CN102822536B - 在阀门上的流体操纵的伺服驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在阀门上的流体操纵的伺服驱动装置，该伺服驱动装置包括具有电液信号转换器和流体控制装置的基本单元(6)和至少一个能够利用该流体控制装置操纵的直线促动器(4)，其滑块(11)直接或间接地与阀门的入口耦连。调节单元(22)与基本单元的信号输入相连接，调节单元的信号出口与所述电液信号转换器连接并将为阀门对应配设的测量传感器(24)的实际值信号反馈给该调节单元(22)。在所述信号输入与所述至少一个直线促动器之间在功能上设有优选设置在所述电液信号转换器下游的流体内部调节回路(27)。

Description

在阀门上的流体操纵的伺服驱动装置
技术领域
本发明涉及一种在阀门，尤其是闭锁、安全或调节阀门上的流体操纵的伺服驱动装置。
背景技术
在实践中，已知并且应用多种阀门伺服驱动装置。除了广泛应用的电气阀门伺服驱动装置外，还具有尤其是流体操纵的阀门伺服驱动装置(参看例如EP 0665381B1，EP1418343B1，EP1593893B1和EP2101061A1)。一般而言，这种流体操纵的阀门伺服驱动装置包括直接或间接地与阀门的入口耦连的直线促动器和具有流体控制装置的基本单元。
后者在此一般包括电液信号转换器，该电液信号转换器可以设置在尤其是流体控制装置上游并且与之共同作用，并且可以具有比例输出特性。在此，外部的电气调节单元一般还连接到与电液信号转换器相连或为之对应配设的信号输入上，该电气调节单元可以包括输入器件、额定值输入，调节电子设备、通信单元、信号出口和/或信号传感器。就闭合的调节回路而言，在此，将为阀门对应配设的测量传感器的实际值信号反馈给电气调节单元。
EP 884481A2公开一种用于气动伺服驱动装置的气动位置调节器，所述启动伺服驱动装置的调节量被根据可调节的额定值大小进行精确调节，尤其用于与气动输入信号成比例地定位由薄膜和活塞操纵的调节阀。在此，位置调节器配有三个用于避免压力损失的主元件，亦即，将调节量与额定值大小比较并且输出差值的比较器、位于从气动压力源到伺服驱动装置的流动路径中的、在无动作状态下闭合的并且可通过差值控制的第一阀和位于从伺服驱动装置的卸载孔到压力排出口的流动路径中的、在无动作状态下闭合并且可通过差值控制的第二阀。位置调节器的调节回路包括带有操纵杆形式的调节元件的气动驱动器，该操纵杆使调节值与确定阀、滑块或类似物的流量的元件耦合。伺服驱动装置具有压力加载的、与调节元件连接的薄膜。调节元件的往复直线运动通过变速器，优选具有可更换凸轮盘的凸轮变速器，压力弹簧的一端退让该凸轮变速器，其另一端加载于在中心被可枢转地支承的双臂杆。压力/力转换器通过由额定值压力作用的薄膜沿与压力弹簧相反的方向与压力弹簧压到相同的杆臂上。由压力弹簧施加到杆臂上的力在调节回路的限制区域内与通过薄膜施加的、反向的力比较，通过调节这些力之间的平衡。压力/力转换器也就是说与压力弹簧一起形成额定值/实际值比较器。在该比较器中，压力弹簧与设置在它上游的凸轮变速器一起形成将调节元件的位移转换成实际值力的位移/力转换器。
DE3819122 C2公开一种用于通过流体或电机驱动的、调节的伺服驱动装置调节阀位置的方法，其中，在早先的试验中，调节阀的参考变量和调节变量的实际和理想对应关系之间的偏差与运动方向有关地检测并且将根据该偏差形成的修正值传递给在调节装置上的参考变量和调节变量的比较器。修正值的传递以传递给比较器的参考变量或调节变量信号的变化的形式进行。在此，修正值这样传递给调节装置，使得通过带有调节伺服驱动装置的调节阀补偿由系统滞后导致的参考变量和调节变量的对应关系的偏差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种流体操纵的阀门伺服驱动装置，该阀门伺服驱动装置具有特别有利的调节性能。这尤其包括，作用到该系统上的干扰变量被特别快并且有效地调节。
