МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНА
Титул
Курс лекций:
ВАКУУМНАЯ ТЕХНИКА
Михайлов Валерий Павлович
Лекция № 15
Устройства для передачи движения
в вакуумный объем
Основные характеристики вводов движения
определяются конструкцией уплотняющих элементов.
Предельные характеристики вакуумных вводов:
Рабочее давление
Газовый поток из механизмов привода
Температура обезгаживающего прогрева
Длина рабочего хода
Погрешность позиционирования
Быстродействие (постоянная времени)
Скорость перемещения
Частота вращения
Рабочее усилие
Крутящий момент
Число степеней подвижности
менее 510-9 Па
менее 10-10 Вт
до 450оС
до 2 м
0,1 нм … 10 нм
или 0,001 …0,1 угл.сек
0,2 мс … 200 мс
0,0004… 300 мм/с
0,1… 24 000 об/мин
до 10 000 Н
до 80 Н м
до 6
В зависимости от конструкции уплотнительных
элементов вводы движения могут быть разбиты на три
группы:
1.
Вводы
движения
с
контактным
уплотнительным элементом.
2.
Вводы
движения
с
деформируемым
уплотнительным элементом.
3.
Вводы
движения
с
неподвижным
уплотнительным элементом.
В вводах с контактным уплотнительным элементом
движущееся звено, передающее нагрузку, имеет постоянный
механический контакт с неподвижным уплотнителем
(твердым, жидким или газообразным), размещенным в
корпусе устройства.
Вводы движения с контактным уплотнительным
элементом
Ввод вращательного и поступательного движения с
резиновыми уплотнениями (уплотнение Вильсона)
Рабочее давление 110-3… 110-5 Па, скорость
перемещения до 0,5 м/с.
Размеры уплотнения Вильсона
D, мм
d, мм
d1, мм
d2, мм
h, мм
4
2,5 – 3,0
14
18
1,4 – 1,6
6
4,0 – 4,5
16
20
1,4 – 1,6
10
6,5 – 8,0
20
24
1,4 – 1,6
15
10 – 12
25
30
1,4 – 1,6
20
13 – 16
30
34
1,4 – 1,6
30
20 – 24
40
50
1,4 – 1,6
40
26 – 32
50
65
1,4 – 1,6
50
33 – 40
60
82
1,4 – 1,6
60
40 – 48
70
96
1,4 – 1,6
70
45 – 56
80
110
1,4 – 1,6
Поток натекания газа Qн через подвижный контакт
уплотнительного элемента с уплотняемой поверхностью вала
диаметром dв с параметром шероховатости Ra равен:
T dв 2
Qн 450
Ra p(e
M a
p
3 d
R
e
kv
V
Vск
м3 Па
)
с
где T и M – температура (К) и молекулярная масса (кг/кмоль)
натекающего газа; a – ширина контакта уплотнительного элемента с
уплотняемой поверхностью, м; Δp – перепад давления газа на уплотнении,
Па;
pd – контактное давление уплотнительного элемента на вал, Па; R –
коэффициент уплотнения, Па;
kv – коэффициент, зависящий от состояния
уплотняемой поверхности (kv=16 – без смазки,
пленкой,
kv=4,2 – с полимерной
kv=1,4 – с жидкой смазкой); Vε – скорость восстановления
упругих деформаций материала уплотнительного элемента, м/с;
скорость
скольжения
уплотнительного
элемента
Vск –
относительно
Ширина контакта a уплотнительного элемента с
уплотняемой
поверхностью
вала
зависит
от
величины
контактного давления pd, которая, в свою очередь, зависит
от
степени
деформации
и
модуля
упругости
уплотнительного элемента E. Коэффициент уплотнения R
для резин марок ИРП-1345, ИРП-2043, 51-1578, 51-1735
приблизительно равен R≈0,05E. Для этих же марок резин
скорость восстановления упругих деформаций составляет
приблизительно Vε≈0,5 м/с.
