提高液壓水位控制閥穩定運行性(一)

 1.引言
液壓水位控制閥是一種改進了的浮球閥，當水池或水塔內水位下降，浮球閥開啟排水時，進水管內有壓力水將閥內活塞托起，密封面打開，閥門即開啟供水，當水位上升到控制面，浮球閥關閉，活塞下移將密封面封閉，閥門即停止供水，從而達到自動控制水位的目的。因其不耗電能，結構簡單，安裝施工方便，適用壓力廣等優勢，在各類清水水池（水箱）的水位自動控制有著較為廣泛的應用。但是由于水質和水力因素等的影響，液壓水位控制閥往往失靈，輕則白白浪費水資源，重則水淹泵房，造成嚴重后果。提高液壓水位控制閥的穩定性，保證安全供水就顯得十分重要了。
2.液壓水位控制閥的內部結構及作用原理
液壓水位控制閥一般由浮球閥，控制管，液壓閥主體組成。雖然液壓控制閥主體的外觀各異，材質不同，有立式和臥式安裝形式等，但其內部結構和作用原理卻基本相同。液壓控制閥的主體由進水腔、出水口、活塞式閥芯、泄壓腔、泄壓口等組成，見圖1。
   
設進水的水壓為P0,泄壓腔的壓力為P1;活塞式閥芯的重力為G，活塞式閥芯泄壓腔端的直徑為D1，另一端的直徑為D2。連通進水腔和泄壓腔的小孔直徑的d1,泄壓口的直徑為d2，活塞式閥芯與閥腔的摩擦力為f,受到的支持力為N。下面以圖１中結構示意圖一（結構二類似）為例，分析活塞式閥芯的受力情況如下：

設活塞式閥芯受到的合力為Ｆ，則閥芯受力矢量式為：F=F1+F2+F3+F4+f+N+G……………………………………………………………………(1)
表達為代數形式如下：
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的符號與Ａ的符號相反。
當水池或水塔內水位下降，浮球閥開啟排水時，進水腔通過小孔d1向泄壓腔補水,由于補水孔d1<泄壓孔d2,補水能力小于泄壓能力，泄壓腔的壓力P1降低，閥芯支持力N1逐漸減小到消失，進水管內有壓力水P0克服活塞式閥芯的重力和摩擦力將其托起，上式F>0,密封面逐漸打開，液壓閥門即開啟向水池（或水塔）供水。當水池水位上升到控制水面，浮球閥關閉，泄壓腔補水能力大于泄壓能力，N2逐漸減小,P1上升（最大至P0），上式F<0，活塞下移將密封面封閉，閥門即停止供水。液壓控制閥在浮球的控制下，從而可以自動控制水位。
3.影響液壓水位控制閥穩定運行的因素
3.1液壓水位控制閥的安裝示意圖

3.2泄壓腔壓力變化
液壓控制閥安裝投入使用時，（２）式中Ｄ1、Ｄ2、ｄ1、ｄ2Ｇ為已知常數，影響活塞式閥芯運動的力就只有水的壓力P0、P1的作用及活塞受到的摩擦力f。一般情況下：Ｄ1≥Ｄ2,ｄ1≤ｄ2，出水口的壓力變化范圍為0≤P20，泄水腔壓力０1(常數)≤P1≤C2～P0。通過受力分析可以看出，液壓閥安全可靠的運行要求泄壓腔壓力要有適當的變化，當泄壓腔壓力達到最小時，閥芯能夠上升到最大開啟度位置；如果液壓控制閥的活塞式閥芯堅固，能始終保持泄壓腔的密閉并能進水腔口緊密結合，當浮球閥關閉，泄壓腔內壓力始終能上升到C2（C2約等于P0，且與液壓閥結構和安裝方式無關），活塞式閥芯能在水壓力P1和自身的重力G作用下，克服摩擦力f下降并關閉液壓閥。可見泄壓腔的最小壓力C1是決定液壓閥是否能穩定運行的關鍵因素，泄壓腔內壓力變化的快慢決定液壓閥靈敏性的高低。定義泄壓腔內的最小壓強Ｃ1為液壓控制閥穩定運行數。當液壓控制閥開啟度最大，即浮球閥穩定放水時，此時泄壓腔內壓力Ｐ1=C1。此時通過補水小孔，泄水腔、浮球閥出口斷面的流量相等；連接進水腔和泄壓腔的通道進口、泄壓腔內和浮球閥出水口（控制管路）等斷面用伯諾里方程可以得到C1的影響因素（斷面位置如圖３立式液壓控制閥安裝示意圖所示），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進+P０/γ+α1ν通2/2g=Z泄+P1/γ+α2ν泄2/2g+h損1=Z球+P球/γ+α3ν球2/2g+h損2………（4）
整理上式，推導得：
P1＝C1＝γ〔（Z球－Z泄）+P球/γ+（α3ν球2－α2ν泄2）/2g+（h損2－h損1）〕
＝γ〔（Z進－Z泄）+P０/γ+（α1ν通2－α2ν泄2）/2g－h損３〕……………………………（5）
ω及下標：表示水流對應斷面的面積
ν及下標：表示水流對應斷面的液體流速
Z及下標：表示水流對應斷面的幾何高程
P及下標：表示水流壓力
γ： 液體比重
α及下標：對應動能修整系數
h及下標：沿程及局部水頭損失之和
g:  重力加速度
3．3影響液壓控制閥穩定運行的因素