Выбор электронной пушки и расчёт основных ее элементов
Министерство
Образования Российской Федерации
Московский
Энергетический Институт
(технический
университет)
Кафедра
технологии металлов
Курсовой проект
по курсу:
“Проектирование
специализированного оборудования и оснастки для обработки материалов КПЭ”
Тема проекта:
”Выбор электронной пушки и расчёт основных ее элементов”
Студент: Коссе И.М.
Группа: С-10-09
Руководитель: Рыжкин Р.А.
Москва 2012
Содержание
Задание на курсовое проектирование
Введение
. Выбор электронной пушки
. Расчет проволочного прямонакального катода
2.1 Цель расчета катода
.2 Справочные данные
2.3 Расчет проволочного прямонакального катода, выполненного
из тантала
.4 Сравнительный анализ параметров катодов из вольфрама и
тантала
. Расчет параметров фокусирующей катушки
4. Выбор насосов вакуумной системы и ее
схемы для откачки электронной пушки
.1 Выбор схемы откачки
4.2 Выбор насосов вакуумной системы
4.2.1 Определение суммарного газового
потока натекающего в электронную пушку
.2.2 Определение быстроты откачки
.2.3 Выбор высоковакуумного насоса
.2.4 Выбор насоса предварительного
разряжения
4.2.5 Расчет времени откачки электронной пушки
.2.6 Графическая проверка выбора вакуумных насосов и
определение совместности их работы
Заключение
Список литературы
Задание на
курсовое проектирование
по курсу: “Проектирование специализированного оборудования и оснастки для
обработки материалов КПЭ”
Тема проекта: “ Выбор электронной пушки
и расчёт основных ее элементов ”
Содержание задания:
. Выбрать электронную пушку (из имеющихся в литературе) для выполнения
технологического процесса - сварка; привести схему - чертеж и описание
конструкции.
. Выполнить расчет проволочного прямонакального катода из вольфрама и для
сравнения из тантала. Разработать конструкцию катодного узла.
. Рассчитать основные параметры фокусирующей катушки.
. Выбрать насосы вакуумной системы и ее схему для откачки пушки.
Объем проекта (минимальный):
·
графическая часть
- 2 листа формата А1;
·
пояснительная
записка - не менее 20 страниц формата А4.
Исходные данные: ЭП для сварки, проволочный прямонакальный катод,
Uуск=45 кB; I=200 мA.
Введение
Электронно-лучевая установка - это технологическая машина
для обработки материалов с помощью электронного пучка. Его формирование
осуществляется в специальном устройстве, называемом электронно-лучевым
генератором или электронной пушкой, для чего используют электрические и
магнитные поля. Пучок представляет собой ускоренный поток электронов. Плотность
мощности, достигаемая в нем … Вт/см2, позволяет
отнести его к концентрированным потокам энергии, которые обеспечивают быстрый
нагрев, плавление и испарение материалов.
В определенном смысле, в силу его свойств и широкого
спектра технологических возможностей, пучок электронов можно считать идеальным
термическим инструментом для обработки материалов. Это подтверждается
преимуществами пучка по сравнению с лазерным лучом и плазменной дугой, такими
как:
высокий эффективный К.П.Д. нагрева (0,9…0,98);
большая концентрация мощности в пятне нагрева (у лазерного
луча достижимы на порядок большие значения);
хорошая управляемость мощностью, распределением плотности
мощности в пятне нагрева и положением самого пятна;
вакуумная защита зоны обработки (достоинство, приводящие к
значительному усложнению технологической установки).
. Выбор электронной пушки
К высоковольтным пушкам относятся все пушки,
созданные в ФРГ К. Штейгервальдом. Особое внимание Штейгервальд уделяет
созданию ряда типовых электронно-лучевых пушек для сварки и размерной
обработки, а также специализированных пушек и аппаратуры управления лучем,
считая, что пушки, источники питания и аппаратура управления лучем являются
автономными блоками и могут использоваться на любой установке.
