自力式液位控制閥關(guān)閥時(shí)間模型及計(jì)算

摘要：介紹了自力式液位控制裝置的工作原理和性能。通過(guò)建立關(guān)閥時(shí)間的數(shù)學(xué)模型,編制計(jì)算程序求解了關(guān)閥時(shí)間。

符號(hào) 說(shuō) 明

Q ———環(huán)形間隙內(nèi)的流體流量 , m 3 /h

L ———環(huán)形間隙的長(zhǎng)度 , m

Δ P ———作用在 L 范圍內(nèi)的壓差 , MPa

μ———流體的動(dòng)力粘度 , Pa · s

r 1 , r 2 ———表示層流斷面的半徑 , 分別為 d 1 , d 2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(kāi)度 , mm

Δ x ———彈簧的變形量 , mm

P av ———節(jié)流孔處的起始真空度 , MPa

x 1 ———主閥的上限開(kāi)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(kāi)度

ω———閥門(mén)通道的截面積

1  概述

    油庫(kù)收發(fā)油作業(yè)過(guò)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 , 研制了一種完全依靠輸送流體自身壓力控制閥門(mén)動(dòng)作的全機(jī)械式結(jié)構(gòu)裝置。該裝置在罐車(chē)液位到達(dá)安全線時(shí)能及時(shí)自動(dòng)關(guān)閉閥門(mén) ,在關(guān)閉閥門(mén)時(shí)能減小水擊危害。

2  工作原理

    閥門(mén) ( 圖1)的開(kāi)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(mén)的泄漏情況。在主閥尚未開(kāi)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(kāi)啟 , 開(kāi)始正常的灌裝作業(yè)。當(dāng)接受油料的罐車(chē)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(guò)程 , 主閥芯的下降速度與小孔泄流流量相適應(yīng)。

    在主閥開(kāi)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(dòng)具有很大的阻力 , 同時(shí)介質(zhì)的工況不同將造成閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間的不一致。

3  關(guān)閥特性分析模型

3.1  關(guān)閥時(shí)間

    在實(shí)際流動(dòng)過(guò)程中 , 閥門(mén)內(nèi)部流道的流動(dòng)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(dòng)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?？梢缘玫江h(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P 1 為

    節(jié)流孔處的壓力 P 2 變化隨主閥開(kāi)度的變化而變化。

 P 2 = P av + K ( x 1 -x)                    (3)

    則環(huán)形縫隙的壓差Δ P 為

    由于自力式液位控制裝置與液位開(kāi)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(mén)的關(guān)閉時(shí)間為

3.2運(yùn)動(dòng)機(jī)理

    自力式液位控制裝置的主要元件是差動(dòng)控制閥, 它對(duì)整個(gè)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間的長(zhǎng)短及水擊危害的大小有重大影響。閥門(mén)關(guān)閉過(guò)程中 , 閥門(mén)開(kāi)度的變化對(duì)整個(gè)流體的流動(dòng)方程及阻尼系數(shù)有重大影響。閥門(mén)的關(guān)閉特性隨著時(shí)間而改變 , 由水力學(xué)知識(shí)可以得到其阻力特性Δ H 為

    閥芯的運(yùn)動(dòng)過(guò)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)?/span> 0 , 即將產(chǎn)生水擊。其運(yùn)動(dòng)方程為

    在關(guān)閥過(guò)程中閥芯的移動(dòng)速度 V 可以表示為

    在關(guān)閥過(guò)程中閥芯的移動(dòng)速度 V 可以表示為

4  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VB 6 1 0 編程語(yǔ)言計(jì)算 ( 圖3)。計(jì)算得到關(guān)閥時(shí)間t =3 1 62s 。閥芯移動(dòng)速度值如表 1 所示。5  結(jié)語(yǔ)

    自力式液位控制閥依靠輸送流體自身壓力控制閥門(mén)動(dòng)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(guò)程中需要考慮其關(guān)閥時(shí)間 , 分析其啟閉特性 , 通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型和用 VB 6 1 0 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(dòng)速度 , 以便更好地適應(yīng)工況條件。

參 考 文 獻(xiàn)

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( 收稿日期 : 2007 112 121)