Сильфонные вводы

КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ СИЛЬФОННЫХ ВВОДОВ

С помощью вводов с герметизацией ведомого звена металлическим сильфоном можно обеспечить передачу в вакуум поступательного, качательного и вращательного движений в достаточно широком для практического применения диапазоне величины перемещения в вакууме, скорости движения и передаваемых нагрузок.

Цельнометаллические сильфонные вводы нашли наиболее эффективное применение в прогреваемой высоковакуумной аппаратуре ввиду относительно простой конструкции и технологии изготовления, а также возможности использования при их конструировании сильфонов из нержавеющей стали, изготавливав мых серийно.

Важным преимуществом сильфонных вводов, существенно расширяющим область их практического применения в высоко-вакуумной аппаратуре, является возможность комбинирования в одной конструкции двух или более сильфонных вводов разных типов с целью обеспечения в высоком вакууме перемещений объекта одновременно в нескольких направлениях. Наиболее сложными по конструкции из всех типов сильфонных вводов являются вводы для передачи вращательного движения.



К настоящему времени на практике получили распространение многие конструктивные схемы сильфонных вводов, а ряд зарубежных фирм, занимающихся разработкой и изготовлением вакуумной аппаратуры, организовал самостоятельный выпуск сильфонных вводов главным образом вращательного типа («Vacuum Generators Ltd» США, «Varian» Англия, «Balzers» Лихтенштейн, «Japan Vacuum Engineering Co. Ltd» Япония).

Однако несмотря на значительное разнообразие конструктивных вариантов сильфонных вводов, очень мало опубликовано данных по их долговечности и надежности, особенно в условиях многократных циклических прогревов при обезгаживании и при передаче значительных нагрузок.

Основными факторами, определяющими работоспособность сильфонных вводов, являются: а) долговечность сильфонов в условиях их циклического нагружения, определяемая числом циклов нагружения до их разгерметизации вследствие появления сквозных усталостных трещин в гофрах сильфона; б) долговечность подшипниковых опор в вакуумной части вращательных вводов, определяемая временем гарантийной работы без выхода их из строя (заклинивание, износ трущихся поверхностей, резкое увеличение собственного момента трения и т. д.) при номинальных нагрузках, скоростях и температурных режимах; в) долговечность зубчатого зацепления в вакууме для планетарных вводов вращения с редукцией, определяемая временем работы зацепления при номинальных передаваемых вращающих моментах, скоростях и температурных режимах до выхода зацепления из строя (износ контактируемых поверхностей, механическое разрушение и т. д.).

На рис. 21 приведена классификационная таблица сильфонных вводов, в основу которой положены следующие признаки:

1) характер передаваемого в вакуум движения, совершаемого ведомым звеном ввода; по этому признаку все сильфонные вводы делятся на вводы поступательного, качательного и вращательного движений;

2) кинематические особенности движения ведомого звена; в соответствии с этим признаком поступательные вводы различаются по величине требуемого хода в вакууме, от которой зависит выбор конструктивной схемы ввода в целом, а вращательные — по передаче вращения с редукцией или без нее;

3) основные конструктивные отличия вводов; по этому признаку все поступательные вводы разделены на четыре вида в зависимости от конструкции сильфонного узла: одинарные (с одним сильфоном), гирляндные (с двумя или несколькими последовательно расположенными одинаковыми сильфонами), телескопические (с двумя или несколькими, но разными сильфонами, расположенными один внутри другого) и импульсивные (у них общая величина перемещения ведомого звена в вакууме не зависит от величины допустимого прогиба сильфона, но само движение осуществляется в виде периодически повторяющихся импульсных подач, величина которых уже зависит от допустимого прогиба сильфона); вращательные вводы в зависимости от конструкции ведомого звена с сильфонной герметизацией также подразделяются на четыре вида: с кривошипным, криволинейным и прямолинейным ведомыми валами, у которых в процессе передачи движения от ведущего звена к ведомому сильфон подвергается сложным деформациям, и плунжерные (с двумя или тремя промежуточными сильфонными штоками, в которых сильфоны подвергаются только осевым деформациям);

4) конструктивные меры по повышению долговечности сильфонных вводов, связанные или с принудительным ограничением прогибов сильфонов вводов поступательного движения (это касается главным образом гирляндных и телескопических типов вводов), или с разгрузкой сильфонов от передаваемого вращающего момента и подшипниковых опор в вакууме от действия перепада давления атмосфера—вакуум для вращательных вводов.

На рис. 22—30 показаны принципиальные схемы сильфонных вводов различных типов в соответствии с предложенной классификацией.

На рис. 22 приведены принципиальные схемы четырех типов поступательных вводов: одинарного, гирляндного, телескопического и импульсивного.

Самым простым по конструкции является одинарный ввод с одним сильфоном (рис. 22, а), допустимый прогиб X которого составляет максимальным ход сильфонного штока ввода.

В случае необходимости обеспечения в вакууме линейного перемещения, которое больше, но соизмеримо с величиной допустимого прогиба сильфона, например больше в 2—5 раз, при-меняют гирляндные или телескопические конструкции поступательных вводов, ход которых равен сумме допустимых прогибов всех сильфонов.

На рис. 22, б показана схема гирляндного ввода с тремя последовательно расположенными одинаковыми сильфонами 1, между которыми вварены промежуточные втулки 2, служащие для герметичного соединения сильфонов между собой. Данная схема гирляндного ввода наиболее простая, так как в ней отсутствуют конструктивные элементы для ограничения прогиба каждого сильфона. Гирляндные вводы имеют значительный осевой габаритный размер, определяемый суммарной длиной сильфонов, а их радиальный размер зависит от величины наружного диаметра сильфонов.

