浅谈自力式液位控制阀工作原理与关阀特性模型计算

    油库收发油作业过程中必须防止跑冒油事故的发生，以保证灌装操作的安全。根据收发油作业的现状及液位自力式控制装置的应用情况，研制了一种完全依靠输送流体自身压力控制调节阀动作的全机械式结构装置。该装置在罐车液位到达安全线时能及时自动关闭阀门，在关闭阀门时能减小水击危害。
一、工作原理
    阀门（图1）的开启或关闭状态主要由主阀芯受力状态及弹簧的变形情况决定。其影响因素主要有流体压力、有效通径及阀门的泄漏情况。在主阀尚未开启的情况下，外腔体即主阀芯下部的流体压力近似为泵的出口压力，该压力所形成的向上作用力大于弹簧的弹性力，主阀开启，开始正常的灌装作业。当接受油料的罐车液位到达设定的控制液位时，浮筒上升堵塞控制油路通往受油装置的出流小孔，从而在控制装置内腔建立与外腔一致的流体压力，主阀芯在弹簧力作用下关闭，完成整个液位控制过程，主阀芯的下降速度与小孔泄流流量相适应。
    在主阀开始工作后，外部压力流体经小孔泄流后进入主阀的环形腔内及其他空间间隙，环形间隙的结构特点使得流体的流动具有很大的阻力，同时介质的工况不同将造成阀门关闭时间的不一致。

二、关阀特性分析模型
    1、关阀时间
    在实际流动过程中，阀门内部流道的流动状态是三维的，由于控制装置采用内外腔套层的结构形式，其内部的泄流间隙很小，可近似认为其流动状态为层流（图2）。则由不可压缩流体本构方程—广义牛顿内摩擦定律和纳维斯-斯托克斯方程。可以得到环形间隙中流体的流量Q为

    忽略流体介质回流的影响，则阀芯受弹簧变形产生的压力P₁为

    节流孔处的压力P₂变化随主阀开度的变化而变化。
    P₂=P_av+K（x₁-x）                           （3）
    则环形缝隙的压差ΔP为

    由于自力式液位控制装置与液位开关配合使用起到控制液位的作用，由质量守恒定律和阿基米德定理可知，当浮筒液位变化了d_x时

    联立以上各公式，积分后求得阀门的关闭时间为:

    2、运动机理
    自力式液位控制装置的主要元件是差动控制阀，它对整个阀门关闭时间的长短及水击危害的大小有重大影响。阀门关闭过程中，阀门开度的变化对整个流体的流动方程及阻尼系数有重大影响。阀门的关闭特性随着时间而改变，由水力学知识可以得到其阻力特性ΔH为

    阀芯的运动过程应是先在减速正流中缓慢关小，在加速逆流中加速关小，在关闭的瞬间流体流速突变为0，即将产生水击。其运动方程为

    在关阀过程中阀芯的移动速度V可以表示为

三、编程计算关阀特性
    由于采用手工方法计算工作量很大，所以采用VB6.0编程语言计算（图3）。计算得到关阀时间t=3.62_s。阀芯移动速度值如表1所示。
四、结论
    自力式液位控制阀依靠输送流体自身压力控制阀门动作，保证了油料灌装和收油


    系统的安全。该装置在实际应用过程中需要考虑其关阀时间，分析其启闭特性，通过建立数学模型和用VB610编制程序计算，可以准确得到关阀时间及阀芯的运动速度，以便更好地适应工况条件。

    符号说明
    Q———环形间隙内的流体流量，m³/h
    L———环形间隙的长度，m
    ΔP———作用在L范围内的压差，MPa
    μ———流体的动力粘度，Pa·s
    r1，r2———表示层流断面的半径，分别为d1，d2的1/2，m
    k———弹簧的刚度
    d———主阀芯的基本宽度，mm
    x———主阀的开度，mm
    Δx———弹簧的变形量，mm
    Pav———节流孔处的起始真空度，MPa
    x1———主阀的上限开度
    K———由实验结果拟和的线系数
    ζ———阻力系数，取决于阀的结构、口径和开度
    ω———阀门通道的截面积

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