真空閥門(mén)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(mén)，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(lái)起開(kāi)關(guān)氣路作用的閥門(mén)，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(lái)衡量的。對(duì)于主要用來(lái)調(diào)節(jié)氣流大小的閥門(mén)，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(mén)，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(mén)的一般要求
①閥門(mén)的密封性能要好，閥板密封處的漏氣率要小;
②閥板開(kāi)啟后應(yīng)盡可能有較大的流導(dǎo);
③閥門(mén)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(mén)應(yīng)能耐烘烤(400～450℃);
④閥門(mén)結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，開(kāi)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(mén)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(zhuān)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(lái)實(shí)現(xiàn)的密封。目前真空閥門(mén)的膠墊密封歸納起來(lái)有6種，如圖18所示。前4種用于較大口徑的閥門(mén)，后2種用于較小口徑的閥門(mén)。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(mén)都采用閥板上帶密封圈的結(jié)構(gòu)。
選擇真空閥門(mén)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(mén)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(méi)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(mén)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(mén)只需要單向使用，例如擴(kuò)散泵入口閥門(mén)，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(mén)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(mén)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(mén)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(mén)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
給出金屬墊密封的幾種結(jié)構(gòu)。其中有針閥的結(jié)構(gòu)，還有都是用于超高真空系統(tǒng)中的金屬墊密封閥門(mén)。
一般來(lái)說(shuō)，閥板用軟金屬紫銅、無(wú)氧銅、鋁、鎳和鉛等制成，銅、鋁、鎳要預(yù)先經(jīng)過(guò)退火處理。閥座用硬金屬不銹鋼等制成刀口形。一種是用低熔點(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。倒圓半徑一般有兩種：R0.1mm和R0.2mm，多數(shù)取為R0.1。圖(g)沒(méi)有刀口壓痕問(wèn)題，密封墊的壽命較長(zhǎng)。
刀口形狀對(duì)閥門(mén)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。
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(guò)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(mén)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)表中的數(shù)據(jù)，金屬墊密封力可按下式計(jì)算：
Fs=Ls.fls=As.fsaN (4)
式中Ls-密封口中心長(zhǎng)度，mm;fls-單位長(zhǎng)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
精確地計(jì)算閥板的密封力是真空閥門(mén)設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題，而正確地設(shè)計(jì)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(shí)，閥板不產(chǎn)生橫向運(yùn)動(dòng)。因?yàn)闄M向運(yùn)動(dòng)會(huì)搓傷密封墊;
b.壓緊位置要有重合性，即每次關(guān)閉都?jí)涸谕晃恢蒙稀Ｖ挥羞@樣才能保證閥門(mén)關(guān)閉性能穩(wěn)定。金屬墊閥門(mén)對(duì)此要求嚴(yán)格，膠墊的差些;
c.要均衡壓緊密封墊。因?yàn)椴痪鈮壕o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(dòng)力來(lái)維持壓緊狀態(tài);
