真空閥門設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)及結(jié)構(gòu)計(jì)算方法

2013-03-24

　　真空閥門是真空系統(tǒng)的重要元件。對(duì)于構(gòu)成管路一部分的閥門，其流導(dǎo)大小是一個(gè)重要的性能參數(shù)。對(duì)于主要用來起開關(guān)氣路作用的閥門，閥板關(guān)閉的密封性能也是重要的性能參數(shù)之一。密封性能是用其漏氣率來衡量的。對(duì)于主要用來調(diào)節(jié)氣流大小的閥門，能夠調(diào)節(jié)氣流量的精度及范圍，則是一項(xiàng)重要的性能參數(shù)。對(duì)于全金屬超高真空閥門，每次關(guān)閉是否性能穩(wěn)定?使用壽命是否長(zhǎng)?是其主要的性能指標(biāo)。

(1)對(duì)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閥板開啟后應(yīng)盡可能有較大的流導(dǎo);

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

　　④閥門結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，開關(guān)輕便省力，有標(biāo)志，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在高壓側(cè);

　　⑤真空閥門的型式、基本參數(shù)、連接尺寸和技術(shù)條件應(yīng)按國(guó)家專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

　　(2)閥板的密封結(jié)構(gòu)和密封力計(jì)算

　　①膠墊密封結(jié)構(gòu)及密封力的計(jì)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面不平來實(shí)現(xiàn)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種用于較大口徑的閥門，后2種用于較小口徑的閥門。a種是早期采用的結(jié)構(gòu)，為了便于加工閥座上的密封槽，必須把閥座與閥殼設(shè)計(jì)成可拆卸的，這就在結(jié)構(gòu)上增加了一道真空密封。現(xiàn)在絕大多數(shù)閥門都采用閥板上帶密封圈的結(jié)構(gòu)，如圖中(b)、(c)、d)所示。

　　選擇真空閥門的密封結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：a.盡可能減少閥板下高真空側(cè)的放氣因素，例如選用放氣率小的密封墊材料等.b.關(guān)閥后密封圈截面上有最大的壓縮變形.c.結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)單;d.制造方便;e.密封元件便于拆卸和修理。

　　閥門關(guān)閉的密封性能好壞決定于密封墊填塞閥座表面不平的程度。影響這種填塞程度的因素有二方面：a.密封墊材料的硬度和壓緊程度;b.閥座表面的粗糙度。通常閥座表面的粗度都高于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(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)橡膠的硬度在邵氏硬度50以上，而表面沒有任何擦傷時(shí)，橡膠墊的高度壓縮比在15%以上就能達(dá)到漏氣率小于1.33×10-7Pa·L/s·cFn。的密封性能。如果考慮到制造精度上允許的偏差·把壓縮比適當(dāng)提高一些是必要的。因此建議真空閥門密封墊的相對(duì)壓縮比通常取為15%～25%。

　　膠墊密封悶板的密封力計(jì)算，多數(shù)可按0形環(huán)在矩形槽中受壓縮的密封力進(jìn)行近似地計(jì)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(zhǎng)，cm;σx-相對(duì)比壓力;E-密封圈材料的相氏模量，N/cm2;Bx-密封圈的相對(duì)寬度，d-密封圈的線徑，cm;D-密封槽的中徑，cm。

　　有些閥門只需要單向使用，例如擴(kuò)散泵入口閥門，閥板只需要封住擴(kuò)散泵中的真空狀態(tài)。這種閥的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)上允許閥板在壓力差作用下繼續(xù)被壓緊。因此，閥板關(guān)閉時(shí)只需要初始?jí)壕o力就可以。我國(guó)1968年真空閥門聯(lián)合設(shè)計(jì)中提出，在上述情況下，密封的初始比壓力可以取為20N/cm。。實(shí)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(duì)應(yīng)的膠墊密封寬度，cm;L-膠墊的長(zhǎng)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(shí)還得封住閥板下方的大氣壓。這種閥門的閥板密封力應(yīng)用下式計(jì)算：

　　Fs=σBL+7.85×10-5D2PdN (3)

　　式中Pd是大氣壓強(qiáng)，Pa;其余符號(hào)同前。

　　②金屬墊密封結(jié)構(gòu)及密封力計(jì)算

　　圖19給出金屬墊密封的幾種結(jié)構(gòu)。其中圖(a)即是針閥的結(jié)構(gòu)。圖(b)、(c)、(d)和(e)都是用于超高真空系統(tǒng)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、鎳和鉛等制成，銅、鋁、鎳要預(yù)先經(jīng)過退火處理。閥座用硬金屬不銹鋼等制成刀口形。圖(f)、(g)和(h)是用低熔點(diǎn)的軟金屬及其合金作為密封材料，而閥座也是用硬金屬不銹鋼等制成。它們都是依靠軟金屬受壓產(chǎn)生塑性變形與閥座密合達(dá)到密封的。為保證密封，每次閥板關(guān)閉時(shí)刀口的壓痕必須重合。為此除了閥板的傳動(dòng)上應(yīng)有精確的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)外，刀口尖還應(yīng)倒圓。如圖20所示，倒圓半徑一般有兩種：R0.1mm和R0.2mm，多數(shù)取為R0.1。圖(g)沒有刀口壓痕問題，密封墊的壽命較長(zhǎng)。

　　刀口形狀對(duì)閥門性能也有一定影響。表2給出了一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，直角形刀口比夾角形刀口所需螺旋壓緊轉(zhuǎn)矩大些。

　　表2 直角型和夾角型刀口的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　注：本直角形如圖19(b)所示，夾角型如圖19(c)所示，漏率測(cè)量，因受儀器靈敏度的限制，測(cè)得數(shù)值是上限，而不是實(shí)際的具體數(shù)值

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

　　目前有關(guān)金屬墊密封閥門的密封力計(jì)算通常是基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)者針對(duì)所設(shè)計(jì)的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，確定出密封比壓力，然后按照具體的密封尺寸進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料，設(shè)計(jì)者可參考表3。