КОМПОЗИТНЫЙ ПЛУНЖЕР КЛАПАНА (ВАРИАНТЫ)
COMPOSITE VALVE PLUNGER (OPTIONS)

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Настоящее изобретение в целом относится к клапанам для текучих сред, а конкретнее, к композитным плунжерам клапанов и связанными с ними способами.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Регулирующие клапаны часто используют в устройствах или системах управления технологическим процессом для контроля потока технологических сред. Регулирующие клапаны, как правило, содержат плунжер клапана (например, металлический плунжер клапана) и седло клапана (например, металлическое седельное кольцо), которые расположены в канале передачи текучей среды для управления потоком текучей среды. Плунжер клапана, как правило, содержит наконечник плунжера клапана, соединенный с корпусом плунжера клапана. Привод перемещает плунжер клапана между открытым положением и закрытым положением, в котором наконечник плунжера клапана входит в седло клапана, образуя герметизирующий затвор.
[0003] В жестких условиях эксплуатации, имеющих место, например, в углеводородной, металлургической и горнодобывающей отраслях, а также в нефтехимической промышленности, регулирующие клапаны могут подвергаться агрессивному эрозионному воздействию, которое может быстро приводить к износу или сокращению срока службы плунжера клапана. Например, плунжер клапана может подвергаться воздействию текучих технологических сред, содержащих унесенные твердые частицы (например, частицы пылевидного керамического катализатора, песок или минеральные массы глубинных пластов и т.п.), которые могут повреждать герметизирующую поверхность наконечника плунжера клапана, изготовленного из металла.
[0004] Поэтому в жестких условиях эксплуатации часто используют наконечники плунжеров клапана, изготовленные из керамических материалов, что необходимо для уменьшения повреждений, вызванных агрессивными эрозионными технологическими средами, которые в противном случае могут повреждать металлические наконечники плунжеров, при этом происходит увеличение срока службы плунжера клапана. Несмотря на то, что такие керамические материалы обладают высокой устойчивостью к эрозионному и/или коррозионному воздействию твердых частиц и тому подобного, они могут обладать повышенной хрупкостью по сравнению с металлическими материалами. В результате этого наконечники плунжеров клапана из керамического материала могут не выдерживать относительно высоких осевых нагрузок привода, которые часто требуются для получения надежного перекрытия потока текучей среды. Например, относительно высокие седельные нагрузки или усилия привод сообщает плунжеру в тех случаях, когда плунжер клапана герметично входит в седло клапана для получения относительно надежного перекрытия и предотвращения либо ограничения потока текучей среды через канал клапана при работе в двухпозиционном режиме «открыто - закрыто». При таких высоких нагрузках концентрация напряжений в керамическом наконечнике плунжера клапана может привести к его разлому, дроблению или расколу.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] В одном примере устройство содержит наконечник плунжера клапана, корпус плунжера клапана и аддитивно наносимый материал. Наконечник плунжера клапана имеет головную часть и хвостовую часть, выступающую из головной части. Корпус плунжера клапана имеет первый конец, второй конец и полость, расположенную между первым и вторым концами. Полая часть корпуса вмещает сопряженную хвостовую часть наконечника плунжера клапана. Аддитивно наносимый материал присоединяют к корпусу плунжера клапана для удержания хвостовой части наконечника плунжера клапана в корпусе плунжера клапана.
[0006] В другом примере устройство содержит наконечник плунжера клапана и связующий слой. Наконечник плунжера клапана состоит из первого материала. Первый материал содержит керамику в металлической матрице. Связующий слой представляет собой аддитивно наносимый второй материал, сплавленный с наконечником плунжера клапана.
[0007] В другом примере устройство содержит наконечник плунжера клапана и аддитивно наносимый материал. Наконечник плунжера клапана имеет контактную поверхность. Аддитивно наносимый материал скрепляют с наконечником плунжера клапана по контактной поверхности. Аддитивно наносимый материал образует связующий слой с наконечником плунжера клапана.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0008] Фиг. 1 представляет собой иллюстративное изображение типового регулирующего клапана, выполненного с использованием типового устройства плунжера клапана, описанного в данном документе.
[0009] Фиг. 2 представляет собой увеличенное изображение с пространственным разделением компонентов типового варианта реализации типового устройства плунжера клапана по фиг. 1.
[0010] Фиг. 3 представляет собой поперечное сечение типового устройства плунжера клапана по фиг. 2 в сборе.
[0011] Фиг. 4 представляет собой увеличенное изображение с пространственным разделением компонентов альтернативного типового варианта реализации типового устройства плунжера клапана по фиг. 1.
[0012] Фиг. 5 представляет собой поперечное сечение альтернативного типового устройства плунжера клапана по фиг. 4 в сборе.
[0013] Фиг. 6 представляет собой поперечное сечение другого альтернативного типового варианта реализации типового устройства плунжера клапана по фиг. 1.
[0014] Фиг. 7 представляет собой увеличенное изображение поперечного сечения типового устройства плунжера клапана по фиг. 6.
[0015] Фиг. 8 представляет собой блок-схему последовательности операций по типовому способу, который может быть использован для создания типового устройства плунжера клапана по фиг. 1-5.
[0016] Фиг. 9 представляет собой блок-схему последовательности операций по альтернативному типовому способу, который может быть использован для создания типового устройства плунжера клапана по фиг. 1, 6 и 7.
