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真空阀门设计时的注意事项及结构计算方法

时间:2017-4-26 14:52:08 来源:温州尼威阀门 浏览数:2911

   真空阀门是真空系统的重要元件。对于构成管路一部分的阀门,其流导大小是一个重要的性能参数。对于主要用来起开关气路作用的阀门,阀板关闭的密封性能也是重要的性能参数之一。密封性能是用其漏气率来衡量的。对于主要用来调节气流大小的阀门,能够调节气流量的精度及范围,则是一项重要的性能参数。对于全金属超高真空阀门,每次关闭是否性能稳定?使用寿命是否长?是其主要的性能指标。

(1)对真空阀门的一般要求

  ①阀门的密封性能要好,阀板密封处的漏气率要小;

  ②阀板开启后应尽可能有较大的流导;

  ③阀门内所用材料应有较低的饱和蒸气压,高抗腐蚀性能和高化学稳定性、耐磨损、寿命长,超高真空阀门应能耐烘烤(400~450℃);

  ④阀门结构要简单,开关轻便省力,有标志,传动机构在高压侧;

  ⑤真空阀门的型式、基本参数、连接尺寸和技术条件应按国家专业标准执行。

  (2)阀板的密封结构和密封力计算

  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的密封。目前真空阀门的胶垫密封归纳起来有6种,如图18所示。前4种用于较大口径的阀门,后2种用于较小口径的阀门。a种是早期采用的结构,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。

  选择真空阀门的密封结构时应注意以下几点:a.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.b.关阀后密封圈截面上有最大的压缩变形.c.结构力求简单;d.制造方便;e.密封元件便于拆卸和修理。

  阀门关闭的密封性能好坏决定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二方面:a.密封垫材料的硬度和压紧程度;b.阀座表面的粗糙度。通常阀座表面的粗度都高于3.2/Δ,密封垫的硬度都在邵氏硬度55~75之间。密封垫的压紧程度,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1.33×10-7Pa·L/s·cFn。的密封性能。如果考虑到制造精度上允许的偏差·把压缩比适当提高一些是必要的。因此建议真空阀门密封垫的相对压缩比通常取为15%~25%。

  胶垫密封闷板的密封力计算,多数可按0形环在矩形槽中受压缩的密封力进行近似地计算

  Fs=σBL =σxEBxπdDN (1)

  式中σ-密封比压力,N/cm2;B-密封宽度,即密封圈与阀座的接触宽度,cm;L-密封圈平均周长,cm;σx-相对比压力;E-密封圈材料的相氏模量,N/cm2;Bx-密封圈的相对宽度,d-密封圈的线径,cm;D-密封槽的中径,cm。

  有些阀门只需要单向使用,例如扩散泵入口阀门,阀板只需要封住扩散泵中的真空状态。这种阀的设计,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。我国1968年真空阀门联合设计中提出,在上述情况下,密封的初始比压力可以取为20N/cm。。实践证明,这种做法是可行的。故这种阀门的初始密封力为

  Fs=20BLN (2)

  式中B-与密封比压力为20N/cm2相对应的胶垫密封宽度,cm;L-胶垫的长度,cm。

  有些阀门需要双向使用,既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:

  Fs=σBL+7.85×10-5D2PdN (3)

  式中Pd是大气压强,Pa;其余符号同前。

  ②金属垫密封结构及密封力计算

  给出金属垫密封的几种结构。其中有针阀的结构,还有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。一种是用低熔点的软金属及其合金作为密封材料,而阀座也是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上应有精确的导向机构外,刀口尖还应倒圆。倒圆半径一般有两种:R0.1mm和R0.2mm,多数取为R0.1。图(g)没有刀口压痕问题,密封垫的寿命较长。

  刀口形状对阀门性能也有一定影响。表2给出了一些实验数据,从表中实验数据可知,直角形刀口比夹角形刀口所需螺旋压紧转矩大些。

  为了提高阀板(或金属垫)的寿命,阀板的压下量还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时,可通过微调,使压痕再稍深一些。这样能保证密封性一能,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。

  根据表中的数据,金属垫密封力可按下式计算:

  Fs=Ls.fls=As.fsaN (4)

  式中Ls-密封口中心长度,mm;fls-单位长度的密封力,N/mm;As-密封面积,mm2;fsa-单位面积的密封力,N/mm2。

  (3)阀板压紧装置

  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。

  ①阀板压紧装置应达到的要求

  a.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;

  b.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,胶垫的差些;

  c.要均衡压紧密封垫。因为不均衡压紧密封垫就可能造成封闭不严密;

  d.压紧后必须能自锁,否则要有动力来维持压紧状态;

  e.压紧程度必须可调,因为密封垫都有一定制造公差,必须通过调整才能压紧。

  ②常用的几种压紧方式

  a.螺旋压紧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。

  现以超高真空阀门的具体结构来说明螺旋压紧。1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,从而带动阀板上下移动,或打开阀门或关闭阀门。这种阀的关键是阀板关闭要有重合性。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 λ=arctanf(5)

  式中 λ——螺旋升角;f——螺杆与螺母材料的摩擦系数

  b.斜面压紧

  如图6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。和螺旋压紧类似,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才行。即阀板接触到胶圈后,还要相对于胶圈横向移动15mm,显然这是不能允许的。所以这种结构要利用传动连板5转至死点来保证自锁。

