调节阀组件成及其部件的制作方法

本发明涉及调节阀，特别是用于调节用于流体射流切割和其他活动的高压和超高压流体泵提供的流体压力的调节阀。

背景技术

许多任务，例如切割金属板或研磨表面，可以通过使用加压流体流(通常是水)来实现，该加压流体流由高压或超高压正排量泵产生，包括例如那些能够产生高达和超过87,000psi的加压流体，并包括超过100,000psi。这种泵通过具有往复式柱塞来加压流体，所述往复式柱塞在进气冲程期间将流体从入口区域抽吸到加压室中，并且在泵送冲程期间作用于流体，从而迫使加压流体从加压腔室流到出口腔室，在出口腔室由操作人员通过用于特定任务的任何已连接到泵上的工具收集。

在正常操作过程中，所需的流量将从泵可供应的最大值变为零，例如，当操作员关闭工具时。在这种情况下，在不使用加压流体的情况下，除非将某种形式的压力控制结合到泵中，否则出口腔室中的压力将增加到超过可接受的水平。如果没有提供压力调节，压力的增加将导致泵部件的损坏和应力，并且当操作者再次打开工具时将发生不希望的压力波动。

目前使用的一种压力控制方法是将调节阀(有时也称为安全阀)结合到泵系统中。当出口腔室中的压力由于加压的水量超过预期极限而超过预定极限时，调节阀打开以排出或释放加压流体。调节阀可以是直接作用的，这意味着加压流体直接作用以打开提升阀，该提升阀通过控制力(例如弹簧或其他偏置机构)保持在关闭位置。在美国专利no.5,564,469中示出并描述了示例性调节阀或减压阀，该专利的全部内容通过引用并入本文，并且转让给本申请的受让人，华盛顿州的流体国际公司。虽然目前可用的与高压和超高压泵一起使用的直接作用调节阀在许多操作条件下提供合适的压力调节，但在某些情况下，对应于系统压力的压力信号可能在所需压力上和下而不能令人满意地振荡，由于在运行期间作用在调节阀上的流体静力和流体动力的变化。申请人认为改进的不易受压力振荡影响的调节阀是需要的。

技术实现要素：

本文所述的调节阀组件特别适合与由高压和超高压泵供应的流体结合使用，以提供压力调节功能，从而产生特别稳定和一致的操作压力。

根据一个实施例，调节阀组件可以概括为包括具有带锥形表面的接合部分的阀销，以及具有阀销接收孔的阀座，阀销接收孔限定阀座上的锥形表面以当阀销以就位配置抵靠阀座安置时与阀销的接合部分密封配合。阀销和阀座中的至少一个还可包括不对称的表面特征，其尺寸和形状设计成使得当阀销远离就位构造移位并且流体流过阀销和阀座的接合部分之间形成的环形空间时，不平衡的流体动力由流体与不对称表面特征的相互作用产生。不平衡的流体动力可使阀销偏离阀座的中心轴线。调节阀组件还可包括限定流体出口腔室的壳体，并且阀座可定位在壳体内，使得当阀销远离就位构造移位时，在阀销的接合部分和阀座之间形成环形空间与流体出口腔室流体连通，并且阀销的一端在阀销接收孔的范围内偏离阀座的中心线朝向壳体的侧壁偏置。

在一些情况下，不对称表面特征可以形成在阀销中，并且阀销的锥形表面可以具有至少在不对称表面特征旁边的紧邻区域中的约2到约5度之间的拔模角。在一些情况下，不对称表面特征可以形成在阀座中，并且由阀销接收孔限定的阀座的锥形表面可以具有至少在不对称表面特征旁边的紧邻区域中的约2和约5度之间的拔模角。

在一些情况下，阀销可以限定中心轴线，并且不对称表面特征可以形成在阀销中，并且可以至多仅关于包括阀销的中心轴线的一个对称平面对称。不对称表面特征可以是例如设置在阀销侧面的压痕，凹陷，凹口，洞，孔或腔。不对称表面特征可以完全位于垂直参考平面的一侧，该垂直参考平面包括阀销的中心轴并将阀销一分为二。不对称表面特征可以由垂直参考平面限定的参考棱镜和沿不对称表面特征的高度投影的阀销的半圆形外边缘限定。不对称表面特征可以从阀销的末端偏移，或者可以延伸到终端。一个或多个环形槽可以设置在阀销的接合部分的锥形表面上，并且至少一个环形槽可以定位在不对称表面特征附近。不对称表面特征可以由材料去除工艺或增材制造工艺形成。

