弹簧复位致动器 |
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| 申请号 | CN201480027965.8 | 申请日 | 2014-02-17 | 公开(公告)号 | CN105229314A | 公开(公告)日 | 2016-01-06 |
| 申请人 | 哈博尼姆工业阀门和执行器有限公司; | 发明人 | 加比·雅科比; 伊多·纳翁; 约尔·哈德; 埃菲拉姆·马扬; | ||||
| 摘要 | 本 发明 的实施方式的方面涉及一种 弹簧 复位 致动器 ，其包含：可通过加压 流体 在第一和第二 位置 之间移动以移动负载的第一 活塞 (125A、B)；包含 第二活塞 (135A、B)的安全系统，第二活塞(135A、B)可由加压流体移动以装备安全系统，并且当停止给3/2导 阀 供能时或者当加压流体的压 力 下降到低于安全压力 阈值 时，将第一活塞从第二位置复位到第一位置；以及用于提供加压流体的差分流体通道(170)，其被配置为使得第一活塞在运转移动负载时基本上保持与已装备的安全系统分离。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种弹簧复位致动器，其包含： |
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| 说明书全文 | 弹簧复位致动器[0001] 相关申请 技术领域[0003] 本实施方式涉及弹簧复位致动器。 背景技术[0004] 在现有技术中已知多种类型的弹簧复位致动器。它们通常包含置于负载腔中的活塞和在安全腔中的一套弹簧。导阀将加压的流体(诸如气体或液体)引入负载腔，以产生使负载腔中的活塞移动的力，并且同时压缩在安全腔中的弹簧。导阀在正常操作时将流体从负载腔释放，以致复位弹簧松开并且产生使负载活塞复位到其安全位置的力。在流体操作压力损失的情况下，复位弹簧自动地松开，以使负载活塞复位到其安全位置。致动器活塞的初始、安全位置通常是与活塞耦合的负载被认为在负载的对应的初始、“良性”位置处的位置。耦合元件，诸如活塞杆或者齿条和齿轮传动装置的齿条，使得在负载腔中的活塞的运动与负载耦合，以将力施加到负载，并且从而控制负载的运动。发明内容 [0005] 实施方式的方面涉及一种弹簧复位致动器，其用于移动弹簧复位致动器所耦合的负载，并且其采用安全系统，以用于在负载活塞施加了用于移动负载的动力冲程之后将负载活塞从运转位置复位到初始安全位置。运转位置被定义为负载活塞不在初始安全位置处的位置。 [0006] 安全系统包括被容纳于第一活塞缸体腔(在下文中为安全腔)的复位弹簧和安全活塞，第一活塞缸体腔与容纳有负载活塞的另一活塞缸体腔(在下文中为负载腔)相互密封。当安全腔中的压力下降到低于安全压力阈值时，通过将安全活塞从装备位置推到解除位置，复位弹簧将负载活塞从其运转位置复位到其初始安全位置。 [0007] 弹簧复位致动器包含差分流体通道，差分流体通道被配置为使得加压流体以比被引入到负载腔中的流速更高的流速被引入到安全腔中，以致在负载活塞的动力冲程期间负载活塞和安全活塞分离。结果是，在动力冲程期间，当负载活塞从初始安全位置移动到运转位置以移动负载时，由动力活塞提供以移动负载的力与压缩和装备复位弹簧所需的力相独立。 [0008] 负载活塞在动力冲程期间保持与复位弹簧分离的致动器在下文中可指分动致动器(SPA)。 [0009] 差分流体通道可被包含到弹簧复位致动器的壳体中和/或可以具有安全腔和负载腔共用的进口。 [0010] 实施方式的进一步方面可涉及提供一种弹簧复位致动器，在下文中为“双SPA(D-SPA)”致动器，其包含至少一组成对的SPA致动器。根据本发明的实施方式的D-SPA致动器包含容纳了一对负载活塞(第一和第二负载活塞)的共享的负载腔，以用于控制负载的运动。根据实施方式的D-SPA致动器进一步包含两个安全腔，每个安全腔都分别容纳第一安全活塞和第二安全活塞，并且被配置为装备对应的安全系统。第一负载活塞和第一安全活塞为串联结构，并且相对于也为串联结构的第二负载活塞和第二安全活塞镜像。 [0011] 当停止给导阀供能时，或当流体操作压力下降到低于安全压力阈值时，安全活塞从装备位置移动到解除位置，并且将两个负载活塞从运转位置复位到初始安全位置。 [0012] 结果是，对于给出的施加于负载的力，负载活塞或上述弹簧复位致动器的活塞以比在传统弹簧复位致动器中的负载活塞更高的效率操作。 [0013] 在某些实施方式中，加压流体是气体。可选地，加压流体是液体。 [0014] 在某些实施方式中，负载腔容纳了传动装置，诸如齿条和齿轮传动装置，以用于传递负责活塞的运动，以移动负载。在某些其他实施方式中，负载腔容纳了止转棒轭传动装置。 [0015] 在讨论中，除非另外说明，诸如“基本上”和“大约”的、修饰本发明的实施方式的特征或多个特征的条件或关系特性的形容词理解为表示条件或特性被限定在对于实施方式所指的应用的实施方式的操作的可接受的限度内。除非另外说明，在描述和权利要求中的词语“或者”被认为是包含的而不是排他的“或者”，并且表示其连接的术语的至少一个或任何组合。 [0017] 下面将参考附图描述实施方式的非限制性的示例，所附的附图被列于本段下面。出现在多于一张的附图中的相同的结构、元件或部分在它们所出现的所有附图中通常被标记为相同的附图标记。为了表述的方便和清晰而选择图中所示的部件和特征的尺寸，并且不一定按比例示出。 [0018] 图1是根据本发明的实施方式的、包含不同的流体通道的D-SPA致动器的示意性的剖视图； [0019] 图2A和2B示出了根据本发明的实施方式的、被包含在不同的流体通道中的节流器的示意性的放大的剖视图； [0020] 图3A至3D示出了根据本发明的实施方式的、D-SPA致动器的示意性剖视图，示出了其操作；并且 [0021] 图4A至4B示出了根据本发明的实施方式的、D-SPA致动器的示意性剖视图，示出了其与3/2导阀协作的操作。 具体实施方式[0022] 现在对图1进行参考，其示意性地示出了根据本发明的实施方式的D-SPA致动器100的剖视侧视图。 [0023] D-SPA致动器100包含壳体110，壳体110被形成为具有在第一安全腔130A和第二安全腔130B之间的负载腔120。从而，负载腔120与第一安全腔130A和第二安全腔130B均串联。第一隔壁145A将第一安全腔130A与负载腔120隔开，并且第二隔壁145B将第二安全腔130B与负载腔120隔开。 [0024] 负载腔120容纳了一对负载活塞：第一负载活塞125A和第二负载活塞125B，第一负载活塞125A和第二负载活塞125B被负载腔120可滑动地容纳，并且被配置为基本上与负载腔120的内壁151相互密封。例如，第一和第二负载活塞125A和125B可以各自具有槽141A和141B，槽141A和141B被形成在边缘中，以用于分别安置第一密封元件142A和第二密封元件142B，例如O型环或活塞环。 [0025] 负载活塞125A和125B可被附接于传动装置160，传动装置160将它们的运动与D-SPA致动器100控制的负载(未示出)耦合。例如，传动装置160可以是旋转驱动轴161的齿条和齿轮传动装置，驱动轴161通过被形成在壳体110中的间隙孔(未示出)延伸出壳体110。例如，驱动轴161可通过O型环而与间隙孔相互密封以防止流体渗漏，O型环可被安置于间隙孔的被形成在壳体110中的槽(未示出)中。在齿条和齿轮传动装置中，负载活塞125A和125B各自都被耦合到齿条齿牙165，齿条齿牙165与被形成在驱动轴161上的齿轮齿牙162啮合。负载活塞在负载腔120中的运动产生转动驱动轴161的转矩。例如，驱动轴161可为由D-SPA致动器100旋转以打开或关闭阀的轴。 [0026] 安全腔130A和130B分别容纳了安全活塞135A和135B以及复位弹簧139A和139B。复位弹簧139A和139B在安全活塞135A和135B之间被置于分别的安全腔130A和 130B中，并且面对对应的安全腔的端盖部155A和155B。柱塞180A和180B被分别连接到安全活塞135A和135B，并且当复位弹簧139A和139B在安全腔中完全延伸且负载活塞在它们各自的安全位置时，柱塞180A和180B被置于负载活塞125A和125B上。如下面讨论的，如果在负载腔120中的压力降低到压力阈值之下，则复位弹簧139A和139B操作为将对应的负载活塞125A和125B从其运转位置复位到其各自的初始安全位置。 [0027] 安全活塞135A和135B可被配置为通过采用密封布置被而基本上密封地抵靠对应的安全腔的内壁152。例如，密封布置可包含第一和第二槽187A和187B，第一和第二槽187A和187B被分别形成在安全活塞135A和135B的边缘中，并且密封元件188A和188B(例如O形环或活塞环)被置于槽中。 [0028] 加压操作流体通过可选的、相同的差分流体通道170被引入到负载腔120以及安全腔130A和130B中。流体的压力将负载活塞125A和125B从它们各自的安全位置驱动到各自的运转位置，以旋转驱动轴161，并且驱动安全活塞压缩复位弹簧139A和139B。