專利名稱：用于改變閥轉矩的差動螺桿組件的制作方法
技術領域：
本發明大體上涉及閥促動器。更具體而言，本發明涉及具有變化施加轉矩的閥促動器。
背景技術：
用于油田鉆探和生產的多種設備或工具都具有螺紋部件，這些部件當處于負載下時相對于彼此旋轉。例如，閘閥通常用于油氣生產控制設備。閘閥具有帶腔的本體。流動通道橫穿該腔。閘相對于流動通道在開啟位置與關閉位置之間移動。閘閥必須在處于可能非常高的流線壓カ時能夠從關閉位置移動至開啟位置。閘通過桿而移動，該桿可為升桿或非升桿。升桿隨螺母旋轉而沿軸向移動。對于非升類型，在被旋轉時桿保持沿軸向靜止。在兩種類型中桿都有螺紋并接合帶螺紋的螺母或驅動襯套(bushing)。流線壓カ迫使閘緊密地抵靠閥座。在該對接面處的摩擦カ必須得以克服以便將閘從關閉位置移動至開啟位置， 反之亦然。
發明內容
本文公開了ー種用于促動閥的設備，其中對于促動閥的阻力集中于閥沖程的一部分中。在示例性實施例中，閥促動器包括環形促動器螺母，其在外表面上有螺紋。該螺母包括位于內表面上的螺紋，內表面上的螺紋與外表面上的螺紋定向在相同方向上。此外，內表面上的螺紋比外表面上的螺紋具有更大的螺距。還包括的是閂鎖套筒，其環繞促動器螺母的一部分，且可沿閥促動器的軸線移動。該設備還具有聯動件，該聯動件附接到促動器螺母上且包括與閂鎖套筒外表面上的螺紋相接合的螺紋。型面(或輪廓，profile)在閂鎖套筒的內表面上，其中一部分限定用于控制桿(lever)的接合部分而另一部分限定脫離部分。所包括的控制桿可在型面內滑動。該設備具有螺接到促動器螺母外表面上的套圈，其在控制桿處于型面的接合部分時可相對于促動器螺母旋轉而在控制桿處于型面的脫離部分時可與促動器螺母一起旋轉。閥桿通過促動器螺母內表面上的螺紋進行組裝。在備選實施例中，聯動件具有環形升降螺母，其內表面上的螺紋接合閂鎖套筒外表面上的螺紋。可選的是，管狀殼體可伸縮地安裝到升降螺母的一部分上，且端壁附接到促動器螺母上。可選的是，鍵可附接到殼體的內表面上，其中在一個實例中，鍵突入升降螺母外表面上的軸向槽ロ中，以便升降螺母和殼體相對于彼此旋轉地聯接且能夠沿軸向滑動。通過使促動器螺母旋轉，閂鎖套筒和型面沿軸向移動越過控制桿。作為備選，提供了從套圈外表面沿徑向向外凸出的凸脊，凹部可形成在凸脊中以便接合控制桿。內套筒可設置在促動器螺母與閂鎖套筒之間的環形空間中。進ー步可選的是，唇部(IiP)從內套筒的外表面沿徑向向外凸出。在唇部上可包括控制桿聯接于其上的樞軸銷。在備選實施例中，當控制桿處于型面的接合部分時，輸入至促動器螺母的轉矩以一定的力/轉矩比在閥桿上產生力，該力/轉矩比大于當控制桿處于型面的脫離部分時的力/轉矩比。在另ー備選實施例中，當控制桿處于型面的脫離部分時，促動器螺母的每次回轉使閥桿以一定的回轉/位移比而移動一定的增量距離，該回轉/位移比大于當控制桿處于型面的接合部分時的回轉/位移比。可選的是，在型面中位于接合部分與脫離部分之間包括過渡部分，以便在閂鎖套筒相對于套圈沿軸向移動吋，套圈有選擇地在接合構型與脫離構型之間變化。
圖I為根據本公開內容的處于關閉位置的閥促動器和閥的實施例的側截面視圖。圖2為沿線2-2截取的圖I中的閥促動器的截面視圖。圖3為閥處于部分開啟/關閉位置的圖I中的閥促動器和閥的側截面視圖。圖4為閥處于開啟位置的圖I中的閥促動器和閥的側截面視圖。圖5為沿線5-5截取的圖4中的閥促動器的截面視圖。
