專利名稱：一種磁懸浮分子泵徑向保護軸承檢測裝置及方法
技術領域：
本發明涉及真空獲得設備技術領域，特別是一種磁懸浮分子泵徑向保護軸承檢測裝置及方法。
背景技術：
磁懸浮分子泵是一種采用磁軸承作為轉子支承的分子泵，它利用磁軸承將轉子穩定地懸浮在空中，使轉子在高速工作過程中與定子之間沒有機械接觸，具有無機械磨損、能耗低、允許轉速高、噪聲低、壽命長、無需潤滑等優點，目前磁懸浮分子泵廣泛地應用于高真空度、高潔凈度真空環境的獲得等領域中。磁懸浮分子泵的內部結構如圖1所示，所述磁懸浮分子泵的轉子包括轉子軸7和與所述轉子軸7固定連接的葉輪I。所述葉輪I固定安裝在所述轉子軸7的上部；所述轉子軸7的中部依次間隔地套設有第一徑向保護軸承4、第一徑向位移傳感器5、第一徑向磁軸承6、電機8、第二徑向磁軸承9、第二徑向位移傳感器10和第二徑向保護軸承11等。其中，徑向保護軸承(所述第一徑向保護軸承4和所述第二徑向保護軸承11)的內徑小于徑向磁軸承(所述第一徑向磁軸承6和所述第二徑向磁軸承9)的內徑。該結構中，所述轉子軸7分別與第一徑向位移傳感器轉子，第一徑向磁軸承轉子，電機轉子，第二徑向磁軸承轉子，第二徑向位移傳感器轉子等固定連接。所述磁懸浮分子泵還配置有控制其運轉的控制器2，在磁懸浮分子泵工作過程中，所述控制器2控制所述電機8驅動轉子高速轉動。且所述控制器2根據徑向位移傳感器(所述第一徑向位移傳感器5和所述第二徑向位移傳感器10)的輸出信號運算分析得出轉子的徑向位移，進而驅動相應的徑向磁軸承輸出電磁力對轉子的徑向運動進行控制，轉子在徑向磁軸承輸出的電磁力的支承作用下，可以穩定懸浮于目標位置，不會與磁懸浮分子泵的其他部件接觸。如果在磁懸浮分子泵運行過程中由于所述控制器2故障、外界擾動及其他故障導致磁軸承無法正常工作，其輸出的電磁力無法保持轉子穩定懸浮于目標位置，則高速旋轉的轉子會立即失穩跌落，跌落的轉子會與磁懸浮分子泵內其他部件發生碰撞，造成碎泵或者轉軸、磁軸承等部件損壞的惡性事故。設置徑向保護軸承的目的就在于:當轉子失穩跌落時，由于徑向保護軸承的內徑小于徑向磁軸承定子的內徑，失穩的轉子會直接跌落在徑向保護軸承上而不會與磁懸浮分子泵內其他部件接觸，高速旋轉的轉子在徑向保護軸承上繼續旋轉，在旋轉過程中轉速會逐漸下降直到速度為零，由此實現對轉子、徑向磁軸承等部件起到保護作用。為了實現上述目的，徑向保護軸承一般采用抗沖擊性能極強的高速軸承。由于跌落的高速旋轉的轉子與徑向保護軸承碰撞時能量極大，對徑向保護軸承的損傷程度不可預測，承受沖擊后的徑向保護軸承是否處于有效狀態，是否可以繼續正常工作也不得而知。生產保護軸承的廠商一般也只承諾保護軸承可以承受幾次轉子全速跌落，在達到規定次數之后，就需要對保護軸承進行更換。由于磁懸浮分子泵用的保護軸承價格昂貴，如果轉子跌落的次數沒有超過廠商承諾的可承受的失穩跌落次數，不會對徑向保護軸承進行更換。如果轉子跌落次數還未達到廠商承諾的可承受轉子失穩跌落次數，但是徑向保護軸承可能已有嚴重的損傷，如未進行更換，當轉子再次發生失穩跌落的情況時，極有可能會得不到保護軸承的有效保護而與其他部件發生接觸或者碰撞，出現轉子葉輪損壞、磁軸承損壞等不良后果。因此需要一種能夠在轉子失穩跌落后對保護軸承損傷程度進行檢測的方法。現有專利文獻EP2365310 Al公開了一種通過沖擊響應獲取軸承狀態信息的方法，但是其針對的是普通的滾珠軸承，其主要進行的是能夠在早期檢測到影響軸承長期運行安全和壽命的因素，其中進行的“極早階段檢測損傷”的過程及分析方法非常復雜。