CN101061327A - 闭合流体回路系统的流量控制器 - Google Patents

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CN101061327A CNA2005800349473A CN200580034947A CN101061327A CN 101061327 A CN101061327 A CN 101061327A CN A2005800349473 A CNA2005800349473 A CN A2005800349473A CN 200580034947 A CN200580034947 A CN 200580034947A CN 101061327 A CN101061327 A CN 101061327A
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Abstract

一种用于闭合流体回路系统的流量控制器，该控制器包括位于该系统内上游高压流体(42)和下游低压流体之间的开口(41)，被偏压而部分闭合该开口(41)并且与活塞构件(47)协作的阀构件(44)，其中活塞构件具有暴露于开口(41)低压流体(51)下游的一个端部和通过旁路通道(53)暴露于上游高压流体的相对端部(52)，从而当上游高流体(42)压力增加的时候，活塞构件(47)动作，移动阀构件(44)更远地进入开口(41)，从而减少通过该系统的流体流。该流量控制器(40)用于控制能够在紧急情况下让人或者载荷从升高的位置下降的下降装置。

Description

闭合流体回路系统的流量控制器
技术领域
本发明涉及闭合流体回路系统的流量控制器，更特别地，但不排它地，涉及包含在让人或者载荷能从升高的位置下降的下降装置中的控制器，诸如在紧急状态下从高耸的建筑物上、在营救行动中从陡峭的表面上下降，或者由安全人员或者营救人员从直升机上下降时使用；而且该装置适合于人或者所涉及的装备或者其它载荷从升高的位置以受控速率下降的场合。为了本说明书的目的，主要参照了在下降装置中该控制器的应用，及其包含状况。
背景技术
这种下降装置在我们的国际专利申请No.PCT/AU2003/000852(公开号No.WO2004/004836A1)中进行了公开。在该装置中，缆绳或者绳子锚定在升高的位置，且围绕滑轮装置绕制，该滑轮装置连接到人或者载荷，而且当人或者载荷从该升高的位置以受控速率下降时，缆绳或者绳子从该滑轮装置上解绕。
虽然采用缆绳或者绳子的下降装置是已知的，但是并不是必然被公知，因此在控制下降速率方面需要一定程度的训练和经验，因此并不适合逃生或者营救行动，这些行动中不仅因为人可能没有经验而且因为处于极度压力的情形下，人会因他们遭遇的危险而产生一定程度的恐慌和害怕，在这种情况下，例如遭遇高耸的建筑物着火的时候，与必须从特别高的位置逃生联系在一起的是其本身代表恐惧。另外，在所关注的人已经受伤或者甚至昏迷或者半昏迷的情况下，且因此没有条件控制下降速率，则他们完全依赖装置来把它们下降到地面同时控制它们下降的速率。
已经提出的其他装置包括使用挠性斜槽，但是相对于其可以操作的高度以及其他困难，尤其是从高耸的建筑物上逃生，而该建筑物在较低水平着火，且建筑物内不仅存在火光，而且因热空气上升导致在临近建筑物的表面上形成不稳定的条件而言，这种装置存在局限。
