真空閥門設計時的注意事項及結構計算方法

真空閥門是真空係統的重要元件。對於構成管路一部分的閥門，其流導大小是一個重要的性能參數。對於主要用來起開關氣路作用的閥門，閥板關閉的密封性能也是重要的性能參數之一。密封性能是用其漏氣率來衡量的。對於主要用來調節氣流大小的閥門，能夠調節氣流量的精度及範圍，則是一項重要的性能參數。對於全金屬超高真空閥門，每次關閉是否性能穩定?使用壽命是否長?是其主要的性能指標。

(1)對真空閥門的一般要求

①閥門的密封性能要好，閥板密封處的漏氣率要小;

②閥板開啟後應盡可能有較大的流導;

③閥門內所用材料應有較低的飽和蒸氣壓，高抗腐蝕性能和高化學穩定性、耐磨損、壽命長，超高真空閥門應能耐烘烤(400～450℃);

④閥門結構要簡單，開關輕便省力，有標誌，傳動機構在高壓側;

⑤真空閥門的型式、基本參數、連接尺寸和技術條件應按國家專業標準執行。

(2)閥板的密封結構和密封力計算

①膠墊密封結構及密封力的計算

橡膠墊圈密封是利用閥板與閥座間壓緊橡膠墊圈，依靠橡膠彈性變形填塞表麵不平來實現的密封。目前真空閥門的膠墊密封歸納起來有6種，如圖18所示。前4種用於較大口徑的閥門，後2種用於較小口徑的閥門。a種是早期采用的結構，為了便於加工閥座上的密封槽，必須把閥座與閥殼設計成可拆卸的，這就在結構上增加了一道真空密封。現在絕大多數閥門都采用閥板上帶密封圈的結構。

選擇真空閥門的密封結構時應注意以下幾點：a.盡可能減少閥板下高真空側的放氣因素，例如選用放氣率小的密封墊材料等.b.關閥後密封圈截麵上有大的壓縮變形.c.結構力求簡單;d.製造方便;e.密封元件便於拆卸和修理。

閥門關閉的密封性能好壞決定於密封墊填塞閥座表麵不平的程度。影響這種填塞程度的因素有二方麵：a.密封墊材料的硬度和壓緊程度;b.閥座表麵的粗糙度。通常閥座表麵的粗度都高於3.2/Δ，密封墊的硬度都在邵氏硬度55～75之間。密封墊的壓緊程度，根據試驗結果，當橡膠的硬度在邵氏硬度50以上，而表麵沒有任何擦傷時，橡膠墊的高度壓縮比在15%以上就能達到漏氣率小於1.33×10-7Pa·L/s·cFn。的密封性能。如果考慮到製造精度上允許的偏差·把壓縮比適當提高一些是必要的。因此建議真空閥門密封墊的相對壓縮比通常取為15%～25%。

膠墊密封悶板的密封力計算，多數可按0形環在矩形槽中受壓縮的密封力進行近似地計算

Fs=σBL =σxEBxπdDN (1)

式中σ-密封比壓力，N/cm2;B-密封寬度，即密封圈與閥座的接觸寬度，cm;L-密封圈平均周長，cm;σx-相對比壓力;E-密封圈材料的相氏模量，N/cm2;Bx-密封圈的相對寬度，d-密封圈的線徑，cm;D-密封槽的中徑，cm。

有些閥門隻需要單向使用，例如擴散泵入口閥門，閥板隻需要封住擴散泵中的真空狀態。這種閥的設計，結構上允許閥板在壓力差作用下繼續被壓緊。因此，閥板關閉時隻需要初始壓緊力就可以。我國1968年真空閥門聯合設計中提出，在上述情況下，密封的初始比壓力可以取為20N/cm。。實踐證明，這種做法是可行的。故這種閥門的初始密封力為

Fs=20BLN (2)

式中B-與密封比壓力為20N/cm2相對應的膠墊密封寬度，cm;L-膠墊的長度，cm。

有些閥門需要雙向使用，既不但需要封住閥板上方的大氣壓，有時還得封住閥板下方的大氣壓。這種閥門的閥板密封力應用下式計算：

Fs=σBL+7.85×10-5D2PdN (3)

