Классификация волновых вводов

Волновые вакуумные вводы представляют собой одну из разновидностей волновых передач специального назначения с гибким остановленным элементом, герметично разделяющим ведущее и ведомое звенья.

Волновые передачи являются новым типом механических передач, у которых движение от ведущего звена к ведомому передается за счет волнообразно перемещающейся упругой деформации, генерируемой в гибком звене передачи.

Впервые принцип такой передачи был предложен в СССР в 1944 г. А. И. Москвитиным применительно к конструкции тихоходного электродвигателя с катящимся в расточке статора гибким деформируемым ротором (в настоящее время такая передача называется волновой фрикционной). Однако широкое практическое применение волновые передачи получили только после того, как в США в 1959 г. У. Массер запатентовал волновую зубчатую передачу, обосновал принцип ее действия и предложил ряд формул для ее расчета.

Характерные особенности волновых передач (компактность, повышенная нагрузочная способность узлов трения, точность, возможность передачи движения через герметичную неподвижную металлическую стенку и др.) позволили уже на первом этапе их развития указать на серьезную перспективность использования волновых передач в вакуумном оборудовании. Накопленный к настоящему времени практический опыт по конструированию, исследованию и применению волновых передач в герметичном исполнении в ряде областей космической техники и в вакуумном машиностроении подтверждает их высокую эффективность, а организация в ряде зарубежных стран промышленного выпуска герметичных волновых редукторов может свидетельствовать о начале их широкого использования в различных отраслях техники, где требуется обеспечить передачу движения в герметизированное пространство.



Тип вводов, характер движения ведомого звена) в вакууме и особенности кинематики Характерная особенность волновых вводов заключается в том, что с их помощью можно передать в вакуум через неподвижную гибкую герметичную стенку как вращение, так и поступательное или винтовое движение. При этом можно обеспечить в достаточно широких пределах редукцию, преобразование движения и изменение направления скорости ведомого звена по отношению к ведущему.

На рис. 43 показаны принципиальные схемы известных типов волновых герметичных вводов.

Генератор — ведущее звено 1, расположен в атмосфере и возбуждает при своем движении волнообразные упругие деформации в остановленном гибком элементе 2, который герметично разделяет атмосферную часть ввода от вакуумной; ведомое жесткое звено 3 находится в вакууме в волновом контакте с гибким элементом 2.

Необходимо отметить, что волновой ввод является обратимой передачей, т. е. любое подвижное звено ввода может быть ведущим.

Под редукцией волнового ввода подразумевают изменение скорости движения ведомого звена относительно ведущего, определяемого только волновым взаимодействием генератора, гибкого элемента и ведомого звена (дополнительная редукция может быть также обеспечена в ряде типов волновых вводов за счет специальной конструкции генератора, что рассматривается ниже).

На рис. 43, а и б показаны схемы волновых зубчатых вводов с гибким элементом в виде оболочки и в виде диафрагмы. Характерная особенность волновых зубчатых вводов заключается в том, что с их помощью можно передать в вакуум вращение с редукцией, величина которой определяется формой поверхности генератора, имеющей контакт с гибким элементом, и параметрами волнового зубчатого зацепления, образованного зубчатыми венцами, расположенными на гибком и жестком звеньях.

Схема волнового резьбового ввода, с помощью которого можно обеспечить в вакууме винтовое или поступательное перемещение от вращающегося в атмосфере генератора, показана на рис. 43, е. В этом случае кинематический эффект передачи определяется только параметрами волновой резьбовой пары в вакууме — гибкой гайкой, т. е. резьбовой нарезкой на гибкой оболочке, и жестким винтом, который является ведомым звеном.

Если на гибкой оболочке есть резьба, то винт получает винтовое перемещение, если на оболочке выполнены кольцевые канавки, то поступательное. Редукция резьбового ввода не зависит от формы генератора. Так как редукция резьбового ввода определяется только параметрами зоны контакта резьбовой пары, то оказывается, что изменяя за счет величины радиальной деформации гибкой гайки средний диаметр контактной зоны, можно обеспечить плавную регулировку скорости движения ведомого винта (пределы изменения скорости зависят от величины изменения радиальной деформации гибкой гайки). Это очень существенная кинематическая особенность волновых резьбовых вводов.

