用于改变阀转矩的差动螺杆组件的制作方法

专利名称：用于改变阀转矩的差动螺杆组件的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及阀促动器。更具体而言，本发明涉及具有变化施加转矩的阀促动器。
背景技术：
用于油田钻探和生产的多种设备或工具都具有螺纹部件，这些部件当处于负载下时相对于彼此旋转。例如，闸阀通常用于油气生产控制设备。闸阀具有带腔的本体。流动通道横穿该腔。闸相对于流动通道在开启位置与关闭位置之间移动。闸阀必须在处于可能非常高的流线压カ时能够从关闭位置移动至开启位置。闸通过杆而移动，该杆可为升杆或非升杆。升杆随螺母旋转而沿轴向移动。对于非升类型，在被旋转时杆保持沿轴向静止。在两种类型中杆都有螺纹并接合带螺纹的螺母或驱动衬套(bushing)。流线压カ迫使闸紧密地抵靠阀座。在该对接面处的摩擦カ必须得以克服以便将闸从关闭位置移动至开启位置， 反之亦然。

发明内容
本文公开了ー种用于促动阀的设备，其中对于促动阀的阻力集中于阀冲程的一部分中。在示例性实施例中，阀促动器包括环形促动器螺母，其在外表面上有螺纹。该螺母包括位于内表面上的螺纹，内表面上的螺纹与外表面上的螺纹定向在相同方向上。此外，内表面上的螺纹比外表面上的螺纹具有更大的螺距。还包括的是闩锁套筒，其环绕促动器螺母的一部分，且可沿阀促动器的轴线移动。该设备还具有联动件，该联动件附接到促动器螺母上且包括与闩锁套筒外表面上的螺纹相接合的螺纹。型面(或轮廓，profile)在闩锁套筒的内表面上，其中一部分限定用于控制杆(lever)的接合部分而另一部分限定脱离部分。所包括的控制杆可在型面内滑动。该设备具有螺接到促动器螺母外表面上的套圈，其在控制杆处于型面的接合部分时可相对于促动器螺母旋转而在控制杆处于型面的脱离部分时可与促动器螺母一起旋转。阀杆通过促动器螺母内表面上的螺纹进行组装。在备选实施例中，联动件具有环形升降螺母，其内表面上的螺纹接合闩锁套筒外表面上的螺纹。可选的是，管状壳体可伸縮地安装到升降螺母的一部分上，且端壁附接到促动器螺母上。可选的是，键可附接到壳体的内表面上，其中在一个实例中，键突入升降螺母外表面上的轴向槽ロ中，以便升降螺母和壳体相对于彼此旋转地联接且能够沿轴向滑动。通过使促动器螺母旋转，闩锁套筒和型面沿轴向移动越过控制杆。作为备选，提供了从套圈外表面沿径向向外凸出的凸脊，凹部可形成在凸脊中以便接合控制杆。内套筒可设置在促动器螺母与闩锁套筒之间的环形空间中。进ー步可选的是，唇部(IiP)从内套筒的外表面沿径向向外凸出。在唇部上可包括控制杆联接于其上的枢轴销。在备选实施例中，当控制杆处于型面的接合部分时，输入至促动器螺母的转矩以一定的力/转矩比在阀杆上产生力，该力/转矩比大于当控制杆处于型面的脱离部分时的力/转矩比。在另ー备选实施例中，当控制杆处于型面的脱离部分时，促动器螺母的每次回转使阀杆以一定的回转/位移比而移动一定的增量距离，该回转/位移比大于当控制杆处于型面的接合部分时的回转/位移比。可选的是，在型面中位于接合部分与脱离部分之间包括过渡部分，以便在闩锁套筒相对于套圈沿轴向移动吋，套圈有选择地在接合构型与脱离构型之间变化。


图I为根据本公开内容的处于关闭位置的阀促动器和阀的实施例的侧截面视图。图2为沿线2-2截取的图I中的阀促动器的截面视图。图3为阀处于部分开启/关闭位置的图I中的阀促动器和阀的侧截面视图。图4为阀处于开启位置的图I中的阀促动器和阀的侧截面视图。图5为沿线5-5截取的图4中的阀促动器的截面视图。
