ВакОборуд_ЛабРаб6_бланк (Бланки лабораторных работ)

Е.А. Деулин, М.С. БасмановМетодические указания к лабораторной работе по курсу«Основы вакуумной техники»Вибрационная диагностика турбомолекулярных вакуумных насосов (ТМН)ВведениеТурбомолекулярный насос является примером дорогостоящего механизма, наиболее ненадежным узлом которого, является подшипниковый узел, накотором базируется ротор насоса со встроенным высокочастотным электродвигателем.

Диагностика таких механизмов, с целью предсказания отказов, на сегодняшний момент, актуальна во всем мире. На кафедре МТ-11 МГТУ им.Н.Э.Баумана под руководством проф., д.т.н. Деулина Е.А. была разработанауникальная методика определения текущего состояния подшипникового узланасоса.В результате выполнения лабораторной работы студенты приобретут навыки работы с высоковакуумными системами, включающих ТМН, навыки работы по сбору информации при помощи АЦП, научатся анализировать полученные результаты эксперимента.Цель лабораторной работы – ознакомить студентов с принципом работытурбомолекулярного вакуумного насоса (ТМН), с работой вакуумных систем,включающих в состав турбомолекулярный вакуумный насос, методикой сбораи записи информации при помощи аналогово-цифрового преобразователя(АЦП), алгоритмом обработки диагностической информации.Описание лабораторного стендаЛабораторный стенд представляет собой высоковакуумную установку (см.

рис.1), включающую форвакуумный насос 1, турбомолекулярныйнасос ТМН 01АБ1500-004 поз.2, натекатель 3, ионизационный датчик давления4, датчик вибрации 5, оптический датчик частоты вращения ротора 9, сигналы сдатчиков вибрации, давления и частоты вращения поступают на блок нормали1зации 8. Далее нормализованные сигналы поступают на аналого-цифровой преобразователь АЦП поз. 7, который входит в состав персонального компьютера6. Давление в форвакуумной части стенда измеряют при помощи термопарногодатчика давления 10.Рис.1. Схема лабораторного стенда для проведения вибродиагностики ТМН: 1- насос форвакуумный, 2- ТМН, 3- натекатель, 4- преобразователь ионизационный, 5- датчик вибрации, 6- персональный компьютер, 7АЦП, 8- блок нормализации, 9- датчик частоты вращения ротора ТМН, 10термопарный преобразователь.Описание турбомолекулярного вакуумного насоса ТМН01АБ-1500-004Насос предназначен для получения глубокого вакуума в закрытых объемах и для откачки из этих объемов воздуха и других неагрессивных газов, несодержащих механических частиц и не воздействующих на масло, применяемое для смазки подшипников качения и на материалы, из которых изготовленнасос.2Для охлаждения подшипниковых узлов и электродвигателя в насос должна подаваться вода питьевая или техническая под давлением 2⋅105 - 4 ⋅105 Па (24 кгс/см2) с температурой не выше 303 К (30°С).Основные характеристики ТМН 01АБ-1500-004Предельное остаточное давление, создаваемое насосом после прогреваизмерительного устройства при выпускном давлении 6,6 Па не более 6,6⋅10-7Па.Быстрота откачки насоса по воздуху в диапазоне давлений 1,33⋅10-2 -1,33⋅10-4 Па не менее 720 л/с.Время разгона насоса до 18600 об/мин не более 20 мин.Максимальная частота вращения ротора в установившемся режиме не более 22300 об/мин.Наработка на отказ не менее 1000 ч.Средний ресурс 10000 ч.Устройство и работа ТМН 01АБ-1500-004Чертеж насоса представлен на рисунке 2.В основе работы насоса лежит принцип перемещения молекул газа из откачиваемого объема через проточную часть к выпускному патрубку, и далее вфорвакуумную систему вследствие вращения ротора 2, окружная скорость которого соизмерима со скоростью теплового движения молекул.

Направленноедвижение молекул сообщается при помощи статорных дисков 11, расположенных между ступенями ротора.Лопатки роторного и статорного набора расположены зеркально по отношению друг к другу. Ротор насоса получает вращение от высокочастотногоасинхронного электродвигателя 1.Переменное напряжение с частотой 400 Гц. подается от источника питания на обмотки встроенного асинхронного двигателя 1. Вращающееся магнитное поле приводит в движение «беличью клетку» 5, выполненную заодно с валом 6.

Вал базируется на радиально-упорных подшипниках качения 33, закрепленных с натягом в корпусе электродвигателя 13. Для водяного охлажденияэлектродвигателя предусмотрен металлический змеевик 8.3Ротор насоса 2, производящий сверхвысоковакуумную откачку, соединенс валом электродвигателя посредством посадки на конус и закреплен болтом29. С целью препятствия попадания паров масла и остаточных газов в высоковакуумную область откачки, установлена крышка15.К нижней части вала присоединена масленка 9.

