三偏心蝶阀及其制造设备引入我国以来，在工业等方面获得了广泛的应用。本文从三偏心蝶阀密封副启闭性能的研究入手，提出了启闭性能指示角的概念，并建立了启闭性能指示角的计算模型，以反映密封副设计中关键参数的合理情况，进而对相关参数从启闭性能这个角度出发进行优化设计。
一、启闭性能指示角
三偏心蝶阀的蝶板是圆锥体上截取的一定厚度的椭圆形截面的实体（图1）。第一个偏心是指阀座密封面或蝶板厚度方向的等分线与阀杆中心相对偏心（长度H），第二个偏心是指阀杆中心与调节阀通道的中心相对偏心（长度E），第三个偏心是指圆锥形密封面的中心线与阀门中心线相对偏心（角度γ）[4~6]。直线AB表示密封面某点m处的在某个平面上的切线方向，代表该点的速度方向，速度方向和切线AB的夹角为θ。由图1可知，当θ≥0时，密封副不发生干涉。当速度方向位于v1方向，夹角θ1<0时，密封副发生干涉，这必然与采用三偏心蝶阀结构来减小启闭力矩的目的相悖。因此，θ≥0成了三偏心蝶阀密封副设计中的一个关键指标，以下称为启闭性能指示角。
二、计算模型
图2表示了三偏心蝶阀密封面的几何关系，其中H0代表线段Of的长度，e代表蝶板中径所在圆与圆锥轴线的交点f和与阀体轴线的交点N0之间的距离。三偏心蝶阀的密封面为IJKL代表的曲面，它是由若干个平面S切圆锥曲面得到的，其中，圆锥曲面的方程为
x2+y2=z2tg2α （1）
S平面的方程为
z=ytgγ+H0 （2）
由式（1）和（2）联立求解，得到圆锥曲面和S平面的交线，即椭圆方程
x2+y2=tg2α（H0+ytgγ）2 （3）
用一个平行于YOZ平面， 且xi=x0的平面P与锥体相交得到双曲线CmABnD，由式（1）和式xi=x0联立求解，得到该双曲线的方程为
ztg2α-y2=x02 （4）
如图3所示，O1′为阀杆轴线截点，以点m为例，其中v为m点绕O1′旋转运动时的运动方向，θ则是运动方向与m点切线的夹角，即该点的启闭性能指示角。
由图3中的几何关系可得
β+θ=θ′
从而
θ=θ′-β （5）
因为tgβ即为m点处双曲线斜率
， 由方程（4）可得
（6）
由ΔO1′mn的几何关系
（7）
其中，y和z分别为m点的Y和Z坐标，y01和z01分别是O1点的Y、Z坐标。如图1所示几何关系
y01=ecosγ-Hsinγ-Ecosγ （8）
z01=H0+Hcosγ+esinγ-Esinγ （9）
由图2几何关系和正弦定理可得
e=D1tgαtgγ/2 （10）
（11）
当设计参数D1、T、H、E、γ和α选定后，O1点的坐标（x=0，y01，z01）可求。
将xi=x0代入式（3），并联立式（4），可以求得当xi=x0时，双曲线与密封中径所在的椭圆曲线的交点， 得到相应点的Y、Z坐标值。
将求得的y、z、y01和z01代入式（6）和 （7），即可求得相应交点处的θ值。
三、实例
在实际操作中，先将密封面沿阀体通道轴线方向等分为n等份，得到n+1个相互平行的椭圆平面，再用n+1个平行于图2中YOZ平面的平面x=xi将每个椭圆平面等分，从而得到椭圆曲线和平面x=xi的交点。当等分的份数足够多。设计人员就可以从求得的交点处的值来分析三偏心蝶阀的启闭性能，从而得出设计参数的合理程度， 并根据设计需要作相应的调整。
但是， 由于计算过程比较复杂。而且需要计算的交点数以干计，如果由手工计算，一方面是单个角的计算过程比较繁琐，另一方面是多个角的计算又是一种简单重复劳动，而且计算出来的结果比较分散，还需要作专门的统计和分析，必将耗费设计人员大量的时间和精力。鉴于三偏心蝶阀启闭性能分析，以及节省时间、精力和提高工作效率的需要，采用Delphi开发相应的设计软件。经分析，程序的主要功能包括几个方面。
①设计参数和等份数的输入。② 计算交点处θ值，求出θ的最大值、最小值和平均值。③输出当前设计参数，有效交点个数，记录未相交的截面序号和相交处的θ值、坐标值和截面序号。实现当前计算结果的打印输出。
当α=13.5°，γ=12°，D1=200mm，E=2mm，T=4mm，H=25mm，且等分次数n=40时。启闭性能指示角（程序中称为启闭角）计算器的界面如图4所示，该程序是阀门参数化辅助设计系统中的一个模块。这一部分程序用7个TLabel组件来标识相应的设计参数。7个TEdit组件供设计人员输入设计参数的值， 当触发“确定”按钮时，程序调动计算和分析模块， 将设计人员需要的最大值及最小值和平均值输出到对话框顶部的TEdit组件中，并将输入的参数值、等分的间距、摩擦角的最大和最小值对应截面与交点处的X、Y及Z 坐标值等情况输出到TMemo1组件中，而“输出” 按钮实现将TMemo1中的内容输出为一个*.txt文件，方便设计人员输出打印，为设计人员提供了进一步分析的便利。
四、结论
通过推导启闭性能指示角的计算方法，提出了把启闭性能指示角θ≥0°作为三偏心蝶阀密封面设计的一个准则，开发了启闭性能指示角的辅助计算软件，能够计算三偏心蝶阀密封面的启闭性能指示角，并输出相应的设计计算文档，为设计人员优化设计参数提供便利， 实现了通过求解启闭性能指示角来分析阀门当前启闭性能的目的。
另外，在阀门设计中，为了保证启闭过程中密封副不发生干涉，启闭性能指示角必须满足θ≥0°的条件，θ值越大，开启和关闭三偏心蝶阀需要的力矩越小。但是随着θ角的增大，密封性能势必减弱。对于θ角的大小应该在什么范围内更合适这一问题，仍需要通过大量的理论和实验的论证。
