本文介绍了如何构建一种用于旋转转子规的可靠弹簧运输机构。该装置可牢固固定转子,并在运输过程中使其保持在真空状态。我们还描述了可最大限度降低运输过程中损坏风险的包装方法。测试结果表明,我们的设计能够有效应对运输过程中常见的冲击。
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本文介绍了如何构建一种用于旋转转子规的可靠弹簧运输机构。该装置可牢固固定转子,并在运输过程中使其保持在真空状态。我们还描述了可最大限度降低运输过程中损坏风险的包装方法。测试结果表明,我们的设计能够有效应对运输过程中常见的冲击。
旋转转子真空计(SRG)是一种高真空规,常作为次级标准或传递标准,用于测量 1.0 × 10-4 Pa 至 1.0 Pa 范围内的真空压力。在此类应用中,SRG 经常被运送至实验室进行校准。在运输过程中可能发生影响转子表面状态的事件,从而改变其校准因子。为确保校准的稳定性,通常采用弹簧运输机构来固定转子,并在运输期间使其保持在真空环境中。同时,使用专为降低运输损坏风险而设计的包装来运输弹簧运输机构也至关重要。本文详细描述了如何构建一个坚固的弹簧运输机构及运输容器。二者共同构成一个弹簧运输包装。该弹簧运输包装设计已通过跌落测试验证,性能表现优异。当前的弹簧运输机构设计可在承受数百 g 冲击(g = 9.8 m/sec2,即重力加速度)时仍保持转子固定不动,而运输容器则确保在常见的运输意外(按行业标准定义)中,该机构所受冲击不会超过约 100 g。
旋转转子真空计(SRG)是一种用于测定1.0 × 10-4 Pa至1.0 Pa范围内真空压力的高真空测量装置。其核心结构是一个被悬浮在两个永磁体之间的旋转钢球。通过电磁线圈驱动钢球旋转,即"加速旋转"至某一频率(通常为410 Hz);随后让钢球自由旋转,但由于真空系统中气体分子与钢球表面发生碰撞,其转速会随时间逐渐降低。因此,真空压力与钢球(即转子)的减速速率相关。图1展示了SRG的主要组成部分:转子、套筒、带连接电缆的探头以及电子控制器。在运行过程中,转子(或称钢球)被密封在套筒内部,通常用户不会直接接触或看到转子。套筒与真空系统相连。使用SRG时,将探头套在套筒上。探头内包含两个永磁体以及多组线圈,用于实现垂直和水平方向的稳定、驱动转子旋转以及检测转速。电子控制器接收来自检测线圈的信号,从而完成压力测量。对于表面条件理想的转子,其减速速率与真空压力之间遵循基本物理规律。为了利用SRG进行绝对压力测量,必须确定一个称为有效贴附系数的校准因子。该有效贴附系数取决于转子实际表面状况,如表面粗糙度、吸附气体和划痕等。这些因素在其使用过程中通常保持稳定。有关SRG的更多详细信息可参见其他文献资料。1-3
在需要绝对真空测量的应用中,SRG 被广泛使用。例如,校准实验室通常将 SRG 用作绝对真空标准。在此情况下,通过将高真空计的读数与 SRG 的读数进行比较,来对其进行校准。相应地,SRG 标准必须定期送往主要校准实验室重新测定其适应系数,以完成校准。主要校准实验室通常是国家计量院,例如美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology, NIST)。主要实验室通过将 SRG 的读数与基本真空标准进行比较,确定其适应系数,然后将 SRG 送回"二级"校准实验室。SRG 还可用作传递标准,用于不同校准实验室或国家计量院之间的标准比对。在此类应用中,SRG 会在各实验室之间进行国内或国际运输。4-8 在运输过程中,可能发生改变适应系数的事件。在运输前,转子必须解除悬浮状态,并拆下表头;此时转子将静置于套筒内壁上。在运输期间,由于振动和冲击导致转子与套筒之间的机械作用,转子表面可能发生改变;或者由于转子暴露于大气气体和湿度环境中,其表面也可能发生变化。这些变化会影响适应系数的长期稳定性。理想情况下,转子在运输过程中应始终保持在真空环境中并被固定不动。
