Расширение технологических возможностей машин и приборов с кольцевыми рабочими органами

Показана возможность создания технологических машин и приборов с рабочим органом в форме широкого плоского кольца, которое не имеет механических опор и электрических контактов, приводится во вращательное движение, удерживается в пространстве и воспринимает технологические нагрузки за счет сил магнит...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Сверхтвердые материалы
Date:2008
Main Author: Ерошин, С.С.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України 2008
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20747
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Расширение технологических возможностей машин и приборов с кольцевыми рабочими органами / С.С. Ерошин // Сверхтвердые материалы. — 2008. — № 5. — С. 79-86. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860252162184970240
author Ерошин, С.С.
author_facet Ерошин, С.С.
citation_txt Расширение технологических возможностей машин и приборов с кольцевыми рабочими органами / С.С. Ерошин // Сверхтвердые материалы. — 2008. — № 5. — С. 79-86. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Сверхтвердые материалы
description Показана возможность создания технологических машин и приборов с рабочим органом в форме широкого плоского кольца, которое не имеет механических опор и электрических контактов, приводится во вращательное движение, удерживается в пространстве и воспринимает технологические нагрузки за счет сил магнитного поля индукторов. Теоретически получен и экспериментально подтвержден критерий устойчивого вращения свободного кольцевого ротора. На примере станка алмазной резки и центробежного насоса показаны технологические и экономические преимущества новых конструкций. На сайте http://www.elmache.com/ демонстрируется алмазная резка свободным отрезным кругом напроход, вращение рабочего колеса центробежного насоса, который не имеет ни вала, ни подшипников, и компьютерные модели станков резки полупроводниковых монокристаллов.
first_indexed 2025-12-07T18:44:45Z
format Article
fulltext ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 5 79 УДК 621.01:62-882 С. С. Ерошин (г. Луганск) Расширение технологических возможностей машин и приборов с кольцевыми рабочими органами Показана возможность создания технологических машин и при- боров с рабочим органом в форме широкого плоского кольца, которое не имеет механических опор и электрических контактов, приводится во вращательное движение, удерживается в пространстве и воспринимает технологические нагрузки за счет сил магнитного поля индукторов. Теоретически получен и экс- периментально подтвержден критерий устойчивого вращения свободного коль- цевого ротора. На примере станка алмазной резки и центробежного насоса показаны технологические и экономические преимущества новых конструкций. На сайте http://www.elmache.com/ демонстрируется алмазная резка свободным отрезным кругом напроход, вращение рабочего колеса центробежного насоса, который не имеет ни вала, ни подшипников, и компьютерные модели станков резки полупроводниковых монокристаллов. Ключевые слова: свободный ротор, устойчивость движения, алмазная резка, центробежный насос. Идея создания технологических машин со свободно вращаю- щемся в пространстве инструментом или рабочим органом появилась в ре- зультате работ по разрезке слитков полупроводниковых и других функцио- нальных материалов на тонкие пластины — подложки для микроэлектронных приборов. Многие годы этот процесс осуществляли с помощью алмазных отрезных кругов с внутренней режущей кромкой (АКВР). Главным ограни- чением дальнейшего их применения является тот факт, что в современной технологии микроэлектроники и гелиоэнергетики существует устойчивая тенденция увеличения размера подложек. В настоящее время диаметры мо- нокристаллов кремния достигают 300 мм. Алмазный инструмент должен быть примерно в четыре раза больше, чем диаметр разрезаемого монокри- сталла. Например, в станке модели T-SM-300 CNC отрезной круг имеет диа- метр 1180 мм при