Если по каким-либо условиям осевой размер сильфонного ввода поступательного движения должен быть ограничен, при-меняются телескопические конструкции. Так как в телескопических вводах используются разные по габаритным размерам сильфоны, имеющие существенно различную жесткость, то для обеспечения допустимого хода каждого сильфона при их последовательной работе и предотвращения чрезмерного хода сильфона с наименьшей жесткостью в конструкциях телескопических вводов для повышения их долговечности рекомендуется конструктивными мерами регламентировать ход каждого сильфона.

На рис. 22, в показана одна из возможных конструктивных схем такого телескопического ввода. Особенность работы телескопического ввода по этой схеме заключается в следующем: в исходном положении наружный сильфон сжат на величину прогиба Я2, а внутренний сильфон (с меньшей жесткостью) находится в свободном состоянии; при рабочем движении сильфонного штока (по направлению из вакуума в атмосферу) вначале сжимается внутренний сильфон с заданным ходом Яь равный допустимому прогибу меньшего сильфона, а затем, когда буртик штока дойдет до составного кольца 1, к которому герметично приварены правые торцы обоих сильфонов, разжимается внешний сильфон с ходом Х2 до соприкосновения составного кольца с ограничительной шайбой 2.

В отличие от гирляндных телескопические вводы имеют значительный радиальный размер, и поэтому при силовых расчетах во многих случаях необходимо учитывать действие перепада давления атмосфера — вакуум.

На рис. 22, г показана принципиальная схема импульсивного ввода поступательного движения у которого, как было отмечено, общая величина перемещения ведомого звена в вакууме не зависит от величины допустимого прогиба сильфонов. Основными конструктивно-кинематическими элементами такого ввода являются ведомый шток 5, который центрирован в направляющих 1 я 6 в вакууме, а по его длине нарезаны зубья, подвижная труба 2, которая через сильфон 3 герметично присоединена к неподвижной трубе 4 и базовому фланцу 7, два аналогичных возвратно-поступательных механизма 8 и 9, сильфонные штоки которых снабжены зубчатыми прижимами, причем механизм 8 установлен на подвижной трубе 2, а механизм 9 — на неподвижной трубе 5, и расположенные в атмосфере три привода, обеспечивающие возвратно-поступательные перемещения подвижной трубы и сильфонных штоков механизмов 8 и 9.

Работа приводов осуществляется таким образом, что когда сильфонный шток 8 прижат к ведомому штоку 5, сильфонный шток 9 выходит из зацепления, а труба 2 перемещается вправо вместе с механизмом 8 и ведомым штоком на величину подачи В конце рабочего хода привод III вводит прижим сильфонного штока 9 в зацепление с ведомым штоком, привод II выводит сильфонный шток из зацепления, а привод I в процессе своего обратного движения возвращает трубу 2 вместе с сильфонным механизмом 7 в первоначальное положение; при этом шток 1 удерживается в сдвинутом на величину X положении зажимом сильфонного механизма 8.

Таким образом осуществляется прерывистое импульсное движение ведомого штока в вакууме с величиной подачи в импульсе X и общей величиной хода кХу где к — число импульсов. Важной особенностью данного устройства является то, что в его узлах в вакууме, за исключением трения качения в направляющих, в принципе отсутствует трение движения, а статическое трение в зонах силового контакта прижимов с видовым штоком является полезным и способствует повышению нагрузочной способности и кинематической точности ввода.

Один из существенных недостатков импульсивных вводов подобной конструкции может заключаться в том, что для обеспечения их работы требуется достаточно большой внешний привод со многими кинематическими звеньями и надежной блокировкой и синхронизацией работы всех его подвижных элементов.

На рис. 23, показаны схемы сильфонных вводов качательных движений, отличающиеся друг от друга местом расположения оси качания: внутри сильфона, в плоскости заделки сильфона и вне сильфона. Конструкции качательных вводов довольно просты, но в ряде случаев для предотвращения недопустимого изгиба свободного торца сильфона больше рекомендуемого угла ф поворота необходимо предусматривать при конструировании ограничители угла качания сильфона. Конструкции вводов качательного движения, изображенные на рис. 23, а и б, отличаются наибольшей компактностью, но при необходимости передачи качательных движений со значительными усилиями более предпочтительной в ряде случаев при конструировании может оказаться схема с внешним шарниром. Сильфоны во вводах качательного движения подвергаются изгибным деформациям, величина которых определяется углом поворота ф;

Принципиальные схемы сильфонных вводов вращательного движения показаны в табл. 24 и на рис. 24—30. В табл. 24 приведены пять видов схем вводов с кривошипным ведомым валом, отличающихся друг от друга конструкцией стыка свободного торца сильфона с подвижными элементами ввода и расположением геометрического центра свободного торца сильфона относительно оси ввода.

Именно эти конструктивные факторы определяют форму деформирования сильфона при передаче вращения, величину и характер возникающих в его гофрах напряжений.

В табл. 24 показаны также вид деформированной оси сильфона, соответствующий каждой конструктивной схеме, силовые факторы в виде изгибающего момента М и поперечной силы Ру, воздействующие на свободный торец сильфона, и приведены расчетные формулы для определения упругой линии сильфона и ее минимального радиуса кривизны pmin в зависимости от величины поперечного смещения е свободного торца сильфона или угла его поворота ф. Рассмотрим особенности каждой схемы.

Схема 1. Передача вращения осуществляется от ведущего кривошипного вала к кривошипному ведомому валу с помощью промежуточного вала с шарнирной опорой внутри сильфона. Промежуточный вал герметично закреплен на свободном торце сильфона и совершает круговые качательные движения относительно шарнира, который целесообразно располагать в атмосферной части ввода. Сильфон подвергается чистому изгибу, при котором деформации определяются наибольшим смещением е центра свободного торца сильфона относительно оси ввода и углом поворота оси сильфона ср.

