低溫泵現(xiàn)場(chǎng)使用可靠性評(píng)價(jià)及維修保障方法

閆 琦，黃小凱，張立海，劉守文

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所；2. 航天機(jī)電產(chǎn)品環(huán)境可靠性試驗(yàn)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：北京 100094）

低溫泵現(xiàn)場(chǎng)使用可靠性評(píng)價(jià)及維修保障方法

閆 琦1,2，黃小凱1,2，張立海1,2，劉守文1,2

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所；2. 航天機(jī)電產(chǎn)品環(huán)境可靠性試驗(yàn)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：北京 100094）

結(jié)合北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所現(xiàn)有低溫泵使用情況，建立低溫泵任務(wù)可靠性模型，開展低溫泵 FMEA。對(duì) 2009年—2015年的低溫泵故障數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和整理，采用直方圖法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)故障率和MTBF估計(jì)，評(píng)估低溫泵現(xiàn)場(chǎng)使用可靠性水平；又通過基于P-P理論的壽命分布假設(shè)檢驗(yàn)方法，獲得低溫泵現(xiàn)場(chǎng)使用壽命分布特征。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)可靠性分析結(jié)果并結(jié)合多年維修保障經(jīng)驗(yàn)，給出了低溫泵使用過程中常見故障的維修保證流程及方法，有助于后續(xù)真空熱試驗(yàn)的連續(xù)實(shí)施。

低溫泵；現(xiàn)場(chǎng)故障；故障率；可靠性；維修保障

0 引言

低溫泵是空間環(huán)境模擬的重要設(shè)備[1]，其冷頭及氦壓縮機(jī)的故障發(fā)生頻率較高，會(huì)導(dǎo)致低溫泵抽氣能力下降、低溫異常噪聲等，嚴(yán)重影響低溫泵的正常使用[2]。近年來，隨著對(duì)低溫泵的試驗(yàn)研究及使用經(jīng)驗(yàn)積累，國(guó)內(nèi)逐漸掌握了低溫泵的運(yùn)行規(guī)律及關(guān)鍵部件維護(hù)保養(yǎng)措施，使其可靠性得到大幅提升[3-4]。

本文搜集和整理了北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所多年來的低溫泵故障數(shù)據(jù)，開展了可靠性的分析和評(píng)價(jià)，為更加合理地制定低溫泵維修保障策略提供參考。

1 低溫泵工作原理及故障特性

1.1 工作原理

低溫泵作為高真空泵，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

低溫泵通常采用兩級(jí)吉福特-邁克馬洪（G-M）循環(huán)制冷原理，其氦壓縮機(jī)將來自于冷頭的低壓低溫氦氣壓縮至高壓高溫后，經(jīng)過換熱器、油氣分離器及吸附器的過濾，變成高壓常溫的純凈氦氣進(jìn)入冷頭（同時(shí)控制電路完成各環(huán)節(jié)監(jiān)視及閥門控制），通過電機(jī)或配氣盤驅(qū)動(dòng)活塞作用，在冷頭的一、二級(jí)氣缸內(nèi)絕熱膨脹制冷，使高壓常溫氦氣變成低壓低溫后再返回壓縮機(jī)，如此反復(fù)循環(huán)，逐漸降低一、二級(jí)冷頭溫度，實(shí)現(xiàn)氣體及水蒸氣在冷屏表面上的冷凝及吸附效應(yīng)[5]?；诘蜏乇霉ぷ髟恚芯康玫狡淙蝿?wù)可靠性框圖如圖2所示。

根據(jù)任務(wù)可靠性框圖，得到低溫泵可靠性模型：R=R氦壓縮機(jī)R氦管R缸體R冷頭=R閥門1R閥門2R控制器R壓縮機(jī)×R換熱器R油氣分離器R吸附器R低壓氦管R高壓氦管R活塞驅(qū)動(dòng)R活塞×R一級(jí)冷頭R二級(jí)冷頭R冷屏×(R一級(jí)密封R二級(jí)密封)/(R一級(jí)密封+R二級(jí)密封)，式中：Rx表示設(shè)備x的可靠度，x代表模型中低溫泵、氦壓縮機(jī)、氦管、缸體等組件。

