间变化的加速度曲线的零交点持续至下一个零交点。或者转速周期能够理解为如下时间间隔，所述时间间隔以正加速度的起始开始并且以紧接着的负加速度的终止结束。

为了能够测定泵转子的所谓的周期应力，连续地测定泵转子的转子转速(n)。以这种方式建立随时间变化的转速曲线，为此测定相应的局部的转速最大值和转速最小值。转速最大值和转速最小值分别为转速极值，在达到所述极值后加速度的符号变化。因此在达到转速最大值后转速降低，然而在达到转速最小值后转速提高。所考虑的时间间隔能够为从最大值持续到最小值或从最小值持续到最大值的单独的周期；能够为从泵转子起动持续到泵转子停止；能够为确定的时间间隔或最大值和最小值的确定的数量。

为了考虑时间间隔，将转速最大值和最小值相互关联以形成对。为了将转速最大值和最小值相互关联用于产生最大值/最小值对能够使用不同的规则和算法。

从每个转速最大值/最小值对中测定成对疲劳值L。最后将所有成对疲劳值L累加为总疲劳值L_tot。

为了使转速曲线完整，首先根据确定的规则确定所有转速对，计算每个转速对的疲劳值并且将计算出的疲劳值累加为总疲劳值。以这种方式测定的总疲劳值也表示在所考虑的时间间隔内的由于泵转子的周期应力而产生的总疲劳。以这种方式提供了计算维护周期的可能性，在所述维护周期的计算中也包括泵转子的周期应力。因此以高的安全性并且很精确地确定维护周期，使得能够一方面避免疲劳导致的损坏并且另一方面避免用于测定维护周期的大的安全限度。

最好在磨损值L的测定中包括相应的转速对的特征机械应力。转速对的特征应力例如能够是两个机械应力的算术平均值，所述两个机械应力通过在所考虑的部件内的离心力在转速的最大值/最小值对的两个转速附近出现。以这种方式转速水平和转速摆幅也包括在磨损值的测定中。

最好在恒定的时间间隔内测定转子转速。因此在该情况下转子转速的连续的测定也可理解为在恒定的不连续的时间间隔内的测定。时间间隔能够为一秒或几秒。因为例如涡轮气泵的转速不能够不断地变化并且尤其不能够非常快地变化，所以时间间隔通常是足够的。通过引入用于测定转子转速的适当的时间间隔减轻负责测定的计算机硬件的工作负荷。

根据本发明的优选的实施形式，通过至少二次幂，尤其优选三次幂的多项式确定成对疲劳值。从而能够计算出接近真实的疲劳值，所述疲劳值足够精确地表明出现的应力。但是可替代的，当可容忍一定程度的增高的误差时，也能够较简单地测定成对疲劳值。

最好是只要总疲劳值超过总疲劳极限值就输出疲劳信号。例如能够如此选择总疲劳极限值，使得直到维护周期结束仍旧保留备份，以便能够预先在几天或几周前准备维护。显然能够设有多个总疲劳极限值，所述总疲劳极限值在维护周期临近结束时引起不同的警告。

附图说明

下面参考附图详细阐述本发明的实施例。附图示出：

图1示出与相应的转速对应的应力幅值σ_a和直至破坏的周期数之间的关系的曲线图(韦勒曲线图，-Diagramm)；

图2示出与相对于转速的σ_a和另外的特征应力参数相关联的转速周期和应力循环之间的关系的示意图；以及

图3示出例如涡轮气泵的可能的周期的运转过程，表明在时间t上的转速n用于限定不同的参数。

具体实施方式

在涡轮气泵运转时并且尤其是在涡轮分子泵运转时，由于高的转速和因此高的离心力，尤其是在泵转子的区域内出现应力形式的高的径向的机械负载。由于在泵定子和泵转子之间的尽可能小的间隙，泵转子的相对小的机械变化就会引起泵转子和泵定子之间的碰撞。

除了纯粹的转速和转子温度的影响外，所述影响在DE 101 51 682A1中被说明并且描述为所谓的蠕动应力，在泵转子的机械疲劳中还包括所谓的周期应力。试验表明，一方面由于蠕变的材料疲劳和另一方面由于所谓的周期应力的材料疲劳，在实际上通常的应力和温度的负载区域内是相互独立的。在考虑到部件的总疲劳的情况下，蠕变应力和周期应力的在时间上的连续不是十分重要的，因此在测定两个应力后能够将它们相加。

在图1中示出在纵坐标上的应力幅值σ_a和在横坐标上的直至破坏的相应的转速周期数之间的关系。由此可看出，对于σ_a具有极限值，在所述极限值以下直至断裂的可承受的周期数趋于无限。通过泵转子的材料、形状、质量等定义转速和应力之间的关系，使得能够用两个值中的一个进行计算。在下文中，示范地使用机械应力用于测定疲劳。

为了更好的理下面的算法，在图2中示例地示出与作为时间t的函数的泵转子转速n和相应的应力σ有关的周期曲线。

对于涡轮气泵的每个周期变化，通过实验测定用于不同的负载的根据图1的曲线或完整的曲线簇。从这些曲线中确定多项式的常数因子，借助所述多项式对于每个周期变化能够根据图2确定直至破坏总共将出现多少相同的周期：

