Реферат: Схемотехническое и функциональное проектирование вакуумной коммутационной аппаратуры
[34, 51, 67]. Перечисленные факторы определяют технологические
- 23 -
трудности реализации конструкторских решений и высокую стоимость
цельнометаллической ВКА.
В значительной степени влияет на основные характеристики
функционирования коммутационных устройств ее привод [71]. Преобла-
дающие типы приводов, используемых в ВКА, отражены на рис. 1.3,
1.4. Кратко можно отметить, что использование ручного привода иск-
лючает возможность автоматизации управления ВКА; электропневмати-
ческий привод требует наличия энергоносителя и дополнительных уст-
ройств управления; электромеханический привод громоздок и инерцио-
нен; использование электромагнитного привода требует специальных
источников питания и сопровождается сильными динамическими удара-
ми, снижающими ресурс работы уплотнителя и создающими помехи в ра-
боте оборудования.
Свои особенности, связанные с надежностью, площадью поверх-
ности, обращенной в вакуум, видом и характеристиками передаваемого
движения и т.п., имеют и вводы движения в вакуум [53, 55, 72, 73],
передавая свои достоинства и недостатки ВКА.
В большой степени разнообразие ВКА и ее выходные характе-
ристики обусловлены применением в конструкциях различных механиз-
мов, выполняющих следующие функции: преобразование вида движения
ведущего звена и вида перемещения уплотнительного органа; измене-
ние направления движения исполнительного органа; осуществление пе-
редаточных функций [74]. В ВКА различают механизмы исполнительных
органов и механизмы уплотнительных органов [51]. Исполнительный
орган состоит из ведущего звена и механизма перемещения. На рис.
1.8 показаны некоторые кинематические схемы исполнительных орга-
нов, которые могут располагаться как в вакуумной полости уст-
ройства, так и вне ее [54]. Механизмы исполнительного органа ВКА
бывают непосредственного действия (рис. 1.8, а, б [51]); винтовые
(рис. 1.8, в [53]), кулачковые (рис. 1.8 г [54]); кулисные (рис.
- 25 -
1.8, д, з [58]), рычажные (рис. 1.8, е [61]), кривошипно-ползунные
(рис. 1.8 ж, з [56]) и комбинированные (например, рычажноползун-
ные, рис. 1.8, и - м [63]). Основными функциями уплотнительного
органа, состоящего из механизма герметизации и уплотнительного
диска, является преобразование направления и вида движения выход-
ного звена механизма перемещения и уменьшение усилий или крутящих
моментов на ведущем звене устройства. Особенностью уплотнительных
механизмов является их расположение в большинстве случаев в ваку-
умной полости.
На рис. 1.9 представлены некоторые кинематические схемы уп-
лотнительных органов. К ним относятся кулачковые (рис. 1.9, б, ж
[54]), ползунные (рис. 1.9, в [51]); клиновые (рис. 1.9, г [75]),
винтовые (рис. 1.9, д [56]) механизмы.
Анализ проведенных работ выявил отсутствие исследований
свойств механизмов ВКА с учетом специфики их функционирования, что
объясняет многообразие встречающихся механизмов, но затрудняет
обоснованный выбор структурных схем при создании новых конструкций
ВКА. При этом наиболее жесткие требования к механизмам ВКА предъ-
являет сверхвысоковакуумное оборудование [51, 74], т.к. необходи-
мость сохранения определенного состава остаточной газовой среды,
высокие температуры прогрева, повышенный износ и коэффициент тре-
ния в вакууме требуют минимума сопряженных пар трения и малых кон-
тактных усилий, в то же время исключая возможность применения
смазки [50].
Частично устраняют конструктивные трудности, связанные с не-
обходимостью обеспечения значительных усилий устройства, использу-
ющие для герметизации: тепловое расширение материалов [67] и пере-
вод металлического уплотнителя в жидкую фазу [76], однако подобные
устройства обладают очень большой инерционностью.
Особенности кинематики и динамики механизмов ВКА наглядно ха-
- 27 -
рактеризует упрощенная зависимость движущих моментов (или сил
) от угла поворота (или перемещения ) уплотнительного
диска, представленная на рис. 1.10 и показывающая, что ВКА имеет
две четко выраженные стадии работы с несоизмеримыми по величине
усилиями и перемещениями: I - стадия открывания или перекрывания
проходного отверстия, где необходимо создание малых усилий на зна-
чительном перемещении уплотнительного диска, определяемом величи-
ной диаметра проходного отверстия (для устройств плоского типа)
или высотой подъема уплотнительного диска (для прочих устройств);
II - стадия герметизации проходного отверстия, в которой развива-
ются значительные усилия на небольших перемещениях, определяемых,
в основном, величиной деформации элементов уплотнительной пары.