[0017] Указанные фигуры представлены не в масштабе. Вместо этого, толщина слоев в графических материалах может быть увеличена с целью уточнения составных слоев и областей. Везде, где это возможно, в графических материалах и прилагаемом письменном описании для обозначения аналогичных либо подобных частей используются одинаковые номера позиций. В контексте данного патента утверждение, что некая часть (например, слой, пленка, область или пластина) каким-либо образом расположена на (например, расположена на, размещена на, находится на или образована на и т.п.) другой части, обозначает, что либо указанная часть соприкасается с другой частью, либо указанная часть отделена от другой части одной или несколькими промежуточными частями, расположенными между рассматриваемыми частями. Утверждение, что некая часть соприкасается с другой частью, обозначает, что между этими двумя частями не расположена промежуточная часть.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0018] В традиционных плунжерах клапана, работающих в условиях агрессивных эрозионных сред, способы крепления (например, горячая запрессовка, высокотемпературная пайка, болтовое соединение) для соединения керамического наконечника плунжера клапана с металлическим корпусом плунжера клапана часто включают использование наконечников плунжера клапана с формами, содержащими острые углы и/или изгибы. Эти традиционные формы наконечника плунжера клапана, наряду с разными значениями коэффициентов теплового расширения керамических и металлических материалов, могут приводить к появлению высоких концентраций напряжений в наконечнике плунжера клапана, и могут снижать устойчивость к разлому традиционного керамического наконечника плунжера клапана, который, как правило, является относительно хрупким.
[0019] В целом, описанное в данном документе типовое устройство плунжера клапана может использоваться в высокоагрессивных эрозионных технологических средах, включающих, например, технологические текучие среды (например, водородные текучие среды), содержащие унесенные твердые частицы (например, частицы керамического катализатора), которые часто вызывают повреждение или эрозию компонентов затвора традиционного клапана. Описанное в данном документе типовое устройство плунжера клапана может использовать наконечники плунжера клапана, состоящие из карбида вольфрама или подобного состава, обладающие значительно увеличенной стойкостью к разлому и увеличенным сроком службы по сравнению с традиционными наконечниками плунжера клапана, изготовленными из относительно хрупких материалов.
[0020] В некоторых примерах описанное в данном документе устройство плунжера клапана содержит наконечник плунжера клапана, состоящий из керамического композитного материала (например, керамического материала в металлической матрице), корпус плунжера клапана, состоящий из металлического материала, и аддитивно наносимый материал, состоящий из металлического материала. Описанное в данном документе типовое устройство плунжера клапана предусматривает механическое соединение между наконечником плунжера клапана и корпусом плунжера клапана, занимающее большую площадь, чем в традиционном плунжере клапана. В некоторых примерах перераспределение напряжений, вызванных различными значениями коэффициентов теплового расширения керамического наконечника плунжера клапана и корпуса плунжера клапана, и перераспределение напряжений от осевого усилия привода, приводящего в действие плунжер клапана, по большей площади механического контакта снижают возможность раскалывания наконечника плунжера клапана. Кроме того, в некоторых примерах устройство плунжера клапана, описанное в данном документе, предусматривает скрепляющее соединение между керамическим композитным наконечником плунжера клапана и металлическим корпусом плунжера клапана, что может дополнительно снизить вероятность раскалывания наконечника плунжера клапана.
[0021] Типовой наконечник плунжера клапана и типовой корпус плунжера клапана описанного в данном документе типового устройства плунжера клапана могут иметь сопряженные формы и/или элементы взаимного сцепления для удерживания наконечника плунжера клапана в корпусе плунжера клапана. В таких примерах аддитивно наносимый материал может быть использован для предотвращения отделения наконечника плунжера клапана от корпуса плунжера клапана. В некоторых примерах аддитивно наносимый материал наносят на типовой наконечник плунжера клапана для формирования связующего слоя из металлического материала, сплавленного с керамическим композитом, к которому может быть механически присоединен типовой металлический корпус плунжера клапана. Таким образом, в описанном в данном документе типовом устройстве плунжера клапана предлагается использование устойчивых к эрозии и механическому разлому керамических композитных наконечников для защиты металлического корпуса плунжера клапана.
[0022] Фиг. 1 представляет собой иллюстративное изображение типового регулирующего клапана, выполненного с использованием типового устройства плунжера клапана, описанного в данном документе. Более конкретно, на фиг. 1 представлен блок регулирующего клапана 100 (например, регулирующий угловой клапан нисходящего потока), содержащий затворное устройство 102, выполненное согласно идеям по данному изобретению, с возможностью использования в жестких условиях эксплуатации (например, в агрессивных эрозионных технологических средах, при высоких уровнях давления и т.п.). Устройство затвора клапана 102 содержит элемент управления потоком или плунжер клапана 104, и седло клапана или седельное кольцо 106. В некоторых примерах плунжер клапана 104 может дополнительно содержать элемент механического соединения 108 (например, внешнюю резьбу, внутреннюю резьбу, штифт, зажимное кольцо, фланец и т.п.) для механического соединения плунжера клапана 104 со штоком клапана 110. Привод (не показан) (например, пневматический привод, электрический привод, гидравлический привод и т.п.) может быть функционально связан со штоком клапана 110 для перемещения плунжера клапана 104 относительно седельного кольца 106 для регулирования потока текучей среды. Кроме того, седло 106 может иметь посадочную поверхность 112 для герметизирующего взаимодействия с плунжером клапана 104.
[0023] Плунжер клапана 104 может содержать корпус плунжера клапана 114 и наконечник плунжера клапана 116. В некоторых примерах плунжер клапана 104 может дополнительно содержать аддитивно наносимый материал 118, более подробно описанный ниже при рассмотрении фиг. 2-7. В некоторых примерах аддитивно наносимый материал 118 может быть нанесен на корпус плунжера клапана 114 и/или на наконечник плунжера клапана 116. В некоторых примерах аддитивно наносимый материал 118 может быть нанесен способами, включающими среди прочего прямой подвод энергии и материала (DED), плавление в порошковом слое (например, прямое лазерное спекание металлов (DMLS)), ультразвуковая консолидация (например, листовая ламинация) и т.п., более подробно описанные ниже при рассмотрении фиг. 8-9. Кроме того, наконечник плунжера клапана 116 может иметь уплотняющую поверхность 120 для герметизирующего взаимодействия с посадочной поверхностью 112 седельного кольца 106.
[0024] В рабочем режиме привод (не показан) вызывает перемещение штока клапана 110 и, как следствие, перемещение плунжера клапана 104 между закрытым положением, в котором наконечник плунжера клапана 116 является герметично соединенным с седельным кольцом 106 для предотвращения или ограничения потока текучей среды, и полностью открытым положением или положением максимального потока, при котором наконечник плунжера клапана 116 отделен от седельного кольца 106 для осуществления потока текучей среды.