Схема 2. Передача вращения от ведущего эксцентрикового вала к ведомому эксцентриковому валу осуществляется за счет плоскопараллельного колебательного движения промежуточного. звена, герметично закрепленного на свободном торце сильфона и приводимого в движение при вращении ведущего вала. В промежуточном звене соосно расположены подшипниковые опоры для эксцентриков обоих валов. Конструкция симметрична, поэтому любой из эксцентриковых валов может быть ведущим или ведомым. Сильфон подвергается изгибу и поперечному сдвигу свободного торца параллельно оси ввода на величину эксцентриситета е.

Схема 3. В этом случае передача вращения осуществляется также с помощью промежуточного звена, герметично закрепленного на свободном торце сильфона, но в отличие от предыдущей схемы здесь промежуточное звено при вращении ведущего кривошипного вала совершает круговое качательное движение относительно центра, расположенного на оси ввода и несколько смещенного относительно центра свободного торца сильфона в изогнутом положении. Сильфон подвергается изгибу л поперечному сдвигу свободного торца, определяемых углом поворота оси сильфона <р и смещением е.

Одной из модификаций такой схемы сильфонного ввода является конструкция с промежуточным звеном, выполненным в виде герметичного стакана, опирающегося на внутренний сферический подшипник ведущего эксцентрикового вала и внешний сферический подшипник ведомого эксцентрика, что существенно разгружает сильфон от действия передаваемого вводом вращающего момента.

Схемы 4 и 5. Особенность этих конструктивных схем заключается в том, что в процессе передачи движения промежуточный вал или промежуточное звено с подшипниковыми опорами для кривошипных ведущего и ведомого валов совершают круговые качательные движения относительно центра свободного торца сильфона, расположенного на оси ввода. Поэтому сильфон подвергается в этих случаях изгибу без поперечного смещения свободного торца.

Сравнение конструктивных схем вводов с кривошипным ведомым валом с точки зрения величины минимального радиуса кривизны ртш деформированной оси сильфона при аналогичных значениях величин а и ф показывает, что наибольшая величина радиуса кривизны при наименьшей степени деформирования сильфона и, следовательно, наименьших возникающих в нем при деформации напряжениях соответствует схеме с чистым изгибом сильфона.

Чистый изгиб сильфона может быть также обеспечен при криволинейной форме одного из валов ввода, например ведомого. Две схемы таких вводов показаны на рис. 24: с радиальными подшипниковыми опорами в промежуточном звене и с осевыми. Различное конструктивное оформление подшипниковых опор на промежуточном звене во вводах с криволинейным валом определяется такими факторами при конструировании вводов, как требуемые габаритные размеры, величина передаваемого вращающего момента и скорость вращения ведомого звена.

На рис. 25 показана схема ввода вращения с прямолинейными ведущим и ведомым валами, каждый из которых имеет на конце диски с косыми торцами, между которыми располагается промежуточное звено, герметично закрепленное на свободном торце деформируемого сильфона.

При вращении диск ведущего вала через шарики приводит промежуточное звено в колебательное движение, которое также через шарики возбуждает вращательное движение ведомого вала. В этом случае при расположении центра круговых колебательных движений промежуточного диска на оси ввода форма изгиба сильфона аналогична форме изгиба, показанной в табл. 24 на схемах 4 и 5. Для всех конструкций вводов, схемы которых были показаны в табл. 24 и на рис. 24—25, общим является то, что они обеспечивают передачу вращения без редукции, причем в процессе передачи крутящего момента сильфоны дополнительно к изгибным деформациям могут нагружаться скручивающим моментом от сил сопротивления в подшипниках промежуточного звена.

Схема ввода вращательного движения плунжерного типа представлена на рис. 26. Передача вращения от ведущего вала к ведомому осуществляется также без редукции следующим образом. На конце ведущего вала 11 расположен наклонный диск 10, который при своем вращении через шарики 9 приводит в круговое качательное движение промежуточный диск 8, который шарнирными звеньями 7 связан с тремя сильфонными штоками 6, совершающими циклические возвратно- поступательные перемещения. При этом в вакуумной части ввода через шарнирные звенья 5 возбуждается круговое качательное движение промежуточного диска 4, синхронное движению диска 10, и через шарики 3 — вращение наклонного диска 2, закрепленного на ведомом валу 1.

Существенным преимуществом такой конструкции ввода вращательного движения является то, что его герметизирующие сильфоны испытывают в процессе работы только осевые де-формации и поэтому их долговечность может быть очень высокой. Однако наличие в вакуумной части ввода дополнительных узлов трения, неравномерность вращения ведомого вала, увеличение габаритных размеров и сложность конструкции ввода в целом ограничивают на практике применение плунжерных сильфонных вводов вращения.

Схемы вводов для передачи вращения без редукции, но с разгрузкой сильфонов от скручивающих усилий, показаны на рис. 27: с пространственным шарниром и с обкатывающимся коническим колесом. Во втором случае необходимым условием для обеспечения разгрузки сильфона от возникающих в узлах трения или в процессе изменения нагрузки скручивающих усилий является равенство числа зубьев z неподвижного солнечного колеса и обкатывающегося по нему колеса-сателлита.

В качестве одного из возможных конструктивных вариантов сильфонного ввода с планетарной конической зубчатой парой Е. В. Руднев предложил конструкцию ввода с кривошипным ведомым валом и прямолинейным промежуточным валиком с тремя самоустанавливающимися сферическими опорами. В этой конструкции вершины делительных конусов зубчатых колес совмещены с центром среднего сферического подшипника, а центры кривизны геометрической оси сильфона и среднего сферического подшипника расположены в одной плоскости.

