автореферат диссертации по электронике, 05.27.07, диссертация на тему:Система диагностики механических элементов вакуумного оборудования

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА1.ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И НАДЕЖНОСТЬ СВВ ОБОРУДОВАНИЯ И

ЗАДАЧИ ЕГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

1.1 Анализ кинематики СВВ оборудования

1.1.1 Вакуумное технологическое оборудование

1.1.2 Вводы движения в вакуум

1.2. Анализ путей повышения производительности СВВ оборудования

1.2.1 Анализ влияния надежности на производительность вакуумного технологического оборудования

1.2.2 Производительность вакуумного технологического оборудования при использовании системы диагностики

1.3 Обзор методов контроля и диагностики узлов и механизмов

1.3.1 Обзор методов виброакустической диагностики

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ

ВАКУУМНЫХ МЕХАНИЗМОВ

2.1 Разработка методов анализа диагностических параметров

2.1 Методика расчета потока газовыделения по измеренному давлению

2.2 Методы оценки статистических параметров диагностических сигналов 61 2.2.1 Разработка программы частотного анализа и спектрального оценивания

2.3 Методы оценки текущего состояния вакуумных механизмов

2.4 Анализ и выбор методов прогнозирования для создания системы диагностики вакуумных механизмов

2.5 Теоретическое исследование амплитудно-частотной характеристики вакуумной системы

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОТРАБОТКА СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ

3.1 Описание экспериментального стенда

3.1.1 Технические характеристики экспериментального сверхвысоковакуумного стенда:

3.2. Методика проведения эксперимента по отработке системы диагностики

3.2.1 Исследование механизма на долговечность и измерение диагностических параметров

3.2.2 Алгоритм проведения эксперимента Последовательность измерения диагностических сигналов

3.2.3 Исследование кинетики изменения входного момента сопротивления ввода движения

3.2.4 Исследование кинетики вакуумных параметров ввода движения

3.3 Результаты экспериментальных исследований

Анализ результатов экспериментальных исследований

ГЛАВА 4 МЕТОДИКА СОЗДАНИЯ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ

4.1 Рекомендации по выбору диагностических признаков для диагностирования вакуумных механизмов.

4.1.1 Диагностика по параметру давление

4.1.2 Диагностика по параметру момент сопротивления

4.1.3 Диагностика по параметру вибрация

4.2 Рекомендации по выбору системы измерения, передачи и обработки информации

4.3 Рекомендации по разработке программного обеспечения системы диагностики

4.4 Бизнесс-план эффективности разработки и использования системы диагностики механических элементов вакуумного оборудования

Развитие науки и техники предъявляет все более высокие требования к технологическому обеспечению, как экспериментальных исследований, так и производства. Все более укорачивается цикл внедрения в производство последних достижений техники и технологии, что наиболее видно в сфере создания микропроцессоров. Ещё 2-3 года назад выпускались процессоры с минимальным размером элементов 0,35 мкм, а сейчас уже начинают выпускать процессоры с минимальным размером элементов 0,18 и планируется переход на технологию 0,13 мкм. Процессор фирмы Intel "Merced", планируемый к выпуску в середине 2000 года, должен содержать 14 млн. транзисторов и быть выполненным по технологии 0,18 мкм с размером кристалла 300 мм2. Производство современных изделий электронной техники включает в себя десятки технологических операций, производимых в вакуумных технологических установках, и длится от нескольких суток (ФЭП) до недель и месяцев (выращивание кристаллов). Это предъявляет высочайшие требования к надежности вакуумного оборудования и его узлов.

Надежность функционирования вакуумных механизмов, работающих в космических аппаратах, так же имеет большое значение. От их надежности зависит выполнение дорогостоящих космических исследований и работа управляемых космических аппаратов и спутников. Механизмы, работающие в условиях космического пространства подвергаются сильным разрушающим воздействиям [32] таким как; колебания температуры от +70°С до -100°С; повышенное давление (внутри) до 8 кгс/м2 и пониженное наружное до 10"13 мм.рт.ст.; ускорение вибрации до 150 м/с2 в диапазоне частот 0-2500

Гц; ударные нагрузки до 400 м/с2; линейные ускорения до 150 м/с2; акустический шум до 150 дБ; разовая пластическая смазка; практически полное отсутствие возможности ремонта в процессе эксплуатации; отсутствие условий для конвекционного обмена.

