HLT/SR2000環(huán)境試驗(yàn)裝置真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陸宏權(quán)， 馬學(xué)煥， 張宗峰， 趙帥， 陳根重

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十六研究所 安徽億瑞深冷能源科技有限公司，合肥 230043）

0 引言

環(huán)境試驗(yàn)裝置被廣泛用于電子電工、航天航空、汽車(chē)材料等領(lǐng)域，主要用來(lái)考核產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性以及篩選出合格的產(chǎn)品。某單位要求研制一套高低溫低氣壓環(huán)境試驗(yàn)裝置，其中真空系統(tǒng)是該HLT/SR2000環(huán)境試驗(yàn)裝置的核心組成之一，真空系統(tǒng)采用旋片式機(jī)械泵作為抽空泵，本文對(duì)真空系統(tǒng)組成和原理進(jìn)行概述，并給出了真空系統(tǒng)計(jì)算選型以及真空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法。該裝置真空系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 技術(shù)指標(biāo)

1 工作原理

該裝置真空系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)被抽真空腔體低氣壓指標(biāo)，真空系統(tǒng)由真空泵、真空管道、壓力變送器、電磁真空擋板閥、放氣閥和防返油閥等部件組成。真空系統(tǒng)原理示意圖如圖1所示。

圖1 真空系統(tǒng)原理示意圖

真空腔體1通過(guò)真空管道與電磁擋板閥3進(jìn)行連接，真空電磁擋板閥3通過(guò)真空管道與機(jī)械真空泵6連接，機(jī)械真空泵6與電磁擋板閥之間安裝防止機(jī)械泵油返回到真空腔體中去的防返油閥5，另外在電磁擋板閥和真空腔體之間的真空管道上通過(guò)三通外接放氣電磁閥4。在真空腔體1上單獨(dú)接入真空壓力變送器，實(shí)時(shí)檢測(cè)控制真空腔體的真空度。

當(dāng)真空腔體需要達(dá)到設(shè)定真空度時(shí)，控制系統(tǒng)通過(guò)壓力變送器采集到的模擬量信號(hào)傳入PLC，PLC將計(jì)算結(jié)果通過(guò)指令方式執(zhí)行各電氣元件動(dòng)作，從而控制機(jī)械真空泵和電磁閥的開(kāi)啟。在真空系統(tǒng)中接入了多規(guī)格機(jī)械真空泵實(shí)現(xiàn)抽速可調(diào)，確保泵能處于正常工作狀態(tài)。真空系統(tǒng)中還采用了PID控制方式來(lái)單獨(dú)控制壓力，以實(shí)現(xiàn)高精度壓力控制。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 抽空計(jì)算

該裝置低氣壓真空腔體采用不銹鋼SUS304鋼板焊接而成，表面拋光處理，實(shí)際總?cè)莘e約為2.5 m3，初始?jí)毫?個(gè)大氣壓，要求在30 min內(nèi)抽空至1 kPa。真空腔體內(nèi)部為干燥空氣，真空系統(tǒng)屬于無(wú)油金屬低真空系統(tǒng)。真空系統(tǒng)既要保證試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)氣壓的要求，又要達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)要求，因此在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需要綜合考慮。

真空泵抽氣速率為

式中：V 為真空室容積，L；p1為初始真空度，Pa；p2為要求真空度，Pa；Kg為修正系數(shù)，取 1.5；t為抽氣時(shí)間，s。

根據(jù)要求氣壓變化速率△p≤10.0 kPa/min，選擇德國(guó)萊寶型號(hào)為D40C和D16C旋片式機(jī)械真空泵各1臺(tái)，結(jié)合放氣閥實(shí)現(xiàn)壓力精確控制。萊寶系列真空泵如圖2所示。

圖2 萊寶系列真空泵

由于真空泵由一根DN40金屬波紋管連接至真空腔體，則存在流導(dǎo)：

式中：S為真空泵名義抽速，L/s；U為粗抽管路流導(dǎo)，L/s；K為抽空時(shí)間修正系數(shù)，取1.25。

由上述驗(yàn)證，選擇此型號(hào)真空泵可在24 min內(nèi)將真空腔體抽至目標(biāo)真空度。

圖3 加強(qiáng)筋形式

2.2 真空承壓結(jié)構(gòu)計(jì)算

1）真空腔體壁厚計(jì)算。

該裝置真空腔體采用長(zhǎng)方體內(nèi)承壓結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)既要保證真空腔體不會(huì)因?yàn)闅鈮旱淖兓鴮?dǎo)致變形過(guò)大，還要使真空腔體的壁厚盡量薄，否則其所需的制冷負(fù)荷特別大，這樣對(duì)制冷機(jī)組的要求就很大。所以為了減少鋼材的壁厚，一般在真空腔體上通常使用加強(qiáng)筋的方式。考慮真空腔體在真空以及濕熱條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，所以選用SUS304不銹鋼作為材料。真空腔體設(shè)計(jì)尺寸1000 mm（W）×1000 mm（H）×2500 mm（D），其計(jì)算過(guò)程如下［1］：

