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。
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。分析活塞式阀芯的受力情况如下：
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
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，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进＋P０／γ ＋α1ν通2／2g＝Z泄＋P1／γ ＋α2ν泄2／2g＋h损1＝Z球＋P球／γ＋α3ν球2／2g＋h损2……………………（4）
整理上式，推导得：
P1＝C1＝γ((Z球－Z泄)＋P球／γ＋(α3ν球2－α2ν泄2)／2g＋(h损2－h损1))
＝γ((Z球－Z泄)＋P０／γ＋(α3ν球2－α2ν泄2)／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。
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