автореферат диссертации по электронике, 05.27.07, диссертация на тему:Повышение надежности высоковакуумных механизмов на основе учета влияния обезгаживающего прогрева

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени государственный технический университет имени Н.Э.Баумана

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ВЫСОКОВАКУУМНЫХ МЕХАНИЗМОВ НА ОСНОВЕ УЧЕТА ВЛИЯНИЯ ОБЕЗГАЖИВАЮЩЕГО ПРОГРЕВА

Специальность: 05.27.07 - Оборудование производства электронной техники

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

НЕВШУПА РОМАН АЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 621.002.5

О

Научный руководитель проф., д.т.н.

Е.А.Деулин

Москва, 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 6

1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ И ЗАДАЧ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ВАКУУМНОГО ПРИВОДА 2

1.1. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ НАДЕЖНОСТИ НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ВАКУУМНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ 10

1.2. АНАЛИЗ ПРОТИВОРЕЧИЙ МЕЖДУ ТРЕБОВАНИЯМИ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫМИ К НАДЕЖНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ ВАКУУМНОГО ПРИВОДА 23

1.2.1. Анализ требований к механизмам, работающим в вакууме 23

1.2.2. Типовые вакуумные механизмы и элементы 35

1.2.3. Анализ противоречий между требованиями, предъявляемыми к вакуумному приводу 40

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1 42

2. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ОБЕЗГАЖИБАЮЩЕГО ПРОГРЕВА НА ДЕФОРМАЦИЮ ДЕТАЛЕЙ ВАКУУМНОГО ПРИВОДА 44

2.1. ОСОБЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИОННЫМ МАТЕРИАЛАМ И РЕЖИМАМ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВАКУУМНОГО ПРИВОДА КАК ПРЕДПОСЫЛКИ ПОЛЗУЧЕСТИ ДЕТАЛЕЙ ВАКУУМНЫХ МЕХАНИЗМОВ 44

2.2. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССОВ ПОЛЗУЧЕСТИ И РЕЛАКСАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ МЕТАЛЛОВ 52

-32.3. АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХ НЕУСТАНОВИВШУЮСЯ СТАДИЮ ПОЛЗУЧЕСТИ 57

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2 66

3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ СВЕРХВЫСОКОВАКУУМНОГО ОБОРУДОВАНИЯ С УЧЕТОМ ПРОГРЕВА 67

3.1. АНАЛИЗ ЗАВИСИМОСТИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОТ ПАРАМЕТРОВ ПРИВОДА 67

3.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ СВВ ОБОРУДОВАНИЯ 70

3.3. РАЗРАБОТКА ВЕРОЯТНОСТНОЙ МОДЕЛИ ФОРМИРОВАНИЯ ВЫХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИВОДА НА ПРИМЕРЕ ГЕРМЕТИЧНОЙ ПЛАНЕТАРНОЙ ПЕРЕДАЧИ 75

3.3.1 .Анализ факторов, формирующих выходные параметры привода 75

3.3.2. Модель возникновения деформаций деталей привода при прогреве

77

3.3.3. Вероятностная модель формирования действительной погрешности взаимного положения элементов герметичной планетарной передачи с учетом прогрева 82

3.3.4. Вероятностная модель формирования собственного момента сопротивления вращению с учетом прогрева 97

3.3.5. Вероятностная модель формирования кинематической погрешности и погрешности мертвого хода ГПП с учетом прогрева 114

-4Стр.

3.3.6. Вероятностная модель формирования потока газовыделения при

работе ГПП с учетом прогрева 115

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3 119

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРОГРЕВА НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ВАКУУМНОГО ПРИВОДА 121

4.1. ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ ПРИВОДА ВСЛЕДСТВИЕ ПРОГРЕВА 121

4.1.1. Экспериментального стенда и методика проведения прогрева 121

4.1.2. Описание оборудования и методики измерения деформаций, возникших в результате прогрева 125

4.1.3. Результаты исследования деформаций моделей корпусных деталей, возникающих при обезгаживающем прогреве 133

4.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ НА ФОРМИРОВАНИЕ ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГПП 13 8

4.2.1. Экспериментальная установка и методика исследования 138

4.2.2. Результаты экспериментов 146

4.3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВЫХ ОБОЛОЧЕК 162 4.3.1 .Исследование деформации волновых оболочек при прогреве 162 4.3.2. Исследование изменения собственного момента сопротивления