При расположении конической зубчатой пары внутри сильфона (в атмосферной части ввода) герметизацию ввода можно усилить вторым, внешним, сильфоном с промежуточной откачкой полости между двумя сильфонами или заполнением ее пробным газом для автоматической сигнализации о начале разгерметизации ввода. Такая конструкция может обеспечить оптимальный режим нагружения сильфонной оболочки, и следовательно, повышенную работоспособность ввода при передаче значительных вращающих моментов.

В конструкциях вводов, выполненных по этим схемам, целесообразно располагать шарнирные опоры или планетарную зубчатую пару вне вакуума.

Схемы вводов для передачи в вакуум вращательного движения с редукцией показаны на рис. 28 и 29.

На рис. 28 показана одна из возможных схем сильфонного ввода с конической планетарной парой в которой сильфон нагружается передаваемым вращающим моментом. Закрепленное на свободном торце сильфона качающееся колесо-сателлит с числом зубьев 22 при вращении ведущего вала обкатывается по солнечному колесу с числом зубьев (22>21), в результате этого ведомый вал, на котором закреплено солнечное колесо, начинает вращаться с редукцией, определяемой передаточным числом.

Один из существенных недостатков подобных конструктивных схем планетарных сильфонных вводов заключается в том, что поскольку сильфон воспринимает при работе ввода увеличенный с учетом редукции момент сил сопротивления, величина передаваемого момента зависит от жесткости сильфона и, как правило, может быть невысокой. Кроме того, расположение внутри сильфона в вакуумной части конической зубчатой пары значительно усложняет конструкцию ввода и снижает его к. п. д., а в случае возникновения переменных нагрузок на ведомом валу возможны колебания мгновенного передаточного числа, величина которых будет определяться соотношением между нагрузкой и жесткостью сильфона на кручение.

Три схемы планетарных сильфонных вводов с разгруженным от действия передаваемого вращающего момента сильфоном представлены на рис. 29. В конструкции ввода, приведенной на рис. 29, а, при вращении ведущего вала с закрепленным коническим колесом с числом зубьев Z начинает обкатываться по нему колесо-сателлит с числом зубьев z, которое жестко связано с другим-сателлитом, имеющим равное с неподвижным солнечным колесом число зубьев 2. Таким образом, первая коническая зубчатая пара обеспечивает редукцию при передаче вращения, величина которой определяется зависимостью (3), а вторая — разгрузку сильфона от скручивающих усилий и предотвращает проворот колеса z2 вокруг своей оси.

На рис. 29, б представлен вариант ввода с планетарной цилиндрической парой и кривошипной разгрузкой сильфона. При вращении ведущего кривошипного вала 1 стенка, герметизирующая свободный торец сильфона, начинает совершать плоскопараллельное качательное движение относительно оси ввода с амплитудой, равной эксцентриситету кривошипного вала. При этом закрепленное на стенке цилиндрическое внутреннее колесо с числом зубьев z2 обкатывается по солнечному колесу Z и приводит во вращение ведомый вал с передаточным числом i, определяемым по формуле (3), а два одинаковых и симметрично расположенных дополнительных кривошипа 2 и 3 предотвращают проворот колеса z2 относительно своей оси и, следовательно, разгружают сильфон от скручивающих усилий.

Вариант ввода с двумя парами конических планетарных колес показан на рис. 29, в. В этом случае внутренняя пара с обкатывающимся колесом z2 и ведомым колесом Z обеспечивает редукцию ввода с передаточным числом i, также определяемым по формуле (3), а внешняя коническая пара колес с равным числом зубьев z обеспечивает разгрузку сильфона от действия вращающего момента. Наличие в вакуумной части подобных вводов зубчатых пар, расположенных внутри сильфонов, а также дополнительных кинематических звеньев для разгрузки сильфонов делает их конструкции весьма сложными и требует повышенной точности сборки при их изготовлении. Для подобных конструкций сильфонных планетарных вводов величина передаваемого вращающего момента может определяться нагрузочной способностью зубчатого зацепления в вакууме.

Для всех рассмотренных конструктивных схем сильфонных вводов вращения с подшипниковыми опорами и узлами трения на подвижных промежуточных звеньях, расположенных в вакуумной части вводов, характерно то, что на работоспособность этих эле-ментов вредное воздействие оказывает перепад давления атмосфера — вакуум. В этих случаях пары трения нагружаются дополнительно осевыми усилиями. Особенно существенным становится влияние осевого нагружения при возрастании перепада давления, причем с ростом избыточного давления падает к. п. д. вводов. Поэтому при передаче вращения в герметичный объем при значительных перепадах давления применяют специальные конструкции вводов со сдвоенными сильфонами с целью разгрузки подшипниковых опор и частично сильфонов от действия осевых нагрузок.

На рис. 30 приведена одна из возможных схем такого ввода. Два сильфона 1 и 4 герметично закреплены одним своим торцом на неподвижных стенках 6 и 9 и между собой с помощью промежуточного звена 7, на котором жестко закреплена ось 8. Полости обоих сильфонов сообщаются между собой, поэтому промежуточное звено не подвергается действию перепада давления атмосфера—вакуум.

Для разгрузки сильфонов от скручивающих усилий проме-жуточное звено установлено в пространственном шарнире 2, одно из звеньев которого составляет коромысло 3 с двумя рычагами, проходящими через специальные отверстия (на схеме показаны условно штриховой линией) в стенке 6. Таким образом, при вращении ведущего кривошипного вала 5 начинает совершать вращательно-колебательное движение коромысло 3, а от него промежуточное звено 7 с осью S, которое приводит во вращение ведомый кривошипный вал 10.

