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真空閥門

真空閥門是真空系統(tǒng)的重要元件。對于構(gòu)成管路一部分的閥門，其流導(dǎo)大小是一個重要的性能參數(shù)。對于主要用來起開關(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，則是一項重要的性能參數(shù)。對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?是其主要的性能指標(biāo)。

（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，超高真空閥門應(yīng)能耐烘烤（400～450℃）；
④閥門結(jié)構(gòu)要簡單，開關(guān)輕便省力，有標(biāo)志，傳動機構(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)和密封力計算

①膠墊密封結(jié)構(gòu)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面不平來實現(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)計成可拆卸的，這就在結(jié)構(gòu)上增加了一道真空密封?，F(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)時應(yīng)注意以下幾點：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zui大的壓縮變形．c．結(jié)構(gòu)力求簡單；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，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壓縮比通常取為15％～25％。

膠墊密封悶板的密封力計算，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。

有些閥門只需要單向使用，例如擴散泵入口閥門，閥板只需要封住擴散泵中的真空狀態(tài)。這種閥的設(shè)計，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)閉時只需要初始壓緊力就可以。我國1968年真空閥門聯(lián)合設(shè)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(yīng)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(yīng)用下式計算：

Fs=σBL+7.85×10-5D2PdＮ （3）

式中Pd是大氣壓強，Pa；其余符號同前。

②金屬墊密封結(jié)構(gòu)及密封力計算

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)閉時刀口的壓痕必須重合。為此除了閥板的傳動上應(yīng)有的導(dǎo)向機構(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。

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(shù)據(jù)，從表中實驗數(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驗數(shù)據(jù)

注：本直角形如圖19（b）所示，夾角型如圖19（c）所示，漏率測量，因受儀器靈敏度的限制，測得數(shù)值是上限，而不是實際的具體數(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)計成可微調(diào)的。一旦原有壓痕失去了應(yīng)有的密封性能時，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算通常是基于實驗數(shù)據(jù)。設(shè)計者針對所設(shè)計的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬試驗，確定出密封比壓力，然后按照具體的密封尺寸進(jìn)行計算。根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)資料，設(shè)計者可參考表3。

根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，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-密封面積，mm2；fsa-單位面積的密封力，N／mm2。

（3）閥板壓緊裝置

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

①閥板壓緊裝置應(yīng)達(dá)到的要求

a．在壓緊密封墊時，閥板不產(chǎn)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(guān)閉都壓在同一位置上。只有這樣才能保證閥門關(guān)閉性能穩(wěn)定。金屬墊閥門對此要求嚴(yán)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(yán)密；
d．壓緊后必須能自鎖，否則要有動力來維持壓緊狀態(tài)；
e．壓緊程度必須可調(diào)，因為密封墊都有一定制造公差，必須通過調(diào)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(yīng)用zui廣，它的結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，壓緊時增力倍數(shù)較大，適于手動、電動兩種閥門；其缺點是開關(guān)閥門時間較長、傳動效率較低。

現(xiàn)以圖21超高真空閥門的具體結(jié)構(gòu)來說明螺旋壓緊。圖中1是帶刀口的閥座，2是可更換的閥板，它由帶導(dǎo)向槽的螺桿3帶動。螺母4擰在螺桿3上，其軸向由止推軸承限定，只能轉(zhuǎn)動。當(dāng)螺母轉(zhuǎn)動時，螺桿3因?qū)蜴I5的限制，只能作上下移動，從而帶動閥板上下移動，或打開閥門或關(guān)閉閥門。這種閥的關(guān)鍵是閥板關(guān)閉要有重合性。經(jīng)驗證明，利用閥板凸出的圓周面和閥腔的內(nèi)圓柱面精加工配合，可以達(dá)到閥板粗定位。該種結(jié)構(gòu)還利用制動圈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(shè)計中有關(guān)的計算。壓緊后的自鎖條件是

λ=arctanf（5）

式中 λ——螺旋升角；f——螺桿與螺母材料的摩擦系數(shù)

b．斜面壓緊

如圖6所示，閥板上的斜面沿著墊塊上的斜面向左滑動、閥板與墊塊被撐開而將膠圈壓緊密封。和螺旋壓緊類似，若斜面升角小于兩者材料的摩擦角，壓緊后就能實現(xiàn)自鎖。然而對于普通鋼材，摩擦角為5°43’，若要保證自鎖，需斜面升角入＜5°43'。假設(shè)膠圈壓下量為1.5mm，則在極限情況下，上述閥板需相對于斜塊向左移動15mm才行。即閥板接觸到膠圈后，還要相對于膠圈橫向移動15mm，顯然這是不能允許的。所以這種結(jié)構(gòu)要利用傳動連板5轉(zhuǎn)至死點來保證自鎖。

為產(chǎn)生所需密封力Fs，見圖22，傳動連板給閥板的推力Ft，應(yīng)為

Ft=Fs.tan（λ+ρ） +fFs（6）

式中ρ——斜面間材料的摩擦角；f——膠圈與閥板的摩擦系數(shù)

