CN103196672B - 一种磁悬浮分子泵径向保护轴承检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮分子泵径向保护轴承检测方法，在磁悬浮分子泵出厂前进行如下操作：转子未悬浮的情况下，控制转子加速到20HZ~40HZ在径向保护轴承上旋转，将径向位移频谱中主频幅值的极大值A_max和极小值A_min作为基准存储于控制器中的存储介质中。使用磁悬浮分子泵过程中，若出现转子失稳跌落情况，重新启动前，进行如下检测：转子未悬浮的情况下，控制转子加速到20HZ~40HZ，监测转子位移频谱中的主频幅值，若主频幅值波动较大，且主频幅值的极大值A′_max（极小值A′_min）超过基准极大值A_max（基准极小值A_min）的1.4倍，则说明径向保护轴承已经临近失效，需要立即更换径向保护轴承。该方法可以有效检测径向保护轴承运行状态，提醒用户及时更换径向保护轴承，防止出现恶性事故。

Description

一种磁悬浮分子泵径向保护轴承检测方法

技术领域

本发明涉及流体设备领域，是一种磁悬浮分子泵径向保护轴承检测方法，该方法可以有效检测径向保护轴承是否失效避免恶性事故发生。

背景技术

磁悬浮分子泵是一种采用磁轴承作为转子支承的分子泵，它利用磁轴承将转子稳定地悬浮在空中，使转子在高速工作过程中与定子之间没有机械接触，具有无机械磨损、能耗低、允许转速高、噪声低、寿命长、无需润滑等优点，目前磁悬浮分子泵广泛地应用于高真空度、高洁净度真空环境的获得等领域中。

磁悬浮分子泵的内部结构如图1所示，所述磁悬浮分子泵的转子包括转子轴7和与所述转子轴7固定连接的叶轮1。所述叶轮1固定安装在所述转子轴7的上部；所述转子轴7的中部依次间隔地套设有第一径向保护轴承4、第一径向位移传感器5、第一径向磁轴承6、电机8、第二径向磁轴承9、第二径向位移传感器10和第二径向保护轴承11等。其中，径向保护轴承（所述第一径向保护轴承4和所述第二径向保护轴承11）的内径小于径向磁轴承（所述第一径向磁轴承6和所述第二径向磁轴承9）的内径。该结构中，所述转子轴7分别与第一径向位移传感器转子，第一径向磁轴承转子，电机转子，第二径向磁轴承转子，第二径向位移传感器转子等固定连接。

所述磁悬浮分子泵还配置有控制其运转的控制器2，在磁悬浮分子泵工作过程中，所述控制器2控制所述电机8驱动转子高速转动。且所述控制器2根据径向位移传感器（所述第一径向位移传感器5和所述第二径向位移传感器10）的输出信号运算分析得出转子的径向位移，进而驱动相应的径向磁轴承输出电磁力对转子的径向运动进行控制,转子在径向磁轴承输出的电磁力的支承作用下，可以稳定悬浮于目标位置，不会与磁悬浮分子泵的其他部件接触。

如果在磁悬浮分子泵运行过程中由于所述控制器2故障、外界扰动及其他故障导致磁轴承无法正常工作，其输出的电磁力无法保持转子稳定悬浮于目标位置，则高速旋转的转子会立即失稳跌落，跌落的转子会与磁悬浮分子泵内其他部件发生碰撞，造成碎泵或者转轴、磁轴承等部件损坏等恶性事故。设置径向保护轴承的目的就在于：当转子失稳跌落时，由于径向保护轴承的内径小于径向磁轴承定子的内径，失稳的转子会直接跌落在径向保护轴承上而不会与磁悬浮分子泵内其他部件接触，高速旋转的转子在径向保护轴承上继续旋转，在旋转过程中转速会逐渐下降直到速度为零，由此实现对转子、径向磁轴承等部件起到保护作用。

为了实现上述目的，径向保护轴承一般采用抗冲击性能极强的高速轴承。由于跌落的高速旋转的转子与径向保护轴承碰撞时能量极大，对径向保护轴承的损伤程度不可预测，承受冲击后的径向保护轴承是否处于有效状态，是否可以继续正常工作也不得而知。生产保护轴承的厂商一般也只承诺保护轴承可以承受几次转子全速跌落，在达到规定次数之后，就需要对保护轴承进行更换。由于磁悬浮分子泵用的保护轴承价格昂贵，如果转子跌落的次数没有超过厂商承诺的可承受的失稳跌落次数，不会对径向保护轴承进行更换。如果转子跌落次数还未达到厂商承诺的可承受转子失稳跌落次数，但是径向保护轴承可能已有严重的损伤，如未进行更换，当转子再次发生失稳跌落的情况时，极有可能会得不到保护轴承的有效保护而与其他部件发生接触或者碰撞，出现转子叶轮损坏、磁轴承损坏等不良后果。因此需要一种能够在转子失稳跌落后对保护轴承损伤程度进行检测的方法。