1.2 故障模式及原因分析

以低溫泵為初始約定層次，進(jìn)行故障模式及影響分析（FMEA）[6]，得到低溫泵在使用過程中可能故障模式及原因如表1所示。

表1 低溫泵常見故障模式及原因分析Table 1 Common failure mode of cryopump and cause-effect analysis

表1（續(xù)）

2 低溫泵現(xiàn)場(chǎng)使用可靠性計(jì)算

2.1 現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)收集與整理

系統(tǒng)梳理和整理了北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所部組件真空熱試驗(yàn)43臺(tái)低溫泵在2006年—2015年間的故障數(shù)據(jù)，如表2所示。

部組件真空熱試驗(yàn)低溫泵在各年份的使用臺(tái)數(shù)如表3所示。

表2 2006年—2015年低溫泵故障數(shù)據(jù)Table 2 Cryopump failure data from the year 2006 to 2015

表3低溫泵各年份使用臺(tái)數(shù)Table 3 The number of cryopumps used in recent years臺(tái)

2.2 現(xiàn)場(chǎng)故障率及MTBF估算

1）故障率及MTBF估算

采用直方圖法對(duì)表2和表3中數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，估算低溫泵的現(xiàn)場(chǎng)故障率及平均故障間隔時(shí)間（MTBF），統(tǒng)計(jì)時(shí)間從2006年1月開始，計(jì)算公式為[7]：

式中：λ(ti)為 ti時(shí)刻低溫泵的故障率；MTBF(ti)為ti時(shí)刻低溫泵的平均故障間隔時(shí)間；Nf(Δti)是在時(shí)間間隔Δti內(nèi)故障樣本的數(shù)目；Ns(Δti-1)是在時(shí)間間隔Δti前存活的低溫泵數(shù)量；Δti為時(shí)間區(qū)間(ti-1, ti)的長(zhǎng)度。計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4低溫泵現(xiàn)場(chǎng)故障率及累積故障率計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculated cryopump field failure rate and accumulative failure rate

根據(jù)表4，可得低溫泵現(xiàn)場(chǎng)故障率隨使用年份的變化規(guī)律如圖3所示。

從圖3中可以看出，低溫泵現(xiàn)場(chǎng)故障率呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢(shì)，且德國(guó)萊寶公司設(shè)備的故障率較美國(guó)CVI公司的高。

2）可靠度估算

在ti時(shí)間低溫泵的可靠度R(ti)計(jì)算公式為

從而可得低溫泵現(xiàn)場(chǎng)使用可靠度的計(jì)算結(jié)果（表5）。

表5 低溫泵現(xiàn)場(chǎng)使用可靠度Table 5 Cryopump field reliability value

根據(jù)表 5可得低溫泵現(xiàn)場(chǎng)使用可靠度隨使用年份的變化規(guī)律，如圖4所示。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)壽命分布檢驗(yàn)

采用P-P圖檢驗(yàn)法對(duì)表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行壽命分布檢驗(yàn)。

壽命分布檢驗(yàn)（P-P圖）的原理如下[8]：設(shè)總體X的分布函數(shù)為F(x)，X1, X2,…, Xn為來自于總體X的簡(jiǎn)單隨機(jī)樣本，即X1, X2,…, Xn獨(dú)立同分布，且與總體 X的分布相同。其順序統(tǒng)計(jì)量為 X(1)≤X(2)≤…≤X(n)。設(shè)樣本的觀察值為x1, x2,…, xn，順序統(tǒng)計(jì)量的觀察值為x(1)≤x(2)≤…≤x(n)，則總體X的經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)為[9]

對(duì)于經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)有Fn(x)=#{X1, X2, …, Xn≤x}/n，其中#代表計(jì)算測(cè)度：