而徑向保護軸承由于其工作方式的特殊性決定了其故障特征和滾珠軸承通常使用方法時的故障特征存在明顯的差異。主要是因為磁懸浮分子泵在工作過程中，轉子與徑向保護軸承內圈之間有一定間隙(一般為0.1mm左右)，而轉子在運轉時是處于高速旋轉的狀態的，高速旋轉的轉子在失穩跌落后極有可能會對徑向保護軸承內圈造成很大程度的磨損。在磁懸浮分子泵應用中，保護軸承僅能提供有限次數的全速跌落保護，因此對于徑向保護軸承來說，主要關心的是徑向保護軸承的生命周期之中，轉子的跌落對其造成的磨損是否已經對下次跌落保護的有效性造成了威脅，即再一次出現轉子失穩跌落的情況時，徑向保護軸承能否承受住轉子的沖擊，能否發揮保護效果。而上述技術方案中的普通滾珠軸承是不存在這一問題的，因此其也就不會對這一損傷進行檢測。另一方面，上述技術方案中所采用的算法過于復雜，而如果每次在轉子跌落之后都采用上述技術方案進行徑向保護軸承的檢測，由于其復雜的檢測分析方法勢必會導致檢測效率的降低，影響效率。
發明內容
本發明要解決的技術問題是現有技術中沒有既簡單又準確的對磁懸浮分子泵中保護軸承是否有效進行檢測的方法，可能導致使用的徑向保護軸承無法在轉子失穩跌落時對轉子進行有效保護，進而提供一種能夠對磁懸浮分子泵中的徑向保護軸承進行檢測的裝置及方法。為解決上述技術問題，本發明是通過以下技術方案實現的:一種磁懸浮分子泵徑向保護軸承檢測裝置，包括:模擬轉子，由絕緣材料制備，裝入磁懸浮分子泵中，其轉動時能帶動徑向保護軸承內圈轉動；導電部件，與所述徑向保護軸承內圈連接；電容表包括兩個接線端子，其中第一接線端子與所述導電部件連接，第二接線端子與所述泵體連接；所述電容表測量所述徑向保護軸承內圈與所述泵體之間的電容值。所述模擬轉子為圓柱體，所述模擬轉子與所述徑向保護軸承內圈為過渡配合。所述模擬轉子為中空結構，且在所述模擬轉子上開設一通孔；所述導電部件一端與第一徑向保護軸承內圈或第二徑向保護軸承內圈連接，另一端連接導線，所述導線穿過所述通孔進入中空結構后延伸至所述圓柱體之外。所述模擬轉子為中空結構，且在所述模擬轉子上靠近兩個底面的兩端分別開設第一通孔和第二通孔；
所述導電部件為兩個，其中一個導電部件一端與第一徑向保護軸承內圈連接，另一端連接導線，所述導線穿過第一通孔進入中空結構后延伸至所述模擬轉子之外；另一個導電部件一端與第二徑向保護軸承內圈連接，另一端連接導線，所述導線穿過第二通孔進入中空結構后延伸至所述模擬轉子之外。所述導電部件通過固定件固定于所述模擬轉子的內壁上。本發明還提供一種磁懸浮分子泵徑向保護軸承檢測方法，包括如下步驟:S1.在磁懸浮分子泵出廠前，將轉子從磁懸浮分子泵中抽出，插入所述模擬轉子，電容表的一個接線端子通過導電部件與所述徑向保護軸承內圈連接，另一個接線端子直接與泵體連接；S2.轉動所述模擬轉子，帶動徑向保護軸承內圈相對于外圈轉動數周，記錄所述電容表測量的所述徑向保護軸承內圈與所述泵體之間電容值的極大值Cmax或極小值Cmin作為基準存儲于控制器中的存儲介質中；S3.若所述磁懸浮分子泵在使用過程中，出現轉子失穩跌落的情況，則在下一次控制所述轉子起浮之前，進行如下檢測步驟:S3-1.按照所述步驟SI的方式將所述模擬轉子、導電部件和電容表連接；S3-2.轉動所述模擬轉子，帶動所述徑向保護軸承內圈相對于外圈轉動一周，記錄所述電容表測量的所述徑向保護軸承內圈與所述泵體之間電容值的極大值c’max/極小值C’
