Схемотехническое и функциональное проектирование вакуумной коммутационной апаратуры

                              - 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

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-

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12