现有专利文献EP2365310A1公开了一种通过冲击响应获取轴承状态信息的方法，但是其针对的是普通的滚珠轴承，其主要进行的是能够在早期检测到影响轴承长期运行安全和寿命的因素，其中进行的“极早阶段检测损伤”的过程及分析方法非常复杂。

而径向保护轴承由于其工作方式的特殊性决定了其故障特征和滚珠轴承通常使用方法时的故障特征存在明显的差异。主要是因为磁悬浮分子泵在工作过程中，转子与径向保护轴承内圈之间有一定间隙（一般为0.1mm左右），而转子在运转时是处于高速旋转的状态的，高速旋转的转子在失稳跌落后极有可能会对径向保护轴承内圈造成很大程度的磨损。在磁悬浮分子泵应用中，保护轴承仅能提供有限次数的全速跌落保护，因此对于径向保护轴承来说，主要关心的是径向保护轴承的生命周期之中，转子的跌落对其造成的磨损是否已经对下次跌落保护的有效性造成了威胁，即再一次出现转子失稳跌落的情况时，径向保护轴承能否承受住转子的冲击，能否发挥保护效果。而上述技术方案中的普通滚珠轴承是不存在这一问题的，因此其也就不会对这一损伤进行检测。

另一方面，上述技术方案中所采用的算法过于复杂，而如果每次在转子跌落之后都采用上述技术方案进行径向保护轴承的检测，由于其复杂的检测分析方法势必会导致检测效率的降低，影响效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有技术中没有既简单又准确的对磁悬浮分子泵中保护轴承是否有效进行检测的方法，可能导致使用的径向保护轴承无法在转子失稳跌落时对转子进行有效保护，进而提供一种能够对磁悬浮分子泵中的径向保护轴承进行检测的方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种磁悬浮分子泵径向保护轴承检测方法，包括如下步骤：

S1：在所述径向保护轴承保持出厂原始状态时，控制所述转子以转速V旋转，所述转子在离心力的作用下与所述径向保护轴承内圈紧贴，控制器根据径向位移传感器检测到的径向位移获得所述转子的径向位移频谱，将所述径向位移频谱中主频幅值的极大值A_max和极小值A_min作为基准存储于所述控制器中的存储介质中；

S2：若所述磁悬浮分子泵在使用过程中，出现转子失稳跌落的情况，则在下一次控制所述转子起浮之前，进行如下检测步骤：

S2_1：控制所述转子以所述转速V旋转，所述转子在离心力的作用下与所述径向保护轴承内圈紧贴，所述控制器根据所述径向位移传感器检测到的所述转子的径向位移获得径向位移频谱，得到所述径向位移频谱中主频幅值的极大值A’_max和极小值A，_min；

S2_2：获取所述极大值A’_max与所述基准极大值A_max的极大值的比例关系C₁＝A’_max/A_max；或者所述极小值A’_min与所述基准极小值A_min的极小值的比例关系C₂=A’_min/A_min；若所述极大值的比例关系C₁或所述极小值的比例关系C₂超出阈值，则判定所述径向保护轴承失效；否则所述径向保护轴承有效。

所述步骤S2_2中，所述阈值为1.4。

所述转速V为20Hz-40Hz。

所述转速V为30Hz。

在所述步骤S2_1之前，还包括如下步骤：

S201：记录所述径向保护轴承的可承受失稳跌落次数；

S202：记录磁悬浮分子泵运行过程中所述转子失稳跌落的次数；

S203：比较所述转子失稳跌落的次数是否小于可承受失稳跌落次数：

若所述转子失稳跌落的次数小于所述的可承受失稳跌落次数则进入所述步骤S2_1；

否则直接判定所述径向保护轴承失效。

本发明的上述技术方案与现有技术相比至少具有以下有益效果：

（1）本发明的磁悬浮分子泵径向保护轴承检测方法，采用本发明提出检测方法，无需附加检测设备而且具有准确的检测结果，采用较低的成本可以有效的避免由于径向保护轴承失效引起的恶性事故及相关经济损失。

