Технологическое проектирование и инженерный расчет установки для обработки кварцевых трубок методом MCVD (Курсовой проект)

Введение: Цели проекта, контекст и актуальность

Производство оптического волокна — один из краеугольных камней современной цифровой инфраструктуры, а его начальный этап, создание высокочистой стеклянной заготовки (преформы), является вершиной прикладного материаловедения и точной инженерии. Актуальность данного проекта обусловлена необходимостью разработки и модернизации отечественного оборудования, способного обеспечить прецизионное выполнение технологических процессов, критически важных для получения оптического волокна с минимальным затуханием.

Данный курсовой проект посвящен технологическому проектированию и инженерному расчету ключевых узлов установки, использующей метод модифицированного химического осаждения из паровой фазы (MCVD) для обработки кварцевых трубок. Установка представляет собой сложный механо-вакуумный комплекс, где точность движения, надежность вакуумной системы и соблюдение температурных режимов прямо влияют на качество конечного продукта. И что из этого следует? Без точного инженерного расчета и контроля этих параметров, невозможно достичь требуемой чистоты и однородности стекла, что делает оптическое волокно непригодным для высокоскоростной передачи данных.

Цель работы — разработка принципиальной технологической схемы установки, выполнение обоснованного выбора и расчета вакуумной системы, а также детальный кинематический и силовой расчет привода механизма вертикального перемещения (подъема/опускания стержня).

Структура пояснительной записки последовательно раскрывает:

1. Специфические технологические требования, налагаемые на конструкцию.
2. Методику выбора и расчета вакуумного оборудования.
3. Инженерный расчет привода с учетом потерь и нагрузок.
4. Комплекс мер по обеспечению техники безопасности и промышленной гигиены.

Технологические требования и конструктивные особенности установки

Установка для обработки кварцевых трубок методом MCVD (Modified Chemical Vapour Deposition) — это не просто механическое устройство, а высокоточный реактор, предназначенный для синтеза сверхчистого стекла. Конструкция установки полностью детерминирована экстремальными требованиями к чистоте и термостойкости.

Процесс формирования преформы и критерии качества кварцевого стекла

Метод MCVD заключается в следующем: опорная кварцевая трубка (оболочка будущего волокна) вращается, в то время как внутри нее под действием высокой температуры происходит реакция газовой смеси. Галогениды кремния (SiCl₄) и легирующих компонентов (GeCl₄) вводятся в трубку, где они окисляются кислородом, осаждаясь на внутренней стенке в виде высокочистого оксида кремния (SiO₂).

Ключевым фактором, определяющим оптические свойства волокна (минимальное затухание сигнала), является сверхчистота исходного и осаждаемого материала. Требования к кварцевому стеклу, используемому для преформ, являются одними из самых строгих в материаловедении:

Критерий чистоты	Требуемый предел	Влияние на оптические свойства
Концентрация OH-групп (гидроксильные)	Не более 0,5 ppm (частей на миллион)	Резко увеличивают поглощение в инфракрасном диапазоне (~ 1383 нм).
Концентрация металлических примесей (Fe, Cu, Cr)	Не более 10 ppb (частей на миллиард)	Вызывают поглощение в видимом и ультрафиолетовом диапазонах, увеличивая затухание.

Таким образом, конструкция установки должна исключать любые источники загрязнения, включая пары масла из вакуумной системы, что является критически важным нюансом. Кварцевое стекло, используемое в качестве исходного материала, должно соответствовать общим техническим условиям ГОСТ 15130-86 «Стекло кварцевое оптическое», что гарантирует необходимую прозрачность, однородность, высокую термостойкость и отсутствие газовых пузырей.

Тепловые режимы процесса и их влияние на выбор материалов

Технологический процесс MCVD является двухстадийным и требует жесткого контроля температуры.

1. Стадия осаждения (Спекание): Кислородно-водородная горелка (или печь) перемещается вдоль вращающейся трубки, нагревая ее до температуры около 1600 °C. При этой температуре происходит спекание осажденного порошка SiO₂ в прозрачный стекловидный слой.
2. Стадия схлопывания (Коллапс): После нанесения всех слоев легированного стекла температура повышается до критической — приблизительно 2000 °C. При этой температуре трубка схлопывается под действием поверхностного натяжения и вакуума, превращаясь в монолитный стержень (преформу).