Ввод вращательного движения с резиновыми
армированными манжетами
Pатм
P`
n
1 – натяжной болт; 2 – нажимной фланец; 3 –
вспомогательная манжета; 4 – нажимная втулка; 5 – сальник
(фетр) с маслом; 6 – рабочая манжета; 7 - корпус
Рабочее давление 110-3…110-5 Па, скорость вращения
1500…3000 об/мин.
Поток газовыделения из высоковакуумного манжетного
ввода вращения:
Q = q u Fu + (q г рез + q п рез ) Fрез + Qн + q г ст F ст
~ 10-6 ... 10-8 м3 Па с-1
где: Qн – поток натекания через место подвижного контакта
манжеты; Qн =10-7 ... 10-9 м3 Па с-1 (меняется с наработкой изза износа)
q
u
– удельный поток испарения смазки (уплотняющей место
контакта манжеты) qu ~10-4 м Па с-1
q г рез – удельный поток газовыделения резиновой манжеты
q п рез – удельный поток газопроницаемости резиновой манжеты
q г ст – удельный поток газовыделения стали
Fu – площадь, покрытая смазкой, м2 (может занимать очень
большие поверхности из-за миграции масла, определяется
экспериментально)
Fрез – площадь поверхности резиновой манжеты, обращенной в
вакуум, м2
Fст – площадь поверхности стальных деталей, находящихся в
вакууме, м2.
Для передачи движения в вакуумированный объем с
масляными средствами откачки используются вводы вращения
с магнитожидкостным уплотнением.
По многим параметрам они превосходят другие вводы
движения,
т.к.
в
них
отсутствует
непосредственный
контакт твердых поверхностей между движущимися и
неподвижными уплотняемыми деталями при достаточно
высокой герметичности. Кроме того, вводы с использованием
магнитной композиции, состоящей из жидкости-носителя и
магнитных
частиц,
могут
применяться
в
избыточным давлением газа или жидкости.
установках
с
Ввод вращения с уплотнением магнитной жидкостью
Ввод вращения с уплотнением магнитной жидкостью
Ввод может работать при температурах 230…400 К при
давлении до 10-5 Па, скорость вращения до 24 000 об/мин.
В качестве жидкости-носителя служит вакуумное
масло ВМ-1, ВМ-5, ПФМС-2/5л, ПФМС-13, ФМ-1, 5Ф4Э или
М-5Ф4М, а магнитные частицы вводятся в жидкость в виде
порошка из Fe2O3 или CrO2. Поток газа через ввод вращения
состоит
из
паров
жидкости-носителя
и
потока
газопроницаемости через магнитную композицию. Давление
пара, например, масла ФМ-1 при температуре 293 К составляет
1,3.10-8 Па, а масла 5Ф4Э – 1,3.10-9 Па.
Поток
газонатекания
практически отсутствует.
через
подвижный
контакт
Вводы могут работать при скоростях скольжения вала
до
15
м/с.
уплотняемых
При
этом
практически
поверхностей,
а
отсутствует
момент
износ
сопротивления
вращению в 7-10 раз меньше по сравнению с вводами
вращения, имеющими контактное уплотнение. В таблице
приведены основные характеристики вводов трех типоразмеров
с магнитной композицией на основе масла 5Ф4Э и с
намагниченностью
насыщения
25
кА/м.
За
среднюю
долговечность вводов принята длительность работы, при
которой средний поток газопроницаемости не превышает
величины, указанной в таблице.
Основные характеристики вводов с с магнитной жидкостью
dв,
мм
D1 ,
мм
D2,
мм
Lmax,
мм
M н,
Н.м
M с,
Н.м
Q п,
м3Па/с
Nср,
мин
Масса,
кг
6,3
55
40
100
0,98
0,03
5.10-7
2.105
1,0
16
70
55
130
15,3
0,04
5.10-7
2.105
1,6
45
145
120
190
240
0,08
5.10-7
1,1.105
7,0
Вводы движения с деформируемым
уплотнительным элементом
Вводы вращательного и поступательного движения с
сильфонными герметизаторами
Рабочее давление до 10-8 Па, температура прогрева 450…1000 К
Сверхвысоковакуумный сильфонный ввод вращения
n1
n2=n1
1 – входной вал; 2 – сильфон; 3 – глухая втулка
(колебательный промежуточный элемент; 4 – выходной вал; 5
– корпус ввода (Dу16-100); 6 – стенка вакуумной камеры
Поток
газовыделения
из
сверхвысоковакуумного
сильфонного ввода вращения:
Q = q г ст F ст + q п ст F сильф + q к F к
где:
qп
ст
– удельный поток газопроницаемости стального
сильфона qп ст ~ 10-7 ... 10-9 мПас-1 (зависит от толщины стенки
и температуры сильфона).
