蝶閥的演變過程及三偏心蝶閥設計與演算
蝶閥的結構從簡單到復雜的角度來說，首先是“中心對稱蝶閥”，其結構為密封副中心與旋轉主軸重合，具有結構簡單，制造方便等優點，但由于閥板與閥座始終處于擠壓、刮擦狀態，造成阻矩大、磨損快，所以目前其結構也僅適用于襯膠蝶閥類。
圖1
為解決“中心對稱蝶閥”的這一問題，隨之產生了“單偏心蝶閥”，其結構特征為旋轉主軸在密封副的軸向方向上的一個距離偏心，從而使密封副上下端不再成為回轉軸心，分散、減輕了密封副上下端與閥座的過度擠壓，但其效果并不是很理想。
圖2
為此在單偏心蝶閥的基礎上又做了進一步改良，即成為了目前應用較為廣泛的“雙偏心蝶閥”，其結構一般是旋轉主軸在密封副軸向和徑向方向上各有一個距離偏心，其結構的改進，實現了閥門開啟后，閥板能比較迅速脫離閥座，大幅度地削減了閥板與閥座的過度擠壓和刮擦，減小了開啟力矩，降低了磨損，顯著提高了閥座的壽命。
圖3
雙偏心蝶閥的密封副結構，其閥座形式較為常見的有彈性軟閥座和金屬鋼圈閥座兩種，如圖1所示。但就其閥板密封面的形式就有很多種了，比較理想的閥板密封面為球面，其結構簡單形象地說就是截取一個球的一段球臺出來的外環面就是閥板密封面，如圖2所示，這種結構閥板在關閉旋入閥座的過程中，閥板密封面易于擠入閥座中去，但其加工難度大，特別是大口徑蝶閥，加工工藝上就很難嚴格達到其設計幾何精度。所以，閥板密封面一般采用的是錐面，其結構即為一個正圓臺的外環面為閥板密封面，如圖3所示，這種結構，優點是閥座與閥板密封面接觸面積大，密封的性能和可靠性高，但是閥板在關閉旋入閥座的過程中，閥座的擠壓變形較大，閥座易磨損，且所需的啟閉力矩較大，由于結構的特點，設計閥板與閥座關閉時的過盈量必然不會很大。在這里可另外介紹一種雙偏心蝶閥，它是由密封副的軸向距離偏心，和閥板密封面的一個角度偏心組成，其閥板密封面為“環形球面”的一個角度偏心，其結構簡單形象地說就是在一個“游泳圈”上和圓環面成一個角度，截取一段圓環出來的外環面即為閥板密封面，如圖4所示，這種結構的密封面有點類似于前面所述的球面密封面，但又有別于球面密封面，此密封面不具有對稱性，但易于加工，如圖5所示。“環形球面”結構相對于錐面結構，是其以“犧牲”密封面接觸寬度，稍微降低密封性能的可靠性，增大閥板切入閥座的倒角，使閥板在關閉旋入閥座的過程中，閥板更加易于擠入閥座中去，減少閥座的磨損，增加閥座的壽命，所需啟閉力矩較錐面形式稍小。
圖4
圖5
綜上雙偏心蝶閥的結構，其結構較“單偏心蝶閥”而言，不管是密封副在軸向徑向上的距離偏心，還是密封副在軸向上和角度上的偏心，其目的就是為了在開啟過程中讓閥板密封面迅速的脫離閥座，以達到減少閥座的磨損，增加閥座的壽命，和降低閥板啟閉所需力矩。但是無論雙偏心蝶閥怎么設計，閥座與閥板密封面總是存在擠壓變形的，那么有沒有一種結構，在啟閉整個過程中，閥座與閥板密封面沒有任何接觸，并且密封性能好，密封面寬度足夠寬，以保證密封性能的可靠性。答案是有的，這就是三偏心蝶閥了。
圖6
2 三偏心蝶閥結構原理
三偏心蝶閥的設計原理就是要保證在閥門在0到90度啟閉過程中，閥板密封面和閥體閥座密封面無任何接觸摩擦，并保證密封副寬度足夠寬以確保密封性能的可靠性。