该技术问题通过本发明给出的在阀门上的流体操纵的伺服驱动装置解决。为此，按本发明的流体操纵的阀门伺服驱动装置的特征尤其是，在信号输入和至少一个直线促动器之间在功能上设置至少一个(优选布置在电液信号转换器下游的)流体内部调节回路。换句话说，在按本发明的流体操纵的阀门伺服驱动装置中，在电液信号转换器与直线促动器之间不存在控制链，而在系统的该区域内集成或嵌入至少一个流体内部调节回路。通过即在传统的、通过电气调节单元导引的在后续平面中的调节回路内部设置第二、纯流体作用的内部调节回路，获得了有关阀门多层的，亦即在多个平面中进行的调节。以这种方式，在多个方面获得调节性能出乎意料突出的优点。一方面，产生有利效果的是，附加的流体内部调节回路可以在功能上并且对称地靠近阀门设置，以便干扰变量已因此可以被特别有效地调节。此外，按本发明设计的流体调节通过设置在尤其是电液信号转换器下游的、电气调节的流体内部调节回路在调节动力方面对称地考虑。结果，按本发明的流体操纵的阀门伺服驱动装置在调节性能方面明显高于现有技术。
按本发明的第一种优选的扩展设计，流体内部调节回路设计成辅助位置调节回路。在该按本发明的伺服驱动装置的扩展设计中，尤其是至少一个直线促动器的滑块的位置通过流体内部调节回路进行精确调节。直线促动器在对可能的干扰变量反应时直接、间接的精确调节上面已述的优点，在这种情况下特别显著。以这种方式实现的自调节的驱动装置大大简化了阀门位置的调节。并且不用考虑与驱动有关的区别，如反应时间和停机时间。
本发明的另一个优选的扩展设计特征为，电液信号转换器设计为具有辅助调节回路的闭合调节回路，优选压力或体积流调节回路。这尤其在这种按本发明的阀门伺服驱动装置中是有利的，其中，压力流体供应装置不是偏心的，亦即，靠近阀门的，而是布置在中心。
在这种情况下，按本发明的另一种优选的扩展设已证明是有利的是，使用气动的辅助能量，并采用电/气转换器作为电液信号转换器。在此电/气转换器优选具有内部的压力传感器和内部的压力调节回路。代替控制的信号传递，在此存在一个闭合的、具有自调节的压力调节器的电气压力调节回路。以这种方式可达到的改善的调节性能致使过程控制和质量得到优化。此外，有利的是，电/气转换器通过特别节能和高动态的压电阀技术运行和/或在调准的状态下不具有自有空气消耗，将压力传感器信号传递给电气调节单元以便进行外部处理和/或与在驱动装置与用于简单作用的驱动装置的电/气转换器VDI/VDE3845之间的气动接线图相对应。
按本发明的另一种优选的扩展设计，尤其在采用压缩的压力流体时，在气动驱动时规定，至少一个直线促动器设计成两侧施加流体的促动器，其中，两个工作腔持续地与压力流体供应装置连接。若在这种意义上，两侧施加流体的直线促动器的两个工作腔直接与压力流体供应装置连接或由它加载，并且为定位的目的，亦即为了改变直线促动器的滑块的位置，两个工作腔之一针对性地通风，直线促动器的滑块在各工作位置中以最大的刚性夹紧，这能够实现特别好的可调节性。此外，通过这种结构可以确保，环境空气绝不会吸入直线促动器中，由此，排除了杂质侵入系统中的可能性，并且提高寿命。该扩展设计的另一个优点是，构造成本低廉并且很简单，方式是使双重作用的直线促动器可以通过唯一一个电液信号转换器调节。所有上述的优点尤其在按本发明的气动的阀门伺服驱动装置中又特别实用。
在前述的流体操纵的阀门伺服驱动装置的扩展设计中，流体内部调节回路可以包括尤其是设置在直线促动器上游的调节组，该调节组具有两个可彼此相对移动的、打开或关闭控制孔的部件，其中，第一部件与由控制压力作用的先导缸耦连，第二部件与直线促动器的滑块耦连。这又在直线促动器设计成双重作用的直线促动器的情况下是特别有利的，其中，所述调节组优选分别通过一根排放管与两个持续地与压力流体供应装置连接的工作腔连通。特别有利的结构扩展方案在此的特征是，调节组具有两个分别包括一个以可在外壳内部克服预紧力移动的方式支承的阀座的安全阀。
按本发明的另一种优选的扩展设计规定，阀门伺服驱动装置包括两个彼此对置的直线促动器和设置在两个直线促动器之间的，使其滑块相互耦连的机械转换器。即，在阀门具有可转动的、其位置可借助阀门伺服驱动装置改变的闭锁件时，所述机械转换器可以在此将尤其是两个线性促动器的滑块的直线运动转变为转动运动。在此，特别优选，伺服驱动装置作为紧凑的、闭合的、具有仅一个电气入口和作用到阀门入口上的机械输出的流体驱动系统模块式地由单独的、联合为一个功能单元的基本单元、两个直线促动器和机械转换器形式的构件构造。可以在此尤其通过两个直线促动器法兰连接到机械的转换器上使所述构件联合为紧凑的、闭合的流体驱动系统，该机械转换器本身通过法兰连接装置与基本单元连接。这允许(按又一种优选的扩展设计)，在基本单元与促动器以及必要时机械转换器之间的整个流体连接在有关构件的内部进行，因此不存在暴露的流体管道。