Особые требования по надежности предъявляются к вакуумным механизмам, используемым в установках термоядерного синтеза (Токамак, ИТЭР). Так, например, в вакуумной камере установки ИТЭР откачанной, до 10"7 Па, будет находиться около трех килограммов трития, и отказ вакуумного механизма может привести к его выбросу, что эквивалентно по масштабам аварии на Чернобыльской АЭС. Вакуумные механизмы будут находиться в активной зоне установки ИТЭР и каждая замена механизма требует вхождения обслуживающего персонала в зону.

В области повышения надежности вакуумных механизмов за последние 10-15 лет не произошло существенных изменений. Основным способом предотвращения отказов механизмов является система планово-предупредительных ремонтов (ППР). Требования к надежности вакуумных установок неуклонно растут, а надежность ее компонентов остается на прежнем уровне. Это обстоятельство привело к необходимости поиска новых методов повышения надежности функционирования вакуумных установок, что проявилось в виде появления диагностических систем контролирующих работу вакуумных установок [78] и их узлов [43].

Основными элементами вакуумных вводов движения являются шарикоподшипники, зубчатые зацепления и герметизирующие элементы: сильфоны, гибкие оболочки. Наблюдения за работой технологических установок 8 показывают, что до 50% отказов вакуумных механизмов приходится на подшипники [63]. В настоящее время работоспособность узлов вакуумного оборудования в процессе функционирования контролируется лишь оператором, а автоматические установки практически не имеют средств контроля состояния узлов. Много работ [20,3,30,12,21,47,53,63] посвящено исследованию надежности вводов движения и их элементов. Описанная в работе [18] система диагностирует лишь разрушение герметизирующих элементов.

Данная работа посвящена разработке и исследованию системы диагностики отказов механических узлов вакуумного оборудования. В качестве диагностических предложено использовать такие параметры механизмов как: момент сопротивления вращению входного вала, поток газовыделения, парциальный состав давления в вакуумной системе и вибрацию механизма.

Общие выводы

1) Производительность вакуумного оборудования снабженного системой ранней диагностики может быть повышена за счет своевременного предотвращения аварийных отказов (характеризуемых временем ремонта 0а) путем перевода их в категорию планового (характеризуемого временем ремонта ©□«©а)- Получена формула для оценки производительности подобного оборудования, оснащенного системой диагностики.

2) Анализ методов диагностирования показал, что при диагностировании вакуумных механизмов целесообразно использовать следующие параметры в качестве диагностических: Отах, Озг - максимальный и средний поток газовыделения из ввода движения, амплитуда базовой частоты механизма, РН2 -парциальное давление водорода, Атах, Ае« - максимальная и эффективная амплитуды виброускорения корпуса ввода движения, Ек- эксцесс вибросигнала.

3) Показано, что вакуумная система любой диагностируемой установки является апериодическим звеном, характеризуемым постоянной времени Т=\//8 и частотой среза 1сР, ограничивающими использование метода вакуумной диагностики по частотному спектру потока газовыделения.

4) Разработана компьютерная модель вакуумной системы, позволяющая моделировать реакцию вакуумной системы на поток газовыделения различной формы, показано; что частота среза для используемого стенда составляет 1сР=8,2 Гц коэффициент корректировки амплитуды сигнала составляет 1.44 - 1.72 в диапазоне частот 8 - 12 Гц.

5) Экспериментально определены зависимости диагностических признаков Отах, Озг, Атах, Аеп, Ек от наработки шарикоподшипников для вводов с подшипниками без смазки и со смазкой МоЭг. показало, что шарикоподшипники со смазкой МоБг характеризуются монотонным возрастанием Аея и Атах; поток Отах и 0ЗГ возрастают лишь непосредственно при возрастании момента сопротивления механизма, таким образом показано, что в качестве критерия для долгосрочного прогноза могут быть рекомендованы параметры Aeff и Атах, а для краткосрочного прогноза Отах и 05Г.