具體實施例方式現將在下文參照其中示出實施例的附圖來更為完整地描述本公開內容的設備及方法。然而，本公開內容的該主題可體現為許多不同的形式且不應當看作是限于如在文中闡述的所示實施例；確切而言，這些實施例提供為使得本公開內容將為詳盡和完全的，且將向本領域的技術人員完整地告知本發明的范圍。相似的標號貫穿全文表示相似的元件。為了便于參看附圖，方向用語僅用于參照和圖示。例如，方向用語如"上"、"下"、"上方"、"下方"等用于示出相關位置。應當理解的是，本公開內容的主題不限于所示和描述的構造、操作、準確材料或實施例的精確細節，因為修改和等同方案對于本領域的技術人員將是顯而易見的。在附圖和說明書中，公開了本公開內容的示例性實施例，且盡管使用了專用用語，但它們僅用于一般性和描述性的含義而并非為了限制的目的。因此，本公開內容僅由所附權利要求的范圍來限制。在圖I的側截面視圖中示出了聯接到閥22上的閥促動器組件20的實施例。閥促動器組件20由上端封閉而下端開啟的圓柱形殼體24構成。手輪26示為設置在殼體24A的封閉端上，包括圓形外手柄和從手柄沿徑向向內凸出的輻條。輻條會聚至促動器螺母28的外周，該外周示為與閥促動器組件20的軸線Ax大致同軸。促動器螺母28為具有形成在其外表面和內表面上的螺紋30，32的管狀部件。外表面上的螺紋30沿與內表面上的螺紋32相反的方向延伸。環形套圈34外接促動器螺母28的一部分，且包括示為從套圈34的外表面向外突出的徑向凸脊35。套圈34的內圓周具有螺紋36，其接合促動器螺母28外表面上的螺紋30。長形的圓柱形上桿38以螺紋方式插入促動器螺母28內，在圖I的實施例中該上桿38示為具有設置成鄰近套圈34上端的上端。上桿38的下端上的開ロ示為接收閥桿39的上端，如將在下文中更為詳細描述，該閥桿39與閥22的構件相聯。上桿38的下端和閥桿39示為由開孔42外接(或限定范圍)，該開孔42與軸線Ax同軸且形成為穿過閥促動器組件20下端上的凸緣安裝座44。凸緣安裝座44的外圓周在其下端處増大，以提供用于螺栓(未示出)插入的安裝表面來將凸緣安裝座44組裝到閥帽(bonnet)上。環形內套筒46從凸緣安裝座44向上凸出并進入促動器殼體24與促動器螺母28之間的空間中。內套筒46的上端終止于剛好位于套圈34的上端上方的位置處。徑向唇部48在徑向帶環(band) 35與套圈34下端之間的高度處從內套筒46的外表面沿徑向向外凸出。上軸承組件50和下軸承組件51示為處在內套筒46與套圈34之間的環形空間中且位于徑向帶環35的相應上表面和下表面上。下軸承組件51設置在形成于內套筒46的內表面上的凹ロ(recess)內。示為螺紋接合在套圈34上端的鎖緊螺母52在其上端設有外徑向凸緣，用于將位于鎖緊螺母52與凹ロ之間的軸承組件50保持在內套筒46的內圓周中。軸承組件50，51的存在容許套圈34與內套筒46之間的相對旋轉。仍參看圖I中的實施例，圓柱形樞軸銷54從徑向唇部48的上表面沿軸向凸出。控制桿56安裝在銷54上且定向為橫向于軸線Ax，控制桿56可圍繞樞軸銷54旋轉且如將在下文更為詳細描述那樣有選擇地鎖定套圈34，使其在促動器螺母28旋轉的情況下保持靜止。孔ロ 57提供為穿過內套筒46的側壁，控制桿56延伸穿過該側壁并有選擇地接觸徑向帶環35。控制桿56的與其接觸徑向帶環35的位置相反一端示為設置在閂鎖套筒59的內圓周中的槽ロ 58內。圖I中的閂鎖套筒59為環形部件，其外接內套筒46的上部和促動器螺母28的一部分。槽ロ 58包括構成槽ロ 58上部的脫離部分60，以及構成槽ロ 58下部的接合部分61。過渡部62包括在槽ロ 58內，連接脫離部分60和接合部分61。過渡部62包括彎曲部分且沿與軸線Ax傾斜的路徑形成。脫離部分60和接合部分61分別與軸線Ax大 致平行，但相對于軸線Ax彼此偏離一定角度。圖I中還示出了形成在閂鎖套筒59下端和外表面上的螺紋64。螺紋64沿向上至過渡部66的一部分延伸，其中，閂鎖套筒59的外徑在過渡部66處減小。螺紋64接觸形成在環形升降螺母69的內圓周上的螺紋68。