Сварочные пушки К. Штейгервальда работают при
ускоряющем напряжении до 150 кВ. В качестве прототипа была выбрана электронная
пушка К. Штейгервальда [1] мощностью 9 кВт (Uуск=45 кВ; I=200 мА).
Отличием новой конструкции является модификация катодного узла. Электронная
пушка представлена на рис.1.
Данная электронная пушка отвечает следующим
требованиям:
а) быстрая замена катодного узла без разборки всей
пушки и последующей юстировки электронно-оптической системы;
б) возможность работы в любом пространственном
положении, для чего высоковольтный ввод выполнен без масляной изоляции;
в) блочная структура конструкции позволяет легко
приспосабливать пушку к изменяющимся условиям производства.
Формирование пучка происходит в электронно-лучевой
пушке. Источником электронов является термоэмиссионный катод, который выполнен
из тантала. Катодный узел (2) и управляющий электрод (3) закреплены на
высоковольтном изоляторе (4). На некотором расстоянии от катода находится анод
(5), выполненный в виде массивной детали с отверстием на оси, которая крепится на
корпус электронно-лучевой установки. Между катодом и анодом прикладывается
ускоряющее напряжение 45 кВ. Ускоряющее напряжение разгоняет эмитированные
электроны, которые пройдя отверстие в аноде в дальнейшем движутся по инерции.
Фокусирование электронного пучка происходит с помощью фокусирующей системы (7),
которая выполнена в виде магнитной линзы- соленоида, создающего магнитное поле
специальной формы. Фокусирующая система изменяет траекторию пролетающих
электронов, при этом пучок сходится на изделии и обладает высокими удельными
энергетическими показателями. Отклоняющая система содержит две пары отклоняющих
катушек (8), расположенных во взаимно перпендикулярных направлениях, и
отклоняющих сфокусированный пучок по изделию.
В этой пушке для смены катода нужно освободить токопровод
от уплотнителей, открыть верхнюю крышку корпуса (1), извлечь сменный катодный
узел и установить новый. Конструкция катодного узла, чертеж которого приведен
на рис.2, и высокая точность его изготовления обеспечивают попадание луча в ту
же самую точку, что и до смены катодного узла. Лучепровод пушки (6) снабжен
вакуумным затвором (9), позволяющим перекрывать область катодного узла при
сварке в промежуточном вакууме. С целью поддержания в области катодного узла
высокого вакуума (примерно мм. рт. ст.) пушка снабжена дифференциальной системой
откачки.
Катодный узел является одним из основных функциональных
элементов электронно-лучевой установки, т.к. от его стабильной работы
(постоянство эмиссии электронов) зависит успех технологического процесса.
Рис.1.
Модифицированная электронно-лучевая пушка Штейгервальда
Рис.2.
Конструкция катодного узла
.
Расчет проволочного прямонакального катода
.1 Цель расчета катода
Целью расчета катода является определение, с учетом
конкретной конструкционной схемы и материала, его геометрических размеров и
электрических параметров источника накала, которые обеспечивают заданную силу
тока эмиссии катода. В свою очередь, ток эмиссии катода определяет значение
тока электронного пучка для пушки, использующей данный катод.
Суть расчета заключается в вычислении электрических и геометрических
параметров катода при различных температурах. Данная методика расчета
проволочного прямонакального катода приведена в учебном пособии [1].