min S3-3.獲取所述極大值C’ _與所述基準極大值Cmax的極大值的比例關系C1=C _/Cmax ;或者所述極小值c’min與所述基準極小值Cmin的極小值的比例關系c2=c’min/cmin;若所述極大值的比例關系C1或所述極小值的比例關系C2超出閾值，則判定所述徑向保護軸承失效；否則所述徑向保護軸承有效。所述步驟S3-2中，所述閾值為1.4。所述步驟S3-1之前，還包括如下步驟:S301:記錄所述徑向保護軸承的可承受失穩跌落次數；S302:記錄磁懸浮分子泵運行過程中所述轉子失穩跌落的次數；S303:比較所述轉子失穩跌落的次數是否小于可承受失穩跌落次數，若所述轉子失穩跌落的次數小于所述的可承受失穩跌落次數則進入所述步驟S3-1 ;否則直接判定所述徑向保護軸承失效。本發明的上述技術方案相比現有技術具有以下優點:(I)本發明涉及一種磁懸浮分子泵徑向保護軸承檢測裝置及方法，采用本發明提出檢測裝置及方法，只需要采用結構簡單的檢測設備而且具有準確的檢測結果，采用較低的成本可以有效的避免由于徑向保護軸承失效引起的惡性事故及相關經濟損失。(2)本發明涉及一種磁懸浮分子泵徑向保護軸承檢測裝置及方法，若轉子失穩跌落的次數在廠商給出的可承受失穩跌落次數之內則在轉子下一次起浮之前進行檢測，如果轉子失穩跌落的次數已經達到徑向保護軸承可承受失穩跌落的次數，則可以直接判定徑向保護軸承失效，需要對徑向保護軸承進行更換，既可以避免錯誤更換保護軸承帶來的成本增加，也可以避免不及時更換保護軸承引發的惡性事故。
為了使本發明的內容更容易被清楚的理解，下面結合附圖，對本發明作進一步詳細的說明，其中，圖1是本發明所述磁懸浮分子泵的結構示意圖；圖2是本發明所述一個實施例的模擬轉子的結構示意圖；圖3是本發明所述另一實施例的模擬轉子的結構示意圖；圖4是本發明所述徑向保護軸承檢測方法的流程圖。 圖中附圖標記表示為:1-葉輪，2-控制器，3-泵體，4-第一徑向保護軸承，5-第一徑向傳感器，6-第一徑向磁軸承，7-轉子軸，8-電機，9-第二徑向磁軸承，10-第二徑向傳感器，11-第二徑向保護軸承，12-軸向保護軸承，13-第一軸向磁軸承，14-推力盤，15-第二軸向磁軸承，16-軸向傳感器，17-接線端子，18-位移檢測裝置，19-轉速檢測裝置，20-模擬轉子，21-保護軸承內圈，22-導電部件，23-固定件。
具體實施例方式實施例一本實施例提供一種磁懸浮分子泵徑向保護軸承檢測裝置，如圖2和圖3所示。檢測裝置包括由絕緣材料制備而成的模擬轉子20，將所述模擬轉子20裝入磁懸浮分子泵中，其轉動時能帶動徑向保護軸承內圈21轉動，所述徑向保護軸承內圈即第一徑向保護軸承4和第二徑向保護軸承11的內圈；所述檢測裝置還包括與所述徑向保護軸承內圈21連接的導電部件22 ;所述檢測裝置還包括電容表，其兩個接線端子中的第一接線端子與所述導電部件22連接，第二接線端子與所述泵體3連接；顯然所述電容表的第一接線端子與所述徑向保護軸承內圈之間通過所述導電部件22連接，因此所述電容表能夠測量所述徑向保護軸承內圈21與所述泵體3之間的電容值。如圖2所示，本實施例中的所述模擬轉子20為圓柱體，所述模擬轉子與所述徑向保護軸承內圈21為過渡配合。