式中Pd是大氣壓強，Pa;其餘符號同前。

②金屬墊密封結構及密封力計算

給出金屬墊密封的幾種結構。其中有針閥的結構，還有都是用於超高真空係統中的金屬墊密封閥門。

一般來說，閥板用軟金屬紫銅、無氧銅、鋁、鎳和鉛等製成，銅、鋁、鎳要預先經過退火處理。閥座用硬金屬不鏽鋼等製成刀口形。一種是用低熔點的軟金屬及其合金作為密封材料，而閥座也是用硬金屬不鏽鋼等製成。它們都是依靠軟金屬受壓產生塑性變形與閥座密合達到密封的。為保證密封，每次閥板關閉時刀口的壓痕必須重合。為此除了閥板的傳動上應有精確的導向機構外，刀口尖還應倒圓。倒圓半徑一般有兩種：R0.1mm和R0.2mm，多數取為R0.1。圖(g)沒有刀口壓痕問題，密封墊的壽命較長。

刀口形狀對閥門性能也有一定影響。表2給出了一些實驗數據，從表中實驗數據可知，直角形刀口比夾角形刀口所需螺旋壓緊轉矩大些。

為了提高閥板(或金屬墊)的壽命，閥板的壓下量還可以設計成可微調的。一旦原有壓痕失去了應有的密封性能時，可通過微調，使壓痕再稍深一些。這樣能保證密封性一能，也延長了閥板的使用壽命。

目前有關金屬墊密封閥門的密封力計算通常是基於實驗數據。設計者針對所設計的密封結構進行模擬試驗，確定出密封比壓力，然後按照具體的密封尺寸進行計算。

根據表中的數據，金屬墊密封力可按下式計算：

Fs=Ls.fls=As.fsaN (4)

式中Ls-密封口中心長度，mm;fls-單位長度的密封力，N/mm;As-密封麵積，mm2;fsa-單位麵積的密封力，N/mm2。

(3)閥板壓緊裝置

精確地計算閥板的密封力是真空閥門設計的首要問題，而正確地設計閥板壓緊裝置則是達到密封力的基本保證。

①閥板壓緊裝置應達到的要求

a.在壓緊密封墊時，閥板不產生橫向運動。因為橫向運動會搓傷密封墊;

b.壓緊位置要有重合性，即每次關閉都壓在同一位置上。隻有這樣才能保證閥門關閉性能穩定。金屬墊閥門對此要求嚴格，膠墊的差些;

c.要均衡壓緊密封墊。因為不均衡壓緊密封墊就可能造成封閉不嚴密;

d.壓緊後必須能自鎖，否則要有動力來維持壓緊狀態;

e.壓緊程度必須可調，因為密封墊都有一定製造公差，必須通過調整才能壓緊。

②常用的幾種壓緊方式

a.螺旋壓緊在真空閥門中應用廣，它的結構簡單，製造容易，壓緊時增力倍數較大，適於手動、電動兩種閥門;其缺點是開關閥門時間較長、傳動效率較低。

現以超高真空閥門的具體結構來說明螺旋壓緊。1帶刀口的閥座，2是可更換的閥板，它由帶導向槽的螺杆3帶動。螺母4擰在螺杆3上，其軸向由止推軸承限定，隻能轉動。當螺母轉動時，螺杆3因導向鍵5的限製，隻能作上下移動，從而帶動閥板上下移動，或打開閥門或關閉閥門。這種閥的關鍵是閥板關閉要有重合性。經驗證明，利用閥板凸出的圓周麵和閥腔的內圓柱麵精加工配合，可以達到閥板粗定位。該種結構還利用製動圈6來解決螺母退扣問題，效果很好。

螺旋壓緊的螺母阻力矩的計算可參照機械設計中有關的計算。壓緊後的自鎖條件是　λ=arctanf(5)