  为产生所需密封力Fs,见图22,传动连板给阀板的推力Ft,应为

  Ft=Fs.tan(λ+ρ) +fFs(6)

  式中ρ——斜面间材料的摩擦角;f——胶圈与阀板的摩擦系数

  为了消除压紧密封圈时,阀板与密封圈间的摩擦力,目前国内外都采用图23所示的压紧密封原理。此时

  Fs/Ft=1/[tan(λ+ρ) +f1] (7)

  式中f1——滚轮与导轨之间的摩擦系数;其余符号的意义同上。

  c.链板压紧

  链板压紧机构如图7所示。图24是典型的链板压紧力图。如果不考虑铰链的摩擦力,作用在链板上有4个力:密封力Fs、阀板受到的止推力Fz、导轨槽通过滚轮(或滑块)给出的反力Ff(Ff=Fs)和推杆传来的推力F`t。因为链板是压力杆,所以合力在其中心线上。推力Ft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

  Ft=Fs(tanα+f) (8)

  式中α——链板中心线与阀板密封面法线的夹角;f——滚轮与导轨槽的摩擦系数

  压紧装置的自锁条件是

  λ<tan-1f (9)
 

  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,代入上式可得:对于滑块摩擦,a<8°30’,链板自锁;对于滚轮摩擦,a<2°50’,链板自锁。

  d.弹簧压紧

  阀板6由弹簧5压紧密封。当电磁线圈2通电时,衔铁4被吸上,阀板被提起打开阀门。

  e.弹性垫圈自身压紧

  阀塞被碗形密封圈箍紧密封。这就象往复运动的动密封一样,不过由于阀塞进出密封圈,需要阀塞的两头有光滑的倒角,以免擦伤密封圈。

  f.动力压紧

  动力压紧有气压的、液压的和电磁力的压紧。凡是密封力大的阀门都用液压压紧。阀门是靠薄壁铜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,薄壁铜筒恢复原形,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。当阀板推至阀口后,往波纹管中通以高压空气(21个大气压或35个大气压)对阀板压紧密封。

  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。

  ③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;又因为密封圈和其它传动件的加工制造差不可避免,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11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)与阀板螺纹联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。例如图28所示的结构,采用球而压头就能完全自动均压。

  (4)阀板的传动机构

  阀板的传动机构有两个职能:一是使阀板压紧密封圈,保证阀门的密封性能;二是使阀板开启后,阀门有较大的流导。承担第一个职能的机构零件,由于受力较大、有强度、刚度和稳定性问题,设计中需要考虑。这些机件是传动机构中的主要构件,承担第二个职能的机件主要使阀板按所需要的位置开启,因此受力不大,零件的强度等问题是次要的。

  一般的真空阀门,其阀板的压紧机构就是其传动机构,例如图7、图8、图12、图14等。这类传动机构,只要知道了阀板压紧机构的压紧力,就可以按照普通机械传动进行设计了。

  对于真空翻板阀,阀门开启时阀板翻转一个角度,对阀板运动的特殊要求是:①阀板压紧或松开密封垫圈时,需要直起直落;②开启阀板时,需要翻转较大的角度,最好达到90°;③在阀板翻转过程中,阀板不能与阀座相碰。目前国内主要采用三种翻转机构,即挡杆挡翻、四连杆机构和蚌线机构。

  (5)真空阀门的动力选择

  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。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应用的阀门;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、电动或液压的。一般说来,磁动阀门口径都较小,动作较快,电磁电源也较方便;而气动阀门突出的特点是动作快;两者都适合于作保护性的阀门。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,动力小了不合适,它不象电动的阀门,常常因为电源方便而被采用。实际上,不管采用哪种动力,都必须保证阀门工作可靠。

  (6)阀门开关的限位和指示

  为了使阀门开关准确可靠和操作方便,阀门的开启和关闭需要有限位和指示。特别是金属垫密封的阀门更须严格控制阀座刀口对金属垫的楔入量,在保证密封性能的前提下,楔入量愈少,垫圈受压处冷硬现象愈轻,阀门使用寿命愈长。对于机动阀门,限位有保护设备免遭机械损伤的重要作用。

  电动真空阀门中所用的开关限位和指示装置。螺杆5被固定在阀板的传动轴上,指针8固定在螺母6上,指针8和螺母6只能沿着刻度尺滑动,当螺杆5随阀板传动轴转动时,它们即是指针又是限位开关的动触点。l是行程开关;4是刻度尺。当然这只是限位和指示装置中的一种。

  (7)打开阀板的先导装置

  有的真空阀门在开启阀板之前,需要先使阀板上下的气压平衡,避免压差过大使传动装置超负荷而受损害,这就要用到先导装置。先导装置还可用来在阀板上下压差较大的情况下,用较小的传动力打开阀板。在阀板上装设个小阀门,让传动杆6先打开小阀的密封板3,使阀板上下压差消失后再打开阀板8,这就是在压差较大的情况下顺利打开阀门的一个可行措施。小阀起到了先导作用,故称该小阀为先导装置或先导阀。

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