[0025] В условиях агрессивных эрозионных текучих сред часто используют наконечники плунжера клапана 116 и/или седельные кольца 106, изготовленные из композитных керамических материалов, поскольку керамические материалы имеют относительно высокую стойкость к условиям эксплуатации в эрозионных или коррозионных текучих средах и при высоких перепадах давления, что увеличивает срок службы плунжеров и/или седел клапана. Например, в примере по фиг. 1, наконечник плунжера клапана 116 и/или седельное кольцо 106 могут быть выполнены из композитного керамического материала. В некоторых примерах композитный керамический материал может представлять собой керамическую массу из карбида вольфрама, сплавленную в матрице из кобальта и/или никеля. Однако для соединения корпуса плунжера клапана 114 со штоком клапана 110 элемент с помощью элемента механического соединения 108 может потребоваться сложный механизм механического крепления, к которому металлический материал может быть более пригоден. Дополнительно или в качестве альтернативного варианта, как было отмечено выше, наконечник плунжера клапана 116 из керамического композита может быть поврежден (например, в виде излома, трещины, раздробления и т.п.) в результате осевых усилий и/или нагрузок на седло, передаваемых наконечнику плунжера клапана 116 с помощью привода для получения надежного затвора потока при операциях в режиме «открыто - закрыто». В некоторых примерах напряжения, возникающие в композитном керамическом наконечнике плунжера клапана 116 вследствие разности значений коэффициента теплового расширения материалов композитного керамического наконечника плунжера клапана 116 и корпуса плунжера клапана 114, увеличивают вероятность повреждения наконечника плунжера клапана 116. Рассмотренные выше увеличения площади механического соединения и/или связующего слоя могут способствовать предотвращению повреждения наконечника плунжера клапана 116, что подробнее описано ниже с помощью фиг. 2-7.
[0026] Фиг. 2 представляет собой увеличенное изображение с пространственным разделением компонентов типового варианта реализации типового устройства плунжера клапана по фиг. 1. В представленном примере по фиг. 2 плунжер клапана 104 может содержать корпус плунжера клапана 114, наконечник плунжера клапана 116 и аддитивно наносимый материал 118, выполненный в форме фиксатора 212. Наконечник плунжера клапана 116 может геометрически удерживаться в корпусе 114 плунжера клапана фиксатором 212. В некоторых примерах наконечник плунжера клапана 116 может в целом иметь грибовидную форму. Однако наконечник плунжера клапана 116 может быть выполнен с возможностью иметь другие формы, позволяющие его удерживать в корпусе плунжера клапана 114 фиксатором 212, в том числе Т-образную форму, форму стопора на ножке, крыльчатую форму, коническую, крючкообразную, зазубренную и т.п. В некоторых примерах наконечник плунжера клапана 116 может быть радиально асимметричным.
[0027] Как показано в примере по фиг. 2, корпус плунжера клапана 114 может содержать шток 214, первый конец 216, второй конец 218, опорную поверхность 220, борт корпуса 222, первую площадку корпуса 224, вторую площадку корпуса 226, внутреннюю дугообразную переходную область 228, область конусности 230, внешнюю дугообразную переходную область 232 и внешнюю поверхность корпуса 234. Кроме того, в некоторых примерах корпус плунжера клапана 114 может содержать элемент механического соединения 108, описанный выше и представленный на фиг. 2 в виде типового резьбового соединения. Как представлено на фиг. 2, опорная поверхность 220 может соприкасаться с первой 224 и второй 226 площадками корпуса, первой дугообразной переходной областью корпуса 228 и внешней поверхностью корпуса 234. Кроме того, первая 224 и вторая 226 площадки корпуса могут соприкасаться с внутренней дугообразной переходной областью корпуса 228, областью конусности корпуса 230, внешней дугообразной переходной областью корпуса 232, бортом корпуса 222 и внешней поверхностью корпуса 234. Кроме того, внутренняя дугообразная переходная область корпуса 228 может соприкасаться с областью конусности корпуса 230. Область конусности корпуса 230 может соприкасаться с дугообразной переходной областью корпуса 232. Внешняя дугообразная переходная область корпуса 232 может соприкасаться с бортом корпуса 222. Борт корпуса 222 может соприкасаться с внешней поверхностью 234. Совместно, опорная поверхность 220, борт корпуса 222, первая площадка корпуса 224, вторая площадка корпуса 226, внутренняя дугообразная переходная область корпуса 228, область конусности корпуса 230 и внешняя дугообразная переходная область корпуса 232 могут образовывать полую часть корпуса 236.
[0028] В представленном примере по фиг. 2 наконечник плунжера клапана 116 может содержать головную часть 238 и хвостовую часть 240. Головная часть 238 может содержать уплотняющую поверхность 120 и упор 242, которые лучше видны на фиг. 3 и 5 и более детально описаны ниже. Упор 242 может соприкасаться с уплотняющей поверхностью 120. Хвостовая часть 240 может содержать основание 244, внутреннюю дугообразную переходную область наконечника 246 и область конусности наконечника 248. Как лучше видно на фиг. 3 и описано ниже, наконечник плунжера клапана 116 может дополнительно содержать внешнюю дугообразную переходную область наконечника 250. Основание 244 может соприкасаться с внутренней дугообразной переходной области наконечника 246. Внутренняя дугообразная переходная область наконечника 246 может соприкасаться с областью конусности наконечника 248. Область конусности наконечника 248 может соприкасаться с внешней дугообразной переходной областью наконечника 250. Внешняя дугообразная переходная область наконечника 250 может соприкасаться с упором 242. К тому же, как подробнее объясняется ниже в сочетании с фиг. 3, хвостовая часть 240 может помещаться в полой части корпуса 236.
