如何改善液壓水位控制閥的運行穩(wěn)定性

來源：無錫市昌林自動化科技有限公司 2012年06月02日 09:28

如何改善液壓水位控制閥的運行穩(wěn)定性

摘要：本文從液壓水位控制閥的工作原理出發(fā)，從液壓閥結(jié)構(gòu)、安裝、運行環(huán)境等方面對影響液壓水位控制閥穩(wěn)定運行的因素進行分析，提出了提高液壓水位控制閥穩(wěn)定運行的改進方案。

關(guān)鍵詞：液壓水位控制閥工作原理穩(wěn)定運行改進方案

1、引言

液壓水位控制閥是一種改進了的浮球閥，當(dāng)水池或水塔內(nèi)水位下降，浮球閥開啟排水時，進水管內(nèi)有壓力水將閥內(nèi)活塞托起，密封面打開，閥門即開啟供水，當(dāng)水位上升到控制面，浮球閥關(guān)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(jié)構(gòu)簡單，安裝施工方便，適用壓力廣等優(yōu)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(yīng)用。但是由于水質(zhì)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(yán)重后果。提高液壓水位控制閥的穩(wěn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(zhì)不同，有立式和臥式安裝形式等，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shè)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。分析活塞式閥芯的受力情況如下：
設(shè)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(shù)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(dāng)水池或水塔內(nèi)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(nèi)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(dāng)水池水位上升到控制水面，浮球閥關(guān)閉，泄壓腔補水能力大于泄壓能力，N2逐漸減小， P1上升（zui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(wěn)定運行的因素

3.1液壓水位控制閥的安裝
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(shù)，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≤P2＜P0，泄水腔壓力０＜C1（常數(shù)） ≤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(dāng)?shù)淖兓?dāng)泄壓腔壓力達到zui小時，閥芯能夠上升到zui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(jié)合，當(dāng)浮球閥關(guān)閉，泄壓腔內(nèi)壓力始終能上升到C2（C2約等于P0，且與液壓閥結(jié)構(gòu)和安裝方式無關(guān)），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(guān)閉液壓閥。可見泄壓腔的zui小壓力C1是決定液壓閥是否能穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素，泄壓腔內(nèi)壓力變化的快慢決定液壓閥靈敏性的高低。定義泄壓腔內(nèi)的zui小壓強C1為液壓控制閥穩(wěn)定運行數(shù)。當(dāng)液壓控制閥開啟度zui大，即浮球閥穩(wěn)定放水時，此時泄壓腔內(nèi)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(nèi)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，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(dǎo)得：
P1＝C1＝γ（（Z球－Z泄）＋P球／γ＋（α3ν球2－α2ν泄2）／2g＋（h損2－h(huán)損1））
＝γ（（Z球－Z泄）＋P０／γ＋（α3ν球2－α2ν泄2）／2g－h(huán)損3）……………………（5）
ω及下標(biāo)：表示水流對應(yīng)斷面的面積
ν及下標(biāo)：表示水流對應(yīng)斷面的液體流速
Z及下標(biāo)：表示水流對應(yīng)斷面的幾何高程
P及下標(biāo)：表示水流壓力
γ：液體比重
α及下標(biāo)：對應(yīng)動能修整系數(shù)
h及下標(biāo)：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(wěn)定運行的因素

3.3.1液壓閥自身結(jié)構(gòu)
液壓閥要可靠運行，要求活塞式閥芯堅固，升降靈活，能始終保持泄壓腔的密閉并能根據(jù)需要密閉進水腔；泄壓腔與進水腔通道小孔暢通。依據(jù)水力學(xué)知識，從（5）式可以看出，連接泄壓腔的小孔通道ｄ1越小，水頭損失h損3越大，則C1值降低。可見適當(dāng)減小小孔通道直徑ｄ1有助于降低Ｃ1值，浮球閥開啟時，閥芯能迅速上升，打開液壓閥。浮球閥關(guān)閉時，由于補水能力減弱，泄壓腔壓力上升減慢，能夠減小閥芯下降速度，可以減小（和避免）液壓閥的關(guān)閥水錘，從而提高液壓閥的性能。但是，小孔通道直徑ｄ1過小，容易造成孔道堵塞，致使液壓閥開關(guān)不靈。另外，加大活塞式閥芯泄壓腔端的直徑，有助于降低泄壓腔的關(guān)閥作用壓力；但會增加對開閥壓力P0的要求。

3.3.2液壓閥的安裝
液壓閥的安裝，應(yīng)適當(dāng)選擇控制管的管徑和長度。控制管徑加大，水流速度將降低，通過控制管的水力損失h損4減少，C1值將減小，有利于液壓閥的運行。控制管的管徑一般在dn15～dn40之間，若控制管的管徑過大，配套的浮球閥加大，一方面浮球?qū)⒖s小水池的儲水空間，降低水池空間的利用率；另一方面，浮球關(guān)閉時，泄壓腔升壓時間加長，液壓閥將延時關(guān)閉，需要水池有較大的有效空間才能不浪費水資源。控制管的長度也應(yīng)有所限制，增加控制管的長度，h損4增加，C1值增加，泄壓腔升壓時間加長，液壓閥將延時關(guān)閉，不利與液壓閥的穩(wěn)定運行。