вращению волновой передачи под влиянием прогрева 167

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4 173

5. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ЗУБЧАТЫХ ВВОДОВ ВРАЩЕНИЯ С УЧЕТОМ ПРОГРЕВА 176

5.1. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРА ПОТОКА ОТКАЗОВ, СВЯЗАННЫХ С НЕЗАПУСКОМ ПРИВОДА 176

5.1.1.Расчет приведенной действительной погрешности взаимного положения элементов привода с учетом прогрева 176

5.1.2. Методика расчета собственного момента сопротивления ГПП 177

5.1.3. Методика расчета параметра потока внезапных отказов, связанных с незапуском привода, с учетом прогрева 181

5.2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПОТОКА ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ИЗ ЗУБЧАТОГО ЗАЦЕПЛЕНИЯ ГПП С УЧЕТОМ ПРОГРЕВА 181

5.3. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАСЧЕТУ СОБСТВЕННОГО МОМЕНТА СОПРОТИВЛЕНИЯ ВОЛНОВОЙ ОБОЛОЧКИ С УЧЕТОМ ПРОГРЕВА 182

5.4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РАСЧЕТОВ МОМЕНТА СОПРОТИВЛЕНИЯ В СИСТЕМЕ ДИАГНОСТИКИ 184

ВЫВОДЫ 185

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 188

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 201

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 202

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 203

Посвящается моим родителям

ВВЕДЕНИЕ

Современное вакуумное технологическое оборудование, оборудование структурного, физического и химического анализа материалов, космическое и ядерное оборудование невозможно представить без вакуумного привода.

Последние достижения в технологии электронных приборов, такие как переход на 0.18 мкм технологию изготовления микросхем памяти и микропроцессоров и разработка электронно-оптических преобразователей на основе нового типа ОаАв активных катодных покрытий с отрицательным сродством, позволяющим в несколько раз повысить порог чувствительности и разрешающую способность преобразователя, стали возможны благодаря применению новейших видов оборудования, такого как установки ионной имплантации, электронно-лучевой и рентгеновской литографии, ионного и плазмохимического травления, сборки ФЭП методом переноса и т.д., включающего до 20 операций, осуществляемых в едином технологическом цикле в вакууме. При этом на несколько порядков возросли требования по вакууму и его парциальному составу: предельное давление Р<10"10 Па, рабочий

о п

вакуум РРаб.=10" ...10" Па, отсутствие углеводородов.

При создании линий, включающих в себя ряд технологических камер-модулей остро встает проблема надежности оборудования, как один из факторов повышения эффективности его эксплуатации. Надежность машин необходима для автоматизации процессов, которые не может реализовать оператор в силу ограниченных физиологических возможностей, уменьшения огромных затрат на ремонт и убытков от простоя. Проблема устранения аварийных отказов является актуальной

-7в сверхвысоковакуумном технологическом оборудовании, где аварийные отказы ведут к длительным (до двух суток) простоям, связанным с последующим выводом установки на рабочий режим и с потерей дорогостоящих полуфабрикатов.

В космической технике, такой как орбитальные станции, космические корабли, научные спутники и спутники связи, самоходные станции для исследования других планет и др., требования, предъявляемые к надежности привода, особенно высоки, поскольку отказ привода может привести к отказу всего комплекса, стоимость которого исчисляется десятками и сотнями миллионов долларов. Замена отказавших элементов, как правило, либо невозможна, либо сопряжена с огромными сложностями и затратами (вывод 1 килограмма груза на орбиту оценивается в 10 тысяч долларов США), а избыточное резервирование утяжеляет и усложняют конструкцию. Привод должен иметь высокую надежность при работе в условиях большого перепада температур, воздействия потоков частиц, космического излучения.

Еще более актуальной является задача предотвращения отказов в вакуумных установках ядерного оборудования (Токамак, ИТЭР и др.) и экспериментальных физических установках, что связано обеспечением экологических требований и безопасностью. Высокая надежность привода здесь также должна обеспечиваться в тяжелых условиях воздействия высоких температур и радиации.