式中：I{A}表示為示性函數(shù)，即當(dāng)x∈A時(shí)，I{A}=1，否則 I{A}=0；I{A}=0 容易看出；I{Xi≤x}，i=1, 2,…,n為獨(dú)立同分布的隨機(jī)變量序列，且均服從2點(diǎn)分布B(1, F(x))。由大數(shù)定律可知Fn(x)a.x.→F(x)。

根據(jù)上述理論，對(duì)于統(tǒng)計(jì)假設(shè)H0：X～F(x)成立時(shí)，下列點(diǎn)

應(yīng)當(dāng)在直角平面坐標(biāo)系中y=x的直線上，由上述中點(diǎn)所作的散點(diǎn)圖成為P-P圖。依次對(duì)正態(tài)分布、威布爾分布、指數(shù)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布檢驗(yàn)的P值和Anderson-Darling值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，檢驗(yàn)原則為：①分布檢驗(yàn) P值均大于 0.05時(shí)接收分布假設(shè)檢驗(yàn)；②Anderson-Darling統(tǒng)計(jì)量越小，則分布假設(shè)越佳。

根據(jù)上述原則，低溫泵基于現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)的最佳壽命分布為正態(tài)分布，即AD對(duì)數(shù)正態(tài)0.440＜AD威布爾0.481＜AD指數(shù)0.574＜AD正態(tài)0.625，LN（3.74, 0.9157），單位為月，可得MTBF為66.54月，如圖5所示。

3 低溫泵常見故障的維修保障措施

通過對(duì)低溫泵的故障規(guī)律及可靠性水平進(jìn)行深入分析，可知壓縮機(jī)出油、噪聲、不能冷卻、再生失敗等故障模式是低溫泵的常見故障，且MTBF一般大于 5年，因此其維修頻率及工作量需結(jié)合MTBF值緊密開展。結(jié)合低溫泵多年的返廠修復(fù)記錄及現(xiàn)場(chǎng)維修保障處理經(jīng)驗(yàn)，得到低溫泵常見故障的分析流程如圖6～圖9所示。

如圖6所示，低溫泵在運(yùn)行的過程中出現(xiàn)壓縮機(jī)、冷頭噪聲或冷頭溫度無法降低或不穩(wěn)定，初步判斷可能是壓縮機(jī)出油，這時(shí)首先應(yīng)對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行出油測(cè)試：如果判斷結(jié)果為壓縮機(jī)出油，則進(jìn)一步考慮過濾器使用壽命是否到期；如果未到期，進(jìn)一步檢查單向閥和回油毛細(xì)管。如果單向閥和毛細(xì)管均無問題，則很有可能是油霧分離器故障，需要對(duì)分離器進(jìn)行更換或拆卸維修。

如圖7所示，若低溫泵噪聲只在低溫狀態(tài)下出現(xiàn)，則極有可能是低溫泵氦氣受到污染，需要檢查壓縮機(jī)是否出油；若壓縮機(jī)并未出油，則可初步判斷氦氣不純，需要對(duì)氦氣進(jìn)行純化處理。低溫泵噪聲在低溫和常溫狀態(tài)下都有可能出現(xiàn)，原因主要有兩個(gè)方面：一方面可能由于低溫泵系統(tǒng)的電源設(shè)置故障，需要檢查低溫泵系統(tǒng)的設(shè)置，確定壓縮機(jī)/控制器所需的電壓同為三相或二相。檢查低溫泵冷頭的輸入電壓，如果不正確，則檢查壓縮機(jī)的輸出電壓，因?yàn)榈蜏乇美漕^的電源是由壓縮機(jī)提供的。如果壓縮機(jī)的輸出電壓不正確，需要檢查壓縮機(jī)的輸出電壓是否正確，以及壓縮機(jī)的電源系統(tǒng)是否有故障。如果在壓縮機(jī)和低溫泵之間裝有50 Hz變60 Hz的變頻控制器或三相電源變二相電源的相位控制器，檢查這些控制器是否有故障。檢查所有電源連接線是否正常。另一方面可能由于低溫泵冷頭內(nèi)部出現(xiàn)零件破損故障，比如防撞圈破損等。

