提高液压水位控制阀稳定运行性(一)

 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。
   
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：

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

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≤P20，泄水腔压力０1(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2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