Экстремальные температуры требуют использования в рабочей зоне только высокотемпературных, химически инертных материалов: платина, высокочистая керамика (Al₂O₃), или специальные никелевые сплавы. Узлы, обеспечивающие вращение и перемещение кварцевой трубки, должны быть спроектированы с учетом существенного теплового расширения и необходимости постоянного охлаждения (например, водяного).

Принципиальная технологическая схема установки

Принципиальная технологическая схема установки для обработки кварцевых трубок представляет собой сложную систему, объединяющую четыре ключевых подсистемы:

Узел	Назначение	Ключевые требования
Вращатель и Транспортный механизм	Обеспечивает точное вращение кварцевой трубки вокруг своей оси и ее вертикальное/горизонтальное перемещение (подъем стержня).	Высокая точность позиционирования, стабильность скорости вращения (для равномерности осаждения).
Газо-дозирующая система (ГДС)	Контролирует подачу сверхчистых исходных реагентов (SiCl₄, GeCl₄) и кислорода в рабочую зону.	Высокая точность массового расхода (использование масс-расходомеров), герметичность.
Нагревательный узел	Обеспечивает локализованный нагрев трубки до 1600 °C – 2000 °C.	Точность контроля температуры, возможность быстрого перемещения.
Вакуумная система	Создает необходимый перепад давления внутри трубки для обеспечения процесса осаждения и последующего схлопывания (коллапса).	Отсутствие масляных паров, устойчивость к агрессивным газам, высокая быстрота откачки.

Обоснование выбора и расчет параметров вакуумной системы

Вакуумная система является критически важным элементом установки, поскольку она не только обеспечивает требуемый перепад давления, но и влияет на чистоту процесса. Расчет вакуумной системы должен базироваться на двух основных критериях: достижение заданного уровня вакуума и устойчивость к агрессивной химической среде.

Классификация вакуума и выбор насосов

Согласно стандартам, вакуум классифицируется по остаточному давлению:

• Низкий вакуум: 10⁵ до 10² Па.
• Средний вакуум: 10² до 10⁻¹ Па.
• Высокий вакуум: 0,1 до 10⁻⁶ Па.

Для процесса MCVD требуется обеспечить средний и высокий вакуум, особенно на стадии схлопывания. Достижение высокого вакуума, как правило, требует комбинации насосов (насосной станции):

1. Форвакуумный насос (Предварительный): Обеспечивает откачку от атмосферного давления до среднего вакуума (например, 10 Па).
2. Высоковакуумный насос: Подключается после достижения форвакуума и доводит систему до рабочего высокого вакуума (например, турбомолекулярный или криогенный насос).

Расчет быстроты действия и выбор типа вакуумного насоса

Для обеспечения эффективности процесса необходимо рассчитать требуемую быстроту действия насоса (S), которая показывает объем газа, откачиваемый за единицу времени.

Допустим, объем вакуумируемой камеры (включая подводящие линии и объем трубки) V составляет 0,05 м³. Требуется откачать систему от начального давления P_нач = 10⁵ Па до рабочего давления P_кон = 10 Па (средний вакуум, обеспечиваемый форвакуумным насосом) за время t = 5 минут = 300 секунд.

Расчет быстроты действия насоса (S) выполняется по формуле:

S = (V / t) · ln(Pнач / Pкон)

Подставляем значения:

S = (0,05 м³ / 300 с) · ln(10⁵ Па / 10 Па)

S = 0,0001667 м³/с · ln(10000)

Учитывая, что ln(10000) ≈ 9,21:

S ≈ 0,0001667 м³/с · 9,21 ≈ 0,001535 м³/с

Переводя в литры в секунду (1 м³/с = 1000 л/с):

S ≈ 1,535 л/с

Следовательно, требуемая скорость откачки форвакуумного насоса должна быть не менее 1,5 л/с (или 5,5 м³/ч).

Критический выбор типа насоса: В процессе MCVD откачиваемая среда содержит агрессивные и токсичные галогениды (SiCl₄, GeCl₄) и продукты их реакции. Использование традиционных маслозаполненных пластинчато-роторных насосов категорически запрещено, поскольку агрессивные пары разрушают масло, а пары масла, проникая в рабочую зону, вызывают недопустимое загрязнение кварцевого стекла, нарушая требование чистоты (OH-группы не более 0,5 ppm).

