Пример расчета вакуумной системы ЭЛУ

Расчет вакуумных систем рекомендуется проводить в два этапа: сначала делают проектный расчет, затем поверочный.

Исходными данными для проектного расчета являются:

• — полное (иногда и парциальное) давление остаточных газов в рабочей камере р
• — давление газов после предварительного разрежения р^;
• — размеры вакуумной камеры, ее материалы, а также материалы технологической оснастки;
• — материал и размеры свариваемых деталей;
• — время предварительного разрежения /_{| р};
• — время достижения заданного рабочего давления t .

Проектный расчет выполняют в следующей последовательности:

• 1. По заданным значениям полного и парциального давлений газов выбирают типы вакуумных насосов, обеспечивающих необходимую откачку (см. табл. (5.4)—(5.6)).
• 2. Определяют суммарный газовый поток до начала сварки деталей по формулам (6.12)—(6.15).
• 3. Принимая газовый поток постоянным во времени, рассчитывают необходимую быстроту откачки рабочей камеры по формуле:

4. Вычисляют необходимую номинальную быстроту действия основного насоса:

где 5_Н| и , — расчетные значения номинальной и эффективной быстроты действия насосов.

• 5. По найденному значению быстроты откачки выбирают основной насос (см. табл. 5.5 и 5.6).
• 6. Выбирают или разрабатывают принципиальную схему вакуумной системы установки.
• 7. По паспортным данным выбирают вспомогательные насосы и насосы предварительного разрежения. В зависимости от выбранной схемы вакуумной системы вспомогательный насос и насос предварительного разрежения могут быть самостоятельными либо один форвакуумный насос может поочередно выполнять функции как вспомогательного насоса, так и насоса предварительного разрежения.
• 8. Назначают предварительные размеры вакуумных трубопроводов, выбирают коммутационную аппаратуру и средства измерения давлений.
• 9. Находят быстроту откачки вакуумной рабочей камеры насосом предварительного разрежения:

где S^_Kn и 5 _кп — эффективная и номинальная быстрота действия вспомогательного насоса.

• 10. Определяют свободный объем вакуумной камеры и объем части трубопроводов от камеры до кранов.
• 11. Вычисляют время предварительного разрежения по формуле:

где р_нп — начальное давление; /? — давление предварительного разрежения.

Исходными данными для поверочного расчета являются следующие:

• — назначенные при выполнении проектного расчета типоразмеры насосов;
• — назначенные размеры вакуумных грубопроводов и коммутационное оборудование.

Поверочный расчет выполняют в следующем порядке.

• 1. Уточняют величину потока газа с учетом изменения его во времени. По формулам (6.12)—(6.15) находят суммарный газовый поток.
• 2. Согласно критерию Кнудсена определяют режимы течения газа по элементам вакуумной системы.
• 3. В зависимости от режимов течения газа находят проводимость отдельных элементов и общую проводимость участков вакуумной системы (по формулам (6.3), (6.9), (6.10)).
• 4. По основному уравнению вакуумной техники рассчитывают быстроту откачки газа из рабочей камеры.
• 5. Уточняют время предварительной откачки и проверяют его соответствие заданному значению.
• 6. Находят давление остаточных газов в камере для каждого выделенного участка по формуле:

Далее строят зависимость р = р (/), по которой проверяют соответствие давления газов в рабочей камере во время нагрева и изотермической выдержки заданному давлению, а также находят время достижения заданного давления.

7. Проверяют возможность совместной работы основного и вспомогательного насосов.

ПРАКТИЧЕСКИЙ ПРИМЕР

Исходные данные.

Свариваемые детали: цилиндры диаметром d = 0,05 м, с толщиной стенки 5 = 0,005 м и длиной / = 0,140 м из стали Х23.

Режим сварки: полное давление остаточных газов во время осуществления процесса должно быть не хуже р_з < 1,3−10^-2 Па, время достижения заданного давления т_з = 10 мин, температура в зоне сварки Г_в = 3373 К, время сварки /_св = 0,1 мин.

Время предварительного разрежения т_пр до давления /?_пр = 6,5 Па не должно превышать 9 мин.