массе станка до 5 т и установленной мощности до 10 кВт. Таким образом, разрезка крупногабаритных монокристаллов кругами АКВР представляет собой экстенсивный путь развития технологии, который приво- дит к увеличению массогабаритных и энергетических параметров специаль- ного технологического оборудования. В современных машинах и приборах широко используют рабочие органы и инструмент в форме плоского широкого кольца, совершающего движение вокруг оси симметрии. Традиционно кольцевой рабочий орган (КРО) фикси- руют в пространстве, приводят во вращательное движение и он воспринимает нагрузки посредством валов или шпинделей. Автором сделана попытка соз- дания таких машин, кольцевые рабочие органы которых не имели бы меха- нических опор и электрических контактов, т. е. оставались бы свободными в пространстве. Это может быть достигнуто, если КРО будет вторичным эле- © С. С. ЕРОШИН, 2008 www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 80 ментом специальной электрической машины, за счет сил магнитного поля которой он приводится в движение, удерживается в пространстве и воспри- нимает различные нагрузки. Наш подход является дальнейшим развитием известного принципа повы- шения технического уровня машин и приборов путем применения прямого привода и бесконтактных опор. Известно, что прямой привод частично ис- ключает промежуточные передачи, но оставляет в конструкции шпиндель или вал. Бесконтактные опоры позволяют увеличить рабочую частоту враще- ния и долговечность машин, снизить потери на трение, однако при этом не уменьшается число вращающихся деталей и их масса, на том же уровне оста- ется энергопотребление, но массогабаритные параметры и себестоимость машин повышаются. Сокращение количества вращающихся деталей, повышение надежности при снижении себестоимости машины, уменьшение ее массы и энергопо- требления могут быть достигнуты путем бесконтактной передачи крутящего момента и стабилизирующих сил непосредственно на рабочий орган. В этом случае исключены механические опоры в виде узлов подшипников, привод- ной вал, муфты и некоторые другие детали. Основная идея при создании таких машин — обеспечение устойчивого движения кольцевого рабочего органа без механических опор, что преду- сматривает создание такого поля сил, за счет которого гарантировано нор- мальное функционирование машины. Стабилизация пространственного по- ложения кольцевого ротора заключается в том, что вращающийся ротор при действии на него внешних сил, создающих смещение его центра масс, дол- жен оказывать сопротивление этому смещению, а при снятии внешней силы — возвращаться в положение равновесия. В [1] проведен анализ сил и моментов, действующих на кольцевую пла- стинку, находящуюся во вращающемся магнитном поле. Пусть кольцевая пластина, выполняющая функции КРО, изготовлена из токопроводящего материала. Магнитное поле создается индуктором с многофазной обмоткой. Результатом взаимодействия переменного магнитного поля индуктора с ро- тором являются электродинамические силы, которые вызывают его движе- ние. В общем случае эти силы приводятся к главному вектору и главному моменту. Если оси вращения поля и ротора совпадают, то будет иметь место только главный момент M0τ, который вызывает вращательное движение ротора. Главный момент, в электрических машинах его называют вращающим, про- порционален площади кольца и квадрату магнитной индукции В: ( )4 р.в 4 р.н 2 0 2 RRBCM −π= ττ . (1) Здесь и в дальнейшем приняты следующие обозначения: Rр.н и Rр.в — на- ружный и внутренний радиусы кольцевой пластины (ротора); Cr и Cτ — ра- диальная и тангенциальная составляющие коэффициента скорости. Так как ротор свободный, то под действием момента M0τ он будет совер- шать вращение вокруг главной центральной оси инерции и разгоняться до такой скорости, при которой момент M0τ уравновесится суммой моментов сил сопротивлений и технологических нагрузок. Однако в общем случае это дви- жение является неустойчивым. Малейшего возмущения достаточно для вы- броса ротора за пределы поля. ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 5 81 Возмущение или малое смещение ротора относительно оси вращения мо- жет быть вызвано случайными или технологическими факторами. При этом возникает главный вектор, который в общем случае может иметь радиальную и тангенциальную составляющие Fr и Fτ. Радиальная составляющая Fr на- правлена вдоль смещения ротора либо к его центру, либо от центра. Если Fr направлена к центру, она противодействует смещению ротора, создает реак- цию последнего, тем самым вызывает стабилизирующее воздействие. Тан- генциальная составляющая Fτ направлена всегда перпендикулярно смещению и не может быть уравновешена за счет него. Если по какой-либо причине произойдет смещение центра вращения ро- тора от центра вращения поля, например, вдоль оси ОХ на величину ex, глав- ный момент изменит свою величину: ( ) ( ) 22 р.в 2 р.н 24 р.в 4 р.н 2 0 2 xeRRBCRRBCM −π+−π= τττ . (2) Из выражения (2) следует, что первое слагаемое полностью соответствует выражению (1), второе — пропорционально квадрату смещения ex. Радиаль- ная и тангенциальная составляющие главного вектора соответственно равны ( )2 р.в 2 р.н 2 RReBCF xrrx −π= ; (3) ( )2 р.в 2 р.н 2 RReBCF xy −π= ττ . (4) Необходимым условием устойчивого вращения ротора является равенство нулю тангенциальной составляющей Fτ и неравенство нулю его радиальной составляющей Fr при условии, что Fr направлена в сторону противополож- ную смещению. Именно в этом случае имеет место устойчивое движение. Дальнейшие исследования показали, что область устойчивого вращения может быть существенно расширена, если на ротор действуют силы сопро- тивления. Будем считать, что силы внешнего сопротивления пропорциональ- ны первой степени скорости. Такие силы сопротивления характерны для движения тел в жидкой или газообразной средах [2, 3]. Величину сил сопро- тивления выразим через коэффициент вязкости V. На КРО будет действовать следующая система сил: 0xDF rrx −= и 0yDF x ττ −= , xVF x ′−=c (вдоль оси OX); 0xDF y ττ = и 0yDF rry −= , yVF y ′−=c (вдоль оси OY). В этом случае движение центра масс ротора описывается следующей сис- темой уравнений [4]: ⎩ ⎨ ⎧ −=′+′′ −−=′+′′ , ; aybxyvy byaxxvx (5) где a = Dr/m, b = Dτ/m, а Dr и Dτ — определяют жесткость бесконтактной опо- ры ротора соответственно в радиальном и тангенциальном направлениях; ν = V/m — кинематический коэффициент сопротивления движению; m — масса ротора. На основании теории устойчивости движения Ляпунова [5] по методу Гурвица [6] был получен критерий, выполнение которого обеспечивает асим- www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 82 птотическую устойчивость вращения кольцевого ротора без механических опор: 1> b av или 1> τ mD DV r . (6) Движение устойчиво тогда, когда критерий больше единицы. Выражение (6) показывает, что устойчивость движения увеличивается при росте сопро- тивления среды V и жесткости бесконтактной опоры в радиальном направле- нии Dr, а также при уменьшении жесткости в тангенциальном направлении Dτ и массы m. Чем больше левая часть неравенства (6), тем больше запас ус- тойчивости. Параметры Dr и Dτ выбирают из конструктивных соображений. По опре- делению жесткость упругой системы есть отношение силы к перемещению (деформации) под действием этой силы. Так как в исследуемой системе ар- гументом является перемещение центра ротора, вызывающее его реакцию, то понятие жесткости сохраняется. Тогда жесткости ротора в радиальном и тан- генциальном направлениях будут соответственно равны: Dr = Fr/δ и Dτ = Fτ/δ. При Fτ = 0, соответственно и Dτ = 0, движение становится абсолютно устой- чивым. Но даже при 0≠τD устойчивость движения может сохраняться. На- пример, если сопротивление среды оказывает большое влияние. Эксперимен- ты показали, что вращение ротора в жидкости существенно повышает устой- чивость [7]. Принципиальным является схема приложения нагрузки. Установлено, что воздействие на ротор сосредоточенной силой по внешнему контуру приводит к тому, что ротор может вылететь из поля. Приложение нагрузки к внутрен- нему контуру повышает устойчивость движения. И как было отмечено