43 ЭЛЕКТРОНИКА И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - Страница 4

В.С. Гуров, М.В. Дубков

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ТОНКОСТЕННЫХ КВАДРУПОЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОДНЫХ СИСТЕМ

 

Проведена оценка устойчивости тонкостенных квадрупольных электродных систем к различным механическим воздействиям: прогибу под действием собственного веса и под действием внешней сосредоточенной нагрузки, приведены результаты механических испытаний разработанных электродных систем.

 

Разработка аналитической аппаратуры для работы на передвижных объектах предъявляет повышенные требования к прочностным характеристикам протяженных электродов квадрупольных ГЭС, их устойчивости к различного рода изгибам, прежде всего под действием собственного веса при креплении электродной системы на опорах-керамиках. Проведем оценку величины прогиба медного тонкостенного гиперболического электрода, закрепленного на двух опорах, под действием собственного веса и под действием внешней сосредоточенной нагрузки.

Воспользуемся уравнением упругой линии для расчета прогиба стержня [1]: , где  – момент сил, поворачивающих электрод; E – модуль упругости;  – момент инерции сечения стержня; v(0) – прогиб стержня в сечении z=0.

Для оценки прогиба электродной системы под действием собственного веса можно рассчитать прогиб двухопорного стержня, сечение которого представляет собой половину цилиндра толщиной d (рис. 1, а и б). В этом случае момент сил определяется выражением: , где  – распределенная нагрузка на стержень длиной L, массой m.

Проводя соответствующее интегрирование и учитывая граничные условия , можно получить: . Нетрудно показать, что момент инерции сечения полуцилиндра радиусом R определяется выражением: . Наибольший прогиб наблюдается при  и равен: .

Расчеты, проведенные для реальных размеров электродной системы с радиусом поля 10 мм, показывают, что прогиб сильно зависит от длины электродной системы, но мало зависит от ее толщины (рис. 2).Это связано с уменьшением массы электрода и, следовательно, распределенной нагрузки при уменьшении толщины электрода.

Рассчитанные значения прогибов не превышают 1 мкм при длине электродной системы до 400 мм, что является вполне допустимым, так как реальные электродные системы квадрупольного фильтра масс редко имеют длину более 300 мм. Поэтому искажениями, связанными с прогибом протяженной электродной системы под действием собственного веса в реальных системах, вполне можно пренебречь.

 

 

Совсем другая картина наблюдается, если исследовать поведение электрода квадрупольной ГЭС при наличии внешней сосредоточенной нагрузки P. Самый неблагоприятный вариант в этом случае наблюдается, если нагрузка приложена к середине электрода (рис. 1,в). В этом случае момент сил определяется выражением , а прогиб электрода .

Прогиб электрода в середине .

В этом случае наблюдается линейная зависимость прогиба от приложенной сосредоточенной нагрузки (рис. 2,б). Причем тангенс угла наклона соответствующей прямой зависит от длины электродной системы и от ее толщины.

Как видно из приведенных расчетов, уменьшение прогиба связано в основном с уменьшением длины свободной части электрода. В реальных электродных системах это приводит к необходимости увеличения количества керамических изоляторов, обеспечивающих взаимное крепление электродов друг относительно друга и их электрическую изоляцию. Для обеспечения повышенной устойчивости квадрупольных ГЭС к внешним механическим воздействиям установку изоляторов нужно проводить через 50…60 мм.

 

 

Для отработки конструкции и технологии изготовления квадрупольных ГЭС моноблочного типа с учетом возможности их использования для работы на передвижных объектах были проведены их механические испытания на устойчивость к ударным и вибрационным воздействиям.

Для проведения соответствующих экспериментов использовалась гиперболоидная квадрупольная электродная система с радиусом поля 8,2 мм и длиной 66,6 мм, разработанная для создания масс-анализатора в рамках программы «Марс-96».

 

 

Электродная система закреплялась в концевых областях в массивных стальных оправках, имитирующих крепежную и изолирующую керамику, которые в свою очередь крепились к платформе испытательных стендов, при этом продольная ось z анализатора располагалась горизонтально, ориентация электродов относительно осей х и у показана на рис. 3,а. В процессе проведения механических испытаний периодически измерялись профили полеобразующих электродов и характерный размер электродной системы – радиус поля. Измерения проводились на оптическом измерительном микроскопе с ценой деления 5 мкм и рычажным микрометром с ценой деления 2 мкм.

Для вибрационных испытаний использовался стандартный стенд модели ВУ-15, позволяющий создавать синусоидальную, вертикально направленную вибрацию в диапазоне частот от 15 до 85 Гц и с перегрузкой до 15g. Результаты проведенных вибрационных испытаний показали, что разработанные квадрупольные тонкостенные масс-анализаторы и система их крепления устойчивы к вибрационным нагрузкам во всем диапазоне частот и значений перегрузок. Изменение геометрии квадрупольной ГЭС при виброиспытаниях не обнаружено.

Испытания разработанной квадрупольной ГЭС на устойчивость к ударным нагрузкам проводились на стандартной ударной электродинамической установке типа УУЭ-2/200. Установка позволяла получать следующие параметры удара: ускорение от 2 до 200g при длительностях ударного импульса от 2 до 14 мкс. Установка обеспечивала работу как в режиме одиночных импульсов, так и в частотном режиме с плавной регулировкой до 200 ударов в минуту. Направление удара – вертикальное.

Результаты ударных испытаний квадрупольной электродной системы АНК-8,2/66,6 приведены на рис. 3 и показывают следующее. Изменение радиуса поля электродной системы для фиксированного числа ударов N=50 для каждого значения ускорения наблюдается, начиная со значений ускорения і100g. При этом происходит деформация концевых областей, которая приводит к уменьшению радиуса поля. Величина этой деформации по ударной оси (х) в несколько, 2-5 раз выше, чем по другой оси (у) и составляет величину 50 и 10 мкм соответственно для ускорения 100g, и 260 и 145 мкм для ударного ускорения 200g.

Для выяснения динамики деформаций значение ударного ускорения фиксировалось (100 и 200g), а измерения проводились после каждых 10 ударов, рис. 3,б. Результаты соответствующих экспериментов показывают, что в случае ударного ускорения, равного 100g, наблюдается практически линейный рост изменения радиуса поля от числа ударов, рис. 3,б, кривые 3 и 4. Для значений ударных ускорений 200g соответствующие зависимости после 20-30 ударов выходили на пологий участок и дальнейшей деформации концевой области практически не наблюдалось, рис. 3,б, кривые 5 и 6. Характер изменения деформаций по ударной и неударной осям остался таким же, как и на рис. 3,а. Интересно отметить, что повышение размера кристаллов электрохимически осажденной меди уменьшает упругость и прочность осадка. Для электродных систем из крупнокристаллической меди деформации с увеличением числа ударов монотонно возрастают, рис. 3,б, кривая 7, что может привести даже к разрушению концевых установочных щечек.

Проведенные механические испытания тонкостенных квадрупольных электродных систем с устройствами их крепления, изготовленных по оригинальной технологии методом электролитического формования, показали, что они устойчивы к вибрационным нагрузкам в широком диапазоне частот и амплитуд и выдерживают до 20-25 ударов с ускорением 100g и до 5 ударов с ускорением 200g. При этом уход характерных размеров (радиуса поля) электродных систем не превышает 10 мкм, что находится в пределах сохранения их эксплуатационных характеристик.

 

Биргер И.А., Мавлютов Р.Р. Сопротивление материалов. М.: Изд. МАИ, 1994.

Материал поступил в редколлегию 14.02.02

 

 

 

УДК 621.387