近几年来，现代化工业的快速发展，使蝶阀广泛应用于先进的工艺过程。为此世界各国都在研究新的蝶阀密封结构形式，使其能够满足新的工艺要求。最近，我们在双偏心的基础上使蝶板的中心偏置一定的角度，形成三偏心密封结构，它保留了三偏心蝶阀的优点，同时又减小了偏心驱动力矩。但是，三偏心结构的设计相当复杂，合理选择回转中心的位置显得十分重要，本文就最佳偏心角和回转中心的优化设计进行探讨。
一、三偏心结构的密封原理
当前三偏心结构的密封副形式多种多样，有球形、抛物线形、锥面形等，由于锥面密封面的加工性能好，按一般工艺就可以保证其设计精度，在此，以锥面密封为例讨论其密封原理。
图1为三偏心蝶板的设计原理图。蝶板密封面为锥面，若采用正圆锥体，由于其大端直径大于阀座密封圈内径，启闭蝶板时容易与阀座发生干涉，采用偏心角为α的偏心锥面解决了这个问题。设回转中心为E点，密封最佳点为P1、P2，则EP1<EP2，EP1<O1P，能够实现快速脱离密封面，而且EP1>EA，因此A点也能顺利通过阀座，并实现接触密封。当蝶板继续关闭时，由于EA′>EP1，故蝶板越关越紧，能实现调节阀的自锁。
二、蝶板最佳偏心角的选择原则
1、保证阀门的密封性
阀门的密封性是靠密封副间挤压变形后，阻断介质的渗透力而切断介质的流动来实现的。为了实现密封，在密封副间必须具备一定的密封力，具体反映在密封面上即需要一定的密封比压。根据密封原理可知，应满足密封条件：
qm<q<[q] （1）
式中q—实际密封比压，MPa
[q]—密封材料的许用比压，MPa
qm—必需密封比压，MPa
必需密封比压值按下式计算：
（2）
式中C—与密封面材料有关的系数
K—在给定密封材料情况下，考虑介质压力对比压值的影响系数
P—介质工作压力，MPa
bm—密封面接触宽度，mm
由此可见，阀门密封必需密封比压qm与接触密封宽度bm有关。
而启闭时的摩擦力矩：
（3）
式中 D—密封直径，mm
H—轴向偏心距，mm
fm—密封材料的摩擦系数
要减小启闭瞬间的摩擦力矩，需要尽可能地减小实际密封比压q，通常取q=1.4qm，代入式（3），同时也将式（2）代入式（3）整理后得：
（4）
从式（4）可知在其它条件不变的情况下，减小密封宽度可以减小摩擦力矩。根据式（1）知q=1.4qm<[q]，代入式（2）整理后得：
（5）
由此可以看出，接触密封宽度bm在满足式（5）的条件下，可以根据实际情况适当取较小值。
2、蝶板的锥度2β的选择
蝶板的锥度大小与所选的密封材料的摩擦系数fm有关，为了使阀门在关闭位置时实现自锁，根据机械原理知：
tg2β≤fm （6）
可以根据密封材料的摩擦系数fm计算出蝶板的锥度2β，然后结合实际情况选择合理的锥度。
3、蝶板的偏心角α的计算
由图1知，在坐标系X-Y中，根据几何学原理得：
φ=β-α
那么各点的坐标为O1（Rsinβ，0），A[Rsinβ-Rsin（β-α），Rcos（β-α）]，B[Rsinβ-Rsin（β+α），-Rcos（β+α）]，P0[-R（cosα-sin2β）/sinβ，Rsinα/sinβ]。
设直线P0P1的斜率为K1，则：
tgφ=K1=tg（β-α） （7）
圆O2的方程：
（x+rsinβ）2+[y-（R+r）cosβ]2=r2 （8）
式中r为密封圈密封半径，O1O2=R+r，圆心坐标：[-rsinβ，（r+R）cosβ]
设直线P0A的方程y=K1x+b，将点A的坐标代入方程得到方程的截距为：
b=R[1-sin（β-α）sinβ]/cos（β-α）
那么直线P0A的方程：
y=xtg（β-α）+Rcos（β-α）-R[sinβ-sin（β-α）]tg（β-α）（9）
将式（9）代入式（8）求出其交点问距离即接触密封宽度bm：
（
）2=r2sin2α-R2（1-cosα）2+2rR×（1-cosα）[cosβ+sinαsin（β-α）]÷cos（β-α） （10）
而接触密封宽度bm在式（5）中已经确定，锥度2β也已知，将它们代入式（10）就可计算出符合要求的偏心角α。
三、蝶板最佳回转中心选择原则及计算
1、三偏心的位置分析
设图1E点为回转中心，则当蝶板顺时针或逆时针转动时，点P1、P2运动方向分别为t1和t2的方向。
