翻板阀磁力闭合性能测试设备及测试方法

1.本发明涉及保压取心实验装置技术领域，尤其涉及翻板阀磁力闭合性能测试设备及测试方法。


背景技术：

2.深部岩石的物理力学以及化学生物等特性与其所处原位环境条件密切相关，取心过程的原位环境损失将导致岩心的理化性质和力学性质失真且不可逆转，其攻关的核心与关键是如何获取深部环境条件下的原位岩心，并在原位保真状态下进行实时加载测试与分析。
3.目前的原位保真取心装置，利用钻具钻取岩心后将岩心存储在保真舱中，然后通过保真舱保压控制装置对样品进行保压密封。
4.保真舱保压控制装置包括保压阀，保压阀有球阀、翻板阀等。当岩心筒提升到一定高度后，翻板阀可自动关闭。目前翻板阀的关闭主要依靠弹力触发。弹力触发只能在竖直下钻时应用，且存在因阀瓣侧翻导致密封失效等问题。
5.专利文献cn110847856a公开了一磁力触发的保压取心器翻板阀结构，该保压取心器翻板阀结构的阀座上设有磁性件，阀瓣上有磁性材料。理论上，该阀瓣在无外力作用下，能被阀座磁性吸引，继而实现自动闭合。然而，这种磁力翻板阀还只在理论阶段，其保压性能还需验证与改进。


技术实现要素：

6.本发明为了解决上述技术问题提供翻板阀磁力闭合性能测试设备及测试方法。
7.本发明通过下述技术方案实现：翻板阀磁力闭合性能测试设备，包括用于固定阀座的阀座固定机构、用于带动岩心筒升降的岩心筒驱动机构、用于给阀瓣提供初始闭合动力的第一磁性件、与第一磁性件连接用于调节第一磁性件与阀座的距离的磁铁直线位移调节机构。
8.进一步的，翻板阀磁力闭合性能测试设备还包括倾斜度可调节的平台，阀座固定机构、岩心筒驱动机构和磁铁直线位移调节机构安装在平台上。
9.进一步的，所述平台包括第一基座、第二基座、第一旋转驱动机构和第二旋转驱动机构；第一旋转驱动机构与第一基座连接，用于带动第一基座、第二基座在第一方向旋转；第二基座与第一基座转动连接；第二旋转驱动机构与第二基座连接，用于带动第二基座相对于第一基座在第二方向旋转；第二方向与第一方向垂直；阀座固定机构、岩心筒驱动机构和磁铁直线位移调节机构安装在第二基座上。
10.进一步的，第二基座上有与阀座适配的圆孔，该圆孔的轴线与第二基座的转动中心同轴。
11.进一步的，翻板阀磁力闭合性能测试设备还包括具有观察窗的箱体，所述平台置于箱体内。
12.进一步的，阀座固定机构包括一对夹子和操作机构，一对夹子中的其中一个为固定夹，另一个为活动夹，操作机构与活动夹连接。
13.进一步的，翻板阀磁力闭合性能测试设备还包括翻板阀，翻板阀包括阀座和阀瓣，阀瓣连接于阀座顶端的一侧；阀瓣上有第二磁性件，阀座上有用于吸引阀瓣闭合的第三磁性件。
14.进一步的，阀座底端连接有封板，封板上有注气孔。
15.进一步的，翻板阀磁力闭合性能测试设备还包括注气系统。
16.翻板阀磁力闭合性能测试方法，采用了所述的翻板阀磁力闭合性能测试设备。
17.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1，本发明将给阀瓣提供初始闭合动力的弹簧更换为磁铁，具有两方面的有益效果：（1）磁体相斥产生的排斥力远远大于弹簧产生的弹力，即在初始阶段磁体之间产生的磁势能量较大，而弹簧产生的弹性势能较小，在钻机水平钻进或者竖直向上钻进时，弹簧弹性势能不足以提供足够的能量使得阀瓣克服摩擦力或者重力旋转闭合；（2）由于阀瓣被岩心筒限位，使得磁性势能产生的能量积聚故在失去岩心筒限位后，该能量将彻底转化为阀瓣的动能，使得阀瓣获得较大的动能，从而保证其克服重力或摩擦力迅速闭合，防止侧翻；2，本发明中平台的倾斜度可调节，可测试翻板阀在不同钻进方向下的闭合情况；第二基座可相对于第一基座旋转，使得阀瓣阀座整体围绕阀座轴向旋转，在第一基座和第二基座共同作用下，能实现阀瓣在不同倾斜角度以及不同摆放位置的试验；3，本发明具有实验功能，通过不同磁铁实验可优化现有阀瓣磁铁尺寸与阀座内部磁体尺寸等；4，本发明可检测阀座对于阀瓣产生的预紧力大小，可通过检测预紧力优化现有保真舱中的预紧装置，甚至可以去除预紧装置。
