Розбірні вакуумні з'єднання

Шешин Є.П. Основи вакуумної техніки: Навчальний посібник. - М .: МФТІ, 2001. - 124 с.

У розбірних вакуумних з'єднаннях необхідно забезпечити герметичність стику двох деталей, що з'єднуються, близьку до герметичності суцільного матеріалу. У місці зіткнення двох деталей в результаті механічної обробки завжди залишаються мікронерівності, які ускладнюють отримання вакуумно-герметичного з'єднання.
Герметичність може бути досягнута значно легше, якщо в зазор між сполучаються матеріалами помістити ущільнювач, в'язкість якого достатня для заповнення нерівностей при контактних напругах, значно менших межі пружності основних матеріалів, що з'єднуються.
Як ущільнювачі можуть застосовуватися мастила, гуми, фторопласт, метали. До різних вакуумним з'єднанням ставляться такі вимоги: мінімальне натікання і газовиділення; механічна міцність; термічна стійкість - здатність витримувати багаторазові прогріву без порушення герметичності; корозійна стійкість; максимальне число циклів розбирання та складання зі збереженням герметичності; зручність ремонту і технологічність у виготовленні; можливість легкої перевірки на герметичність.

У вакуумній техніці в системах з температурою прогрівання до 300 ºC широко застосовуються гумові ущільнювачі. Гума має гарні пружні властивості, і для створення вакуумно-герметичного з'єднання з полірованої сталевої поверхнею потрібні невеликі зусилля. Для прокладки шириною 4 мм питоме зусилля ущільнення 4-8 Н / мм, що відповідає питомим тиску 1-2 МПа. Гумові ущільнення допускають практично необмежену кількість розборок і зборок, прості у виготовленні, рідко потребують ремонту. Недоліком гумових ущільнень є підвищене газовиділення і газопроникність у порівнянні з матеріалом ущільнюються деталей.
Форма перетину ущільнювача кругла або квадратна, діаметр або сторону квадрата з конструктивних міркувань вибирають 3-5 мм.
Форма фланців і розташування ущільнювача у фланцевих з'єднаннях з еластомерним ущільнювачем показані на рис. 5.1 і 5.2.

Мал. 5.1. Фланцеве з'єднання з плоскими фланцями:
1 - фланці; 2 - ущільнювач; 3 - центрирующее кільце

Мал. 5.2. Профілі ущільнюючих елементів фланців з
поміщеними між ними еластомірними ущільнювачами

Еластомерний ущільнювач допускає багаторазове збирання з'єднання. Великим ресурсом володіють сполуки із стисненими ущільнювачами, в яких обмежено змикання фланців (рис. 5.2в, г). Навпаки, меншим ресурсом володіють сполуки, зображені на рис. 5.2а, б.
Найбільшу герметичність забезпечують з'єднання з об'ємно стисненим ущільнювачем, наприклад, зображений на рис. 5.2д. Об'ємне стиск ущільнювача може бути реалізовано в з'єднанні, зображеному на рис. 5.2в. Визначаючи необхідне для цього перетин ущільнювача, слід пам'ятати, що гуму треба розглядати як нестисливої ​​матеріал. Площа перетину ущільнювача, як правило, круглого, повинна становити 90-95% площі перетину канавки під ущільнювач.
Величина стиснення ущільнювача по висоті, що гарантує герметичне з'єднання при кімнатній температурі, оцінюється в 20-25% висоти ущільнювача, при високих плюсових і мінусових температурах - 30-35%.
Для роботи при наднизьких температурах, температурах скраплення газів найбільш надійні фланцеві і Штуцерна з'єднання з тонким фторопластовим ущільнювачем, наприклад з'єднання, зображене на рис. 5.2е.
Для швидкого з'єднання фланців замість звичайних болтів іноді застосовуються знімне ярмо клинчастого профілю, стягуюче обидва фланця, а також поворотні гвинти із захопленнями (рис. 5.3б; рис. 5.3а).