Принципиальные схемы волновых фрикционных передач и муфт, с помощью которых можно передать через гибкую герметичную стенку вращательное движение с редукцией (для фрикционных передач) или без нее (для фрикционных муфт), показаны на рис. 43, г (с гибкой оболочкой) и на рис. 43, д (с гибкой диафрагмой).

Кинематический эффект изменения скорости ведомого жесткого звена относительно скорости ведущего генератора достигается в волновых фрикционных передачах за счет фрикционного взаимодействия контактирующих поверхностей жесткого и гибкого звеньев, имеющих разные периметры.

В отличие от волновых фрикционных; передач в волновой муфте находятся в волновом взаимодействии жесткое и гибкое звенья с подобными контактирующими профилями. Поэтому при вращении генератора не происходит относительного перемещения поверхности жесткого звена относительно соответствующей поверхности гибкого звена и жесткое звено вращается с той же скоростью, с какой происходит циклическое изменение формы гибкого звена, т. е. со скоростью генератора. При использовании фрикционных пар в вакууме с помощью волновых фрикционных передач и муфт можно обеспечить без применения дополнительных редукторов вращение в вакууме ведомого звена с малыми скоростями и повышенной плавностью.

На рис. 43, е представлена схема волновой трубчатой муфты Принцип действия такой муфты основан на свойстве гибкой трубки передавать радиальные деформации с одного конца на другой под углом 90°. Поэтому, если левый конец гибкого элемента (трубки) 2 деформировать при установке генератора 1 так, например, чтобы ее левый торец принял форму эллипса, то аналогичную форму, но под углом 90°, примет и правый торец трубки. Таким образом, если на правом конце трубки установить эллиптический ведомый кулачок 5, то при вращении генератора в трубке возникнет вращающаяся волна радиальной деформации, под влиянием которой внутренняя поверхность деформированной трубки на правом конце начнет взаимодействовать с наружной поверхностью кулачка, в результате чего он начнет вращаться. Таким образом, волновая трубчатая муфта является фрикционным механизмом с нагрузочной способностью, зависящей в значительной мере от упругих свойств гибкой трубки. Герметизация ведомого вала в трубчатой муфте обеспечивается внутренней и гибкой наружной диафрагмами, конструкции которых не должны препятствовать передаче радиальных деформаций с одного конца трубки на другой.

На рис. 43, ж показана принципиальная схема волнового устройства для передачи через гибкую герметичную стенку поступательного движения. В этом случае в качестве гибкого» герметичного звена может быть использована гибкая трубка или лента, а для равномерного распределения давления и повышения долговечности гибкого элемента предлагается использовать систему циркулирующих тел качения в виде роликов, или шариков.

Тип герметичного гибкого элемента Ввиду действия перепада давления атмосфера—вакуум, которое при значительных габаритных размерах гибких элементов может приводить к большим дополнительным нагрузкам на элементы ввода, более предпочтительным типом гибкого герметичного элемента для вакуумных волновых вводов является элемент в виде оболочки. Оболочка по сравнению с диафрагмой в этом случае имеет ряд существенных преимуществ: большую уравновешенность по отношению к внешнему давлению, повы-шенную жесткость, особенно в осевом направлении, и т. д. Не-обходимо отметить, что при применении в качестве гибких элементов вводов оболочек несколько увеличиваются осевые габаритные размеры вводов в целом по сравнению с вводами с гибкими диафрагмами, а также могут возникнуть технологические трудности при изготовлении оболочек для волновых зубчатых вводов.



Волновые вводы с гибкими диафрагмами могут быть выполнены очень компактными, особенно в радиальном направлении, но их нагрузочная способность при сопоставимых габаритных размерах существенно уступает нагрузочной способности вводов с гибкими оболочками.

Тип рабочей деформации гибкого звена На рис. 44 представлены принципиальные схемы возможных вариантов нагружения гибких звеньев герметичных волновых вводов. Наиболее распространенными и изученными в настоящее время являются волновые вводы с симметрично деформируемой тонкостенной оболочкой, в которой под действием генератора возникают изгибные напряжения, приблизительно одинаковые в симметричных зонах оболочки.

При таком способе нагружения гибкого звена обеспечивается уравновешенность нагрузок в опорах генератора и жесткого звена и определенная геометрическая симметричность рабочих контактных зон, что особенно существенно для повышения работоспособности волновой пары в вакууме.