$\log \left(N_{\mathrm{tot}}\right)={\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\β}}_1\·{\mathrm{\σ}}_m+{\mathrm{\β}}_2\·{\mathrm{\σ}}_m^2+{\mathrm{\β}}_3\·{\mathrm{\σ}}_m^3+{\mathrm{\γ}}_1\·{\mathrm{\σ}}_a+{\mathrm{\γ}}_2\·{\mathrm{\σ}}_a^2+{\mathrm{\γ}}_3\·{\mathrm{\σ}}_a^3$

其中

N_tot＝直至破坏的相同的周期数(应力摆幅)

σ_a＝σ_h-σ_m＝σ_m-σ_l＝应力摆幅/2＝应力范围

根据从实验中测定的三个一组的值N_tot、σ_m、σ_a，通过内插法，例如通过离差平方和的方法确定系数β₁-β₃和γ₁-γ₃以及α₀。

如可看出，在有关机械应力的计算中包括平均应力σ_m和应力摆幅σ_a·2。

在图3中示范地示出实践中的随时间变化的转速曲线。在恒定的时间间隔Δt内连续地测定转子转速n。显然Δt能够比在目前情况下所示的显著地短，以便实现更密集的转速测定并且由此获得随时间变化的转速曲线的更精确的图。在低于例如10Hz的最小转速或最小转动频率后进行疲劳测定。

只要加速度的符号变化，就将刚好经过的转速最大值或转速最小值作为局部最大值或最小值存储。如果被存储的转速为局部最大值，那么将其存储在最大值存储器中。如果被存储的转速为局部最小值，那么将其存储在最小值存储器中。在该示例中，以这种方式在点B、D、F、H上确定最大值并且在点A、C、E、G上确定最小值。

为了检测周期应力，没有形成在时间上接近的最大值/最小值对，而是通过被观测的时间间隔形成极值对。第一对由最小的转速最小值和最大的转速最大值组成，即在当前情况下由A和D组成。第二对由余下的极值G、F组成，第三对由C和B的值组成等等。这个过程本身就建立为有效的方法。

因此按照时间顺序表示为最小值并且由于形成值对而必须作为最大值使用的转速值不是真正的最大值，并且在总的计值中忽略不计。这同样适用于非真实的最小值。在当前的情况下这适用于E、H对。

用于疲劳测定所考虑的时间间隔能够为全部的运转周期，即从上次打开气泵持续到随后关闭气泵。但是所考虑的时间间隔也能够是全部的泵寿命。实际上，所考虑的时间间隔通过可供使用的计算机和存储器容量限定。在考虑整个过去的泵寿命的情况下，每次完整地重新计算出总的累加的磨损值。

对于每对最大值-最小值-转速，借助求解N_tot的公式测定一对疲劳值L，根据如下公式：

L_i＝1/N_tot

然后从疲劳值对L的总和中获得总疲劳值L_tot。

L_tot＝∑1/N_toti＝∑L_i

此外，在这里能够加上不断累加的蠕动疲劳值。累加的周期疲劳值L_tot或组合的蠕动/周期疲劳值能够连续地与总疲劳值极限值L_max比较。因为在极限值L_max＝1.0时可预料到故障，所以极限值L_max小于1.0。只要总疲劳值L_tot超过极限值L_max，那么就输出相应的疲劳信号。

Claims (9)

1.一种用于确定涡轮气泵的泵转子的疲劳的方法，具有如下步骤：

·连续地测定泵转子的转子转速(n)；

·测定所考虑的随时间变化的转速曲线的局部的转速最大值和最小值；

·将转速最大值和最小值相互关联以形成对；

·测定用于每个转速对的成对疲劳值(L)；

·将所有成对疲劳值(L)累加为总疲劳值(L_tot)。

2.如权利要求1所述的用于确定涡轮气泵的泵转子的疲劳的方法，其特征在于，在所述成对疲劳值(L)的测定中包括转速对的至少一个特征应力。

3.如权利要求2所述的用于确定涡轮气泵的泵转子的疲劳的方法，其特征在于，特征应力为相应的转速对的平均应力。

4.如权利要求1至3中任一项所述的用于确定涡轮气泵的泵转子的疲劳的方法，其特征在于，局部的转速最大值和最小值分别为转子加速度的随时间变化的曲线的零交点。

5.如权利要求1所述的用于确定涡轮气泵的泵转子的疲劳的方法，其特征在于，在恒定的时间间隔(Δt)内进行所述转子转速(n)的测定。

6.如权利要求1所述的用于确定涡轮气泵的泵转子的疲劳的方法，其特征在于，通过至少二次幂的多项式确定所述成对疲劳值(L)。

7.如权利要求1所述的用于确定涡轮气泵的泵转子的疲劳的方法，其特征在于，通过至少三次幂的多项式确定所述成对疲劳值(L)。

8.如权利要求1所述的用于确定涡轮气泵的泵转子的疲劳的方法，其特征在于，只要所述总疲劳值(L_tot)超过总疲劳极限值(L_max)就输出疲劳信号。

9.如权利要求1所述的用于确定涡轮气泵的泵转子的疲劳的方法，其特征在于，从所述转子转速(n)连续地测定蠕动疲劳值并且将蠕动疲劳值连续地累加在所述总疲劳值(L_tot)中。

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