一种另外的下降装置或者系统在国际专利公开No.W089/00063中进行了公开，本申请的发明人是该申请的共同发明人，该申请涉及使用扭接配置的缆绳或者绳子并且该缆绳或者绳子被下降装置包围，所述下降装置带有与缆绳或者绳子啮合的内部旋转器件，从而跟随其中的扭接，当其把缆绳或者绳子下降时，在缆绳或者绳子周围旋转。内旋转装置旋转支撑在外壳体内，该外壳体带有支撑载荷例如人的器件，并且设置了器件来控制内旋转器件的旋转速度，并且因此控制下降装置降下缆绳或者绳子的速率。利用这种装置，虽然内旋转装置在下降时在缆绳或者绳子周围自由旋转，但是悬挂在外壳体上的载荷或者人保持外壳体，防止在缆绳或者绳子周围非受控旋转，因此在缆绳或者绳子下降过程中，正在下降的载荷或者人相对于用于支撑的缆绳或者绳子保持固定位置。
在该在先专利公布中，公开了许多机构用来控制内旋转器件的旋转速度，包括使用内旋转器件驱动的闭合回路齿轮泵，该泵形成液压回路的一部分，所述回路包含阻塞器来控制泵的速度，并且因此控制内旋转装置的旋转速度，从而控制下降速度。
虽然该装置已经试制并且测试，但是其尚未商业化，并且不能说在下降装置、设备或者系统领域内为公众所知。
虽然在原理上该设备实现了其要求的目的，但是因为需要特别的扭接缆绳或者绳子而且需要将缆绳或者绳子的下端锚定在地面以下，所以其应用非常复杂。
在国际专利公布No.WO2004/004836A1中，公开了一种闭合回路流体齿轮泵用来控制下降装置的下降速率，该装置包含速度控制机构，特别是为了考虑到人或者载荷的重量，该机构需要手动调节来控制该装置的下降速度，从而来控制人或者载荷的下降速度。但是在承受可能存在的压力的情况下，手动调节可能不切实际或者甚至不可能。
正是这些情况催生了本发明。
发明内容
因此，本发明设计了用于闭合流体回路系统的流量控制器，所述控制器包括位于该系统中上游高压流体和下游低压流体之间的开口，被偏压而部分闭合所述开口并且与活塞构件协作的阀构件，其中所述活塞构件带有暴露于所述开口的低压流体下游的一个端部和通过旁路通道暴露于上游高压流体的相对端部，因此当上游高压流体压力增大的时候，所述活塞构件动作，从而移动所述阀构件进一步地进入所述开口，从而减少通过该系统的流体流。
优选地，阀构件相对于开口的位置可以外部调节。
旁路通道包括第一喷口来控制到活塞构件的流量和第二喷口来控制返回到低压储存罐的流体。
阀构件优选螺纹连接到活塞构件，因此阀构件的轴向旋转将相对于活塞构件轴向移动阀构件。
优选地，闭合流体回路系统包括齿轮泵。
优选地，该齿轮泵包含在国际专利公开No.WO2004/004836A1所公开类型的下降装置中。
附图说明
包含在下降装置中的本发明的实施例，包括闭合回路流体齿轮泵，将参照附图进行说明，其中：
图1是本发明的该优选实施例的下降装置的示意性透视图；
图2是沿着图1中的2-2线切开的截面图；
图3是沿着图2中的3-3线切开的截面图；
图4是沿着图3中的4-4线切开的截面图；
图5是沿着图3中的5-5线切开的截面图；
图6是本发明的该优选实施例的流量控制器的示意图；
图7是类似于图3的截面图，但是为改动后的下降装置。
具体实施方式
参照附图中的图1和2，本发明的优选实施例的下降装置通常表示为10，其包括外壳体11，内滑轮12通过轴向轴13旋转安装在该壳体内，且通常表示为14的闭合回路齿轮泵传动组件包含在其中以控制内滑轮围绕轴向轴13的旋转。外壳体具有耦合凸耳15，其带有贯穿的孔16，通过该孔经由背带(harness)(未示出)和可拆下的耦合件(也未示出)悬挂载荷，诸如人。
缆绳或者绳子17围绕用作卷盘的内滑轮12绕制。当缆绳或者绳子从该滑轮解绕或者至少部分解绕的时候，缆绳17的总长度足够该缆绳或者绳子的一端从升高的固定位置下降到较低的高度，诸如地面高度。该缆绳或者绳子17穿过出口18从外壳体出来，且其端部固定到在所述升高位置处的结构上，而且当该缆绳或者绳子全部绕制到滑轮上的时候，该装置紧临该升高位置处的固定点。当该装置带着从其悬挂的载荷或者人从升高的位置下降/降落/落下的时候，缆绳或者绳子从滑轮上解绕。