Однако необходимо иметь в виду, что в этом случае могут возникать некоторые конструктивные ограничения при выборе толщины стенки оболочки, наибольшая величина которой зависит от допустимых осевых и радиальных габаритных размеров.

В случае применения диафрагмы в качестве гибкого звена, а также в конструкции ввода, схема которого была показана на рис. 43, ж, используется нагружение гибкого элемента, тонкая стенка которого испытывает местный изгиб в зоне силового взаимодействия генератора с ведомым звеном. Схема такого нагружения показана на рис. 44, б. В этом случае необходимо обеспечить, помимо усилия Рт со стороны генератора, дополни-тельное усилие Рт прижима ведомого звена к гибкой стенке, а величина передаваемого в вакуум усилия и кинематическая точность ввода ограничиваются упругими свойствами материала стенки и допустимыми контактными нагрузками.

При изгибном нагружении оболочки, которая деформируется генератором по схеме консольной балки (рис. 44, в), появляется принципиальная возможность существенного повышения толщины стенки герметичной оболочки, что может оказаться полезным в случаях со значительными перепадами давления по обе стороны оболочки В ряде случаев, когда требуется обеспечить в вакууме не-большие по величине прерывистые перемещения, можно использовать циклические деформации герметичной оболочки, нагружаемой вращающим моментом М. Схема такого нагружения оболочки волнового ввода показана на рис. 44, г.

Способ деформирования гибкого элемента, особенность кинематики и тип генератора От этих характеристик, определяемых конструкцией генератора, в наибольшей степени зависят нагрузочные, кинематические и конструктивные параметры волнового ввода в целом.

На рис. 45 представлены принципиальные схемы генераторов, которые могут быть использованы в конструкциях вакуумных волновых вводов.

С точки зрения способа деформирования наиболее предпочтительным является принудительное деформирование гибкого элемента, при котором осуществляется силовое воздействие генератора по всему периметру гибкого элемента. При этом обеспечивается заданная форма деформации гибкого элемента, более равномерное распределение нагрузки и требуемая геометрия соприкасающихся поверхностей в зонах силового взаимодействия. Это особенно существенно для вакуумных волновых зубчатых и резьбовых вводов. Вводы с принудительным способом деформации имеют, как правило, и повышенную кинематическую точность. При полупринудительной деформации гибких элементов обеспечивается силовое взаимодействие поверхностей гибкого элемента и генератора только на части периметра гибкого элемента. При свободном деформировании гибкого элемента, когда генератор воздействует на него лишь в нескольких точках, обычно в двух—четырех, гибкий элемент принимает в нерабочих зонах свободную форму. Как правило, генераторы свободной деформации наиболее просты по конструкции.

Наибольшее распространение в настоящее время получили механические генераторы: кулачковые, дисковые и роликовые. Кулачковые генераторы, в которых требуемая форма деформации гибкого элемента задается формой кулачка, обеспечивают принудительную деформацию. В дисковых генераторах, с помощью которых можно обеспечить полупринудительную деформацию, деформирование гибкого элемента достигается с помощью двух или нескольких эксцентрично расположенных дисков, диаметр которых превышает радиус недеформированного гибкого элемента. Роликовые генераторы с двумя или несколькими роликами, смонтированными в эксцентрично расположенных опорах вала генератора, обеспечивают свободное деформирование гибкого элемента. Необходимо иметь в виду что в дисковых и роликовых генераторах максимальная скорость вращения п\ вала генератора ограничивается допустимой скоростью вращения п2 дисков или роликов. Механические генераторы могут быть выполнены в виде различных планетарных механизмов. В этом случае такие генераторы имеют собственную редукцию.

В отличие от механических типов генераторов, в которых воздействие на гибкий элемент со стороны генератора осуществляется механическим путем, в немеханических генераторах это воздействие осуществляется с помощью электромагнитных сил, энергии сжатого воздуха, нагретых газов или жидкости высокого давления.

Перспективными для использования в вакуумных волновых вводах являются электромагнитные генераторы, с помощью которых в зависимости от числа диаметрально расположенных и последовательно включенных пар электромагнитов можно обеспечить практически любой способ деформирования гибкого элемента. При этом значительно снижаются потери на механическое трение, повышается долговечность и надежность по герметичности гибкого элемента, так как исключается механическое воздействие на него, уменьшается инерционность, повышается скорость реверсирования, уменьшаются габаритные размеры, появляется возможность непосредственного встраивания электропривода в корпус ввода. Однако, как показал первый опыт конструирования и применения электромагнитных генераторов, значительно возрастают электрические потери, вследствие чего общий к. п. д. существующих электромагнитных волновых приводов пока не превышает 0,15. Поэтому электромагнитные генераторы целесообразно использовать в волновых вводах, предназначенных для передачи небольших нагрузок в высоковакуумных системах с необходимой повышенной надежностью по герметичности.