升降螺母69提供在殼體24與閂鎖套筒59之間的環形空間中。鍵70示為安裝到殼體24的內表面中，沿徑向向內凸入槽ロ 71中，該槽ロ71在升降螺母69的外表面上沿軸向延伸。鍵70和槽ロ 71聯接殼體24和升降螺母69，故升降螺母69或殼體24中的ー個的旋轉可相應地使另一部件旋轉。軸承72提供成容許升降螺母69相對于內套筒46旋轉且在一定高度沿軸向鎖定升降螺母69。鍵76安裝在閂鎖套筒59的內圓周處且鄰近其下端，沿徑向向內凸出到槽ロ 78，該槽ロ 78示為沿內套筒46的外表面軸向地延伸。因此，閂鎖套筒59限于相對于內套筒46的軸向移動，因為鍵76和槽ロ 78防止了閂鎖套筒59與內套筒46之間的相對旋轉。仍參看圖1，閥22包括示為可滑動地設置在閥體84內的具有開ロ 82的閘80。通道86處于本體84中且定向成橫向于閘80的長形側。如圖所示，閘80的實心部分阻擋通道86，從而使閥22處于關閉構型。平衡桿87附接在閘80的與閥桿39相反的ー側上。在示例性實施例中，平衡桿87與閥桿39的相同。平衡桿87可抵消由閥桿39所施加的力，且可在閥體腔中降到最低或在附接到閥體84下部上的插入件(未示出)上。現在參看圖2，示出了沿線2-2截取的閥促動器組件20的截面視圖，其示出了在控制桿56與套圈34之間的接合。圖2的實施例中還提供了凹部88，其形成在套圈34的徑向帶環35內。每個控制桿56的一端在凹部88內接觸徑向帶環35。每個桿56的相反端在由槽ロ 58的接合部分61所形成的空間內接觸閂鎖套筒59。由控制桿56的相反兩端在凹部88和接合部分61內的同時接觸將套圈34聯接到內套筒46上。因此通過使手輪26圍繞軸線Ax旋轉，殼體24和升降螺母69與促動器螺母28 —起旋轉。如上文指出那樣，螺紋32，40在方向上與螺紋30，36相同。因此，向下推動上桿38的手輪26旋轉方向也產生了反作用力，其向上抵靠促動器螺母28井向下指向套圈34。通過將螺紋32，40的螺距設置為大于螺紋30，36的螺距，上桿38在開孔42內向下移動，但手輪26每次回轉的增量以螺紋30，36的螺距而減小。差動螺紋螺距還導致在手輪26處提供相同輸入轉矩的情況下施加到上桿38上的輸出力比如果不包括套圈34的情況更大。出于文中闡述的目的，這稱為差動螺桿構型。如上文所述，當閥22處于圖I中的關閉位置時，用于開啟閥的促動カ比在初始階段更大且隨著閥變為開啟而減小。現在參看圖3，閥促動器組件20的示例性實施例示為與閥22相結合，其中，上桿38已在開孔42內相對于其在圖I中的位置向下移動。相應地，閘80在閥體84內移動，故閘80內的開ロ 82與通道86部分地對準。用于將閘80從其在圖I中的位置重新定位至在圖3中的部分開啟位置所需的カ大于完全開啟閥22的力。因此，為了獲得閥22的該促動階段的機械優點，促動器組件20處于差動螺桿構型。本文所述的裝置提供了從差動螺桿構型至直接傳動構型的無縫轉換的優點。當在構型之間變化吋，控制桿56在過渡槽ロ 62內且開始與套圈34脫離(或脫離接合)。因此，手輪26的附加旋轉將不會經歷圖I中的差動螺距形態(figuration)，而取而代之的是套圈34與閂鎖套筒59脫離并不再相對于促動器螺母28旋轉，而代替的是與促動器螺母28 —起旋轉。當處于直接傳動構型吋，沿軸向推動上桿38 —定的増量距離，其中手輪26的毎次旋轉大致等于螺紋32，40的螺距。如圖4中的側截面視圖所示，手輪26的進ー步旋轉可用于向下驅動上桿38和下·桿39，直到閘80在閥體84內移動以使開ロ 82與通道86對準。在該構型中，閥22處于開啟位置，使得流體可流經閥體84。在圖3和圖4的實施例中，殼體24示為已由促動器螺母28與套圈34之間的相互作用而相對于升降螺母向上移動。