历史上,标准旋转规(SRG)被用作各国计量研究院之间真空标准关键比对中的传递标准,这些SRG在各研究院之间进行了多次国际运输9。在早期的一次关键比对中发现,通过采用一种弹簧运输机制,可在运输过程中固定转子并使其保持在真空环境中,从而改善SRG长期稳定性中的容纳系数1,10。自那时起,弹簧运输机制已在多次国际关键比对中得到应用。最近一项对历史数据的研究表明,90%的此类比对稳定性优于0.75%,70%的比对稳定性达到0.5%9。因此,在大多数情况下,使用弹簧运输机制所获得的稳定性已完全满足绝大多数应用需求。
迄今为止,文献中关于如何构建弹簧运输机构的指导非常有限。早期版本的此类装置由于设计上未能充分考虑坚固性,以及在运输过程中操作不当,常出现无法完全固定转子的问题。这些早期经验表明,不仅需要构建一个坚固的弹簧运输机构,还必须以适当的方式进行包装,以尽量减少运输过程中的冲击。后一点至关重要,却常常被忽视。本文将介绍一种坚固的弹簧运输机构及其配套的合理运输包装的构建方法。我们的设计基于一些简单且经过验证的工程原理,能够制造出耐用的弹簧运输包装,最大限度地降低运输过程中发生故障的可能性。我们还描述了对设计坚固性的测试。测试方法的更多细节可参见 Fedchak et al. (2015)11。
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1. 采购弹簧传动机构的非定制部件
2. 准备运输容器所需材料
3. 弹簧传动机构定制部件的采购与制作
注意:本节所述定制部件的示例图示见图2-4。
4. 定制泡沫切割件的制备
5. 真空组件的清洗
6. 组装弹簧传动机构
7. 组装运输容器
8. 使用弹簧运输机制
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商业SRG的所有组件如图1所示,包括转子、套筒、包含用于悬浮和信号拾取的永磁体与线圈的头部,以及电子控制器。图1c所示的小弹簧用于将钢球固定在套筒内;该固定弹簧不用于弹簧传输机构。弹簧传输机构中使用的是商用控制器和头部。可将商用套筒上的叉状部件取下用于弹簧传输机构,也可自行加工复制这些简单零件。转子可直接使用,也可根据材料清单选用其他类型的滚珠轴承。图2-4中的机械图纸提供了构建弹簧传输机构所需定制零件的关键尺寸。图4中的球夹具点焊在弹簧一端,弹簧的另一端则点焊在支撑柱上。除套筒外,组装弹簧传输机构所需的所有零件如图5所示。弹簧的压缩量至少应为2 mm,作者建议标称压缩量为3 mm。图6展示了用于判断弹簧是否被适当压缩的测量方法,具体将在实验步骤中讨论。
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设计目标是构建一种具有足够夹持力的弹簧运输机构,以确保转子在运输过程中保持固定不动。然而,仅设计一个坚固的弹簧运输机构并不足以保证转子始终固定,例如,若将该机构从较大高度掉落至坚硬表面,会产生巨大的冲击力。通过合理包装弹簧运输机构,使其在包装内部经过一定距离缓慢减速,可显著降低作用于转子的冲击力。物体在跌落过程中所受到的冲力称为冲击(shock),通常以重力加速度g的倍数来衡量。若物体从高度h处跌落,并在距离d内完成减速,则所受冲击为(h/d) × g。例如,若物体从1 m高处跌落,并在1 cm的距离内减速,则其受到的冲击为100 g。此例大致反映了在搬运过程中一个包装良好的物体可能遭遇的典型冲击水平。因此,弹簧运输机构的设计需确保转子在至少承受100 g冲击时仍能保持固定。这一目标并不难实现。我们采用了一个弹簧常数为3 N/mm的弹簧,在阀门完全关闭时被压缩了3 mm。转子的质量为0.37 g,钢珠保持架的质量为0.55 g,因此压缩后的弹簧可产生数百g的夹持力。根据弹簧长度...
