提高液壓水位控制閥穩(wěn)定運(yùn)行性之我見(jiàn)

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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(yùn)行環(huán)境等方面對(duì)影響液壓水位控制閥穩(wěn)定運(yùn)行的因素進(jìn)行分析，提出了提高液壓水位控制閥穩(wěn)定運(yùn)行的改進(jìn)方案。

　　關(guān)鍵詞：液壓水位控制閥 工作原理 穩(wěn)定運(yùn)行 改進(jìn)方案

　　1.引言

　　液壓水位控制閥是一種改進(jìn)了的浮球閥，當(dāng)水池或水塔內(nèi)水位下降，浮球閥開(kāi)啟排水時(shí)，進(jìn)水管內(nèi)有壓力水將閥內(nèi)活塞托起，密封面打開(kāi)，閥門(mén)即開(kāi)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(mén)即停止供水，從而達(dá)到自動(dòng)控制水位的目的。因其不耗電能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝施工方便，適用壓力廣等優(yōu)勢(shì)，在各類清水水池（水箱）的水位自動(dòng)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(fèi)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(jìn)水腔、出水口、活塞式閥芯、泄壓腔、泄壓口等組成。

　　設(shè)進(jìn)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(jìn)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.下面上的說(shuō)明（結(jié)構(gòu)二類似）為例，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(dá)為代數(shù)形式如下：

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

　?。剑≒₀D₂² － P₁D₁²）π/4±f－G＋P₂（D₁²－ D₂²）π/4 ±N

　?。紸±f－G±N＋B……………………………………………………………………（2）

　?。?）式中A＝（P₀D₂² － P₁D₁²）π/4，B＝P₂（D₁²－ D₂²）π/4； f的符號(hào)與A的符號(hào)相反。

　　當(dāng)水池或水塔內(nèi)水位下降，浮球閥開(kāi)啟排水時(shí)，進(jìn)水腔通過(guò)小孔d₁向泄壓腔補(bǔ)水，由于補(bǔ)水孔d₁<泄壓孔d₂，補(bǔ)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(jìn)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(kāi)，液壓閥門(mén)即開(kāi)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(bǔ)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(mén)即停止供水。液壓控制閥在浮球的控制下，從而可以自動(dòng)控制水位。

　　3.影響液壓水位控制閥穩(wěn)定運(yùn)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(shí)，（2）式中D₁、D₂、d₁、d₂G為已知常數(shù)，影響活塞式閥芯運(yùn)動(dòng)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(guò)受力分析可以看出，液壓閥安全可靠的運(yùn)行要求泄壓腔壓力要有適當(dāng)?shù)淖兓?，?dāng)泄壓腔壓力達(dá)到最小時(shí)，閥芯能夠上升到最大開(kāi)啟度位置；如果液壓控制閥的活塞式閥芯堅(jiān)固，能始終保持泄壓腔的密閉并能進(jìn)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(wú)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?？梢?jiàn)泄壓腔的最小壓力C₁是決定液壓閥是否能穩(wěn)定運(yùn)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)的最小壓強(qiáng)C₁為液壓控制閥穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)。當(dāng)液壓控制閥開(kāi)啟度最大，即浮球閥穩(wěn)定放水時(shí)，此時(shí)泄壓腔內(nèi)壓力P₁=C₁.此時(shí)通過(guò)補(bǔ)水小孔，泄水腔、浮球閥出口斷面的流量相等；連接進(jìn)水腔和泄壓腔的通道進(jìn)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(jìn)+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）〕

　?。?gamma;〔（Z_進(jìn)－Z_泄）+P₀/γ+（α₁ν_通²－α₂ν_泄²）/2g－h(huán)_損3〕……………………………（5）

　　ω及下標(biāo)：表示水流對(duì)應(yīng)斷面的面積

　　ν及下標(biāo)：表示水流對(duì)應(yīng)斷面的液體流速

　　Z及下標(biāo)：表示水流對(duì)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(duì)應(yīng)動(dòng)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(yùn)行的因素

　　3.3.1液壓閥自身結(jié)構(gòu)