Обоснование: Критически необходим выбор в пользу сухих, безмасляных вакуумных насосов (например, спиральных, винтовых или мембранных), которые работают без смазки в рабочей камере, обеспечивая химическую стойкость и высокую чистоту откачки.

Технические характеристики выбранного насоса

В качестве форвакуумного насоса, удовлетворяющего требованию сухости и химической стойкости, может быть выбран винтовой насос серии, предназначенной для химических процессов.

Характеристика	Параметр (Пример, Винтовой насос)
Тип насоса	Сухой винтовой
Максимальная скорость откачки (S)	8 м³/ч (≈ 2,2 л/с)
Предельное остаточное давление (Pкон)	0,5 Па
Требуемая мощность двигателя	0,8 кВт
Химическая стойкость	Высокая (рабочие винты из нержавеющей стали с покрытием)

Выбранная модель со скоростью откачки 2,2 л/с с запасом перекрывает расчетную требуемую быстроту 1,535 л/с, обеспечивая оперативный вывод системы на рабочее давление. Для достижения высокого вакуума в контуре, при необходимости, к форвакуумному насосу подключается высоковакуумный турбомолекулярный насос.

Кинематический и силовой расчет привода подъема стержня

Механизм вертикального перемещения (подъема/опускания стержня или трубки) обеспечивает точное позиционирование заготовки относительно горелки. Привод должен быть надежным, компактным и обеспечивать самоторможение для предотвращения падения стержня при отключении питания.

Структурная и кинематическая схема привода

Типовая кинематическая схема привода механизма вертикального перемещения строится по модульному принципу:

Электродвигатель → Тормоз → Муфта (упругая) → Редуктор (червячный) → Исполнительный механизм (Ходовой винт с гайкой)

Червячный редуктор выбран из соображений компактности и обеспечения эффекта самоторможения (при большом передаточном числе ≥ 30), что критически важно для механизмов подъема. Может ли простой выбор редуктора гарантировать безопасность, или есть более глубокие конструктивные аспекты, которые необходимо учесть?

Силовой расчет и выбор электродвигателя

Силовой расчет привода начинается с определения требуемой мощности на рабочем органе (исполнительном механизме), необходимой для перемещения стержня.

Исходные данные (Пример):

• Общая масса поднимаемого стержня и оснастки (M): 30 кг.
• Скорость подъема стержня (v): 0,005 м/с.
• Ускорение свободного падения (g): 9,81 м/с².

1. Расчет статической мощности на исполнительном механизме (Pисп):

Pисп = F · v = (M · g) · v

Pисп = (30 кг · 9,81 м/с²) · 0,005 м/с

Pисп = 294,3 Н · 0,005 м/с = 1,4715 Вт

2. Расчет общего коэффициента полезного действия (ηобщ):

Общий КПД привода представляет собой произведение КПД всех последовательно расположенных элементов:

ηобщ = ηмуфты · ηредуктора · ηходового винта · ηподшипников

Принимаем типовые значения:

• η_муфты = 0,99
• η_{подшипников} ≈ 0,99 (для двух пар)
• η_{ходового винта} ≈ 0,45 (для трапецеидальной резьбы)

Критический фактор: КПД червячного редуктора (ηредуктора). Червячные редукторы, выбранные для самоторможения, обладают относительно низким КПД, который существенно зависит от передаточного числа и угла подъема линии витка. При высоком передаточном числе (u > 30) η_{редуктора} может составлять всего 50% — 70%. Примем η_{редуктора} = 0,65 (65%).

ηобщ = 0,99 · 0,65 · 0,45 · 0,99 ≈ 0,288

Общий КПД привода составляет всего 28,8%. Какой важный нюанс здесь упускается? Этот низкий КПД, являющийся следствием самоторможения, трансформируется в значительные тепловые потери, которые необходимо эффективно отводить от корпуса редуктора, чтобы предотвратить перегрев и снижение точности позиционирования, особенно в условиях длительной работы.

