用于大口径压裂阀的滚珠丝杆的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及石油大口径压裂阀门领域，具体为一种作为大口径压裂阀驱动减力装置的滚珠丝杆。
【背景技术】
[0002]目前现有技术中部分阀门采用齿轮驱动减力装置，即把齿轮驱动减力装置与阀门的阀杆连接，通过旋转驱动齿轮减力装置上的手轮带动阀门的阀杆旋转。齿轮减力装置一般分为3种，参见图1，圆柱直齿轮传动装置、圆锥齿轮传动装置、蜗杆传动装置，这3种传动装置都可以作为减力机构安装在阀门上。齿轮驱动减力装置减力的原理是小齿轮提供一个旋转的力，大齿轮提供一个旋转的力臂，小齿轮带动大齿轮的旋转，从力学原理来看，大齿轮越大，力越省，这里有一个问题，要想扭矩明显下降的话，齿轮减力机构的外形会很大，手轮旋转的圈数也会增加很多，也就是通常说的齿数比会很大(大齿轮的齿数与小齿轮的齿数之比)，齿数比越大，手轮旋转的圈数就越多，如果要想手轮旋转的圈数少的话，其扭矩下降又会很不明显，齿轮减力装置的传动比一般选用1:6，也就是说，手轮旋转6圈，阀杆才旋转一圈。按照旋转圈数少的原则，齿轮减力装置是不能用于大口径压裂阀的。
[0003]目前国内，使用滚珠丝杆作为驱动减力装置用于大口径的压裂阀门比较多，，滚珠丝杆驱动减力装置的滚道一般采用4牙/英寸，然而对于7 1/16" X15M的阀门来说，按照公式，n = L/t (η是圈数、L是行程、t是螺矩)，7 1/16" X 15M阀门的行程L为8.479”(215.367臟)、螺矩丨为0.25，圈数η = 8.479/0.25 = 33.9圈，圈数太多，按照旋转圈数少的原则，4牙/英寸的滚道是不能用于大口径压裂阀的。
[0004]在国外，尤其是知名大公司也使用滚珠丝杆作为驱动减力装置用于大口径的压裂阀门，但是已将滚珠丝杆的滚道从4牙/英寸改为2牙/英寸，这就意味着2牙/英寸滚珠丝杆要比4牙/英寸的滚珠丝杆手轮旋转圈数要减少一半，按照旋转圈数少的原则，该旋转圈数是符合要求的。但是把4牙/英寸滚珠丝杆滚道改为2牙/英寸，滚道的螺旋升角会增大一倍，按照公式，螺旋升角a=arCtg t/D、t是螺矩、D是滚珠丝杆滚道的外径，在滚道外径不变的情况下，螺旋升角是随着螺矩的增大而增大。螺旋升角的改变，将影响沿着螺旋升角斜面分力P的改变，按照公式，分力P =载荷(G) X SINa，螺旋升角与载荷是成正比的，假设载荷是一个固定值，分力P同样是随着螺旋升角的增大而增大。
[0005]按照公式，M = PX L，M是力矩、P是沿着螺旋升角斜面分力、L是力臂，可以看出力矩是随着螺旋升角斜面分力的增大而增大，所以我们在操作时会感觉2牙/英寸的滚珠丝杆要比4牙/英寸的滚珠丝杆扭矩要大的多的感觉。因此又会产生一个问题，即滚道圈数的改变会存在着扭矩增大的现象，扭矩的增大不利于阀门的开启与关闭，如何解决，是一个大的问题。此外目前在市场上可以买到的滚珠丝杆都会有一个提升螺母套这个零件，参见图2，提升螺母套与滚珠丝杆的连接一般采用螺纹或轴销，提升螺母套这个零件的作用是便于安装轴承，实现力的传递，但是该零件的存在有几下结构问题:1、在安装提升螺母套时很不便利，需要花很长的时间才能完成，在结构上很不合理；2、由于提升螺母套这个零件的存在，限制了目前使用的滚珠丝杆只能是内循环，内循环的承载力没有外循环的承载力大，所以内循环的滚珠丝杆不太适合用于压裂阀；3、提升螺母套和丝杆螺母同时存在也限制了丝杆的直径。
【发明内容】
[0006]本发明的目的就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种结构简单、设计合理、安装方便、扭矩和圈数控制合理且承载力大的适用于大口径压裂阀的滚珠丝杆。
[0007]本发明的设计原理是:本操作扭矩的下降是靠增大丝杆的直径实现的，也就是说，增大丝杆的直径，也就增大了丝杆旋转的力臂和降低了螺旋升角。按照公式a=arctgt/jiD,增大滚珠丝杆的直径，也就是增大了滚道的园周长，在螺矩不变的情况下，滚道的螺旋升角是随着滚道直径的增大而减小；按照公式P = GX SINa，增大丝杆的直径，可以减小滚道的螺旋升角，也就意味着沿着螺旋升角斜面分力(P)的下降；按照公式M = PXL，M是力矩、P是沿着螺旋升角斜面分力、L是力臂，可以看出力矩是下降的，所以操作扭矩可以控制较好的范围。
[0008]通过以上分析，在不改变现有滚珠丝杆整体尺寸的基础上增大丝杆的直径是降低扭矩和圈数的关键问题，为此本发明提出了一种技术方案:包括丝杆螺母、丝杆、钢珠、反向器，所述丝杆螺母的外圆上间隔设有上下两个轴承台阶、内圆上设有螺旋槽，所述丝杆的外周上设有螺旋槽，所述丝杆伸入到丝杆螺母的通孔内且二者的螺纹槽配合构成螺旋滚道，所述螺旋滚道内安装钢珠；所述丝杆螺母的外圆上还设有用于钢珠外循环的反向器；所述丝杆螺母的上端设有用于安装手轮的安装端。即本发明将直接将安装轴承台阶设计在丝杆螺母上，将提升螺母套与丝杆螺母合二为一，这样就可以留有空间来加大丝杆的直径，实现降低扭矩的目的。同时由于舍弃了提升螺母套这个零件，因此丝杆螺母上可以设有外循环的反向器，这样大大提高了滚珠丝杆的承载力，更加适合用于压裂阀。
[0009]上述方案可以进一步优选为:
优选的，所述反向器通过压板安装在丝杆螺母上，安装方式可以采用内六角螺钉紧固。外循环的反应器可以采用插管式和螺旋槽式等。
[0010]优选的，所述安装端设有外六角以及螺纹，用于快速安装手柄并用锁紧螺母紧固。
[0011]优选的，所述螺旋滚道布置为2牙/英寸。现有技术已经证明，螺旋滚道布置为2牙/英寸可以降低圈数。滚珠丝杆采用滚道2牙/英寸，旋转圈数是滚道4牙/英寸的一半，按照公式，n = L/t(n是圈数、L是行程、t是螺矩)，对于7 1/16" X15M阀门来说，行程 L 为 8.479”(215.367mm)、螺矩 t 为 0.5，圈数 η = 8.479/0.5 = 16.9 圈，圈数可以控制在合理的范围。
[0012]优选的，所述螺旋滚道的截面为椭圆形。目前国内通用的滚道截面为圆形，圆形滚道一般用于精度高，转速高，轻载，考虑到我们是重载，精度低，转速低，所以我们在设计滚道截面形状时，为了保证每一个钢珠与滚道都要接触，我们采用滚道的截面为椭圆形。
[0013]优选的，所述钢珠直径为0.375英寸。钢珠在载荷的作用下会对滚道产生一个压应力，钢珠越小，压应力越大，压应力会使滚道产生变形，