真空系统设计（真空阀门密封结构与密封力计算）

2.1.4.1胶垫密封结构及密封力的计算
橡胶垫圈密封是利用阀板与阀座间压紧橡胶垫圈,依靠橡胶弹性变形填塞表面不平来实现密封。目前真空阀门的胶垫密封形式归纳起来有6种,如图2-29所示。图2-29(a)~(d)所示结构用于较大口径的阀门,图2-29(e)、(f)用于较小口径的阀门。图2-29(a)是早期采用的结构,为了便于加工阀座上的密封槽,必须把阀座与阀壳设计成可拆卸的,这就在结构上增加了一道真空密封。现在绝大多数阀门都采用阀板上带密封圈的结构,如图2-29(b)、(c)、(d)所示。
选择真空阀门的密封结构时应注意以下几点:(1)尽可能减少阀板下高真空侧的放气因素,例如选用放气率小的密封垫材料等;(2)关阀后密封圈截面上应有最大的压缩变形;(3)结构力求简单;(4)制造方便;(5)密封元件便于拆卸和修理。

图2-29真空阀门中橡胶圈密封的几种结构形式
1—阀板(或阀塞);2一压板;3—橡胶圈(或膜);4—阀座
阀门关闭的密封性能取决于密封垫填塞阀座表面不平的程度。影响这种填塞程度的因素有两个方面:(1)密封垫材料的硬度和压紧程度;(2)阀座表面的粗糙度。通常阀座表面的粗糙度都高于3.2,密封垫的硬度在邵氏硬度55~75之间。根据试验结果,当橡胶的硬度在邵氏硬度50以上,而表面没有任何擦伤时,橡胶垫的高度压缩比在15%以上就能达到漏气率小于1.33×10-8Pa·L/(s·m2)的密封性能。如果考虑到制造精度允许的偏差,把压缩比适当提高是必要的。因此建议真空阀门密封垫的相对压缩比通常取为15%~25%。胶垫密封阀板的密封力,多数可按O形环在矩形槽中受压缩的密封力进行近似计算。

(2-1)式中,o为密封比压力,Pa;B为密封宽度,即密封圈与阀座的接触宽度,cm;L为密封圈平均周长,cm;x为相对比压力;E为密封圈材料的杨氏模量,Pa;B为密封圈的相对宽度;d为密封圈的线径,cm;D为密封槽的中径,cm。
有些阀门只需要单向使用,例如扩散泵入口的阀门,阀板只需要封住扩散泵中的真空状态。这种阀的设计,在结构上允许阀板在压力差作用下继续被压紧,因此,阀板关闭时只需要初始压紧力就可以。在上述情况下,密封的初始比压力可以取为20×104Pa。实践证明,这种做法是可行的,故这种阀门的初始密封力为：

（2-2）式中,B为与密封比压力为20×104Pa相对应的胶垫密封宽度,cm;L为胶垫的长度,cm。
有些阀门需要双向使用,即不但需要封住阀板上方的大气压,有时还得封住阀板下方的大气压。这种阀门的阀板密封力应用下式计算:

(2-3)式中,p为大气压力,Pa;其余符号意义同前式。
2.1.4.2金属垫密封结构及密封力计算
图2-30所示为金属垫密封的几种结构,其中图2-30(a)为针阀的结构,图2-30(b)~(e)都是用于超高真空系统中的金属垫密封阀门。一般来说,阀板用软金属紫铜、无氧铜、铝、镍和铅等制成,铜、铝、镍要预先经过退火处理;阀座用硬金属不锈钢等制成刀口形。图2-30(f)-(h)是用低熔点的软金属及其合金作为密封材料,而阀座用硬金属不锈钢等制成,它们都是依靠软金属受压产生塑性变形与阀座密合达到密封的。为保证密封,每次阀板关闭时刀口的压痕必须重合。为此除了阀板的传动应有精确的导向机构外,刀口尖还应倒圆,如图2-31所示。倒圆半径一般有两种:和,多数取为。图2-30(g)所示结构没有刀口压痕问题,所以密封垫的寿命较长。

图2-30金属垫密封的几种结构形式
1—阀板;2—阀座;3一铟银或铟铅合金;4一钢
刀口形状对阀门性能也有一定影响。表2-14给出了一些实验数据,从表中实验数据可知,直角型刀口比夹角型刀口所需的螺旋压紧转矩稍大。

图2-31金属垫密封的几种阀座形式

表2-14直角型和夹角型密封刀口的实验数据
注:直角型如图2-30(b)所示,夹角型如图2-30(c)所示。漏气率测量,因受仪器灵敏度的限制,测得数值是上限,而不是实际的具体数值。
为了提高阀板(或金属垫)的寿命,阀板的压下量可以设计成可微调的。一旦原有压痕失去了应有的密封性能,可通过微调,使压痕再稍深一些。这样能保证密封性能,也延长了阀板的使用寿命。
目前,有关金属垫密封阀门的密封力计算通常是基于实验数据。设计者针对所设计的密封结构进行模拟试验,确定出密封比压力,然后按照具体的密封尺寸进行计算。根据国内外有关资料,设计者可参考表2-15。根据表中的数据,金属垫密封力可按下式计算：

(2-4)式中,L为密封口中心长度,mm;f为单位长度的密封力,N/mm;As为密封面积,mm2;fsa为单位面积的密封力,N/mm2。

表2-15金属垫圈密封的比压力

续表2-15