3. Расчет требуемой мощности двигателя (Pдв):

Pдв = Pисп / ηобщ

Pдв = 1,4715 Вт / 0,288 ≈ 5,11 Вт

Требуемая расчетная мощность двигателя крайне низка (0,005 кВт). Для обеспечения необходимого запаса мощности, возможности работы при повышенных нагрузках (запуск, торможение) и, что более важно, для соответствия стандартным типоразмерам, выбирается ближайший стандартный асинхронный электродвигатель малой мощности, например, 0,12 кВт или 0,18 кВт с соответствующей частотой вращения.

Расчет на прочность и выбор элементов передачи

После выбора двигателя и определения общего передаточного числа привода (u_общ), проводится расчет основных элементов передачи.

Расчет ходового винта: Ходовой винт, работающий на подъем, подвергается осевому сжатию (при подъеме) или растяжению (при опускании) и кручению. Критический расчет — на продольный изгиб (устойчивость) при сжатии и на прочность резьбы.

Pвинта = Fрасч / Aрезьбы ≤ [σсжатия]

Где F_расч — расчетная осевая сила, A_резьбы — площадь поперечного сечения резьбы.

Выбор подшипников: Для винтовой передачи, которая воспринимает значительную осевую силу, необходимо использовать упорные подшипники качения (например, радиально-упорные шариковые или конические роликовые). Выбор подшипников производится по каталогам, исходя из расчетной динамической эквивалентной нагрузки (P) и требуемого ресурса работы (L₁₀).

L₁₀ = (C / P)ᵏ · 10⁶ оборотов

Где C — динамическая грузоподъемность подшипника (паспортная), k — показатель степени (3 для шариковых, 10/3 для роликовых). Требуемый ресурс должен составлять не менее 10 000 часов работы.

Таблица выбора стандартных элементов:

Элемент	Тип	Стандарт/Марка	Обоснование
Электродвигатель	Асинхронный, 3-фазный	АИР 63 B4 (0,18 кВт, 1500 об/мин)	Стандартный типоразмер, запас мощности.
Редуктор	Червячный одноступенчатый	Ч-40 (Передаточное число u=50)	Самоторможение, компактность.
Муфта	Упругая втулочно-пальцевая	ГОСТ 21424-93	Компенсация несоосности валов, гашение ударных нагрузок.
Ходовой винт	Трапецеидальный	ГОСТ 9484-81 (Сталь 45)	Стандартный профиль, хорошая нагрузочная способность.

Требования техники безопасности и промышленной гигиены при эксплуатации

Эксплуатация установки для обработки кварцевых трубок сопряжена с уникальными рисками, связанными с высоким вакуумом, экстремальными температурами и использованием токсичных химических реагентов. Меры безопасности должны быть комплексными и строго соблюдать действующие нормативы.

Защита от механических и вакуумных рисков

1. Заземление и электробезопасность: Корпуса всех электрических машин (двигателя, насосов) и металлических частей установки должны быть в обязательном порядке заземлены в соответствии с ПУЭ для предотвращения поражения электрическим током и накопления статического заряда.
2. Защита от имплозии: Кварцевые трубки и стеклянные элементы вакуумной системы при испытаниях на максимальное разрежение (вакуум) подвержены риску имплозивного разрушения (взрыва внутрь) из-за перепада давления, особенно при наличии микротрещин.
   

   Критическое требование: Все кварцевые элементы в рабочей зоне должны быть помещены в защитный металлический кожух или обернуты специальной сеткой/чехлом. Это предотвратит разлет осколков и травмирование персонала в случае аварии.

3. Блокировка привода: Механизм подъема должен быть оборудован концевыми выключателями, ограничивающими ход, и механическим тормозом (в данном случае, функцией самоторможения червячного редуктора), предотвращающим неконтролируемое опускание стержня.

Защита от токсичных веществ и шума

Работа с газовой системой, включающей токсичные и агрессивные галогениды (SiCl₄, GeCl₄), представляет серьезную химическую опасность, поскольку эти вещества вступают в реакцию с влагой воздуха, образуя высокотоксичные кислоты (например, HCl).