.2 Справочные данные [1]
Таблица 2.1
Температура нагрева
|
Вольфрам
|
Тантал
|
Т, К
|
ρ, мкОм·см
|
m, г/(см2·с)
|
ρ, мкОм·см
|
m, г/(см2·с)
|
2200
|
63.48
|
12.5·10-12
|
85.5
|
0.18·10-9
|
2400
|
70.39
|
0.93·10-9
|
91.3
|
42·10-9
|
2600
|
77.49
|
8.4·10-9
|
97.4
|
6.7·10-6
|
2800
|
84.70
|
0.11·10-6
|
102.9
|
0.92·10-3
|
3000
|
92.04
|
0.99·10-6
|
-
|
-
|
Таблица 2.2
Поправки на охлажденные концы катодов из W и Ta:
Т, К
|
2200
|
2300
|
2400
|
2500
|
2600
|
2700
|
2800
|
∆Uн,
В
|
0.215
|
0.225
|
0.237
|
0.248
|
0.259
|
0.269
|
0.280
|
∆Uе,
В
|
0.818
|
0.855
|
0.890
|
0.930
|
0.970
|
1.010
|
1.050
|
2.3 Расчет проволочного прямонакального катода, выполненного из тантала
Таблица 2.3
Константы и теплофизические свойства тантала при Т =
2200°С [1]
Наименование параметра
|
Обозначение и размерность
|
Значение
|
Эмиссионная постоянная
Ричардсона-Дэшмана
|
А,
|
|
Работа выхода электрона
|
еj, Дж
|
|
Постоянная Больцмана
|
k,
|
|
Интегральный коэффициент излучения
|
e
|
0.22
|
Удельное сопротивление
|
r,
|
|
Удельная скорость испарения
|
m,
|
|
Постоянная Стефана- Больцмана
|
s,
|
|
Температура плавления
|
Тпл, К
|
3300
|
Расчет единичного катода
Гипотетический единичный катод - это катод, у которого длина и диаметр
равны используемой единице длины.
В соответствии с рекомендациями [1], расчёт начинаем с вычисления
параметров единичного катода :
Достижимая плотность тока термоэлектронной эмиссии нагретого тела (плотность
тока насыщения) зависит от температуры по закону Ричардсона - Дэшмана:
(2.1)
где Т - температура нагрева;
Удельное излучение с поверхности (величина,
определяемая теплофизическими характеристиками катода и не зависящая от его
величины) определяется по формуле:
(2.2)
Электрофизические параметры единичного катода определяются
по следующим формулам.
Мощность, подводимая от источника питания для нагрева
катода:
(2.3)
.
Сопротивление нагретого катода:
(2.4)
Ток накала катода:
(2.5)
Напряжение накала катода:
(2.6)
Сила тока эмиссии катода:
(2.7)
Скорость испарения материала
катода:
(2.8)
Расчет геометрических параметров катода
Для идеального катода ток эмиссии равен току пучка с
учетом потерь эмиссионных свойств на 20%.
(2.9)
Идеальный катод имеет по всей длине постоянную температуру
в отличии от реального катода, который имеет участки, находящиеся в
непосредственной близости от держателей с меньшей температурой, чем температура
центральной части. Снижение температуры ведет к изменению всех характеристик
идеального катода, в том числе наиболее важных с практической точки зрения -
силы тока эмиссии катода и падения напряжения на его длине.
Напряжение накала идеального катода несколько больше
напряжения накала реального катода в связи с уменьшением удельного
сопротивления материала на охлажденных концах:
где UHR - напряжение источника питания накала (напряжение накала
реального катода);
DUH - поправка по напряжению накала
на точку крепления (на охлажденные концы катода);
n - количество точек крепления (охлажденных концов).
n = 2; DUH = 0.215 B; UHR = 8 В;
В.
Соответствующие изменение тока эмиссии учитывают
коэффициентом идеальности:
(2.10)
где DUe - поправка по напряжению накала, вызванное поправкой по
току эмиссии, DUe = 0,818.
Из этого уравнения выражается значение тока эмиссии
идеального катода:
В соответствии с формулами:
- падение напряжения на идеальном катоде;
- сила тока эмиссии идеального катода;
Диаметр проволоки и длина катода определяются:
(2.11)
(2.12)
Расчет
параметров идеального катода
Электрофизические параметры идеального катода
определяются по следующим формулам.
Мощность подводимая от источника питания для нагрева
катода:
(2.13)
Сопротивление нагретого катода:
(2.14)
Ток накала катода:
(2.15)
Скорость испарения материала катода:
(2.16)
Срок службы катода
По мере эксплуатации материал подвергается распылению и
испарению. Учесть распыление - важнейший фактор разрушения катода проблематично.