а)

б)

Мал. 5.3. швидко рознімні фланцеві з'єднання:

а) клиноподібним швидкороз'ємних затискачем;
б) з'єднання фланців за допомогою гвинтів із захопленнями

Через фланцеве з'єднання з гумовим ущільнювачем газ натекает в систему як по поверхні зіткнення ущільнювача з фланцем, так і в результаті дифузії через ущільнювач. Перебіг газу по поверхні зіткнення ущільнювача з фланцем припиняється при стисненні ущільнювача на 10-20% по висоті. При експлуатації таких фланцевих з'єднань необхідно дотримуватися певних заходів щодо забезпечення збереження з'єднання. Не допускається поява радіальних рисок на поверхні фланців в місці розташування ущільнювача. Поверхні фланців, звернені в вакуумну порожнину, повинні відповідати вимогам вакуумної гігієни.
Виділяються з гуми в процесі експлуатації з'єднання смолисті речовини налипають на поверхні фланців, на яких в результаті цього накопичуються різні забруднення і вириті з ущільнювача шматочки гуми. При кожній розбиранні з'єднання поверхні фланців повинні бути очищені від цих забруднень чистої бязью, змоченою в бензині.
Оскільки фланці з'єднання в більшості випадків виготовляють зі звичайної вуглецевої сталі, нерідкі випадки появи іржі на робочих поверхнях фланців. При розбиранні сліди іржі повинні бути видалені дрібним наждачним папером. Якщо на робочій поверхні з'явилися глибокі радіальні ризики, поверхня фланця протачивают на токарному верстаті на глибину ризики.
При експлуатації фланцевих з'єднань з гумовим ущільнювачем поряд з натекания газу по з'єднанню має місце газовиділення з гуми. Тому перед постановкою в вакуумну систему ущільнювач корисно обезгазіть. Відомо, що величина газовиділення з ущільнювача зростає з ростом температури. При тривалому нагріванні в вакуумі газовиділення поступово знижується, досягаючи практично постійної величини. При подальшому охолодженні газовиділення різко знижується до величини, багато меншою початкового газовиділення при тій же температурі. На цьому заснований спосіб попереднього знегажування гумових ущільнювачів. При знегажування ущільнювачі нагрівають у вакуумі до максимальної робочої або кілька більшої температури і витримують при цій температурі 10-15 годин.
Для з'єднання трубопроводу малого діаметру використовують різні різновиди штуцерних з'єднань (рис. 5.4).

Мал. 5.4. Штуцерне з'єднання з еластомерним ущільнювачем:
1 - штуцер; 2 - гайка; 3 - ущільнювач; 4 - ніпель

У лабораторній практиці для приєднання форвакуумного насоса до трубопроводу часто використовується гумовий вакуумний шланг (рис. 5.5.) Бажано кінці трубопроводів на довжину 1,5-2,0 діаметра розточити, як показано на малюнку. Для виконання з'єднання використовують, гумовий шланг, внутрішній діаметр якого в півтора рази менше зовнішнього діаметра трубопроводу, а довжина становить 4-6 діаметрів трубопроводу.

Мал. 5.5. З'єднання трубопроводів за допомогою гумового
вакуумного шланга:
1 - трубопровід; 2 - шланг

Для техніки надвисокого вакууму велике значення мають металеві ущільнення, що допускає прогрівання до температури 450-500 ºC. Заповнення микронеровностей відбувається за рахунок пластичної деформації матеріалу прокладки. Плинність металів значно менше, ніж у гуми, і тому для створення ущільнення потрібні значно більші питомі тиску і більш високий клас чистоти поверхні. Газовиділення металевих прокладок в 103 разів менше, ніж гумових, але з'єднання з металевими прокладками складніше у виготовленні, допускає обмежене число прогріву і збірок. Схеми найбільш поширених у нас в країні металевих ущільнень показані на рис. 5.6.
Як ущільнювачі застосовується в основному мідь, що має близький коефіцієнт лінійного розширення до нержавіючої сталі. Також використовуються золото, алюміній, індій. Такі ущільнювачі, крім індію, зберігають працездатність і герметичність після багатьох циклів нагрівання. Втім, після першого нагрівання іноді буває необхідна додаткова підтяжка з'єднання.
Експлуатація фланцевих з'єднань з металевим ущільнювачем пов'язана з необхідністю дотримання певних запобіжних заходів від пошкодження ущільнюючих поверхонь.

Мал. 5.6. Схеми ущільнень з металевими прокладками:
1 - конусное; 2 - Канавочні-клинові; 3 - conflat

Найбільш схильні до пошкоджень робоча поверхня фланців, особливо поверхню зуба Канавочні-клинового з'єднання. Однак вм'ятини, що утворилися на поверхні самого зуба, наприклад, при випадковому ударі, що не становлять особливої ​​небезпеки. Їх обережно вирівнюють шабером і зачищають бруском. Основними ущільнювальними елементами Канавочні-клинового з'єднання є заплечики по краях зуба і гладка поверхня фланця з канавкою на відстані 1,5 мм від канавки. Будь-яке порушення цих поверхонь веде до порушення герметичності з'єднання.
Перевагами з'єднання типу conflat є:

• зниження ймовірності пошкодження ущільнюючих поверхонь, внаслідок того, що вони знаходяться в поглибленні;
• обидва фланця мають однакову геометрію, що знижує їх вартість і, забезпечує взаємозамінність;
• для забезпечення ущільнення досить невеликої деформації мідної прокладки, тому прокладку можна використовувати кілька разів.