Пример
Дано: сильфон со следующими параметрами
D = 63мм; d = 55 мм; z = 0,2 мм; L = 88,5 мм;
Материал: 12Х18Н10Т
T1 = 293K;
T2 = 693K
Найти: поток газопроницаемости Qп водорода через
сильфон для температур T1,T2.
Согласно 1-му закону Фика:
1
j
1
j
Qп
p
р
q' П
По
exp(
)
z
z
jRT
П – коэффициент проницаемости
Константа проницаемости стали 12Х18Н10Т по H2
П0=1,4 ·10-4 Па1/2м2/c.
Энергия активации проницаемости по H2
Qп=8,04 ·104кДж/кмоль.
R=8.31 кДж/кмоль·К; j=2; площадь поверхности сильфона
Ac=0,062м2.
а) для Т1=293К и парциального давления Н2=510-2 Па
q’ = 1,0510-8 м3 Па/м2с
Qп = 6,5110-10 м3Па/с
а) для Т1=693К и парциального давления Н2=510-2 Па
q’ = 1,4510-4 м3 Па/м2с
Qп = 8,910-6 м3Па/с
Сверхвысоковакуумный волновой ввод вращения
Сверхвысоковакуумный волновой ввод вращения
Передаточное число
z1
i
z1 z 2
,
где z1, z2 – числа
зубьев на жестком и гибком колесах (i = 72).
Высоковакуумный поступательный ввод с мембраной
1 – шток;
2,11 – гайка натяжная для
уплотнения кольца;
Pатм
3,9 – втулка нажимная;
4,8 – уплотнительное кольцо;
5,7 – тонкостенные кольца;
6–мембрана (уплотнительный
P`
элемент движущегося вала);
-V
V
2
2
10– стенка вакуумной камеры
(фланец)
Сверхвысоковакуумный планетарный резьбовой ввод
поступательного движения
1 – шток;
2 – корпус;
3 – сильфон;
Pатм
4 – гайка, совершающая
n (-n )
1
1
круговое
M
плоско-
параллельное движение;
5 – эксцентрик;
6 – шестерня приводная;
7
V (-V )
2
2
–
стенка
вакуумной
камеры;
P`
8 – электродвигатель
Суммарный поток газовыделения из СВВ волнового ввода
вращения:
Q = Q н+ Q г + Q п + Qк ,
где: Q
н
– поток газонатекания через уплотнения, сварные
швы и микротрещины;
Q г – поток газовыделения из элементов волновой оболочки;
Q п – поток газопроницаемости волновой оболочки;
Q к – газовый поток из кинематических пар.
Суммарный поток газовыделения волнового ввода вращения
за весь период службы
Параметры зубчатой пары ввода вращения: гибкое колесо – сталь
12Х18Н10Т; жесткое колесо – сталь 40Х13 с покрытием МоS2 (70 мкм);
диаметр гибкого колеса – 42 мм; частота вращения генератора – 2500 об/мин.
Процесс трения кинематических пар СВВ волнового ввода
вращения при наличии покрытия можно разделить на 3
периода:
1) приработка фрикционных пар с активным удалением
растворенных и адсорбированных газов (Н2О) и окисных
пленок;
2) стационарный процесс износа покрытия с постоянным
газовыделением;
3)
адгезионный
износ,
газовыделением водорода.
характеризуемый
повышенным
Масс-спектр остаточных газов при работе
волнового ввода вращения
а) в период приработки (N=2·104 циклов); б) в период установившейся
работы (N=105 циклов); в) в период катастрофического (адгезионного)
износа зубьев (N=3,7·106 циклов)
Для
различных
кинематических
пар
экспериментально
получены зависимости удельного газовыделения:
q = (A1к + A2 vск + А3 к vск)·10-9 м3·Па/с ·м2,
где А1, А2, А3 – постоянные коэффициенты;
к – контактное давление в парах трения, МПа;
vск – скорость скольжения кинематических элементов, м/с.