设AE=rA，BE=rB，t1和t2分别与rA、rB垂直，并且与P0A和P0B的夹角为θ1、θ2，由于rA≤rB并且取θ1>θ2则有rA<O1P1，rB<O1P2，设密封圈的最小内径点为P1"和P2"，于是蝶板的上半部分能够实现快速关闭或者快速脱离密封面。下半部分，虽然rB>O1P2，但是其密封点在P"的右侧，对三偏心的锥面密封，蝶板上密封点左侧的旋转半径均小于rB，因此启闭过程不受影响，且具有快速脱离或密封的特性，减小了启闭过程中的摩擦力矩。
2、保证密封面的均匀变形
当蝶板关闭时，依靠密封副间的过盈量产生挤压弹性变形实现密封，然而阀门的不断启闭使密封副间产生相对滑动而磨损。在结构上，过去的对称或轴向偏心形蝶阀，全开时在转轴位置处密封副间始终为挤压和磨损状态，容易过早泄漏。双偏心蝶阀解决了上述问题，不过双偏心密封副形式均为双球面接触，它们的加工比较复杂。现在研究开发的双偏心蝶阀密封结构，既保持了双偏心的优点又提高了加工的工艺性。但是三偏心密封结构的旋转中心的位置对弹性变形影响很大，为延长蝶阀的使用寿命，应当使密封副的过盈量尽量均匀。如图2所示，当蝶板旋转关闭后，继续转动角度△ф 产生过关闭将产生过盈量。在△P1E0F中，设P1′=△δA，∠P1E0F =△ф，∠FP1E0=90°-θ1，∠FP1E0=90°-θ1-△ф，P1E0=rA，由文献[1]知：
（11）
由于rA<rB，因此θ1>θ2
而 R=D1/2cosβ （12）
则 P1[0，R/cos（β-α）]，P2[O，-R/cos（β+α）]，所以：
（13）
（14）
将式（12）~（14）代入式（11）整理后得：
（15）
可见式（15）为圆的方程。圆心坐标为：
，圆的半径为：
，只要回转中心E在该圆上都满足均匀变形的条件，该圆方程中夹角θ1和θ2的取值对E点的坐标影响很大。根据文献[1]知，满足蝶板弹性变形的条件为θ1=θ2，这与式（15）矛盾，为了兼顾这两个条件，结合式（11）取θ1和θ2值接近，1<n<1.1，2°<θ1、θ2<10°。
3、计算E点的坐标
直线P0P1的方程为y=tg（β-α）x+R[1-sin（β-α）sin]/cos（β-α），过点P1与直线P0P1垂直的直线P1E的方程为：
（16）
将式（16）代入式（15）求它们的交点即为回转中心E的位置，也是符台条件的最佳位置。
四、讨论
上述计算回转中心公式都是从理论上推导出来的，在实际应用中，还受到各零部件机械性能的约束。因此在确定理想位置后，还应根据零部件的结构进行优化设计。
1、结构优化
理论上计算出来的E点坐标（xE，yE），由于xE>H，根据式（3）知这种情况下启闭瞬间摩擦力矩增大。为了减小摩擦力矩，各个零部件的结构应在满足机械强度设计的前提下，结合实际情况合理选取xE的值，通常取回转中心的轴向偏心距xE=H或略小于H。
2、θ1和θ2的确定
首先根据蝶阀的实际参数、零部件结构和式（11）来确定，rA、rB一般为n>1~1.1。大口径阀门取n接近1，小口径阀门取大一些，当比值n选定后，将式（11）代入式（15）求出θ1和θ2的值，再将θ1和θ2代入式（16）求出最佳的径向偏心距yE值。
3、r、s、bm的合理选择
由几何学原理知：
（17）
式中 s—密封过盈量（弹性变形量）
密封宽度bm由必需密封比压决定，而弹性过盈量s大小受密封材料的弹性模量限制。密封材料的弹性模量越大引起弹性变形所需要的作用力也越大，根据式（17）知，bm一定时，适当增加密封圈的密封半径r值，可以减小s值，同时也减小驱动力矩。
4、举例比较
以DN300、PNO.6MPa为例进行比较，D1=290，r=8，n=1.05，bm=4.23，β=11°，根据式（10）计算出α=3.5°，将xE=H=28.18514代入式（16）和式（15）求出θ1=3.756°，θ2=3.578°，然后再将以上各值代入式（16）求出yE=3.66。
由文献[1]知，对于双偏心蝶板结构，在同样条件下：
（18）
将以上各值代入式（18）得yE=3.67，通过两个值yE的比较可知，它们的偏心力矩接近，但此时实际θ1和θ2的值太小，阀门开启时两密封体不能及早分离。
五、结论
1、回转中心E点的确定方法是先通过理论公式计算，然后结合实际情况进行结构优化，既考虑到机械原理又考虑到机械性能，因此前面的方法考虑因素较全面，同时简捷方便。
2、由于偏心角α大小影响着密封比压和过盈量，是决定阀门启闭性能的关键因素，这里讨论的偏心角α取值方法是以密封宽度为主要因素，使偏心角α的选择有了依据，其计算比较复杂，不过借助计算机能够方便地求解。
