УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК F16J15/52 

Изобретение относится к вакуумной технике, а более конкретно - к устройствам для передачи вращательного движения через стенку вакуумной камеры от вала с приводом, расположенных снаружи камеры, к валу исполнительного механизма, расположенных внутри вакуумной камеры.

Основной проблемой, которую предназначены решать эти устройства, является проблема сохранения стабильного вакуума в вакуумной камере, сквозь стенку которой должно осуществляться вращение вала исполнительного механизма.

Для тихоходных валов (до 60 об/мин) в вакуумной технике эта проблема решается достаточно успешно, например, за счет специального вакуумного уплотнения в виде фторопластовой втулки, прижимаемой к полированному участку вала с помощью набора колец из эластичной резины, сжимаемых резьбовой втулкой (см. Вакуумная техника. Справочник, Москва, «Машиностроение», 1985 г., стр. 125, рис.8-2). Эти уплотнения стабильно работают на малых оборотах вала, но при оборотах свыше 60 об/мин этот тип уплотнений начинает образовывать микротечи, приводящие к потере рабочего вакуума в вакуумной камере. Происходит это за счет быстрого истирания внутренней поверхности фторопластовой втулки от трения ее о поверхность вала. При повышении усилия поджатия втулки к валу она начинает перегреваться и шелушиться, в результате чего уплотнение быстро теряет вакуумную плотность.

В вакуумной технике для передачи в вакуумную камеру вращения вала со скоростью вращения свыше 100 об/мин разработано несколько типов устройств, в том числе устройства на основе преобразования процесса вращения вала, расположенного снаружи вакуумной камеры, в процессе кругового качения промежуточного стержня, а потом этот процесс кругового качения промежуточного стержня преобразуется в процесс вращения вала, расположенного внутри вакуумной камеры. В этих устройствах вакуумное уплотнение осуществляют не по вращающемуся валу, а по качающемуся стержню в районе неподвижной точки его кругового качения (см. А.Рот, Вакуумные уплотнения, «Энергия». Москва, 1971 г., стр. 305-308).

Вакуумное уплотнение качающихся стержней осуществляют в основном с помощью сильфонов или диафрагм из эластичного материала. Вакуумное уплотнение качающегося стержня с помощью сильфона надежно работает при небольших по времени включениях с малым суммарным ресурсом качения стержня. При продолжительной работе в сильфоне образуются усталостные микротечи, которые в итоге относительно быстро приводят к потере вакуумной плотности.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявленному изобретению являются диафрагменные уплотнения качающихся стержней (см. А.Рот, Вакуумные уплотнения, «Энергия», Москва, 1971 г., стр. 308, рис.5-15).

В этих конструкциях роль вакуумного уплотнения качающегося стержня выполняет диафрагма из эластичного материала, вакуумноплотно закрепленная на качающемся стержне в районе точки его качения, где колебания стержня слабо выражены, т.к. теоретически в точке качения колебания стержня должны быть равны нулю. На практике избежать знакопеременных изгибных колебаний диафрагмы в районе точки качения стержня не удается, т.к. вакуумное уплотнение на стержне имеет достаточно большие габариты.

В известной конструкции вакуумная плотность между диафрагмой и стержнем достигается за счет сжатия эластичной стенки диафрагмы в районе ее центрального отверстия с помощью двух фланцев, сжимаемых с помощью гаек.

Фланцы необходимы для того, чтобы создать уплотнение на качающемся стержне путем сжатия стенки мембраны между двух фланцев и прижатия кромки отверстия к поверхности качающегося стержня с обеспечением вакуумной плотности.

В известном устройстве для передачи вращательного движения от одного вала к другому с помощью качающегося стержня (см. А.Рот, Вакуумные уплотнения, «Энергия», Москва, 1971 г., стр. 308) используется мембрана из монолитного эластичного материала относительно большой толщины, позволяющей выдерживать силовое воздействие атмосферного давления.

Вакуумное уплотнение такой мембраны на качающемся стержне достигается за счет торцевого сжатия кольцевой частя стенки мембраны, расположенной вокруг стержня, что позволяет вакуумноплотно прижать кромку отверстия в мембране к поверхности стержня с усилием, обеспечивающим вакуумноплотное уплотнение между поверхностью стержня и кромкой отверстия.

Торцевое сжатие стенки мембраны достигается с помощью двух фланцев, сжимающих стенку мембраны на краю центрального отверстия с помощью гаек.

Недостатком этой конструкции вакуумного уплотнения диафрагмы на качающемся стержне являются высокие знакопеременные напряжения в стенке диафрагмы на внешнем диаметре шайб. При больших скоростях вращения приводного вала в этом месте стенки диафрагмы быстро возникают знакопеременные напряжения, которые со временем приводят к усталостной деградации материала диафрагмы, образованию в стенке дефектов и потере вакуумной плотности.

