CN102308133B - 具有内部线性至旋转转换和外部旋转式部件的线性致动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种致动器，所述致动器包括圆筒、两个端盖、活塞、导向槽、中空轴、以及连接到外部旋转毂部的扭转杆，由此取决于致动器轴的线性行程的方向，所述致动器轴的任何线性运动将产生所述外部毂部的顺时针或逆时针方向的成比例的旋转。

Description

具有内部线性至旋转转换和外部旋转式部件的线性致动器

技术领域

本发明涉及一种具有内部线性至旋转转换和外部旋转式部件的线性致动器。

背景技术

迄今为止，发明人未发现应用于本发明中所体现的原理和目的的任何现有技术。下文中的若干现有技术使用相似的部件来实现不同的最终结果。

US4121504NOWAk提供了使用线轴和线材的旋转式外部作用的装置，但是未提供任何外部直接标准安装。

US5488860提供了一种外部指示的装置，但机构不同，没有标准安装。

US6968771使用了一种扭转棒，但是用于不同的应用场合。

需求

在工业过程中使用阀门，以改变生产条件，即完全关闭管道中的流量，也许打开阀门以允许全流量，或者按需改变流量。这些阀门可由本地操作员手动操作，但是当阀门需要从控制系统进行操作时，阀门装配有致动器，所述致动器通常为气动、液动或者电动的，并且取决于过程需要，从远程控制器接收信号以打开或者关闭阀门。为了控制系统，致动器装配有控制附件，比如：

开关箱：向控制器发送信号告知阀门何时关闭或打开；

定位器：这些设备从控制器接收信号，并且能将致动器定位在打开或关闭之间的任何位置，以控制过程变量，比如穿过管线的流量；

本地指示器：安装在致动器的顶部，并且提供阀门位置的本地视觉指示。

这些附件的一个共同特征是它们被具体设计成用于旋转式致动器，并且使用工业标准安装模式。

为什么？

到目前为止，在当今的过程中使用的绝大部分的阀门都是旋转式的设计。即，阀门以旋转运动进行操作，并且几乎无例外的，从打开到关闭从0度旋转至90度，反之亦然。因此，致动器控制附件的生产商设计用于旋转式致动器的控制附件，并且当今所有的生产商按照安装模式的通用标准生产，以允许不同生产商的设备能用在其他生产商的致动器上。第12页图1A所示的安装尺寸是最常见的。

图1A显示致动器和附件的标准尺寸，无论附件的作用如何，它们将大体上遵守该通用安装模式。附件具有大致宽为3.9mm的凸起，致动器具有从主体伸出、高为19至20mm的驱动轴，以及宽为4mm、接纳该凸起的凹槽。

第13页图1B显示图1A所示的两个旋转式设备的配合的简化图。甚至连接两者的安装支架也是标准的现成零件。

本发明的原因是线性致动器和附件存在的问题

尽管绝大部分的阀门为旋转式、并且通过致动器和附件得到良好地供给、以及易于安装，然而仍存在较大数量被设计成线性的阀门，并且为了远程打开或关闭阀门，阀门必须装配有线性致动器。

没有用于这些致动器的标准附件设备，一般规则是使用标准的旋转式附件，且必须使用线性至旋转转换机构以将线性运动转换成相当的旋转动作，从而可以使用旋转式附件。

第14页图2A显示用于这些线性阀门的常规线性缸。图2A示出常规的线性气动/液动缸/致动器，所述缸/致动器由圆筒、两个端盖、活塞和实心驱动轴组成。这种类型的致动器通常用于在过程控制系统中驱动线性阀门。

致动器运动

每当空气或其他加压介质被引入腔室P1或P2且在两个腔室之间存在压力差或不平衡时，取决于哪个腔室处于最高压，活塞将驱动轴从左侧移动到右侧。致动器连接到阀门，并且生产控制系统改变施加到腔室P1和P2的压力，以控制阀门的位置。