Материал вакуумной рабочей камеры — сталь 12Х18Н10Т.

Вакуумная камера выполнена в виде куба с ребром В_к = 0,4 м, размеры трубопроводов и коммутационной аппаратуры следующие, м: /, = 0,2; /₁₂ = 0,2; /₁₃ = 0,05; /_|4 = 0,1; /₂₁ = 0,6; /₂₂ = 0,2; /₂₃ = 0,12; /₃₁ = /₃₃ = 0,08;/₃₂=0,12.

Расчетная схема вакуумной системы электронно-лучевой установки представлена на рисунке 6.4.

Проектный расчет

• 1. Исходя из заданного давления остаточных газов в вакуумной рабочей камере, по данным табл. (5.4) —(5.6) выбираем в качестве основного насоса диффузионный паромасляный насос, в качестве вспомогательного — механический объемный ротационный насос.
• 2. Определяем суммарный газовый поток, поступающий в вакуумную камеру. На этой стадии расчета принимаем, что газовый поток нс

Рис. 6.4. К расчету вакуумной системы ЭЛУ

изменяется во времени. Предварительно принимаем, что диаметры трубопроводов ^ = 0,1 м; d₂ = 0,05 м.

Площадь поверхности свариваемых деталей, обращенная в вакуум:

Площадь внутренней поверхности вакуумной камеры составляет:

Площадь поверхности технологической оснастки, устройства позиционирования, поверхности ЭЛП и остальных элементов внутрикамсрных устройств примем равной 0,1 м².

Площадь поверхности трубопровода от камеры до затвора:

Площадь поверхности трубопровода до клапана:

Определяем величину газового потока по формуле (6.6):

= (Я + Я + Я_тр1 + Л*) *_в + &- (0,0126 + 0,941 + 0,1256 + +0,0785) *7*10^-4 + 2, ОНО-" = 3,3163-Ю⁴ м³ Па/с, где q_c — скорость удельного газовыделения из элементов, располагающихся во внутреннем объеме сварочной камеры; Q_h — газовый поток от натекания через течи, присутствующие в корпусе камеры.

Находим эффективную быстроту откачки вакуумной рабочей камеры

4. Определяем номинальную быстроту действия основного насоса:

5. В качестве основного насоса выбираем диффузионный паромасляный насос мод. Н-5С-М, имеющий номинальную быстроту действия S_H = 0,5 м³/с; диаметр впускного патрубка = 0,16 м, выпускного ^.ып⁼ м. Давление запуска насосар• = 26 Па.

Необходимая быстрота действия вспомогательного насоса составляет S = 210'³ м³/с.

м.всп.

• 6. Выбираем типовую схему вакуумной системы, в которой форвакуумный насос выполняет функции вспомогательною насоса и насоса предварительного разрежения.
• 7. Выбираем форвакуумный механический ротационный насос мод. РВН-20, имеющий номинальную быстроту действия 5_нвсп = 2,6−10 ³ м³/с и обеспечивающий остаточное давление р^ = 3,9 Па.
• 8. Назначаем диаметры вакуумных трубопроводов: d_x = 0,16 м; d₂ = 0,032 м. Выбираем вакуумный затвор, отсекающий камеру от основного насоса, с условным проходным отверстием диаметром 0,16 м, вакуумные краны с условными отверстиями диаметром 0,032 м.
• 9. Находим предварительно быстроту откачки вакуумной рабочей камеры вспомогательным насосом:

10. Определяем свободный объем вакуумной камеры и трубопроводов:

где Г, Г^и Г—соответственно, внутренний объем камеры, трубопроводов, объем внутрикамерной оснастки и свариваемых деталей.

И. Находим время предварительного разряжения:

Время предварительного разрежения (/^ меньше заданного в условии (8 мин).

Поверочный расчет

• 1. Уточняем значение суммарного потока газов, поступающих в вакуумную камеру с учетом изменения его во времени.
• 2. Определяем режимы течения газа. Граница между молекулярновязкостным и молекулярным режимами течения газа в высоковакуумном трубопроводе диаметром d_x:

Таким образом, в процессе сварки при рабочем давлении, составляющем р = 6,5* 10^-3 Па, имеет место молекулярный режим течения газа.