Задачей настоящего изобретения является создание конструкции диафрагменного уплотнения качающегося стержня с максимально уменьшенными габаритами конструкции вакуумного уплотнения диафрагмы на качающемся стержне и минимальными знакопеременными напряжениями в материале диафрагмы, что позволит обеспечить повышение длительности работы диафрагмы на больших оборотах приводного вала без потери вакуумной плотности.

Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение величины знакопеременных напряжений в материале диафрагмы и увеличение срока ее работы без потери вакуумной плотности при оборотах приводного вала до 700 об/мин.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для передачи вращательного движения, содержащего приводной и ведомый валы, которые установлены соосно снаружи и внутри вакуумной камеры, при этом валы кинематически связаны между собой качающимся стержнем, проходящим через центральное отверстие эластичной диафрагмы, вакуумноплотно закрепленной на стенке вакуумной камеры и на качающемся стержне в районе точки его качения;

- диафрагма выполнена многослойной, а в каждом ее слое диаметр отверстия выполнен по крайней мере на 20% меньше диаметра стержня, при этом в вакуумной камере под диафрагмой установлен опорный диск с отверстием, которое больше диаметра максимального отклонения стержня при качении на уровне нижнего торца диска;

- кроме того, диафрагма расположена по высоте симметрично центра качения качающегося стержня;

- кроме того, толщина каждого слоя диафрагмы не превышает 3 мм;

- кроме того, слои диафрагмы выполнены из листа вакуумной резины;

- кроме того, диафрагма содержит не менее трех слоев.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематически изображено устройство для передачи вращательного движения от приводного вала, расположенного в атмосфере снаружи вакуумной камеры, к ведомому валу, расположенному в вакуумной камере, т.е. в вакууме. Передача вращательного движения от приводного вала 4 к ведомому 6 осуществляется с помощью качающегося стержня 1, установленного в центре диафрагмы 2, которая для частичной разгрузки от атмосферного давления опирается на опорный диск 3 с центральным отверстием, через которое свободно проходит качающийся стержень 1, Диафрагма 2 вакуумноплотно закреплена на стенке 10 с помощью опорного диска 3 и фланца 11. На приводном валу 4 и ведомом валу 6 выполнены наклонные «щеки» 8, на которых в свою очередь закреплены стаканы 9.

В стаканах 9 установлены подшипники 5, которые при вращении валов 4 и 6 предотвращают проворот качающегося стержня 1 и исключают трение между стержнем 1 и мембраной 2. «Щеки» 8 на валах 4 и 6 выполнены попарно с целью снижения эксцентрикового эффекта при вращении валов, особенно на больших оборотах.

Устройство для передачи вращательного движения работает следующим образом.

Тонкие слои диафрагмы 2 чаще всего изготавливают из листовой вакуумной резины, в каждом слое которой выполнено центральное отверстие, диаметр которого, по крайней мере, на 20% меньше диаметра качающегося стержня 1. На практике в зависимости от эластичности применяемой резины диаметр отверстия занижают на 30-50% по отношению к диаметру качающегося стержня. При надевании слоев диафрагмы 2 на качающийся стержень 1 кромка отверстия растягивается и плотно обжимает наружную поверхность качающегося стержня 1, надежно обеспечивая вакуумную плотность в месте контакта диафрагмы с поверхностью стержня. При этом вакуумная плотность обеспечивается между качающимся стержнем 1 и каждым слоем диафрагмы. При наружном диаметре диафрагмы 2, например, около 100 мм на диафрагму давит атмосферное давление около 80 кг. Для частичной разгрузки эластичной диафрагмы 2 и ее слоев от силы атмосферного давления со стороны вакуума установлен разгрузочный диск 3 с отверстием, которое больше на 2-3 мм максимального диаметра отклонения качающегося стержня 1 в районе нижнего торца разгрузочного диска 3.

Такая форма разгрузочного диска 3 позволяет уменьшить знакопеременные рабочие напряжения в материале слоев диафрагмы 2 при качении стержня 1, а также позволяет уменьшить растягивающие напряжения от воздействия атмосферного давления в районе вакуумного уплотнения диафрагмы 2 с качающимся стержнем 1.

Выполнение диафрагмы 2 в виде набора тонких слоев из эластичного материала, например из вакуумной резины, позволяет избавиться от высоких знакопеременных деформаций и связанных с ними напряжений, имеющих место в наружных слоях материала монолитной мембраны, которые относительно быстро образуют в этих зонах усталостные трещины и в итоге приводят к относительно быстрой потере вакуумной плотности в материале мембраны.

