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229所示。图229（a）（d）所示结构用于较大口径的阀门，图229（e）、（f）用于较小口径的阀门。图229（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229（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229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5575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。33108PaL（sm2）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1525。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。
　　（21）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20104Pa。实践证明，这种做法是可行的，故这种阀门的初始密封力为：
　　（22）式中，B为与密封比压力为20104Pa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：
　　（23）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230所示为金属垫密封的几种结构，其中图230（a）为针阀的结构，图230（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230（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231所示。倒圆半径一般有两种：R。1mm和R0。2mm，多数取为R0。1。图230（g）所示结构没有刀口压痕问题，所以密封垫的寿命较长。
　　图230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214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231金属垫密封的几种阀座形式
　　表214直角型和夹角型密封刀口的实验数据注：直角型如图230（b）所示，夹角型如图230（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215。根据表中的数据，金属垫密封力可按下式计算：
　　（24）式中，L为密封口中心长度，mm；f为单位长度的密封力，Nmm；As为密封面积，mm2；fsa为单位面积的密封力，Nmm2。
　　表215金属垫圈密封的比压力
　　续表215