式中 λ——螺旋升角;f——螺杆與螺母材料的摩擦係數

b.斜麵壓緊

如圖6所示，閥板上的斜麵沿著墊塊上的斜麵向左滑動、閥板與墊塊被撐開而將膠圈壓緊密封。和螺旋壓緊類似，若斜麵升角小於兩者材料的摩擦角，壓緊後就能實現自鎖。然而對於普通鋼材，摩擦角為5°43’，若要保證自鎖，需斜麵升角入<5°43'。假設膠圈壓下量為1.5mm，則在極限情況下，上述閥板需相對於斜塊向左移動15mm才行。即閥板接觸到膠圈後，還要相對於膠圈橫向移動15mm，顯然這是不能允許的。所以這種結構要利用傳動連板5轉至死點來保證自鎖。

為產生所需密封力Fs，見圖22，傳動連板給閥板的推力Ft，應為

Ft=Fs.tan(λ+ρ) +fFs(6)

式中ρ——斜麵間材料的摩擦角;f——膠圈與閥板的摩擦係數

為了消除壓緊密封圈時，閥板與密封圈間的摩擦力，目前國內外都采用圖23所示的壓緊密封原理。此時

Fs/Ft=1/[tan(λ+ρ) +f1] (7)

式中f1——滾輪與導軌之間的摩擦係數;其餘符號的意義同上。

c.鏈板壓緊

鏈板壓緊機構如圖7所示。圖24是典型的鏈板壓緊力圖。如果不考慮鉸鏈的摩擦力，作用在鏈板上有4個力：密封力Fs、閥板受到的止推力Fz、導軌槽通過滾輪(或滑塊)給出的反力Ff(Ff=Fs)和推杆傳來的推力F`t。因為鏈板是壓力杆，所以合力在其中心線上。推力Ft還需克服滾輪與導軌槽的摩擦力fFf=fFs，根據力的平衡條件可得

Ft=Fs(tanα+f) (8)

式中α——鏈板中心線與閥板密封麵法線的夾角;f——滾輪與導軌槽的摩擦係數

壓緊裝置的自鎖條件是

λ＜tan-1f (9)

對於真空中的幹摩擦，鋼與鋼之間的滑動摩擦係數為0.15，滾動摩擦係數為0.05，代入上式可得：對於滑塊摩擦，a<8°30’，鏈板自鎖;對於滾輪摩擦，a<2°50’，鏈板自鎖。

d.彈簧壓緊

閥板6由彈簧5壓緊密封。當電磁線圈2通電時，銜鐵4被吸上，閥板被提起打開閥門。

e.彈性墊圈自身壓緊

閥塞被碗形密封圈箍緊密封。這就象往複運動的動密封一樣，不過由於閥塞進出密封圈，需要閥塞的兩頭有光滑的倒角，以免擦傷密封圈。

f.動力壓緊

動力壓緊有氣壓的、液壓的和電磁力的壓緊。凡是密封力大的閥門都用液壓壓緊。閥門是靠薄壁銅筒在油壓作用下產生彈性變形，與閥體內筒的光滑表麵緊密貼合來密封的。當撤去油壓時，薄壁銅筒恢複原形，閥塞就可以拉上去打開閥門。

為了解決金屬墊密封閥門所需的大壓緊力，國外采用了高壓氣動壓緊。當閥板推至閥口後，往波紋管中通以高壓空氣(21個大氣壓或35個大氣壓)對閥板壓緊密封。

由於電磁力較小(大磁力線包可能很大)，銜鐵行程有限，因此電磁力壓緊多用於小口徑閥門。

③壓緊裝置中的均壓、續壓和調壓措施

為了保證閥門的密封性能，要求閥板壓緊密封圈時能自動均壓;當大氣壓壓到閥板上時能允許進一步壓緊;又因為密封圈和其它傳動件的加工製造差不可避免，所以閥板壓緊程度必須可調。這就是壓緊裝置的均壓、續壓和調壓問題。在圖11所示的真空閥門中，通過錐麵閥座和與之配合的錐麵閥板及鉸銷壓緊來自動調均對膠墊的壓力;利用壓杆頭(兼作導向杆8)與閥板螺紋聯接來達到壓緊程度可調;利用初壓後活塞達不到氣缸底來實現大氣壓壓到閥板時，閥板繼續壓緊密封圈。