Для зручності в роботі і забезпечення рівномірності затягування з'єднання все болти повинні мати однаковий крок різьблення. До того ж, якщо є можливість, болти краще замінити шпильками, причому в прогріваються системах слід застосовувати сульфідірованние болти (шпильки) і гайки з нержавіючої сталі.
У процесі багаторазових нагревов може статися дифузійна зварювання ущільнювача з поверхнею фланців. Крім того, деформований ущільнювач в ряді випадків надає розклинюючий дію. В результаті роз'єднання фланців виявляється скрутним. Тому в одному з фланців Канавочні-клинового з'єднання є два різьбових отвори для віджимних болтів, за допомогою яких фланці легко роз'єднуються. Іншими способами роз'єднання фланців користуватися не рекомендується, щоб уникнути псування з'єднання.
У фланцях типу conflat для цих цілей є спеціальні клиновидні канавки.
Хоча ущільнювачі здатні забезпечити герметичність при декількох збірках, рекомендується замінювати ущільнювач після кожної збірки.
5.2. Електричні вакуумні вводи

Для харчування електричним струмом різних пристроїв, що працюють усередині вакуумної камери , Необхідні герметичні електричні вводи, ізольовані від корпусу вакуумної камери . Залежно від призначення електричні вводи можуть бути низьковольтними або високовольтними, нізковакуумний або високовакуумними.
Принципово будь-який електричний вакуумний введення складається з трьох частин (рис. 5.7): відповідно токоввода (1), ізолятора (2), який електрично ізолює Токоввод від корпусу вакуумної камери (3).

Мал. 5.7. Принципова схема електричного вакуумного введення:
1 - Токоввод; 2 - ізолятор; 3 - корпус

У скляних і металокерамічних приладах роль ізолятора і корпусу збігається.
Промисловістю випускається широкий спектр електричних вакуумних вводів, які відрізняються за матеріалами ізоляторів кількості і конструкції вводів.
На рис. 5.8 представлена ​​конструкція найбільш часто вживаних в нашій лабораторії електричних металокерамічних вакуумних вводів, призначених для використання в сверхвисоковакуумних системах.

Мал. 5.8. Конструкція електричного вакуумного введення:
1 - стрижень з нержавіючої сталі; 2,4 - втулки з ковара;
3 - керамічний ізолятор

Робоча напруга такого введення безпосередньо залежить від діаметру і висоти керамічного ізолятора. Високовольтний ввід (рис. 5.8) приварюється до основи нижньої втулкою (4). Керамічний ізолятор (3) з'єднується зі втулками (2) і (4) твердими припоями. Стрижень (1) приварюється до втулки (2) аргонодугового або лазерним зварюванням. Слід зауважити, що високовольтні вводи мають малими електричними витоками, тому іноді можуть використовуватися в вимірювальних ланцюгах.

5.3. оглядові вікна

Оглядові вікна служать для спостереження за пристроями, встановленими всередині вакуумної установки, а також для освітлення або опромінення пристроїв установки. Оглядові вікна виготовляються з матеріалів, оптично прозорих в відповідних ділянках спектра. При тисках вище 5 · 10-7 мм рт. ст. широко застосовуються оглядові вікна з гумовими ущільнювачами. Конструкція такого оглядового вікна показана на рис. 5.9.

Мал. 5.9. Оглядове вікно з гумовим ущільненням
Полірований скляний диск 2 за допомогою натискного кільця 3 притискається до гумового ущільнювача 1. При проведенні в вакуумному обсязі термічних операцій, пов'язаних з тепловими випромінюваннями, скляний диск виготовляється з тугоплавкого стекла.В установках з надвисоким вакуумом вживаються оглядові вікна без гумових ущільнювачів, як показано на Мал. 5.10.

Мал. 5.10. Оглядове вікно для надвисокого вакууму

Скляна шайба 1 приварена до коваровому склянці 2, звареного в свою чергу з фланцем 3 з нержавіючої сталі. Фланець ущільнюється з вакуумним об'ємом через металеву прокладку. Для запобігання руйнуванню з'єднання скла з металом при затягуванні металевого ущільнення необхідно передбачати розвантажувальні канавки. Оглядові вікна подібної конструкції допускають прогрів до 300-450 ºC.