正如旋转式致动器，为了控制阀门，附件必须安装到致动器上以接收控制信号，或者传送轴的位置，以便控制系统能够根据过程需要改变对致动器的控制压力。能够使用标准的旋转式附件，但是将线性运动转换成旋转运动的机构安装在致动器的外侧，以实现这点，如第15页图2B所示。

作用

图2B显示标准的旋转式定位器，所述旋转式定位器安装在操作刀型闸门阀的常规缸的那侧，这是当今最常用的布置结构。

缸轴的任何线性运动推动轴连接棒（A）沿相同方向运动。连接棒（A）通过固定枢轴连接到连接棒（B）上，而连接棒（B）通过滑销（d）连接到带槽的延伸臂（E）上，线性行程以与致动器轴的线性运动成比例的旋转运动传送到定位器。

通过改变轴连接棒（B）的长度来实现零位置的校准，以及通过在带槽的延伸臂（D）中移动滑销（D）的位置来实现跨距（行程）的校准。请注意，附图显示了定位器，然而，相同的附件可以是标准的限位开关箱、位置指示器、重传模块等。

不足

1）没有用于此的标准布置结构，组件必须定制以匹配每个缸和附件的组合，这很耗时且成本高。

2）组件在外部的事实使其易受损坏。

3）具有两个枢转点，精度难以保持。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种替代性的致动器组件。

按照本发明，提供一种下述的致动器组件：所属致动器组件包括：线性致动器，所述线性致动器具有细长的壳体、布置成用于穿过所述壳体线性行进的活塞和外部连接器，所述连接器联接到所述活塞，以使得所述活塞的线性运动引起所述连接器的旋转；具有旋转输入轴的单元，所述单元对应于轴的旋转位置提供位置指示输出；以及用于将所述单元支承在相对壳体的固定位置中的支架，所述支架允许单元的轴与线性致动器的连接器联接，从而活塞的运动引起连接器的旋转，连接器的旋转转化为所述单元的输入轴的旋转，以便因此产生所述单元的位置指示输出。

在另一方面，本发明的目的在于提供一种用于在前面所述的致动器组件中使用的线性致动器，所述线性致动器具有布置成用于穿过致动器的壳体线性行进的活塞和旋转连接器，所述连接器联接到所述活塞，以使得所述活塞的线性运动引起所述连接器的旋转；其中，所述连接器适于与一个单元的旋转的输入轴榫槽式连接，所述单元对应于该输入轴的旋转位置提供位置指示输出。

具体实施方式

本发明

第16页图3A是本发明的设计。

和图2A所示的常规缸致动器不同，驱动轴（1）是中空的，其能够容纳扭转的连接杆（2）。导向槽加工在活塞螺栓（3）中并且包括四个轴承，扭转杆穿过所述轴承行进，所述轴承被设置成允许所述杆穿过导向槽自由运动但带有最小间隙。由于导向槽保持在恒定的固定平面上，并且连接杆是扭转的，因此，杆与活塞及轴的行程成比例地旋转，并且由于杆固定到外部旋转毂部上，因此，杆还与行程的长度成比例地旋转。旋转毂部用O形圈密封，以防止内部空气压力泄漏到大气中，并且装配有推力轴承以减小摩擦。

扭转杆可被设置成将驱动轴的任何给定的线性行程转化成外部旋转毂部中所期望的成比例的旋转运动。在95%的情况中，该旋转对于缸/阀门的全行程来说将从0到90度，原因在于这是用于旋转式设备的工业标准。

第17页图3B显示常规的缸和本发明的区别。可以看到包含了中空轴、扭转杆、导向槽和外部旋转毂部。

第18页图4A显示安装有标准旋转式定位器的本发明。由于在内部实现线性至旋转的转换，标准旋转式定位器或开关箱螺栓直接装在致动器的顶部上，就和对于图1B所示的标准旋转式致动器完全一样，无需如第15页图2B所示的常规缸所要求的附加臂、杆和枢轴。