上述的均壓措施在鉸銷軸方向不能自動均壓，需要在裝配中人工調好。對於口徑較小的閥門，由於誤差量較小，在裝配中容易調好，但對於口徑較大的閥門，就困難得多。因此對於大口徑閥門應采用完全自動均壓的措施。例如圖28所示的結構，采用球而壓頭就能完全自動均壓。

(4)閥板的傳動機構

閥板的傳動機構有兩個職能：一是使閥板壓緊密封圈，保證閥門的密封性能;二是使閥板開啟後，閥門有較大的流導。承擔第一個職能的機構零件，由於受力較大、有強度、剛度和穩定性問題，設計中需要考慮。這些機件是傳動機構中的主要構件，承擔第二個職能的機件主要使閥板按所需要的位置開啟，因此受力不大，零件的強度等問題是次要的。

一般的真空閥門，其閥板的壓緊機構就是其傳動機構，例如圖7、圖8、圖12、圖14等。這類傳動機構，隻要知道了閥板壓緊機構的壓緊力，就可以按照普通機械傳動進行設計了。

對於真空翻板閥，閥門開啟時閥板翻轉一個角度，對閥板運動的特殊要求是：①閥板壓緊或鬆開密封墊圈時，需要直起直落;②開啟閥板時，需要翻轉較大的角度，好達到90°;③在閥板翻轉過程中，閥板不能與閥座相碰。目前國內主要采用三種翻轉機構，即擋杆擋翻、四連杆機構和蚌線機構。

(5)真空閥門的動力選擇

真空閥門的傳動動力主要有手動、磁動、氣動、電動和液動。選擇閥門動力主要考慮①操作方便;②工作可靠。例如手動適合於小型的，自動化程度要求不高的和試驗用的設備上應用的閥門;而大型工業生產用的自動化程度高的設備上的閥門，則必須用磁動、氣動、電動或液壓的。一般說來，磁動閥門口徑都較小，動作較快，電磁電源也較方便;而氣動閥門突出的特點是動作快;兩者都適合於作保護性的閥門。電動(即電動機傳動的)和液壓的閥門，都是需要大動力的閥門，尤其是液壓傳動的閥門，動力小了不合適，它不象電動的閥門，常常因為電源方便而被采用。實際上，不管采用哪種動力，都必須保證閥門工作可靠。

(6)閥門開關的限位和指示

為了使閥門開關準確可靠和操作方便，閥門的開啟和關閉需要有限位和指示。特別是金屬墊密封的閥門更須嚴格控製閥座刀口對金屬墊的楔入量，在保證密封性能的前提下，楔入量愈少，墊圈受壓處冷硬現象愈輕，閥門使用壽命愈長。對於機動閥門，限位有保護設備免遭機械損傷的重要作用。

電動真空閥門中所用的開關限位和指示裝置。螺杆5被固定在閥板的傳動軸上，指針8固定在螺母6上，指針8和螺母6隻能沿著刻度尺滑動，當螺杆5隨閥板傳動軸轉動時，它們即是指針又是限位開關的動觸點。l是行程開關;4是刻度尺。當然這隻是限位和指示裝置中的一種。

(7)打開閥板的先導裝置

有的真空閥門在開啟閥板之前，需要先使閥板上下的氣壓平衡，避免壓差過大使傳動裝置超負荷而受損害，這就要用到先導裝置。先導裝置還可用來在閥板上下壓差較大的情況下，用較小的傳動力打開閥板。在閥板上裝設個小閥門，讓傳動杆6先打開小閥的密封板3，使閥板上下壓差消失後再打開閥板8，這就是在壓差較大的情況下順利打開閥門的一個可行措施。小閥起到了先導作用，故稱該小閥為先導裝置或先導閥。