Действие же испарения, которое уменьшает диаметр нити и снижает силу тока
эмиссии, возможно оценить на основании эмпирической зависимости срока службы от
температуры и диаметра катода:
(2.17)
где В - коэффициент, зависящий от критерия принимаемого
при оценке срока службы (, если критерием считать
уменьшение эмиссии на 20%).
.4 Сравнительный анализ параметров катодов из вольфрама и тантала
Таблица 2.4
Сравнительная характеристика материалов катода:
Тантал
|
Вольфрам
|
Достоинства
|
1.Требует более низкую температуру нагрева и, следовательно
затрачиваемую мощность. 2. Обеспечивает
значительно более высокие плотности тока эмиссии.
|
Обеспечивает большую стабильность
характеристик пучка за счет меньшей подверженности испарению.
|
Недостатки
|
Относительно низкая стабильность
характеристик пучка.
|
1.Относительно меньшая достижимая плотность мощности пучка
в пятне нагрева в силу высоких тепловых скоростей эмитировавших электронов. 2. Требуется относительно большая мощность
нагрева.
|
Таблица 2.5
Сравнительный анализ параметров катодов из вольфрама и тантала,
полученных при расчете:
Т-ра нагрева Т,°С
|
Вольфрам
|
Тантал
|
|
d, мм
|
l, мм
|
Jet, А/м2
|
Ie, А
|
τ, ч
|
d, мм
|
l, мм
|
Jet, А/м2
|
Ie, А
|
τ, ч
|
2200
|
1.505
|
397
|
127.733
|
401.285
|
6018
|
0.2333
|
122
|
670.143
|
2105
|
64.784
|
2300
|
0.8206
|
236
|
393.736
|
1237
|
87.07
|
0.1295
|
78
|
1882
|
5913
|
0.553
|
2400
|
0.4856
|
142
|
1109
|
3484
|
26.09
|
0.07411
|
53
|
4868
|
15290
|
0.088
|
2500
|
0.2756
|
96
|
2885
|
9063
|
2.931
|
0.04608
|
35
|
11710
|
36780
|
0.006469
|
2600
|
0.1671
|
65
|
6994
|
21970
|
0.994
|
0.02854
|
25
|
26400
|
82930
|
0.002129
|
2700
|
0.1073
|
45
|
15930
|
50300
|
0.906
|
0.0183
|
19
|
56200
|
176600
|
0.0000197
|
2800
|
0.0704
|
32
|
34280
|
107700
|
0.32
|
0.01306
|
13
|
113700
|
357100
|
0.0000070
|
Зависимости τ, l, d от температуры Т для проволочного
прямонакального катода из вольфрама и тантала, представленных на рис.3,4,5.
катод насос катушка откачка
Рис.3.
График зависимости срока службы катода от температуры
Рис.4.
График зависимости длины катода от температуры
Рис.5.
График зависимости диаметра катода от температуры
Вывод:
Исходя из полученных данных, был выбран проволочный прямонакальный катод из
тантала с параметрами: температура нагрева катода Т=2200 К, диаметр проволоки d=2.333
·10-4 м, длина катода l=0.122 м, срок службы τ=64.784 ч.
Катод
имеет вид бифиллярной спирали. Форма эмитирующей части катода показана на
рис.6.
Рис.6.
Форма эмитирующей части катода
.
Расчет параметров фокусирующей катушки
Целью
расчета является выбор конструктивных параметров второй магнитной линзы,
обеспечивающих фокусное расстояние.
Современные
электронные пушки строятся по двух линзовой схеме:
Первая
линза - иммерсионный электростатический объектив; вторая - магнитная линза. Ход
лучей в двух линзовом генераторе показан на рис.7.
