CN108869267B - 磁致变刚度弹簧往复泵自动锥阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制阀，具体涉及一种磁致变刚度弹簧往复泵自动锥阀。包括：阀盘，阀座，阀盘与阀座配合连接，所述阀盘上设置有导向杆，位于阀盘下工作面中心部的导向杆上设置有导向爪，位于阀盘的上工作面中心部的导向杆自上而下依次设置有限位螺母、中层永磁铁和下层永磁铁，所述中层永磁铁上套装有移动板，所述移动板的下端面与阀盘上工作面之间设置有下层复位弹簧，所述移动板的上端面通过上层复位弹簧与限位器连接，所述限位器下端面设置有上层永磁铁。本发明改变了传统往复泵自动锥阀仅采用定刚度弹簧的模式，借助弹簧弹力与永磁铁之间磁性力的共同作用实现阀盘的自动复位。

Description

磁致变刚度弹簧往复泵自动锥阀

技术领域

本发明涉及一种控制阀，具体涉及一种磁致变刚度弹簧往复泵自动锥阀。

背景技术

由于往复泵具有结构简单、效率高、排出压力大、泵压变化条件下可实现排量恒定等优点，在国民经济的各个领域得到了广泛的应用，尤其在石油矿场领域需求极大，钻井泵、注水泵、固井泵以及压裂泵均属于往复泵。随着现场施工要求的提高，往复泵的工作压力越来越大，功率越来越高，并且石油矿场用往复泵的工作条件一般十分恶劣，提高其易损件(主要是泵阀)的工作寿命，改善往复泵的整体工作性能对于提高经济效益具有重要意义。

目前，往复泵中广泛采用的是弹簧自动锥阀结构，弹簧是自动锥阀的重要组成部分，弹簧的主要作用是平衡惯性力，降低阀盘的落座速度与滞后高度，但是也降低了阀盘升程，增大了阀隙间的水头损失，影响往复泵的吸入性能，弹簧对往复泵的工作性能影响明显。国内外的许多专家学者针对自动锥阀的工作理论、设计计算和应用方面进行了大量的研究工作，研究表明：弹簧预紧力与刚度越大，阀盘的升程越小，阀隙间的水头损失越大，缸内液体压力相应越低，发生空化和气蚀的可能性增大，导致往复泵的充满系数以及使用寿命相应降低，与之相反预紧力与刚度越大，阀盘的落座速度越小，阀盘对阀座的冲击越小，相应的泵阀使用寿命得到一定的延长，并且泵阀的滞后高度也同时减小，容积效率等到提高。综合上述的已有研究可以发现，现有针对往复泵自动锥阀的研究主要围绕阀盘开启过程中弹簧定刚度条件下展开，但是却无法解决既降低阀隙间水头损失又降低阀盘落座速度与滞后高度的矛盾。

与此同时，随着磁力弹簧概念的提出，利用磁性材料“同性相斥、异性相吸”的原理，使用磁力弹簧替代传统的圆柱螺旋弹簧实现阀盘自动复位成为了可能，但是通过研究表明由于磁极间距离变化导致磁力变得不稳定，仅适用于磁极间距离较小的情况，并不能满足往复泵的实际工作需要。并且通过大量的仿真计算，发现使自动锥阀弹簧刚度随阀盘升程增加而逐渐减小，有利于实现落座速度与滞后高度不增加的前提下，阀盘升程显著增加，水头损失明显减小，对于提高缸内压力，减轻缸内的空化、气蚀现象的发生具有显著作用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种采用弹簧弹力与永磁铁之间磁性力的共同作用，实现自动复位的磁致变刚度弹簧往复泵自动锥阀。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种磁致变刚度弹簧往复泵自动锥阀，包括：阀盘，阀座，阀盘与阀座配合连接，所述阀盘上设置有导向杆，位于阀盘下工作面中心部的导向杆上设置有导向爪，位于阀盘的上工作面中心部的导向杆自上而下依次设置有限位螺母、中层永磁铁和下层永磁铁，所述中层永磁铁上套装有移动板，所述移动板的下端面与阀盘上工作面之间设置有下层复位弹簧，所述移动板的上端面通过上层复位弹簧与限位器连接，所述限位器下端面设置有上层永磁铁。

