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、汽車材料等領(lǐng)域，主要用來考核產(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，在抽空過程中，真空腔體沒有出現(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，完全滿足技術(shù)指標(biāo)要求，說明上述設(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

表2 壓力指標(biāo)檢測結(jié)果

3.2 壓力檢測結(jié)果

真空系統(tǒng)通過合理配置機(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，通過實(shí)際運(yùn)行和經(jīng)過用戶指定的第三方（國家一級(jí)檢測單位）檢測，壓力指標(biāo)優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)和用戶要求。具體檢測結(jié)果見表2。

4 結(jié)語

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要說明。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)均滿足用戶要求，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。

［1］ 達(dá)道安．真空設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1991.

［2］ 孫志和，馬學(xué)煥，韓琦，等．HLV220高低溫低氣壓試驗(yàn)箱研制［J］．真空與低溫，2011（8）：202-205.

［3］ 馬學(xué)煥，石國麗，姜春，等.VM800型熱真空試驗(yàn)設(shè)備的研制［J］．機(jī)械工程師，2012（7）：173-175.

［4］ 吳業(yè)正．小型制冷裝置設(shè)計(jì)指導(dǎo)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［5］ 翟喚春，趙鑫，孔憲貴.液氮制冷低氣壓試驗(yàn)箱的仿真設(shè)計(jì)［J］．真空科學(xué)與技術(shù)，2003，23（5）：303-305.

［6］ 劉猛，李驪，王浚，等.低氣壓環(huán)境下的大空間溫度均勻度模擬方法研究［J］．低溫工程，2010（6）：33-36.

［7］ 宣劍鋒.基于ANSYS分析的某幕墻鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2006（3）：11-14.

［8］ 李效光，謝小妍，閆健，等.隔離溫室鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及ANSYS 靜力分析［J］.農(nóng)村實(shí)用工程技術(shù).2005（10）：28-30.