CN101617157A - 用在隔膜致动器中以改变有效弹簧刚度的装置 - Google Patents

Abstract

公开一种用在隔膜致动器以改变有效弹簧刚度的装置。一种用于隔膜致动器的示例弹簧组件包括：第一弹簧，其操作性地连接到隔膜板和致动器杆；和第二弹簧，其操作性地连接到所述致动器杆，且被设置为与所述第一弹簧串联操作。另外，可移动弹簧座布置在所述第一弹簧和所述第二弹簧之间。

Description

用在隔膜致动器中以改变有效弹簧刚度的装置

技术领域

本公开大体上涉及控制阀致动器，更具体而言，涉及用在隔膜致动器中以改变有效弹簧刚度的装置。

背景技术

控制阀用在过程控制系统中以操控流动的流体、将过程变量调节到期望的设定点、将流体从源头传递或输送到目的地，等等。控制阀组件通常包括阀体、轴或杆、和致动器，该致动器通过轴或杆提供动力以操作阀或者定位阀中的阀塞或流动控制构件。和控制阀组件一起使用的普通类型致动器是弹簧和隔膜气动致动器，隔膜气动致动器通常被称为隔膜致动器。

通常，隔膜致动器具有容纳隔膜的外壳、隔膜板、致动器杆、和具有一个或多个弹簧的弹簧组件。当隔膜上没有施加控制压力时，弹簧组件向隔膜板上施加力以使致动器杆和阀或被连接到所述杆的其它操纵件回复到已知的位置上。在弹簧组件仅采用单个弹簧的情况下，该弹簧通常被居中布置在隔膜板上。在采用多个弹簧的情况下，这些弹簧通常相对于隔膜板的中心被周向分布，并将它们各自的力直接施加到隔膜板上。

不管弹簧组件是采用单个弹簧还是多个弹簧，隔膜致动器接收控制压力以改变隔膜一侧上的气体(例如空气)压力，从而移动或冲击所述致动器杆，并因此打开和关闭或调节可能与所述致动器杆相连的控制阀。将致动器杆以及因此阀或由致动器控制的其它操纵件移动和保持到沿其冲程范围的给定位置处所需的控制压力的大小，通常等于弹簧组件施加的力和阀或其它操纵件施加到致动器杆上的力之和。弹簧组件施加的力通常随着致动器杆朝向其满冲程状态移动而基本成正比和以线性方式增加。

另外，当阀的位置(例如，阀塞、盘等的位置)从其零冲程状态变化到其满冲程状态时，阀或其它操纵件施加到致动器杆上的力也可能改变(例如：增加或减少)。这种阀杆施加的力的改变可归因于阀的流动特性、阀所控制的流体的压力和流速等，因此这种改变可能是基本上非线性的。因此，使致动器、阀或与致动器相连的其它操纵件移动到其最大冲程所需的控制压力的大小可能会相对高，结果是，可能要求隔膜、外壳、以及其它致动部件承受相对高的压力。进一步，由于致动弹簧组件所施加的力通常在致动器的整个冲程上线性变化，且由于阀施加到致动器杆上的力可能非线性地或以其它方式变化，阀的位置相对于控制压力可能以不期望的方式变化(例如：基本非线性地)。

发明内容

在一个所述示例中，用于隔膜致动器的弹簧组件包括：第一弹簧，其操作性地连接到隔膜板和致动器杆；和第二弹簧，其操作性地连接到所述致动器杆，且被设置为与所述第一弹簧串联操作。所述弹簧组件包括弹簧座，该弹簧座布置在所述第一弹簧和所述第二弹簧之间，且被设置为与所述第二弹簧一起移动。

在另一所述示例中，弹簧组件包括：第一弹簧，其被操作性地连接到可移动弹簧座；和第二弹簧，其被操作性地连接到所述可移动弹簧座，且被设置为与所述第一弹簧串联操作。

在又一所述示例中，隔膜致动器包括：第一弹簧，其被操作性地连接到隔膜板和致动器杆；和第二弹簧，其被操作性地连接到所述致动器杆。所述隔膜致动器还包括可移动弹簧座，该可移动弹簧座布置在所述第一弹簧和所述第二弹簧之间。