具体实施例方式现将在下文參照其中示出实施例的附图来更为完整地描述本公开内容的设备及方法。然而，本公开内容的该主题可体现为许多不同的形式且不应当看作是限于如在文中阐述的所示实施例；确切而言，这些实施例提供为使得本公开内容将为详尽和完全的，且将向本领域的技术人员完整地告知本发明的范围。相似的标号贯穿全文表示相似的元件。为了便于參看附图，方向用语仅用于參照和图示。例如，方向用语如"上"、"下"、"上方"、"下方"等用于示出相关位置。应当理解的是，本公开内容的主题不限于所示和描述的构造、操作、准确材料或实施例的精确细节，因为修改和等同方案对于本领域的技术人员将是显而易见的。在附图和说明书中，公开了本公开内容的示例性实施例，且尽管使用了专用用语，但它们仅用于一般性和描述性的含义而并非为了限制的目的。因此，本公开内容仅由所附权利要求的范围来限制。在图I的侧截面视图中示出了联接到阀22上的阀促动器组件20的实施例。阀促动器组件20由上端封闭而下端开启的圆柱形壳体24构成。手轮26示为设置在壳体24A的封闭端上，包括圆形外手柄和从手柄沿径向向内凸出的辐条。辐条会聚至促动器螺母28的外周，该外周示为与阀促动器组件20的轴线Ax大致同轴。促动器螺母28为具有形成在其外表面和内表面上的螺纹30，32的管状部件。外表面上的螺纹30沿与内表面上的螺纹32相反的方向延伸。环形套圈34外接促动器螺母28的一部分，且包括示为从套圈34的外表面向外突出的径向凸脊35。套圈34的内圆周具有螺纹36，其接合促动器螺母28外表面上的螺纹30。长形的圆柱形上杆38以螺纹方式插入促动器螺母28内，在图I的实施例中该上杆38示为具有设置成邻近套圈34上端的上端。上杆38的下端上的开ロ示为接收阀杆39的上端，如将在下文中更为详细描述，该阀杆39与阀22的构件相联。上杆38的下端和阀杆39示为由开孔42外接(或限定范围)，该开孔42与轴线Ax同轴且形成为穿过阀促动器组件20下端上的凸缘安装座44。凸缘安装座44的外圆周在其下端处増大，以提供用于螺栓(未示出)插入的安装表面来将凸缘安装座44组装到阀帽(bonnet)上。环形内套筒46从凸缘安装座44向上凸出并进入促动器壳体24与促动器螺母28之间的空间中。内套筒46的上端終止于刚好位于套圈34的上端上方的位置处。径向唇部48在径向带环(band) 35与套圈34下端之间的高度处从内套筒46的外表面沿径向向外凸出。上轴承组件50和下轴承组件51示为处在内套筒46与套圈34之间的环形空间中且位于径向带环35的相应上表面和下表面上。下轴承组件51设置在形成于内套筒46的内表面上的凹ロ(recess)内。示为螺纹接合在套圈34上端的锁紧螺母52在其上端设有外径向凸缘，用于将位于锁紧螺母52与凹ロ之间的轴承组件50保持在内套筒46的内圆周中。轴承组件50，51的存在容许套圈34与内套筒46之间的相对旋转。仍參看图I中的实施例，圆柱形枢轴销54从径向唇部48的上表面沿轴向凸出。控制杆56安装在销54上且定向为横向于轴线Ax，控制杆56可围绕枢轴销54旋转且如将在下文更为详细描述那样有选择地锁定套圈34，使其在促动器螺母28旋转的情况下保持静止。孔ロ 57提供为穿过内套筒46的侧壁，控制杆56延伸穿过该侧壁并有选择地接触径向带环35。控制杆56的与其接触径向带环35的位置相反一端示为设置在闩锁套筒59的内圆周中的槽ロ 58内。图I中的闩锁套筒59为环形部件，其外接内套筒46的上部和促动器螺母28的一部分。槽ロ 58包括构成槽ロ 58上部的脱离部分60，以及构成槽ロ 58下部的接合部分61。过渡部62包括在槽ロ 58内，连接脱离部分60和接合部分61。过渡部62包括弯曲部分且沿与轴线Ax倾斜的路径形成。脱离部分60和接合部分61分别与轴线Ax大 致平行，但相对于轴线Ax彼此偏离一定角度。图I中还示出了形成在闩锁套筒59下端和外表面上的螺纹64。螺纹64沿向上至过渡部66的一部分延伸，其中，闩锁套筒59的外径在过渡部66处减小。