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本文中提及的商用设备旨在增进理解,并不意味着美国国家标准与技术研究院的推荐或背书,也不意味着所提及的材料或设备一定是该用途下最佳的可用选择。作者无其他事项需要披露。
作者感谢美国国家标准与技术研究院(NIST)中子成像设施的仪器科学家 Daniel Hussey 博士在中子射线成像方面提供的帮助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 弹簧,3 N/m | Lee Spring (www.leespring.com) | LC 042C 18 S316 | 外径 0.240 英寸,线径 0.042 英寸,刚度 17.1 磅/英寸,自由长度 2.25 英寸,线圈数 29.3 |
| 8-32 螺纹杆,316 不锈钢 | McMaster-Carr (www.mcmaster.com) | 90575A260 | 316 型不锈钢全螺纹螺柱,8-32 螺纹,3" 长度。 按照方案中指定长度截取 |
| 圆柱形间隔柱,8-32 螺钉尺寸 | McMaster-Carr (www.mcmaster.com) | 91125A140 | 18-8 不锈钢内螺纹圆形间隔柱,1/4" 外径,1/4" 长度,8-32 螺钉尺寸 |
| 螺母,8-32 | McMaster-Carr (www.mcmaster.com) | 90205A309 | 316 不锈钢小尺寸六角螺母,8-32 螺纹尺寸,1/4" 宽度,3/32" 高度 |
| 分体式锁紧垫圈,316 不锈钢 | McMaster-Carr (www.mcmaster.com) | 92147A425 | 316 型不锈钢分体式锁紧垫圈,NO. 8 螺钉尺寸,0.3" 外径,最小厚度 0.04" |
| 钢制转子 | McMaster-Carr (www.mcmaster.com) | 9292K38 | 轴承级 E52100 合金钢,硬化钢球,直径 4.5 mm |
| 直角阀 | VAT Valve (www.vatvalve.com) | 54132-GE02-0001 | 易关闭全金属角阀,DN 40 (1.5") |
| 运输容器 | Allcases, Reekstin & Associates (www.allcases.com) | REAL1616-1205 | 锌制五金件配锌制把手,旋转模塑成型,轻质高抗冲聚乙烯箱体,带保护凹槽五金件。 15.75" × 15.88" × 16.45" |
| 聚酯泡沫 | Carry Cases Plus (www.carrycasesplus.com) | ES-PAD 3" 厚 | 3" 厚,2 磅炭黑色聚酯泡沫垫,24" × 27"。 |
| 聚酯泡沫 | Carry Cases Plus (www.carrycasesplus.com) | ES-PAD 1" 厚 | 1" 厚,2 磅炭黑色聚酯泡沫垫,24" × 27"。 |
| 蛋格状聚酯泡沫 | Carry Cases Plus (www.carrycasesplus.com) | ES-CONV | ES-CONV,2 磅,24" × 27" × 1 1/2"。 "蛋格" 聚酯泡沫。 |
| 泡沫切割件,PE 泡沫 | Willard Packaging Co. (www.willardpackaging.com) | 定制泡沫切割件。 | |
| 旋转转子真空计 | MKS Instruments (www.mks.com) | SRG-3 | 控制器、探头和套筒。 弹簧输送机构必须使用定制套筒 |
| 定制套筒 | MDC vacuum Inc. (www.mdcvacuum.com) | 需提交图纸以制造定制部件 | |
| 清洗剂 | Fisher Scientific Co (www.fischersci.com) | 04-320-4 | Sparkleen 1 清洗剂 |
| 丙酮 | Fisher Scientific Co (www.fischersci.com) | A18-S4 | 丙酮(符合 ACS 标准) |
| 乙醇 | Warner-Graham Company (www.warnergraham.com) | 190 proof USP | 190 Proof USP 乙醇 |
| 阀门用螺栓组 | Kurt J. Lesker (www.lesker.com) | TBS25028125P | B,N&W 套件,12 点,(25)1/4-28 × 1.25",用于 2.75" 通孔,银镀层 |
| 银镀铜密封垫圈 | Kurt J. Lesker (www.lesker.com) | GA-0275LBNSP | |
| 弹簧组件(焊接) | Omley Industries, Inc. (www.omley.com) | N/A | 机械加工和焊接在 NIST 车间完成。然而,Omley Industries 也可作为弹簧组件焊接的替代选择。 |
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