在一些情况下，不对称表面特征可以形成在阀座中，并且可以至多仅关于包括阀座的中心轴线的一个对称平面对称。不对称表面特征可以是例如设置在阀座的锥形表面中的压痕，凹陷，凹口，洞，孔或腔。不对称表面特征可以完全位于垂直参考平面的一侧，该垂直参考平面包括阀座的中心轴线并将阀座一分为二。不对称表面特征可以由垂直参考平面限定的参考棱镜和沿不对称表面特征的高度突出的阀座的半圆形外边缘限定。不对称的表面特征可以从阀座的末端偏移，或延伸到终端。不对称的表面特征可能不会完全延伸穿过阀座。不对称表面特征可以由材料去除工艺或增材制造工艺形成。

当阀销远离就位构造移位时，流体流与不对称表面特征相互作用，从而引起流体动力的不平衡，从而破坏沿着阀销一侧的长度的其他均匀的流动路径。因此，不平衡的流体动力可使阀销的一端偏离阀座的中心轴线。阀座可包括与阀销接收孔流体连通的流体入口导管，并且阀销可定位成在操作期间暴露于阀座的流体入口导管内具有可变压力的流体，使得当流体的压力足以克服将阀销偏向就位构造的控制力时，阀销被迫离开就位构造以形成环形空间，从而允许流体通过环形空间并与不对称的表面特征相互作用。不对称表面特征可以被配置为基本上稳定与在操作期间穿过环形空间的流体的压力相对应的压力信号，和/或基本上最小化与在操作期间通过环形空间的流体的压力相对应的压力信号的波动。

根据另一实施例，可与调节阀组件的锥形阀销一起操作的阀座可概括为包括阀销接收孔，该阀销接收孔限定阀座上的锥形表面，该锥形表面构造成与锥形阀销的一部分密封配合，当锥形阀销以就位构造抵靠阀座安置时，并且不对称表面特征的形状和形状使得当阀销移离就位构造并且流体流过阀销的一部分和阀座的接合部分之间产生的环形空间时，不平衡的流体动力由流体与不对称表面特征的相互作用产生。不平衡的流体动力可以使阀销的一端偏离阀座的中心轴线。

根据另一个实施例，调节阀组件的阀销可与阀座一起操作，阀座具有限定锥形座表面的阀销接收孔，可以概括为包括具有锥形表面的接合部分，该锥形表面构造成于阀座的锥形阀座表面密封配合，当阀销以座位配置推向阀座时，以及不对称表面特征的尺寸和形状使得当阀销移离就位构造并且流体流过在阀销的接合部分和阀座之间形成环形空间，不平衡的流体动力由流体与不对称表面特征的相互作用产生。不平衡的流体动力可以使阀销的一端偏离阀座的中心轴线。

根据又一个实施例，系统可以概括为包括可操作以在高压或超高压下供应流体源的泵，以及与由泵供应的流体源流体连通的调节阀组件。调节阀组件可包括阀销和阀座，阀销具有带锥形表面的接合部分，阀座具有阀销接收孔，阀孔接收孔限定阀座上的锥形表面，以当阀销以就位构造抵靠阀座安置时，与阀销的接合部分密封配合。阀销和阀座中的至少一个可包括不对称表面特征，其尺寸和形状设计成使得当阀销远离就位构造移位并且流体流过阀销的接合部分和阀座之间形成的环形空间时，不平衡的流体动力由流体与不对称表面特征的相互作用产生。不平衡的流体动力可以使阀销的一端偏离阀座的中心轴线。

