提高液压水位控制阀稳定运行性之我见

　　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。

　　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.下面上的说明（结构二类似）为例，分析活塞式阀芯的受力情况如下：

　　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

　　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，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+P₀/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）+P₀/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

　　3.3.1液压阀自身结构

　　液压阀要可靠运行，要求活塞式阀芯坚固，升降灵活，能始终保持泄压腔的密闭并能根据需要密闭进水腔；泄压腔与进水腔通道小孔畅通。依据水力学知识，从（5）式可以看出，连接泄压腔的小孔通道d1越小，水头损失h损3越大，则C1值降低。可见适当减小小孔通道直径d1有助于降低C1值，浮球阀开启时，阀芯能迅速上升，打开液压阀。浮球阀关闭时，由于补水能力减弱，泄压腔压力上升减慢，能够减小阀芯下降速度，可以减小（和避免）液压阀的关阀水锤，从而提高液压阀的性能。但是，小孔通道直径d1过小，容易造成孔道堵塞，致使液压阀开关不灵。另外，加大活塞式阀芯泄压腔端的直径，有助于降低泄压腔的关阀作用压力；但会增加对开阀压力P0的要求。

　　3.3.2液压阀的安装

　　液压阀的安装，应适当选择控制管的管径和长度。控制管径加大，水流速度将降低，通过控制管的水力损失h损4减少，C1值将减小，有利于液压阀的运行。控制管的管径一般在dn15~dn40之间，若控制管的管径过大，配套的浮球阀加大，一方面浮球将缩小水池的储水空间，降低水池空间的利用率；另一方面，浮球关闭时，泄压腔升压时间加长，液压阀将延时关闭，需要水池有较大的有效空间才能不浪费水资源。控制管的长度也应有所限制，增加控制管的长度，h损4增加，C1值增加，泄压腔升压时间加长，液压阀将延时关闭，不利与液压阀的稳定运行。

　　3.3.3进水压力及水流状态

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