Лекция № 16
Вводы движения с неподвижным
уплотнительным элементом
Ввод поступательного движения
с постоянным магнитом
Ввод поступательного движения
с электромагнитом
Рабочее давление до 10-9 Па, температура прогрева 600…1000 К
Ввод вращения
с постоянным магнитом
Рабочее давление до 10-9 Па,
температура прогрева 600…800 К
частота вращения вала 500…700 об/мин
об/мин
Ввод вращения
с вращающимся магнитным полем
Рабочее давление до 10-5 Па,
температура прогрева 450 К
частота вращения вала до 10 000
Ввод вращения
с постоянным магнитом
Ввод вращения
с использованием асинхронного двигателя
Вакуумные механизмы перемещения с повышенными
требованиями к точности и быстродействию
Пьезопреобразователи
Пьезотрубка
Пьезостолбец
Рабочее давление до 10-8 Па, погрешность позиционирования
менее 1 нм, быстродействие (постоянная времени) – 1…2 мс,
диапазон перемещений (с редуцирующими механизмами) – 400
мкм
В
качестве
пьезоматериала
обычно
используют
пьезокерамику состава ЦТС (цирконат-титанат свинца).
Этот состав отличается наивысшей пьезоактивностью,
повышенной устойчивостью к воздействию электрических
нагрузок, стабильностью свойств во времени.
Характерные параметры пьезопривода:
активная длина la=50 мм, состоит из 50
дисков диаметром 18 мм, толщиной 1 мм.
Диапазон перемещения пьезостолбца – 40
мкм, привода Х=200 мкм.
Напряжение питания U=600 В.
Схема работы туннельного
сканирующего зондового микроскопа
Схема атомно-силового сканирующего
зондового микроскопа
Общий вид высоковакуумного сканирующего зондового
микроскопа фирмы НТ-МДТ (г. Зеленоград)
Гистерезис пьезопривода
Эффект последействия
Кинематические схемы пьезопривода поступательного
перемещения с рычажно-мультиплицирующей системой:
а) одноступенчатой; б) двухступенчатой
а)
б)
Кинематические схемы пьезопривода углового перемещения
с рычажно-мультиплицирующей системой: а)
одноступенчатой; б) двухступенчатой
а)
б)
Схемы этапов работы и общий вид
СВВ шагового привода на основе
пьезотрубок фирмы Burleigh
Instruments, Inc.
Общий вид СВВ каретки с шаговым
приводом на основе пьезотрубок
фирмы Burleigh Instruments, Inc.
Высоковакуумный гидропривод на основе
магнитореологической жидкости
Рабочий зазор дросселя
Схема ВВ привода
линейного перемещения
Рабочее давление до 10-5 Па, погрешность позиционирования
менее 0,5 мкм, быстродействие (постоянная времени) – 50…200
мс, диапазон перемещений – 200 мм.
Магнитореологический эффект
При действии поперечного магнитного поля напряжённостью Н
течение МР-суспензии подчиняется закону Балкли-Гершеля для вязкопластичных жидкостей:
n
0
k
где - касательные напряжения сдвига, действующие между соседними
слоями жидкости; 0 - предел текучести, зависящий от Н; k – показатель
консистенции МР-суспензии;
– сдвиговая скорость;
неньютоновского поведения жидкости.
Уравнение можно переписать в следующем виде:
n
– показатель
12 Q экв ( H ) l
P P0 ( H )
b h 3
где
P – перепад давлений на рабочем зазоре; P0(H) – перепад давлений,
необходимый для разрушения структуры неподвижной МР-суспензии (Q=0);
Q – расход рабочей жидкости через зазор; - эквивалентная динамическая
вязкость рабочей жидкости, зависящая от
параметры рабочего зазора.
