提高液压水位控制阀稳定运行性之我见

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摘要：本文从液压水位控制阀的工作原理出发，从液压阀结构、安装、运行环境等方面对影响液压水位控制阀稳定运行的因素进行分析，提出了提高液压水位控制阀稳定运行的改进方案。

关键词：液压水位控制阀 工作原理 稳定运行 改进方案

1.引言

液压水位控制阀是一种改进了的浮球阀，当水池或水塔内水位下降，浮球阀开启排水时，进水管内有压力水将阀内活塞托起，密封面打开，阀门即开启供水，当水位上升到控制面，浮球阀关闭，活塞下移将密封面封闭，阀门即停止供水，从而达到自动控制水位的目的。因其不耗电能，结构简单，安装施工方便，适用压力广等优势，在各类清水水池（水箱）的水位自动控制有着较为广泛的应用。但是由于水质和水力因素等的影响，液压水位控制阀往往失灵，轻则白白浪费水资源，重则水淹泵房，造成严重后果。提高液压水位控制阀的稳定性，保证安全供水就显得十分重要了。

2.液压水位控制阀的内部结构及作用原理

液压水位控制阀一般由浮球阀，控制管，液压阀主体组成。虽然液压控制阀主体的外观各异，材质不同，有立式和卧式安装形式等，但其内部结构和作用原理却基本相同。液压控制阀的主体由进水腔、出水口、活塞式阀芯、泄压腔、泄压口等组成，见图1。

　　　

图1液压阀主体结构示意图

设进水的水压为P₀,泄压腔的压力为P₁;活塞式阀芯的重力为G，活塞式阀芯泄压腔端的直径为D₁，另一端的直径为D₂。连通进水腔和泄压腔的小孔直径的d₁,泄压口的直径为d₂，活塞式阀芯与阀腔的摩擦力为f,受到的支持力为N。下面以图１中结构示意图一（结构二类似）为例，分析活塞式阀芯的受力情况如下：

图2液压阀阀芯受力示意图

设活塞式阀芯受到的合力为Ｆ，则阀芯受力矢量式为：

Ｆ＝Ｆ₁+F₂+F₃+F₄+f+N+G……………………………………………………………………(1)

表达为代数形式如下：

Ｆ＝P₀D₂²π/4+ P₂(D₁²π/4－ D₂²π/4)－ P₁D₁²π/4±f－G±N

＝(P₀D₂² － P₁D₁²)π/4±f－G＋P₂(D₁²－ D₂²)π/4 ±N

＝Ａ±f－G±N＋Ｂ……………………………………………………………………(2)

（2）式中Ａ＝(P₀D₂² － P₁D₁²)π/4，Ｂ＝P₂(D₁²－ D₂²)π/4； f的符号与Ａ的符号相反。

当水池或水塔内水位下降，浮球阀开启排水时，进水腔通过小孔d₁向泄压腔补水,由于补水孔d₁<泄压孔d₂,补水能力小于泄压能力，泄压腔的压力P₁降低，阀芯支持力N₁逐渐减小到消失，进水管内有压力水P₀克服活塞式阀芯的重力和摩擦力将其托起，上式F>0,密封面逐渐打开，液压阀门即开启向水池（或水塔）供水。当水池水位上升到控制水面，浮球阀关闭，泄压腔补水能力大于泄压能力，N₂逐渐减小， P₁上升（最大至P₀），上式F<0，活塞下移将密封面封闭，阀门即停止供水。液压控制阀在浮球的控制下，从而可以自动控制水位。

3.影响液压水位控制阀稳定运行的因素

3.1液压水位控制阀的安装示意图

图3液压水位控制阀安装示意图

3.2泄压腔压力变化

液压控制阀安装投入使用时，（２）式中Ｄ₁、Ｄ₂、ｄ₁、ｄ₂Ｇ为已知常数，影响活塞式阀芯运动的力就只有水的压力P₀、P₁的作用及活塞受到的摩擦力f。一般情况下：Ｄ₁≥Ｄ₂, ｄ₁≤ｄ₂，出水口的压力变化范围为0≤P₂<P₀，泄水腔压力０<C₁(常数) ≤P₁≤C₂～P₀。通过受力分析可以看出，液压阀安全可靠的运行要求泄压腔压力要有适当的变化，当泄压腔压力达到最小时，阀芯能够上升到最大开启度位置；如果液压控制阀的活塞式阀芯坚固，能始终保持泄压腔的密闭并能进水腔口紧密结合，当浮球阀关闭，泄压腔内压力始终能上升到C₂（C₂约等于P₀，且与液压阀结构和安装方式无关），活塞式阀芯能在水压力P₁和自身的重力G作用下，克服摩擦力f下降并关闭液压阀。可见泄压腔的最小压力C₁是决定液压阀是否能稳定运行的关键因素，泄压腔内压力变化的快慢决定液压阀灵敏性的高低。定义泄压腔内的最小压强Ｃ₁为液压控制阀稳定运行数。当液压控制阀开启度最大，即浮球阀稳定放水时，此时泄压腔内压力Ｐ₁=C₁。此时通过补水小孔，泄水腔、浮球阀出口断面的流量相等；连接进水腔和泄压腔的通道进口、泄压腔内和浮球阀出水口（控制管路）等断面用伯诺里方程可以得到C₁的影响因素（断面位置如图３立式液压控制阀安装示意图所示），有各下列各式成立：

ω_通ν_通＝ω_泄ν_泄＝ω_球ν_球

d₁²ν_通＝D₁²ν_泄＝d_球²ν_球…………………………………………………………………………（3）

Z_进+P_０/γ +α₁ν_通²/2g =Z_泄+P₁/γ +α₂ν_泄²/2g+h_损1=Z_球+P_球/γ+α₃ν_球²/2g+h_损2………（4）

整理上式，推导得：

P₁＝C₁＝γ〔（Z_球－Z_泄）+P_球/γ+（α₃ν_球²_－α₂ν_泄²）/2g+（h_损2－h_损1）〕

＝γ〔（Z_进－Z_泄）+P_０/γ+（α₁ν_通²_－α₂ν_泄²）/2g_－h_损３〕……………………………（5）

ω_及下标：表示水流对应断面的面积

ν_及下标：表示水流对应断面的液体流速

Z_及下标：表示水流对应断面的几何高程

P_及下标：表示水流压力

γ：　液体比重

α_及下标：对应动能修整系数

h_及下标：沿程及局部水头损失之和

g:　　重力加速度

3．3影响液压控制阀稳定运行的因素

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