附图说明
18.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
19.图1是本发明的三维图；图2是箱体内部的实验台的三维图；图3是可调节平台的三维图；图4是使用本发明测试翻板阀时的示意图；图5是活动夹及其操作机构的结构示意图；图6是磁铁直线位移调节机构的结构示意图；图7是第二基座的结构示意图；图8是翻板阀的结构示意图。
具体实施方式
20.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施
方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
21.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
22.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
23.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
24.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“正向”、“反向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
25.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
26.实施例一如图1、图2所示，本实施例公开的翻板阀磁力闭合性能测试设备，包括箱体100和实验台。实验台包括平台4、用于固定阀座的阀座固定机构6、用于带动岩心筒升降的岩心筒驱动机构5。
27.实验台置于箱体100内，箱体100有观察窗。将实验平台置于箱体100内，具有3种功能：其一，实现保护功能，当阀瓣闭合后，确定其预紧力时采用气压，如若不采用箱体，气压过大会有一定的实验危险性；其二，实现控制机构的模块化隐藏，将各个气动、电动装置置于箱体100内封装起来，实现整洁、功能模块化效果；其三，试验台不仅具有实验功能，还具有一定的阀座闭合动作展示功能，在不需要进行实验时，可实现阀瓣闭合状态动态展示，在该功能下，将平台安置于箱体100内，可防止在动态展示过程中受到的外界干扰，且箱体100内可集成高速影像追踪系统，实现阀瓣闭合过程中的动力学影像收集。
28.如图2、图3所示，为模拟垂直钻进、水平钻进、倾斜钻进等情况，本实施例中平台4的倾斜度可调节。平台4具体包括第一基座41、第二基座42、第一旋转驱动机构47和第二旋转驱动机构43。
29.第一基座41的两侧固接有旋转轴44，旋转轴44通过轴承、轴承座46支承在支撑座45上。第一旋转驱动机构47与其中一个旋转轴44连接，用于带动第一基座41在第一方向旋转。
30.第二基座42与第一基座41转动连接，第二旋转驱动机构43装于第一基座41上，第二旋转驱动机构43的输出端与第二基座42连接，用于带动第二基座42相对于第一基座41在第二方向旋转。第二方向与第一方向垂直。
31.第一旋转驱动机构47、第二旋转驱动机构43可为手动机构或电动机构。本实施例中，第一旋转驱动机构47为手动机构，第二旋转驱动机构43为电动机构。
32.第一旋转驱动机构47包括第一手轮471和第一传动机构。第一传动机构将第一手轮471的旋转运动转化为旋转轴44、第一基座41的旋转运动。本实施例中旋转轴44与第一手轮471的轴线垂直，因而第一传动机构为垂直传动机构，具体可选锥齿轮垂直传动机构。第一手轮471为主动轮，第一传动机构为被动轮，通过设计合适的传动比，从而实现平台4、阀座和阀瓣绕旋转轴44旋转，继而模拟垂直钻进、水平钻进、倾斜钻进等情况。
33.第二旋转驱动机构43包括电机和齿轮传动机构，齿轮传动机构，齿轮传动机构将电机的旋转运动转化为第二基座42的旋转运动。