聯接在殼體24與升降螺母69之間的鍵70和槽ロ 71容許這兩個部件之間的相對豎向運動。此外，應當指出的是，閂鎖套筒59與升降螺母69之間的螺紋連接使閂鎖套筒59在升降螺母69內往復運動；方向取決于手輪26的旋轉方向。使閂鎖套筒59往復運動繼而又使槽ロ 58相對于控制桿56沿軸向移動。當槽ロ 58移動使得控制桿56接合脫離部分60吋，控制桿56從其在凹部88中與徑向帶環35相接觸而樞轉至使套圈34和閂鎖套筒59脫離。當套圈34和閂鎖套筒59已脫離時，閥促動器組件20處于直接傳動模式。然后，使手輪26沿與將閥促動器組件20從其在圖I中的構型變至其在圖4中的構型相反的方向旋轉可使閥20轉動至其在圖I中的關閉位置。在實施例中，策略上定位閥促動器組件20的構成零件產生差動螺桿構型，且因此當閥22鄰近其關閉位置時出現機械優點。本文所公開的裝置的另ー優點在于，當閥22處于不需要増加促動カ的位置吋，閥促動組件20轉換成圖4中的直接傳動構型；當處于直接傳動時，則實現了上桿38的較大增量運動距離，其中手輪26的毎次旋轉大于差動螺桿構型的毎次旋轉。因此，本文所述的裝置相對于在整個開啟和關閉程序期間使用差動螺距的組件加快了開啟或關閉閥22的速度，且減少了用以實現相同行程距離的轉動圈數。圖5為圖4中的閥促動器組件20的實施例且沿線5-5截取的側截面視圖。在該實施例中，閂鎖套筒59相對于控制桿56向下移動，使得控制桿56已從接合部分61移動至脫離部分60。如上文所述，脫離部分60和接合部分61彼此成角度地偏離，從而使控制桿56樞轉進入和退出與凹部88的接觸。將控制桿56移出凹部88因而使套圈34與內套筒46脫離，且容許套圈34與促動器螺母28 —起自由旋轉。ー個使用實例中，閥促動器20與閥22聯接，其中閥可在井控制裝置例如采油樹或控制用于在井孔內破裂的流體流的裝置內露出。回頭參看圖1，當閥22處于關閉位置且開ロ 82未與通道86對準時，橫跨閘80存在壓カ梯度，從而促使力對抗閘80在閥體84內的運動。在開啟閥22的沖程開始時的阻力超過了在開啟沖程結束時存在的阻力。閥促動器組件20的構件的策略定位形成在開啟沖程開始時的差動螺桿構型。螺紋32，40和螺紋30，36的不同螺距將閘80的軸向運動限制為對于手輪26毎次旋轉的這些螺距值的差異。然而，這繼而又產生的機械優點在于，手輪26可利用所施加的カ或轉矩使閘80移動，該カ或轉矩小于如果差動螺桿構型未就位時所需的。隨著時間的推移，手輪的持續旋轉使閂鎖套筒59沿軸向向下移動以對準控制桿56和槽ロ 58的過渡部分62。進ー步的運動使控制桿56移動到脫離部分60中，從而使套圈34和閂鎖套筒59脫離，以便實現在手輪26與上桿38之間的直接傳動。盡管在這里消除了機械轉矩的優點，但閥22內的阻カ并不存在，使得在手輪26上需要較小的轉矩以在閥22內促動閘80。在處于減少轉矩的優勢構型吋，閘80的運動速度相對于圖I中的差動構型有所増加。因此，本文所公開的組件提供了在需要時增大轉矩輸出、在需要較小轉矩時自動地切換至較快的直接傳動構型的雙重優點。盡管本發明僅以其一部分的形式進行了示出或描述，但本領域技術人員將清楚的 是，本發明并不限于此而是在不脫離本發明范圍的情況下可容許各種改變。例如，馬達可安裝到促動器螺母28上用于驅動閥促動器組件20。
權利要求
1.一種閥促動器,包括 環形促動器螺母，其具有位于外表面上的螺紋和位于內表面上的螺紋，所述內表面上的螺紋相對于所述外表面上的螺紋定向在相同方向上且具有較大的螺距； 閂鎖套筒，其外接所述促動器螺母的一部分且能夠沿所述閥促動器的軸線有選擇地移動； 聯動件，其具有附接到所述促動器螺母上的端部以及具有螺紋接合位于所述閂鎖套筒的外表面上的螺紋； 位于所述閂鎖套筒的內表面上的型面，其具有接合部分和脫離部分； 控制桿，其能夠在所述型面內滑動； 套圈，其螺接到所述促動器螺母的外表面上，所述套圈當所述控制桿處于所述型面的接合部分時能夠相對于所述促動器螺母旋轉以及當所述控制桿處于所述型面的脫離部分時與所述促動器螺母一起旋轉；以及 閥桿，其以螺紋方式接合到位于所述促動器螺母的內表面上的螺紋上。
