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自力式液位控制閥關(guān)閥時間模型及計算

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

符號 說 明

Q ———環(huán)形間隙內(nèi)的流體流量 , m 3 /h

L ———環(huán)形間隙的長度 , m

Δ P ———作用在 L 范圍內(nèi)的壓差 , MPa

μ———流體的動力粘度 , 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 ———主閥的上限開度

K ———由實驗結(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

1  概述

    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 , 研制了一種完全依靠輸送流體自身壓力控制閥門動作的全機械式結(jié)構(gòu)裝置。該裝置在罐車液位到達(dá)安全線時能及時自動關(guān)閉閥門 ,在關(guān)閉閥門時能減小水擊危害。

2  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 , 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)特點使得流體的流動具有很大的阻力 , 同時介質(zhì)的工況不同將造成閥門關(guān)閉時間的不一致。

3  關(guān)閥特性分析模型

3.1  關(guān)閥時間

    在實際流動過程中 , 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?？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

聯(lián)立以上各公式 , 積分后求得閥門的關(guān)閉時間為

3.2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(guān)閉時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)閉特性隨著時間而改變 , 由水力學(xué)知識可以得到其阻力特性Δ H 為

    閥芯的運動過程應(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)?/span> 0 , 即將產(chǎn)生水擊。其運動方程為

    在關(guān)閥過程中閥芯的移動速度 V 可以表示為

    在關(guān)閥過程中閥芯的移動速度 V 可以表示為

4  編程計算關(guān)閥特性

    由于采用手工方法計算工作量很大 , 所以采用VB 6 1 0 編程語言計算 ( 圖3)。計算得到關(guān)閥時間t =3 1 62s 。閥芯移動速度值如表 1 所示。5  結(jié)語

    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。該裝置在實際應(yīng)用過程中需要考慮其關(guān)閥時間 , 分析其啟閉特性 , 通過建立數(shù)學(xué)模型和用 VB 6 1 0 編制程序計算 , 可以準(zhǔn)確得到關(guān)閥時間及閥芯的運動速度 , 以便更好地適應(yīng)工況條件。

參 考 文 獻(xiàn)

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〔 3 〕 　齊鄂榮 , 曾玉紅 . 工程流體力學(xué) 〔 M 〕 . 湖北 : 武漢大學(xué)出版社 ,2005 : 380 - 382.

〔 4 〕 　金忠青 . N - S 方程的數(shù)值解與紊流模擬 〔 M 〕 . 河北 : 河海大學(xué)出版社 ,1989 : 206 - 208.

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( 收稿日期 : 2007 112 121)