176

6) Показано, что шарикоподшипники без смазки характеризуются возрастанием параметров Aeíf и Атах до максимального значения при наработке (0,7-0,8)ТОТк; поток газовыделения также возрастает лишь непосредственно перед отказом, в то время как разброс его значений АО возрастает более монотонно, поэтому в качестве критерия долгосрочного прогноза состояния шарикоподшипников без смазки могут быть взяты параметры Аек и Атах, а для краткосрочного - возрастание амплитуды значений Отах, Оэг и АО.

7) Определены пределы изменения диагностических признаков для эксцентриковых вводов движения: 0тах=10"6-10~4м3па/с Озг=И0"6-10~5 м3Па/с, Атах=0.200 м/с2, Ае«£0.1200 м/с2.

8) Получены данные по корреляции диагностических признаков с моментом сопротивления для ввода ВЭС-5 с подшипниками без смазки: Отах (р=0,165), Оэг (р=0,161), А^ (р=0,731), Атах (р=0,727), Ек (р=-0,259) и с подшипниками с твердосмазочным покрытием Мо32: Отах (р=0,0742), 0ЗГ (р=0,0374), Аен (р=0,696), Атах (р=0,654), Ек (р=-0,249); показно, что наибольшую связь с моментом сопротивления имеют показатели виброускорения механизма Ае«и Атах.

9) Разработана эмпирическая модель оценки момента сопротивления вращению входного вала ввода движения (У^Р^тах.ОзгАтах^ьЕк) для эксцентриковых вводов движения

10) Создана действующая экспериментальная модель системы диагностики вакуумных механизмов и комплекс программного обеспечения, осуществляющий обработку диагностической информации.

1. Александрова А.Т. Исследование процессов дестабилизации параметров системы "механизм контролируемая вакуумная среда" и разработка теоретических основ проектирования оптимальных механизмов: Автореф. дис. док. техн. наук: 05.02.12. - М., 1979. -46 с.

2. Арзыматов Б.М. Импульсно-динамическое нанесение твердосмазочных покрытий на детали подшипников //Машиностроительные технологии: Сб. тезисов всероссийской научно-технической конференции,- М., 1998.- С.229-230.

3. Ашинов С.А. Исследование автоматизированного оборудования для нанесения тонких пленок в вакууме с целью повышения его производительности и надежности: Автореферат дис. канд. техн. наук. М., 1982. - 16с.

4. Блинов И.Г., Данилин B.C., Пупко В.А. Вопросы эксплуатации надежности установок вакуумного напыления //Электронная техника. Сер. 10.- Технология и организация производства. 1970. - №3. - С. 100-116.

5. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. - 544с.

6. Вагин Н.С. Разработка герметичных волновых зубчатых передач для сверхвысоковакуумного технологического оборудования и повышение их надежности: Дисс. канд. техн. наук (05.02.12). М., 1984. - 226 с.

7. Вакууметр ионизационный ВИ-14: Паспорт,- М.: В/О Машприборинторг, 1974.- 54с.

8. Вакууметр ионизационный и термопарный ВИТ-2: Паспорт.- М.: В/О Машприборинторг, 1972.-36с.

9. Вакуумная техника: Справочник / Е.С. Фролов, В.Е. Минайчев, А.Т. Александрова и др.; Под общ. ред. Е.С. Фролова, В.Е. Минайчева. М.: Машиностроение, 1992. -480с.

10. Вводы вакуумные волновые. Технические условия. ОСТ 11.426.001-76. введ. 1/1 1978.УДК.621.521-585.1. группа Г-15.

11. Вибрация подшипников /Под ред. K.M. Рагульскиса.- Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985,- 119с., ил.-(Б-ка инженера. Вибрационная техника; Вып.4).