Возрастающие требования к чистоте технологической среды, развитие сверхвысоковакуумной техники и появление оборудования экстремально высокого вакуума (р<10"10 Па) привело к усложнению условий работы привода и в составе технологического оборудования. Достижение столь глубокого вакуума стало возможно благодаря новым технологиям очистки внутренних поверхностей вакуум-

ных камер, специальным методам обработки и пассивирования поверхности, приводящих к уменьшению газовыделения, а также тщательному обезгаживанию всей вакуумной системы, заключающемуся в предварительном вакуумном отжиге и последующем обезгаживающем прогреве установке.

Наиболее эффективное обезгаживание происходит при выдержке установки при Т=400-450°С в течение 8-150 ч. и откачке высоковакуумными средствами. Однако, наличие в составе установки механических элементов (клапанов, затворов, манипуляторов, вводов движения и др.) или аналитического оборудования не позволяет прогревать установку выше 150-250°С, что значительно снижает эффективность обезгаживания. Повышенные температуры прогрева приводят к ухудшению работоспособности механизмов, снижают их надежность и долговечность.

Для повышения надежности прогреваемого вакуумного привода необходимо выявить причины возникновения отказов, раскрыть механизм формирования отказов, установить влияние прогрева.

Целью данной работы является повышение надежности вакуумного привода на основе учета влияния обезгаживающего прогрева.

В соответствии с поставленной целью на защиту выносятся:

1. Вероятностная математическая модель формирования внезапного отказа (незапуска) привода.

2. Модель влияния прогрева на выходные параметры герметичных зубчатых вводов вращения.

3. Математическая модель формирования выходных параметров герметичной планетарной передачи: собственного момента сопротивления, кинематической погрешности, потока газовыделения, - с учетом влияния прогрева.

-94. Инженерная методика расчета параметра потока внезапных отказов (незапусков) герметичной планетарной передачи.

5. Инженерная методика расчета выходных параметров герметичной планетарной передачи.

Результаты исследования были использованы при разработке «Системы диагностики механических элементов вакуумного оборудования» в МГТУ им. Н.Э.Баумана, а также в международном российско-испанском проекте «Разработка теории газообмена и методов ее практического использования».

В заключении автору хотелось бы выразить искреннюю признательность Д.Р.Ахмадиеву за помощь и критические замечания при исследовании остаточных деформаций деталей при прогреве. Особую благодарность автор приносит своему коллеге А.Г.Пересадько за сотрудничество и весьма значительную помощь при подготовке экспериментального высоковакуумного стенда и обработке результатов исследований, а также студентам и аспирантам студенческого конструкторского бюро и коллективу кафедры «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н.Э.Баумана за рассмотрение работы и полезные замечания.

- 101. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ И ЗАДАЧ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ВАКУУМНОГО ПРИВОДА

1.1. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ НАДЕЖНОСТИ НА

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ВАКУУМНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Производительность оборудования является тем важнейшим его выходным параметром и техническим критерием /85/, который позволяет объективно оценивать эффективность принятых конструктивных решений, связанных с разработкой привода как элемента оборудования.

Привод и внутрикамерные механизмы из-за нестабильности своих параметров, низкой надежности сильно влияют на фактическую производительность оборудования, вызывая ее заметное снижение. Близость нестабильных параметров оборудования (в том числе привода) к жестким допустимым значениям снижает параметрическую надежность оборудования; тяжелые условия работы механизмов в вакууме резко сокращают срок службы кинематических пар, снижают надежность функционирования привода и техническую (фактическую) производительность оборудования в целом.

Рассмотрим влияние показателей надежности привода на производительность вакуумного оборудования.

Фактическая производительность ()ф учитывает внецикловые потери времени, имеющие место при работе реальных установок в условиях производства:

я

где к - технологическая производительность к=1Лр ; Тц - время цикла; -время рабочих ходов цикла, включающее в общем случае время формирования параметров изделия в процессе обработки; 1Х - время несовмещенных холостых (вспомогательных) ходов цикла; Шп - внецикловые потери, приходящиеся на один рабочий цикл.

Внецикловые потери оборудования включают потери по инструменту, по оборудованию, по переналадке на другое изделие /85/, а также на запуск и остановку оборудования /81/ и описываются соответствующими коэффициентами.

Фактическая производительность с учетом всех перечисленных потерь может быть записана:

где цис - коэффициент использования установки; цп - коэффициент параметрической надежности установки; - коэффициент надежности функционирования; цт - коэффициент запуска; ц3 - коэффициент загрузки.