齿轮泵通常利用定位在室内的两个啮合齿轮操作，使得齿顶恰恰碰到该室的内表面。齿轮心轴穿过牢固地靠着齿轮端面的端板。在每个端板内，存在小的油料入口点，在这里附近，啮合的齿轮齿恰恰开始分开。当啮合的齿轮分开的时候，形成一空腔且油料从定位在端板上的油料入口点吸入。然后油料在该空腔内被携带在齿轮齿和室之间。齿轮齿顶和室之间的间隙非常小。在每个端板上存在小的油料出口点，在这里附近，齿轮齿恰恰开始啮合。随着齿轮啮合，充满油料的空腔尺寸减小，且油料被迫从定位在端板上的每个油料出口点排出。当油料被齿轮从低压入口点传送到高压出口点的时候，泵里的油压升高。
齿轮泵的效率取决于油料渗漏。最显著的油料渗漏由向外弯曲的端板所导致，这种弯曲是由于齿轮齿和闭合室之间空腔内的极高压力所导致的。随着端板弯曲，在低压油料入口点和高压油料出口点之间建立了油料路径短路。这样显著地增加了油料流并且降低了泵的效率。油料渗漏还可能发生在齿轮齿顶和闭合室之间。当闭合室里的齿轮精确制造，在齿顶存在较小间隙的时候，这种渗漏可以减小。油料渗漏还可能发生在啮合齿之间，但是可以通过制造高允许公差的啮合齿来将这种渗漏保持在最小。
下降的速度通过将要说明的闭合回路齿轮泵传动装置14控制。在此处图示的齿轮泵传动装置14中，轴向轴13在任何一端通过固定器件19固定到外壳体11的侧壁11a上，而滚子轴承20在轴向轴13周围支撑内滑轮12的侧壁12a和12b，允许该滑轮在轴周围旋转。滑轮包括杯形构件21，其包括柱状中空凸台21a，该凸台与限定其中一个侧壁12a的板集成形成。螺拴42将杯形构件21互联到闭合构件22，该构件22包括另一个侧壁12b。凸台21a的外部限定了卷盘，当绕制到滑轮卷盘上的时候，侧壁12a和12b的径向凸缘21a和22a用该卷盘限定了保持缆绳或者绳子17的空间。杯形构件21连同闭合构件22还限定了内空腔，其接收闭合回路泵传动装置14。
滑轮12的卷盘外径、凸缘21a和22a之间的间隙连同导线或者缆绳的截面，限定了卷盘支撑导线或者缆绳长度的容量。当缆绳或者导线解绕的时候，卷盘的有效直径减小，这样改变了滑轮上的有效扭矩。为了减小扭矩变化，直径变化要保持在最小，这意味者凸缘21a和22a的间隔增大，从而容纳缆绳或者导线的长度。换句话说，当绕制和解绕的时候，卷盘有效直径之间的差异保持在最小。
闭合回路齿轮泵传动装置具有环形端壁23，其带有辊子轴承24，该轴承允许齿轮泵组件在轴向轴13周围自由旋转。
参照附图中的图2到5，齿轮泵传动装置包括固定到轴向轴13上的中心恒星齿轮25，其与两个径向对置的行星齿轮26驱动啮合，所述行星齿轮反过来安装在小齿轮27上，该小齿轮在行星齿轮的任一侧部保持在一对安装板28和29上，这两个板之间夹着齿轮传动系。由于存在外壳体11，所以轴向轴13和恒星齿轮25全部固定在一起并且在空间内保持静止，而滑轮12、端壁23、安装板28和29以及行星齿轮26集体围绕轴向轴13和恒星齿轮25旋转，并且在该外壳体11内旋转。
一组开口30和空腔32设置成以互联管道31穿过安装板28和29，并且全部允许液压流体由齿轮泵泵送而通过齿轮泵组件内的闭合回路。
当滑轮旋转且缆绳或者绳子从其上解绕的时候，滑轮、端壁23、安装板28和29以及行星齿轮26在恒星齿轮25周围旋转，从而齿轮传动系用作齿轮泵，泵送液压流体通过闭合回路，该路径包括齿轮、开口30、管道31和空腔32之间的空间。
齿轮泵本身必须泵送流体通过闭合回路，所以对行星齿轮26的旋转提供了一些阻力，因此对壳体11内围绕在恒星齿轮25和轴向轴13周围的滑轮12旋转提供了一些阻力，因此一定程度上控制了该装置下降的速率。但是，为了实现对下降速度的控制，国际专利申请公开No.WO2004/004836A1中的该装置包括了速度控制机构33，该机构包括锥形阀构件34，其与穿过安装板29的其中一个开口30的端部位置的配合座35协作，因此形成了约束。该阀构件被无头螺钉36携带，该螺钉可以调节阀构件的位置并且设定约束量，因此设定液压流体通过闭合回路的流量，而且在必要的时候，阀构件的位置和约束的尺寸可以通过无头螺钉调节，从而改变受控的下降速度。