附图说明

图1为已知隔膜致动器的剖视图。

图2为带有弹簧组件的示例隔膜致动器的一部分的剖视图，该弹簧组件具有布置在两个弹簧之间的可移动弹簧座。

图3为描绘用在隔膜致动器中的可替换弹簧组件的放大的剖视图。

具体实施方式

本文描述用在隔膜致动器中以改变有效弹簧刚度的示例装置。该示例装置包括具有多个致动弹簧的弹簧组件，所述多个致动弹簧串联操作以沿致动器杆的冲程改变总的或有效弹簧刚度。更具体而言，设置在所述弹簧之间的一个或多个不固定或可移的弹簧座使得弹簧组件能够在致动器杆冲程的第一部分提供一个有效弹簧刚度，并能够在致动器杆冲程的第二部分提供另一有效弹簧刚度。特别地，所述弹簧与可移动弹簧座被构造为在操作中，在致动器杆的第一移动距离上，所述弹簧中的一个弹簧提供的力改变，可移动弹簧座不移动，且其它弹簧提供的力基本恒定。然后，在增加到第一距离的致动器杆的第二移动距离上，所述其它弹簧中的至少一个弹簧所施加的弹簧力随着一个或多个可移动弹簧座的移动而变化。

以这种方式，本文描述的示例弹簧组件能够使隔膜致动器提供的推力被选择用于改善性能或在例如其冲程的起点或顶部和终点或底部处得到优化。换句话说，与大部分通常具有单一有效弹簧刚度的已知隔膜致动器不同，一个有效弹簧刚度可被选择用于冲程的一端处的操作，而另一有效弹簧刚度可被选择用于冲程的另一端处的操作，以更好地满足实际应用的需要。例如，在一些应用中，可能期望在致动器冲程的起点处具有相对大的弹簧刚度，确保致动器提供足够的力以实现与致动器相连的阀的紧闭合(例如，没有控制压力的情况下)。然而，在致动器冲程的另一端，可能期望具有相对小的弹簧刚度，以减小使致动器和连接到致动器的阀达到满冲程所需的控制压力的大小。

在描述用在隔膜致动器以改变弹簧组件的有效弹簧刚度或常数的示例装置之前，结合图1简要描述一种已知的隔膜致动器。图1为已知的隔膜致动器100的剖视图。隔膜致动器100包括连接到外壳104的致动器主体或轭102。外壳104包括上壳体106和下壳体108。另外，上壳体106被构造为具有控制压力端口110。控制压力端口110包括入口，以接收控制压力信号，从而改变隔膜外壳104内的压力。相反，下壳体108通过端口或通气口基本保持为大气压力，所述端口或通气口未在图1中示出。

外壳104将隔膜112保持在上壳体106与下壳体108之间，上壳体106和下壳体108通过沿外壳104的外边缘分隔开的多个螺纹紧固件114和116而被连接在一起。隔膜112将外壳104内的空间分成控制压力腔118和大气压力腔120。另外，隔膜112的一侧的至少一部分被固定到隔膜板122，隔膜板122向隔膜112提供刚性支撑且被构造为与致动器杆124接合。致动器杆124也可以为圆柱形构件、棒、轴等等。如图1所描述的那样，致动器杆124为圆柱形构件，其将隔膜致动器100连接到阀塞杆(未示出)且将隔膜致动器100的力和直线运动传递到控制阀(未示出)。隔膜112和隔膜板122通过螺纹紧固件126被连接到致动器杆124，螺纹紧固件126可以是如所示的螺栓。

环绕致动器杆124的致动弹簧128被居中布置在隔膜板122上并且被定位在隔膜板122和固定弹簧座130之间。致动弹簧128提供偏压力以压迫隔膜板122，并且因此压迫致动器杆124朝向上壳体106。在操作中，施加到控制压力端口110上的控制压力改变控制腔118内的压力。例如，当控制腔118内的压力增大到大气压力(即腔120中的压力)以上时，隔膜112、板122、和杆124被压迫朝向下壳体108，抵抗致动弹簧128的回复力。当控制压力施加在隔膜122上的力超过弹簧128在致动器100的冲程零位施加的任何预加载载荷或偏压和(例如通过阀或连接到致动器杆124的其它操纵件)施加到杆上的任何负载之和时，隔膜112、板122、以及杆124向下移动或远离上壳体106移动。当隔膜112、板122、以及杆124移动远离上壳体106时，弹簧128被压缩，弹簧128所施加的回复力相对于杆124的位置基本成比和以线性方式增加。弹簧128施加的回复力随杆124的移动而改变的方式通常可采用虎克定律来描述，如下公式1所示：