2.根據權利要求I所述的閥促動器，其特征在于，所述聯動件包括環形升降螺母、伸縮地安裝在所述升降螺母的一部分上的管狀殼體，以及附接到所述促動器螺母上的端壁，其中，所述環形升降螺母具有位于內表面上的螺紋，所述內表面上的螺紋接合所述閂鎖套筒的外表面上的螺紋。
3.根據權利要求2所述的閥促動器，其特征在于，所述閥促動器還包括附接到所述殼體的內表面上的鍵，所述鍵突入位于所述升降螺母的外表面上的軸向槽口中，使得所述升降螺母和所述殼體相對于彼此旋轉地聯接且能夠相對于彼此軸向地滑動。
4.根據權利要求I所述的閥促動器，其特征在于，旋轉所述促動器螺母沿軸向促動所述閂鎖套筒，從而使所述型面沿軸向移動越過所述控制桿。
5.根據權利要求I所述的閥促動器，其特征在于，所述閥促動器還包括從所述套圈的外表面沿徑向向外凸出的凸脊，以及形成在所述凸脊中用于接合所述控制桿的凹部。
6.根據權利要求I所述的閥促動器，其特征在于，所述閥促動器還包括位于所述促動器螺母與所述閂鎖套筒之間的環形空間中的內套筒、從所述內套筒的外表面沿徑向向外凸出的唇部，以及所述控制桿聯接于其上的位于所述唇部上的樞軸銷。
7.根據權利要求I所述的閥促動器，其特征在于，當所述控制桿處于所述型面的接合部分時，輸入所述促動器螺母中的轉矩以一定的力/轉矩比而在所述閥桿上產生力，所述力/轉矩比大于當所述控制桿處于所述型面的脫離部分時的力/轉矩比。
8.根據權利要求I所述的閥促動器，其特征在于，當所述控制桿處于所述型面的脫離部分時，所述促動器螺母的每次回轉均使所述閥桿以一定的回轉/位移比移動一定的增量距離，所述回轉/位移比大于當所述控制桿處于所述型面的接合部分時的回轉/位移比。
9.根據權利要求I所述的閥促動器，其特征在于，所述閥促動器還包括在所述型面中位于所述接合部分與所述脫離部分之間的過渡部分，以便在所述閂鎖套筒相對于所述套圈沿軸向移動時，所述套圈在接合構型與脫離構型之間有選擇地變化。
10.一種閥促動器，包括 輸入軸； 一系列螺紋連接件，其能夠有選擇地構型為差動螺桿和直接傳動；對所述一系列螺紋連接件的輸入件，其與所述輸入軸相聯； 自所述一系列螺紋連接件的輸出件，其與閥桿相聯；以及 選擇開關，其用于使所述一系列螺紋連接件的構型在差動螺桿與直接傳動之間變化。
11.根據權利要求10所述的閥促動器，其特征在于，所述閥促動器還包括具有接合所述選擇開關的型面的滑動套筒。
12.根據權利要求10所述的閥促動器，其特征在于，所述閥桿連接到在開啟位置與關閉位置之間運動的閥上，以及所述型面在策略上 尺寸形成為用以操縱所述選擇開關以便當所述閥的沖程處于對運動具有較高阻力的所述開啟位置或關閉位置中的一個時，所述一系列螺紋連接件構型為差動螺桿。
全文摘要
本發明涉及用于改變閥轉矩的差動螺桿組件。具體而言，一種用于促動閥的組件在閥處于其經歷高阻力的沖程的部分時為差動螺桿組件。促動組件在閥處于其沖程的較低阻力部分時可有選擇地變為直接傳動構型。滑動套筒在促動組件內沿軸向移動，且具有在策略上尺寸形成為用以改變促動組件構型的型面。
文檔編號F16K31/50GK102734548SQ20121010390
公開日2012年10月17日 申請日期2012年3月30日 優先權日2011年3月30日
發明者A·奧爾維拉, M·烏迪皮, R·克羅茨克 申請人:韋特柯格雷公司