выше, равномерно распределенная нагрузка по поверхности ротора стабилизирует движение. Именно эти свойства были использованы нами при практической реализа- ции идеи. Покажем несколько конкретных вариантов применения рабочих органов без механических опор. В каждом случае достигается одна или не- сколько целей: — выполнение уникальной работы; — расширение технологических возможностей машины; — повышение технико-экономических показателей машины. Принцип передачи кинетической энергии кольцевому рабочему органу без механической связи и обеспечения устойчивого вращения без механических опор позволяет осуществлять управляемое плоско-параллельное движение рабочего органа в объеме, отделенном от электромагнитного индуктора гер- метичной диэлектрической перегородкой. На рис. 1 показана пластмассовая кювета с водой, на дне которой распо- ложено рабочее колесо центробежного насоса. Кювета установлена на индук- тор, который приводит колесо во вращение. Колесо устойчиво вращается и “гонит” воду. При перемещении кюветы относительно индуктора колесо всегда остается над индуктором. Видеофрагмент работы устройства можно видеть на сайте http://www.elmache.com/. Если кольцо ротора оснастить абразивным или каким-либо другим режу- щим инструментом, то можно проводить механическую обработку внутрен- ней поверхности герметичной емкости, управляя перемещением инструмента снаружи. ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 5 83 Рис. 1. Вращение рабочего колеса центробежного насоса в кювете с водой (фото). На этом же принципе могут быть построены всевозможные мешалки и импеллеры, предназначенные для перемешивания химически активных, ядо- витых, криогенных или других жидкостей, требующих высокого уровня гер- метичности при производстве работ. Другим направлением эффективного применения рабочих органов без механических опор являются центробежные и другие динамические насосы. Предлагаемый принцип обеспечивает сле- дующие преимущества: — исключение из конструкции вспомогательных деталей (вала, муфты, подшипников, уплотнений и пр.) повышает технико-экономические показа- тели насоса; — моноблочность и высокая герметичность корпуса позволяют использо- вать насос в качестве погружного или для перекачки химически активных, ядовитых, криогенных и других подобных жидкостей. Для проверки принципа и работоспособности такого насоса нами изготов- лен тест-макет (рис. 2). Третьим направлением применения рабочих органов без механических опор могут быть обрабатывающие станки, в которых применяется кольцевой инструмент [8—10]. В частности, если в качестве кольцевого ротора исполь- зовать АКВР, то устраняются ограничения на величину диаметра разрезаемо- го монокристалла. Безусловным остается то, что внутренний диаметр ротора- инструмента должен быть больше диаметра слитка. За счет сил инерции кольцевая пластина приобретает жесткость. Ширина кольца может быть су- щественно меньше диаметра слитка. Это дает возможность реализовать резку на проход. Схема резания показана на рис. 3. Ее суть заключается в том, что АКВР является свободным ротором. Он приводится во вращение и удержи- вается в пространстве магнитным полем индуктора, за счет чего свободно внедряется в монокристалл любого диаметра. При этом исключаются из кон- струкции шпиндельный узел, барабан механизма натяжения и пр. Размер инструмента перестал быть ограничивающим фактором разрезки крупнога- баритных слитков кремния. Нами изготовлен действующий макет станка резки, который прошел ла- бораторные испытания. На сайте http://www.elmache.com/ демонстрируется видеофрагмент, показывающий процесс резки слитка кремния диаметром 60 мм. Инструмент имеет размеры 313 мм по наружному диаметру и 235 мм www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 84 по внутреннему. То есть при ширине отрезного круга 39 мм кристалл диа- метром 60 мм свободно перерезается. а б Рис. 2. Насос в разобранном состоянии (а) и в сборе (б). L L < d d Рис. 3. Схема резки слитка кремния напроход инструментом без механических опор: L — ширина алмазного отрезного круга, d — диаметр разрезаемого слитка. ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 5 85 Компьютерная модель станка резки показана на рис. 4. На столе станка размещен узел резания, состоящий из нижнего индуктора, верхнего магнито- провода и ротора-инструмента. Последний представляет собой АКВР, кото- рый приводится во вращение и удерживается в пространстве электромагнит- ной системой. Разрезаемый монокристалл укреплен на кронштейне, совер- шающем поперечную подачу посредством специального механизма. Отре- занная пластина попадает на транспортер кассетировщика. По окончании резки монокристалл возвращается в исходное положение, получает движение осевой подачи и процесс резания возобновляется (см. сайт http://www.elmache.com/). 7 8 9 4 5 6 1 3 2 Рис. 4. Компьютерная модель станка резки слитка кремния на пластины алмазным отрез- ным кругом с внутренней режущей кромкой напроход: 1 — стол; 2 — нижний индуктор; 3 — верхний магнитопровод; 4 — ротор-инструмент; 5 — разрезаемый монокристалл; 6 — кронштейн механизма продольной подачи; 7 — механизм поперечной подачи; 8 — отре- занная пластина; 9 — кассетировщик. Актуальным является применение резки напроход слитков кремния на мерные заготовки, которые в дальнейшем технологическом процессе будут разделяться на пластины, подложки. В отечественном производстве для этой цели чаще всего применяют алмазные отрезные круги с внешней режущей кромкой (АОК). Известно, что АОК не могут конкурировать с АКВР ни по ширине, ни по точности реза. Однако с их помощью можно произвести рез в любом месте длинного слитка кремния, что нельзя сделать АКВР. Реже у нас, чаще за рубежом, для раскроя слитков применяют станки резки бесконечной лентой. Они обеспечивают ширину реза меньшую, чем АОК, но большую чем АКВР. Точность разрезки при этом не удовлетворительна. В настоящее время у производителей солнечных батарей популярностью пользуются станки для проволочной резки фирмы НСТ (Швейцария). Между тем, реализовать все преимущества проволочной резки в случае раскроя слитков не представляется возможным. Высокая производительность здесь достигается совмещением во времени большого числа резов. Это требует одновременной установки на станке большого числа слитков кремния. В свою очередь, площадь станка, его габариты растут пропорционально числу обрабатываемых слитков, соответственно, растут цена станка и затраты на www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 86 его эксплуатацию. Другим недостатком этих станков является сложность и трудоемкость обслуживания. Предлагаемая схема резания напроход может быть с успехом реализована для раскроя слитков кремния. Не представляет труда создать индуктор подко- вообразной формы, обеспечивающий устойчивое вращение кольцевого инст- румента. При этом в зоне резания инструмент будет оставаться свободным с обеих сторон и длина отрезаемой части слитка кремния ничем не ограничива- ется. В этом случае можно производить резку тонкой, тестовой пластины и размерных кусков произвольной длины (см. демонстрацию анимационной модели такого станка на сайте http://www.elmache.com/). Наши работы показали, что принцип совмещения функций вторичного элемента электрической машины и рабочего органа технологической маши- ны может с успехом применяться. При прочих равных условиях реализация данного принципа значительно сокращает как материальные, так и энергети- ческие затраты — у нового станка для резки на проход размеры инструмента уменьшаются в 2—3 раза, масса вращающихся частей — в сотни раз, масса станка — в десятки раз, энергопотребление — в 5—10 раза. Простота и тех- нологичность конструкции гарантируют низкую себестоимость изготовления таких станков. 1. Ерошин С. С. Определение сил, действующих на кольцевую пластинку, находящуюся во вращающемся магнитном поле // Зб. наук. пр. Східноукр. держ. ун-ту. Серія: Маши- нобудування. — Луганськ: Вид-во СУДУ, 1998. — С. 13—21. 