Эффективной мерой повышения работоспособности сильфонных вводов при передаче вращения в герметичный объем при больших перепадах давления (свыше 10 кгс/см2) является использование в этих случаях многослойных сильфонов.

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАЛЬНЫХ СИЛЬФОНОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ВО ВВОДАХ ДВИЖЕНИЯ

В конструкциях прогреваемых высоковакуумных вводов движения применяются преимущественно стальные бесшовные однослойные сильфоны, изготовляемые из нержавеющей стали Х18Н10Т. В особых случаях применяются сильфоны из материалов с повышенными термическими и упругими свойствами, например дисперсионно-твердеющего сплава 36НХТЮ (ЭИ702) и бериллиевой бронзы БрБ2.

На рис. 31 показаны два типа серийно выпускаемых стальных сильфонов и их геометрические размеры: с внутренним посадочным диаметром (рис. 31, а) и с наружным посадочным диаметром (рис. 31, б). Основными геометрическими и конструктивными размерами таких сильфонов являются: D — наружный диаметр; d — внутренний диаметр; L — длина; t — шаг гофров; а — толщина гофра; z— число гофров; d1 — посадочный диаметр бортика; l— длина бортика; s0 — толщина стенки трубки-заготовки; r«0,5-f-l мм — радиус закругления посадочной поверхности бортика (обеспечивается инструментом при изготовлении сильфонов).

При этом необходимо иметь в виду, что у сильфонов, которые изготовляются гидравлическим или механо-гидравлическим способом, толщина стенки в гофрированной части сильфона меньше толщины стенки исходной трубки-заготовки, причем наименьшая толщина стенки у наружных гофров. Приближенно, на основании экспериментальных данных, можно считать, что толщина стенки s у таких сильфонов в произвольной точке гофра обратно пропорциональна расстоянию R этой точки до оси сильфона.

Основными характеристиками сильфонов, которые необходимо принимать во внимание при конструировании вводов движения, являются:

1) полный и рекомендуемый прогиб сильфона при действии сосредоточенной осевой нагрузки;

2) наибольшее допускаемое внутреннее или наружное рабочее давление;

3) жесткость характеризуемая постоянным отношением осевой нагрузки Q к вызываемому ею ходу гофров сильфона К (при соприкосновении гофров друг с другом прямая пропорциональность нагрузки и прогиба нарушается и жесткость сильфона существенно возрастает);

4) эффективная площадь ф —, характеризуемая отношением осевой нагрузки Q к избыточному давлению р, когда вызываемые ими деформации сильфона одинаковы; эффективную площадь можно подсчитать по зависимости Все эти характеристики указаны в нормалях на стандартные сильфоны. В табл. 25 приводятся типоразмеры сильфонов с наибольшими прогибами, которые рекомендуется применять при конструировании сильфонных вводов движения различных типов.



ОСОБЕННОСТИ СИЛОВОГО НАГРУЖЕНИЯ СИЛЬФОНОВ ВАКУУМНЫХ ВВОДОВ ДВИЖЕНИЯ И ОЦЕНКА ИХ ПРОЧНОСТИ

При конструировании сильфонных вводов одними из основных исходных параметров, которыми руководствуется конструктор, являются выбираемая им величина и характер перемещения незакрепленного торца сильфона. Именно эти факторы определяют деформированное состояние сильфона, величину и вид возникающих в сильфоне напряжений.

При выборе рабочего хода сильфона необходимо принимать во внимание, какое нагружение испытывает сильфон (сжатие, растяжение, изгиб, поперечный сдвиг, кручение и т. д.), какое действует давление (внешнее или внутреннее), какова цикличность приложения нагрузки (медленные и редкие перемещения или быстрые и частые), рабочие температуры, режимы прогревов при обезгаживании. При этом нужно иметь в виду следующие особенности сильфонов.

1) Разрушение сильфонов обычно проявляется в виде появления усталостных трещин в наиболее напряженных и слабых участках гофрированной части. Факторами, способствующими развитию усталостного разрушения сильфонов, являются разностенность, неравномерность напряжений, изменение механических свойств и химического состава исходного материала сильфона в процессе его изготовления и др.

На рис. 32 показаны точки на наружном 1 и внутреннем 2 гофрах, где возникают наибольшие напряжения.

2) Сильфоны лучше работают на сжатие, чем на растяжение, что связано с большей податливостью наружных гофров по сравнению с внутренними.

3) В зависимости от направления рабочего хода и характера давления возникающие в наиболее опасных точках сильфона напряжения могут или усиливаться, или уменьшаться; это видно из схемы действия внутреннего или внешнего давления на гофры сильфона, показанной на рис. 33, где деформации гофров под воздействием давления обозначены пунктиром. Рассматривая нагружение гофров, можно заметить, что внешнее давление препятствует сжатию внутренних гофров при работе сильфона на сжатие, поэтому внешние более податливые гофры совершают большую часть работы, частично разгружая менее податливые внутренние гофры. При внутреннем давлении внутренние гофры при сжатии воспринимают большую часть работы, а так как у нормализованных сильфонов ширина впадины между гофрами примерно в 2—2,5 раза меньше толщины гофра, то допустимая величина хода сильфона в этом случае будет меньше, чем при внешнем давлении; поэтому при работе сильфона на сжатие внешнее давление предпочтительнее.

4) Если необходимо получить максимальный рабочий ход сильфона при действии внешнего давления, то целесообразно обе-спечить его за счет предварительного растяжения сильфона на 1/3 хода и затем сжатия в процессе рабочего нагружения на 2/3 хода; при действии внутреннего давления, наоборот, за счет предварительного сжатия на 1/3 хода и затем растяжения на 2/3 хода.