三偏心蝶閥是在密封副為錐面結構的雙偏心蝶閥的基礎上進行一個角度偏心而得來的，但閥板密封面被單獨拿出來做成密封圈形式，閥座密封面與密封圈密封面外形結構一致，如圖6所示，在錐面進行了一個角度偏心后，能做到密封圈在0-90度閉合過程中，密封圈密封面與閥座無任何接觸摩擦。這里的角度偏心有兩種設計，一種是偏角度數為錐角度數的一半，這樣就導致一邊母線平行于密封副軸向中心線，如圖7所示，這種結構，由于密封圈在0到90度的啟閉過程中，密封圈上各點的旋轉直徑始終小于同截面上相對應的閥座直徑，所以密封圈在90度旋轉過程中，始終能保證與閥座無接觸摩擦，直到到達90度位置，密封圈與閥座重合，這種結構錐角度數不能取得過大，否則加工行程過長不易于加工，其實這種結構是三偏心蝶閥設計中角度偏心的一個特例，且這種結構的密封性能存在有一個不可靠性，在加工和裝配中稍有偏差，或者在工況壓差過大的情況下，在密封副母線平行邊，可能出現“縫隙”，密封性能的可靠性將會難于保證。
另一種結構，如圖8所示，偏心角度數θ小于半錐角度數α，這種結構只有錐角度數α和偏心角θ以及兩個距離偏心L1、L2和密封副寬度滿足一定的關系，才能使密封圈在0到90度啟閉過程中無任何接觸摩擦，并且在密封圈和閥座重合后，即使密封圈或者閥座在尺寸上存在一定的偏差，或者工況壓差較大的情況下，密封圈在執行器的作用力，其將與閥座將越壓越緊，密封性能得到顯著提高和保證。另外，三偏心蝶閥可以根據設計需要，設計足夠寬的密封副來保證密封性能的可靠性。這是雙偏西蝶閥，在閥座無接觸摩擦情況下，所不能做到的。下面我們通過建立三坐標，用數學關系式，來建立設計參數應滿足何種數學關系。
3 三偏心結構參數的設計與計算
首先，先明確三偏心蝶閥設計目的：在密封圈90度啟閉過程中，密封圈和閥座無任何接觸。我們先對閥座建立三坐標方程，如圖9所示。
圖9
設計參數為：a為軸向偏心距離；h為徑向偏心距離；s為密封面寬度；A為錐底直徑；α為錐角度數；θ為錐角偏角度數。
先以圓錐錐底圓心為坐標中間點，建立x'oy'和xoy兩個坐標系，通過坐標變換得閥座圓錐在xyz三坐標系中的方程為：
然后建立密封圈從關閉狀態起旋轉γ角度后的三坐標方程，如圖10所示，通過一系列坐標變換得密封圈旋轉γ角度后的圓錐方程為：
密封圈由于偏角的關系，整個圓錐環面，呈現一半斜度較大的錐面，和一半斜度較小的錐面，我們暫且形象的叫“大斜面圓環面”和“小斜面圓環面”，如圖11所示。由于大斜面圓環面，是由小直徑圓臺面切入大直徑閥座圓臺面中，所以在整個旋轉過程中，密封面旋轉直徑都將相對于小于閥座直徑，在大斜面這半邊區域，是不會發生干涉現象的；相反，小斜面就是大圓臺直徑切入閥座小圓臺中，設計尺寸只有滿足一定的關系，才能達到整個旋轉過程中不發生干涉現象。
聯立方程組：
方程①為閥座密封面寬度r截面方程，方程②為密封圈大圓臺面旋轉0到90度方程，聯立方程組，可解得密封圈在關閉過程中，大圓臺面在閥座密封面上在xoy面上的所有交點集合，將這些交點集合帶入閥座方程和密封圈方程，得到閥座和密封圈z坐標方向上的z1值和z2值，只要滿足z1≥z2，則就能實現密封圈在關閉過程中，無任何接觸摩擦的設計目標。
4 結論
綜上所述：設計參數只要能滿足以下聯立方程組，則就滿足三偏心蝶閥設計要求：