強(qiáng)度極限確定許用應(yīng)力［σ］彎=σb/nb=196.1 MPa。其中：σb為不銹鋼材料SUS304的強(qiáng)度極限壓力529.5 MPa；nb為不銹鋼材料SUS304的強(qiáng)度安全系數(shù)2.7。

屈服極限確定許用應(yīng)力［σ］彎=σs/ns=130.7 MPa。σs為不銹鋼材料SUS304的屈服極限壓力196.1 MPa；ns為不銹鋼材料SUS304的屈服安全系數(shù)1.5。

腔體采用加強(qiáng)筋的形式使壁厚盡可能薄，加強(qiáng)筋形式擬采用圖3所示的橫向加強(qiáng)形式。

腔體計(jì)算壁厚S0=0.224l/（［σ］彎）1/2=0.49 cm。其中，l為加強(qiáng)筋間距250 mm；實(shí)際壁厚S=S0+C=5.4 mm。C為壁厚附加量0.5 mm。為簡(jiǎn)化計(jì)算取壁厚6 mm；考慮焊接變形及拋光等因素選取壁厚為8 mm。

對(duì)于面1000 mm×2500 mm加強(qiáng)筋所需要的截面模量Wp=B2lp/（2K［σ］彎）=7.97cm3。其中：B為短邊寬度1000 mm；l為加強(qiáng)筋間距250 mm；K為系數(shù)，采用剛性固定，加強(qiáng)筋四周對(duì)接焊，取值12。

選取TW100×100型加強(qiáng)筋，其截面模量Wx=14.3cm3＞7.97 cm3，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2）應(yīng)力仿真分析。

為了對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，基于ANSYS仿真軟件對(duì)真空腔體各部位所受應(yīng)力進(jìn)行分析，如圖4和圖5所示。通過(guò)圖4和圖5可以分析得出，真空腔體所受最大應(yīng)力約110 MPa，均小于其屈服極限許用應(yīng)力130.7 MPa。真空腔體和封頭在承壓時(shí)其最大變形量只有約1.3 mm，受力滿(mǎn)足完全設(shè)計(jì)要求。

圖4 真空腔體應(yīng)力分布圖

3 結(jié)果分析

3.1 設(shè)計(jì)運(yùn)行結(jié)果

圖6為真空腔體實(shí)體圖及運(yùn)行結(jié)果，其中上方為真空腔體安裝完成后的實(shí)體圖，由圖中可以看出真空腔體采用上述設(shè)計(jì)結(jié)果加工而成，在抽空過(guò)程中，真空腔體沒(méi)有出現(xiàn)大的形變而影響強(qiáng)度的現(xiàn)象。由圖6下方可以看出，真空系統(tǒng)可在約24 min內(nèi)將真空腔體抽至目標(biāo)真空度1 kPa，完全滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求，說(shuō)明上述設(shè)計(jì)結(jié)果合理。

圖5 真空腔體變形量分布圖

圖6 實(shí)體圖及抽空曲線(xiàn)

表2 壓力指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

3.2 壓力檢測(cè)結(jié)果

真空系統(tǒng)通過(guò)合理配置機(jī)械真空泵以及真空管路優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)PLC和PID相結(jié)合控制的方法可以在不同溫度下和不同真空度下實(shí)時(shí)改變其抽空程序，以達(dá)到能夠控制壓力變化速率以及各段壓力范圍的壓力偏差，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行和經(jīng)過(guò)用戶(hù)指定的第三方（國(guó)家一級(jí)檢測(cè)單位）檢測(cè)，壓力指標(biāo)優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和用戶(hù)要求。具體檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)HLT/SR2000環(huán)境試驗(yàn)裝置真空系統(tǒng)組成及原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述，并對(duì)真空系統(tǒng)抽空計(jì)算選型進(jìn)行了較為詳細(xì)的敘述，對(duì)真空系統(tǒng)優(yōu)化選型和控制方法作了簡(jiǎn)要說(shuō)明。同時(shí)對(duì)真空腔體的承壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算，并基于ANSYS仿真分析軟件對(duì)真空結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行分析校核，得出了真空腔體的較優(yōu)結(jié)構(gòu)形式。最后對(duì)設(shè)計(jì)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行了歸納，真空系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足用戶(hù)要求，個(gè)別指標(biāo)優(yōu)于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。本文對(duì)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

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