F＝-kx    (1)

在公式1中，F表示弹簧施加的回复力，k为该弹簧的弹簧常数，x是该弹簧相对于其自由长度的长度改变量。负号表示弹簧128所施加的力的方向与杆124移动的方向相反。可见，使用图1的已知隔膜致动器100，有效弹簧刚度(即k)在致动器100的整个冲程上是恒定的。

图2示出示例隔膜致动器200的一部分的剖视图，该示例隔膜致动器200包括在致动器的整个冲程上改变致动器200的有效弹簧刚度的装置。为了表述清楚，某些部件(例如外壳)没有示出在图2中。然而，那些没有在图2中示出的部件可以使用例如图1所示的已知致动器部件来实现。

现在转到图2的详细描述，示例隔膜致动器200包括隔膜202、隔膜板204、致动器杆206、和弹簧组件208。弹簧组件208包括以串联设置方式环绕杆206且与隔膜致动器200的中心轴线同轴对准的第一弹簧210和第二弹簧212。

不固定或可移动弹簧座214布置在弹簧210和212之间。第二弹簧212被部分压缩以提供预紧力，并且被保持在可移动弹簧座214与固定或静止弹簧座216之间。止动件218、220限制可移动弹簧座214朝向隔膜板204的移动，并且因此使第二弹簧212能够提供期望的预紧力。如图2所示，止动件218、220可被实施为单一部件或者实施为相对于可移动弹簧座214被周向地分隔开的两个或多个独立部件。例如，止动件218、220可被设置为具有中心孔的圆柱形主体，并且定位在第一弹簧210和可移动弹簧214的表面之间，从而容纳可移动弹簧214和第二弹簧212。

从图2中的示例可见，第一弹簧210被操作性地连接到隔膜板204和致动器杆206，第二弹簧212被操作性地连接到致动器杆206且被构造为可与第一弹簧210串联操作。具体而言，在致动器200的冲程的开始，第一弹簧210被移位或压缩而第二弹簧212的预紧力防止可移动弹簧座214从与止动件218、220接触的位置离开。这样，对于第一弹簧210和杆206的第一移动距离或位移，第一弹簧210施加的力相对于弹簧210的长度的改变量和其弹簧常数成正比增大。然而，当第一弹簧210施加的力小于第二弹簧212施加的预紧力时，可移动弹簧座214和第二弹簧212保持不动，第二弹簧212施加的力基本保持恒定并且与第一弹簧210施加的力的相反。

当第一弹簧210被压缩足够量时(即致动器杆206已经沿其冲程移动了一定距离)，第一弹簧210施加的力等于第二弹簧212的预紧力。第一弹簧210的进一步压缩(或杆206的移动)导致第一弹簧210施加的力超过第二弹簧212的预紧力，并且因此导致随着第二弹簧212被压缩，可移动弹簧座214和第二弹簧212一起移动。结果是，与施加了超过第二弹簧212的预紧力的第一弹簧210的压缩或位移对应的致动器杆206的移动导致第一弹簧210和第二弹簧212都移动或压缩。因此，对于这些移动或沿致动器的冲程的一定距离的移动，第一弹簧210和第二弹簧212施加的力改变，且弹簧组件208施加的合力取决于弹簧210和212二者施加的力之和。结果是，总的或有效弹簧常数取决于基于第一弹簧210和第二弹簧212各自的弹簧刚度，如下面更详细的示出的那样。