上述这类下降装置，当用来悬挂平均体重介于50kg和160kg之间的人的时候，约1.5米每秒的下降速度在齿轮泵内形成了巨大的内压，压力经常超过3000psi。
这种装置的效率，且特别是对强度和高允许公差的零件需求，必须应对该内压，并且可以通过使用有效的齿轮系统来减小。当图3中所示的这种齿轮3个啮合在一起的时候，它们其实组成了4个迷你泵。油料入口点的数目变成2且油料出口点的数目变成2。因此，使用多个行星齿轮围绕恒星齿轮增大了迷你泵的数目，因此降低了系统的整体压力。油压越低，就越不可能存在油料渗漏。
降低整体液体压力的进一步方式是增大恒星齿轮的直径，且在图7所示的实施例中，提供了直径是两个行星齿轮26的直径2倍的恒星齿轮125。通过将恒星齿轮125的直径加倍，迷你泵的等价数目从4个增加到8个，且泵送的油料体积也加倍，因此将油压降低一半。图7还图示了使用18个均匀隔开的螺拴110或者带帽的螺钉，它们牢固地将端壁以及之间所夹的齿轮保持在一起。
在图7所示的实施例中，内部油压降低允许使用明显更少体积的油料并且降低了该装置的整体尺寸，该装置在这个实施例中包括基本上柱状的单元，该单元的外径约为200mm，且柱状长度约为100mm。该单元提供了能够存放约100米长的4mm直径钢缆的容量。从最大完全卷绕状态减小到完全解绕状态，卷盘直径的减小约为40％，且该单元操作约20cc油料，允许体重介于50kg和160kg之间的人以约1.5米/每秒的基本上恒定的速度下降。
根据本发明的优选实施例，图4的速度控制机构33被附图中图6示意性表示的速度控制机构40取代，该机构40允许自动调节通过闭合回路流体齿轮泵的流体流量，因此根据人或者载荷的重量自动控制该装置和附加到该装置的人或者载荷的下降速率。
设置有锥形截面的主开口41，其在一个端部与闭合回路齿轮泵里的上游高压流体42连通，而在另一个端部与泵里的下游低压流体连通。延长的阀构件44与该开口轴向对准并且可调，从而其锥形端部45可以进出开口41，从而控制通过通道46流入下游低压流体储存罐56的流体。
阀构件44具有外螺纹48，其拧入中心定位在活塞构件47内的螺纹孔60，该活塞构件47具有阶梯形外轮廓61，以限定头部62，所述头部具有下表面51和截面积减小的尾部63。活塞构件47同轴定位在阶梯形孔65内，且用油环66密封在其中。阀构件47延伸穿过活塞构件47且穿过齿轮泵的端壁23上的孔67，而且用O形环68和69密封孔67和60。阀构件47的外端部具有缺口(slot)49，该缺口可以被螺丝刀从壳体11的外部转动，从而调节阀构件与活塞构件47的相对位置，以及锥形端部45与开口41的相对位置。
螺旋弹簧50促使活塞构件向上，到达图6所示的位置。
临近开口41的活塞构件的头部的端部51暴露在阀构件44的低压流体下游，而其另一端部52通过旁路通道53暴露于高压流体，所述旁路通道包含可调节的流量喷口54。用于活塞构件的室与导向低压储存罐56的排放传输通道(a bleed transfer passage)55连通。
通过使用外部可转动的缺口49，阀构件44的位置预设成中性位置，以允许预设通过齿轮泵的流体回路系统的流体流。旁路通道53内的流量喷口54，和传输通道55内的排放喷口57也预设成允许根据适合人或者载荷的平均重量的齿轮泵速度预设通过排放线路的流体流量。排放喷口57保证活塞构件47上的足够压力，而且还保证放出的流体回到低压储存罐中，以使旁路回路完整。但是，对于更大重量的人或者载荷，齿轮泵的速度将会随着系统的流体压力增大而增大，且通过旁路通道53的更高流体压力作用在活塞端部52上，迫使其朝向开口41，且阀构件进一步抵抗偏压弹簧50的作用而进入该开口。阀构件44的这种移动限制了通过系统的流量，并且减慢了齿轮泵，因此减缓了下降装置的下降速率，到达低于由更高重量的人或者载荷所导致的更高速率。对于比预设值重量更轻的人或者载荷，将发生相反的效果。