12. Волчкевич Л.И. Надежность автоматических линий. М.: Машиностроение, 1969. -308с.

13. Гейнце В. Введение в вакуумную технику.- М: Госэнергоиздат, 1967.147с.

14. Генкин М.Д., Соколова А.Г. Виброакустическая диагностика машин и механизмов. М.: Машиностроение, 1987,- 282с.

15. ГОСТ 27.002-83. Надежность в технике. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1983. -30 с.

16. ГОСТ 27.002-83. Надежность в технике. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1983. -30 с.

17. ГОСТ 27.503-81. Надежность в технике. Система сбора и обработки информации. Методы оценки показателей надежности. М.: Изд-во стандартов, 1982. -55с.

18. Гущин И.В. Исследование и разработка системы диагностики элементов вакуумного оборудования: Автореферат дис. канд. техн. наук. М., 1997. -16с.

19. Данилин B.C. Вакуумная техника в производстве интегральных схем.1. М.: Энергия, 1972. -256с.

20. Деулин Е.А. Исследование вводов вращения высоковакуумного напылительного оборудования с целью создания унифицированных конструкций: Автореферат дис. канд. техн. наук. М., 1971. -16с.

21. Деулин Е.А. Основы теории проектирования механизмов автоматизированного сверхвысоковакуумного оборудования: Дисс. док. тех. наук. -М„ 1987.-640с.

22. Деулин Е.А., Медников М.И., Папко В.М. Расчет, конструирование и особенности эксплуатации механизмов для работы в вакууме / Заочный институт повышения квалификации ИТР. М.: Машиностроение, 1986. - 80 с.

23. Деулин Е.А. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Основы вакуумной техники» / Под.ред. Л.И. Волчкевича-М.: Изд-во МГТУ, 1989.-36с., ил.

24. Дендат Дж., Пирсол А.Прикпадной анализ случайных данных: Пер. с англ. М.: Мир, 1989г. -540с., ил.

25. Коллакот Р.А .-Диагностирование механического оборудования,- Л.: Судостроение, 1980.-296с.-пер. с анлг.

26. Крагельский И.В., Любарский И.М., Гусляков A.A. и др. Трение и износ в вакууме,- М.: Машиностроение, 1973.-216с.

27. Кужман А.Г. Повышение надежности узлов трения сверхвысоковакуумного технологического оборудования: Дисс. канд. техн. наук (05.27.07).-М„ 1987,-215с.

28. Марпл-мл С.Л., Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ. М.: Мир, 1987г.-584с., ил.

29. Марусов В.А. Создание и исследование герметичных механизмов поступательного движения для сверхвысоковакуумного автоматизированного технологического оборудования: Автореферат дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук (05.02.12).-М„ 1981.-16с.

30. Методика оптимизации периодичности проведения замен технических устройств / ГКС СМ СССР. М.: Издательство стандартов, 1975. - 31 с.

31. Методы контроля состояния подшипников качения механизмов привода в процессе работы //Экспресс информация ВИНИТИ: Детали машин, 1979г., №30,-с.5-12

32. Механические системы вакуумно-космических роботов и манипуляторов: Учебное пособие для вузов, В 2х томах Т.1.- /Под. ред. Н.В. Василенко, К.Н.Явленского,- Томск: МГП «РАСКО», 1998.-465с.

33. Механические системы вакуумно-космических роботов и манипуляторов: Учебное пособие для вузов, В 2х томах Т.2.- /Под. ред. Н.В. Василенко, К.Н.Явленского.-Томск: МГП «РАСКО», 1998,- 378с.

34. Основы электротензоизмерений, /В.А. Шушкевич,- Минск: Вышейная школа, 1975.- 352с.

35. ОСТ 11.426.001-76. Вводы вакуумные волновые. Технические условия. -введ. 1.01.1978.-М., 1978.-24 с.

36. Папко В.М. Исследование воздействия вакуума на работоспособность шарикоподшипников: дисс. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук.-М., 1975.-239с.