Вал имеет осевой каналчерез который масло, под действием центробежной силы, поднимается из масленки, через маслозаборник 10, до верхнего подшипникового узла и омываетэлементы подшипника. Пройдя через верхний подшипник, масло попадает наконусный буртик вала и отбрасывается центробежной силой на внутреннююповерхность охлаждаемого водой корпуса статора электродвигателя 13. После,охлажденное масло вновь попадает в масленку.Для предотвращения перетекания молекул откачиваемого газа из форвакуумной части насоса в высоковакуумную через зазоры между постановочными кольцами, статорный набор уплотнен по отношению к корпусу двумя кольцами круглого сечения из термостойкой вакуумной резины.Для предотвращения попадания инородных частиц в проточную часть насоса на выходной горловине ставиться защитная сетка.Наиболее ненадежным узлом насоса является подшипниковый узел 33, накотором базируется вертикально расположенный ротор 2 с встроенным асинхронным электродвигателем 13.Система диагностики включает датчик вибрации 39, который позволяетизмерять уровень вибрации корпуса вблизи описанного подшипникового узла.Полученный сигнал подвергают Фурье-преобразованию, в результате чего получают спектральную характеристику состояния диагностируемого механизмана текущий момент времени.45Рис.

2.Устройство ТМН 01АБ-1500-004Характерные частоты контактированияДля того, чтобы выделить из полученного спектра характерные частоты,отвечающие за состояние диагностируемого шарикоподшипника – частотыконтактирования, необходимо заранее их рассчитать. Частоты контактирования- частоты, на которых происходит контакт отдельных элементов используемого подшипника.Процесс работы шарикоподшипника, нагруженного осевой силой, сопровождается «разбеганием» шариков, в результате чего сепаратор эпизодическиоказывается зажатым между шариками. Поэтому значение амплитуды вибрационного спектра на частоте контактирования шарик-сепаратор является коррелированной с износом величиной.Кроме того, частоты контактирования колец подшипника с шарикамитакже определяют скорость износа (питтинг) подшипниковых колец.Данная система диагностики предполагает периодический мониторингамплитуд вибрационного спектра на характерных частотах.Рассмотрим схематическую модель радиально-упорного однорядногошарикоподшипника, показанную на рис.3.Рис.

3. Схематическая модель радиально-упорного однорядного шарикоподшипника. 1- Шарик, 2- Наружное кольцо, 3- Сепаратор, 4- Внутреннеекольцо;no- базовая частота вращения,z – количество шариков.6Частота перекатывания шариков по наружному кольцу (международноеобозначение - BPFO) будет равна:zdBPFO = n0 ⋅ ⋅ (1 − B cos α )2d0Частота перекатывания шариков по внутреннему кольцу (международноеобозначение - BPFI) будет равна:zdBPFI = n0 ⋅ ⋅ (1 + B cos α )2d0Частота вращения шарика вокруг своей оси (международное обозначениеBSF) будет равна:BSF =n0 d 0 d B⋅( +cos 2 α )2 d B d0Частота вращения сепаратора (международное обозначение FTF) будетравна:FTF =n0d⋅ (1 + B cos α )2d0Частоты BPFO, BPFI показывают наличие дефектов на дорожках качениянаружного и внутреннего колец шарикоподшипника соответственно.Частота BSF показывает повреждения на теле качения – шарике.Частота BSF-FTF показывает повреждения сепаратора шарикоподшипника.Частота BPFO-BPFI показывает повреждение колец шарикоподшипника.Характеристика виброаккустического преобразователяВиброаккустический преобразователь – это прибор, позволяющий преобразовать вибрацию какой либо детали в ЭДС.

Существует несколько типовпреобразователей вибрации. В данной работе используется пьезоелектрическийпреобразователь растяжения-сжатия типа АНС-014 (рис.4).7а)б)Рис.4. Схема крепления датчиков на корпусе ТМН. а) Общая схема насосас датчиками, б) Схема крепления вибродатчика (осевой вибрации): 1- КорпусТМН; 2- Датчик радиальных вибраций; 3- Разъем для подключения к ТМН блока питания ТМН; 4- Датчик радиальных вибраций; 5- Масленка ТМН;6- Оптический датчик частоты вращения ротора; 7- Выходной патрубок ТМН;8- Крепежный элемент; 9- Входной патрубок ТМН; 10- Корпус датчика; 11- Ограничительная гайка; 12- Инерционный элемент; 13- Пьезокерамический элемент; 14- Основание датчика; 15- Выходной разъем датчика; 16- Крепежнаяшпилька; 17- Электрический вывод пьезокерамического элемента.Работает датчик следующим образом (см.

рис. 4б). Вибрация с корпусанасоса 1 передается на массу датчика вибрации 12, далее под действием вибрации, инерционный элемент деформирует пьезокерамическую пару 13, котораявырабатывает ЭДС пропорциональную вибрационным ускорениям (виброударам) корпуса ТМН. Далее ЭДС через электрический вывод 17 попадает навыходной разъем датчика 15 и далее на блок нормализации и АЦП компьютера.Характеристика аналогово-цифрового преобразователя АЦП Ла-1.5PCI-14АЦП представляет собой плату сбора информации, сопрягаемую с персональным компьютером, позволяющей оцифровывать поступающий на нее аналоговый сигнал с заданной частотой - частотой дискретизации, и записывать8полученные данные в память компьютера. В данной лабораторной работе съемданных будет осуществляться при помощи платы АЦП Ла-1,5PCI-14.Рассмотрим основные характеристики АЦП Ла-70М4:- Количество каналов для сбора информации: 16 дифференциальных или 32 однополюсных;- Максимальная частота дискретизации/минимальный период опроса (времяпреобразования): 400 кГц/ 2,5 мкс;- Разрядность каналов сбора информации: 14 бит;- Диапазоны входного сигнала ±10…± 0,05 В (индивидуально программируемый на каждый канал);- Защита по напряжению ±15 В- и др.АЦП является одним из наиболее важных приборов при проведении научных экспериментов.