122637 (716979), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Снижение рабочего вакуума накладывает дополнительные ограничения на разработку ВКА, связанные с необходимостью уменьшения влияния элементов вакуумной полости ВКА на параметры технологического процесса и учета привносимой дефектности [50, 51]. При этом ряд ответственных сверхвысоковакуумных систем, взамен большого ресурса работы ВКА выдвигает на первый план требования к быстродействию и высокой надежности ее работы [37, 39].
Таким образом, анализ назначения ВКА в свете задач, решаемых современным вакуумным оборудованием, позволил сформировать следующие основные требования, предъявляемые к ВКА.
ВКА должна: иметь заданную проводимость в открытом положении; обеспечивать требуемое быстродействие; гарантировать величину натекания в закрытом 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 количественный состав остаточной среды в вакуумной системе; иметь достаточные ресурс работы и наработку на отказ; предусматривать возможность автоматического управления и контроля за работой; обладать минимальными габаритами и весом; обеспечивать простой монтаж и демонтаж устройства; иметь высокие технолого-экономические показатели.
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, 5154], вследствие чего разработка конкретных устройств ВКА в большинстве случаев основывается на опыте конструктора. При этом отсутствие единого научно обоснованного подхода к проектированию ВКА затрудняет создание конструкции, имеющей наилучшие характеристики по всем показателям качества, поэтому существующие вакуумные 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 литературных источниках и каталогах отечественных предприятий-разработчиков и заводов-изготовителей и передовых в области вакуумного машиностроения 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 ее уплотнительных пар.
Проанализируем существующие технические решения ВКА с позиций функционально-структурного подхода - реализации последовательности: цель - функция - устройство.
Плоский затвор (рис. 1.5 а, е), имеющий минимальное расстояние между присоединительными фланцами (цель), во избежание износа уплотнителя требует при перемещении улотнительного органа 1 для открывания или перекрывания проходного отверстия 2 создания гарантированного зазора между ним и корпусом 3, что приводит к необходимости осуществления в клапане двух не совпадающих по направлениям 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 исполнительных 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, приведенной 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 поворотный затвор с непосредственным воздействием ведущего звена 6 на уплотнительный орган 1 (устройство) не получил широкого распространения вследствие необходимости создания значительных крутящих 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 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 характеристикам автоматического привода.
Для приближенной обобщенной оценки качества конструкций ВКА, исходя из ее основного назначения, сформулированного во введении, предлагается использовать условный показатель, определяемый отношением проводимости ВКА к диаметру перекрываемого отверстия, изменение значения которого для некоторых серийно выпускаемых типов устройств приведено на рис. 1.7. Большее значение данного показателя определяет лучшую конструкцию.
Подобный показатель позволяет провести сравнение конструкций как в рамках одного типа устройств, так и сравнение устройств различных типов, а также оценить конструкции с нестандартными значениями диаметров перекрываемых отверстий. В частности можно отметить 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 устройств (рис. 1.5, а). Обращает на себя внимание и трудность оптимизации конструктивных решений ВКА с малыми диаметрами условных проходов (Ду).
Изложенное позволяет сделать вывод о влиянии цели проектирования 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 движения 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 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 недостатков, ограничивающих область ее использования и заключающихся в невысоких температурных пределах прогрева, в значительной величине скорости газовыделения, относительно высокой газопроницаемости и влиянии на масс-спектрометрический состав вакуумной среды [7]. Лучшие марки вакуумных резин, применяемые в клапанах и затворах допускают прогрев только до 470 К, при этом величина скорости газовыделения лежит в пределах 3.10 - 7.10 л Па/см с, а величина 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 определяет актуальность создания цельнометаллических устройств.
Разработка цельнометаллической ВКА требует пересмотра подхода к проектированию ВКА в связи с большими удельными усилиями герметизации (до 200 н/мм, [67, 70]), и необходимостью учета дополнительных факторов, не рассматриваемых при проектировании конструкций с резиновым уплотнением (например, обеспечения высокоточного взаиморасположения деталей уплотнительной пары в момент герметизации, влияния частиц износа на работоспособность уплотнителя и др. [34, 51, 67]. Перечисленные факторы определяют технологические трудности реализации конструкторских решений и высокую стоимость цельнометаллической ВКА.