Рис.7. Схема траекторий в двух линзовом генераторе
Усилием первой линзы, образуемой полем ускоряющего
промежутка между катодом и анодом, формируется изображение катода CD в за анодном пространстве. Перед
этим изображением расположено наименьшее сечение пучка АВ, являющееся точкой
фокуса первой линзы со стороны изображения и называемое кроссовером. Радиус
кроссовера может быть в десятки раз меньше радиуса катода. Поэтому, именно
кроссовер является объектом второй линзы для формирования изображения A’B’ [6].
Рис.8.
Формирование электронно-оптического изображения в тонкой магнитной линзе
Будем рассматривать магнитную линзу симметричную
относительно средней плоскости и слабопреломляющую (длиннофокусную), тогда
можно считать: главные плоскости совпадающими со средней; главные фокусы
симметрично расположенными ( |ƒ1|=|ƒ2|=ƒ ), а
потенциалы электрического поля по обе стороны линзы одинаковыми и равными U.
Из учета мощности электронной пушки примем [1]:
f = 500 мм - фокусное расстояние;
IФ = 250 мА - ток фокусировки;
Rср = Dлп = 30 мм -
средний радиус фокусирующей катушки;
jФ = 2 А/мм2 - плотность
тока фокусировки.
Число ампер-витков фокусирующей катушки определяется по формуле:
(2.18)
Плотность
тока:
(2.19)
отсюда найдем диаметр проволоки обмотки фокусирующей катушки:
Примем
значение диаметра проволоки обмотки фокусирующей катушки по ГОСТу: dпр = 0.4 мм
Площадь
поперечного сечения проволоки:
(2.20)
Уточним
значение плотности тока фокусировки:
(2.21)
Плотность
тока в проводе не должна превышать 2..5 А/мм2. Условие выполняется.
Вычислим площадь поперечного сечения катушки:
(2.22)
где k -
коэффициент, учитывающий способ намотки проволоки;
Определим длину H и
ширину B поперечного сечения катушки:
(2.23)
Примем H = 15 мм, тогда
Угол поворота изображения:
(2.24)
Рис.9. Схема фокусирующей катушки
. Выбор насосов вакуумной системы и ее схемы для
откачки электронной пушки
.1 Выбор схемы откачки
Вакуумные системы технологических ЭЛУ построены в основном по двум
схемам: с общей или раздельной дифференциальной откачкой рабочей ВК и ЭП [2,4].
Первая схема обычно используется при обработке в высоком вакууме в рабочих
камерах относительно небольших объемов или в случае подвижной пушки. В этом
случае внутренняя полость ЭП соединена с камерой и откачивается общей ВС.
Недостатки схемы в необходимости обеспечивать высокий рабочий вакуум (10-2…10-3
Па) в значительном объеме и худших условиях работы катода ЭП, который
подвергается термоциклированию и периодическому напуску воздуха в процессе
загрузки-выгрузки изделия. Более совершенной является ВС с раздельной откачкой,
которая применима в случае стационарной пушки. В этой схеме для удаления газа
из пушки используется дополнительная (как правило, меньшей производительности)
откачная система, которая позволяет проводить обработку изделия при
промежуточном вакууме (1…10-1 Па) в ВК, сохраняя при этом высокий
вакуум в ЭП. Величина последнего будет определяться величиной натекания газа из
камеры в ЭП и производительностью этой дополнительной ВС. Между пушкой и
камерой устанавливается вакуумный затвор, который позволяет герметично отделить
их откачиваемые объемы. Это дает возможность перезагрузить камеру без напуска
воздуха в полость ЭП или заменить катодный узел пушки без напуска воздуха в
камеру. При этом предварительный вакуум в пушке может достигаться через рабочую
камеру при открытом затворе в результате работы насоса.
Выберем схему с раздельной дифференциальной откачкой рабочей ВК и ВК ЭП.
