Реферат: Схемотехническое и функциональное проектирование вакуумной коммутационной аппаратуры
между включениями: отношение времени работы к времени выстоя очень
различно и в среднем находится в пределах 1 : (100 - 10000). Сум-
марное время нахождения механизмов ВКА в динамическом состоянии до
замены уплотнительной пары составляет для ВКА с металлическим уп-
лотнителем в среднем примерно 2 - 4 часа, для ВКА с резиновым уп-
лотнением - 20 - 50 часов.
Снижение рабочего вакуума накладывает дополнительные ограни-
чения на разработку ВКА, связанные с необходимостью уменьшения
влияния элементов вакуумной полости ВКА на параметры технологи-
ческого процесса и учета привносимой дефектности [50, 51]. При
этом ряд ответственных сверхвысоковакуумных систем, взамен большо-
го ресурса работы ВКА выдвигает на первый план требования к быст-
родействию и высокой надежности ее работы [37, 39].
Таким образом, анализ назначения ВКА в свете задач, решаемых
современным вакуумным оборудованием, позволил сформировать следую-
щие основные требования, предъявляемые к ВКА.
ВКА должна:
иметь заданную проводимость в открытом положении; обеспечивать
требуемое быстродействие; гарантировать величину натекания в за-
крытом положении ВКА не выше допустимой (например, соизмеримой с
уровнем газопроницаемости конструкционных материалов и материала
уплотнителя); допускать эксплуатацию в диапазоне температур от 77
до 800 К; минимально воздействовать на качественный и количествен-
- 15 -
ный состав остаточной среды в вакуумной системе; иметь достаточные
ресурс работы и наработку на отказ; предусматривать возможность
автоматического управления и контроля за работой; обладать мини-
мальными габаритами и весом; обеспечивать простой монтаж и де-
монтаж устройства; иметь высокие технолого-экономические показа-
тели.
I.2. Функционально-структурный анализ ВКА.
Несмотря на все возрастающую потребность в ВКА, имеющаяся по
ней литература весьма скудна, разрознена и носит большей частью
описательный характер. В затрагивающих данную область работах
практически отсутствуют методики проектирования ВКА, недостаточны
рекомендации и данные по ее расчету и конструированию [20, 29, 51-
54], вследствие чего разработка конкретных устройств ВКА в боль-
шинстве случаев основывается на опыте конструктора. При этом
отсутствие единого научно обоснованного подхода к проектированию
ВКА затрудняет создание конструкции, имеющей наилучшие характе-
ристики по всем показателям качества, поэтому существующие вакуум-
ные клапаны и затворы удовлетворительно соответствуют лишь 3 - 4
показателям качества, что приводит к неоправданному многообразию
их конструкций.
Достоинства и недостатки существующих конструкций ВКА
рассмотрим на основе анализа информации, содержащейся в литератур-
ных источниках и каталогах отечественных предприятий-разработчиков
и заводов-изготовителей и передовых в области вакуумного машиност-
роения иностранных фирм [20, 29, 51 - 67].
На рис. 1.3, 1.4 приведены примеры конструктивных схем ВКА,
дающие представление о ее многообразии, на рис. 1.5 показаны
основные принципиальные схемы ВКА, а на рис. 1.6 - типовые схемы
- 19 -
ее уплотнительных пар.
Проанализируем существующие технические решения ВКА с позиций
функционально-структурного подхода - реализации последователь-
ности: цель - функция - устройство.
Плоский затвор (рис. 1.5 а, е), имеющий минимальное расстоя-
ние между присоединительными фланцами (цель), во избежание износа
уплотнителя требует при перемещении улотнительного органа 1 для
открывания или перекрывания проходного отверстия 2 создания гаран-
тированного зазора между ним и корпусом 3, что приводит к необхо-
димости осуществления в клапане двух не совпадающих по направлени-
ям движений: перемещения уплотнительного органа 1 для открывания и
перекрывания проходного отверстия 2 и герметизации уплотнительной
пары (функция), а, следовательно, либо к появлению механизма 4 в
вакуумной полости (рис. 1.5, а), либо к использованию двух испол-
нительных органов и соответственно двух вводов движения в вакуум
5,5 (рис. 1.5, е) (устройство). Оба решения существенно снижают
надежность и ресурс работы устройства, а второе приводит и к
усложнению управления затвором.
