Реферат: Схемотехническое и функциональное проектирование вакуумной коммутационной аппаратуры
мента [44 - 46].
В свою очередь, требования к вакуумному оборудованию формиру-
ют требования к его элементной базе, в том числе к ВКА, которая,
являясь неотъемлемой частью ВС вакуумного оборудования (например,
только в одно- и двухкамерных установках число коммутационных уст-
- 12 -
ройств колеблется от 5 до 10, достигая 15 [20, 47]), во многом оп-
ределяет его выходные характеристики. Так, производительность обо-
рудования первой и второй групп определяется не только его
конструкцией (однопозиционные установки периодического действия,
установки полунепрерывного действия со шлюзовыми камерами, уста-
новки и линии непрерывного действия и др.), но и сокращением вре-
мени достижения рабочего давления, зависящим, в частности, от про-
водимости ВКА [48, 49].
Следует отметить и наметившуюся в последнее время в произ-
водстве изделий электронной техники тенденцию к понижению рабочего
давления до 10 - 10 Па вследствие существенного влияния дав-
ления и парциального состава газовой смеси на параметры и свойства
изделий [1, 19, 40], т.е. к использованию высоко- и сверхвысокова-
куумного оборудования, требующего прогрева до 700 - 800 К и, сле-
довательно, применения цельнометаллической ВКА, позволяющей сокра-
тить время достижения сверхвысокого вакуума в 2,5 раза и упростить
обслуживание установок [25, 41]. С учетом отмеченного во введении
критического состояния проектирования цельнометаллической ВКА це-
лесообразно выделить для детального рассмотрения области ее приме-
нения, которые показаны на рис. I.2.
При этом, несмотря на достаточно четкую границу между группа-
ми оборудования с одинаковыми вакуумными характеристиками и усло-
виями эксплуатации, определяющими основные свойства ВКА, к ней
предъявляется множество разнообразных дополнительных требований,
зависящих от конкретного случая использования, что ведет к увели-
чению номенклатуры ВКА, затрудняя проведение унификации и стандар-
тизации вакуумного оборудования и повышая трудоемкость его проек-
тирования и изготовления.
Анализ длительности технологических циклов и ресурса работы
оборудования, проведенный по работам [19, 20, 24, 47, 48], позво-
- 14 -
ляет судить о требуемом ресурсе и цикличности работы ВКА и показы-
вает, что число циклов работы клапанов и затворов лежит в пределах
500 - 8000, а в ряде установок, имеющих длительность технологи-
ческого процесса порядка десятков секунд (например, электронно-лу-
чевых установок микросварки), их ресурс должен быть значительно
большим - 20000 - 50000. Кроме того, особенностью ВКА является
кратковременный циклический режим работы с большими промежутками
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.
[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
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