Схема вакуумной системы (рис.10), включает: вакуумную камеру СV и ЭП, вентиль VП4 для напуска воздуха и датчики
вакуума PA5, PT2; форвакуумный насос NI2, который посредством вентиля VП5 подсоединён к ЭП, а через кнопку
Вкл.3, подсоединенной к электрической сети - управляется; PA6 и PA4 - датчики вакуумной системы трубопровода и диффузионного
насоса ND2, который соединён через вентиль VП6 с насосом предварительного
разряжения NI2, а посредством затвора VП с внутренним объёмом ЭП. Кроме того
ND2 через кран VП9 подключён к магистрали водопровода для охлаждения и управляется
через кнопку Вкл.4, подсоединенной к электрической сети для питания
нагревательного элемента.
Рис.10.
Схема вакуумной системы электронной пушки.
Откачка
ЭП на высокий вакуум осуществляется в следующей последовательности. Исходное
положение: электропитание отключено, вентили и затвор закрыты. Для пуска
установки необходимо подключить сеть к NI2 с помощью
кнопки Вкл.3. Начинается откачка системы трубопроводов до низкого вакуума,
затем выполняем откачку до высокого вакуума. Для этого требуется открыть
вентиль VП5. Начинается откачка пушки. Достигнув низкого
вакуума в ЭП, необходимо закрыть VП5 и открыть вентиль VП6 для откачки
до низкого вакуума рабочего объёма ND2. Обеспечив низкий вакуум в ND2,
необходимо подготовить его к работе, для чего следует открыть кран VП9
подачи воды в ND2 и подключить кнопкой Вкл.4 сеть к нагревательному
элементу ND2. Диффузионный насос будет готов к работе спустя 45
минут после включения его нагрева. Затем необходимо открыть затвор VП,
соединяющий ЭП с ND2. Начинается откачка пушки до высокого вакуума (~10-3
Па ), после чего установка готова к работе.
Для
отключения ЭЛУ необходимо: закрыть затвор VП; отключить
кнопку Вкл.4, что приводит к остановке и охлаждению ND2, которое
длится 45 минут; закрыть кран VП9 подачи воды (при температуре корпуса ND2
ниже 50 oC);
закрыть клапан VП6; отключить электропитание NI2 кнопкой
Вкл.3. Откачка CV производится аналогично.
Для
замены изделия необходимо закрыть затвор VП7, соединяющий
CV с ЭП и вентили VП3, VП
соединяющие ND1 c CV, открыть вентиль VП1
для напуска воздуха в вакуумную камеру, после чего открыть люк и достать
свариваемое изделие. Загрузив следующее изделие, закрыть вентиль VП1 и
люк. Повторить цикл откачки имея в виду, что ND1 готов к работе
и необходимо осуществить только откачку CV на низкий и
высокий вакуум.
.2
Выбор насосов вакуумной системы
Выбор насосов вакуумной системы осуществляется в
соответствии с расчетом характерных параметров диффузионного и форвакуумного
насосов, таких как эффективная быстрота откачки насоса Sэф и быстрота действия насоса Sн , л/с.
Весь процесс откачки подразделяется на два периода: период
предварительной откачки от атмосферного давления до давления, при котором
начинает работать высоковакуумный насос (1·10-1…1·10-3 мм.рт. ст.) и период откачки от давления 1·10-1…1·10-3 мм.рт.ст до заданного рабочего давления Р=10-5
мм.рт.ст.
.2.1 Определение суммарного газового потока натекающего в
электронную пушку
Давление р=10-3 Па в электронной пушке
определяется равновесием между удаляемым с помощью вакуумного насоса потока Q и потоком, поступающим в
откачиваемый объем QS, последний складывается из потока газа натекающего по лучепроводу из
рабочей вакуумной камеры Qлп;
газовыделения с внутренних стенок электронной пушки Qгаз и потока газов Qнат , натекающих из атмосферы.
(2.25)
Примем .
Определим поток газов, выделяющийся со стенок электронной
пушки по формуле:
, где (2.26)
- площадь поверхности боковых стенок пушки, м2
-скорость удельного газовыделения (для боковых стенок из
коррозионностойкой стали).
, где (2.27)
=0.16 м - диаметр внутренней стенки пушки
=0.32 м- высота электронной пушки.