[0029] Как показано в примере по фиг. 2, фиксатор 212 может быть аддитивно выполнен или сформирован, при этом фиксатор имеет внешнюю поверхность фиксатора 252, борт фиксатора 254, внешнюю дугообразную область фиксатора 256 и область конусности фиксатора 258. Как описывается ниже и лучше представлено на фиг. 3, фиксатор 212 может быть аддитивно выполнен или сформирован таким образом, что он содержит внутреннюю дугообразную переходную область фиксатора 260. Кроме того, если фиксатор рассматривать отдельно от корпуса плунжера клапана 114, как показано на фиг. 2, фиксатор 212 может быть выполнен или сформирован таким образом, что он содержит первую 262 и вторую 264 площадки фиксатора и нижнюю часть 266. Если фиксатор рассматривать отдельно от корпуса плунжера клапана 114, первая 262 и вторая 264 площадки фиксатора могут соприкасаться с внутренней дугообразной переходной областью фиксатора 260, областью конусности фиксатора 258, внешней дугообразной переходной областью фиксатора 256, бортом фиксатора 254, нижней частью фиксатора 266 и наружной поверхностью фиксатора 252. Внутренняя дугообразная переходная область фиксатора 260 может соприкасаться с областью конусности фиксатора 258. Область конусности фиксатора 258 может соприкасаться с внешней дугообразной переходной областью фиксатора 256. Внешняя дугообразная переходная область фиксатора 256 может соприкасаться с бортом фиксатора 254. Совместно, борт фиксатора 254, внешняя дугообразная область фиксатора 256, область конусности фиксатора 258, внутренняя дугообразная переходная область фиксатора 260, первая 262 и вторая 264 площадки фиксатора и его нижняя часть 266 могут быть аддитивно выполнены или сформированы с образованием полостной части фиксатора 268. Фиксатор 212 может быть аддитивно выполнен или сформирован на корпусе плунжера клапана 114 и наконечнике плунжера клапана 116 в виде ряда последовательных слоев аддитивно наносимого материала 118 на пространстве, ограниченном первой 224 и второй 226 площадками корпуса, опорной стороной 220, внутренней дугообразной переходной областью наконечника 246, областью конусности наконечника 248, внешней дугообразной переходной областью наконечника 250, упором 242, внешней поверхностью корпуса 234 и уплотняющей поверхностью 120. В результате этого, в некоторых примерах фиксатор 212 связывает (например, замыкает, обхватывает, соединяет и т.п.) между собой первую 224 и вторую 226 площадки корпуса. В некоторых примерах последовательные слои аддитивно наносимого материала 118, образующего фиксатор 212, могут быть расплавлены во время нанесения. Поскольку фиксатор 212 аддитивно выполнен или сформирован на корпусе плунжера клапана 114, фиксатор 212 может образовывать единое целое с корпусом и, следовательно, становиться составной частью корпуса плунжера клапана 114. Кроме того, фиксатор 212 может быть аддитивно выполнен вокруг хвостовой части 240. В результате этого полостная часть корпуса 236 и полостная часть фиксатора 268 могут совместно образовывать полость 270, при этом хвостовая часть 240 может быть зафиксирована в полости 270. Кроме того, фиксатор 212 и корпус плунжера клапана 114 могут работать совместно на фиксацию хвостовой части 240 наконечника плунжера клапана 116 в корпусе плунжера клапана 114. Фиксация наконечника плунжера клапана 116 согласно примеру по фиг. 2 подробнее описывается ниже с помощью фиг. 3.
[0030] Фиг. 3 представляет собой поперечное сечение типового устройства плунжера клапана по фиг. 2 в сборе. В представленном примере по фиг. 3 наконечник плунжера клапана 116 изображен установленным в корпус плунжера клапана 114 и зафиксированным с помощью фиксатора 212. В результате полость 270 заполняется хвостовой частью 240. Корпус плунжера клапана 114 и фиксатор 212 могут иметь форму, соответствующую сопряжению с наконечником плунжера клапана 116. Например, опорная поверхность 220 может быть сопряжена с основанием 244. Например, внутренняя дугообразная переходная область корпуса 228 внутренняя дугообразная переходная область фиксатора 260 могут находиться в сопряженном соответствии с внутренней переходной областью наконечника 246. Например, область конусности корпуса 230 и область конусности фиксатора 258 могут находиться в сопряженном соответствии с областью конусности наконечника 248. Например, внешняя дугообразная переходная область корпуса 232 и внешняя переходная область фиксатора 256 могут находиться в сопряженном соответствии с внешней дугообразной переходной области наконечника 250. Например, борт корпуса 222 и борт фиксатора 254 могут находиться в сопряженном соответствии с упором 242. Кроме того, дугообразные формы дугообразных переходных областей 228, 232, 246, 250, 256, 260 могут работать на значительное снижение концентрации напряжений и предотвращение распространения разломов в корпусе плунжера клапана 114, фиксаторе 212 и наконечнике плунжера клапана 116.
[0031] Кроме того, как показано на фиг. 3, в некоторых примерах внутренняя дугообразная переходная область корпуса 228, область конусности корпуса 230, внешняя дугообразная переходная область корпуса 232, борт корпуса 222, внутренняя дугообразная переходная область фиксатора 260, область конусности фиксатора 258, внешняя дугообразная переходная область фиксатора 256 и борт фиксатора 254 могут совместно образовывать фиксирующую манжету 312. В результате этого, как показано на фиг. 2 и 3, когда фиксатор 212 соединяет первую 224 и вторую 226 площадки корпуса, в некоторых примерах фиксирующая манжета 312 является сплошной (например, кольцеобразной, в форме кольца). В некоторых примерах область конусности корпуса 230 и область конусности фиксатора 258 могут сужаться от второго конца 218 к первому концу 216 (например, полость 270 может иметь коническую форму). В некоторых примерах область конусности наконечника 248 может сужаться от основания 244 к головной части 238 (например, хвостовая часть 240 может быть расширена). Кроме того, в некоторых примерах область конусности наконечника 248, внешняя дугообразная переходная область наконечника 250 и упор 242 могут совместно образовывать паз 314. Поскольку фиксатор 212 аддитивно выполнен вокруг хвостовой части 240, может происходить взаимное сцепление фиксирующей манжеты 312 и паза 314. Например, паз 314 сопряженно вмещает фиксирующую манжету 314. Например, фиксирующая манжета 314 сопряженно замыкает паз 314. В результате этого фиксирующая манжета 312 может удерживать наконечник плунжера клапана 116 в корпусе плунжера клапана 114 путем захвата расширяющейся хвостовой части 240. Однако в некоторых примерах между наконечником плунжера клапана 116 и корпусом плунжера клапана 114, а также фиксатором 212 может оставаться зазор 316. В некоторых примерах с помощью зазора 316 можно учитывать различие в коэффициентах расширения между металлическим корпусом плунжера клапана 114 и фиксатором 212, и наконечником плунжера клапана 116 из керамического композита. По мере нагрева плунжера клапана 104 во время работы под воздействием горячих текучих сред, корпус плунжера клапана 114 может расширяться, перекрывая зазор 316, и поджимать наконечник плунжера клапана 116. Например, фиксирующая манжета 312 может обжимать хвостовую часть 240. Более конкретно, области конусности корпуса 230 и фиксатора 258, внешние дугообразные переходные области корпуса 232 и фиксатора 256, а также борта корпуса 222 и фиксатора 254 могут обжимать область конусности наконечника 248, внешнюю дугообразную переходную область наконечника 250 и упор 242 соответственно. Дополнительные примеры фиксации наконечника плунжера клапана в корпусе плунжера клапана 114 поясняются ниже с использованием фиг. 4-7.
