真空系統設計（真空閥門密封結構與密封力計算）續
2.1.4.3閥板密封壓緊裝置 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。 A閥板壓緊裝置應達到的要求 (1)在壓緊密封墊時...
2.1.4.3閥板密封壓緊裝置
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。
A閥板壓緊裝置應達到的要求
(1)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。
(2)壓緊位置要有重合性,即每次關閉都壓在同一位置上,只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,膠墊要求稍差
(3)要均衡壓緊密封墊,因為不均衡壓緊密封墊可能造成封閉不嚴密。
(4)壓緊后必須能自鎖,否則需有動力來維持壓緊狀態。
(5)壓緊程度必須能可調,因為密封墊都有一定制造公差,必須通過調整才能壓緊。
B常用的幾種壓緊方式
a螺旋壓緊
螺旋壓緊方式在真空閥門中應用最廣,它的結構簡單,制造容易,壓緊時增力倍數較大,適于手動、電動兩種閥門。其缺點是開關閥門時間較長,傳動效率較低。
圖2-32螺旋壓緊方式的閥門結構
1—閥座;2—閥板;3—螺桿;4—螺母;5—導向鍵;6—制動圈
圖2-32所示為螺旋壓緊結構的超高真空閥門圖中1是帶刀口的閥座,2是可更換的閥板,它由帶導向槽的螺桿3帶動。螺母4擰在螺桿3上,其軸向由止推軸承限定,只能轉動。當螺母轉動時,螺桿3因導向鍵5的限制,只能作上下移動,或打開閥門或關閉閥門。這種閥門的關鍵性能是閥板的關閉要有重合性。經驗證明,利用閥板凸出的圓周面和閥腔的內圓柱面精加工配合,可以達到閥板粗定位。該種結構還利用制動圈6來解決螺母的退扣問題,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,壓緊后的自鎖條件是
（2-5）式中,為螺旋升角;f為螺桿與螺母材料的摩擦系數。
b斜面壓緊
如圖2-33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。與螺旋壓緊機構類似,若斜面升角小于兩者材料的摩擦角,壓緊后就能實現自鎖。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，顯然,這是不能允許的,所以這種結構要利用傳動連板轉至死點來保證自鎖。
為產生所需要的密封力F,傳動連板給閥板的推力F(見圖2-34)應為:
(2-6)式中,p為斜面間材料的摩擦角;f為膠圈與閥板之間的摩擦系數。
為了消除圖2-33所示的在壓緊密封圈時,閥板與密封圈之間的摩擦力,目前國內外都采用圖2-34所示的壓緊密封原理,此時
(2-7)式中,f為滾輪與導軌之間的摩擦系數;其余符號的意義同前。
圖2-33斜面壓緊結構受力圖(一)圖2-34斜面壓緊結構受力圖(二)
c鏈板壓緊
圖2-35所示為典型的鏈板壓緊結構受力圖。如果不考慮鉸鏈的摩擦力,作用在鏈板上有四個力:密封力F、閥板受到的止推力F2、導軌槽通過滾輪(或滑塊)給出的反力F(F=F)和推桿傳來的推力f。因為鏈板是壓力桿,所以合力在其中心線上。推力F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:
(2-8)式中,a為鏈板中心線與閥板密封面法線的夾角;f為滾輪與導軌槽的摩擦系數。
鏈板壓緊結構的自鎖條件同式(2-5),為入arctanf。
對于真空中的干摩擦,鋼與鋼之間的滑動摩擦系數為0.15,滾動摩擦系數為0.05,代入式(2-5)可得:對于滑塊摩擦,a8°30’,
d彈簧壓緊
如圖2-20所示的電磁閥結構,其閥板8由彈簧7壓緊密封。當電磁線圈4通電時,銜鐵6被吸上,閥板被提起打開閥門。
e彈性墊圈自身壓緊
如圖2-36所示,閥塞被碗形密封圈箍緊密封,就像往復運動的動密封一樣,但閥塞進出密封圈,需要閥塞的兩頭有光滑的倒角,以免擦傷密封圈。