34.如图7所示，第二基座42上有与阀座适配的圆孔421，该圆孔421的轴线与第二基座42的转动中心同轴。当翻板阀安装在第二基座42上时，第二旋转驱动机构43运行，可带动第二基座42、阀座和阀瓣同步围绕阀座的轴线做旋转运动。
35.阀座固定机构6和岩心筒驱动机构5装于第二基座42上。
36.如图5所示，阀座固定机构6包括一对夹子和操作机构，一对夹子中的其中一个为固定夹62，另一个为活动夹61。操作机构与活动夹61连接用于操控活动夹61。
37.在第二基座42上表面设有直线导轨66，活动夹61与直线导轨66滑动连接。操作机构包括手柄65、臂一63、臂二67、臂三68，臂一63的一端与活动夹61连接，臂一63的另一端与臂二67的一端转动连接，臂二67的另一端与臂三68的一端转动连接，臂三68的另一端与安装座64转动连接，安装座64与第二基座42固接，手柄65的一端与臂三68固接。
38.通过正向或反向转动手柄65，可带动臂三68围绕安装座64转动，继而拉动或推动臂一63、活动夹61直线移动，实现活动夹61与固定夹62距离的调节，继而实现夹紧或松开阀座。
39.岩心筒驱动机构5用于提升岩心筒。岩心筒驱动机构5包括用于夹持岩心筒的岩心筒夹持器54和用于带动岩心筒夹持器54直线运动的直线驱动机构。直线驱动机构可选择液压缸、气缸、直线电机等。
40.本实施例中直线驱动机构选择直线电机，具体包括电机51、线性导轨52、滑块53、滚珠丝杠等，这是本领域的常规技术此处不再赘述。岩心筒夹持器54与滑块53固接。
41.如图3、图8所示，翻板阀包括阀座1和阀瓣2，阀瓣2连接于阀座1顶端的一侧。
42.阀瓣2上有第二磁性件9，阀座1上有用于吸引第二磁性件9的第三磁性件10。在另一个实施例中，阀座1上可不设第三磁性件10。为便于测试翻板阀的密封压力，阀座1底端连接有封板11，封板11上有注气孔12；当阀瓣闭合后，通过该注气孔12可向阀座1内注入气压，通过监测内部压力的变化，可测试出最大的密封压力。
43.为给阀瓣2提供一个初始闭合动力，第二基座42上还安装有可调节位置的第一磁性件8，以及用于直线调节第一磁性件8位置的磁铁直线位移调节机构7。通过调节第一磁性件8的位置继而调节其对第二磁性件9的排斥力。磁性件可选择磁铁，例如永磁体。第二磁性件9可内嵌于阀瓣2上。
44.作为一种更好的选择：阀瓣2选择磁导率大、抗压强度高的顺磁材料制作。原因在于：选用顺磁材料制作阀瓣2，阀瓣2上的永磁体会将阀瓣2磁化，在阀瓣2闭合后，阀座1内部的永磁铁的磁势会和阀瓣2所拥有的磁势耦合，根据最小势能原理，会使其拥有一个更大的吸引力力，从而克服重力势，达到持续闭合的效果。在实施例中选择铁制作阀瓣2，而阀座1选为不锈钢。选用不锈钢制作阀座1的原因是：不锈钢是低磁导率物质，其内部的磁场不会对其产生磁势，这样不会影响阀瓣2闭合的轨迹。
45.如图3、图4所示，磁铁直线位移调节机构7安装在第二基座42表面。磁铁直线位移调节机构7可为手动机构，也可为电动、气动、液动等自动机构。
46.如图6所示，本实施例中磁铁直线位移调节机构7为手动机构。磁铁直线位移调节机构7包括第二手轮71和第二传动机构，第二传动机构将第二手轮71的旋转运动转化为第一磁性件8的直线运动。本实施例中第二手轮71的轴线与第一磁性件8的位移方向垂直，因而第二传动机构包括涡轮蜗杆传动机构和丝杠螺母传动机构。
47.丝杠螺母传动机构的螺母75与第二基座42滑动连接，磁铁安装座77通过导杆76与螺母75连接，第一磁性件8安装在磁铁安装座77上，第一磁性件8与磁铁安装座77之间设有压力传感器78，磁铁安装座77与第二基座42滑动连接。其工作原理如下：（1），手动转动第二手轮71，驱动蜗杆72带动涡轮73垂直转动；（2），涡轮73在丝杆74上，旋转的丝杆74带动螺母75直线运动；（3），螺母75通过导杆76把运动传递给磁铁安装座77、压力传感器78和第一磁性件8；（4），在第一磁性件8遇到阀瓣上的第二磁性件9时，因第二磁性件9与第一磁性件8同极相对，同极磁铁产生排斥时，对压力传感器78会产生压力，通过压力传感器78可测出该排斥力的大小。