[0032] Фиг. 4 представляет собой увеличенное изображение с пространственным разделением компонентов альтернативного типового варианта реализации типового устройства плунжера клапана по фиг. 1. В представленном примере по фиг. 4 плунжер клапана 104 может содержать корпус плунжера клапана 114, наконечник плунжера клапана 116 и аддитивно наносимый материал 118, выполненный в форме муфты 412. В некоторых примерах муфта 412 может содержать элемент механического соединения 108. В некоторых примерах, как показано на фиг. 4, корпус плунжера клапана 114 может содержать первую часть корпуса 414 и вторую часть корпуса 416 (например, корпус плунжера клапана 114 может быть разделен вдоль оси, связывающей первый конец 216 и второй конец 218). Первая 414 и вторая 416 части корпуса могут взаимно дополнять друг друга. Первая 414 и вторая 416 части корпуса могут представлять собой любое дополнительное (например, уравновешивающее) разделение корпуса плунжера клапана 114 (например, на две половины, разделение серповидной формы и разделение в форме кусочков торта). Наконечник плунжера клапана 116 может геометрически удерживаться между первой 414 и второй 416 частями корпуса. Кроме того, муфта 412 может удерживать первую 414 и вторую 416 части корпуса вместе (например, предотвращать отделение первой 414 и второй 416 частей и тем самым удерживать наконечник плунжера клапана 116).
[0033] В некоторых примерах каждая первая 414 и вторая 416 части корпуса могут содержать опорную поверхность 220, борт корпуса 222, первую 224 и вторую 226 площадки корпуса, внутреннюю дугообразную переходную область корпуса 228, область конусности корпуса 230, внешнюю дугообразную переходную область корпуса 232 и внешнюю поверхность корпуса 234, образующие вышеописанную полую часть корпуса 236. В примере по фиг. 4, полые части корпуса 236 первой 414 и второй 416 частей корпуса могут образовывать полость 270. Кроме того, каждая первая 414 и вторая 416 части корпуса могут содержать сопряженную поверхность 418. В результате этого в некоторых примерах первая 414 и вторая 416 части корпуса могут представлять собой зеркальные отображения друг друга.
[0034] В некоторых примерах муфта 412 может быть аддитивно выполнена вокруг первой 414 и второй 416 частей корпуса для соединения и герметизации первой 414 и второй 416 частей корпуса, в результате приводя к удержанию наконечника плунжера клапана 116 в корпусе плунжера клапана 114. Муфта 412 может быть аддитивно сформирована на собранных первой 414 и второй 416 частях корпуса в виде последовательных слоев аддитивно наносимого материала 118. В некоторых примерах последовательные слои аддитивно наносимого материала 118, образующего муфту 412, могут быть расплавлены во время осаждения. Поскольку муфта 412 аддитивно выполнена или сформирована на первой 414 и второй 416 частях корпуса 114, муфта 412 может образовывать единое целое с корпусом и, следовательно, становиться составной частью корпуса плунжера клапана 114. Фиксация наконечника плунжера клапана 116 согласно примеру по фиг. 4 подробнее описывается ниже с помощью фиг. 5.
[0035] Фиг. 5 представляет собой поперечное сечение альтернативного типового устройства плунжера клапана по фиг. 4 в сборе. Как показано на фиг. 5, первая 414 и вторая 416 части корпуса сопряжены на сопряженных поверхностях 418 для удержания наконечника плунжера клапана 116 в полости 270. Кроме того, в примере по фиг. 5, муфта 412 аддитивно выполнена вокруг первой 414 и второй 416 частей для покрытия первой 414 и второй 416 частей корпуса, в результате соединяя первую и вторую части корпуса вместе с целью предотвращения высвобождения наконечника плунжера клапана 116. Кроме того, муфта 412 может быть аддитивно выполнена и/или содержать элемент механического соединения 108.
[0036] В представленном примере по фиг. 5 хвостовая часть 240 наконечника плунжера клапана 116 изображена установленной между первой 414 и второй 416 частями корпуса, зафиксированными с помощью муфты 412. В результате этого, аналогично примеру по фиг. 3, полость 270 заполнена хвостовой частью 240 наконечника плунжера клапана 116. Как показано в примере на фиг. 3, первая 414 и вторая 416 части корпуса могут быть выполнены в форме, необходимой для сопряжения с наконечником плунжера клапана 116 с помощью опорной поверхности 220, внутренней дугообразной переходной области корпуса 228, области конусности корпуса 230, внешней дугообразной переходной области корпуса 232 и борта корпуса 222. Кроме того, подобно фиксатору 212 и корпусу плунжера клапана 114, описанным выше с использованием фиг. 3, дугообразные формы дугообразных переходных областей 228 и 232 могут работать на уменьшение концентрации напряжений и предотвращения распространения разломов в первой 414 и второй 416 частях корпуса.