由于本领域的技术人员可以在本发明的精神和范围内进行改动，所以应当理解，本发明并非限于此处通过上述示例所说明的特定实施例。

Claims (14)

1.一种用于闭合流体回路系统的流量控制器，所述控制器包括位于所述系统中上游高压流体和下游低压流体之间的开口，被偏压而部分闭合所述开口并且与活塞构件协作的阀构件，其中所述活塞构件具有暴露于所述开口低压流体下游的一个端部和通过旁路通道暴露于上游高压流体的相对端部，因此当上游高流体压力增加的时候，所述活塞构件动作，从而移动所述阀构件进一步地进入所述开口，从而减少通过该系统的流体流。
2.如权利要求1所述的流量控制器，其特征在于，阀构件相对于开口的位置可以外部调节。
3.如权利要求1或者2所述的流量控制器，其特征在于，旁路通道包括第一喷口来控制到活塞构件的流动，并且包括一排放喷口来控制返回到低压储存管。
4.如前述权利要求任一所述的流量控制器，其特征在于，阀构件螺纹连接到活塞构件，从而阀构件的轴向旋转相对于活塞构件移动阀构件。
5.一种闭合流体回路系统，包括齿轮泵，该泵从低压储存管馈送，该齿轮泵具有耦合到根据权利要求1至4任一所述的流量控制器的高压出口，所述开口的低压流体下游返回到储存管。
6.一种下降装置，包括缆绳，所述缆绳适配成通过轴绕制到旋转安装在壳体内的滑轮上，从而滑轮和轴之间的相对旋转被根据权利要求5所述的闭合流体回路系统控制。
7.一种用于载荷和/或人的下降装置，所述装置包括缆绳或者绳子，所述缆绳或者绳子的一端适配成固定在升高的位置，而缆绳或者绳子的剩余部分通过轴向轴绕制到旋转安装在外壳体内的内滑轮周围，其中外壳体适配成直接连接到载荷和/或人，且其中内滑轮和轴向轴之间的相对旋转受到闭合回路齿轮泵的控制，该泵的齿轮在内滑轮和轴向轴之间形成传动器件，所述闭合回路齿轮泵形成包括流量控制器的液压回路的一部分，所述控制器包括位于所述齿轮泵内上游高压流体和下游低压流体之间的开口；被偏压而部分闭合所述开口并且与活塞构件协作的阀构件，所述活塞构件具有暴露于所述开口低压流体下游的一个端部和通过旁路通道暴露于上游高压流体的相对端部，因此当上游高压流体增加时，所述活塞构件动作，以移动所述阀构件进一步地进入所述开口，从而减少通过所述泵的流体流。
8.如权利要求7所述的下降装置，其特征在于，内滑轮包括卷盘，其具有径向延伸的环形凸缘，缆绳或者绳子绕制在卷盘上，位于凸缘之间，从而卷盘从绕制到完全解绕条件的直径减小约为40％。
9.如权利要求8所述的下降装置，其特征在于，所述卷盘限定内空腔，该空腔包含闭合回路齿轮泵。
10.如权利要求7至9任一所述的下降装置，其特征在于，闭合回路齿轮泵包括中心恒星齿轮，其与多个径向对置的行星齿轮啮合。
11.如权利要求10所述的下降装置，其特征在于，恒星齿轮的直径是行星齿轮直径的两倍。
12.如权利要求10或者11所述的下降装置，其特征在于，恒星齿轮和行星齿轮旋转夹在构件之间，这些构件包括一组开口和空腔和互联管道，用于液压回路的液压流体通过这些管道被泵送通过该闭合回路齿轮泵。
13.如权利要求12所述的下降装置，其特征在于，所述开口延伸通过其中一个夹住恒星齿轮和行星齿轮的构件。
14.如权利要求7至13任一所述的下降装置，其特征在于，阀构件相对于开口的位置可以从该装置的外侧调节，从而当缆绳或者绳子从内滑轮上解绕的时候，控制液压流体通过所述闭合回路流体泵的流量以及下降装置的下降速度。
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