流体流动通道和负载腔120、安全腔130A和130B的容量被配置为在安全活塞压缩复位弹簧139A和139B时，柱塞180A和180B移动远离负载活塞125A和125B，以便负载活塞能移动以旋转驱动轴161。 [0029] 在本发明的实施方式中，优先于使加压流体流到负载腔120中，差分流体通道170先使加压流体流到安全腔130A和130B中，以使安全活塞135A和135B在负载活塞125A和125B开始移动到运转位置之前就开始压缩复位弹簧139A和139B。因此，在负载活塞抵抗负载而开始运转之前，栓塞180A和180B与负载活塞125A和125B分离。至少在复位弹簧 139A和139B处于基本上被完全压缩或装备位置之前，柱塞180A和180B都保持与负载活塞 125A和125B分离。 [0030] 安全腔130A和130B的内侧壁152的内直径比负载腔120的内侧壁151的内直径更大，导致了更高的整体致动效率。 [0031] 至少部分地被形成在壳体110中的差分流体通道170通过流体进口178与负载腔120流体连通，并且分别通过流体进口175A和175B与安全腔130A和130B流体连通。在本发明的实施方式中，加压的操作流体通过进入口171被引入到差分流体通道170中，进入口171可选择地被形成在进口适配器172中。被引入到差分流体通道170的加压的操作流体通过流体进口178流到负载腔120中，并且通过流体进口175A和175B流到安全腔130A和130B中。进入负载腔120的加压操作流体迫使负载活塞125A和125B朝向它们各自的运转位置离开它们初始的安全位置，使得它们旋转驱动轴161。进入安全腔130A和130B的加压操作流体迫使安全活塞135A和135B压缩复位弹簧139A和139B。 [0032] 流体进口178、175A和175B被配置为使得加压操作流体以比流到安全腔130A和130B中的速度更缓慢地速度流到负载腔120中。因此，安全活塞135A和135B分别地移动远离负载活塞125A和125B，并且将柱塞180A和180B移动远离负载活塞，柱塞180A和180B分别从安全活塞135A和135B延伸并且在安全位置接触负载活塞125A和125B。结果是，在负载活塞125A和125B转动驱动轴161的操作期间，安全活塞135A和135B压缩复位弹簧 139A和139B，但是没有通过柱塞180A和180B在负载活塞上产生力。 [0033] 排出通道173由虚线示意性地示出且可选地被形成在壳体110中，排出通道173与负载活塞125A和125B的、面朝流体进口178的侧面上的负载腔120的容积流体连通。排出通道173还在安全活塞135A和135B的、分别面向端盖部155A和155B的侧面上与安全腔130A和130B流体协作。排出通道173和排出口174将可能与活塞的运动相反的、来自腔120、130A和130B的流体排出。 [0034] 图1中，安全活塞135A和135B位于“解除”位置，它们在此处邻接且选择性地接触分别的隔壁145A和145B，并且复位弹簧139A和139B处于相对地非压缩状态，在该状态中，它们在分别的安全腔130A和130B中延伸到最大。 [0035] 在安全活塞135A和135B的、与面向复位弹簧139A和139B的侧面分别相对的侧面上，栓塞180A和180B各自与安全活塞135A和135B的其中一个耦合。柱塞180A和180B通过分别被形成在壳体110的隔壁145A和145B中的对应的间隙孔(未示出)延伸到负载腔120中。柱塞180A和180B通过诸如181A和181B的密封元件(例如，O型环)而基本上与间隙孔的壁部相互密封，以基本上密封在安全腔130A和130B与负载腔120之间的流体且防止其渗漏，密封元件分别置于隔壁145A和145B的槽148A和148B中。如图1示意性地示出的，当负载活塞125A和125B在它们的初始安全位置且安全活塞135A和135B在解除位置时，柱塞180A和180B各自分别被连接到接触对应的负载活塞125A和125B的接触板185A和185B。 [0036] 此外，现在参考图2A和2B，流体进口178在某些实施方式中可包含节流器构造200，节流器构造200使流到负载腔120中的加压流体的流速比流到安全腔130A和130B中的加压流体的流速相对较低。 [0037] 例如，节流器构造200可被实施为在加压流体流入负载腔120的方向上使流体进口178的横截面面积变窄，例如，以1比5或更小的比例变窄。