Отличительной особенностью схемы поворотного затвора, приве-
денной на рис. 1.5, б, является возможность совмещения в корпусе 3
проходного и углового взаиморасположения перекрываемых отверстий 2
(цель), а также совпадение направлений перемещения уплотнительного
органа и усилия герметизации при уплотнении (функция). Однако по-
воротный затвор с непосредственным воздействием ведущего звена 6
на уплотнительный орган 1 (устройство) не получил широкого расп-
ространения вследствие необходимости создания значительных крутя-
щих моментов при герметизации запорной пары.
Другие типы конструкций ВКА также обладают рядом недостатков.
Работа крана (рис. 1.5, в) связана со скольжением уплотнительных
поверхностей элементов 1 и 3 друг относительно друга, и, как
- 20 -
следствие, подобные устройства имеют повышенное натекание и малый
ресурс работы. К недостаткам конструкций, представленных на рис.
1.5 г, д, можно отнести использование механизма непосредственного
действия [51], приводящего к повышенным массо-габаритным характе-
ристикам автоматического привода.
Для приближенной обобщенной оценки качества конструкций ВКА,
исходя из ее основного назначения, сформулированного во введении,
предлагается использовать условный показатель, определяемый отно-
шением проводимости ВКА к диаметру перекрываемого отверстия, изме-
нение значения которого для некоторых серийно выпускаемых типов
устройств приведено на рис. 1.7. Большее значение данного показа-
теля определяет лучшую конструкцию.
Подобный показатель позволяет провести сравнение конструкций
как в рамках одного типа устройств, так и сравнение устройств раз-
личных типов, а также оценить конструкции с нестандартными значе-
ниями диаметров перекрываемых отверстий. В частности можно отме-
тить большую эффективность, по сравнению с угловыми конструкциями,
конструкций с соосным расположением проходных отверстий (см. рис.
1.3 - 1.5), а среди последних - лучшие показатели плоских уст-
ройств (рис. 1.5, а). Обращает на себя внимание и трудность опти-
мизации конструктивных решений ВКА с малыми диаметрами условных
проходов (Ду).
Изложенное позволяет сделать вывод о влиянии цели проектиро-
вания ВКА на ее рабочие функции и, как следствие, на структуру
устройства. При этом можно выделить следующие основные структурные
составляющие ВКА: привод, уплотнительная пара, корпус, ввод движе-
ния в вакуум и механизмы. С позиций решаемых задач целесообразно
рассмотреть влияние указанных структурных элементов на показатели
качества ВКА.
Существенно влияет на показатели качества ВКА используемый
- 22 -
тип уплотнительной пары [51, 67].
В настоящее время в различных отраслях промышленности широко
применяется ВКА с резиновым уплотнением (рис. 1.6, д, е). Однако,
имея в десятки раз больший ресурс работы (20000 - 100000 циклов) и
в 10 - 20 раз меньшие усилия герметизации [55] по сравнению с
цельнометаллическими конструкциями, такая ВКА обладает рядом не-
достатков, ограничивающих область ее использования и заключающихся
в невысоких температурных пределах прогрева, в значительной вели-
чине скорости газовыделения, относительно высокой газопроницае-
мости и влиянии на масс-спектрометрический состав вакуумной среды
[7]. Лучшие марки вакуумных резин, применяемые в клапанах и затво-
рах допускают прогрев только до 470 К, при этом величина скорости
газовыделения лежит в пределах 3.10 - 7.10 л Па/см с, а вели-
чина газопроницаемости по азоту для этих марок при 1.10 Па и 300 К
составляет 2.10 - 4.10 см см/см с [68, 69].
Широкое использование ВКА с эластомерными уплотнителями во
многом вызвано отсутствием альтернативы, т.к. основные технические
характеристики выпускаемых отечественной промышленностью устройств
с металлическими уплотнителями (рис. 1.6, а - г) заметно уступают
лучшим зарубежным образцам, особенно это касается прямопролетных
конструкций [59], что наряду с отмеченными в п. 1.1 факторами оп-
ределяет актуальность создания цельнометаллических устройств.
Разработка цельнометаллической ВКА требует пересмотра подхода
к проектированию ВКА в связи с большими удельными усилиями герме-
тизации (до 200 н/мм, [67, 70]), и необходимостью учета дополни-
тельных факторов, не рассматриваемых при проектировании конструк-
ций с резиновым уплотнением (например, обеспечения высокоточного
взаиморасположения деталей уплотнительной пары в момент герметиза-
ции, влияния частиц износа на работоспособность уплотнителя и др.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21