1. Вентиляция и нейтрализация: Рабочая зона, где происходит загрузка реагентов и откачка реакционных газов, должна быть оборудована мощной вытяжной вентиляцией. Откачиваемые агрессивные газы не могут быть просто выброшены в атмосферу. Обязательно применение специализированной системы нейтрализации (скруббера), которая переводит токсичные газы в безопасные растворы перед выбросом.
2. Средства индивидуальной защиты (СИЗ): Персонал должен использовать специальные СИЗ — герметичные очки, перчатки из химически стойкого материала, а при обслуживании газовой системы — полнолицевые маски с соответствующими фильтрами.
3. Защита от шума (Промышленная гигиена): Мощные вакуумные насосы, особенно на стадии предварительной откачки, могут генерировать высокий уровень шума, следовательно, персонал, находящийся вблизи работающего оборудования, обязан использовать средства защиты органов слуха (наушники или беруши).

Нормативное регулирование уровня шума: Согласно действующему российскому СанПиН 1.2.3685-21 (Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания), предельно допустимый уровень (ПДУ) эквивалентного уровня звука А за рабочую смену (8 часов) для всех рабочих мест не должен превышать 80 дБА. Если насосная станция превышает этот показатель, необходимо либо использовать шумозащитные кожухи, либо обеспечить обязательное применение СИЗ органов слуха.

Заключение

В рамках данного курсового проекта были успешно выполнены задачи по технологическому проектированию и инженерному расчету ключевых узлов установки для обработки кварцевых трубок методом MCVD.

1. Технологические требования: Установлены и проанализированы критические технологические требования, связанные со сверхчистотой кварцевого стекла (концентрация OH-групп < 0,5 ppm) и экстремальными тепловыми режимами (2000 °C), что обусловило выбор конструкционных материалов и схем.
2. Вакуумная система: Выполнено обоснование выбора и расчет требуемой быстроты действия вакуумного насоса (S ≈ 1,535 л/с). Критически обосновано применение сухих, безмасляных насосов (винтового типа) для исключения загрязнения процесса парами масла и обеспечения химической стойкости к агрессивным галогенидам.
3. Привод подъема стержня: Разработана кинематическая схема привода с использованием червячного редуктора для обеспечения самоторможения. Проведен силовой расчет, который показал, что требуемая мощность двигателя составляет P_дв ≈ 5,11 Вт, что требует выбора стандартного двигателя с необходимым запасом (например, 0,18 кВт).
4. Безопасность: Разработаны специфические требования безопасности, включающие защиту от имплозивного разрушения кварцевых элементов (защитный кожух/сетка), а также обязательное использование системы нейтрализации (скруббера) для токсичных газов и соблюдение норм по шуму (ПДУ 80 дБА по СанПиН 1.2.3685-21).

Все поставленные инженерные задачи выполнены. Полученные расчеты и обоснования служат основой для дальнейшей детализации проекта, включая разработку сборочных чертежей ключевых узлов, детализацию газо-дозирующей системы и составление полной спецификации оборудования.

Список использованной литературы

1. Беланов А. С. и др. Передача оптических сигналов по световодам. Москва : ВИНИТИ, 1988.
2. Волоконная оптика и приборостроение / под ред. М. М. Бутусова. Ленинград : Машиностроение, 1987.
3. Ларин Ю. Т. Технологическое оборудование для изготовления опорных кварцевых труб, заготовок и оптических волокон. Москва : Информэлектро, 1987.
4. Розанов Л. Н. Вакуумная техника. Москва : Высшая школа, 2007.
5. Курсовое проектирование деталей машин / С. А. Чернавский и др. Москва : Машиностроение, 1988.
6. Иванов Г. А., Первадчук В. П. Технология производства и свойства кварцевых оптических волокон : учебное пособие. Пермь : Изд-во Пермского национального исследовательского политехнического университета, 2011.
7. ГОСТ 15130-86. Стекло кварцевое оптическое. Общие технические условия (с Изменениями N 1, 2). URL: https://cntd.ru/
8. Кварцевое стекло: свойства, область применения, характеристики, виды. URL: https://steklohit.by
9. Процесс производства оптоволоконного кабеля: подробный обзор. URL: https://owirecable.com
10. Заготовки и преформы из кварца для вытяжки оптических волокон. URL: https://www.lls-inc.ru/
11. Как правильно выбрать вакуумный насос. URL: https://www.millab.ru/
12. Общие требования безопасности при обслуживании вакуумной техники. URL: https://ecospas.ru/
13. Правила работы с вакуумной лабораторной техникой. URL: https://ulabrus.ru/
14. Кинематический и силовой расчёт привода (общая методика расчёта). URL: https://youtube.com/