真空系统设计（真空阀门密封结构与密封力计算）续

2.1.4.3阀板密封压紧装置
精确地计算阀板的密封力是真空阀门设计的首要问题,而正确地设计阀板压紧装置则是达到密封力的基本保证。
A阀板压紧装置应达到的要求
(1)在压紧密封垫时,阀板不产生横向运动,因为横向运动会搓伤密封垫。
(2)压紧位置要有重合性,即每次关闭都压在同一位置上,只有这样才能保证阀门关闭性能稳定。金属垫阀门对此要求严格,胶垫要求稍差
(3)要均衡压紧密封垫,因为不均衡压紧密封垫可能造成封闭不严密。
(4)压紧后必须能自锁,否则需有动力来维持压紧状态。
(5)压紧程度必须能可调,因为密封垫都有一定制造公差,必须通过调整才能压紧。
B常用的几种压紧方式
a螺旋压紧
螺旋压紧方式在真空阀门中应用最广,它的结构简单,制造容易,压紧时增力倍数较大,适于手动、电动两种阀门。其缺点是开关阀门时间较长,传动效率较低。
图2-32螺旋压紧方式的阀门结构
1—阀座;2—阀板;3—螺杆;4—螺母;5—导向键;6—制动圈
图2-32所示为螺旋压紧结构的超高真空阀门图中1是带刀口的阀座,2是可更换的阀板,它由带导向槽的螺杆3带动。螺母4拧在螺杆3上,其轴向由止推轴承限定,只能转动。当螺母转动时,螺杆3因导向键5的限制,只能作上下移动,或打开阀门或关闭阀门。这种阀门的关键性能是阀板的关闭要有重合性。经验证明,利用阀板凸出的圆周面和阀腔的内圆柱面精加工配合,可以达到阀板粗定位。该种结构还利用制动圈6来解决螺母的退扣问题,效果很好。
螺旋压紧的螺母阻力矩的计算可参照机械设计中有关的计算,压紧后的自锁条件是

（2-5）式中,为螺旋升角;f为螺杆与螺母材料的摩擦系数。
b斜面压紧
如图2-33所示,阀板上的斜面沿着垫块上的斜面向左滑动,阀板与垫块被撑开而将胶圈压紧密封。与螺旋压紧机构类似,若斜面升角小于两者材料的摩擦角,压紧后就能实现自锁。然而对于普通钢材,摩擦角为5°43′,若要保证自锁,需斜面升角入5°43′。假设胶圈压下量为1.5mm,则在极限情况下,上述阀板需相对于斜块向左移动15mm，显然,这是不能允许的,所以这种结构要利用传动连板转至死点来保证自锁。
为产生所需要的密封力F,传动连板给阀板的推力F(见图2-34)应为:

(2-6)式中,p为斜面间材料的摩擦角;f为胶圈与阀板之间的摩擦系数。
为了消除图2-33所示的在压紧密封圈时,阀板与密封圈之间的摩擦力,目前国内外都采用图2-34所示的压紧密封原理,此时

(2-7)式中,f为滚轮与导轨之间的摩擦系数;其余符号的意义同前。
图2-33斜面压紧结构受力图(一)图2-34斜面压紧结构受力图(二)
c链板压紧
图2-35所示为典型的链板压紧结构受力图。如果不考虑铰链的摩擦力,作用在链板上有四个力:密封力F、阀板受到的止推力F2、导轨槽通过滚轮(或滑块)给出的反力F(F=F)和推杆传来的推力f。因为链板是压力杆,所以合力在其中心线上。推力F还需克服滚轮与导轨槽的摩擦力(fFf=fFs),根据力的平衡条件可得:

(2-8)式中,a为链板中心线与阀板密封面法线的夹角;f为滚轮与导轨槽的摩擦系数。
链板压紧结构的自锁条件同式(2-5),为入arctanf。
对于真空中的干摩擦,钢与钢之间的滑动摩擦系数为0.15,滚动摩擦系数为0.05,代入式(2-5)可得:对于滑块摩擦,a8°30’,
d弹簧压紧
如图2-20所示的电磁阀结构,其阀板8由弹簧7压紧密封。当电磁线圈4通电时,衔铁6被吸上,阀板被提起打开阀门。
e弹性垫圈自身压紧
如图2-36所示,阀塞被碗形密封圈箍紧密封,就像往复运动的动密封一样,但阀塞进出密封圈,需要阀塞的两头有光滑的倒角,以免擦伤密封圈。
图2-36手动三通真空阀门
f动力压紧
动力压紧方式有气压、液压和电磁力驱动压紧。凡是密封力大的阀门都用液压压紧。图2-37所示的阀门是靠薄壁钢筒在油压作用下产生弹性变形,与阀体内筒的光滑表面紧密贴合来密封的。当撤去油压时,薄壁钢筒恢复原形,阀塞就可以拉上去打开阀门。
为了解决金属垫密封阀门所需的大压紧力,国外采用了高压气动压紧。如图2-38所示,当阀板推至阀口后,往波纹管中通以高压空气(2.0~3.5MPa)对阀板进行压紧密封。
图2-37油压压紧的真空阀门图2-38高压气动压紧的真空阀门
1—旋钮;2一密封;3—软管;4—薄壁钢筒;5—阀塞;6—空心拉杆
由于电磁力较小(大磁力线包可能很大),衔铁行程有限,因此电磁力压紧多用于小口径阀门。
C压紧装置中的均压、续压和调压措施
为了保证阀门的密封性能,要求阀板压紧密封圈时能自动均压;当大气压压到阀板上时能允许进一步压紧;又因为密封圈和其他传动件的加工制造误差不可避免,所以阀板压紧程度必须可调,这就是压紧装置的均压、续压和调压问题。在图2-19所示的真空阀门中,通过锥面阀座和与之配合的锥面阀板及铰销压紧来自动调均对胶垫的压力;利用压杆头(兼作导向杆8)与阀板螺纹连接来达到压紧程度可调;利用初压后活塞达不到气缸底来实现当大气压压到阀板时,阀板继续压紧密封圈。
上述的均压措施在铰销轴方向不能自动均压,需要在装配中人工调好。对于口径较小的阀门,由于绝对误差量较小,在装配中容易调好,但对于口径较大的阀门,就困难得多。因此对于大口径阀门应采用完全自动均压的措施,如图2-39所示的结构,采用球面压头就能完全自动均压。
2.1.4.4真空阀门的密封动力
真空阀门的传动动力主要有手动、磁动、气动、电动和液动。选择阀门动力主要考虑:(1)操作方便;(2)工作可靠。
图2-39阀板的自动均压压头
例如手动适合于小型的,自动化程度要求不高的和试验用的设备上所用的阀门;
而大型工业生产用的自动化程度高的设备上的阀门,则必须用磁动、气动、电动或液压驱动的阀门。一般情况下,磁动阀门的口径较小,动作较快,电磁电源较方便;而气动阀门突出的特点是动作快;两者都适合于用作保护性的阀门。电动(即电动机传动的)和液压的阀门,都是需要大动力的阀门,尤其是液压传动的阀门。实际上,不管采用哪种动力,都必须保证阀门工作的可靠。
A电磁动力
磁动是电磁线圈通电,使其铁芯磁化,吸引附近的铁磁物质-衔铁动作而带动阀板运动。
由于电磁线圈不宜做得过大,衔铁行程有限,所以采用电磁动力阀门的口径都不大。电磁动力阀门多用来作低真空管道截止阀、压差截止放气阀和放气阀。由于电磁力是单方向的吸引力,因此需要用弹簧来复位。绝大多数电磁动力阀门是靠磁力将弹簧压紧阀板密封垫而开阀的,这种设计考虑了真空系统的安全性。当遇到突然停电时,阀门会处于关闭状态。
电磁铁按激磁线圈供电种类分为直流和交流两种。直流电磁铁通电时磁通稳定,铁芯中没有涡流和磁滞损耗。铁芯材料可用整块的钢或工业纯铁制造,通常制成圆桶形,外面绕以螺管线圈,圆柱形衔铁可在圆桶中被吸动。直流电磁铁产生的吸力大,且吸力平稳无噪声,超载也不会烧毁线圈,但衔铁行程小。交流电磁铁通电时磁通随时间交替变动,磁损耗较大,吸力不平稳,产生噪声,过载时还可能烧毁线圈,但衔铁行程较大,无需整流装置。
B气动
气动真空阀门的一般特点是:结构简单,开关迅速,不需要特殊材料制造,气路系统比较简单,废气可以在空气中放掉,尤其在大型真空设备需要远距离控制或真空系统较复杂、使用真空阀门多的情况下,更适宜采用气动阀门。
采用气动阀门的缺点是:需要有压缩空气的气源;小型真空设备和简单的真空系统不便于使用气动阀门。一般情况下,气动压力不超过0.7MPa,因此需要大压力的阀门不用气动驱动。气动阀门的另缺点是当阀门过载时会产生蠕动现象,使阀门的传动不平稳。