该系统还可包括水射流切割设备，该水射流切割设备构造成从泵接收高压或超高压流体，并且流体的压力可至少部分地由调节阀组件调节。

附图说明

图1是根据一个示例实施例的调节阀组件的等距视图。

图2是图1的调节阀组件的局部放大等距视图。

图3是容纳在图1的调节阀组件的阀座中的提升阀或阀销的等轴剖视图。

图4是以就位构造示出的图1的调节阀组件的阀销和阀座的剖视图。

图5是以打开构造示出的图1的调节阀组件的阀销和阀座的剖视图。

图6a是图1的调节阀组件的提升阀或阀销的等距视图，更详细地示出了其不对称表面特征。

图6b是沿线6b-6b截取的图6a的提升阀或阀销的横截面图。

图7a是根据另一实施例的提升阀或阀销的等距视图。

图7b是沿线7b-7b截取的图7a的提升阀或阀销的横截面图。

图8a是根据另一实施例的提升阀或阀销的等距视图。

图8b是沿线8b-8b截取的图8a的提升阀或阀销的剖视图。

图8c是图8a的提升阀或阀销沿图8b中的线8c-8c截取的剖视图。

图9a是根据另一实施例的提升阀或阀销的等距视图。

图9b是沿线9b-9b截取的图9a的提升阀或阀销的剖视图。

图10a是根据另一实施例的提升阀或阀销的等距视图。

图10b是沿线10b-10b截取的图10a的提升阀或阀销的剖视图。

图11a是根据另一实施例的提升阀或阀销的等距视图。

图11b是沿线11b-11b截取的图11a的提升阀或阀销的横截面图。

图12a是根据一个实施例的阀座的等距视图，以虚线示出其内部特征。

图12b是沿线12b-12b截取的图12a的阀座的剖视图。

图13a是根据另一实施例的阀座的等距视图，以虚线示出其内部特征。

图13b是沿线13b-13b截取的图13a的阀座的剖视图。

图14a是根据另一实施例的阀座的等距视图，以虚线示出其内部特征。

图14b是沿线14b-14b截取的图14a的阀座的剖视图。

图15a是根据另一实施例的阀座的等距视图，以虚线示出其内部特征。

图15b是沿线15b-15b截取的图15a的阀座的剖视图。

图16a是根据另一实施例的阀座的等距视图，以虚线示出其内部特征。

图16b是沿线16b-16b截取的图16a的阀座的剖视图。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了某些具体细节以便提供对各种公开实施例的透彻理解。然而，相关领域的普通技术人员将认识到，可以在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下实践实施例。在其他情况下，可能未详细示出或描述与高压和超高压流体系统相关的公知结构，包括高压和超高压泵，调节阀或安全阀及其部件，以避免不必要地对实施例的模糊描述。

除非上下文另有要求，否则在整个说明书和随后的权利要求中，词语“包括”及其变体，例如“包括”和“包含”应以开放的，包含性的含义来解释，即“包括，但不限于。”

贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征，结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指的是同一实施例。此外，特定特征，结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。

如在本说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”，“一个”和“该”包括复数指示物，除非内容另有明确说明。还应注意，术语“或”通常以包括“和/或”的含义使用，除非内容另有明确说明。

图1和2示出了根据一个示例性实施例的调节阀组件10。调节阀组件10可与高压或超高压泵(未示出)或其他流体系统一起操作，以提供关于高达和超过87,000psi并且包括超过100,000psi的操作压力的压力调节功能。在操作期间，泵将流体(通常为水)加压至高达并超过87,000psi的压力，操作者通过为特定任务选择的工具(未示出)收集和使用加压流体，例如流体通过流体喷射喷嘴(例如，水射流或磨料水射流切割喷嘴)进行喷射切割。在正常操作过程中，调节阀组件10用于释放或排出流体以防止过压，否则过度加压可能导致泵的部件损坏和应力，并且当工具重新启动时会产生不希望的浪涌。

如图1和2所示，调节阀组件10设置有阴阀座12，调节阀组件10设置有阴阀座12，该阴阀座12构造成经由入口导管13和入口端口14与加压流体源(例如，高压或超高压泵)流体连通，如标有16的箭头。设置一个阳性提升阀或阀销18，以便与阀座12配合，通过产生的控制力推动阀销18与阀座12接触。通过气动致动器20经由柱塞22或其他合适的偏置装置作用在阀销18上。