（2）本发明的磁悬浮分子泵径向保护轴承检测方法，若转子失稳跌落的次数在厂商给出的可承受失稳跌落次数之内则在转子下一次起浮之前进行检测，如果转子失稳跌落的次数已经达到径向保护轴承可承受失稳跌落的次数，则可以直接判定径向保护轴承失效，需要对径向保护轴承进行更换，既可以避免错误更换保护轴承带来的成本增加，也可以避免不及时更换保护轴承引发的恶性事故。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为磁悬浮分子泵的结构示意图；

图2为本发明所述径向保护轴承检测方法流程图。

图中附图标记表示为：1-叶轮，2-磁悬浮分子泵控制器，3-泵体，4-第一径向保护轴承，5-第一径向传感器，6-第一径向磁轴承，7-转子轴，8-电机，9-第二径向磁轴承，10-第二径向传感器，11-第二径向保护轴承，12-轴向保护轴承，13-第一轴向磁轴承，14-推力盘，15-第二轴向磁轴承，16-轴向传感器，17-接线端子，18-位移检测装置，19-转速检测装置。

具体实施方式

本实施例提供一种磁悬浮分子泵径向保护轴承检测方法，如图2所示，包括如下步骤：

S1：在所述径向保护轴承保持出厂原始状态时，控制所述转子以转速V旋转，所述转子在离心力的作用下与所述径向保护轴承内圈紧贴，控制器2根据径向位移传感器检测到的径向位移获得所述转子的径向位移频谱，将所述径向位移频谱中主频幅值的极大值A_max和极小值A_min作为基准存储于所述控制器2中的存储介质中；

本步骤中所述的保持出厂原始状态是指：所述径向保护轴承还没有受到过失稳跌落的转子的撞击，处于最为理想的状态。因此可以选择在磁悬浮分子泵出厂之前，进行此步骤。

由于本过程只是为了对径向保护轴承进行检测而进行的，因此在控制所述转子旋转速度时，不需要太高的转速，本实施例可以选择所述转速V为20Hz-40Hz之间即可，优选为30Hz。

转子位移频谱信号中，与转子转速频率相同的频率成分为主频成分，本步骤中所述主频幅值是指所述主频成分的幅值。

径向位移传感器在对转子位移进行检测时，可以检测到转子距离径向位移传感器中心的距离。转子紧贴径向保护轴承旋转时，如果径向保护轴承内壁很光滑，不存在凹陷或者凸起等，则转子距离径向保护轴承中心的距离应该是不变的，此时径向位移传感器检测到固定转速的转子位移的主频成分的幅值应该是稳定的常量。一旦径向保护轴承内壁存在明显的损伤例如凹陷或者凸起等，当转子旋转到凹陷/凸起所在的位置时，其与径向保护轴承中心的距离便会变大/变小，径向位移传感器检测到的转子位移的主频成分的幅值也相应变大/变小。因此完全可以通过径向位移传感器对所述转子位移的检测直接得到径向保护轴承的内壁是否有明显的损伤存在。

S2：若所述磁悬浮分子泵在使用过程中，出现转子失稳跌落的情况，则在下一次控制所述转子起浮之前，进行如下检测步骤：

S2_1：控制所述转子以所述转速V旋转，所述转子在离心力的作用下与所述径向保护轴承内圈紧贴，所述控制器2根据所述径向位移传感器检测到的所述转子的径向位移获得径向位移频谱，得到所述径向位移频谱中主频幅值的极大值A’_max和极小值A’_min；

S2_2：获取所述极大值A’_max与所述基准极大值A_max的极大值的比例关系C₁＝A’_max/A_max；或者所述极小值A’_min与所述基准极小值A_min的极小值的比例关系C₂=A’_min/A_min；若所述极大值的比例关系C₁或所述极小值的比例关系C₂超出阈值，则判定所述径向保护轴承失效；否则所述径向保护轴承有效。

在实际操作过程中，选择所述极大值的比例关系或者极小值的比例关系作为检测的基础能够获得准确的结果。而所述阈值的选择可以根据试验来选择，作为优选的实施方式，在本实施例中选择所述阈值为1.4。

本实施例中对径向保护轴承检测的方法，无需附加任何设备，只需要对转子旋转过程中的径向位移进行监控即可实现，既容易实施又能够获得准确的结果，能够及时发现径向保护轴承已经失效从而在第一时间进行更换，避免无谓的经济损失。