对于包括串联操作的致动弹簧的弹簧组件来说，当所有弹簧都同时被移位时，弹簧组件的有效弹簧刚度可以概括为如下公式2：

$k_T=\frac{1}{(\frac{1}{k_1}+\frac{1}{k_2}+\frac{1}{k_3}...)}---\left(2\right)$

其中k_T为总的有效弹簧常数，k₁、k₂、k₃分别是单个弹簧的弹簧常数。针对两个串联弹簧对公式2进行简化可得到如下所示的公式3：

$k_T=\frac{k_1{k}_2}{(k_1+k_2)}---\left(3\right)$

通过使用公式3可见，例如，如果两个串联操作的弹簧具有相同的弹簧常数，当两个弹簧同时被移位时，弹簧组件的总的有效弹簧刚度减小到单个弹簧的弹簧刚度的一半。

回到图2的示例隔膜执行装置200，如果第一弹簧210的弹簧常数为k₁，第二弹簧212的弹簧常数为k₂，则在致动器杆206的第一移动距离上(例如在该距离上第一弹簧210施加的力小于第二弹簧212所施加的预紧力)，弹簧组件208的有效弹簧刚度为k₁。然后，在致动器杆206的第二移动距离上(例如在该距离上第一弹簧210施加的力大于第二弹簧212产生的预紧力)，弹簧组件208的有效弹簧刚度为k_T，如上述公式3所示。因此，弹簧210和212为串联操作以向致动器200的冲程的不同部分提供两个不同的有效弹簧刚度。

图2的示例弹簧组件208中的弹簧210和212被描述为压缩弹簧，但其它类型的弹簧和/或不同类型弹簧的组合也可以以类似的方法使用，以在弹簧组件208的整个位移上提供可变的有效弹簧刚度。例如，拉伸弹簧、波形弹簧、贝氏弹簧等都能够通过可移动弹簧座而被设置为串联工作设置，以达到类似的结果。进一步，能够单独选择弹簧210和212的弹簧常数，以在弹簧210和212的整个位移上并且因此在致动器200的整个冲程上提供期望的弹簧组件208的有效弹簧刚度的改变。所以，根据示例致动器200的具体应用的需要，弹簧210和212的弹簧常数可以相同也可以不同。

图3为描绘图2的示例弹簧组件208的可替换弹簧设置的放大剖视图。在图3的可替换弹簧设置中，第二可移动弹簧座300接合第二致动弹簧212和第三弹簧302。该可替换设置还包括被设置为限制第三致动弹簧302和第二可移动弹簧座300的移动的第二机械止动件304、306。

图3中描绘的三弹簧设置的操作与图2的弹簧组件208相似。但是，图3中描绘的三弹簧设置在致动器杆206的整个冲程上提供三个有效弹簧刚度。当第一弹簧210和第二弹簧212施加的合力超过第三弹簧302施加的预紧力时，提供了第三有效弹簧刚度。再次参照上面的公式2，被同时移位的三个弹簧的有效弹簧刚度可以用下面的公式4来表示：

$k_T=\frac{k_1{k}_2{k}_3}{(k_2{k}_3+k_1{k}_3+k_1{k}_2)}---\left(4\right)$

这样，如公式4所示，图3的弹簧组件的有效弹簧刚度能够在致动器杆206的冲程的第三部分被进一步减小。换句话说，图3的三弹簧设置提供了沿致动器杆206的冲程的三个不同的有效弹簧刚度。具体地，当致动器从其冲程零位冲击到其满冲程位时，图3中所示的三弹簧设置的有效弹簧刚度从其初始有效弹簧刚度减小两次。这样，增加的串联弹簧302将总的有效弹簧刚度减小为三分之一(例如：当k₁＝k₂＝k₃＝1，则k_T＝1/3)。

尽管本文描述了某些示例装置，本专利的覆盖范围并不限于此。相反，本专利覆盖字面上或依据等同原则客观地落入所附权利要求的所有装置和制造产品。

Claims (20)