[0037] Кроме того, как показано на фиг. 5, в некоторых примерах первая 414 и вторая 416 части корпуса совместно образуют фиксирующую манжету 312 вокруг дугообразных переходных областей 228 и 232, областей конусности корпуса 230 и бортов корпуса 222. В некоторых примерах наконечник плунжера клапана 116 имеет паз 314, как было описано выше. Когда первая 414 и вторая 416 части корпуса собраны вокруг наконечника плунжера клапана 116, может происходить взаимное сцепление фиксирующей манжеты 312 и паза 314, при этом наконечник плунжера клапана 116 фиксируется в корпусе плунжера клапана 114, как описано выше с использованием фиг. 3. Однако, аналогично вышеприведенному по отношению к фиг. 3, в некоторых примерах с помощью зазора 316 между наконечником плунжера клапана 116 и первой 414 и второй 416 частями корпуса учитывают различие в коэффициентах расширения между металлическими первой 414 и второй 416 частями корпуса и наконечником плунжера клапана 116 из керамического композита. При воздействии горячих текучих сред при эксплуатации первая 414 и вторая 416 части корпуса могут расширяться и поджимать наконечник плунжера клапана 116, тем самым перекрывая зазор 316. Дополнительные примеры фиксации наконечника плунжера клапана в корпусе плунжера клапана 114 поясняются ниже с использованием фиг. 6-7.
[0038] Фиг. 6 представляет собой поперечное сечение другого альтернативного типового варианта реализации типового устройства плунжера клапана по фиг. 1. Как показано на фиг. 6, плунжер клапана 104 может содержать корпус плунжера клапана 114, наконечник плунжера клапана 116, аддитивно наносимый материал 118 и связующий слой 612. В некоторых примерах, как показано на фиг. 6, наконечник плунжера клапана 116 имеет практически плоскую контактную поверхность 614. В некоторых примерах корпус плунжера клапана 114 соединен с аддитивно наносимым материалом 118. В некоторых примерах аддитивно наносимый материал 118 связан с контактной поверхностью 614 с помощью связующего слоя 612. Кроме того, корпус плунжера клапана 114 может быть аддитивно выполнен и/или механически обработан с образованием элемента механического соединения 108. Соединение наконечника плунжера клапана 116 в соответствии с примером по фиг. 6 более детально поясняется ниже с использованием фиг. 7.
[0039] Фиг. 7 представляет собой увеличенное изображение поперечного сечения типового устройства плунжера клапана по фиг. 6. Как показано в примере по фиг. 7, корпус плунжера клапана 114 и аддитивно наносимый материал 118 состоят практически из аналогичных металлических материалов «ММ». В некоторых примерах металлический материал «ММ» представляет собой железосодержащий сплав (например, сталь, нержавеющую сталь, нержавеющую сталь «316», и т.п.). Кроме того, как показано в примере по фиг. 7, наконечник плунжера клапана 116 состоит из керамической массы 710, помещенной в металлическую матрицу 712 (например, из композитной керамики). В примере по фиг. 7, керамическая масса 710 представляет собой карбид вольфрама «WC», а металлическая матрица 712 содержит никель «Ni» и кобальт «Co». Однако керамическая масса 710 может представлять собой керамику любого типа, а металлическая матрица 712 может содержать любой металл. Если аддитивно наносимый материал 118 наноситься в виде последовательных слоев на контактную поверхность 614, часть металлической матрицы 712 наконечника плунжера клапана 116 может сплавляться с аддитивно наносимым материалом 118 с образованием связующего слоя 612. В примере по фиг. 7, связующий слой 612 в результате содержит никель «Ni» и кобальт «Co» металлической матрицы 712, сплавленные с металлическим материалом «MM» аддитивно наносимого материала 118. В результате этого может происходить диффузия (например, внедрение, абсорбция) контактной поверхности 614 в связующий слой 612. В некоторых примерах аддитивно наносимый материал 118 расплавляют лучом лазера и наносят в виде последовательных расплавленных слоев (например, растеканием) на контактную поверхность 614 посредством направленного энергетического воздействия. В некоторых примерах аддитивно наносимый материал 118 наносят в виде последовательных слоев в виде порошка, которые затем расплавляют с помощью луча лазера для распределения по контактной поверхности 614 посредством плавления в порошковом слое (например, методом прямого лазерного спекания металлов). В некоторых таких примерах луч лазера и/или расплавленный аддитивно наносимый материал 118 расплавляет контактную поверхность 614, вызывая жидкостное смешивание части металлической матрицы 712 наконечника плунжера клапана 116 с аддитивно наносимым материалом 118. В некоторых таких примерах металлическая матрица 712 и аддитивно наносимый материал 118 сплавляются вместе в процессе охлаждения связующего слоя 612. В результате этого в некоторых примерах связующий слой 612 представляет собой сплав (например, смесь, амальгаму, сращение, механическую смесь, композит и т.п.) аддитивно наносимого материала 118 и металлической матрицы 712. В некоторых таких примерах охлаждение связующего слоя 612 и/или наконечника плунжера клапана 116 может регулироваться путем многократной подачи на связующий слой 612 излучения лазера уменьшенной интенсивности. Управление охлаждением связующего слоя 612 и/или наконечника плунжера клапана 116 может предотвратить повреждение (например, разлом, раскол, сколы и т.п.) наконечника плунжера клапана 116.
[0040] В некоторых примерах аддитивно наносимый материал 118 наносят в виде последовательных листовых слоев (например, фольги и т.п.), которые затем приваривают к контактной поверхности 614 с помощью сонотрода методом ультразвуковой консолидации. В некоторых таких примерах ультразвуковые колебания, создаваемые сонотродом, сплавляют аддитивно наносимый материал 118 с металлической матрицей 712 наконечника плунжера клапана 116. В результате этого связующий слой 612 может представлять собой смесь аддитивно наносимого материала 118 и металлической матрицы 712, полученную при аддитивном нанесении аддитивно наносимого материала 118 в виде последовательных слоев на наконечник плунжера клапана 116, при этом потребляемая мощность в наконечнике плунжера клапана 116 может быть относительно низкой по сравнению, например, с традиционными способами сварки, литья и т.п. Уменьшение энергии, подводимой к наконечнику плунжера клапана 116, может предотвратить повреждение наконечника плунжера клапана 116.