作为本发明的进一步方案：所述阀盘的外缘面为周向锥面结构，所述阀盘的外端面设置有密封圈。

作为本发明的进一步方案：所述导向杆主体为阶梯型变径轴杆，所述导向杆的上阶梯外径小于下阶梯外径，所述导向杆顶端设置有螺纹。

作为本发明的进一步方案：所述导向爪由呈十字交叉对称分布的弧形爪板构成，所述弧形爪板的连接端与导向杆的外端面固定。

作为本发明的进一步方案：所述中层永磁铁主体为环状结构，所述中层永磁铁的内环直径大于导向杆上阶梯外径，中层永磁铁的内环直径小于导向杆下阶梯外径。

作为本发明的进一步方案：所述下层永磁铁主体为环状结构，所述下层永磁铁的内环直径大于导向杆下阶梯外径。

作为本发明的进一步方案：所述限位器的下端面设置有橡胶缓冲台。

作为本发明的进一步方案：所述限位器下端面和移动板的上端面均设置有与上层复位弹簧相配合的弹簧凹槽。

作为本发明的进一步方案：所述移动板的下端面与阀盘的上工作面均设置有与下层复位弹簧相配合的弹簧凹槽。

作为本发明的进一步方案：所述上层永磁铁、中层永磁铁和下层永磁铁之间相邻面磁性相反。

本发明的有益效果在于：

本发明改变了传统往复泵自动锥阀仅采用定刚度弹簧的模式，借助弹簧弹力与永磁铁之间磁性力的共同作用实现阀盘的自动复位，采用该形式的自动锥阀等效刚度随着阀盘升程的增大而减小，实现了阀盘开启过程中的刚度递减，使得落座速度与滞后高度不增加的情况下，阀盘升程显著增大，水头损失明显减小，有利于提高泵缸内压力与充满系数，减轻泵缸内的空化、气蚀现象的发生，改善往复泵的吸入性能，提高其容积效率，磁力的作用有利于提高阀盘开启过程中的开启速度，降低阀盘的开启滞后；

由于阀盘启闭比较频繁，限位器的下表面设置有橡胶缓冲台有利于减小导向杆对限位器的冲击，避免限位器与导向杆之间的疲劳破坏，提高了使用寿命；

阀盘上表面、移动板上下表面以及限位器下表面均设置有弹簧凹槽，有利于保证装配过程中的对中性，同时有利于防止阀盘启闭过程中弹簧径向窜动。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明剖视结构示意图。

图中：1、阀盘；2、阀座；3、导向爪；4、密封圈；5、导向杆；6、限位螺母；7、移动板；8、限位器；9、上层永磁铁；10、中层永磁铁；11、下层永磁铁；12、下层复位弹簧；13、上层复位弹簧；14、橡胶缓冲台，15、上阶梯外径，16、下阶梯外径，17、弧形爪板。

具体实施方式

为了更充分的解释本发明的实施，以下提供本发明的实施实例，这些实例仅仅是对本发明的阐述，不限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。

实施例如下：

参见附图1：一种磁致变刚度弹簧往复泵自动锥阀，主要由阀盘1和阀座2构成，阀盘1与阀座2配合连接，阀盘1的外缘面采用周向锥面结构，阀盘1的外端面上装有密封圈4，阀盘1中部贯穿装有滑动配合连接的导向杆5，导向杆5主体为阶梯型变径轴杆，导向杆5的上阶梯外径小于下阶梯外径，导向杆5顶端开设有用于连接限位螺母6的螺纹，位于阀盘1下工作面中心部的导向杆5上装有导向爪3，导向爪3由呈十字交叉对称分布的四个弧形爪板17构成，弧形爪板17的连接端与导向杆5的外端面固定，位于阀盘1的上工作面中心部的导向杆5自上而下依次装有位于导向杆5顶端的限位螺母、位于导向杆5上阶梯外径15段的中层永磁铁10和下阶梯外径16段的下层永磁铁11，所述中层永磁铁10上套装有与中层永磁铁10同轴的移动板7，移动板7的下端面与阀盘1上工作面之间装有顶接配合的下层复位弹簧12，移动板7的上端面通过上层复位弹簧13与限位器8连接，限位器8下端面装有上层永磁铁9和橡胶缓冲台14。

本实施例中所述中层永磁铁10和下层永磁铁11主体均为环状结构，所述中层永磁铁10的内环直径大于导向杆5上阶梯外径15，中层永磁铁10的内环直径小于导向杆5下阶梯外径16，下层永磁铁11的内环直径大于导向杆5下阶梯外径16。

本实施例中所述限位器8下端面和移动板7的上端面均设置有与上层复位弹簧13相配合的弹簧凹槽，移动板7的下端面与阀盘1的上工作面均设置有与下层复位弹簧12相配合的弹簧凹槽。

本实施例中所述上层永磁铁9、中层永磁铁10和下层永磁铁11之间相邻面磁性相反。

本实施例中所述移动板7内嵌装的中层永磁铁10内径端面与导向杆5外径面之间设置有限位胶塞，中层永磁铁10上下表面均设置有一层缓冲材料。限位胶塞有利于限制整个锥阀的径向窜动，提高阀盘1启闭过程中的稳定性，中层永磁铁10上下表面均设置有一层缓冲材料有利于防止阀盘1启闭过程中中层永磁铁与导向杆5之间的冲击。