优点

1）无论缸的尺寸或附件的生产商如何，缸使用标准的现成部件和安装支架。

2）和现有系统中两个连接点不同，在阀门和致动器（扭转杆穿过导向槽）之间只有一个连接点，精度更高。

3）装配和校准更加快速和容易。

4）由于最终组件更紧凑且线性至旋转的转换在内部实现，其不易受损坏。

5）成本少得多。

第19页图5A

分图1显示安装到刀型闸门阀且装配有定位器的常规缸。

分图2是相同的阀门和定位器，但是安装到本发明上，阀门组件和分图1完全一样，而定位器如图1B所示的标准旋转式致动器组件所使用的，只用标准支架和四个螺栓附接到本发明上。

校准

现场校准快速简单。

第20页图6A

分图1

显示安装到刀型闸门阀且装配有非扭转的连接杆的缸，所述连接杆在关闭位置贯穿导向槽和外部毂部中的附件槽。在此状态中，如果活塞和轴沿任一方向运动，则连接杆和外部毂部没有旋转，原因在于，由于杆未被扭转，当轴移动时没有从导向槽施加的轴向力。

分图2

阀门仍在关闭位置，棒插进外部旋转毂部的棒孔中并且转动，直到附件槽位于大体上90度的所期望的平面中。由于连接杆被目前位于缸底部处的导向槽锚定，因此，转动外部毂部的动作将杆扭转至所期望的扭转角度。

分图3

当阀门打开并且活塞返回到缸的顶部时，当连接杆运动穿过导向槽时作用在目前扭转的连接杆上的力使外部毂部旋转回到接近竖直的或“零位置”。零位置现在能够调整。

请注意：

由于在所有的校准程序中存在零和跨度（span）调整，因此，通过改变施加到连接杆的扭转数来实现量程，而通过松开零调整螺钉（其允许槽独立于旋转毂部进行旋转）、转动槽以实现所期望的零位置、并且随后再拧紧零调整螺钉来设定零位置。

分图4

当阀门回到关闭位置时，外部毂部上的槽回到关闭位置。

从此，当阀门打开或关闭时，外部毂部相应地旋转。

可选的活塞稳定杆

第21页图7

为了使零点保持恒定，重要的是在进行校准后活塞不旋转。

在90%的应用场合中，缸轴锁定到阀门上，因此，活塞由于它通过活塞螺栓固定到轴上是不能运动的，不需要稳定杆。然而，如果轴没有锁定到诸如阀门的固定点上，则装配有活塞稳定杆。该杆在每端由缸端盖锚定，并且穿过带有O形密封圈的活塞，所述O形密封圈防止从一个腔室到另一腔室的泄漏。

这允许系统正常运转，而防止活塞旋转。

结构材料

第22页图8的扭转连接杆由钢制成、淬火、然后回火，以提供最佳硬度，但仍允许杆被扭转且在释放时保持所期望的扭转角度。可使用提供类似特性的任何可选的材料。真实的尺寸不关键，但是工程测试证实，宽度为12至14mm、厚度为从对于100mm以下短冲程（轴行程）的1mm直至对于长冲程的2mm的杆非常适合本申请。

轴承是标准的铬钢轴承，但是具有类似或更高硬度的可选轴承也能满足。

所有其他部件和常规缸中的那些类似。

请注意，如果导向槽由硬化材料制成来防止磨损，则导向槽不需要用于本发明的轴承起作用，然而，轴承的加入极大地延长了单元的使用寿命，将磨损降到绝对最小值。

在旋转毂部上加入滚针推力轴承也包括再内，来最小化所需的转动力，并且因此延长单元的使用寿命。

活塞固定螺栓

第23页图5B显示活塞固定螺栓，所述活塞固定螺栓将活塞拴接到驱动轴上，并且还容纳导向槽和轴承。第一幅图显示平面图，并且显示两个轴承被到固定，两个可以调整以提供更最佳间隙。

一旦设定，可调整螺钉安置就位。右边的图从侧视图显示相同的设置。这可由任何钢或合适的复合材料制成。

使用加工过的带沟槽的连接棒的可选设计

第24页图5C

通过在设计中使用扭转杆，单元的成本较低，并且能够在组装到阀门上后现场校准。该系统在90%的应用场合中是简单、精确且理想的，然而，扭转的角度相对于轴行程总是线性的，不能特性化。