Н; h, l, b – геометрические
Общий вид линейного МР - привода
Виды высоковакуумных приводов на основе управляемой
упругой деформации
а, б)приводы с постоянным радиусом кривизны; в)архимедова спираль; г)парабола;
д)синусоида; е)циклоида; ж)многовитковый привод; з) параллельное действие трех
незамкнутых приводов; и, к)привод с разными формами поперечного сечения; л, м)приводы
с замкнутым контуром; н)линейный привод с прямолинейной осью; о)угловой привод с
прямолинейной осью
Высоковакуумный привод на основе управляемой упругой
деформации
Схема привода с
незамкнутым контуром
Экранирующее устройство
с многовитковым приводом
Рабочее давление до 10-8 Па, температура прогрева 450…1000 К
(по аналогии с сильфонными герметизаторами).
Двухстворчатое экранирующее устройство на основе
управляемой упругой деформации
Высоковакуумный манипулятор
с тремя степенями подвижности
Четырехпозиционный манипулятор-перегрузчик пластин
Привод транспортирования пластин по круговой траектории
Схема привода с замкнутым контуром
Транспортная система с приводами
на основе упругих элементов с замкнутым контуром
Вакуумный затвор щелевого типа с приводами на основе
замкнутого контура
Вакуумные манипуляторы на основе L-координат
1-электропривод; 2-сильфон; 3-тяга регулируемой длины; 4захватное устройство; 5-выходное звено; 6-неподвижное
основание
Общий вид вакуумного манипулятора на основе L-координат
(фирма «Physik Instrumente»)
Механизм для перемещения и ориентации объектов
1-перемещаемый объект; 2-основание; 3-привод линейного
перемещения; 4- сильфон
Механическая рука для обслуживания вакуумных камер
1-привод линейного перемещения; 2- сильфон; 3-перемещаемый
объект
Вакуумные смазки
В вакуумных системах применяются твердосмазочные
покрытия и консистентные смазки.
Твердосмазочные покрытия (ТСП), предназначенные для
работы в высоком и сверхвысоком вакууме, в основном
изготавливают
из
дисульфида
молибдена
(MoS2)
без
связующего или со связующим материалом. К первому типу
относятся
ТСП,
полученные
высокотемпературным
термохимическим методом (Димолит) и сформированные в
вакууме ионно-плазменным распылением мишени из MoS2.
Ко второму типу относятся покрытия марки ВНИИНП.
Покрытия Димолит
Покрытие
Фазовый
состав
Материал
детали
Температура
синтеза, К
hmax,
мкм
Максимальная
рабочая
температура, К
Микротвердость,
МПа
Димолит-1
MoS2
Mo
973– 1096
80
973 К
(длительно),
1173 К (кратковременно)
450 –
500
Димолит-2
MoS2+Pb
Mo
923 – 1023
100
1173 К –
1273 К
800 –
1000
Димолит-3
MoS2 – ZnS
Mo
1173
80
673 К – 723 К
3500 –
5000
Димолит-4
MoS2 + (Fe,
Cr, Ni)S
Высокохромистая
сталь
973 К, 1-я
стадия,
400 К, 2-я
стадия
30
673 К – 873 К
2000 –
2500
ТСП на основе MoS2 с различными связующими
Марка
Наполнитель
Связующие
Область применения
ВНИИНП-209
MoS2
Кремнийорганическая
смола
В узлах трения при температуре 233 К – 623
К на воздухе, в вакууме при более высоких
температурах
ВНИИНП-213
MoS2
Кремнийорганическая
смола
В узлах трения при температуре 233 К – 623
К на воздухе, в вакууме при более высоких
температурах
ВНИИНП-212
MoS2
Мочевинноформальдегидная смола
В узлах трения при температуре 233 К – 523
К на воздухе, в вакууме при более высоких
температурах
ВНИИНП-229
MoS2
Силикат натрия
Подшипники скольжения и качения,
неподвижные резьбовые соединения при
температуре 233 К – 623 К на воздухе, в
вакууме при более высоких температурах
ВНИИНП-230
MoS2
Эпоксидная
смола
ВНИИНП-251
MoS2, графит
Полиамидная
смола
В узлах трения при температуре 233 К – 623
К на воздухе, в вакууме при более высоких
температурах
ВНИИНП-504
MoS2, графит
Смесь
органических
смол
Узлы трения на воздухе и в вакууме при
повышенных температурах
ЭОНИТ-3
MoS2, графит
Смесь
органических
смол
Узлы трения на воздухе и в вакууме при
повышенных температурах
Зубчатые
зацепления,
шарниры
температуре 233 К – 473 К
при
Антифрикционные характеристики ТСП на
основе MoS2
Тип ТСП
Вид трения
Коэффициен
т трения
скольжения
Интенсивность
изнашивания
Ротационное нанесение
MoS2
Скольжение
и качение
0,1
Ih=108 -1010,
I
=5.103 г/час
g
ВНИИНП 213, 230 и т.д.