螺纹64接触形成在环形升降螺母69的内圆周上的螺纹68。升降螺母69提供在壳体24与闩锁套筒59之间的环形空间中。键70示为安装到壳体24的内表面中，沿径向向内凸入槽ロ 71中，该槽ロ71在升降螺母69的外表面上沿轴向延伸。键70和槽ロ 71联接壳体24和升降螺母69，故升降螺母69或壳体24中的ー个的旋转可相应地使另一部件旋转。轴承72提供成容许升降螺母69相对于内套筒46旋转且在一定高度沿轴向锁定升降螺母69。键76安装在闩锁套筒59的内圆周处且邻近其下端，沿径向向内凸出到槽ロ 78，该槽ロ 78示为沿内套筒46的外表面轴向地延伸。因此，闩锁套筒59限于相对于内套筒46的轴向移动，因为键76和槽ロ 78防止了闩锁套筒59与内套筒46之间的相对旋转。仍參看图1，阀22包括示为可滑动地设置在阀体84内的具有开ロ 82的闸80。通道86处于本体84中且定向成横向于闸80的长形侧。如图所示，闸80的实心部分阻挡通道86，从而使阀22处于关闭构型。平衡杆87附接在闸80的与阀杆39相反的ー侧上。在示例性实施例中，平衡杆87与阀杆39的相同。平衡杆87可抵消由阀杆39所施加的力，且可在阀体腔中降到最低或在附接到阀体84下部上的插入件(未示出)上。现在參看图2，示出了沿线2-2截取的阀促动器组件20的截面视图，其示出了在控制杆56与套圈34之间的接合。图2的实施例中还提供了凹部88，其形成在套圈34的径向带环35内。每个控制杆56的一端在凹部88内接触径向带环35。每个杆56的相反端在由槽ロ 58的接合部分61所形成的空间内接触闩锁套筒59。由控制杆56的相反两端在凹部88和接合部分61内的同时接触将套圈34联接到内套筒46上。因此通过使手轮26围绕轴线Ax旋转，壳体24和升降螺母69与促动器螺母28 —起旋转。如上文指出那样，螺纹32，40在方向上与螺纹30，36相同。因此，向下推动上杆38的手轮26旋转方向也产生了反作用力，其向上抵靠促动器螺母28井向下指向套圈34。通过将螺纹32，40的螺距设置为大于螺纹30，36的螺距，上杆38在开孔42内向下移动，但手轮26每次回转的增量以螺纹30，36的螺距而减小。差动螺纹螺距还导致在手轮26处提供相同输入转矩的情况下施加到上杆38上的输出力比如果不包括套圈34的情况更大。出于文中阐述的目的，这称为差动螺杆构型。如上文所述，当阀22处于图I中的关闭位置时，用于开启阀的促动カ比在初始阶段更大且随着阀变为开启而减小。现在參看图3，阀促动器组件20的示例性实施例示为与阀22相结合，其中，上杆38已在开孔42内相对于其在图I中的位置向下移动。相应地，闸80在阀体84内移动，故闸80内的开ロ 82与通道86部分地对准。用于将闸80从其在图I中的位置重新定位至在图3中的部分开启位置所需的カ大于完全开启阀22的力。因此，为了获得阀22的该促动阶段的机械优点，促动器组件20处于差动螺杆构型。本文所述的装置提供了从差动螺杆构型至直接传动构型的无缝转换的优点。当在构型之间变化吋，控制杆56在过渡槽ロ 62内且开始与套圈34脱离(或脱离接合)。因此，手轮26的附加旋转将不会经历图I中的差动螺距形态(figuration)，而取而代之的是套圈34与闩锁套筒59脱离并不再相对于促动器螺母28旋转，而代替的是与促动器螺母28 —起旋转。当处于直接传动构型吋，沿轴向推动上杆38 —定的増量距离，其中手轮26的毎次旋转大致等于螺纹32，40的螺距。如图4中的侧截面视图所示，手轮26的进ー步旋转可用于向下驱动上杆38和下·杆39，直到闸80在阀体84内移动以使开ロ 82与通道86对准。在该构型中，阀22处于开启位置，使得流体可流经阀体84。