淺談自力式液位控制閥工作原理與關(guān)閥特性模型計(jì)算

油庫收發(fā)油作業(yè)過程中必須防止跑冒油事故的發(fā)生，以保證灌裝操作的安全。根據(jù)收發(fā)油作業(yè)的現(xiàn)狀及液位自力式控制裝置的應(yīng)用情況，研制了一種*依靠輸送流體自身壓力控制調(diào)節(jié)閥動作的全機(jī)械式結(jié)構(gòu)裝置。該裝置在罐車液位到達(dá)安全線時(shí)能及時(shí)自動關(guān)閉閥門，在關(guān)閉閥門時(shí)能減小水擊危害。
一、工作原理
    閥門（圖1）的開啟或關(guān)閉狀態(tài)主要由主閥芯受力狀態(tài)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(yè)。當(dāng)接受油料的罐車液位到達(dá)設(shè)定的控制液位時(shí)，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(nèi)腔建立與外腔一致的流體壓力，主閥芯在彈簧力作用下關(guān)閉，完成整個(gè)液位控制過程，主閥芯的下降速度與小孔泄流流量相適應(yīng)。
    在主閥開始工作后，外部壓力流體經(jīng)小孔泄流后進(jìn)入主閥的環(huán)形腔內(nèi)及其他空間間隙，環(huán)形間隙的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得流體的流動具有很大的阻力，同時(shí)介質(zhì)的工況不同將造成閥門關(guān)閉時(shí)間的不一致。

二、關(guān)閥特性分析模型
    1、關(guān)閥時(shí)間
    在實(shí)際流動過程中，閥門內(nèi)部流道的流動狀態(tài)是三維的，由于控制裝置采用內(nèi)外腔套層的結(jié)構(gòu)形式，其內(nèi)部的泄流間隙很小，可近似認(rèn)為其流動狀態(tài)為層流（圖2）。則由不可壓縮流體本構(gòu)方程—廣義牛頓內(nèi)摩擦定律和納維斯-斯托克斯方程。可以得到環(huán)形間隙中流體的流量Q為

    忽略流體介質(zhì)回流的影響，則閥芯受彈簧變形產(chǎn)生的壓力P₁為

    節(jié)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(huán)形縫隙的壓差ΔP為

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

    聯(lián)立以上各公式，積分后求得閥門的關(guān)閉時(shí)間為:

    2、運(yùn)動機(jī)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(gè)閥門關(guān)閉時(shí)間的長短及水擊危害的大小有重大影響。閥門關(guān)閉過程中，閥門開度的變化對整個(gè)流體的流動方程及阻尼系數(shù)有重大影響。閥門的關(guān)閉特性隨著時(shí)間而改變，由水力學(xué)知識可以得到其阻力特性ΔH為

    閥芯的運(yùn)動過程應(yīng)是先在減速正流中緩慢關(guān)小，在加速逆流中加速關(guān)小，在關(guān)閉的瞬間流體流速突變?yōu)?，即將產(chǎn)生水擊。其運(yùn)動方程為

    在關(guān)閥過程中閥芯的移動速度V可以表示為

三、編程計(jì)算關(guān)閥特性
    由于采用手工方法計(jì)算工作量很大，所以采用VB6.0編程語言計(jì)算（圖3）。計(jì)算得到關(guān)閥時(shí)間t=3.62_s。閥芯移動速度值如表1所示。
四、結(jié)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(tǒng)的安全。該裝置在實(shí)際應(yīng)用過程中需要考慮其關(guān)閥時(shí)間，分析其啟閉特性，通過建立數(shù)學(xué)模型和用VB610編制程序計(jì)算，可以準(zhǔn)確得到關(guān)閥時(shí)間及閥芯的運(yùn)動速度，以便更好地適應(yīng)工況條件。

    符號說明
    Q———環(huán)形間隙內(nèi)的流體流量，m³/h
    L———環(huán)形間隙的長度，m
    ΔP———作用在L范圍內(nèi)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(jié)流孔處的起始真空度，MPa
    x1———主閥的上限開度
    K———由實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬和的線系數(shù)
    ζ———阻力系數(shù)，取決于閥的結(jié)構(gòu)、口徑和開度
    ω———閥門通道的截面積