Применение волновых передач в вакуумной технике

При разработке вакуумного привода часто возникает необходимость кинематического преобразования в вакууме силового движения с помощью зубчатой, червячной или винтовой передач.

Возможность осуществления этих преобразований ограничивается тем, что очень трудно обеспечить необходимую работоспособность контактной силовой пары в условиях сухого трения в вакууме при относительно высоких удельных нагрузках.

Однако в последнее время предприняты попытки создания вакуумного привода без уплотнительных элементов с помощью принципиально новой механической передачи, которая получила название волновой.

В результате исследований и эксплуатации волновых передач в механических, электромеханических и гидравлических системах, в ядерных реакторах, авиационных и ракетных системах автоматического управления и регулирования можно указать на следующие их принципиальные особенности и преимущества по сравнению с обычными передачами:

• возможность получения больших передаточных чисел при малом количество конструктивных элементов, небольших габаритах и соосном расположении ведущего и ведомого валов;
• высокая кинематическая точность, плавность и бесшумность работы;
• возможность получения беззазорного реверсивного движения;
• достаточно высокий к.п.д. передач, уравновешенность нагрузок и незначительный износ в связи с уменьшением контактных нагрузок благодаря многопарности зацепления и малым путям скольжения в зоне контакта;
• возможность плавного регулирования передаточного отношения при передаче вращательного движения с помощью фрикционной волновой передачи и при преобразовании вращательного движения в винтовое в волновых передачах винт-гайка благодаря изменению величины деформации гибкого элемента;
• меньшая чувствительность к различным технологическим погрешностям.

Для вакуумной техники весьма перспективными могут оказаться следующие особенности волновых передач:

• возможность передачи через тонкостенную неподвижную оболочку или диафрагму вращательного, поступательного и винтового движений;
• возможность создания более долговечной по сравнению с сильфонной передачей волновой вакуумной передачи благодаря выбору оптимальных соотношений между конструктивными размерами неподвижной гибкой оболочки и целесообразному выбору ее материала;
• возможность создания полностью прогреваемого привода с целью его обезгаживания, так как при прогреве элементы волновой передачи могут быть выведены из зацепления (при этом должна быть обеспечена возможность увеличенных деформаций гибкого элемента волновой передачи);
• значительно меньшие контактные нагрузки в зоне трения могут обеспечить более эффективную работоспособность вакуумных твердых смазок и антифрикционных покрытий.

Долговечность непрерывной работы изготавливаемых волновыхприводов, работающих в вакууме, превышает 1000 ч.

Для определенной ориентации при правильном выборе той или иной схемы вакуумного волнового привода можно дать следующие рекомендации:

• зубчатые волновые передачи обладают значительно большей кинематической точностью и возможностью передавать большие крутящие моменты по сравнению с передачами-муфтами; для малонагруженных передач с целью полной замены трения скольжения на трение качения в
  вакууме целесообразно применение шариковых волновых муфт;
• плоские герметичные упругие диафрагмы по сравнению с оболочками типа тел вращения обладают значительно меньшей долговечностью, поэтому их применение будет оправдано в том случае, когда передаваемые крутящие моменты и скорости незначительные и по условиям
  конструкции требуется малогабаритный привод;
• внутреннее расположение генератора позволяет рационально использовать объем упругой оболочки, упрощает вопрос его смазки, сборки привода и изготовления наружного зацепления на гибкой оболочке; при наружном расположении генератора значительно увеличиваются его габариты и вес, но зато уменьшается общая металлоемкость деталей привода, расположенных в вакууме;
• наибольшее передаточное число при одинаковых габаритах обеспечивается при числе волн, равном 2; при этом гибкое колесо и оболочка будут иметь меньшее число перегибов и более высокую усталостную прочность при более технологичной форме генератора.

Можно указать на следующие наиболее важные вопросы, которые необходимо решить при разработке надежного волнового вакуумного привода:

• конструкция гибкой оболочки и технология ее изготовления с исследованием зависимости между ее герметичностью и усталостной прочностью, а также изучение газопроницаемости через ее стенку в процессе усталостного нагружения и изменения в связи с этим физико-химической структуры материала оболочки;
• выбор оптимальной вакуумной твердой смазки и подбор материалов элементов зацепления в вакууме с целью получения необходимой износостойкости передачи при высоком к.п.д.;
• разработка конструкции передачи, обеспечивающей ее прогрев до температуры 400–500°C с целью обезгаживания деталей, находящихся в вакууме;
• исследование процессов газовыделения из деталей передачи, находящихся в вакууме;
• разработка соответствующих подшипников качения, работоспособных в высоком вакууме, при значительных нагрузках и температурах и относительно небольших скоростях вращения;
• разработка методики расчета волновой вакуумной передачи с учетом дополнительного воздействия на гибкую оболочку атмосферного давления и повышенных рабочих температур элементов передачи вследствие затруднительного теплоотвода в вакууме, а также определения допустимых удельных нагрузок в зоне зацепления в условиях трения в вакууме.

Особенности вакуумной системы испытательного стенда:

• надежная защита вакуумного объема камеры 32 от проникновения паров масла и углеводородов со стороны вакуумных насосов с помощью ионной и термосорбционной ловушек, что дает возможность исследовать работу пар трения в условиях безмасляного вакуума;
• возможность прогрева вакуумной камеры 32 с целью ее обезгаживания, что обеспечивается цельнометаллической конструкцией всех ее элементов, в том числе и вентилей 23 и 24;
• повышение чувствительности измерения изменений порциального давления гелия в камере 32 после установления в ней рабочего вакуума при работе только термо-сорбционной ловушки 20 при закрытом вентиле 22.

В этом случае термо-сорбционная ловушка выступает в роли охлаждаемого водой титанового насоса, который обладает избирательной откачкой по отношению к активным и инертным газам. Термосорбционная ловушка будет поддерживать достаточно низкий фон по активным газам (в пределах 10−⁶мм рт. ст. ), а проникающий в камеру гелий будет накапливаться и фиксироваться масс-спектрометрическим датчиком, что исключительно важно для определения начала усталостного разрушения оболочки;

• возможность масс-спектрометрического анализа изменения остаточной газовой среды при работе волновой передачи, что важно для исследования пар трения и газовыделений из деталей ввода;
• исключение возможности выхода из строя высоковакуумной аппаратуры при аварийной разгерметизации оболочки 3, так как в этом случае камера 32 наполняется не воздухом, а инертным газом.