e.壓緊程度必須可調(diào)，因?yàn)槊芊鈮|都有一定制造公差，必須通過(guò)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(mén)中應(yīng)用最廣，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，壓緊時(shí)增力倍數(shù)較大，適于手動(dòng)、電動(dòng)兩種閥門(mén);其缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)閥門(mén)時(shí)間較長(zhǎng)、傳動(dòng)效率較低。
現(xiàn)以超高真空閥門(mén)的具體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)明螺旋壓緊。1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(dòng)。螺母4擰在螺桿3上，其軸向由止推軸承限定，只能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)螺母轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺桿3因?qū)蜴I5的限制，只能作上下移動(dòng)，從而帶動(dòng)閥板上下移動(dòng)，或打開(kāi)閥門(mén)或關(guān)閉閥門(mén)。這種閥的關(guān)鍵是閥板關(guān)閉要有重合性。經(jīng)驗(yàn)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(dòng)圈6來(lái)解決螺母退扣問(wèn)題，效果很好。
螺旋壓緊的螺母阻力矩的計(jì)算可參照機(jī)械設(shè)計(jì)中有關(guān)的計(jì)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(dòng)、閥板與墊塊被撐開(kāi)而將膠圈壓緊密封。和螺旋壓緊類(lèi)似，若斜面升角小于兩者材料的摩擦角，壓緊后就能實(shí)現(xiàn)自鎖。然而對(duì)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(duì)于斜塊向左移動(dòng)15mm才行。即閥板接觸到膠圈后，還要相對(duì)于膠圈橫向移動(dòng)15mm，顯然這是不能允許的。所以這種結(jié)構(gòu)要利用傳動(dòng)連板5轉(zhuǎn)至死點(diǎn)來(lái)保證自鎖。
為產(chǎn)生所需密封力Fs，見(jiàn)圖22，傳動(dòng)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)
為了消除壓緊密封圈時(shí)，閥板與密封圈間的摩擦力，目前國(guó)內(nèi)外都采用圖23所示的壓緊密封原理。此時(shí)
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(hào)的意義同上。
c.鏈板壓緊
鏈板壓緊機(jī)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(gè)力：密封力Fs、閥板受到的止推力Fz、導(dǎo)軌槽通過(guò)滾輪(或滑塊)給出的反力Ff(Ff=Fs)和推桿傳來(lái)的推力F`t。因?yàn)殒湴迨菈毫U，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(duì)于真空中的干摩擦，鋼與鋼之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.15，滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.05，代入上式可得：對(duì)于滑塊摩擦，a<8°30’，鏈板自鎖;對(duì)于滾輪摩擦，a<2°50’，鏈板自鎖。
d.彈簧壓緊
閥板6由彈簧5壓緊密封。當(dāng)電磁線圈2通電時(shí)，銜鐵4被吸上，閥板被提起打開(kāi)閥門(mén)。
e.彈性墊圈自身壓緊
閥塞被碗形密封圈箍緊密封。這就象往復(fù)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)密封一樣，不過(guò)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(dòng)力壓緊
動(dòng)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(mén)都用液壓壓緊。閥門(mén)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(lái)密封的。當(dāng)撤去油壓時(shí)，薄壁銅筒恢復(fù)原形，閥塞就可以拉上去打開(kāi)閥門(mén)。
為了解決金屬墊密封閥門(mén)所需的大壓緊力，國(guó)外采用了高壓氣動(dòng)壓緊。當(dāng)閥板推至閥口后，往波紋管中通以高壓空氣(21個(gè)大氣壓或35個(gè)大氣壓)對(duì)閥板壓緊密封。
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(mén)。
③壓緊裝置中的均壓、續(xù)壓和調(diào)壓措施
為了保證閥門(mén)的密封性能，要求閥板壓緊密封圈時(shí)能自動(dòng)均壓;當(dāng)大氣壓壓到閥板上時(shí)能允許進(jìn)一步壓緊;又因?yàn)槊芊馊推渌鼈鲃?dòng)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?jiǎn)栴}。在圖11所示的真空閥門(mén)中，通過(guò)錐面閥座和與之配合的錐面閥板及鉸銷(xiāo)壓緊來(lái)自動(dòng)調(diào)均對(duì)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(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)大氣壓壓到閥板時(shí)，閥板繼續(xù)壓緊密封圈。