48.通过测量排斥力可以确定初始加速度，从而建立阀瓣闭合的动力学模型，研究阀瓣旋转闭合过程中的瞬时运动状态；而且，测量排斥力可以与现有弹簧触发模型产生的弹力做对比，根据动力学模型反推优化现有磁体的尺寸。
49.为实现密封压力的测试，翻板阀磁力闭合性能测试设备还包括注气系统，注气系统用于向闭后的翻板阀注入气体。注气系统包括气压泵、注气管以及压力阀，注气管用于与阀座底部的注气孔12密封相连，压力阀数值通过电脑转化为显示屏上的实时数据。
50.箱体100上设有控制系统，控制系统包括控制器和人机交互模块101。第二旋转驱动机构43、岩心筒驱动机构5和注气系统均与控制系统连接。
51.控制系统可降低人工操作次数，采用人机交互，实现人工智能操作，方便快捷，降低了实验过程中由于人工操作而导致的实验精度问题以及安全风险。控制系统的功能主要包括：控制岩心筒的快速升降，且可实现升降速度的监测；控制第一基座41、阀座阀瓣整体绕阀座轴线自由旋转360
°
，监测不同位置下阀瓣闭合情况且可实现旋转角度的控制与监测；翻板阀闭合后，可实现预紧力测试，利用人机交互模块控制气压大小，实现实时监测。
52.岩心筒升降的控制是依靠于岩心筒驱动机构5，通过控制电机51的速度，可控制岩心筒的升降速度；自然的，通过电机的转速，可以监测出岩心筒的升降速度。
53.通过调节岩心筒的升降速度可尽可能真实的模拟现场岩心筒的抽离速度；此外，通过实验还可确定是否存在最佳提升速度。
54.本发明的使用方法：1，初始状态：如图3、4所示，通过固定夹62和活动夹61将翻板阀的阀座1夹持住，通过岩心筒夹持器54将岩心筒3夹持住；初始状态下，岩心筒3位于阀座1内，翻板阀的阀瓣2为打开状态，此时第一磁性件8会给阀瓣2一个初始动力，该初始动力可由对应的压力传感器78测出。
55.2，初始实验，使阀座1轴向垂直于水平面，岩心筒驱动机构5运行，提升岩心筒3，当岩心筒3从阀座1中移出，并越过阀瓣2时；阀瓣2在第一磁性件8的斥力作用下做变加速运动，实现旋转闭合，此时模拟正常竖直取心状态；3，重新调整至初始状态，转动第一手轮471，使阀座1轴线与水平面产生一定夹角，利用控制系统使第二基座42旋转一定角度，此时岩心筒驱动机构5运行，提升岩心筒3，当岩心筒3从阀座1中移出时，若阀瓣2在不同角度时都可实现旋转闭合动力过程，此时说明旋转闭合实验成功。
56.当阀瓣2闭合后，阀座1上的第三磁性件10会对阀瓣2产生一个预紧力，从而使得阀瓣2产生一个紧闭效果，此时，通过人机交互模块101，对阀座1内部充入气体，通过压力表监测气压，此时控制系统的显示屏上会显示气压的实时状态，当气压达到最大值后对其进行泄压，控制系统会自动记录和显示气压的峰值及过程变化规律。
57.阀座1内部气压的峰值为阀座1上的第三磁性件10对阀瓣2产生的预紧力，名为初始预紧力，当产生的初始预紧力较大时，阀瓣就会产生一定的保压能力，实现闭合后保压效果。
58.实施例二本实施例与实施例一的区别在于：本实施例中第一基座41和第二基座42为圆盘状。第一基座41与第二基座42平行设置。两个旋转轴44径向设于第一基座41的相对侧。
59.支撑座45为竖直设置的板状，轴承座46装于支撑座45的顶部。
60.本发明将给阀瓣提供初始闭合动力的弹簧更换为磁铁，磁体相斥产生的排斥力远远大于弹簧产生的弹力，即在初始阶段磁体之间产生的磁势能量较大，在钻机水平钻进或者竖直向上钻进时，能提供足够的能量使得阀瓣克服摩擦力或者重力旋转闭合；此外，磁体产生的能量足够大，使得阀瓣在失去岩心筒限位后的旋转速度较大，从而保证其迅速闭合，防止阀瓣侧翻。
61.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。