Техническая производительность является важнейшей характеристикой оборудования и позволяет учесть только собственные внецикловые простои, вызванные отказами и ремонтом оборудования за период его работы:

п

(2)

Qm =

(3)

где цт - коэффициент технического использования, цт=цп цф 4зп\ ХХпб -собственные потери оборудования на ремонт и подрегулировку (без учета брака) и по браку соответственно, приходящиеся на цикл.

Коэффициент надежности функционирования равен /85/:

_ в,+в. 1

1

где вр - суммарное время работы установки за данный период; в6 - суммарное время, связанное с выпуском брака за данный период; вн - суммарное время наладки и ремонта оборудования за данный период; - внецикловые потери по ремонту /'-го элемента или узла; М- количество рассматриваемых малонадежных механизмов. В свою очередь:

М М 0 м

X = (5)

1 1 1

где 0],Т]- соответственно среднее время устранения отказа и наработка на

отказ у-го узла или элемента установки.

После преобразования и выделения элементов привода движения в вакуум получим:

_ 1 _ = 1 (6) 1 Л; 1 ^ 1 1

где Мв - количество рассматриваемых малонадежных кинематических элементов, работающих в вакууме; г}в - показатель надежности элементов, работающих в вакууме.

Малонадежными элементами, работающими в вакууме, являются герметизирующие элементы привода (сильфоны, гибкие оболочки, манжеты и другие уплотняющие элементы), кинематические пары (зубчатые, винтовые, фрикционные), опоры качения и скольжения, упругие силовые элементы (пружины, упругодефор-мируемые трубки, сильфоны).

Коэффициент параметрической надежности цп можно представить как произведение коэффициента выхода изготовленных изделий цпи и коэффициента г/гп, характеризующего вероятность того, что изготовленное изделие будет годным по выходным параметрам. В работах /9/, /31/, /61/ отмечается, что цгп является не только показателем совершенства оборудования, но и характеристикой техпроцесса (требований эксплуатации в условиях данного производства). Коэффициент цпи можно представить как /5/:

где Т - среднее время наработки на отказ установки; р - вероятность появления брака при отказе оборудования, п - количество изделий в группе, обрабатываемых одновременно; г - количество изделий, загружаемых одновременно в вакуумную камеру.

Окончательная формула технической производительности однопозиционной установки с групповой обработкой изделий с учетом выражений (6)-(7) может быть записана:

(7)

м в М -м Ц

Для оборудования, работающего в системе планово-предупредительного ремонта (ППР) с предупредительной заменой неотказавших быстроизнашиваемых узлов по истечение их гамма-процентного ресурса Т7=Т„ и перенесением времени замены для отказавших узлов /51/, формула (6) может быть записана в общем виде:

^ " Й1 А I Ш а М а

7=1 1п г=О 7=1 1П У=м„ 1„

где Мп - количество быстроизнашивающихся узлов, охваченных системой ППР; М - общее количество узлов; г=в - число рассматриваемых повторных аварийных ремонтов за период Тп ; Р]Г(Т„) - вероятность отказа у - го узла после г -го аварийного ремонта до истечения Тп; Р/Т„) - вероятность безотказной работы у - го узла за рассматриваемый период Тп\ вф - время, затрачиваемое на ремонт, замену у - го узла при аварийном ремонте и ППР соответственно; в у - время устранения внезапного отказа у - го узла (узла не охваченного системой ППР); О/Т) - ведущая функция потока отказов у - го узла /16/.

В том случае, если период Тп удовлетворяет условию Тп<2(ТгЗа)тЫ, где 7} -математическое ожидание; а} - среднеквадратическое отклонение наработки на отказ у-го узла, повторные отказы практически отсутствуют и формула (9) приобретает вид:

^Ф ~ кт д та м в ^^

1=1 п 7=1 1п ]=м„ 1п

где Р/Т„) - вероятность отказа узла за период Тп.

Если период Тп значительно превышает средний срок службы узла, т.е. Тп » Т , то система ППР практически превращается в систему ремонта по аварийным отказам, а формула (9) приобретает известный вид /85/:

^Ф ~ мп а м а (Ч)

1 + У^-ьУ ^

¿-Л гр ¿—1 гр

м 1 ] ]=м„ ',

Таким образом, производительность оборудования тесным образом связана с его надежностью, что отражается в зависимости показателей производительности <2т, ()ф от показателей надежности (безотказности) приводов, таких как вероятность безотказной работы Р(Т), интенсивность отказов к для невосста