　　液壓閥要可靠運(yùn)行，要求活塞式閥芯堅(jiān)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(jìn)水腔；泄壓腔與進(jìn)水腔通道小孔暢通。依據(jù)水力學(xué)知識(shí)，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?？梢?jiàn)適當(dāng)減小小孔通道直徑d1有助于降低C1值，浮球閥開(kāi)啟時(shí)，閥芯能迅速上升，打開(kāi)液壓閥。浮球閥關(guān)閉時(shí)，由于補(bǔ)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?。ê捅苊猓┮簤洪y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(guò)小，容易造成孔道堵塞，致使液壓閥開(kāi)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(huì)增加對(duì)開(kāi)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(zhǎng)度?？刂乒軓郊哟?，水流速度將降低，通過(guò)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(yùn)行。控制管的管徑一般在dn15~dn40之間，若控制管的管徑過(guò)大，配套的浮球閥加大，一方面浮球?qū)⒖s小水池的儲(chǔ)水空間，降低水池空間的利用率；另一方面，浮球關(guān)閉時(shí)，泄壓腔升壓時(shí)間加長(zhǎng)，液壓閥將延時(shí)關(guān)閉，需要水池有較大的有效空間才能不浪費(fèi)水資源?？刂乒艿拈L(zhǎng)度也應(yīng)有所限制，增加控制管的長(zhǎng)度，h損4增加，C1值增加，泄壓腔升壓時(shí)間加長(zhǎng)，液壓閥將延時(shí)關(guān)閉，不利與液壓閥的穩(wěn)定運(yùn)行。

　　3.3.3進(jìn)水壓力及水流狀態(tài)

　　液壓閥在工作時(shí)，其作用力由進(jìn)水壓力P0引起，進(jìn)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(shí)，液壓閥將不能開(kāi)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(duì)閥芯密封圈的磨損增強(qiáng)，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(dòng)。

　　3.3.4水質(zhì)情況

　　運(yùn)行要求介質(zhì)為潔凈水，設(shè)計(jì)和安裝均能做到使液壓閥進(jìn)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(yùn)動(dòng)的作用力增加，同時(shí)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(yùn)動(dòng)，從而使液壓閥失靈。對(duì)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(qiáng)對(duì)液壓控制閥的運(yùn)行維護(hù)。

　　4提高液壓水位控制閥穩(wěn)定運(yùn)行的方案

　　4.1針對(duì)性選擇液壓閥的型號(hào)

　　應(yīng)針對(duì)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(hào)材質(zhì)匹配的液壓控制閥。對(duì)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(hào)后，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品特性合理安裝。安裝時(shí)的注意事項(xiàng)：選擇與液壓閥型號(hào)規(guī)格壓力相匹配的連接法蘭；進(jìn)水管直徑應(yīng)大于或等于閥門(mén)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(dòng)閥芯結(jié)構(gòu)，應(yīng)對(duì)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(dòng)，出水口應(yīng)設(shè)置消能筒。使用時(shí)，截止閥應(yīng)全開(kāi)，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(jìn)入閥內(nèi)引起工作失靈，閥前應(yīng)裝過(guò)濾器。如安裝在地下室水池，則應(yīng)在地下泵房安裝報(bào)警裝置。

　　4.3加強(qiáng)日常維護(hù)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(shí)間，一般一年保養(yǎng)一至二次，當(dāng)水質(zhì)清潔度較差時(shí)，需適當(dāng)增加保養(yǎng)次數(shù)。具體保養(yǎng)方法如下：

　?。?）關(guān)閉該閥前的閘閥。

　?。?）旋下閥蓋上的螺栓。

　?。?）取出閥門(mén)內(nèi)部活塞、活塞桿和導(dǎo)向蓋等。

　　（4）旋下活塞桿兩端螺母。

　?。?）拆下壓蓋、密封圈、閥瓣。

　?。?）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(duì)性的選擇液壓水位控制閥的型號(hào)，合理安裝，加強(qiáng)液壓水位控制閥的日常維護(hù)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，使其能高效長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，保證安全供水。

　　參考文獻(xiàn)

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