Реферат: Схемотехническое и функциональное проектирование вакуумной коммутационной аппаратуры

     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

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-

ным ФМ ВКА относятся: привод, генерирующий энергию для перемещения

уплотнительного  диска  и  герметизации уплотнительной пары;  ввод

движения, предназначенный для передачи движения из атмосферы в ва-

куумную среду без нарушения ее свойств;  уплотнительная пара, реа-

лизующая основную функцию ВКА - перекрывание и  герметизацию  про-

ходного отверстия; корпус, обеспечивающий требуемое взаиморасполо-

жение ФМ ВКА и присоединение самой ВКА в ВС. Особенностью подобно-

го структурного членения является выделение в виде самостоятельно-

го ФМ уплотнительной пары (включающей уплотнительный диск -  ведо-

мое звено уплотнительного органа, и седло - элемент корпуса), поз-

воляющее более детально представить процесс герметизации.  Следует

отметить существование определенной последовательности основных ФМ

                              - 30 -

в конструкциях ВКА, что позволяет представить обобщенную структуру

ВКА в виде блок-схемы (рис. 1.11).

     К неосновным ФМ ВКА можно отнести механизмы - ФМ, расположен-

ные  между основными ФМ и согласующие их входные и выходные харак-

теристики (параметры движения).

     Особую сложность вызвало проведение систематизации многообра-

зия возможных схем механизмов ВКА с целью их упорядочения. Подроб-

но решение данной задачи рассмотрено автором в [80], где предложе-

на классификация  ВКА,  проведенная  по  структурно-конструктивным

признакам:  расположению и сочетанию механизмов относительно ваку-

умной  полости  и  по  типу  механизмов.  Предлагаемая  обобщенная

классификация  ВКА приведена на рис.  1.12 и включает ее разбиение

по признакам используемых механизмов.  Подобная классификация  до-

полняет  известные  и позволяет быстро находить возможные варианты

механизмов при их конструировании, оценить их, установить наиболее

оптимальные структуры механизмов ВКА, выявить необходимые типы ав-

томатических приводов и вакуумных вводов движения.

     1.4. Аналитический обзор методов поискового конструирования.

     Необходимость учета труднообозримого множества различных фак-

торов  при  разработке  ВКА,  возможность использования формальных

представлений там,  где заканчивается интуитивное мышление, прове-

дение  детального анализа как можно большего числа аналогов и про-

тотипов, стремление к повышению эффективности разработок  и  росту

производительности труда конструктора требуют перехода к автомати-

зированному проектированию ВКА.

     При этом   отмеченная   стабильность  структуры  существующих

конструкций ВКА, составные элементы которой выбираются, как прави-

ло,  из  систематизированных рядов,  позволяет считать применимыми

                              - 33 -

для процесса схемотехнического проектирования ВКА методы поисково-

го конструирования.

     Детальный анализ математических методов поискового  конструи-

рования  и методов выбора технических объектов с позиций автомати-

зации процесса проектирования проведен автором в [81].

     Рассмотрим основные  методы,  используемые  при автоматизации

начальных этапов проектирования, известные в отечественной и зару-

бежной  практике,  применительно  к конкретному классу технических

объектов - ВКА.

     В настоящее   время  известно  более  30  методов  поискового

конструирования. Разработки более эффективных методов поиска новых

технических решений (ТР) интенсивно продолжаются, при этом просле-

живаются три основных направления разработок [82 -  85]:  создание

принципиально новых методов, создание новых методов на основе ком-

бинации известных и увеличение эффективности известных методов.

     Анализ известных методов формирования ТР показал,  что наибо-

лее эффективными, а потому широко используемыми на практике, явля-

ются:  "теория  решения изобретательских задач" (ТРИЗ),  метод эв-

ристических приемов, обобщенный эвристический метод, метод гирлянд

ассоциаций и метафор, морфологические методы анализа и синтеза та-

кие, как метод "матриц открытия", метод десятичных матриц поиска и

другие,  направленные  на исследование самого объекта проектирова-

ния,  а не психологических особенностей человека. Кроме того, ука-

занные  методы  могут быть в значительной мере формализованы,  что

немаловажно с позиций поставленных задач.