5) При незначительной скорости и частоте осевых деформаций рабочий ход сильфона можно принимать в пределах до 20% от длины гофрированной части сильфона; при значительной скорости и частоте циклов нагружения рекомендуется величину рабочего хода ограничить 10% длины гофрированной части.

6) При длительных прогревах на воздухе при температурах 400—500°С и выше в сильфонах из нержавеющей стали развивается межкристаллитная коррозия, существенно понижающая их герметичность при многократно повторяющихся циклах нагружения. Так, при длительных испытаниях ряда электровакуумных приборов получено, что в случае обезгаживания сильфонов при температуре 450—500°С в течение 2 ч они выходят из строя по герметичности в период первых двух лет хранения и нагрев сильфонов по этой причине свыше 450°С или время прогрева при этой температуре свыше 2 ч не рекомендуются. Достаточно высокие свойства при многократно повторяющихся циклах нагружения и предварительных прогревах до температуры 450—500°С в течение 8—12 ч имеют сильфоны из бериллиевой бронзы.

Например, сильфоны размерами 27X8X0,12 с ходом 5 мм выдерживают до разрушения 10 000 циклов, а с ходом 2,5 мм — более 300 000 циклов; при этом существенное влияние оказывает частота нагружения: например, при снижении частоты циклов с 3 до 2 в секунду долговечность сильфонов увеличивается в среднем в 2 раза.

Если необходимо обеспечить прогрев сильфонного ввода при температурах в диапазоне 500—700°С, то целесообразно применять сильфоны из сплава ЭИ702; в этом случае при температурах в интервале 550—650°С, времени прогрева в течение 8 ч (что совпадает с режимом дисперсионного твердения сплава ЭИ702), частоте циклов нагружения 3 в секунду и величине хода, составляющей 60% от величины максимального линейного прогиба сильфонов, практически полученная долговечность сильфонов с размерами 28X8X0,12 составляет (1-2)105 циклов.

Определение действительных напряжений, возникающих в гофрах сильфона при его деформациях, сопряжено с значительными трудностями при использовании теории оболочек для получения расчетных зависимостей, пригодных для практического применения. Поэтому на практике для приближенной оценки напряжений в сильфоне используются расчетные зависимости, которые получены на основе теории изгиба круглых пласти-нок; в этом случае сильфон представляется в виде последовательно соединенных друг с другом кольцевых пластинок.

Констукции цельно-металлических сильфонных вводов На рис. 34 представлена конструкция сильфонного привода, обеспечивающего в вакууме 10-7—10~8 мм рт. ст. возвратно- поступательные перемещения объекта на величину до 120 мм со ступенчатой регулировкой скорости от 0,02 до 24 мм/мин.

На фланце 4 вакуумной камеры крепится базовый фланец 5 привода, уплотняемый с помощью медной прокладки. Во фланец 5 вварена направляющая втулка 6, в которой монтируются две опорные втулки 2 и 7, представляющие собой подшипники скольжения. К буртику направляющей втулки приварена гирлянда из пяти сильфонов 3 и четырех переходных втулок между ними. К последнему сильфону приварен наконечник /, к которому присоединяется перемещаемый объект. В наконечник ввинчивается полый водо-охлаждаемый сварной шток 8 со штуцерами 15 для присоединения гибких шлангов системы водяного охлаждения. С помощью штифта 14 шток крепится к винту 13, который является выходным валом редуктора 11 со ступенчатой регулировкой скорости. Электродвигатель 10 установлен на стойке 9, которая также крепится к фланцу 5. Для установки привода на вакуумной камере предназначены ручки 16. С помощью шпонки 12 винт 13 предохраняется от вращения, которое может привести к скручиванию сильфонов.

Особенность данного привода заключается в том, что он служит для перемещения деталей, находящихся при высокой температуре, поэтому привод выполнен водо-охлаждаемым. В промежутке между стенкой вакуумной камеры и сильфонной гирляндой может быть установлен нагреватель для обезгаживания вакуумной части привода. В случае выхода из строя одного из сильфонов его срезают и заменяют новым.

На рис. 35 приведена конструкция вакуумного привода с телескопическим сильфонным вводом поступательного движения. Такой ввод обеспечивает при своей работе качательное движение размещенного в вакууме рычага 1 относительно оси 2, закрепленной на стойке 3. С помощью шарнирного соединения 4 рычаг соединяется с сильфонным штоком 5, который с помощью шар-нирного соединения 6 сочленяется с поступательно движущимся винтом 7 при вращении гайки 8. Вращение гайки 8 осуществляется через червячный редуктор 11 электродвигателем 10 или вручную маховичком 9.

Электромеханический привод обеспечивает на гайке 8 максимальный вращающий момент 350 кгс/см. Для обеспечения регулируемого усилия и компенсации в конце хода штока возможных неточностей при остановке электродвигателя с помощью микропереключателя установлены тарельчатые пружины 12. С помощью штуцеров 13 осуществляется охлаждение водой корпуса редуктора. Охлаждение необходимо для защиты механической части привода, расположенной в атмосфере, от перегрева при обезгаживании вакуумной части привода, размещенной в патрубке 14 вакуумной камеры.

Особенность данной конструкции привода заключается в том, что в процессе поступательного перемещения сильфонный ввод совершает также и качательное движение относительно оси 2, что обеспечивается двумя шарнирными соединениями 4 и 6, а также специальной конструкцией сильфонного ввода, показанного на рис. 36 более подробно.