如图1所示，阀销18的很大一部分定位在阀座12内，以便在就位构造s中密封接合阀座12。当流体压力充分增加以克服控制力时，阀门销18被迫沿流体流动方向移动，以在阀销18和阀座12之间产生间隙，从而允许一定体积的加压流体通过阀座12到达壳体28的出口腔室26。封闭阀座12和阀销18的界面并最终通过出口适配器32的出口通道30连接到壳体部件33，壳体部件33与壳体28密封接合，如标记为34的箭头所示。

图3至图6b示出了阀座12和阀销18的进一步细节。如图所示，阀销18包括具有锥形表面40的细长接合部分38。阀座12具有阀销接收孔42(即，图3和4中的阀销18的接合部分38占据的空间)，其限定阀座12上的锥形表面44，以在阀销处与阀销18的接合部分38密封配合。当阀销18在就位构造s中抵靠阀座12就位时(图1-4)。阀销18和/或阀座12还可包括被定位的不对称表面特征(例如，阀销18的一侧中的凹口19)，其大小和形状为使得当阀销18远离就位构造s移位到打开构造o(图5)并且流体流过在阀销18的接合部分38和阀座12之间产生的环形空间48，不平衡的流体动力由流体与流体的相互作用产生。不对称表面特征(例如，凹口19)使阀销18的端部50偏离阀座12的中心轴线aseat。

应当理解，阀销18可以基于系统压力的变化而轴向移位(即，沿着阀座12的中心轴线aseat的方向)，以产生空间48，加压流体可以通过该空间48逸出。从而形成可变孔口机构。因此，空间48也可以称为可变孔口。

通过提供不对称的表面特征(例如，在阀销18的端部50处的凹口19)以不对称地破坏通过调节阀组件10的可变孔口48的流体的流动，对应于系统压力的压力信号可以是通过显着改变系统的动力学并使阀销18偏离阀座12的中心轴线aseat，相对于缺少这种不对称表面特征的类似结构，基本上稳定。换句话说，不对称表面特征可以基本上最小化当流体在操作期间通过可变孔口48并且与不对称表面特征相互作用以产生阀销18周围的不平衡流体动力时，通过将阀销18的端部50偏离阀座12的中心轴线aseat而使压力信号波动。

如前所述，壳体28(图1和2)可以封闭阀座12和阀销18的界面并限定出口腔室26。阀座12可以定位在壳体28内，使得当阀门销18从就位构造s移开，在阀销18的接合部分38和阀座12之间形成的环形空间48与流体出口腔室26流体连通并且阀销18的端部50在阀销接收孔42的范围内，从阀座12的中心线或中心轴线aseat朝向壳体28的侧壁偏置。

参考图6a和6b，不对称表面特征(例如，凹口19)可以形成在阀销18中，并且可以至多仅关于包括阀销18的中心轴线apin的一个对称平面不对称。例如，根据图6a和6b中所示的阀销18的示例性实施例，凹口19形成在接合部分38的端部50的一侧，并且仅关于包括中心轴apin的单个对称平面的对称。即垂直于图6a和6b中标记的参考平面p的平面，其将阀销18平分成相对的侧面。不对称表面特征可以描述为设置在阀销18的相对侧之一处的压痕，凹陷，凹口，洞，孔或腔。图6a和图6b中中所示的阀销18的示例性实施例的不对称表面特征。例如，是一个v形缺口，其喉部部分位于参考平面p附近，将阀销18一分为二。在一些情况下，不对称表面特征(例如，凹口19)可以完全位于一个垂直参考平面p的一侧包括阀销18的中心轴apin。在一些情况下，不对称表面特征可以由参考棱镜约束，即由垂直参考平面p限定的半圆柱参考棱镜。阀销18的半圆形外边缘位于不对称表面特征的下游端，沿不对称表面特征的高度突出。在一些情况下，不对称表面特征可以从阀销18的末端51偏移，例如，如图6a和6b的示例性实施例中所示。在其他情况下，不对称表面特征可以延伸到阀销18的末端51。

在一些实施例中，由阀销接收孔42限定的阀座12的锥形表面44可具有介于约2和约5度之间的拔模角。在其他实施例中，拔模角度可小于2度或大于5度。以类似的方式，阀销18的接合部分38的锥形表面40可具有介于约2度和约5度之间的拔模角，或者可具有小于2度或大于5度的拔模角。不管具体的拔模角度如何，由阀销接收孔42限定的阀座12的锥形表面44的尺寸仍然设计成在就位构造s中密封地接收阀销18的接合部分38。