[0041] В некоторых примерах дополнительный аддитивно наносимый материал 118 наносят на связующий слой 612 до получения толщины 716 аддитивно наносимого материала 118. В некоторых примерах корпус плунжера клапана 114 соединяют с толщиной 716 аддитивно наносимого материала с помощью традиционного способа сварки с относительно высокой потребляемой мощностью. Однако в некоторых примерах корпус плунжера клапана 114 соединяют непосредственно со связующим слоем 612. В некоторых примерах толщина 716 и/или связующий слой 612 работают в качестве теплоизоляционного барьера (например, теплозащитного экрана и т.п.) для защиты композитного керамического наконечника плунжера клапана 116 от сварки с высоким уровнем потребляемой мощности. Однако в некоторых примерах аддитивное нанесение аддитивно наносимого материала 118 продолжают практически до окончания формирования корпуса плунжера клапана 114.
[0042] В то время как типовые способы реализации типового плунжера клапана 104 по фиг. 1-7 изображены на фиг. 8-9, один или несколько элементов, процессов и/или устройств, представленных на фиг. 8-9 могут быть объединены, разделены, переставлены местами, опущены, исключены и/или реализованы любым иным способом. Кроме того, типовые способы по фиг. 8-9 выполнения типового наконечника плунжера клапана 116, типовой металлической матрицы 712, типового связующего слоя 612, типовой толщины 716, типового аддитивно наносимого материала 118, типового корпуса плунжера клапана 114 и/или, в более общем случае, типового плунжера клапана 104 по фиг. 1-7 могут быть реализованы с помощью аппаратного обеспечения, программного обеспечения, встроенного программного обеспечения и/или любой комбинации аппаратного, программного обеспечения и/или встроенного программного обеспечения с использованием команд, пригодных для машинного считывания. Кроме того, например, процессы по фиг. 8 и 9, используемые для выполнения любого из перечисленных ниже типового наконечника плунжера клапана 116, типовой металлической матрицы 712, типового связующего слоя 612, типовой толщины 716, типового аддитивно наносимого материала 118, типового корпуса плунжера клапана 114 и/или, в более общем случае, типового плунжера клапана 104 могут быть реализованы с помощью одной или нескольких аналоговых или цифровых схем, логических схем, программируемых процессоров, специализированных интегральных схем (ASIC), программируемых логических устройств (PLD) и/или программируемых пользователем логических устройств (FPLD). Кроме того, любые команды, пригодные для машинного считывания, используемые для выполнения по меньшей мере одного из типовых способов по фиг. 8-9, тем самым, четко заданы для кодирования на материальном компьютерном считываемом запоминающем устройстве или дисковом запоминающем устройстве, в том числе в памяти, на цифровом универсальном диске (DVD), компакт-диске (CD), диске Blu-ray и т.п., содержащих программное обеспечение либо встроенное программное обеспечение. Более того, типовые способы по фиг. 8-9 могут включать один или несколько элементов, процессов и/или устройств в дополнение к или вместо проиллюстрированных на фиг. 8-9, и/или могут включать несколько любых или все проиллюстрированные элементы, процессы и устройства.
[0043] Блок-схемы последовательности операций, представляющие типовые способы выполнения типовых плунжеров клапана 104 по фиг. 1-7 показаны на фиг. 8-9. В некоторых примерах, в которых типовые способы реализуют с использованием команд, пригодных для машинного считывания, указанные команды, пригодные для машинного считывания, содержат программу для выполнения процессором. Указанная программа может быть реализована в программном обеспечении, хранящемся на материальном считываемом компьютером носителе данных, например, компакт-диске CD-ROM, гибком диске, жестком диске, цифровом универсальном диске (DVD), диске Blu-ray или запоминающем устройстве, связанном с процессором, при этом вся программа и/или ее части в альтернативном варианте могут выполняться устройством, отличным от процессора, и/или могут быть реализованы во встроенном программном обеспечении или специализированных аппаратных средствах. Кроме того, хотя типовые способы описаны с использованием блок-схем, проиллюстрированных на фиг. 8-9, в альтернативном варианте могут быть использованы многие другие способы реализации типового плунжера клапана. Например, может быть изменен порядок выполнения этапов и/или могут быть изменены, исключены или объединены некоторые описанные этапы.
[0044] Как было упомянуто выше, типовой способ по фиг. 8-9 может быть реализован с использованием кодированных команд (например, компьютерных команд и/или пригодных к машинному считыванию команд), хранящихся на материальном считываемом компьютером носителе данных, включая жесткий диск, флэш-память, постоянное запоминающее устройство (ROM), компакт-диск (CD), цифровой универсальный диск (DVD), кэш память, оперативное запоминающее устройство (RAM) и/или любое другое запоминающее устройство или диск для хранения данных, на котором информация хранится в течение любого периода времени (например, в течение длительного времени, постоянно, в течение коротких промежутков времени, для временной буферизации и/или для кэширования информации). Используемый в настоящем документе термин «материальный читаемый компьютером носитель данных» явно определен таким образом, чтобы включать любой тип читаемого компьютером запоминающего устройства и/или диска для хранения данных и исключать распространяющиеся сигналы и средства передачи. Используемые в настоящем документе термины «материальный читаемый компьютером носитель данных» и «материальный машиночитаемый носитель данных» используются взаимозаменяемо. В качестве дополнительного или альтернативного варианта, типовой способ по фиг. 8-9 может быть реализован с использованием кодированных команд (например, считываемых компьютером команд и/или команд, пригодных для машинного считывания), хранящихся на компьютерных и/или пригодных для машинного считывания носителях долговременного хранения информации, включая жесткий диск, флэш-память, постоянное запоминающее устройство, компакт-диск, цифровой универсальный диск, кэш память, оперативное запоминающее устройство и/или любое другое запоминающее устройство или диск для хранения данных, на котором информация хранится в течение любого периода времени (например, в течение длительного времени, постоянно, в течение коротких промежутков времени, для временной буферизации и/или для кэширования информации). В контексте данного документа термин «компьютерный носитель долговременного хранения информации» явно предусматривает включение любого типа считываемого компьютером запоминающего устройства и/или диска для хранения данных и исключает использование репродуцированных сигналов и средств передачи данных. В контексте данного документа использование фразы «по меньшей мере» в качестве переходного термина в преамбуле формулы изобретения является неограничивающим аналогично неограничивающему значению термина «содержащий».
