渦輪分子真空幫浦轉子-軸承系統動態特性分析與測試

Dynamic Characteristics Analysis and Testing of a Turbo Molecular Pump Rotor-Bearing System

官志彬(Zhi-Pin Guan)

指導教授 ： 蔣小偉

國立清華大學/工學院/動力機械工程學系/碩士(2006年)

摘要

摘要
國內渦輪轉子系統之逆向工程往往只仿製原廠外型而忽略機械動態行為，因此本文利用有限元素分析法，針對德國製分子幫浦型號為Leybold TW250s建立內部轉子軸承系統之數學模型，藉由數值模擬以瞭解其動態特性，分析過程中以模態測試所得的結果來修正及驗證轉子軸承系統之有限元素數學模型，計算系統Critical Speed Map以得到轉子軸承系統之動態特性，並對照動態測試之結果，以求得轉子軸承系統之軸承剛度範圍。
實驗量測上係以控制器、加速規、衝擊槌、頻譜分析儀..等設備，得到TW250s分子幫浦之轉子自然頻率及系統瀑布圖，由動態量測得知轉子不平衡是造成振動之主要原因，且Leybold轉子軸承系統從零轉速上升至工作轉速過程中將遇到第一階臨界轉速(12600 Rpm)，而系統之工作轉速(51600 Rpm)介於第一階與第二階臨界轉速之間。
分子幫浦之振動現象除了轉子本身的不平衡，轉子軸承系統共振也是必須避免的。由模擬結果得知，原廠轉子系統雖採用非原廠軸承，其工作轉速也是遠離臨界轉速；但在軸承剛性不高情況下，應需避免軟支撐降低軸承基座剛性使工作轉速接近第二階臨界轉速，造成振動量增加軸承磨損嚴重；相同的若將來需提升Leybold系統之工作轉速必須採用更高剛性之軸承以遠離第二階臨界轉速。

關鍵字

臨界轉速 ； 自然頻率 ； 幫浦

並列摘要

無資料

並列關鍵字

critical speed ； natural frequency ； pump

參考文獻

1.Ruhl, R. L., and Booker, J. F., “A Finite Element Model For Distributed Parameter Turborotor Systems”, ASME, Journal of Engineering for Industry, Vol. 94, pp. 126-132, 1972.

2.Nelson, H. D., and McVaugh, J. M., “The Dynamics of Rotor-Bearing Systems Using Finite Elements,” ASME, Journal of Engineering for Industry, Vol. 98, pp. 593-600, May 1976.

3.Nelson, H. D., “A Finite Rotating Shaft Element Using Timoshenko Beam Theory,” ASME, Journal of Mechanical Design, Vol. 102, pp. 793-803, Oct. 1980.

4.Rouch, K. E., and Kao, J. S., “Dynamic Reduction in Rotor Dynamics by the Finite Element Method”, ASME, Journal of Mechanical Design, pp. 360-368, April 1980.

5.Chiang, H.W., and Hsu, C. N., “A Microturbine Rotor-Bearing System Analysis”, ASME TURBO EXPO, Amsterdam, Netherlands, June 2002.