Конструирование и расчет прочности шлюзовой камеры

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЧАТОЧНОГО БОКСА

2. РАСЧЁТ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ УЗЛОВ ШЛЮЗОВОЙ КАМЕРЫ

2.1. Расчёт усилий, создаваемых при закрывании двери камеры

2.2. Расчёт механической прочности стоек

2.3. Расчёт механической прочности двери

3. РАСЧЁТ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ОТКАЧКИ ПРИ КВАЗИСТАЦИОНАРНОМ ТЕЧЕНИИ ГАЗА

4. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Перчаточный сухой бокс предназначен для работы с веществами и катализаторами, например, с катализаторами полимеризации олефинов и алюминийорганическими соединениями, которые на воздухе под действием влаги и кислорода разлагаются, а в случае алюминийорганических соединений даже возгораются. Поэтому при работе с этими веществами требуется исключить соприкосновение их с воздухом и обеспечить наличие инертной атмосферы. Для подготовки к анализу и исследованию этих катализаторов различными физико-химическими методами необходимо, чтобы бокс был оборудован отверстиями для манипуляции с химическими компонентами – перчатками, герметично соединенными с вводами в сухой бокс. Бокс также должен быть оборудован шлюзовой камерой (рис.1), через которую контейнер с веществами должен попадать в бокс, предварительно откачав и заполнив камеру инертным газом. Для быстрого удаления воздуха из шлюзовой камеры, а также из самого сухого бокса необходима система циркуляции газа, обеспеченная фильтрами очистки газа от влаги и кислорода, проникающих в бокс через случайные неплотности и путем диффузии сквозь материал перчаток.

Рисунок 1 - Фотография шлюзовой камеры

а) в закрытом состоянии; б) в открытом состоянии

1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЧАТОЧНОГО БОКСА

·     Отсутствие скреплений или склеенных мест в корпусе бокса, сварные швы, соединяющие стены бокса.

·     Легкость при открывании или удалении переднего закрепленного окна бокса.

·     Возможность замены пары перчаток (материал перчаток – неопрен или другие синтетические эластомеры).

·     Шаровые вентили (условный диаметр ¼^”) для удаления газа из бокса и заполнения его инертным газом (2 штуки).

·     Шлюзовая камера из стали с внутренним диаметром 266 мм и с двумя вертикально открывающимися алюминиевыми дверцами, снабженная манометром для измерения давления с диапазоном измерения от 0 до 1,5 атм, а также термопарная вакуумная лампа для измерения вакуума в шлюзовой камере в пределах от 10^-4 до 1 мм рт. ст.

·     Шаровые вентили (3 штуки, условный диаметр ¾^”), присоединенные к шлюзовой камере: для откачки газа, напуска воздуха и заполнения инертным газом бокса.

·     Легкость при открывании и закрывании шлюзовой камеры.

·     Настольная система конструкции бокса.

·     Бокс должен выдерживать давление на 5 мбар (50 мм водяного столба) выше или ниже атмосферного.

·     Система циркуляции должна быть обеспечена фильтром для очистки газа и вентилятором.

·     Размеры бокса:

- длина 1005 мм;

- глубина в верхней части 700 мм;

- глубина в нижней части 750 мм;

- высота 900 мм;

- объем 656 л;

- вес 91 кг.

·      Размеры шлюзовой камеры (рис. 2, рис. 3):

- диаметр 266 мм;

- длина 475 мм;

- объем 26,4 л.

Рисунок 2 - Вид шлюзовой камеры сбоку

Рисунок 3 - Сборочный чертёж шлюзовой камеры

Известна конструкция аналогичного, выпускаемого промышленностью перчаточного бокса и шлюзовой камеры фирмы MBRAUN (Workstation Labstar), Германия [1] (рис. 4).

·     Размеры бокса:

- длина 950 мм;

- глубина в верхней части 420 мм;

- глубина в нижней части 540 мм;

- высота 650 мм;

- объем 300 л;

- вес 30 кг.

·      Размеры шлюзовой камеры:

- диаметр 290 мм;

- длина 350 мм;

- объем 22 л.

а)

б)

Рисунок 4 - Перчаточный бокс фирмы MBRAUN (Workstation Labstar)

а) фотография; б) схема

2. РАСЧЁТ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ УЗЛОВ ШЛЮЗОВОЙ КАМЕРЫ

2.1 Расчёт усилий, создаваемых при закрывании двери камеры

При затяжке болтового соединения рабочий создаёт момент на гаечном ключе (рис. 5):

M_кл=P_клL,

где P_кл – усилие рабочего на рукоятке ключа;

L – длина рукоятки гаечного ключа.

 а  б

Рисунок 5 - Затяжка болтового соединения гаечным ключом

Этот момент должен преодолевать момент трения в резьбе

M_р = F(d/2)tg(λ + ρ')

и момент трения на опорной поверхности гайки

M_оп = Ff_оп(D³ – d_от³)/(3(D² – d_от²)),

где

F — сила затяжки (рис. 5. а);

f_оп — коэффициент трения на опорных поверхностях гайки и детали (он в общем случае может не равняться коэффициенту f_р трения в резьбе);

D — наружный диаметр опорной поверхности гайки, принимаемый равным ее размеру под ключ (D ≈ l,7d₂);

d_от — внутренний диаметр опорной поверхности гайки, равный диаметру отверстия под болт; можно считать

d_от = d + (1 ÷ 1,5) мм ≈ 1,2d₂.

Тогда полный момент на ключе

M_кл = P_клL = F(d₂/2)tg(λ + ρ') + F(f_оп/3)(D³ – d_от³)/(D² – d_от²).

Если принять такие средние значения:

λ ≈ 2°30";

tg ρ' = f_р ≈ 0,20, отсюда ρ' ≈ 11°18";

d₂ = 15•10^-3 м [3];

D ≈ 17d₂ = 25,5•10^-3 м;

d_от ≈ 1,2d₂ = 18•10^-3 м;

f_оп ≈ 0,15,

то можно получить значение силы F, которая растягивает болт, при приложении к стандартному гаечному ключу момента M_кл.

При закрывании двери камеры вручную, при затягивании прижимного винта (штревела), создается осевая нагрузка на дверь.

Расчет показывает, что при сжимающей нагрузке на нарезную часть штревеля, равную 300 Н, затягивающий момент на маховике составит

M_кл=300(((15•10^–3)/2)tg(2°30"+11°18")+(0,15/3)((25,5•10^–3)³-(18•10^–3)³)/

((25,5•10^–3)²-(18•10^–3)²))=0,862 Н•м.

Эта величина соответствует среднему применяемому на практике моменту при затяжке вручную маховика диаметром 58 мм.