圖2-36手動三通真空閥門
f動力壓緊
動力壓緊方式有氣壓、液壓和電磁力驅動壓緊。凡是密封力大的閥門都用液壓壓緊。圖2-37所示的閥門是靠薄壁鋼筒在油壓作用下產生彈性變形,與閥體內筒的光滑表面緊密貼合來密封的。當撤去油壓時,薄壁鋼筒恢復原形,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2-38所示,當閥板推至閥口后,往波紋管中通以高壓空氣(2.0~3.5MPa)對閥板進行壓緊密封。
圖2-37油壓壓緊的真空閥門圖2-38高壓氣動壓緊的真空閥門
1—旋鈕;2一密封;3—軟管;4—薄壁鋼筒;5—閥塞;6—空心拉桿
由于電磁力較小(大磁力線包可能很大),銜鐵行程有限,因此電磁力壓緊多用于小口徑閥門。
C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;又因為密封圈和其他傳動件的加工制造誤差不可避免,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2-19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均對膠墊的壓力;利用壓桿頭(兼作導向桿8)與閥板螺紋連接來達到壓緊程度可調;利用初壓后活塞達不到氣缸底來實現當大氣壓壓到閥板時,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。對于口徑較小的閥門,由于絕對誤差量較小,在裝配中容易調好,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采用完全自動均壓的措施,如圖2-39所示的結構,采用球面壓頭就能完全自動均壓。
2.1.4.4真空閥門的密封動力
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。
圖2-39閥板的自動均壓壓頭
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備上所用的閥門;
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、電動或液壓驅動的閥門。一般情況下,磁動閥門的口徑較小,動作較快,電磁電源較方便;而氣動閥門突出的特點是動作快;兩者都適合于用作保護性的閥門。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。實際上,不管采用哪種動力,都必須保證閥門工作的可靠。
A電磁動力
磁動是電磁線圈通電,使其鐵芯磁化,吸引附近的鐵磁物質-銜鐵動作而帶動閥板運動。
由于電磁線圈不宜做得過大,銜鐵行程有限,所以采用電磁動力閥門的口徑都不大。電磁動力閥門多用來作低真空管道截止閥、壓差截止放氣閥和放氣閥。由于電磁力是單方向的吸引力,因此需要用彈簧來復位。絕大多數電磁動力閥門是靠磁力將彈簧壓緊閥板密封墊而開閥的,這種設計考慮了真空系統的安全性。當遇到突然停電時,閥門會處于關閉狀態。
電磁鐵按激磁線圈供電種類分為直流和交流兩種。直流電磁鐵通電時磁通穩定,鐵芯中沒有渦流和磁滯損耗。鐵芯材料可用整塊的鋼或工業純鐵制造,通常制成圓桶形,外面繞以螺管線圈,圓柱形銜鐵可在圓桶中被吸動。直流電磁鐵產生的吸力大,且吸力平穩無噪聲,超載也不會燒毀線圈,但銜鐵行程小。交流電磁鐵通電時磁通隨時間交替變動,磁損耗較大,吸力不平穩,產生噪聲,過載時還可能燒毀線圈,但銜鐵行程較大,無需整流裝置。
B氣動
氣動真空閥門的一般特點是:結構簡單,開關迅速,不需要特殊材料制造,氣路系統比較簡單,廢氣可以在空氣中放掉,尤其在大型真空設備需要遠距離控制或真空系統較復雜、使用真空閥門多的情況下,更適宜采用氣動閥門。
采用氣動閥門的缺點是:需要有壓縮空氣的氣源;小型真空設備和簡單的真空系統不便于使用氣動閥門。一般情況下,氣動壓力不超過0.7MPa,因此需要大壓力的閥門不用氣動驅動。氣動閥門的另缺點是當閥門過載時會產生蠕動現象,使閥門的傳動不平穩。