[0045] Фиг. 8 представляет собой блок-схему последовательности операций по типовому способу 810, который может быть использован для реализации типового плунжера клапана 104 по фиг. 1-5. Типовой способ 810 может быть использован, например, для соединения композитного керамического наконечника плунжера клапана с металлическим корпусом плунжера клапана.
[0046] Может быть сформирован композитный керамический наконечник плунжера клапана (например, отлитый, механически обработанный и т.п.) (этап 820). Затем может быть сформирован металлический корпус плунжера клапана (например, отлитый, спеченный, механически обработанный, произведенный по аддитивной технологии и т.п.) (этап 830). В некоторых примерах наконечник плунжера клапана и корпус плунжера клапана выполняют с приданием им сопряженных форм и/или элементов взаимного сцепления (этапы 820, 830). Затем наконечник плунжера клапана и корпус плунжера клапана могут быть собраны вместе (этап 840). В некоторых примерах хвостовую часть наконечника плунжера клапана помещают в полость корпуса плунжера клапана. Кроме того, аддитивно наносимый материал может быть нанесен посредством аддитивной технологии (например, прямым подводом энергии, плавлением в порошковом слое, ультразвуковой консолидацией и т.п.) на корпус плунжера клапана, и в некоторых примерах, на наконечник плунжера клапана (этап 850). В некоторых примерах аддитивно наносимый материал удерживает наконечник плунжера клапана в корпусе плунжера клапана. В некоторых примерах аддитивно наносимый материал формируют в виде фиксатора. В некоторых примерах аддитивно наносимый материал формируют в виде муфты. Затем можно проводить механическую обработку собранного корпуса плунжера клапана, наконечника плунжера клапана и аддитивно наносимого материала, например, для удаления неровностей, гравирования информации, создания элементов механического соединения и т.п. (этап 860).
[0047] Фиг. 9 представляет собой блок-схему последовательности операций по альтернативному типовому способу 910, который может быть использован для реализации типового плунжера клапана 104 по фиг. 1, 6 и 7. Типовой альтернативный способ 910 может быть использован, например, для соединения композитного керамического наконечника плунжера клапана с металлическим корпусом плунжера клапана.
[0048] Может быть сформирован композитный керамический наконечник плунжера клапана (например, отлит, сформирован из металлического порошка и подходящего связующего, спеченный, механически обработанный и т.п.) (этап 920). В некоторых примерах композитная керамика представляет собой керамический материал, сплавленный в металлической матрице. В некоторых таких примерах керамический материал представляет собой карбид вольфрама, а металлическая матрица представляет собой никель и/или кобальт. В некоторых примерах наконечник плунжера клапана выполнен с контактной поверхностью. Затем наконечник плунжера клапана подготавливают для дальнейшей обработки (этап 930). В некоторых примерах подготовка наконечника плунжера клапана включает очистку и/или нагрев наконечника плунжера клапана. В некоторых таких примерах наконечник плунжера клапана нагревают лучом лазера. Затем на наконечнике плунжера клапана формируют связующий слой посредством аддитивной технологии (например, методом прямого подвода энергии и материала, плавлением в порошковом слое, ультразвуковой консолидацией и т.п.) (этап 940). В некоторых примерах связующий слой представляет собой смесь (например, сплав) металлической матрицы и металлического материала, нанесенного с помощью аддитивной технологии. В некоторых примерах металлический материал представляет собой железосодержащий сплав (например, сталь, нержавеющую сталь и т.п.). В некоторых примерах связующий слой формируют на контактной поверхности наконечника плунжера клапана. В некоторых таких примерах происходит диффузия вещества контактной поверхности в связующий слой. Кроме того, в примерах с использованием луча лазера для создания связующего слоя (этап 940), охлаждение связующего слоя и наконечника плунжера клапана может регулироваться путем многократной подачи на связующий слой излучения лазера уменьшенной интенсивности (этап 950). Затем корпус плунжера клапана может быть соединен с наконечником плунжера клапана с помощью связующего слоя (этап 960). В некоторых примерах корпус плунжера клапана может быть традиционно приварен к связующему слою. В некоторых примерах корпус плунжера клапана может быть аддитивно выполнен на связующем слое. В некоторых примерах толщина аддитивно наносимого материала может быть аддитивно сформирована на связующем слое, при этом корпус плунжера клапана может быть традиционно приварен к этому слою. Кроме того, можно проводить механическую обработку собранного корпуса плунжера клапана, наконечника плунжера клапана и аддитивно наносимого материала, например, для удаления неровностей, гравирования информации, создания элементов механического соединения и т.п. (этап 970).
[0049] Из вышеизложенного следует понимать, что раскрытые выше способы, устройства и изделия предусматривают возможность реализации плунжеров клапанов с наконечниками плунжеров клапанов, которые одновременно надежно закреплены и устойчивы к разлому, что в результате продлевает срок эксплуатации плунжера клапана и клапана. Кроме того, использование относительно низких уровней энергии для реализации аддитивной технологии связывания металлических материалов с композитной керамикой может предусматривать возможность получения слоистых структур (например, ламинатов), которые являются как твердыми (например, стойкими к эрозии), так и упругими (например, пластично деформируемыми, пригодными к механической обработке и т.п.).
[0050] Хотя в данном документе раскрыты некоторые типовые способы, устройства и изделия, объем настоящего патента ими не ограничивается. Наоборот, настоящий патент включает все способы, устройства и изделия, справедливо находящиеся в пределах объема формулы изобретения по настоящему патенту.