При этом, в зависимости от Ду ВКА: = (15 - 200)/1, где
- перемещение (угол поворота) уплотнительного диска при откры-
вании или закрывании проходного отверстия; ( ) - перемещение
(угол поворота) уплотнительного диска при герметизации проходного
отверстия; = (1000 - 2000)/1 - для ВКА с металлическими уп-
лотнителями; = (80 - 250)/1 - для ВКА с эластомерными уп-
лотнителями, где - усилие герметизации уплотнительной пары,
- усилие перемещения уплотнительного диска при перекрывании
проходного отверстия.
Следует отметить, что существующие описания конструкций ВКА
(в основном параметрические) ориентированы на конкретные типы уст-
ройств и их крайне трудно или невозможно применить для разработки
ВКА других типов. Усугубляет ситуацию конструирования ВКА противо-
речивость отдельных требований. Так установленная существенная за-
висимость ресурса уплотнительной пары от скорости приложения к ней
усилия и перегрузок [70] и связанная с этим необходимость уменьше-
ния движущих моментов на ведущем звене устройства и скорости пере-
мещения уплотнительного диска, противоречит требованию высокого
- 28 -
быстродействия.
Из вышеизложенного можно сделать вывод, что ни одна из су-
ществующих конструкций ВКА не удовлетворяет полному набору совре-
менных требований, обладая теми или иными недостатками.
1.3. Структурно-конструктивная классификация ВКА.
Проведенный анализ литературных источников достаточно полно
характеризует ситуацию, сложившуюся в области проектирования ВКА:
отсутствует обоснованный анализ применяемых кинематических схем
ВКА, а также рекомендации и данные по их расчету и конструирова-
нию, поэтому использование той или иной схемы носит эмпирический
характер. Отсутствует единый подход к определению классификацион-
ных признаков ВКА и, как результат, не разработана ее детальная
классификация. Существуют различия и в трактовании терминов. Нап-
ример, в [58] клапаны - устройства с Ду до 100 мм, а затворы -
устройства с Ду свыше 100 мм; в [54] клапан - устройство, позволя-
ющее регулировать или полностью прекращать поток газа в вакуумной
системе, затвор - клапан, позволяющий соединять и разобщать эле-
менты ВС. При этом оба варианта определения содержат противоречия,
т.к. в первом случае одинаковые конструкции различных типоразмеров
должны относиться к разным группам устройств, а во втором случае
деление чисто условно, вследствие адекватности реально выполняемых
клапанами и затворами функций. Все это приводит к многовариант-
ности ВКА (например, только в одной организации за 13 лет было
разработано более 100 наименований ВКА на 41 Ду [77]), затрудняет
унификацию ВКА и требует разработки дополнительных критериев и ог-
раничений применительно к конкретным ее типам.
Вместе с тем, представляется логичным проводить классификацию
ВКА в соответствии с модульным принципом, положенным в основу
- 29 -
функционально-структурного анализа существующих конструкций ВКА, с
сохранением предварительного деления по эксплуатационным признакам
(назначению: устройства напуска, аварийные и т.п.; рабочему давле-
нию: низковакуумные, высоковакуумные, сверхвысоковакуумные и т.д.
[78]).
С позиций решения задач функционального и схемотехнического
проектирования ВКА, используя результаты проведенного на основе
блочно-иерархического подхода с учетом монтажных и функциональных
особенностей ВКА анализа ее существующих конструкций, выделим два
иерархических уровня представления ВКА: устройство в целом и функ-
циональные модули (ФМ), его составляющие. При этом каждый ФМ ВКА
решает определенную задачу, хотя монтажно они могут быть неразде-
лимы и иметь общие элементы, через которые осуществляется переда-
ча, например, усилий или момента от одного ФМ к другому. В
конструкциях ВКА можно выделить шесть различных ФМ, причем четыре
из них присутствуют у всех рассмотренных устройств, т.е. являются
основными, обеспечивающими выполнение базовых функций ВКА, и не-
основные, способствующие выполнению функций основных ФМ. К основ-
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21