如圖8所示，低溫泵在運(yùn)行時(shí)，冷頭溫度無法降低。如果冷頭出現(xiàn)噪聲，可初步判斷氦氣不純或壓縮機(jī)出油，需對(duì)氦氣進(jìn)行純化處理和測(cè)油；如果沒有噪聲，需檢查氦氣壓力和冷頭溫度設(shè)定值；若檢查上述結(jié)果均正常，則可能由于氦管連接不到位，導(dǎo)致氦氣無法流通；在檢查過氦氣管連接正常后，則很有可能是低溫泵系統(tǒng)泄漏，需進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢漏。

如圖9所示，低溫泵再生失敗，檢查低溫泵控制系統(tǒng)設(shè)定的參數(shù)是否正確，如不正確，重新設(shè)定，重啟系統(tǒng)。檢查低溫泵開始再生后是否能在20 min內(nèi)升溫到310 K，如果不能，首先可能由于吹除氣體（氮?dú)猓毫Σ蛔慊虼禋忾y故障等造成的吹氣故障，其次可能由于粗抽裝置和加熱裝置故障。若上述問題均未檢出，則也有可能是由于低溫泵泄漏。

4 總結(jié)與分析

本文通過對(duì)低溫泵進(jìn)行FMEA，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)使用數(shù)據(jù)平臺(tái)，掌握了低溫泵常見故障機(jī)理及現(xiàn)場(chǎng)使用可靠性水平，并在此基礎(chǔ)上歸納出保證可靠穩(wěn)定運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)和口訣：

1）低溫泵主要失效形式為壓縮機(jī)出油、噪聲、不能冷卻、再生失敗，其原因?yàn)楸们患袄漕^油污染；

2）低溫泵MTBF一般大于5年，能為維修保障頻率的制定提供借鑒；

3）拆裝活塞及一二級(jí)密封環(huán)經(jīng)驗(yàn)技巧：一泄二拆三清潔，四套五塞六充氦；

4）拆裝低溫泵泵體經(jīng)驗(yàn)技巧：銦片壓實(shí)導(dǎo)熱好，屏殼同軸很重要；炭層粘貼講技巧，多余檢查要記牢。

（References）

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（編輯：馮露漪）

Cryopump field reliability assessment and maintenance support method

YAN Qi1,2, HUANG Xiaokai1,2, ZHANG Lihai1,2, LIU Shouwen1,2
(1. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering;2. Beijing Key Laboratory of Environment & Reliability Test Technology for Aerospace Mechanical & Electrical Products: Beijing 100094, China)

Based on the conditions of the cryopump application in Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, this paper establishes reliability models for cryopump tasks, and carries out the FMEA on the cryopumps. Upon collection and organization of the failure data of the cryopumps during the year 2009 to 2015, an estimation is given of the field failure rate and the MTBF in the form of histogram, and the reliability level of the cryopump in field use is assessed. In addition, based on the P-P theory of the lifetime distribution hypothesis, the lifetime distribution characteristics of the cryopumps are obtained. Based on the field reliability analysis and in light of the maintenance support experiences over the years, we provide relevant processes and methods for the maintenance of common failures of cryopumps in their subsequent use to ensure the continuous implementation of the thermal vacuum test.

cryopump; field failure; failure rate; reliability; maintenance support

V37

：B

：1673-1379(2017)03-0336-07

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.03.019

閆 琦（1986—），男，高級(jí)工，從事真空熱試驗(yàn)研究；E-mail: 13466576942@163.com。通信作者：黃小凱（1986—），男，博士學(xué)位，從事單機(jī)環(huán)境與可靠性試驗(yàn)研究；E-mail: huangxiaokai511@126.com。

2016-05-18；

2017-06-07

閆琦，黃小凱，張立海, 等. 低溫泵現(xiàn)場(chǎng)使用可靠性評(píng)價(jià)及維修保障方法[J]. 航天器環(huán)境工程, 2017, 34(3)：336-342

YAN Q, HUANG X K, ZHANG L H, et al. Cryopump field reliability assessment and maintenance support method[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(3)： 336-342