Расчет толщины стенки камеры

Для большинства камер электронно-лучевых установок основным видом механических нагрузок являются усилия от воздействия атмосферного давления. Следовательно, корпус камеры можно рассчитывать на равномерно распределенную внешнюю нагрузку величиной 1 кг/см^[1]. Такие, казалось бы, незначительные нагрузки позволяют изготавливать камеру из сравнительно тонкостенных материалов. Дело осложняется двумя дополнительными факторами, специфичными для электроннолучевой сварки. Один из них — необходимость биологической защиты от возникающего при сварке рентгеновского излучения, второй — жесткость конструкции камеры, что связано с необходимостью точного совмещения электронного луча со стыком свариваемых деталей (порядка ±0,1 мм).

Методика расчета толщины стенки камеры (или дополнительной свинцовой защиты) с точки зрения биологической защиты основана на анализе наиболее неблагоприятных условий с учетом ускоряющего напряжения, тока пучка, расстояния от места сварки до защищаемого объекта и предельно допустимой дозы излучения. Расчет проводится в два этапа:

1) определяется значение коэффициента ослабления рентгеновского излучения К, который зависит от величины тока луча (/, мА), расстояния до объекта (/?, м) и предельно допустимой дозы облучения (D_p = 0,28 мр/ч):

Необходимая толщина защитного слоя свинца в зависимости от коэффициента К и ускоряющего напряжения.

Таблица 5.1

Толщина стальной стенки камеры, эквивалентная толщине защитного слоя свинца при различных ускоряющих напряжениях.

Таблица 5.2

Значительно сложнее определить влияние деформации сварочной камеры под воздействием атмосферного давления на точность взаимного расположения сварочной пушки и изделия, что в конечном счете сказывается на точности совмещения луча со свариваемым стыком, а также на точности работы всех механизмов, размещенных внутри камеры.

Обычно базой манипулятора свариваемого изделия, электронной пушки и механизмов их взаимного перемещения является корпус сварочной камеры. Причем в большинстве случаев манипулятор и пушка устанавливаются не на общей базе, а на противолежащих или смежных стенках камеры, на корпусе, крышке и т. д. Вследствие различий в конструкции, разного количества ребер жесткости, дополнительных патрубков и фланцев элементы корпуса и крышек имеют различную жесткость. Поэтому деформации этих элементов под действием атмосферного давления весьма различны и вызывают линейные и угловые смещения всех механизмов, базирующихся на корпусе сварочной камеры и ее крышках. Эти смещения неравномерны в пределах перемещения изделия или пушки даже для одной и той же камеры. В результате деформации камеры возникают перекосы направляющих, неравномерность вращения изделия вследствие изменившихся зазоров в зацеплениях, перекосов валов в вакуумных вводах и т. д. Толщина стенки камеры определяется из условий механической прочности с учетом биологической защиты. Однако при расчете следует учитывать, что нельзя допускать значительных деформаций рассчитываемых элементов, хотя бы и упругих, так как они могут послужить причиной не только нарушения точности работы механизмов, но и вакуумной плотности сварных соединений камеры вследствие появления в швах трещин.

В рабочем режиме при остаточном давлении внутри камер до 10 ³ Па стенки камер могут испытывать деформации, величина которых может достигать критических значений. Величина их зависит от геометрической формы и размеров камеры, а также от физико-механических свойств материала.

Расчет цилиндрической камеры, работающей под наружным давлением, сводится к определению допускаемого давления р.

где р]_р — допускаемое давление из условия прочности, Па; [р]_Е — допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости, На. Каждая из этих величин имеет вид:

где [о] — допускаемое напряжение при расчетной температуре, Па; s — толщина стенки камеры, м; с — прибавка к расчетной толщине для компенсации коррозии, допуска на изготовление и т. п., м; D_B — внутренний диаметр обечайки камеры, м;

где Е — модуль упругости при расчетной температуре, Па; п_у — коэффициент запаса устойчивости по нижним критическим напряжениям в пределах упругости (для рабочих условий п = 2,4; для условий испытания и монтажа г  — безразмерный коэффициент; / — расчетная длина обечайки камеры, м.

Расчетную длину цилиндрической обечайки принимают равной: при наличии фланцев на обечайке — расстоянию между фланцами; при ограничении обечайки эллиптическим или сферическим днищем — длине цилиндрической части обечайки и днища плюс */₃ высоты выпуклой части эллиптической (сферической) части последнего; при ограничении обечайки плоским днищем—длине цилиндрической части обечайки до днища; при наличии на обечайке колец жесткости — расстоянию между осями колец; при ограничении обечайки коническими днищами —длине цилиндрической части обечайки и днища плюс DJQtga), где a — угол при вершине конической части.

Расчет толщины стенки эллиптических и полусферических днищ цилиндрических обечаек, заключается в определении допускаемого наружного давления по формуле (5.1), в которой:

где R = (0,25 (D_g)²) !h_B—радиус кривизны в вершине выпуклой обечайки по внутренней поверхности, м (D_B— внутренний диаметр обечайки, м; h_B— высота выпуклой обечайки без цилиндрической части, м).

В этом случае допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости (Па) может быть выражено в виде:

где К_у = [1+(2,4 + 8х) х] /[1 + (3 + 10х) х] — коэффициент приведения радиуса кривизны:

Расчет стенки камеры коробчатой формы сводится к расчету плоской прямоугольной стенки с закрепленными краями, нагруженной давлением. Стенки считают закрепленными по краям при наличии на них фланцев и укрепляющих ребер, а также при сопряжении стенок под углом.

Допускаемое давление из условия прочности имеет вид:

где b — ширина меньшей стороны прямоугольной стенки.

Для уменьшения расчетной толщины плоской прямоугольной стенки ее укрепляют ребрами. Ребра могут быть параллельны большей или меньшей стороне стенки. Предпочтительнее укрепление поперечными ребрами, параллельными меньшей стороне. При укреплении плоской прямоугольной стенки ребрами в формулу для определения допускаемого давления (или допускаемой из условия прочности толщины) подставляют меньшее значение расстояния между осями укрепляющих ребер.

• [1] для полученного значения коэффициента К по таблице 5.1 и заданного ускоряющего напряжения выбирается необходимая толщиназащитного слоя свинца, а, но таблице 5.2 — эквивалентная ему толщинастальной стенки камеры.