К фланцу 9, которым ввод присоединяется к вакуумной камере и уплотняется с помощью медной или алюминиевой прокладки, приваривается внешний сильфон 8 (100x13x0,22), один торец которого сваривается со стаканом 7, а другой с втулкой 10, фиксируемой относительно стакана 7 стопорным кольцом 11. Два внутренних сильфона 3 и 6 (52X14X0,16) последовательно привариваются к стакану 7, промежуточной втулке 5 и штоку 2. Сильфоны к втулке 5 и штоку 2 приваривают с помощью дополнительных тонкостенных колец 4. Промежуточная втулка 5 закрепляется на направляющей втулке 10. Внутренний сильфон 6 приваривается между стаканом 7 и кольцом 13, сферическая поверхность которого допускает необходимые покачивания направляющей втулки 15 вместе со штоком 2 относительно стакана 7. Осевая фиксация направляющей втулки 15 осуществляется установочным кольцом и развальцовкой правого торца самой втулки.

Шток присоединяется к ведущему звену привода (винту 7 на рис. 35) с помощью шарнирной оси 14, а к ведомому звену в вакууме — с помощью радиально-сферического двухрядного подшипника 1. Для проверки сильфонного ввода на герметичность после сварки на штоке 2 имеются продольные канавки.

Работа сильфонного ввода осуществляется следующим образом: при перемещении штока 2 вправо вначале сжимается внешний сильфон и выбирается ход 25 мм, а затем сжимаются два внутренних сильфона (при полном соприкосновении соответствующих торцов деталей 2, 15 и 16 общий максимальный ход сильфонного штока составит 25 + 22 + 22 = 69 мм).

На рис. 37 показана конструкция ввода качательного движения, предназначенного для обеспечения перемещения в вакууме зубчатой рейки 1 на 50 мм (по 25 мм относительно оси ввода в каждую сторону). Сочленение сильфонного штока 3 с рейкой 1 осуществляется с помощью сферического подшипника 2. Для обеспечения минимальных деформаций сильфонов при повороте штока на полный угол 20° использованы два сильфона 4 (27x10x0,14), соединенных между собой роликовой сваркой с помощью промежуточной втулки 10. Сильфоны привариваются к штоку 3 и фланцу 9, которым сильфонный ввод крепится на вакуумной камере 11, с помощью аргоно-дуговой сварки.

Перемещение штока и передача усилия на рейку осуществляется с помощью маховичка 6, винта 5 и гайки 7 с вилочным за цеплением штока, что обеспечивает качание штока относительно оси 8.

Конструкция сильфонного ввода вращательного движения с кривошипным (эксцентриковым) ведомым валом и соосным с ним аналогичным ведущим валом показана на рис. 38. Ведущий эксцентриковый вал 1 при своем вращении сообщает плоскопараллельное колебательное движение относительно оси ввода промежуточному звену 2, герметично приваренному к свободному торцу сильфона 3, другой торец которого приварен к фланцуй. Промежуточное звено разделено герметичной перегородкой на две части, в которых раз-мещаются соосно подшипники эксцентриков ведущего и ведомого валов.

В процессе колебательного движения промежуточного звена ведомому валу 5 сообщается вращательное движение с той же скоростью, с которой вращается ведущий вал. Такая конструкция ввода является одной из наиболее простых и технологичных ввиду идентичности конструкции ведущего и ведомого валов, возможности применения одинаковых по размерам подшипников, сравнительной легкости сборки и возможной замены вышедшего из строя сильфона.

Долговечность такого ввода зависит от эксцентриситета еу максимальная величина которого определяется допустимой де-формацией сильфона, а минимальная — допустимыми нагрузками на подшипники, расположенные в вакуумной части ввода.

Необходимо иметь в виду, как это уже было отмечено, что в процессе передачи вращающего момента сильфон в подобных вводах нагружается дополнительно моментом от фрикционных сил, возникающих в подшипниковых опорах промежуточного звена.

В результате проведенных исследований работоспособности некоторых конструкций подобных вводов при передаче момента? до 20 кгс/см, частоте вращения до 250 об/мин и предварительном прогреве до 450°С (при обезгаживании испытательной вакуумной камеры) в МВТУ им. Баумана было установлено, что вводы с сильфоном 63X15X0,16 из нержавеющей стали при е=4 мм проработали 2«106 циклов без разрушения сильфона, но через 1,03 • 106 циклов вышел из строя наиболее нагруженный подшипник эксцентрика, расположенный в атмосферной части ввода.

Как показали вакуумные испытания другого ввода подобной конструкции с сильфоном 78X15X0,16 и эксцентриситетом 3 мм при передаче момента 25 кгс/см и частоте вращения 350 об/мин (без нагрева), через 30—40 ч непрерывной работы (6,3—8,4-105 циклов) теряют свою работоспобность вследствие заклинивания наиболее нагруженные подшипники в вакуумной части ввода. Очевидно, что работоспособность подшипниковых опор в вакуумной части эксцентриковых вводов, особенно при передаче значительных нагрузок, в основном будет определять общую работоспособность подобных сильфонных вводов вращения.

Конструкция ввода с ведомым кривошипным (эксцентриковым) валом для передачи вращения без редукции, но с разгрузкой сильфона от скручивающих усилий, возникающих в процессе передачи вращающего момента, показана на рис. 39.

Разгрузка сильфона обеспечивается двумя штифтами 4, ко-торые входят в фигурные пазы промежуточного звена 2. Радиусы средней линии пазов равны величине эксцентриситета кривошипов ведущего 1 и ведомого 3 валов. Штифты располо-жены в плоскости, проходящей через ось вращения ввода. Работа ввода осуществляется следующим образом: при повороте ведущего вала на угол 90° по часовой стрелке промежуточное звено переместится в крайнее правое положение, в результате чего штифты займут крайнее левое положение в фигурных пазах; при этом центры штифтов будут перемещаться по радиусу, равному эксцентриситету кривошипных валов, в пределах угла 45°. При дальнейшем повороте ведущего вала на 90° штифты займут в пазах среднее положение, а затем при повороте на следующие 90° — крайнее правое положение и т. д.