在图3和图4的实施例中，壳体24示为已由促动器螺母28与套圈34之间的相互作用而相对于升降螺母向上移动。联接在壳体24与升降螺母69之间的键70和槽ロ 71容许这两个部件之间的相对竖向运动。此外，应当指出的是，闩锁套筒59与升降螺母69之间的螺纹连接使闩锁套筒59在升降螺母69内往复运动；方向取決于手轮26的旋转方向。使闩锁套筒59往复运动继而又使槽ロ 58相对于控制杆56沿轴向移动。当槽ロ 58移动使得控制杆56接合脱离部分60吋，控制杆56从其在凹部88中与径向带环35相接触而枢转至使套圈34和闩锁套筒59脱离。当套圈34和闩锁套筒59已脱离时，阀促动器组件20处于直接传动模式。然后，使手轮26沿与将阀促动器组件20从其在图I中的构型变至其在图4中的构型相反的方向旋转可使阀20转动至其在图I中的关闭位置。在实施例中，策略上定位阀促动器组件20的构成零件产生差动螺杆构型，且因此当阀22邻近其关闭位置时出现机械优点。本文所公开的装置的另ー优点在于，当阀22处于不需要増加促动カ的位置吋，阀促动组件20转换成图4中的直接传动构型；当处于直接传动时，则实现了上杆38的较大增量运动距离，其中手轮26的毎次旋转大于差动螺杆构型的毎次旋转。因此，本文所述的装置相对于在整个开启和关闭程序期间使用差动螺距的组件加快了开启或关闭阀22的速度，且减少了用以实现相同行程距离的转动圈数。图5为图4中的阀促动器组件20的实施例且沿线5-5截取的侧截面视图。在该实施例中，闩锁套筒59相对于控制杆56向下移动，使得控制杆56已从接合部分61移动至脱离部分60。如上文所述，脱离部分60和接合部分61彼此成角度地偏离，从而使控制杆56枢转进入和退出与凹部88的接触。将控制杆56移出凹部88因而使套圈34与内套筒46脱离，且容许套圈34与促动器螺母28 —起自由旋转。ー个使用实例中，阀促动器20与阀22联接，其中阀可在井控制装置例如采油树或控制用于在井孔内破裂的流体流的装置内露出。回头參看图1，当阀22处于关闭位置且开ロ 82未与通道86对准时，横跨闸80存在压カ梯度，从而促使力对抗闸80在阀体84内的运动。在开启阀22的冲程开始时的阻力超过了在开启冲程结束时存在的阻力。阀促动器组件20的构件的策略定位形成在开启冲程开始时的差动螺杆构型。螺纹32，40和螺纹30，36的不同螺距将闸80的轴向运动限制为对于手轮26毎次旋转的这些螺距值的差异。然而，这继而又产生的机械优点在于，手轮26可利用所施加的カ或转矩使闸80移动，该カ或转矩小于如果差动螺杆构型未就位时所需的。随着时间的推移，手轮的持续旋转使闩锁套筒59沿轴向向下移动以对准控制杆56和槽ロ 58的过渡部分62。进ー步的运动使控制杆56移动到脱离部分60中，从而使套圈34和闩锁套筒59脱离，以便实现在手轮26与上杆38之间的直接传动。尽管在这里消除了机械转矩的优点，但阀22内的阻カ并不存在，使得在手轮26上需要较小的转矩以在阀22内促动闸80。在处于减少转矩的优势构型吋，闸80的运动速度相对于图I中的差动构型有所増加。因此，本文所公开的组件提供了在需要时增大转矩输出、在需要较小转矩时自动地切换至较快的直接传动构型的双重优点。尽管本发明仅以其一部分的形式进行了示出或描述，但本领域技术人员将清楚的 是，本发明并不限于此而是在不脱离本发明范围的情况下可容许各种改变。例如，马达可安装到促动器螺母28上用于驱动阀促动器组件20。
权利要求