Стержень 1 установлен под наклоном к общей оси приводного вала 4 и ведомого вала 6. При этом середина стержня 1 проходит через теоретическую точку качения, через которую также проходит средняя линия толщины мембраны 2. Когда вращается приводной вал 4, стержень 1 совершает круговые колебательные движения, образующие два конуса, соприкасающиеся своими вершинами в точке качения. Сам качающийся стержень 1 при этом не проворачивается, т.к. его концы закреплены в подшипниках, наружные кольца которых проворачиваются вокруг стержня 1 при каждом обороте вала 4. В виду того, что концы стержня жестко закреплены в подшипнике 5 с обеспечением вращения их наружных колец вокруг стержня, при круговом качении конца стержня 1 от приводного вала 4 синхронно с ним проворачивается по кругу конец стержня, подвижно закрепленный на ведомом валу 6.

Заявленное устройство для передачи вращательного движения обеспечивает стабильное длительное вращение ведомого рабочего вала на скоростях вращения до 700 об/мин.

Пример осуществления

Для подтверждения работоспособности заявленного устройства была изготовлена действующая модель.

Для имитации рабочей вакуумной камеры был использован вакуумный контейнер из органического стекла диаметром 220 мм, в крышке которого проточили отверстие диаметром 100 мм.

В этом отверстии с помощью опорного диска и нажимного фланца вакуумноплотно установили эластичную диафрагму диаметром 100 мм. Диафрагму выполнили из пяти слоев листовой вакуумной резины толщиной 2 мм. Опорный диск выполнили из органического стекла толщиной 5 мм. Органическое стекло было выбрано для удобства наладки и наблюдения за работой устройства. На крышке с обеих сторон с обеспечением вакуумной плотности установили колонны, на которых закрепили фланцы со стаканами для подшипников ведущего и ведомого валов, на концах которых были выполнены «щеки» для установки стаканов с подшипниками для качающегося стержня.

На наружном торце ведущего вала установили шкив диаметром 180 мм, который соединили ременной передачей с двигателем постоянного тока. Качающийся стержень изготовили диаметром 12 мм и длиной 120 мм. Наклон стержня к общей оси ведущего и ведомого валов выбрали величиной в 30°. Отверстия в слоях диафрагмы выполнили по 7 мм. В контейнере с помощью форвакуумного насоса создали разрежение 5·10^-3 мм рт.ст., после чего включили вращение ведущего вала на скорости вращения около 100 об/мин. На этой скорости качающийся стержень устойчиво передавал вращение на ведомый вал.

В дальнейшем при испытании на всех оборотах от 100 до 700 об/мин стабильность передачи полностью сохранялась, при этом падение вакуума не наблюдалось.

Макет испытывался в течение семи часов непрерывно на скорости 700 об/мин. В течение семи часов испытания вакуум в контейнере устойчиво сохранялся даже при периодическом пережатии вакуумного шланга, через который контейнер был подключен к форвакуумному насосу.

После испытания а слоях диафрагмы не было обнаружено каких-либо видимых дефектов.

Изобретение относится к устройствам вакуумной техники, предназначенным для передачи вращательного движения через стенку вакуумной камеры от вала с приводом, расположенных снаружи камеры, к валу исполнительного механизма, расположенных внутри вакуумной камеры. Передача вращательного движения от ведущего вала к ведомому осуществляется с помощью качающегося стержня, наполовину входящего в вакуумную камеру через диафрагму из эластичного материала, которая вакуумноплотно закреплена на качающемся стержне в районе точки его качения. Вакуумноплотное закрепление диафрагмы на качающемся стержне осуществлено за счет выполнения в диафрагме отверстия под качающийся стержень меньше его диаметра не менее чем на 20%, при этом сама диафрагма выполнена многослойной, с количеством слоев не менее трех. Под диафрагмой выполнен опорный диск с отверстием для качающегося стержня. Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого изобретения, состоит в уменьшении величины знакопеременных напряжений в материале диафрагмы и увеличении срока ее работы без потери вакуумной плотности при оборотах приводного вала до 700 об/мин. 4 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для передачи вращательного движения, содержащее приводной и ведомый валы, которые установлены соосно снаружи и внутри вакуумной камеры, при этом валы кинематически связаны между собой качающимся стержнем, проходящим через центральное отверстие эластичной диафрагмы вакуумноплотно закрепленной на стенке вакуумной камеры и на качающемся стержне в районе точки его качения, отличающееся тем, что диафрагма выполнена многослойной, а в каждом ее слое диаметр отверстия выполнен по крайней мере на 20% меньше диаметра стержня, при этом в вакуумной камере под диафрагмой установлен опорный диск с отверстием, которое больше диаметра максимального отклонения стержня при качении на уровне нижнего торца диска.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диафрагма расположена по высоте симметрично центра качения качающегося стержня.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диафрагма содержит не менее трех слоев.4. Устройство по любому из пп.1 и 3, отличающееся тем, что толщина каждого слоя диафрагмы не превышает 3 мм.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что слои диафрагмы выполнены из листа вакуумной резины.