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.