淺談自力式液位控制閥工作原理與關閥特性模型計算

油庫收發油作業過程中必須防止跑冒油事故的發生，以保證灌裝操作的安全。根據收發油作業的現狀及液位自力式控制裝置的應用情況，研制了一種*依靠輸送流體自身壓力控制調節閥動作的全機械式結構裝置。該裝置在罐車液位到達安全線時能及時自動關閉閥門，在關閉閥門時能減小水擊危害。
一、工作原理
    閥門（圖1）的開啟或關閉狀態主要由主閥芯受力狀態及彈簧的變形情況決定。其影響因素主要有流體壓力、有效通徑及閥門的泄漏情況。在主閥尚未開啟的情況下，外腔體即主閥芯下部的流體壓力近似為泵的出口壓力，該壓力所形成的向上作用力大于彈簧的彈性力，主閥開啟，開始正常的灌裝作業。當接受油料的罐車液位到達設定的控制液位時，浮筒上升堵塞控制油路通往受油裝置的出流小孔，從而在控制裝置內腔建立與外腔一致的流體壓力，主閥芯在彈簧力作用下關閉，完成整個液位控制過程，主閥芯的下降速度與小孔泄流流量相適應。
    在主閥開始工作后，外部壓力流體經小孔泄流后進入主閥的環形腔內及其他空間間隙，環形間隙的結構特點使得流體的流動具有很大的阻力，同時介質的工況不同將造成閥門關閉時間的不一致。

二、關閥特性分析模型
    1、關閥時間
    在實際流動過程中，閥門內部流道的流動狀態是三維的，由于控制裝置采用內外腔套層的結構形式，其內部的泄流間隙很小，可近似認為其流動狀態為層流（圖2）。則由不可壓縮流體本構方程—廣義牛頓內摩擦定律和納維斯-斯托克斯方程?？梢缘玫江h形間隙中流體的流量Q為

    忽略流體介質回流的影響，則閥芯受彈簧變形產生的壓力P₁為

    節流孔處的壓力P₂變化隨主閥開度的變化而變化。
    P₂=P_av+K（x₁-x）                           （3）
    則環形縫隙的壓差ΔP為

    由于自力式液位控制裝置與液位開關配合使用起到控制液位的作用，由質量守恒定律和阿基米德定理可知，當浮筒液位變化了d_x時

    聯立以上各公式，積分后求得閥門的關閉時間為:

    2、運動機理
    自力式液位控制裝置的主要元件是差動控制閥，它對整個閥門關閉時間的長短及水擊危害的大小有重大影響。閥門關閉過程中，閥門開度的變化對整個流體的流動方程及阻尼系數有重大影響。閥門的關閉特性隨著時間而改變，由水力學知識可以得到其阻力特性ΔH為

    閥芯的運動過程應是先在減速正流中緩慢關小，在加速逆流中加速關小，在關閉的瞬間流體流速突變為0，即將產生水擊。其運動方程為

    在關閥過程中閥芯的移動速度V可以表示為

三、編程計算關閥特性
    由于采用手工方法計算工作量很大，所以采用VB6.0編程語言計算（圖3）。計算得到關閥時間t=3.62_s。閥芯移動速度值如表1所示。
四、結論
    自力式液位控制閥依靠輸送流體自身壓力控制閥門動作，保證了油料灌裝和收油


    系統的安全。該裝置在實際應用過程中需要考慮其關閥時間，分析其啟閉特性，通過建立數學模型和用VB610編制程序計算，可以準確得到關閥時間及閥芯的運動速度，以便更好地適應工況條件。

    符號說明
    Q———環形間隙內的流體流量，m³/h
    L———環形間隙的長度，m
    ΔP———作用在L范圍內的壓差，MPa
    μ———流體的動力粘度，Pa·s
    r1，r2———表示層流斷面的半徑，分別為d1，d2的1/2，m
    k———彈簧的剛度
    d———主閥芯的基本寬度，mm
    x———主閥的開度，mm
    Δx———彈簧的變形量，mm
    Pav———節流孔處的起始真空度，MPa
    x1———主閥的上限開度
    K———由實驗結果擬和的線系數
    ζ———阻力系數，取決于閥的結構、口徑和開度
    ω———閥門通道的截面積