在一些实施例中，当处于就位构造s时，阀销18可以在很大程度上插入阀座12中，例如，至少约0.40英寸。据信通过将加压流体的能量耗散在由阀销18的锥形表面40和阀座12的锥形表面44产生的相对大的表面积上，能量可以相对更慢地消散，从而最大限度地减少由快速压力变化引起的侵蚀和空化的破坏性影响。

为了进一步提高调节阀组件10的性能，也可以在阀销18上设置环形槽54。在一些实施例中，至少一个环形槽54可以定位在阀销18的不对称表面特征附近，当提供时。与没有这种槽54的类似阀销18相比，具有环形槽54的阀销18上的旁通流量的微小变化可以有利地导致明显更小的压力变化。据信通过在阀销18上设置环形槽54，流体流动更好地保持在湍流状态。在一些实施例中，阀销18还可以设置有耐磨涂层，例如氮化钛。

如图3至图5所示，阀座12的靠近阀销接收孔42的外表面46可以在与阀销接收孔42的方向相反的方向上逐渐变细，使得外径的比率为阀座12到阀销接收孔42的直径在流体流动的上游方向上更大。

虽然这里描述的部件的尺寸可以根据操作条件和其他因素而变化，但是在一个示例性实施例中，阀座12具有阀销接收孔42，其长度约为0.45英寸，其最小端部的内径约为0.09英寸，拔模角度约2.2度；阀销18的啮合部分38长约0.55英寸，最小端直径为0.08英寸，拔模角度约为2.2度；不对称表面特征19以凹口的形式设置，其凹口处的曲率半径约为0.02英寸，曲率半径的中心位于离阀销18的终端51约0.15英寸处。凹口19还具有相对的凹口面，其间的夹角为约75°至约105°。在其他实施例中，调节阀组件10可以具有阀座12和阀销18，其具有缩放的特征以处理比上面刚刚描述的实施例更大或更小的流速。

参考图6b，并且根据一个具体示例实施例，不对称表面特征19以v形凹口的形式设置在阀销18上。v形凹口具有大约0.06英寸的开口距离a和开口的下游端位于距阀销18的末端51约0.18英寸的距离b。阀销18的末端51的宽度e约为0.088英寸，深度为v形凹口小于或等于阀销18的末端51的宽度e的一半。v形凹口包括相对的凹口面，它们之间的夹角α约为90°。阀销18还包括位于v形凹口下游的环形槽54，其中心距离c，d约为0.28英寸和0.40英寸。环形槽54的横截面轮廓是v形槽口的横截面轮廓的一小部分(例如，1/10或更小)。

在调节阀组件10之间进行对比试验，每个调节阀组件10具有阀销18，该阀销18具有上面刚刚描述的上述v形槽口形式的不对称表面特征19，并且类似构造的调节阀组件缺少这种不对称表面特征。该测试与主机水射流切割系统一起在55,000psi的操作压力和一致的操作参数下进行。每个具有不对称表面特征19的阀销18的调节阀组件10在阀性能方面表现出非凡的改进，即减少或消除不希望的压力波动或在没有这种不对称的阀销的情况下观察到的“弹跳”。例如，在快速压力变化期间没有观察到明显的压力信号反弹，例如在开/关阀循环期间或在供应到阀组件10的气动致动器20的气压的快速变化期间。一些最小压力信号反弹在系统启动期间观察到但是快速消散(例如，在某些情况下在2-3秒内)。每个具有阀销18的调节阀组件10也具有上述v形凹口形式的不对称表面特征19，还进行循环测试以延长操作时间(大于400小时)以测试耐久性，并且没有检测到明显的磨损在不对称表面特征19附近的阀销18中。因此，示例性实施例表现出优异的阀性能和耐用性。

图6a至11b示出了提升阀或阀销的示例性实施例，其在其接合端具有各种不对称表面特征。相关领域的普通技术人员将理解，这种不对称表面特征可以以各种形状和尺寸提供，并且可以定制成在各种操作条件和参数下提供合适的阻尼，最小化或基本消除压力波动。形状，尺寸和位置可以与图6a至11b所示的阀销的所示实施例的示例性不对称表面特征不同。