37. Патент РФ N«1835065 Способ диагностики технического состояния циклически нагруженных элементов вакуумного оборудования / Б.И.-1993.- №30 .

38. Перель Л.Я., Филатов A.A. Подшипники качения: Расчет,проектирование и обслуживание опор: Справочник. М.: Машиностроение, 1992. -524 с.

39. Проников A.C. Надежность машин. М.: Машиностроение, 1978. - 591 с.

40. Пупко В.А. Исследование производительности и экономической эффективности вакуумного напылительного оборудования для изготовления тонкопленочных интегральных микросхем: Автореферат дис. канд. техн. наук. М.: 1969. -22 с.

41. Разработка методики проектирования и исследования параметров прецизионных вакуумных приводов: Отчет о научно-исследовательской работе

42. МГТУ; Руководитель Е.А.Деулин. ГР№80005833, инв. № А121880. - М., 1980-190с.

43. Розанов Л.Н. Вакуумная техника: учебное пособие для вузов.-2е изд.-М.: Высш. шк„ 1990.- 320с.: ил.

44. Розанов Л.Н. Вакуумные машины и установки. Л.: Машиностроение, (Ленингр. отд-ние), 1975.-336с., ил.

45. Руководство к выполнению расчетной части курсовых и дипломныхпроектов: Учебное пособие для студентов вечернего факультета/ Л.И. Волчкевич, И.И. Камышный, Е.А. Деулин и др. М.: МВТУ, 1985. - 60 с.

46. Рябов В.Т. Исследование автоматизированных процессов сборки блоков сверхминиатюрных ламп с целью повышения надежности и производительности сборочных машин: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.02.07,- М., 1978. 16 с.

47. Саксаганский Г.Л. Молекулярные потоки в сложных вакуумных структурах. М.: Атомиздат, 1980,- 216с.

48. Свириденок А.И., Мышкин Н.К. и др. Акустичекие и электрические методы в триботехнике /Под ред. В.А. Белого.- Мн.: Наука и техника, 1987.- 280с.

49. Синодеев И.В. Разработка и исследование механизмов поступательного движения на базе планетарных винтовых передач с внешним сопряжением для вакуумного технологического оборудования: Автореф. дис. .канд. техн. наук. М., 1984. - 16с.

50. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев A.B., Теория автоматического управления техническими системами, М.: изд-во МГТУ им.Баумана, 1993.-492с.

51. Статистическая обработка результатов экспериментов на микро-ЭВМ и программируемых калькуляторах / A.A. Костылев, П.В. Миляев, Ю.Д. Дорский и др. -Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1991. -304 с.

52. Степаньянц Ю.Р. Исследование автоматизированных процессов сборки электронно-оптических систем цветных кинескопов с целью повышения точности и производительности сборочного оборудования: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.02.07,- М., 1979.- 16 с.

53. Техническое описание и инструкция по эксплуатациимногофункциональной платы ввода/вывода ЛА70МЗ,- М.: АОЗТ "Руднев-Шиляев", 1995. -40с.

54. Усилитель сигналов тензодатчиков "Топаз-1": Паспорт,-Машприборинторг, 1974,-24с.

55. Фролов Е.С., Никулин Н.К. Теоретические основы вакуумной техники: учеб. пособие / Под ред. Е.С. Фролова,- 2-е изд., перераб. и доп. М., 1993.- 76 е., ил.

56. Хруничев Ю.А. Автоматические сборочные станки в электровакуумном производстве // Автоматизация сборочных работ в приборостроении: Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции. М., 1975. -160 с.

57. Хруничев Ю.А. Анализ производительности оборудования для производства электронных приборов // Электровакуумное машиностроение: Межвузовский сборник. М. - 1978. - Вып. 2. - С. 46-71.

58. Цветков Ю.Б. Исследование автоматизированных установок совмещения и экспонирования для фотолитографии с целью повышения их производительности и точности: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.02.07,- М., 1979. 16 с.

59. Чуев Ю.В., Михайлов Ю.Б., Кузьмин В.И. Прогнозирование количественных характеристик процессов. М.: Советское радио, 1975.- 400с.