在外部毂部的旋转角度对行程长度需要特性化的情况中，使用圆形的连接杆，并且在外表面上加工或浇铸沟槽，以在轴的行程中任意点处提供所期望的任何旋转角度。在这种情况中，导向螺帽使用接合沟槽的轴承，如图所示，如果采用该原理，则单元不能现场校准。

中空轴、导向槽和扭转杆的概念还能应用到第25页图6A所示的隔膜致动器上。

当压力分别引入进口1或2时，橡胶隔膜沿一个方向或另一方向运动，产生用于驱动阀门的轴的线性运动。

如果中空轴、扭转棒和导向槽也包含进这种类型的致动器，则可实现所有相同的益处。

Claims (13)

1.一种致动器组件，所述致动器组件包括：线性致动器，所述线性致动器具有细长的壳体、布置成用于穿过所述壳体线性行进的活塞和外部的连接器，所述外部的连接器联接到所述活塞，以使得所述活塞的线性运动引起所述连接器的旋转；具有旋转输入轴的单元，所述单元根据输入轴的旋转位置提供位置指示输出；以及用于将所述单元支承在相对壳体的固定位置中的支架，所述支架允许单元的输入轴与线性致动器的连接器联接，从而活塞的运动引起连接器的旋转，连接器的旋转转化为所述单元的输入轴的旋转，以便因此产生所述单元的位置指示输出。

2.根据权利要求1所述的致动器组件，其中，所述连接器和输入轴设置为沿轴向方向的榫-槽式连接。

3.根据权利要求1所述的致动器组件，其中，所述连接器包括带有径向槽的旋转毂部，以接合所述单元的输入轴上的相应凸起。

4.根据权利要求3所述的致动器组件，其中，所述槽宽度基本上为4mm并且深度基本上为6mm。

5.根据权利要求4所述的致动器组件，其中，所述毂部具有基本上为20mm的高度尺寸。

6.根据权利要求1所述的致动器组件，其中，所述支架连接到壳体的一个端部并且具有安装板和开口，所述单元固定到所述安装板上，所述单元的输入轴穿过所述开口以接合所述连接器。

7.根据权利要求6所述的致动器组件，其中，所述安装板位于所述连接器上方，并且通过安装到所述壳体的支承腿与壳体的端部间隔开，以使得所述开口与所述连接器对齐。

8.根据权利要求7所述的致动器组件，其中，所述安装板包括用于接纳螺栓的预成型的通孔，所述螺栓用于将所述单元附接到所述支架上。

9.根据权利要求1所述的致动器组件，其中，所述连接器联接到穿过所述壳体轴向延伸的扭转杆上，所述杆穿过所述活塞中的导向槽，由此所述活塞的轴向运动引起所述杆的旋转，从而旋转所述连接器。

10.根据权利要求1所述的致动器组件，其中，所述连接器连接到穿过所述壳体轴向延伸的棒上，所述棒穿过所述活塞中的导向槽，所述导向槽与沿着所述棒螺旋地成型的沟槽相耦合，由此所述活塞的轴向运动引起所述棒的旋转，从而旋转所述连接器。

11.根据权利要求1所述的致动器组件，其中，细长的稳定杆装配在所述致动器的内部，以防止当所述活塞穿过所述壳体行进时所述活塞旋转。

12.根据权利要求1至3或6中任一权利要求所述的致动器组件，与呈旋转式开关箱、定位器或指示器形式的单元组合，所述单元具有与所述致动器的连接器接合的输入轴，以对应于所述连接器的旋转位置向所述单元提供输入，该单元在此显示所述活塞的线性位置。

13.一种用于在根据权利要求1所述的致动器组件中使用的线性致动器，所述线性致动器具有布置成用于穿过致动器的壳体线性行进的活塞和旋转的连接器，所述连接器联接到所述活塞，以使得所述活塞的线性运动引起所述连接器的旋转；其中，所述连接器适于与一个单元的旋转的输入轴榫-槽式连接，所述单元根据该输入轴的旋转位置提供位置指示输出。

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