上述的均壓措施在鉸銷(xiāo)軸方向不能自動(dòng)均壓，需要在裝配中人工調(diào)好。對(duì)于口徑較小的閥門(mén)，由于絕對(duì)誤差量較小，在裝配中容易調(diào)好，但對(duì)于口徑較大的閥門(mén)，就困難得多。因此對(duì)于大口徑閥門(mén)應(yīng)采用完全自動(dòng)均壓的措施。例如圖28所示的結(jié)構(gòu)，采用球而壓頭就能完全自動(dòng)均壓。
(4)閥板的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
閥板的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有兩個(gè)職能：一是使閥板壓緊密封圈，保證閥門(mén)的密封性能;二是使閥板開(kāi)啟后，閥門(mén)有較大的流導(dǎo)。承擔(dān)第一個(gè)職能的機(jī)構(gòu)零件，由于受力較大、有強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問(wèn)題，設(shè)計(jì)中需要考慮。這些機(jī)件是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的主要構(gòu)件，承擔(dān)第二個(gè)職能的機(jī)件主要使閥板按所需要的位置開(kāi)啟，因此受力不大，零件的強(qiáng)度等問(wèn)題是次要的。
一般的真空閥門(mén)，其閥板的壓緊機(jī)構(gòu)就是其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，例如圖7、圖8、圖12、圖14等。這類(lèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，只要知道了閥板壓緊機(jī)構(gòu)的壓緊力，就可以按照普通機(jī)械傳動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)了。
對(duì)于真空翻板閥，閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)閥板翻轉(zhuǎn)一個(gè)角度，對(duì)閥板運(yùn)動(dòng)的特殊要求是：①閥板壓緊或松開(kāi)密封墊圈時(shí)，需要直起直落;②開(kāi)啟閥板時(shí)，需要翻轉(zhuǎn)較大的角度，最好達(dá)到90°;③在閥板翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，閥板不能與閥座相碰。目前國(guó)內(nèi)主要采用三種翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，即擋桿擋翻、四連桿機(jī)構(gòu)和蚌線機(jī)構(gòu)。
(5)真空閥門(mén)的動(dòng)力選擇
真空閥門(mén)的傳動(dòng)動(dòng)力主要有手動(dòng)、磁動(dòng)、氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)。選擇閥門(mén)動(dòng)力主要考慮①操作方便;②工作可靠。例如手動(dòng)適合于小型的，自動(dòng)化程度要求不高的和試驗(yàn)用的設(shè)備上應(yīng)用的閥門(mén);而大型工業(yè)生產(chǎn)用的自動(dòng)化程度高的設(shè)備上的閥門(mén)，則必須用磁動(dòng)、氣動(dòng)、電動(dòng)或液壓的。一般說(shuō)來(lái)，磁動(dòng)閥門(mén)口徑都較小，動(dòng)作較快，電磁電源也較方便;而氣動(dòng)閥門(mén)突出的特點(diǎn)是動(dòng)作快;兩者都適合于作保護(hù)性的閥門(mén)。電動(dòng)(即電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的)和液壓的閥門(mén)，都是需要大動(dòng)力的閥門(mén)，尤其是液壓傳動(dòng)的閥門(mén)，動(dòng)力小了不合適，它不象電動(dòng)的閥門(mén)，常常因?yàn)殡娫捶奖愣徊捎谩?shí)際上，不管采用哪種動(dòng)力，都必須保證閥門(mén)工作可靠。
(6)閥門(mén)開(kāi)關(guān)的限位和指示
為了使閥門(mén)開(kāi)關(guān)準(zhǔn)確可靠和操作方便，閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉需要有限位和指示。特別是金屬墊密封的閥門(mén)更須嚴(yán)格控制閥座刀口對(duì)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(mén)使用壽命愈長(zhǎng)。對(duì)于機(jī)動(dòng)閥門(mén)，限位有保護(hù)設(shè)備免遭機(jī)械損傷的重要作用。
電動(dòng)真空閥門(mén)中所用的開(kāi)關(guān)限位和指示裝置。螺桿5被固定在閥板的傳動(dòng)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(dòng)，當(dāng)螺桿5隨閥板傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它們即是指針又是限位開(kāi)關(guān)的動(dòng)觸點(diǎn)。l是行程開(kāi)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(kāi)閥板的先導(dǎo)裝置
有的真空閥門(mén)在開(kāi)啟閥板之前，需要先使閥板上下的氣壓平衡，避免壓差過(guò)大使傳動(dòng)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(lái)在閥板上下壓差較大的情況下，用較小的傳動(dòng)力打開(kāi)閥板。在閥板上裝設(shè)個(gè)小閥門(mén)，讓傳動(dòng)桿6先打開(kāi)小閥的密封板3，使閥板上下壓差消失后再打開(kāi)閥板8，這就是在壓差較大的情況下順利打開(kāi)閥門(mén)的一個(gè)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。