Принципиальные схемы пневматического и гидравлического генераторов аналогичны. В корпусе генератора имеются попарно расположенные поршни, которые под действием энергии газа или жидкости перемещаются в цилиндрах корпуса и деформируют гибкий элемент. Форма деформации задается специальным распределительным устройством в виде вала с отверстиями, который вращается в расточке неподвижного корпуса. Таким образом, для работы пневматических и гидравлических генераторов также необходима механическая энергия, затрачиваемая на вращение распределительного вала (поэтому такие генераторы называют пневмомеханическими и гидромеханическими). Очевидно, что в вакуумных волновых вводах пневматические и гидравлические генераторы, ввиду опасности, аварийного проникновения в вакуумный объем рабочих газов- или жидкости, могут найти применение лишь в специфических: условиях.

Конструктивные особенности волновых вводов К числу наиболее существенных конструктивных особенностей волновых вводов, которые необходимо принимать во внимание при разработке реальной конструкции, следует отнести следующие:

Число ступеней и ведомых звеньев. С помощью волновых вводов (при сохранении компактности конструкции в целом) можно обеспечить, во-первых, передачу движения в вакуумный объем с редукцией в диапазоне 1—105, что достигается за счет последовательного встраивания во ввод дополнительных волновых или обычных передач, и, во-вторых, осуществить от одного привода, расположенного вне вакуумного объема, два или более движения в вакууме через одну герметичную гибкую» стенку.

Расположение генератора. При расположении генератора внутри гибкой герметичной оболочки (внутренний генератор) обеспечивается наибольшая компактность внешнего привода наименьшие радиальные габаритные размеры и масса быстро- вращающихся частей, а также расширяются технологические возможности изготовления герметичных оболочек с наружными: зубчатыми или резьбовыми венцами. Однако при этом увеличивается вакуумный объем, необходимый для размещения вакуумной части ввода, и несколько затрудняются монтаж кг регулировка генератора.

При наружном расположении генератора достигается наибольшая компактность вакуумной части ввода и значительно облегчается доступ к генератору при его установке, но появляются технологические трудности в изготовлении гибких оболочек зубчатых и резьбовых вводов, а также в ряде случаев- приходится выполнять генератор разъемным, что, безусловно, усложняет его конструкцию.

Форма герметичной оболочки. Наиболее предпочтительна такая форма гибкой герметичной оболочки, которая может быть получена методами обработки давлением. При этом могут быть обеспечены наилучшие параметры ввода по долговечности, надежности по герметичности, газопроницаемости через стенку оболочки и стоимости.



Тип контакта генератора с герметичным гибким элементом. При установке различных промежуточных деталей в виде гибких колец, гибких подшипников и других элементов между контактными звеньями генератора (шариками, роликами, дисками и т. д.) и поверхностью герметичного элемента значительно повышается долговечность ввода по герметичности за счет снижения контактных нагрузок и износа стенки герметичного элемента.

Способ взаимного центрирования генератора и ведомого звена. Накопленный практический опыт конструирования и изготовления волновых вводов, особенно малогабаритных и прецизионных, показал, что точность взаимного центрирования: генератора и ведомого звена должна быть значительно выше величины деформации гибкого звена. При этом необходима принимать во внимание величину возможных зазоров во всех кинематических и силовых звеньях ввода. Часто оказывается полезным обеспечить дополнительную регулировку положения генератора или жесткого звена.

Возможность прогрева ввода. Это особенно важно для цельнометаллических волновых вводов, предназначенных для применения в прогреваемых сверхвысоковакуумных установках. Как правило, прогрев ввода обеспечивается удобством съема привода, расположенного в атмосфере, на период прогрева (обычно до температуры 200—500°С) и применением соответствующих конструкционных материалов. Прогрев ввода может быть осуществлен или от специально встроенного, или съемного электронагревателя, а также от системы прогрева высоковакуумной камеры. При этом необходимо применять специальные вакуумные подшипники.

Яндекс.Метрика