Таким образом, в процессе плоскопараллельного колеба-тельного движения промежуточного звена, так же как и в предыдущей конструкции, возбуждается вращательное движение ведомого вала, но промежуточное звено с помощью двух штифтов защищено от проворота вокруг собственной оси, в результате чего обеспечивается разгрузка сильфона. Данная конструкция достаточно компактна, но из-за наличия в вакуумной части ввода трущихся пар она имеет определенные недостатки, связанные с ограничением скорости вращения.

Аналогичное конструктивное решение для разгрузки сильфона использовано и в варианте ввода для передачи вращения с редукцией, показанного на рис. 40.

В этой конструкции ввода при вращении ведущего вала 1 с эксцентриком, установленным на игольчатых подшипниках в промежуточном звене 2, последнее начинает совершать плоско-параллельное качательное круговое движение, при котором колесо, непосредственно нарезанное на промежуточном звене, начинает обкатываться по внутреннему зубчатому колесу на ведомом валу 5, приводя его во вращение с редукцией, зависящей от соотношения числа зубьев обоих колес. Промежуточное звено защищено от поворота штифтами 3, установленными в корпусе 4.

Наличие в этой конструкции зубчатой пары и трущихся элементов в соединении штифты — промежуточное звено в вакуумной части ввода также ограничивает его нагрузочную способность.

Сложное движение объекта в прогреваемой высоковакуумной аппаратуре можно обеспечить с помощью комбинированных сильфонных вводов, состоящих из двух или более сильфонных вводов различных типов, смонтированных на едином базовом фланце, с помощью которого комбинированный ввод устанав-ливается на вакуумной камере.

Конструкция цельнометаллического комбинированного сильфонного ввода для вращательного и поступательного перемещений объекта в высоком вакууме представлена на рис. 41. В этом устройстве вращение вала 1, на котором закрепляется объект в вакууме, осуществляется с помощью эксцентрикового ввода вращения с герметизирующим сильфоном 9 и ведущим маховиком 8. Вал 1 установлен на подшипниках в стакане 10, закрепленном на фланце 7, который уплотняется с помощью металлического уплотнителя в корпусе 6. Поступательное перемещение вала осуществляется при вращении диска 11 и скрепленной с ним гайки 12. При этом начинает поступательно двигаться корпус 6, который образует с гайкой 12 резьбовую пару и стопорится от вращения шпонкой 4, закрепленной на базовом фланце ввода 3. Герметизация ввода поступательного движения осуществляется сильфоном 5, подвижный торец которого приварен к корпусу 6, а неподвижный — к фланцу 3. Герметизация ввода на фланце 2 вакуумной камеры тоже осуществляется с по-мощью металлического уплотнителя.

На рис. 42 приведена цельнометаллическая конструкция комбинированного сильфонного ввода, с помощью которого можно передать размещенному в высоком вакууме предметному столику 16 горизонтальные перемещения в двух взаимно перпендикулярных направлениях, поворот относительно гори-зонтальной оси и поступательное вертикальное перемещение.

К фланцу 9, устанавливаемому на вакуумной камере и гер-метизируемому с помощью медной прокладки, приваривают герметично стакан 12 и диск 13. К диску приваривают гирлянду из двух сильфонов, к которой в нижней ее части приваривают опорный стакан 10, закрепленный винтами 3 во фланце 4 коти-ровочного механизма 5. Юстировочный механизм монтируется на плите 7, которая с помощью установочных шпилек 8 закрепляется в опорах фланца 9. Внутри стакана 10 размещен сильфонный ввод поступательного движения с двумя последовательно сваренными сильфонами 18, один из которых приваривается к стакану 10, а другой приваривается к пробке 20 с ввернутыми в нее штоками 19 в вакууме и 21 в атмосфере. На штоке 21 в нижней его части нарезана резьба, с помощью которой он находится в зацеплении с гайкой-маховиком 7, а также имеется шпоночный паз и стопорный винт 2 для предотвращения штока от вращения. Пружина 23 обеспечивает штоку 21 необходимый предварительный натяг и выбор зазора в резьбе.



К штоку 19 в верхней его части крепится рычаг, который может поворачивать опору 17 предметного столика относительно осей 15 в рамке 14, установленной на стакане 10.

Таким образом, вертикальные fустановочные) перемещения предметного столика могут быть осуществлены за счет движения плиты 7 вместе с котировочным механизмом относительно фланца 9;. при этом сильфоны 11 испытывают осевые деформации.

Качательные движения предметного столика создаются при вращении гайки-маховика 1 и поступательном перемещении штока 19 с рычажным устройством на конце; при этом сильфоны 18 также испытывают осевые деформации.

Горизонтальные перемещения предметного столика в двух взаимно перпендикулярных направлениях создаются при вращении маховиков 6 и 22 юстировочного механизма; при этом аналогичные перемещения получает стакан 10, который при этом изгибает гирлянду сильфонов 11 относительно диска 13.

Данная конструкция комбинированного сильфонного ввода может обеспечить качание предметного столика на угол до 90°, горизонтальные перемещения в двух направлениях на величину до 25 мм и установочное вертикальное перемещение на величину до 10 мм.

Точность горизонтальных перемещений зависит от конструкции приводов юстировочного механизма и может достигать ± 0,005 мм. Точность качательных перемещений может быть равной ±1°.