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提高液压水位控制阀稳定运行性之我见
 
慧聪网   2005年9月14日11时21分      

    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,见图1

液压阀主体结构示意图

图1 液压阀主体结构示意图

    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:

液压阀阀芯受力示意图

图2 液压阀阀芯受力示意图

    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

液压水位控制阀安装示意图1

液压水位控制阀安装示意图2

图3 液压水位控制阀安装示意图

    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≤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(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:

    ων=ων=ων

    d12ν=D12ν=d2ν……………………(3)

    Z+P/γ +α1ν2/2g=Z+P1/γ +α2ν2/2g+h损1=Z+P/γ+α3ν2/2g+h损2……………………(4)

    整理上式,推导得:

    P1=C1=γ((Z-Z)+P/γ+(α3ν2-α2ν2)/2g+(h损2-h损1))

    =γ((Z-Z)+P/γ+(α3ν2-α2ν2)/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

    液压阀在工作时,其作用力由进水压力P0引起,进水压力越低,提升阀芯要求泄压腔的P1也低,即C1值要小,不利于液压阀工作。当P0较低,泄压腔泄压后,活塞式阀芯受到向上的压力作用不能克服其自身重力和摩擦力时,液压阀将不能开启。由于受阀体各部件材料的限制,P0也不能太高。高压力使阀芯受到的作用力N1N2加大,对阀芯密封圈的磨损增强,影响液压阀的使用寿命。故液压阀必须工作在标称压力范围内。由于水流方向的改变,阀体内各部件均受到水流的激烈冲刷,撞击,必须采取措施,保证阀芯结构稳定,阀芯组成件(密封圈、导向脚、锁闭螺栓等)位置正确,不松动。

    3.3.4水质情况

    运行要求介质为洁净水,设计和安装均能做到使液压阀进水中不含固体颗粒,不堵塞阀体内部的大小通道,不腐蚀液压阀的内部结构。但水中溶解性固体栖出,在液压阀阀体内和控制管道内结垢,从而影响阀体的泄压腔的密封性,增大了阀芯摩擦力f,阀芯运动的作用力增加,同时控制管泄水断面减小,泄压腔的泄水能力减小,控制管的水头损失h损4增大,C1值增大,当C1值增大到某一程度,活塞式阀芯不能灵活运动,从而使液压阀失灵。对硬度高,溶解性固体较多的介质,需要适当加大控制管的管径并加强对液压控制阀的运行维护。

    4、提高液压水位控制阀稳定运行的方案

    4.1针对性选择液压阀的型号

    应针对工作压力要求、介质温度、介质的物理化学性质等情况,选择规格型号材质匹配的液压控制阀。对水质硬度较高,容易结垢的地区,如贵州等喀斯特地貌地区,水中含有的碳酸氢盖在温度和水力作用下极易结垢,应选择d1较大的液压控制阀并适当加大控制管的管径。

    4.2合理安装

    选定液压水位阀控制阀的型号后,应根据产品特性合理安装。安装时的注意事项:选择与液压阀型号规格压力相匹配的连接法兰;进水管直径应大于或等于阀门公称通径,出水口应低于浮球阀。浮球阀安装应距离出水管口一米以上且应安装在利于检修的位置,比如水池的人孔附近;为防止水力松动阀芯结构,应对阀芯活塞杆两端紧固螺母采取防退措施。为防止虹吸倒流,水箱内出口管出水口应设置防虹吸小孔或略高于控制水位。为防止噪声及水位波动,出水口应设置消能筒。使用时,截止阀应全开,如同一水池安装二只以上阀则应保持同一水平面。因主阀关闭要滞后浮球阀关闭约30~50秒,故水箱要有足够的空余容积,以防溢水。为防止杂质、砂粒进入阀内引起工作失灵,阀前应装过滤器。如安装在地下室水池,则应在地下泵房安装报警装置。

    4.3加强日常维护保养

    在安装液压阀前,应注意将管道冲洗干净,液压阀在使用中,应视水质情况选择保养时间,一般一年保养一至二次,当水质清洁度较差时,需适当增加保养次数。具体保养方法如下:

    (1)关闭该阀前的闸阀。

    (2)旋下阀盖上的螺栓。

    (3)取出阀门内部活塞、活塞杆和导向盖等。

    (4)旋下活塞杆两端螺母。

    (5)拆下压盖、密封圈、阀瓣。

    (6)拆下导向压盖、密封圈、阀瓣。

    拆卸后,应除去各零件的水垢和各种污物,用钢丝疏通节流螺母上小孔,更换已损坏的密封件。装配顺序和拆卸顺序相反。

    5、结论

    有针对性的选择液压水位控制阀的型号,合理安装,加强液压水位控制阀的日常维护保养工作,提高液压水位控制阀的稳定性,避免液压水位控制阀失灵,使其能高效长期稳定运行,保证安全供水。

    参考文献

    [1] 核工业第二设计研究院。给水排水设计手册。中国建筑工业出版社,2001年。

    [2] 给水工程。中国建筑工业出版社,1995年。

    [3] 西南交通大学水力学教研室。水力学。西安建筑科技大学,1983年。

    [4] 王永辉,黄廷林。水物理化学。西北工业大学出版社,1993年。

    作者简介:张红(1977.1-),男,大学本科,助理工程师。

 
作者:张红 
 
 
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