5.4. Пристрої для передачі руху в вакуум

Необхідність в пристроях для передачі в вакуум з'являється в зв'язку з тим, що привід механізмів зручніше розміщувати поза вакуумній камері. Це пов'язано з труднощами або неможливістю знегажування приладів, а також з розміщенням елементів контролю: лінійок, ноніус і т.д.
Пристрої для передачі руху в вакуум діляться на три групи: 1) для передачі зворотно-поступального руху; 2) для передачі руху, що гойдає; 3) для передачі обертального руху. Усередині кожної групи також можлива класифікація за граничним тиску, переданому зусиллю, швидкості переміщення, величиною ходу і т.д.
При конструюванні будь-яких вводів руху в вакуумі слід прагнути, щоб герметизуючий елемент не сприймав переданих зусиль, а напрямні та опори були б по можливості розташовані поза вакуумної камери. Для пар тертя, розміщених у вакуумі, слід вживати спеціальних заходів проти схоплювання тертьових матеріалів. З цією метою в якості мастила можна застосовувати дисульфід молібдену МоS2, сульфідіровать поверхні тертя або використовувати матеріали, сильно відрізняються за своїми фізичними властивостями, наприклад, метал і кераміку.
Для низького і середнього вакууму використовуються сальникові елементи ущільнювачів з маслостойкой вакуумної гуми або фторопласту, а для надвисокого вакууму - гнучкі елементи (сильфони діафрагми). Також може використовуватися передача руху через нерухому перегородку.
Гума і сталь має великий коефіцієнт тертя, і гумові ущільнювачі рухомих сполук завжди потребують мастилі. Фторопласт може працювати без змащення, але його знос під час роботи повинен компенсуватися установкою пружних додаткових елементів.
Ущільнення для введення поступального руху в високий і надвисокий вакуум виготовляються повністю з металу і можуть бути прогріті з метою знегажування до температури 400-500ºC.
Магнітні вводи руху через нерухому перегородку магнітною мають максимальну герметичністю, тому що в них відсутні рухомі вакуумні ущільнення. Їх недоліками є тертя у вакуумі і обмежена величина переданих зусиль і кінематично нежорсткими передача.
Приклади найбільш широко застосовуваних сальникових ущільнень наведені на рис. 5.11, 5.12. Такі ущільнення можуть використовуватися як для передачі обертання, так і передачі переміщення.
Так як фторопласт менш пружний, ніж гума , І має значну залишкову деформацію, для компенсації зносу і забезпечення щільного контакту ущільнюючої фторопластовой втулки 1 (рис. 5.12) з рухомим полірованим валом 5 використовуються пружні властивості гумових кілець 2, попередньо деформованих за допомогою натискної гайки 4 і втулки 3.

Мал. 5.11. сальникові ущільнення типу Вільсона для передачі обертального руху в вакуумі:
1 - прокладки з гуми
або фторопласта;
2 - металеві шайби

Мал. 5.12. Пристрої для введення обертання з використанням фторопластовой втулки:
1 - фторопластовая втулка;
2 - гумові кільця;
3 - втулка;
4 - нажимная гайка;
5 - полірований вал

Схема конструкцій вводів поступальний руху з металевих сильфоном и постійнім магнітом наведені на рис. 5.13а, б.
Величина переміщення в пристрої 5. 13а обмежена только кількістю гофров и еластічністю сильфона.
Схеми вводів руху, что гойдає в вакуумі, показані на рис. 5.14. Смороду ма ють кут Гойдани α в мембранних вводити не більше 10 °, а в сильфони - 30 °. Для Отримання великих кутів Гойдани необхідні пріскорювальні передачі або вводь обертального руху. Можливе застосування поступальних вводів з подальшим перетворенням поступального руху в гойдає. Схеми деяких конструкцій вводів обертання представлені на рис. 5.15.
Уведення обертання з просторовим шарніром і планетарної зубчастої передачею застосовуються для передачі значних моментів, що крутять.

а)

б)

Мал. 5.13. Схема вводів поступального руху з металевим сильфоном (а) і постійним магнітом (б)

Мал. 5.14. Схеми вводів руху, що гойдає в вакуум:
а) мембрани; б) сильфони

Ріс.5.15. Схеми конструкцій вводів обертання:
а) з просторовим шарніром; б) з планетарної зубчастої передачею;
в) з постійним магнітом

Магнітний введення-обертання в вакуум застосовується в високовакуумних системах для передачі обертального руху з великою частотою обертання і малим обертовим моментом. Він може бути зроблений прогрівається, але не забезпечує кінематичної жорсткості передачі.