Граница между вязкостным и молекулярно-вязкостным режимами течения газа в трубопроводе предварительного разрежения и в трубопроводе, соединяющем основной к вспомогательный насосы:

Граница между молекулярно-вязкостным и молекулярным режимами.

Следовательно, при создании предварительного разрежения в трубопроводе имеют место вязкостный и молекулярно-вязкостный режимы течения газа.

3. Определяем проводимость высоковакуумной системы предварительного разрежения.

Проводимость трубопровода от рабочей камера до вакуумного затвора.

Проводимость участка трубопровода от вакуумного затвора до диффузионного насоса равняется.

Общая проводимость высоковакуумной системы:

Приведенная длина трубопровода предварительного разрежения от камеры до клапана:

Проводимость при молекулярном режиме:

Для расчета проводимости в вязкостном режиме разобьем диапазон давлений от 38,75 до 6,5 Па на участки: I — от 38,75 до 20 Па; II — от 20 до 10 Па; III — от 10 до 6,5 Па. На участке I /?, + р₂ = 38,75 + + 20 = 58,75 Па, на участке II р_х + р₂ = 20 + 10 = 30 Па, на участке III р_} + р₂ = 10 + 6,5 = 16,5 Па.

Входящую в формулу для определения проводимости трубопровода величину газового потока можно приближенно найти по формуле:

где S^ = KJS_n(p); р — среднее давление.

Величина S_H(p) определяется по характеристике вакуумного насоса.

с •.

".

Проводимость при молекулярно-вязкостном режиме:

а) для участка I:

= и_м1Ъ + и_л = 0,0044 0,9 + 0,0499 = 0,0539 м³/с;

• б) для участка II:
  • ?/"и = 0,0044 0,9 + 0,0255 = 0,0295 м³/с;
• в) для участка III:

U_mm = 0,0044 0,9 + 0,014 = 0,018 м³/с.

Аналогично находим проводимость вакуумного клапана и части трубопровода от клапана до форвакуумного насоса. Затем определяем проводимость системы предварительного разрежения: для участка I С/, = 0,0384 м³/с, для участка II U_n = 0,0212 м³/с, для участка III U_m = 0,0129 м³/с.

Проводимость трубопровода, соединяющего основной и вспомогательный насосы, определяют с учетом того, что давление запуска диффузионного насоса р_л = 26 Па, давление на входе во вспомогательный насос р = (0,7—0,75)*р_з = 0,72−6 = 18,2 Па. Следовательно, в соединительном трубопроводе имеет место молекулярно-вязкостный режим.

Найденная проводимость соединительного трубопровода составляет С/ = 0,1203 м³/с.

4. Определяем быстроту откачки рабочей камеры для высоковакуумной системы:

Время предварительного разрежения /_ир меньше 8 мин.

• 6. По формуле (6.12) с учетом значений потока газа находим давление остаточных газов в рабочей камере установки. Расчетное значение остаточных газов не превышает заданного, т. е. 1,3−10 ² Па. Время достижения заданного давления составляет приблизительно 400 с, т. е. меньше заданного, которое равно 600 с.
• 7. Проверяем выполнение условия совместности работы основного и вспомогательного насосов.

Давление на входе во вспомогательный насоср₂ = 3,9 Па, выпускное давление основною насоса р_в = 26 Па. Условие р_2п < р₂ выполняется, так как 3,9 < 0,7−26 = 18,2 Па.

Из характеристики основного насоса следует, что он обладает быстротой действия 5_носн = 0,5 м³/с при давлении р_х = 5−10~² Па; таким образом, максимальное значение потока газа Q_mbx = 0,5−5-10^-2 = = 2,5−10^-2 м³-Па/с.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

• 1. Как графически определить совместность работы насосов?
• 2. Каковы условия совместности работы насосов?
• 3. Как определить конструктивные размеры соединительных трубопроводов ?
• 4. Описать принцип выбора вакуумных насосов.