為了消除圖22所示的在壓緊密封圈時，閥板與密封圈間的摩擦力，目前國內(nèi)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(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)；其余符號的意義同上。

c．鏈板壓緊

鏈板壓緊機構(gòu)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(dǎo)軌槽通過滾輪（或滑塊）給出的反力Ff（Ff=Fs）和推桿傳來的推力F`t。因為鏈板是壓力桿，所以合力在其中心線上。推力Ft還需克服滾輪與導(dǎo)軌槽的摩擦力fFf=fFs，根據(jù)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面法線的夾角；f——滾輪與導(dǎo)軌槽的摩擦系數(shù)

壓緊裝置的自鎖條件是

λ＜tan^-1f （9）

對于真空中的干摩擦，鋼與鋼之間的滑動摩擦系數(shù)為0.15，滾動摩擦系數(shù)為0.05，代入上式可得：對于滑塊摩擦，a＜8°30’，鏈板自鎖；對于滾輪摩擦，a＜2°50’，鏈板自鎖。

d．彈簧壓緊

如圖12所示。閥板6由彈簧5壓緊密封。當(dāng)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

如圖25所示，閥塞被碗形密封圈箍緊密封。這就象往復(fù)運動的動密封一樣，不過由于閥塞進(jìn)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。如圖26所示的閥門是靠薄壁銅筒在油壓作用下產(chǎn)生彈性變形，與閥體內(nèi)筒的光滑表面緊密貼合來密封的。當(dāng)撤去油壓時，薄壁銅筒恢復(fù)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。如圖27所示，當(dāng)閥板推至閥口后，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。

由于電磁力較?。ù蟠帕€包可能很大），銜鐵行程有限，因此電磁力壓緊多用于小口徑閥門。

③壓緊裝置中的均壓、續(xù)壓和調(diào)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(dāng)大氣壓壓到閥板上時能允許進(jìn)一步壓緊；又因為密封圈和其它傳動件的加工制造差不可避免，所以閥板壓緊程度必須可調(diào)。這就是壓緊裝置的均壓、續(xù)壓和調(diào)壓問題。在圖11所示的真空閥門中，通過錐面閥座和與之配合的錐面閥板及鉸銷壓緊來自動調(diào)均對膠墊的壓力；利用壓桿頭（兼作導(dǎo)向桿8）與閥板螺紋聯(lián)接來達(dá)到壓緊程度可調(diào)；利用初壓后活塞達(dá)不到氣缸底來實現(xiàn)大氣壓壓到閥板時，閥板繼續(xù)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(diào)好。對于口徑較小的閥門，由于誤差量較小，在裝配中容易調(diào)好，但對于口徑較大的閥門，就困難得多。因此對于大口徑閥門應(yīng)采用*自動均壓的措施。例如圖28所示的結(jié)構(gòu)，采用球而壓頭就能*自動均壓。

（4）閥板的傳動機構(gòu)

閥板的傳動機構(gòu)有兩個職能：一是使閥板壓緊密封圈，保證閥門的密封性能；二是使閥板開啟后，閥門有較大的流導(dǎo)。承擔(dān)*個職能的機構(gòu)零件，由于受力較大、有強度、剛度和穩(wěn)定性問題，設(shè)計中需要考慮。這些機件是傳動機構(gòu)中的主要構(gòu)件，承擔(dān)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(gòu)就是其傳動機構(gòu)，例如圖7、圖8、圖12、圖14等。這類傳動機構(gòu)，只要知道了閥板壓緊機構(gòu)的壓緊力，就可以按照普通機械傳動進(jìn)行設(shè)計了。

對于真空翻板閥，如圖9、圖lO、圖11的閥門，閥門開啟時閥板翻轉(zhuǎn)一個角度，對閥板運動的特殊要求是：①閥板壓緊或松開密封墊圈時，需要直起直落；②開啟閥板時，需要翻轉(zhuǎn)較大的角度，達(dá)到90°；③在閥板翻轉(zhuǎn)過程中，閥板不能與閥座相碰。目前國內(nèi)主要采用三種翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，即擋桿擋翻（見圖10）、四連桿機構(gòu)（見圖9）和蚌線機構(gòu)（見圖11）。

（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。例如手動適合于小型的，自動化程度要求不高的和試驗用的設(shè)備上應(yīng)用的閥門；而大型工業(yè)生產(chǎn)用的自動化程度高的設(shè)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；兩者都適合于作保護性的閥門。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(guān)的限位和指示

為了使閥門開關(guān)準(zhǔn)確可靠和操作方便，閥門的開啟和關(guān)閉需要有限位和指示。特別是金屬墊密封的閥門更須嚴(yán)格控制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(xiàn)象愈輕，閥門使用壽命愈長。對于機動閥門，限位有保護設(shè)備免遭機械損傷的重要作用。

圖29是電動真空閥門中所用的開關(guān)限位和指示裝置。螺桿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只能沿著刻度尺滑動，當(dāng)螺桿5隨閥板傳動軸轉(zhuǎn)動時，它們即是指針又是限位開關(guān)的動觸點。l是行程開關(guān)；4是刻度尺。當(dāng)然這只是限位和指示裝置中的一種。

（7）打開閥板的先導(dǎo)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(fù)荷而受損害，這就要用到先導(dǎo)裝置。先導(dǎo)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。如圖30所示，在閥板上裝設(shè)個小閥門，讓傳動桿6先打開小閥的密封板3，使閥板上下壓差消失后再打開閥板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(dǎo)作用，故稱該小閥為先導(dǎo)裝置或先導(dǎo)閥。