图12a至16b示出了阀座的示例性实施例，该阀座在其阀座部分内具有各种不对称表面特征。相关领域的普通技术人员将理解，这种不对称表面特征可以以各种形状和尺寸提供，并且可以定制成在各种操作条件和参数下提供合适的阻尼，最小化或基本消除压力波动。并且可以在形状，尺寸和位置上与图12a至16b中所示的阀座的所示实施例的示例性不对称表面特征不同。

根据图12a至16b，相关领域的普通技术人员将容易明白，可以在阀座中形成不对称表面特征(例如，图1至图5中所示的示例性实施例的阀座12)。除了或代替在阀销18中形成的不对称表面特征以提供阀销偏置功能。类似于阀销18的不对称表面特征，阀座12的不对称表面特征可被描述为设置在阀座的锥形表面44的一侧中的压痕，凹陷，凹口，洞，孔或腔。当设置在阀座12中时，不对称表面特征可以至多仅关于一个对称平面对称，该对称平面包括阀座12的中心轴线aseat。在一些情况下，不对称表面特征可以完全位于垂直参考平面的一侧包括阀座12的中心轴线aseat并且将阀座12一分为二。在一些情况下，不对称表面特征可以由参考棱镜约束，即由下面定义的半圆柱参考棱镜。垂直参考平面和阀座12的半圆形外边缘位于不对称表面特征的上游端，沿不对称表面特征的高度突出。在一些情况下，不对称表面特征可以从阀座12的末端52偏移。在其他情况下，不对称表面特征可以延伸到阀座12的末端52。在一些情况下，不对称表面特征可以延伸整个阀座12。在其他情况下，不对称表面特征可以终止于阀座12内，因此不完全延伸通过阀座12。

不管在阀销18，阀座12或两者中是否设置不对称表面特征，不对称表面特征可以由材料去除工艺，增材制造工艺或其他工艺形成。

当阀销18远离就位构造s移位时，流体流与不对称表面特征相互作用以引起流体动力的不平衡，这破坏了沿着阀的一侧的长度的其他均匀的流动路径。销18使阀销18的端部50偏离阀座12的中心轴线aseat。更具体地，在操作期间，阀销18定位成暴露于流体入口管道内具有可变压力的流体。如图13所示，阀座12使得当流体的压力足以克服将阀销18朝向就座构造s偏压的控制力时，阀销18被迫移离就位构造s以产生环形空间48，从而允许流体通过环形空间48并与不对称的表面特征相互作用。如前所述，不对称表面特征可以被配置成通过使阀销18偏离阀座的中心轴线aseat而基本上稳定与在操作期间穿过环形空间48的流体的压力相对应的压力信号。在没有这种不对称表面特征的情况下，流体动力在阀销18的端部50周围保持基本均匀，并且据信阀销18因此在阀座12内自由地不希望地左右摆动。因此，通过提供一种布置，其中流过调节阀组件10的流体使阀销18偏向于一侧或方向超过其他方向，这种振荡可以减少或基本消除，从而有利地延长使用寿命。

尽管已经在高压和超高压流体系统(包括高压和超高压泵)的背景下讨论了本文所述的调节阀组件10及其部件，但是应当理解，其方面和特征可适用于其他流体系统和应用。另外，尽管图中所示的阀销和阀座的每个示例性实施例包括在其中形成的单个不对称表面特征，但是应当理解，可以在这些部件中提供两个或更多个不同的表面特征以提供所描述的功能。

此外，可以组合上述各种实施例的方面和特征以提供进一步的实施例。根据以上详细描述，可以对实施例进行这些和其他改变。通常，在以下权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制于说明书和权利要求中公开的特定实施例，而是应该被解释为包括所有可能的实施例以及这样的权利要求的等同物的全部范围。

在某些程度上它们与本文的具体教导和定义不一致，所有美国专利，美国专利申请公开，美国专利申请，在本说明书中提及和/或在申请数据表中列出，包括但不限于2016年2月17日提交的美国专利申请序列号62/296,423的全部内容通过引用并入本文。