1、一种用于隔膜致动器的弹簧组件，包括：

第一弹簧，其操作性地连接到隔膜板和致动器杆；

第二弹簧，其操作性地连接到所述致动器杆，且被设置为与所述第一弹簧串联操作；和

弹簧座，其布置在所述第一弹簧和所述第二弹簧之间，且被设置为与所述第二弹簧一起移动。

2、根据权利要求1所述的弹簧组件，其中所述第一弹簧和所述第二弹簧具有不同的各自的弹簧常数。

3、根据权利要求1所述的弹簧组件，其中所述第一弹簧和所述第二弹簧被设置为使得在所述致动器杆的第一移动距离上，所述第一弹簧提供的力改变，所述第二弹簧提供的力基本恒定且与所述第一弹簧提供的力相反。

4、根据权利要求3所述的弹簧组件，其中所述第一弹簧和所述第二弹簧被设置为使得在增加到所述第一距离的所述致动器的第二移动距离上，所述第二弹簧施加的力改变，并且施加到所述隔膜板上的合力取决于所述第二弹簧施加的力和所述第一弹簧施加的力之和。

5、根据权利要求1所述的弹簧组件，其中所述第二弹簧被设置为提供预加载载荷。

6、根据权利要求1所述的弹簧组件，其中所述第一弹簧和所述第二弹簧被设置为串联操作，使得在所述致动器杆的第一移动距离上，所述第一弹簧和所述第二弹簧提供第一有效弹簧刚度，在所述致动器杆的第二移动距离上，所述第一弹簧和所述第二弹簧提供第二有效弹簧刚度。

7、根据权利要求1所述的弹簧组件，进一步包括机械止动件，以限制所述可移动弹簧座的移动范围。

8、根据权利要求1所述的弹簧组件，进一步包括：第三弹簧，其被设置为操作性地接合到所述致动器杆，且与所述第一弹簧和所述第二弹簧串联操作；和第二弹簧座，其布置在所述第二弹簧和所述第三弹簧之间，且被设置为与所述第三弹簧一起移动。

9、根据权利要求1所述的弹簧组件，其中所述第一弹簧和所述第二弹簧中的每一个包括压缩弹簧。

10、一种弹簧组件，包括：

第一弹簧，其被操作性地连接到可移动弹簧座；和

第二弹簧，其被操作性地连接到所述可移动弹簧座，且被设置为与所述第一弹簧串联操作。

11、根据权利要求10所述的弹簧组件，其中所述第一弹簧和所述第二弹簧具有不同的各自的弹簧常数。

12、根据权利要求10所述的弹簧组件，其中所述第一弹簧和所述第二弹簧被设置为使得在所述可移动弹簧座的第一移动距离上，所述第一弹簧提供的力改变，所述第二弹簧提供的力基本恒定且与所述第一弹簧提供的力相反。

13、根据权利要求12所述的弹簧组件，其中所述第一弹簧和所述第二弹簧被设置为使得在增加到所述第一距离的第二移动距离上，所述第二弹簧提供的力改变。

14、根据权利要求10所述的弹簧组件，其中所述可移动弹簧座位于所述第一弹簧和所述第二弹簧之间。

15、根据权利要求10所述的弹簧组件，进一步包括机械止动件，以限制所述可移动弹簧座的运动范围。

16、一种隔膜致动器，包括：

第一弹簧，其被操作性地连接到隔膜板和致动器杆；

第二弹簧，其被操作性地连接到所述致动器杆；和

可移动弹簧座，其布置在所述第一弹簧和所述第二弹簧之间。

17、根据权利要求16所述的隔膜致动器，其中所述第一弹簧和所述第二弹簧被设置为串联操作，使得在所述致动器杆的第一移动距离上，所述第一弹簧和所述第二弹簧提供第一有效弹簧刚度，在所述致动器杆的第二移动距离上，所述第一弹簧和所述第二弹簧提供第二有效弹簧刚度。

18、根据权利要求16所述的隔膜致动器，其中所述第一弹簧和所述第二弹簧被设置为在所述隔膜致动器的冲程的一部分上提供第一弹簧刚度，在所述隔膜致动器的所述冲程的另一部分上提供比所述第一弹簧刚度小的第二弹簧刚度。

19、根据权利要求16所述的隔膜致动器，其中所述第一弹簧和所述第二弹簧包括压缩弹簧。

20、根据权利要求16所述的隔膜致动器，进一步包括机械止动件，以限制所述可移动弹簧座的运动范围。

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