3.3.3進水壓力及水流狀態(tài)
液壓閥在工作時，其作用力由進水壓力P0引起，進水壓力越低，提升閥芯要求泄壓腔的P1也低，即C1值要小，不利于液壓閥工作。當(dāng)P0較低，泄壓腔泄壓后，活塞式閥芯受到向上的壓力作用不能克服其自身重力和摩擦力時，液壓閥將不能開啟。由于受閥體各部件材料的限制，P0也不能太高。高壓力使閥芯受到的作用力N1N2加大，對閥芯密封圈的磨損增強，影響液壓閥的使用壽命。故液壓閥必須工作在標(biāo)稱壓力范圍內(nèi)。由于水流方向的改變，閥體內(nèi)各部件均受到水流的激烈沖刷，撞擊，必須采取措施，保證閥芯結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，閥芯組成件（密封圈、導(dǎo)向腳、鎖閉螺栓等）位置正確，不松動。

3.3.4水質(zhì)情況
運行要求介質(zhì)為潔凈水，設(shè)計和安裝均能做到使液壓閥進水中不含固體顆粒，不堵塞閥體內(nèi)部的大小通道，不腐蝕液壓閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。但水中溶解性固體棲出，在液壓閥閥體內(nèi)和控制管道內(nèi)結(jié)垢，從而影響閥體的泄壓腔的密封性，增大了閥芯摩擦力f，閥芯運動的作用力增加，同時控制管泄水?dāng)嗝鏈p小，泄壓腔的泄水能力減小，控制管的水頭損失h損4增大，C1值增大，當(dāng)C1值增大到某一程度，活塞式閥芯不能靈活運動，從而使液壓閥失靈。對硬度高，溶解性固體較多的介質(zhì)，需要適當(dāng)加大控制管的管徑并加強對液壓控制閥的運行維護。

4、提高液壓水位控制閥穩(wěn)定運行的方案
4.1針對性選擇液壓閥的型號
應(yīng)針對工作壓力要求、介質(zhì)溫度、介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)等情況，選擇規(guī)格型號材質(zhì)匹配的液壓控制閥。對水質(zhì)硬度較高，容易結(jié)垢的地區(qū)，如貴州等喀斯特地貌地區(qū)，水中含有的碳酸氫蓋在溫度和水力作用下極易結(jié)垢，應(yīng)選擇d1較大的液壓控制閥并適當(dāng)加大控制管的管徑。

4.2合理安裝
選定液壓水位閥控制閥的型號后，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品特性合理安裝。安裝時的注意事項：選擇與液壓閥型號規(guī)格壓力相匹配的連接法蘭；進水管直徑應(yīng)大于或等于閥門公稱通徑，出水口應(yīng)低于浮球閥。浮球閥安裝應(yīng)距離出水管口一米以上且應(yīng)安裝在利于檢修的位置，比如水池的人孔附近；為防止水力松動閥芯結(jié)構(gòu)，應(yīng)對閥芯活塞桿兩端緊固螺母采取防退措施。為防止虹吸倒流，水箱內(nèi)出口管出水口應(yīng)設(shè)置防虹吸小孔或略高于控制水位。為防止噪聲及水位波動，出水口應(yīng)設(shè)置消能筒。使用時，截止閥應(yīng)全開，如同一水池安裝二只以上閥則應(yīng)保持同一水平面。因主閥關(guān)閉要滯后浮球閥關(guān)閉約30～50秒，故水箱要有足夠的空余容積，以防溢水。為防止雜質(zhì)、砂粒進入閥內(nèi)引起工作失靈，閥前應(yīng)裝過濾器。如安裝在地下室水池，則應(yīng)在地下泵房安裝報警裝置。

4.3加強日常維護保養(yǎng)
在安裝液壓閥前，應(yīng)注意將管道沖洗干凈，液壓閥在使用中，應(yīng)視水質(zhì)情況選擇保養(yǎng)時間，一般一年保養(yǎng)一至二次，當(dāng)水質(zhì)清潔度較差時，需適當(dāng)增加保養(yǎng)次數(shù)。具體保養(yǎng)方法如下：
（1）關(guān)閉該閥前的閘閥。
（2）旋下閥蓋上的螺栓。
（3）取出閥門內(nèi)部活塞、活塞桿和導(dǎo)向蓋等。
（4）旋下活塞桿兩端螺母。
（5）拆下壓蓋、密封圈、閥瓣。
（6）拆下導(dǎo)向壓蓋、密封圈、閥瓣。

拆卸后，應(yīng)除去各零件的水垢和各種污物，用鋼絲疏通節(jié)流螺母上小孔，更換已損壞的密封件。裝配順序和拆卸順序相反。

5、結(jié)論
有針對性的選擇液壓水位控制閥的型號，合理安裝，加強液壓水位控制閥的日常維護保養(yǎng)工作，提高液壓水位控制閥的穩(wěn)定性，避免液壓水位控制閥失靈，使其能長期穩(wěn)定運行，保證安全供水。

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