В значительной степени влияет на основные характеристики функционирования коммутационных устройств ее привод [71]. Преобладающие типы приводов, используемых в ВКА, отражены на рис. 1.3, 1.4. Кратко можно отметить, что использование ручного привода исключает возможность автоматизации управления ВКА; электропневматический привод требует наличия энергоносителя и дополнительных устройств управления; электромеханический привод громоздок и инерционен; использование электромагнитного привода требует специальных источников питания и сопровождается сильными динамическими ударами, снижающими ресурс работы уплотнителя и создающими помехи в работе оборудования.
Свои особенности, связанные с надежностью, площадью поверхности, 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 характеристики обусловлены применением в конструкциях различных механизмов, выполняющих следующие функции: преобразование вида движения ведущего звена и вида перемещения уплотнительного органа; изменение направления движения исполнительного органа; осуществление передаточных 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 органов, которые могут располагаться как в вакуумной полости устройства, 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. 1.8, д, з [58]), рычажные (рис. 1.8, е [61]), кривошипно-ползунные (рис. 1.8 ж, з [56]) и комбинированные (например, рычажноползунные, рис. 1.8, и - м [63]). Основными функциями уплотнительного органа, состоящего из механизма герметизации и уплотнительного диска, является преобразование направления и вида движения выходного звена механизма перемещения и уменьшение усилий или крутящих моментов на ведущем звене устройства. Особенностью уплотнительных механизмов является их расположение в большинстве случаев в вакуумной полости.
На рис. 1.9 представлены некоторые кинематические схемы уплотнительных 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 предъявляет сверхвысоковакуумное оборудование [51, 74], т.к. необходимость сохранения определенного состава остаточной газовой среды, высокие температуры прогрева, повышенный износ и коэффициент трения в вакууме требуют минимума сопряженных пар трения и малых контактных усилий, в то же время исключая возможность применения смазки [50].
Частично устраняют конструктивные трудности, связанные с необходимостью обеспечения значительных усилий устройства, использующие для герметизации: тепловое расширение материалов [67] и перевод металлического уплотнителя в жидкую фазу [76], однако подобные устройства обладают очень большой инерционностью.
Особенности кинематики и динамики механизмов ВКА наглядно характеризует 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 значительном перемещении уплотнительного диска, определяемом величиной диаметра проходного отверстия (для устройств плоского типа) или высотой подъема уплотнительного диска (для прочих устройств); II - стадия герметизации проходного отверстия, в которой развиваются 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 открывании или закрывании проходного отверстия; ( ) - перемещение (угол поворота) уплотнительного диска при герметизации проходного отверстия; = (1000 - 2000)/1 - для ВКА с металлическими уплотнителями; = (80 - 250)/1 - для ВКА с эластомерными уплотнителями, 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 устройств и их крайне трудно или невозможно применить для разработки ВКА других типов. Усугубляет ситуацию конструирования ВКА противоречивость отдельных требований. Так установленная существенная зависимость ресурса уплотнительной пары от скорости приложения к ней усилия и перегрузок [70] и связанная с этим необходимость уменьшения движущих моментов на ведущем звене устройства и скорости перемещения уплотнительного диска, противоречит требованию высокого быстродействия.
Из вышеизложенного можно сделать вывод, что ни одна из существующих конструкций ВКА не удовлетворяет полному набору современных 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 конструированию, поэтому использование той или иной схемы носит эмпирический характер. Отсутствует единый подход к определению классификационных признаков ВКА и, как результат, не разработана ее детальная классификация. Существуют различия и в трактовании терминов. Например, в [58] клапаны - устройства с Ду до 100 мм, а затворы устройства с Ду свыше 100 мм; в [54] клапан - устройство, позволяющее регулировать или полностью прекращать поток газа в вакуумной системе, затвор - клапан, позволяющий соединять и разобщать элементы 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 многовариантности 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 ограничений применительно к конкретным ее типам.
Вместе с тем, представляется логичным проводить классификацию ВКА в соответствии с модульным принципом, положенным в основу функционально-структурного анализа существующих конструкций ВКА, с сохранением предварительного деления по эксплуатационным признакам (назначению: устройства напуска, аварийные и т.п.; рабочему давлению: низковакуумные, высоковакуумные, сверхвысоковакуумные и т.д. [78]).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