另外，由于每一磁悬浮分子泵在出厂前，厂家都会给出所述径向保护轴承的可承受失稳跌落次数，因此本实施例中的检测方法中，在所述步骤S2_1之前，还包括如下步骤：

S201：记录所述径向保护轴承的可承受失稳跌落次数；

S202：记录磁悬浮分子泵运行过程中所述转子失稳跌落的次数；

S203：比较所述转子失稳跌落的次数是否小于可承受失稳跌落次数：

若所述转子失稳跌落的次数小于所述的可承受失稳跌落次数则进入所述步骤S2_1；

否则直接判定所述径向保护轴承失效。即当转子失稳跌落的次数已经超过所述径向保护轴承可承受的范围了，便可以直接宣告所述径向保护轴承失效从而进行更换了。

虽然本发明已经通过具体实施方式对其进行了详细阐述，但是，本专业普通技术人员应该明白，在此基础上所做出的未超出权利要求保护范围的任何形式和细节的变化，均属于本发明所要保护的范围。

Claims (7)

1.一种磁悬浮分子泵径向保护轴承检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：在所述径向保护轴承保持出厂原始状态时，控制转子以转速V旋转，所述转子在离心力的作用下与所述径向保护轴承内圈紧贴，控制器(2)根据径向位移传感器检测到的径向位移获得所述转子的径向位移频谱，将所述径向位移频谱中主频幅值的极大值A_max和极小值A_min作为基准存储于所述控制器(2)中的存储介质中；

S2：若所述磁悬浮分子泵在使用过程中，出现转子失稳跌落的情况，则在下一次控制所述转子起浮之前，进行如下检测步骤：

S2_1：控制所述转子以所述转速V旋转，所述转子在离心力的作用下与所述径向保护轴承内圈紧贴，所述控制器(2)根据所述径向位移传感器检测到的所述转子的径向位移获得径向位移频谱，得到所述径向位移频谱中主频幅值的极大值A’_max和极小值A’_min；

S2_2：获取所述极大值A’_max与所述基准极大值A_max的极大值的比例关系C₁＝A’_max/A_max；或者所述极小值A’_min与所述基准极小值A_min的极小值的比例关系C₂＝A’_min/A_min；若所述极大值的比例关系C₁或所述极小值的比例关系C₂超出阈值，则判定所述径向保护轴承失效；否则所述径向保护轴承有效。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮分子泵径向保护轴承检测方法，其特征在于：

所述步骤S2_2中，所述阈值为1.4。

3.根据权利要求1或2所述的磁悬浮分子泵径向保护轴承检测方法，其特征在于：

所述转速V为20Hz-40Hz。

4.根据权利要求3所述的磁悬浮分子泵径向保护轴承检测方法，其特征在于：

所述转速V为30Hz。

5.根据权利要求1或2所述的磁悬浮分子泵径向保护轴承检测方法，其特征在于，在所述步骤S2_1之前，还包括如下步骤：

S201：记录所述径向保护轴承的可承受失稳跌落次数；

S202：记录磁悬浮分子泵运行过程中所述转子失稳跌落的次数；

S203：比较所述转子失稳跌落的次数是否小于可承受失稳跌落次数：

若所述转子失稳跌落的次数小于所述的可承受失稳跌落次数则进入所述步骤S2_1；

否则直接判定所述径向保护轴承失效。

6.根据权利要求3所述的磁悬浮分子泵径向保护轴承检测方法，其特征在于，在所述步骤S2_1之前，还包括如下步骤：

S201：记录所述径向保护轴承的可承受失稳跌落次数；

S202：记录磁悬浮分子泵运行过程中所述转子失稳跌落的次数；

S203：比较所述转子失稳跌落的次数是否小于可承受失稳跌落次数：

若所述转子失稳跌落的次数小于所述的可承受失稳跌落次数则进入所述步骤S2_1；

否则直接判定所述径向保护轴承失效。

7.根据权利要求4所述的磁悬浮分子泵径向保护轴承检测方法，其特征在于，在所述步骤S2_1之前，还包括如下步骤：

S201：记录所述径向保护轴承的可承受失稳跌落次数；

S202：记录磁悬浮分子泵运行过程中所述转子失稳跌落的次数；

S203：比较所述转子失稳跌落的次数是否小于可承受失稳跌落次数：

若所述转子失稳跌落的次数小于所述的可承受失稳跌落次数则进入所述步骤S2_1；

否则直接判定所述径向保护轴承失效。