所述模擬轉子20為中空結構，且在所述模擬轉子20上靠近兩個底面的兩端分別開設第一通孔和第二通孔；所述導電部件22為兩個，其中一個導電部件一端與第一徑向保護軸承4內圈連接，另一端連接導線，導線穿過第一通孔進入中空結構后延伸至所述模擬轉子20之外；另一個導電部件一端與第二徑向保護軸承11內圈連接，另一端連接導線，導線穿過第二通孔進入中空結構后延伸至所述模擬轉子之外。作為優選的實施方式，所述導電部件22通過固定件23固定于所述模擬轉子的內壁上。其中所述固定件23可以選擇鉚釘、螺釘等。而本實施例中的所述模擬轉子20設置為中空結構也是為了保證將導線引至所述模擬轉子20之外與所述電容表相連時提供一通路。本實施例還提供利用上述裝置進行磁懸浮分子泵徑向保護軸承檢測方法，如圖4所示，包括如下步驟:S1.在磁懸浮分子泵出廠前，將轉子從磁懸浮分子泵中抽出，插入所述模擬轉子，電容表的一個接線端子通過導電部件22與所述徑向保護軸承內圈21連接，另一個接線端子直接與泵體3連接；S2.轉動所述模擬轉子20，帶動徑向保護軸承內圈相對于外圈轉動數周，記錄所述電容表測量的所述徑向保護軸承內圈與所述泵體3之間電容值的極大值Cmax和極小值Cmin作為基準存儲于控制器2中的存儲介質中；由于徑向保護軸承外圈與所述泵體3之間設置有導電的其他部件，而徑向保護軸承內圈和外圈之間的滾珠為陶瓷材質的絕緣體，因此當利用所述電容表測量所述徑向保護軸承內圈和所述泵體3之間的電容值時，即測量了所述徑向保護軸承內圈和外圈之間的電容值；而作為本領域技術人員所公知的，電容值的計算公式為:C= ε S/4 Ji kd，其中ε為相對介電常數，S為兩極板的正對面積；k為靜電力常量；d為兩極板間的距離；根據上述公式可以得出，徑向保護軸承內圈和外圈之間的電容值的大小與正對面積和距離有關，而通常正對面積是不會發生改變的，當轉子失穩跌落后主要會影響到保護軸承內圈和外圈之間的距離d。一旦失穩跌落的轉子給徑向保護軸承內圈或者徑向保護軸承的滾珠帶來較大損傷，例如滾珠磨損或者滾 道磨損，會直接導致徑向保護軸承內圈與外圈之間的距離發生變化，徑向保護軸承內外圈之間的電容波動會變大，通過檢測徑向保護軸承內外圈之間電容波動即可確定徑向保護軸承工作狀態是否正常。S3.若所述磁懸浮分子泵在使用過程中，出現轉子失穩跌落的情況，則在下一次控制所述轉子起浮之前，進行如下檢測步驟:S3-1.按照所述步驟SI的方式將所述模擬轉子20、導電部件22和電容表連接；對于圖2中所述的模擬轉子20，其包括兩個所述導電部件22，在安裝時可以將一端的所述導電部件22先拆下，將模擬轉子裝入磁懸浮分子泵內之后，在從另一端將所述導電部件22安裝上，在安裝完成后兩個所述導電部件22恰好與所述第一徑向保護軸承內圈和所述第二徑向保護軸承內圈相接觸；如圖2所示，所述導電部件22的另一端均連接有導線，兩端的導線分別穿過所述第一通孔和所述第二通孔后進入中空結構延伸至所述模擬轉子之外；采用電容表一個接線端子與所述泵體3連接，另一個接線端子分別接不同的導線時可以實現測量第一徑向保護軸承內圈與外圈之間的電容值或者第二徑向保護軸承內圈與外圈之間的電容值；S3-2.轉動所述模擬轉子，帶動所述徑向保護軸承內圈相對于外圈轉動一周，記錄所述電容表測量的所述徑向保護軸承內圈與所述泵體3之間電容值的極大值C’max/極小值C，■.w mm，S3-3.獲取所述極大值CJnax與所述基準極大值Cmax的極大值的比例關系C1=CLx / CmaxC1= e ■ I Cmat ；或者所述極小值c’min與所述基準極小值Cfflln的極小值的比