     В работах  [86,  87]  разработана  методика решения конструк-

торско-изобретательских задач,  которая получила название  "теория

решения изобретательских задач".  ТРИЗ представляет собой система-

тизированный набор преимущественно эвристических правил,  выполне-

ние которых облегчает решение конструкторской задачи.

                              - 34 -

     В работе [88] описаны  алгоритмы  автоматизированного  поиска

новых  конструктивных  решений  с помощью ЭВМ для задач невысокого

уровня сложности и новизны,  с  применением  метода  эвристических

приемов.  Суть  этого  метода при проектировании новой конструкции

можно представить,  как преобразование известных прототипов с  по-

мощью определенного набора эвристических приемов, и получение мно-

жества новых конструктивных решений, отвечающих заданным условиям,

среди которых ведется затем поиск оптимального варианта. Библиоте-

ка эвристических приемов преобразования прототипов  для  несложных

механических  систем содержит 16 приемов,  которые подразделены на

16 групп.  Из 86 составленных эвристических приемов для 65 имеются

рекомендации  по их формальному описанию,  открывающие возможность

их программирования на ЭВМ,  остальные пока не  удалось  формально

описать [82].

     Метод гирлянд ассоциаций и метафор является одним из эвристи-

ческих  методов поискового конструирования,  требующим минимальной

информационной подготовки и в наибольшей мере использующим  инфор-

мацию,  содержащуюся в мозгу конструктора [89]. Суть метода заклю-

чается в определении гирлянд синонимов и гирлянд случайных  объек-

тов  с  последующим составлением комбинаций из этих случайных гир-

лянд.  Конечным результатом является выбор рационального  варианта

технического объекта и отбор наилучшего из рациональных,  как пра-

вило, методом экспертных оценок.

     Во многих методах поиска новых ТР присутствуют одинаковые или

близкие этапы и процедуры,  причем существует некоторый инвариант-

ный порядок следования этапов и процедур. Это послужило основанием

для создания обобщенного эвристического метода.  В работе [90]  на

основе  анализа  большой  группы  известных методов решения техни-

ческих задач выявлен полный  список  основных  этапов  творческого

процесса  и процедур его выполнения и построен обобщенный эвристи-

                              - 35 -

ческий алгоритм  поиска  ТР.  В  структуре  обобщенного  алгоритма

используются массивы информации, которые являются данными для про-

цедур этапов проектирования.  Порядок следования процедур и  выбор

процедур в процессе решения задачи определяется разработчиком. По-

иск нового ТР разрабатываемого  объекта  ведется  последовательным

выполнением на каждом этапе необходимых процедур.  Список процедур

этапов,  а также описание назначения этапов и массивов  информации

изложены  в  работах [91,  92].  Следует отметить,  что разработка

обобщенного эвристического метода была выполнена  на  эмпирическом

уровне.  В  связи  с  этим  необходимо проведение методологических

исследований по научно обоснованному обобщению эвристических мето-

дов и установлению полного набора и иерархии этапов и процедур об-

работки информации при поиске новых ТР.

     Для поиска  новых ТР на основе взаимосвязи показателей техни-

ческих объектов и эвристических приемов разработан метод  десятич-

ных матриц поиска (ДМП) [93].  Все основные показатели технических

объектов разделены на 10 групп,  что  дало  возможность  построить

особую десятичную систему матричных таблиц,  в строках которых за-

писаны меняющиеся характеристики технического объекта,  а в столб-

цах - группы эвристических приемов их изменения.  Каждая клетка на

пересечении ряда и столбца соответствует определенному ТР, краткое

описание  которого  может сопровождаться графическим описанием.  В

зависимости от содержащейся информации ДМП могут носить общетехни-

ческий,  отраслевой  или  предметный характер.  При построении ДМП

должна использоваться  патентно-техническая  литература.  Значение

взаимосвязей  показателей  технических  объектов  и групп эвристи-

ческих приемов, а также конкретных требований решаемой задачи пре-

допределяет целенаправленный выбор пути ее решения.

     Ф. Цвикки предложил чрезвычайно простую модель ситуации выбо-

ра,  в которой оказывается конструктор при создании новых ТР, наз-

                              - 36 -

вав ее морфологическим ящиком [94].  Техничекий объект  исследуют,

выделяя ряд характерных признаков              Затем для признаков

находят различные варианты исполнения,  реализующие эти  признаки.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8