Натекающий поток газа определяется по формуле:
(2.28)
, где
= 2 - число последовательно проверенных соединений;
=0.2 -вероятность существования течи, которую нельзя
определить с помощью течеискателя;
- наименьший поток, регистрируемый течеискателем
Таким образом, суммарное натекание газа будет равно:
.2.2 Определение быстроты откачки
Быстротой откачки объекта или эффективной быстротой
откачки насоса называется объем газа, поступающий в единицу времени из
откачиваемого объекта в трубопровод через сечение при давлении p.
Если считать, что суммарное натекание газа постоянно во
времени, то необходимая эффективная быстрота откачки из электронной пушки
равна:
, (2.29)
где - рабочее давление в пушке;
- суммарное натекание газа;
Коэффициент использования насоса Ки=0.4;
Найдем номинальную быстроту действия SH1,
(2.30)
По быстроте откачки и рабочему давлению подберем
подходящий насос.
.2.3 Выбор высоковакуумного насоса
Диффузионные
насосы применяют для откачки вакуумных систем до остаточных давлений Па. И ниже. Механизм удаления газа в диффузионных
насосах обусловлен диффузионными процессами. Под действием разности
концентраций газа над паровой струей и в струе (концентрация газа в струе
вблизи сопла пренебрежимо мала) происходит диффузия газа в струю. Попав в
струю, молекулы газа получают импульсы от молекул пара в направлении парового
потока и уносятся вместе со струей к стенке корпуса насоса; при этом пар
конденсируется на охлаждаемой стенке, а газ, сжатый в струе до выпускного
давления ступени, перетекает вдоль стенки в пространство над следующей ступенью
насоса. Наряду с прямой диффузией газа происходит и обратная диффузия в струю
со стороны форвакуума. Однако в этом случае молекулы газа, движущиеся в
обратном направлении, сталкиваются с движущимися им навстречу молекулами пара и
оттесняются обратно в сторону форвакуума; лишь небольшая часть молекул может
продиффундировать через струю в обратном направлении. Число молекул газа,
диффундирующих через струю в обратном направлении, при оптимальном режиме
работы насоса несоизмеримо мало по сравнению с числом молекул газа.
Нам подходит паромасляный диффузионный насос НВД-025[2] с
номинальной быстротой откачки близкой к расчетной, основные характеристики
которого приведены в табл.4.1.
Таблица 4.1
Основные характеристики диффузионного насоса
НВД-025[2]
Параметр
|
Значение
|
Быстрота действия, м3/с
|
0.25
|
Предельное остаточное давление, Па
|
2·10-6
|
Наибольшее выпускное давление, Па
|
65
|
Расход охлаждающей воды (при Т=283…293
К), л/ч
|
30
|
Мощность нагревателя, кВт
|
0.5
|
Напряжение, В
|
220
|
Dy, Впускного
фланца, мм:
|
100
|
Требуемая быстрота действия
форвакуумного насоса, м3/с
|
0.002
|
Габаритные размеры, мм
|
320х210х421
|
Масса, кг
|
14
|
.2.4 Выбор насоса предварительного разряжения
Требуемая быстрота действия . Нам подходит агрегат вакуумный ротационный 2НВР-5ДМ [2],
характеристики которого приведены в табл.4.2.
Таблица 4.2
Насос вакуумный ротационный 2НВР-5ДМ [2]
Параметры
|
Значение
|
Быстрота действия при давлении 1.06·105
- 1.3·102 Па, м3/с
|
0.005
|
Предельное остаточное давление, Па, не
более: полное парциальное по воздуху
|
2.6·10-1 1.3·10-2
|
Мощность двигателя насосов, кВт
|
0.55
|
Габаритные размеры, мм
|
555х170х280
|
Вес насоса, кг
|
27
|
=0.7
Насос
типа 2НВР-5ДМ (Н- насос, В- вакуумный, Р- ротационный, Д- двухступенчатый, М-
модернизированный).
.2.5
Расчет времени откачки электронной пушки
Общее
время откачки электронной пушки определяется быстродействием вакуумных насосов.