例關系c2=c’min/cmin;若所述極大值的比例關系C1或所述極小值的比例關系C2超出閾值，則判定所述徑向保護軸承失效；否則所述徑向保護軸承有效。在實際操作過程中，選擇所述極大值的比例關系或者極小值的比例關系作為檢測的基礎都能夠獲得準確的結果。而所述閾值的選擇可以根據試驗來選擇，作為優選的實施方式，在本實施例中選擇所述閾值為1.4。另外，由于每一磁懸浮分子泵在出廠前，廠家都會給出所述徑向保護軸承的可承受失穩跌落次數，因此本實施例中的檢測方法中，所述步驟S3-1之前還包括如下步驟:S301:記錄所述徑向保護軸承的可承受失穩跌落次數；S302:記錄磁懸浮分子泵運行過程中所述轉子失穩跌落的次數；S303:比較所述轉子失穩跌落的次數是否小于可承受失穩跌落次數，若所述轉子失穩跌落的次數小于所述的可承受失穩跌落次數則進入所述步驟S3 ;否則直接判定所述徑向保護軸承失效。即當轉子失穩跌落的次數已經超過所述徑向保護軸承可承受的范圍了，便可以直接宣告所述徑向保護軸承失效從而進行更換了。實施例二本實施例與實施例一相比，區別在于所述模擬轉子20只能夠測量第一徑向保護軸承或者第二徑向保護軸承的內圈與外圈之間的電容值，因此本實施例中的所述模擬轉子只需要一端開設一通孔，如圖3所示。所述導電部件22—端與第一徑向保護軸承內圈或第二徑向保護軸承內圈連接，另一端連接導線，導線穿過所述通孔進入中空結構后延伸至所述模擬轉子20之外。采用本實施例中提供的所述檢測裝置，其結構比實施例一中的檢測裝置簡單一些，只是實施例一中的檢測裝置可以在不拆卸所述模擬轉子20的情況下檢測兩個徑向保護軸承內圈與外圈之間的電容值；而本實施例中所述模擬轉子20，每次只能夠測量某一徑向保護軸承內圈與外圈之間的電容值。顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明創造的保護范圍之中。
權利要求
1.一種磁懸浮分子泵徑向保護軸承檢測裝置，其特征在于，包括: 模擬轉子(20)，由絕緣材料制備，裝入磁懸浮分子泵中，其轉動時能帶動徑向保護軸承內圈(21)轉動； 導電部件(22 )，與所述徑向保護軸承內圈(21)連接； 電容表包括兩個接線端子，其中第一接線端子與所述導電部件(22)連接，第二接線端子與所述泵體(3)連接；所述電容表測量所述徑向保護軸承內圈(21)與所述泵體(3)之間的電容值。
2.根據權利要求1所述的磁懸浮分子泵徑向保護軸承檢測裝置，其特征在于: 所述模擬轉子(20)為圓柱體，所述模擬轉子與所述徑向保護軸承內圈(21)為過渡配合。
3.根據權利要求2所述的磁懸浮分子泵徑向保護軸承檢測裝置，其特征在于: 所述模擬轉子為中空結構，且在所述模擬轉子上開設一通孔； 所述導電部件(22)—端與第一徑向保護軸承內圈或第二徑向保護軸承內圈連接，另一端連接導線，所述導線穿過所述通孔進入中空結構后延伸至所述圓柱體之外。
4.根據權利要求2所述的磁懸浮分子泵徑向保護軸承檢測裝置，其特征在于: 所述模擬轉子為中空結構，且在所述模擬轉子上靠近兩個底面的兩端分別開設第一通孔和第二通孔； 所述導電部件(22)為兩個，其中一個導電部件一端與第一徑向保護軸承內圈連接，另一端連接導線，所述導線穿過第一通孔進入中空結構后延伸至所述模擬轉子之外；另一個導電部件一端與第二徑向保護軸承內圈連接，另一端連接導線，所述導線穿過第二通孔進入中空結構后延伸至所述模擬轉子之外。