本实施例中的磁致变刚度弹簧往复泵自动锥阀的工作方法如下：

使用前，需要根据往复泵的吸入条件、排出压力以及额定功率等工作参数确定需要的预紧力以及最大的阀盘1升程，进而确定限位器8与移动板7以及移动板7与阀盘1之间的距离，通过旋转导向杆5上的限位螺母6即可调节两者之间的距离，进而达到改变预紧力的目的，从而使设备达到工况要求。

安装过程中，首先将阀座2安装到往复泵液力端泵头体的阀座孔内，将密封圈4套接在阀盘1的周向锥面上，将下层复位弹簧12的下端置于阀盘1上工作面的弹簧凹槽内，将下层复位弹簧12上端置于移动板7下端面的弹簧凹槽内，移动板7对下层复位弹簧12进行预紧，调整好距离后，将限位螺母6拧紧，并且对移动板7进行限位，然后将上层复位弹簧13的下端置于移动板7上端面的弹簧凹槽内，上端置于限位器8下端面的弹簧凹槽内，将锥阀安装到往复泵液力端的泵头体阀孔内，调整限位器8的位置，调节限位器8与移动板7之间的距离。

往复泵工作过程中，由于弹簧与弹簧预紧力与阀盘1重力的作用，阀盘1处于闭合状态，导向爪3位于阀座2内，阻断液体的流通，当阀盘1的上下压差足以克服预紧力与阀盘1重力时，阀盘1开启，进而压缩上层复位弹簧13与下层复位弹簧12，与此同时上层永磁铁9、中层永磁铁10以及下层永磁铁11之间的距离减小，弹簧力增大，弹簧力的方向是使阀盘1趋于关闭，阀盘1的开启阻力增大，但是由于磁性力的作用方向是使阀盘1趋于开启，抵消了一部分弹簧力的作用，有利于提高阀盘1升程，减小阀隙间的水头损失，有利于提高泵缸内压力与充满系数，减轻泵缸内的空化、气蚀现象的发生，改善往复泵的吸入性能，提高其容积效率，有利于提高阀盘1开启过程中反应速度，减小阀盘1的开启滞后。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种磁致变刚度弹簧往复泵自动锥阀，包括：阀盘(1)，阀座(2)，阀盘(1)与阀座(2)配合连接，其特征在于：所述阀盘(1)上设置有导向杆(5)，位于阀盘(1)下工作面中心部的导向杆(5)上设置有导向爪(3)，位于阀盘(1)的上工作面中心部的导向杆(5)自上而下依次设置有限位螺母(6)、中层永磁铁(10)和下层永磁铁(11)，所述中层永磁铁(10)上套装有移动板(7)，所述移动板(7)的下端面与阀盘(1)上工作面之间设置有下层复位弹簧(12)，所述移动板(7)的上端面通过上层复位弹簧(13)与限位器(8)连接，所述限位器(8)下端面设置有上层永磁铁(9)。

2.根据权利要求1所述的磁致变刚度弹簧往复泵自动锥阀，其特征在于：所述阀盘(1)的外缘面为周向锥面结构，所述阀盘(1)的外缘面设置有密封圈(4)。

3.根据权利要求1所述的磁致变刚度弹簧往复泵自动锥阀，其特征在于：所述导向杆(5)主体为阶梯型变径轴杆，所述导向杆(5)的上阶梯外径(15)小于下阶梯外径(16)，所述导向杆(5)顶端设置有螺纹。

4.根据权利要求1所述的磁致变刚度弹簧往复泵自动锥阀，其特征在于：所述导向爪(3)由呈十字交叉对称分布的弧形爪板构成，所述弧形爪板的连接端与导向杆(5)的外端面固定。

5.根据权利要求3所述的磁致变刚度弹簧往复泵自动锥阀，其特征在于：所述中层永磁铁(10)主体为环状结构，所述中层永磁铁(10)的内环直径大于导向杆(5)上阶梯外径(15)，中层永磁铁(10)的内环直径小于导向杆(5)下阶梯外径(16)。

6.根据权利要求3所述的磁致变刚度弹簧往复泵自动锥阀，其特征在于：所述下层永磁铁(11)主体为环状结构，所述下层永磁铁(11)的内环直径大于导向杆(5)下阶梯外径(16)。

7.根据权利要求1所述的磁致变刚度弹簧往复泵自动锥阀，其特征在于：所述限位器(8)的下端面设置有橡胶缓冲台(14)。

8.根据权利要求1所述的磁致变刚度弹簧往复泵自动锥阀，其特征在于：所述限位器(8)下端面和移动板(7)的上端面均设置有与上层复位弹簧(13)相配合的弹簧凹槽。

9.根据权利要求1所述的磁致变刚度弹簧往复泵自动锥阀，其特征在于：所述移动板(7)的下端面与阀盘(1)的上工作面均设置有与下层复位弹簧(12)相配合的弹簧凹槽。

10.根据权利要求1所述的磁致变刚度弹簧往复泵自动锥阀，其特征在于：所述上层永磁铁(9)、中层永磁铁(10)和下层永磁铁(11)之间相邻面磁性相反。