Так как в данном случае два насоса, то следует подсчитать время откачки от
каждого в отдельности, а потом сложить.
Время
достижения рабочего вакуума определяется по следующей формуле:
, где (2.31)
-объем
электронной пушки, м3,
-эффективная
быстрота откачки агрегата НВД-025, м3/с,
-
атмосферное давление и давление, необходимое для пуска
диффузионного
насоса, Па.
-
коэффициент запаса
Объем
электронной пушки
Время
достижения промежуточного вакуума определяется аналогично:
, где:
-
эффективная быстрота откачки форвакуумного насоса, м3/с,
-
давление, необходимое для пуска диффузионного насоса и рабочее давление в вакуумной
камере, Па.
Суммарное
время откачки от двух насосов:
.2.6
Графическая проверка выбора вакуумных насосов и определение совместности их
работы
Согласование
последовательно работающих насосов осуществляется:
по
потоку откачиваемых газов;
по
выпускному давлению основного насоса;
по
диаметру соединяющего трубопровода, который обычно выбирают
несколько
большим диаметра выпускного патрубка основного насоса.
Проверяем
совместность работы насосов графически.
С
целью проверки совместности работы вакуумных насосов в системе, включающей ее
элементы, построим графики зависимости Sн1(p), Sн2(p), Sэф1(p), Sэф2(p), SQ(p), представленных на рис.11.
Рис.11.
Графическая проверка совместности работы вакуумных насосов
Точка
пересечения кривых Sэф1 и SQ, показанная на графике, соответствует установившемуся режиму работы
первого насоса. Давление в точке пересечения равно рабочему давлению первого
насоса. Аналогично по пересечению кривых Sэф2 и SQ находим рабочее давление второго насоса. Так как оно
меньше, чем максимальное выпускное давление первого насоса, следовательно,
насосы работают совместно.
Условием
запуска системы можно считать отсутствие двойного пересечения кривых SQ и Sэф1 в
промежутке рабочих давлений. Следовательно, система запускается.
Заключение
В
ходе проделанной работы, для сварки изделий в промежуточном вакууме была
выбрана электронно-лучевая пушка Штейгервальда мощностью 9 кВт. Произведен
расчет и сравнение проволочных прямонакальных катодов из фольфрама и тантала. В
результате сравнения был выбран катод из тантала, работающий при Т=2200 К.
Также
был произведен расчет отклоняющей катушки, позволяющей получить в условиях
высокого ускоряющего напряжения, большие плотности мощности пучка (n=2078
витков, Fкат=311.7 мм2, Н=15 мм, В=20.78 мм, Iф=0.25
А).
Для
непрерывного поддержания разрежения в полости пушки 10-3 Па и в сварочной
камере, где периодически создается разряжение 10-3 Па была разработана схема
откачки и подобраны насосы (диффузионный НВД-025 и форвакуумный 2НВР-5ДМ).
Также произведена проверка возможности совместной работы насосов.
Список
литературы
1. Ластовиря В.Н. Оборудование для обрабатки материалов электранным
пучком. Учеб. Пос. по курсу "Технологические машины и оборудование".
Изд. МЭИ. 1997.-132с.
. Вакуумная техника: Справочник/ Е.С. Фролова, В.Е. Минайчева.- М.:
Машиностроение, 1992.-132с.
. Шиллер 3., Гайзиг У., Панцер 3. Электронно-лучевая технология: Пер. с
нем. - М.: Энергия, 1980 - 528с.
. Розанов Л.Н. Вакуумная техника: Учеб. Для вузов.- 2-е изд..-М.: Высш.
шк. 1990.~320с.
. Электронно-лучевая сварка./ Назаренко О.К., Кайдалов А.А., Ковбасенко
С.Н., и д.р.; Под ред. Б.Е. Патона. - Киев: Наук. Думка, 1987. -256с.
6. Мамутов
Е.Л. Электронно-лучевая сварка деталей большой толщины. - М.: Машиностроение,
1992.