5.根據權利要求3或4所述的磁懸浮分子泵徑向保護軸承檢測裝置，其特征在于: 所述導電部件(22)通過固定件(23)固定于所述模擬轉子的內壁上。
6.一種磁懸浮分子泵徑向保護軸承檢測方法，其特征在于，包括如下步驟: S1.在磁懸浮分子泵出廠前，將轉子從磁懸浮分子泵中抽出，插入所述模擬轉子，電容表的一個接線端子通過導電部件(22)與所述徑向保護軸承內圈(21)連接，另一個接線端子直接與泵體(3)連接； S2.轉動所述模擬轉子(20)，帶動徑向保護軸承內圈相對于外圈轉動數周，記錄所述電容表測量的所述徑向保護軸承內圈與所述泵體(3)之間電容值的極大值Cmax或極小值Cmin作為基準存儲于控制器(2)中的存儲介質中； S3.若所述磁懸浮分子泵在使用過程中，出現轉子失穩跌落的情況，則在下一次控制所述轉子起浮之前，進行如下檢測步驟: S3-1.按照所述步驟SI的方式將所述模擬轉子、導電部件和電容表連接； S3-2.轉動所述模擬轉子，帶動所述徑向保護軸承內圈相對于外圈轉動數周，記錄所述電容表測量的所述徑向保護軸承內圈與所述泵體(3)之間電容值的極大值C’max/極小值C’min; S3-3.獲取所述極大值C’ max與所述基準極大值Cmax的極大值的比例關系C1=C max/Cmax ；或者所述極小值c’min與所述基準極小值Cmin的極小值的比例關系c2=c’min/cmin;若所述極大值的比例關系C1或所述極小值的比例關系C2超出閾值，則判定所述徑向保護軸承失效；否則所述徑向保護軸承有效。
7.根據權利要求6所述的磁懸浮分子泵徑向保護軸承的測方法，其特征在于:所述步驟S3-2中，所述閾值為1.4。
8.根據權利要求6或7所述的磁懸浮分子泵徑向保護軸承的檢測方法，其特征在于: 所述步驟S3-1之前，還包括如下步驟: 5301:記錄所述徑向保護軸承的可承受失穩跌落次數； 5302:記錄磁懸浮分子泵運行過程中所述轉子失穩跌落的次數； 5303:比較所述轉子失穩跌落的次數是否小于可承受失穩跌落次數，若所述轉子失穩跌落的次數小于所述的可承受失穩跌落次數則進入所述步驟S3-1 ;否則直接判定所述徑向保護軸承失效。
全文摘要
本發明涉及一種磁懸浮分子泵徑向保護軸承檢測裝置及方法，其中裝置包括模擬轉子，由絕緣材料制備，裝入磁懸浮分子泵中，其轉動時能帶動徑向保護軸承內圈轉動；導電部件，與所述徑向保護軸承內圈連接；電容表包括兩個接線端子，其中第一接線端子與所述導電部件連接，第二接線端子與所述泵體連接；所述電容表測量所述徑向保護軸承內圈與所述泵體之間的電容值。通過本發明提供的裝置測量徑向保護軸承內圈和泵體之間的電容變化情況即可以有效獲得保護軸承的當前狀態信息，避免保護軸承失效造成的惡性事故。本發明提出的磁懸浮分子泵檢測方法，檢測效率高、成本低，可以有效的避免由于保護軸承失效引起的惡性事故及相關經濟損失。
文檔編號G01M13/04GK103196671SQ20131006623
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月1日 優先權日2013年3月1日
發明者張剴, 武涵, 李奇志, 張小章, 鄒蒙 申請人:北京中科科儀股份有限公司, 清華大學
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