60. Шаумян Г.А. Комплексная автоматизация производственных процессов.- М.: Машиностроение, 1973. 639с.

61. Юрков Ю.В. Исследование шарикоподшипников, работающих в автоматизированном вакуумном технологическом оборудовании: Автореферат дисс. канд. техн. наук. (05.02.07). М., 1981. -16с.

62. Явленский К.Н., Явленский А.К. Вибродиагностика и прогнозирование качества механических систем. Л: Машиностроение, 1983. - 184с.

63. Catalogue Vacuum Generators: High Precision Specimen Translators, 04.009.378. Sussex. England. Великобритания.

64. Catalogue Balzers, BA 800074 PE (8801), Liechtenstein, Ed. 1987. - p.6-8. Лихтенштейн.

65. Catalogue Edward's Vacuum Equipment, 01978. p.132-133. Великобритания.

66. Catalogue Leisk (Leisk Engineereng Limited), 04.006.984, 04.005.287, West Sussex, England. Великобритания.

67. Catalogue Leisk. RM Series Rotary motions, 04.003.180. England. Великобритания.

68. Catalogue Leybold-Heraeus Schiebedurckfuhrung Kat.-N 882.29. -p.11-12. Германия.

69. Catalogue MECA 2000 TRANSFER RODS Preliminary brochure 4015. Франция.

70. Catalogue RIBER, 608 40 J 595. p.803. Франция.

71. Catalogue RIBER. Single motion feedthrongh. 608 IOL 191-192, 710. Франция.

72. Catalogue Ulvac, №E4205, p.13, №E0203. p.8. Япония.

73. Catalogue ULVAC, Rotary motion feedthrough, Model TDU-8, № У2302, Japan, Tokyo. Япония.

74. Catalogue Vacuum Generators, Rotary Motion Feedthroughs, RD5, RD6, RD7. 04.004.476 Revised 9/79. США.

75. Catalogue VAT, BPRL 91 E1. Швейцария.

76. Control and Diagnostics Can Improve Your Vacuum, if you know your needs., /А. Toy., // Semiconductor International.- October 1989,- pp. 60-63.

77. Desorption from ball bearings in ultrahigh vacuum, Y.Fujii, H.lshimaru. J.Vac. Sci. Teccnol. A9(3), May/Jun 1991,- pp.2017-2020.

78. Instrumentation reference and catalogue, National Instruments Corporation.-1997. P.560.

79. MatLab The Language of Technical Computing. Using MatLab., MathWorks, Inc.- 1997,- P.516.

80. Outgassing stimulated by deformation. P. Repa, D. Oralek // Vacuum 53,1999.- pp.299-302.

81. Peksa L., Repa P. The design of a continuously measuring friction vacuum gauge. Vacuum. - 1997 v.48 n. 10,- P.861.

82. Peksa L., Repa P., Ulman R. Shake sensitivity and range limits of the Becker friction vacuum gauge // Vacuum.- 1998, V.51, n.1.- P.75.

83. Repa P., Rott M. Outgassing of metals stimulated by friction // Vacuum. SEP 01 1997 v.48 n.7/9,-P.775.

84. Rush A.A. Kurtosis-a crystal ball for maintenance engineers. "Iron and Steel Int.".- 1979, 52, №1. pp.25-27.

85. Sturm A., Billhardt S., Walzlagerdiagnotik // Maschinenbautechnik, 1990,-3918647.- ss.293-298.

86. Sturm A., Förster R., Maschinen- und Anlagendiagnose für die zustandbezogene Instandhaltung.- Berlin: Verlag Technik, 1988.- ss.450.

87. Sturm A., Kinsky D., Diagnostics of Rolling-Element Bearing Condition by Means of Vibration Monitoring under Operating Conditions // Measurement, London 2,1984, №2,- ss.58-62.

88. Sturm A., Förster R., Hippmann N, Kinsky D. Wälzlagerdiagnose an Maschinen und Anlagen.- Köln: TÜV Rheiland.- 1986,- ss.237.