2. Расчет геометрических размеров устройства

После вычисления геометрических размеров сопла можно приступать к определению основных размеров защитного устройства. В первую очередь это касается вычисления толщины стенки обоймы, то есть корпуса устройства, смотрового стекла и подбора уплотнителей.

В качестве материала корпуса устройства выберем сталь 12Х18Н10Т, являющаяся наиболее распространенным конструкционным материалом для вакуумных камер.

Расчеты толщины стенок устройства будем вести по методике, изложенной в литературе [20]. Ее номинальную толщину определим по формулам:

(2.32)

(2.33)

где безразмерный коэффициент К₂ определяется как функция отношений К₁ и К₃:

(2.34)

(2.35)

Коэффициент запаса устойчивости (n_у) при расчете сосудов и аппаратов на устойчивость по нижним критическим напряжениям в пределах упругости для рабочих условий следует принимать равным 2,4.

Для стали 12Х18Н10Т допускаемое напряжение при температуре 20°С с учетом поправок σ₂₀ = 160 МПа, модуль упругости Е= 2·10⁵ МПа, наружное давление p_н = 0,1 МПа, испытательное давление – 0,2 МПа.

Рассчитаем значения коэффициентов К₁ и К₃:

По номограмме (см. рисунок 2.6) определим значение коэффициента К₂.

Значение коэффициента К₂= 0,38. По формуле рассчитаем значение s_p:

Следовательно, выбираем большее значение для s_p = 0,00038 м = = 0,38 мм.

Рисунок 2.6 – Номограмма для определения коэффициента К2

С учетом прибавки с₂ =0,12 мм, значение s_p = 0,38+0,12 = 0,5 мм.

Это значение округляем до ближайшего целого значения толщины стального листа, равного 1 мм. Для возможности обработки поверхности и воспрепятствованию короблению величину стенки увеличим до 5 мм. Таким образом, s_p = 5 мм.

Расчёт цилиндрической обечайки, нагруженной внешним давлением, сводится к определению допускаемой величины этого внешнего давления. Допускаемое наружное давление рассчитаем по формуле:

(2.36)

где [p]_п – допускаемое напряжение из условия прочности, Па;

[p]_E – допускаемое напряжение из условия устойчивости в пределах упругости, Па.

Допускаемое давление из условия прочности определим из формулы:

(2.37)

Допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости определим по формуле:

(2.38)

где Е – модуль упругости при равновесной температуре, Па;

коэффициент запаса устойчивости по нижним критическим напряжениям в пределах упругости для рабочих условий, n_y=2,4.

– безразмерный коэффициент ( );

Выбираем наименьшее значение В₁:

Тогда:

Вычисляем допускаемое давление [p]:

Обечайка устойчива, так как расчетное давление больше допустимого: 13,53 > 0,1 МПа.

Определяем внутреннее допускаемое давление по формуле из ГОСТ 14249-89 [21]:

(2.39)

где φ_р – коэффициент прочности сварного шва.

Будем считать, что сварной шов – стыковой, с двусторонним сплошным проваром, выполнен полуавтоматической сваркой, тогда значение φ_р можно принимать равным 0,9.

Таким образом, сварной шов обладает большим запасом прочности.

Смотровое окно будет предназначено только для ведения наблюдений, поэтому самыми распространенными конструкционными материалами для пропускания видимого света являются обычное стекло, оптическое стекло, жаропрочное стекло, кварц, пластмассы. В условиях нанесения покрытий методом термического испарения наиболее благоприятным материалом смотрового окна будет жаропрочное (боросиликатное) стекло.

Толщина жаропрочного кварцевого стекла по ГОСТ 21836-88 [22] для диаметра 100 мм варьируется в пределах 9-20 мм. Для нас оптимальной толщиной стекла является 10 мм, способной выдержать давление до 0,7 МПа.

Уплотнителем между стеклом и соплом будут прокладки квадратного сечения со стандартными размерами 4х4 мм и наружными диаметрами 100 и 120 мм. В качестве материала уплотнения выбираем кремнийорганическую резину, способную выдерживать температуру до 300 ºС.

Фланцы будут изготавливаться из того же материала, что и корпус устройства, а иметь размеры в соответствии с ГОСТ Р 52856-2007 [23]. Выбор одинакового материала с корпусом устройства для фланцев обусловлен их последующей сваркой.

Заслонку проектируем по конструкции и габаритам, схожими с заслонкой компании Nor-Cal Products, которая разместила информацию о механизме в открытом доступе [24]. Шторка будет иметь электропривод, с помощью которого будет открываться-закрываться механизм.

Штуцер имеет диаметр и толщину стенки по ГОСТ 3262-75 [25]. Он соединяется с корпусом устройства при помощи сварки, а резьба на его конце выполняется в соответствии с ГОСТ 6357-81 [26].