Мал. 5.16. Пристрій для передачі обертального руху
з використанням сильфонного ущільнення

В експериментальних вакуумних установках в основному застосовуються вводи-обертання приклад, якого представлений на рис. 5.16. Вони мають середні показники по переданим обертовим моментам і швидкостям обертання.

5.5. комутаційна апаратура

Комутаційна апаратура (рани, вентилі, затвори, клапани, натекателем) - обов'язковий елемент будь-вакуумної системи. Цей елемент в закритому стані повинен бути герметичним, а у відкритому стані володіти, можливо, більшу провідність. В рамках даного навчального посібника немає можливості дати інформацію про все спектрі комутуючих пристроїв, тому ми обмежимося розглядом конструкцій найбільш поширених в нашій лабораторії .
У металевих вакуумних клапанах і затворах, що працюють при кімнатній температурі, використовуються гумові та фторопластові ущільнювачі (рис. 5.17а).
У прогріваються конструкціях застосовуються герметизація за рахунок пластичної деформації матеріалу однієї з дотичних поверхонь. Широко поширена конструкція з конусним ущільнювальним елементом (рис. 5.17б), виготовленим з міді і алюмінію. Недоліком цієї конструкції є поступове збільшення площі герметизуючих поверхонь, а отже, і зусилля, необхідного для закриття клапана. У конструкції, зображеної на рис. 5.17в ущільнювальний елемент працює на зріз, зусилля герметизації не залежить від числа спрацьовувань, але зростає хід замикаючого елементу.
На рис. 5.18 зображений вентиль ДУ-25 з сильфонні ущільненням штока. Для зручності складання привід вентиля з рухомим сильфонні ущільненням змонтований на фланці 3 і являє собою знімний вузол. Вентилі з металевим ущільнювачем мають аналогічну конструкцію, але через набагато більших зусиль герметизації вони володіють істотно посиленою ходовою частиною.

Мал. 5.17. Ущільнювальний елемент вакуумних затворів:
1 - сідло; 2 - ущільнювач; 3 - герметизуючий елемент

Ресурс вентилів з еластомерним ущільненням при регулярній мастила вузлів тертя становить понад 100 тисяч циклів без заміни деталей приводу. Ресурс ущільнювача багато менше і залежить від питомого навантаження, тобто від величини стиснення, встановленої в процесі виготовлення і регулювання вентиля. Оскільки в процесі експлуатації клапана передбачається заміна ущільнювача, його ресурс не визначає ресурс вентиля. У звичайних умовах експлуатації ущільнювач рекомендується замінювати не рідше як після 20-25 тисяч циклів спрацьовування вентиля.

Мал. 5.18. Вакуумний вентиль з ручним приводом:
1 - маховик; 2 - гвинт; 3 - фланець;
4 - корпус; 5 - гумовий ущільнювач

Мідний ущільнювальний конус вентиля з діаметром умовного проходу 25 мм, що працює при оптимальному навантаженні (около25-30 кг на міліметр довжини контакту конуса з сідлом), здатний витримати без втрати герметичності близько 20 тисяч циклів спрацьовування. У міру збільшення розміру вентиля - діаметра умовного проходу - ресурс конуса знижується.
При кожній розбиранні вентиля конус протачивают або замінюють. Це в першу чергу відноситься до вентилів з великим умовним проходом - близько 100 мм.
Ресурс вентилів з металевим ущільнювачем становить до сотні тисяч циклів спрацьовування. У процесі вироблення ресурсу проводиться два-три ремонту вентиля з заміною або відновленням окремих його деталей.
Для управління газовим потоком і контролем за витратою газу, наприклад, при вимірюванні швидкості відкачки, застосовуються крани з регульованою провідністю. У вакуумній техніці зазвичай використовуються регулятори з регулюючим органом у вигляді тонкої конічної голки, введеної в канал відповідної форми аж до повного його перекриття (рис. 5.19).

Мал. 5.19. Принцип пристрою голчастого регулятора

Хід голки може змінюватися безперервно за допомогою мікрометричного гвинта. У вузлі управління переміщенням голки застосовуються відповідні ущільнення, а простір високого вакууму герметизується сильфоном (з металу або тефлону).