2. Справочник машиностроителя: В 6 т. / Под ред. Н. С. Ачеркана. — М.: Машгиз, 1956. — Т. 3: Расчеты на прочность и устойчивость деталей машин. — 564 с. 3. Справочник машиностроителя: в 6 т. / Под ред. Н. С. Ачеркана. — М.: Машгиз, 1956. — Т. 1: Математика, теоретическая механика, теория машин и механизмов. — 568 с. 4. Єрошин С. С. Концепція створення машин і приладів з прямим приводом робочих органів без механічних опор // Машинознавство. — 2007. — № 2 (116). — С. 27—32. 5. Ляпунов А. М. Общая задача об устойчивости движения. — М.-Л.: Гостехтеоретиздат, 1950. — 472 с. 6. Алфутов Н. А., Колесников К. С. Устойчивость движения и равновесия: Учеб. пособие. — М.: МГТУ, 2003. — 256 с. 7. Ерошин С. С., Невзлин Б. И., Брешев В. Е. Экспериментальное исследование реакций свободного кольцевого ротора на радиальную нагрузку // Праці Луганського відділення Міжнародної Академії інформатизації. — 2005. — № 1 (10). — С. 23—25. 8. А. с. 1435082 СССР, МПК H 01 L 21/461. Устройство для резки монокристаллов на пластины / С. С. Ерошин, Б. Н. Невзлин, В. П. Сорока. — Опубл. 11.02.88, Бюл. № 40. 9. Пат. 76825 Україна, МПК H 01 L 21/461 B 28 D 5/00. Пристрій для різання монокрис- талів на пластини / О. Л. Голубенко, С. С. Єрошин, Б. І. Невзлін, В. Є. Брешев. — Опубл. 15.09.06, Бюл. № 9. 10. Пат 77529 Україна, С2 МПК H01L 21/461. Пристрій для різання монокристалів на пластини / О. Л. Голубенко, С. С. Єрошин, Б. І. Невзлін, В. Є. Брешев. — Опубл. 15.12.06, Бюл. № 12. Восточноукраинский национальный ун-т Поступила 06.03.08 им. В. Даля
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-20747
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 0203-3119
language Russian
last_indexed 2025-12-07T18:44:45Z
publishDate 2008
publisher Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
record_format dspace
spelling Ерошин, С.С.
2011-06-04T18:09:43Z
2011-06-04T18:09:43Z
2008
Расширение технологических возможностей машин и приборов с кольцевыми рабочими органами / С.С. Ерошин // Сверхтвердые материалы. — 2008. — № 5. — С. 79-86. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
0203-3119
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20747
621.01:62-882
Показана возможность создания технологических машин и приборов с рабочим органом в форме широкого плоского кольца, которое не имеет механических опор и электрических контактов, приводится во вращательное движение, удерживается в пространстве и воспринимает технологические нагрузки за счет сил магнитного поля индукторов. Теоретически получен и экспериментально подтвержден критерий устойчивого вращения свободного кольцевого ротора. На примере станка алмазной резки и центробежного насоса показаны технологические и экономические преимущества новых конструкций. На сайте http://www.elmache.com/ демонстрируется алмазная резка свободным отрезным кругом напроход, вращение рабочего колеса центробежного насоса, который не имеет ни вала, ни подшипников, и компьютерные модели станков резки полупроводниковых монокристаллов.
ru
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
Сверхтвердые материалы
Инструмент, порошки, пасты
Расширение технологических возможностей машин и приборов с кольцевыми рабочими органами
Article
published earlier
spellingShingle Расширение технологических возможностей машин и приборов с кольцевыми рабочими органами
Ерошин, С.С.
Инструмент, порошки, пасты
title Расширение технологических возможностей машин и приборов с кольцевыми рабочими органами
title_full Расширение технологических возможностей машин и приборов с кольцевыми рабочими органами
title_fullStr Расширение технологических возможностей машин и приборов с кольцевыми рабочими органами
title_full_unstemmed Расширение технологических возможностей машин и приборов с кольцевыми рабочими органами
title_short Расширение технологических возможностей машин и приборов с кольцевыми рабочими органами
title_sort расширение технологических возможностей машин и приборов с кольцевыми рабочими органами
topic Инструмент, порошки, пасты
topic_facet Инструмент, порошки, пасты
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20747
work_keys_str_mv AT erošinss rasširenietehnologičeskihvozmožnosteimašinipriborovskolʹcevymirabočimiorganami