例如，流体进口178的直径的突发的或突然的流量减少可引起水头损失，导致在流体进口178中的流速比在流体进口175A和175B中流动的加压流体的流速相对更低。 [0038] 图2A和2B示意性地示出了由单向收缩阀实现的节流器构造200，如在图2A中示意性地示出的，单向收缩阀引起了用于在第一方向上穿过单向收缩阀流入负载腔120的加压流体的、差分流体通道170的部分的突然收缩，但是，如在图2B中示意性地示出的，不引起用于在相反的第二方向上流出负载腔120的流体的部分的收缩。例如，单向收缩阀可由自身操作或介质操作阀实施，其包含被置于流体进口178中的阀构件210，并且阀构件210的位置响应于在差分流体通道170中的流体的压力变化，以使加压流体的流入和流出被在加压流体中的、从阀构件210的一侧到另一侧的压力差调控。 [0039] 如图2A中示意性地示出的，加压流体朝向负载腔120的流入使得阀构件120基本上密封地抵靠单向收缩阀的内壁220，从而限制了穿过直径从D1减小到D2的阀构件210的突然收缩部的加压流体的流量。突然收缩使得流体压力从非收缩侧的P1降到收缩侧的P2，导致流到负载腔120中的加压流体的流速相对于流到安全腔130A和130B中的流速减小。 [0040] 另一方面，如图2B示意性地示出的，加压流体从负载腔120的流出使得阀构件210移动离开内壁220，直到阀构件210接合流体进口178的肩部240，这创造了围绕阀构件210的流体通路221，使得操作流体可以大约相同的速率流出负载腔120和安全腔135A和 135B。 [0041] 现在进一步参考图3A至3D，根据实施方式，其示意性地示出了在D-SPA致动器100被控制以移动其所附接的负载(未示出)之后、处于不同阶段的D-SPA致动器100。 [0042] 如图3A示意性地示出的，进入到负载腔120和安全腔130A和130B的加压流体的不同流速导致了安全腔130A和130B比负载腔120更快地被操作流体填满。因此，安全活塞135A和135B与隔壁145A和145B分离，并且在负载活塞125A和125B开始移动远离它们的初始安全位置之前压缩复位弹簧139A和139B。如图3C示意性的示出的，负载腔120中的操作流体和安全腔130A和130B中的操作流体之间的压力差足够大，使得负载活塞125A和125B基本上保持不受复位弹簧139A和139B分别施加到安全活塞135A和135B上的力的影响，直到复位弹簧139A和139B位于它们的装备位置，如图3D示意性的示出的。换言之，直到复位弹簧139A和139B位于它们的装备位置(图3D)，负载活塞125A和负载活塞125B都不会抵抗由复位弹簧139A和139B分别施加到安全活塞135A和135B的力而运转(图3A至3C)。 [0043] 在一些实施方式中，在安全活塞135A和135B以及复位弹簧139A和139B处于装备位置之前，负载活塞125A和125B不从负载活塞125A和125B的初始安全位置移动到运转位置。在一些其他实施方式中，在复位弹簧139A和139B被压缩到它们的装备位置时，负载活塞125A和125B可开始从负载活塞125A和125B的初始安全位置朝向运转位置移动。 [0044] 将加压流体引入到安全腔130A和130B中迫使安全活塞135A和135B远离它们的解除位置，从而压缩复位弹簧139A和139B，并且将柱塞180A和180B分别从负载腔120抽出。当安全活塞135A和135B开始运动时，对应的接触板185A和185B移动远离负载活塞125A和125B，并且将由复位弹簧139A和139B产生的、接触板185A和185B分别施加于负载活塞125A和125B的任何力移除。 [0045] 在摆脱了由复位弹簧139A和139B产生的力之后，压力通过将加压流体由差分流体通道170引入到负载腔120中而增加，以迫使负载活塞125A和125B远离它们的初始安全位置，并且朝向运转位置滑动。在足够防止接触板185A和185B将力施加到负载活塞125A和125B的速率下，加压操作流体通过共享的流动进入口171不断地流到负载腔120和安全腔130A和130B中，直到安全活塞135A和135B各自到达最终装备位置，并且复位弹簧139A和139B处于装备的、基本上完全被压缩的状态。如图3D示意性地示出的，之后，负载活塞125A和125B可立刻到达它们的运转位置，负载活塞125A和125B在此位置处分别可选地再次接触接触板185A和185B。 [0046] 只要在安全腔130A和130B中的操作流体中的压力保持高于“安全”压力阈值，它们就会保持处于装备位置，“安全”压力阈值即是在安全活塞135A和135B上的压力足够产生保持复位弹簧139A和139B被基本上完全压缩的力。如果压力下降到低于安全压力，复位弹簧139A和139B分别迫使负载活塞125A和125B以及安全活塞135A和135B回到它们各自的初始安全位置和解除位置，在图1中以示例的方式示意性地示出了该位置。 [0047] 应注意的是，根据实施方式，单一分动致动器的负载活塞以比在传统流体致动器中的负载活塞更高的效率操作。本文中下面列出的方程式是指包含处于串联结构的一个负载活塞和一个复位弹簧的单一分动致动器。然而，经过相关调整，由这些方程式揭示的有益原理也类似适用于结合图1和3A至3D在本文中示例出的D-SPA致动器100。 [0048] 通过简化示例的方式，假设传统流体致动器包含负载活塞，负载活塞操作为同时移动负载且装备复位弹簧，负载活塞需要施加力“FL”，以将负载在初始安全位置和运转位置之间移动。进一步假设，期望的是，如果操作致动器的流体中的压力下降到低于安全压力“PS”，则复位弹簧将负载复位到其初始安全位置。当复位弹簧被基本上完全压缩到其装备位置时，让复位弹簧产生复位力“FR”，以将负载复位到其初始安全位置。随后，当操作流体压力至少初始地下降到低于PS时，FR满足关系FR≥(FL+APS)，其中A是加压操作流体操作的负载活塞的横截面积。要将复位弹簧压缩到其装备位置，并且移动负载，负载活塞必须能够提供满足关系FO≥(2FL+APS)的操作力“FO”。 [0049] 另一方面，根据实施方式，包含用于提供加压流体的差分流体通道的D-SPA致动器中的负载活塞可不操作为压缩复位弹簧，并且从而能通过提供操作力“F*O”来满足功能，F*O≥FL。由被包含于根据实施方式的D-SPA致动器中的负载活塞提供的操作力被显著地比传统流体操作致动器中的负载活塞更小的最小阈值限制。 [0050] 对于由流体操作致动器提供给负载的相同的力，较小地最小操作力阈值通常使得根据实施方式的D-SPA致动器能够以较低的操作压力操作和/或具有比传统流体操作致动器更小的横截面积的负载活塞。例如，对于相同的操作流体压力，具有与传统弹簧复位致动器相同的横截面积的、根据实施方式的D-SPA致动器提供了至少是传统致动器两倍的力，即是，F*O≥2FO。例如，如果力需要产生转矩来旋转阀的轴，以打开和/或关闭阀，则对于相同的转矩臂，根据本发明的实施方式的D-SPA致动器提供了至少是传统弹簧复位致动器的两倍的转矩。 [0051] 参考图1和3A至3D的、本文中举例说明的实施方式的方面的实践肯定不限制于包含共用负载腔的两组负载活塞和安全活塞。相应地，本文描述的实施方式的方面的实践可涉及包含比两组以上的负载活塞和安全活塞的D-SPA致动器。 [0052] 现在进一步参考图4A和4B。采用相同的差分流体通道170，允许使用3/2导阀400来致动D-SPA100。3/2导阀400包含单个致动器口410，致动器口410能与差分流体通道170的进入口171流体连通。3/2导阀400可在第一、“加压”位置和第二、“排出”位置之间转换，第一、“加压”位置用于通过差分流体通道170将加压操作流体引入到腔120、130A和130B中，第二、“排出”位置允许通过差分流体通道170将操作流体从D-SPA致动器100的腔排出。在3/2导阀400的第一、加压位置，操作流体从导阀进入口420被导向至导阀致动器口410、进入差分流体通道170。在3/2导阀400的第二、排出位置，操作流体被导向为从差分流体通道170穿过致动器口410到阀排出口430。 [0053] 除非另外说明，在讨论中，诸如“基本上”和“大约”的修饰本发明的实施方式的条件和特征的关系特性的形容词理解为表示条件或特性被限定在对于实施方式所指的应用的实施方式的操作的可接受的限度内。 [0054] 在本申请的权利要求的描述中，每个动词“包含”、“包括”和“具有”以及其结合用于表示该动词的宾语未必完整地列出了该动词的主语的部件、元件或部分。 [0055] 本申请的中的发明的实施方式的描述由示例的方式提出，并且不旨在限制本发明的范围。所述的实施方式包含不同的特征，在本发明的全部实施方式中并不需要全部这些特征。某些实施方式仅使用一些特征或者特征的可能的组合。所述的本发明的实施方式的变形，以及包含所述的实施方式中记述的特征的不同组合的本发明的实施方式将对本领域的技术人员显而易见。本发明的范围仅由权利要求限制。 |
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