1.一种阀促动器,包括 环形促动器螺母，其具有位于外表面上的螺纹和位于内表面上的螺纹，所述内表面上的螺纹相对于所述外表面上的螺纹定向在相同方向上且具有较大的螺距； 闩锁套筒，其外接所述促动器螺母的一部分且能够沿所述阀促动器的轴线有选择地移动； 联动件，其具有附接到所述促动器螺母上的端部以及具有螺纹接合位于所述闩锁套筒的外表面上的螺纹； 位于所述闩锁套筒的内表面上的型面，其具有接合部分和脱离部分； 控制杆，其能够在所述型面内滑动； 套圈，其螺接到所述促动器螺母的外表面上，所述套圈当所述控制杆处于所述型面的接合部分时能够相对于所述促动器螺母旋转以及当所述控制杆处于所述型面的脱离部分时与所述促动器螺母一起旋转；以及 阀杆，其以螺纹方式接合到位于所述促动器螺母的内表面上的螺纹上。
2.根据权利要求I所述的阀促动器，其特征在于，所述联动件包括环形升降螺母、伸缩地安装在所述升降螺母的一部分上的管状壳体，以及附接到所述促动器螺母上的端壁，其中，所述环形升降螺母具有位于内表面上的螺纹，所述内表面上的螺纹接合所述闩锁套筒的外表面上的螺纹。
3.根据权利要求2所述的阀促动器，其特征在于，所述阀促动器还包括附接到所述壳体的内表面上的键，所述键突入位于所述升降螺母的外表面上的轴向槽口中，使得所述升降螺母和所述壳体相对于彼此旋转地联接且能够相对于彼此轴向地滑动。
4.根据权利要求I所述的阀促动器，其特征在于，旋转所述促动器螺母沿轴向促动所述闩锁套筒，从而使所述型面沿轴向移动越过所述控制杆。
5.根据权利要求I所述的阀促动器，其特征在于，所述阀促动器还包括从所述套圈的外表面沿径向向外凸出的凸脊，以及形成在所述凸脊中用于接合所述控制杆的凹部。
6.根据权利要求I所述的阀促动器，其特征在于，所述阀促动器还包括位于所述促动器螺母与所述闩锁套筒之间的环形空间中的内套筒、从所述内套筒的外表面沿径向向外凸出的唇部，以及所述控制杆联接于其上的位于所述唇部上的枢轴销。
7.根据权利要求I所述的阀促动器，其特征在于，当所述控制杆处于所述型面的接合部分时，输入所述促动器螺母中的转矩以一定的力/转矩比而在所述阀杆上产生力，所述力/转矩比大于当所述控制杆处于所述型面的脱离部分时的力/转矩比。
8.根据权利要求I所述的阀促动器，其特征在于，当所述控制杆处于所述型面的脱离部分时，所述促动器螺母的每次回转均使所述阀杆以一定的回转/位移比移动一定的增量距离，所述回转/位移比大于当所述控制杆处于所述型面的接合部分时的回转/位移比。
9.根据权利要求I所述的阀促动器，其特征在于，所述阀促动器还包括在所述型面中位于所述接合部分与所述脱离部分之间的过渡部分，以便在所述闩锁套筒相对于所述套圈沿轴向移动时，所述套圈在接合构型与脱离构型之间有选择地变化。
10.一种阀促动器，包括 输入轴； 一系列螺纹连接件，其能够有选择地构型为差动螺杆和直接传动；对所述一系列螺纹连接件的输入件，其与所述输入轴相联； 自所述一系列螺纹连接件的输出件，其与阀杆相联；以及 选择开关，其用于使所述一系列螺纹连接件的构型在差动螺杆与直接传动之间变化。
11.根据权利要求10所述的阀促动器，其特征在于，所述阀促动器还包括具有接合所述选择开关的型面的滑动套筒。
12.根据权利要求10所述的阀促动器，其特征在于，所述阀杆连接到在开启位置与关闭位置之间运动的阀上，以及所述型面在策略上 尺寸形成为用以操纵所述选择开关以便当所述阀的冲程处于对运动具有较高阻力的所述开启位置或关闭位置中的一个时，所述一系列螺纹连接件构型为差动螺杆。
全文摘要
本发明涉及用于改变阀转矩的差动螺杆组件。具体而言，一种用于促动阀的组件在阀处于其经历高阻力的冲程的部分时为差动螺杆组件。促动组件在阀处于其冲程的较低阻力部分时可有选择地变为直接传动构型。滑动套筒在促动组件内沿轴向移动，且具有在策略上尺寸形成为用以改变促动组件构型的型面。
文档编号F16K31/50GK102734548SQ20121010390
公开日2012年10月17日 申请日期2012年3月30日 优先权日2011年3月30日
发明者A·奥尔维拉, M·乌迪皮, R·克罗茨克 申请人:韦特柯格雷公司