Скольжение
0,05
Ih=108
Димолит-1, 4
Скольжение
0,03
Ih=108, Ig=2.104 г/час
I
=3.103 мкм/час
t
Ионно-плазменное
нанесение MoS2
Скольжение
и качение
0,002
Ih=109 и менее,
I
=4.103 - 7.104 мкм/час
t
Интенсивность изнашивания: Ih – линейная; Ig – весовая; It – временная
Спектр газовыделения покрытий на основе MoS2
а)
б)
а) ИПН MoS2, Т=773 К, t=1 час; б) Димолит-4, Т=623 К, t=1 час
(ИПН – ионно-плазменное нанесение)
Основными достоинствами ИПН ТСП MoS2, работающего
в вакууме, являются отсутствие даже при 973 К в спектре
газовыделения серосодержащих соединений (SO2, H2S, CS2) и
малый
поток
продуктов
износа,
недопустимых
при
проведении многих СВ и ВВ технологических процессов.
Спектр
газовыделения
покрытия
“Димолит-4”
(химико-
термическое формирование на сталях ТСП на основе MoS2)
содержит указанные соединения уже при температуре нагрева
423 К.
Показанные достоинства покрытия на основе ИПН МоS2
связаны
с
постоянным
стехиометрическим
составом,
формируемым при росте пленки, т.к. МоS2 распыляется и
переносится к подложке в виде молекул.
Таким образом, ТСП на основе ИПН МоS2 без связующих
компонентов имеет наиболее эффективные области применения
в подшипниках качения и в малонагруженных прецизионных
парах трения скольжения.
Консистентные смазки
Консистентные смазки предназначены для повышения
работоспособности механизмов и устройств, работающих в
вакууме.
Консистентные смазки типа Univac Excellin желтого
цвета имеют хорошие смазывающие характеристики в вакууме
и применяются также для повышения герметичности кольцевых
прокладок круглого сечения, соединений резины и металла,
стекла и металла, стекла со стеклом. Давление насыщенного
пара при 298 К составляет 10-5 Па, температура плавления 368 –
408 К.
Высоковакуумная
силиконовая
смазка
DC-976
используется и как смазочный материал, и как герметик.
Обладает водостойкостью, химической инертностью, малым
газовыделением, может работать при давлении до 10-6 Па,
высоких и низких температурах.
Смазочные масла и гели NyeTorr используются для
механически нагруженных деталей вакуумного оборудования в
широком диапазоне температур, при высоких требованиях к
точному
позиционированию
исполнительных
механизмов
(уменьшают силу или момент страгивания).
Для смазки пар трения металл по металлу рекомендуются
гель NyeTorr5100 и масло NyeTorr5101, для смазки и
герметизации металлических поверхностей рекомендуются
гель NyeTorr5200 и масло NyeTorr5201, гель NyeTorr5300 и
масло NyeTorr5301, которые совместимы с пластиками,
эластомерами и металлами.
Характеристики смазочных масел и гелей NyeTorr
Характеристика
Гель
Масло
Гель
Масло
Гель
NyeTorr NyeTorr NyeTorr NyeTorr NyeTorr
5100
5101
5200
5201
5300
Масло
NyeTorr
5301
Рабочая температура, К
219 –
423
219 –
423
228 –
398
228 –
398
208 –
523
208 –
523
Давление пара при 298
К, Па
10-7
3.10-7
7.10-7
4.10-6
7.10-7
7.10-8