所述的流体连接装置可以在此特别地在由它贯穿的、在所述构件之间的分隔平面范围内可以配有自关闭的闭锁装置，该闭锁装置防止尤其在为了维护的目的拆卸单独的构件时流体流出或污物沿分隔平面不期望地侵入。在闭锁装置的区域内，可以在此尤其集成到闭锁装置中或分别与闭锁装置连接为一个结构单元，设计附加的用于流体的过滤器元件。对整个前面示出的、按本发明的阀门伺服驱动装置结构改进的技术观点已证实在按本发明的液压阀门伺服驱动装置中是特别有利的。它尤其起到如下作用，在获得流体操纵相对电气的阀门伺服驱动装置的特定优点的同时，即，特别的紧凑性、节能以及可靠性和在需要时高动态的安全功能容易实现，其中，后者归功于尤其是存储流体能量的可能性，从用户一方看，流体操纵的阀门伺服驱动装置在维护和保养方面看成与电气阀门伺服驱动装置完全等价的。
进一步上面已提到，在本发明的范围内，压力流体供应装置既可以集中布置，亦即，对多个阀门伺服驱动装置来说是公共的，又可以分散地布置亦即，分别对应各自的阀门伺服驱动装置。在最后所述的情况下，按本发明的流体操纵的阀门伺服驱动装置的基本单元特别优选包括压力流体供应单元。在液压操纵的阀门伺服驱动装置的情况下，按本发明，这种压力流体供应单元尤其优选包括由储液箱供给的、带有由电动机驱动的泵的液压装置。在按本发明的气动操纵的阀门伺服驱动装置，所述压力流体供应单元与此相对地优选包括由电动机驱动的、(优选通过过滤系统)抽吸周围介质的气泵。若按本发明的流体操纵的阀门伺服驱动装置在前面意义上设计成液压的伺服驱动装置，则它可以按另一种优选的扩展设计具有适合将储料盒中的液压流体首次填充到流体系统中的，尤其是设置在基本单元上的加液接管。这允许液压工作的按本发明的阀门伺服驱动装置由用户方启动，而用户不会以任何方式接触液压流体。这又有助于，在其工作性能方面考虑电气的阀门伺服驱动装置的(参见上面)液压操纵的阀门伺服驱动装置也使用在用户方特别着重于清洁和与液压流体接触的最小危险的应用中。
为了系统较高的容错率，流体能量可以不仅，又如上面已谈及那样，存储在(尤其是外部的)压力存储器中，以便在取消压力流体供应装置的情况下，可以将阀门至少还置于预先给定的安全位置中。而机械式副弹簧也可以，必要时附加地集成到至少一个直线促动器中。特别优选，这种机械式副弹簧在此通过流体压力预紧并且锁定在该预紧位置中，因此它不必通过永久地克服机械式副弹簧的力工作持续地加载直线促动器的滑块。在该情况下，仅在操作解锁装置之后，机械式副弹簧加载对应配设的直线促动器的滑块，借助该解锁装置，解除锁住副弹簧的封锁。这种在标准工作情况下封闭锁定的、仅在紧急状态下通过解除封锁释放的机械式副弹簧结合了阀门伺服驱动装置高可靠性的优点与其它的观点，如经济性、紧凑性以及调节力度。
附图说明
本发明其它有利的扩展设计在各从属权利要求中说明或从本发明实施例的下列阐述中获得。附图中：
图1是按本发明的液压工作的阀门伺服驱动装置的示意图，
图2是在按图1的阀门伺服驱动装置中实现的自调节的位置驱动器的结构设计，
图3是按本发明的气动工作的阀门伺服驱动装置的示意图以及
图4是按本发明流体操纵的阀门伺服驱动装置在图1至图3所示的实施例的调节流程图。
具体实施方式
按图1，为作为这种已知的、包括可直线移动的闭锁滑块1的闭锁阀门2配设液压运行的阀门伺服驱动装置3。它包括作为主要构件的直线促动器4和具有压力流体供应单元5和流体控制装置的基本单元6。直线促动器4在此设计成具有在缸体7中导引的活塞8的双重作用的液压缸，该活塞8使两个反向加载的工作腔9和10隔开并且与活塞杆12形式的滑块11连接。活塞杆12在此直接作用到闭锁阀门2的闭锁滑块1上。
压力流体供应单元5以这种已知的方式包括液压装置13，该液压装置13具有由电动机14驱动的液压泵15和用于液压液的储液箱16。基本单元6还包括流体预先控制的阀17和流体接口18，基本单元通过该流体接口18与后置的流体转换器19连接。基本单元6的流体预先控制的阀17(经由对应配设的信号输入)通过压电阀20形式的电液信号转换器控制，在该电液信号转换器上本身作用有配有通信接口21的电气调节单元22。通过通信接口21还将(与未示出的额定值输入有关的)额定值输入23连接到调节单元22上。
为闭锁阀门2的闭锁滑块1配设位置传感器24，该位置传感器24通过通信接口25与调节单元22连接并且闭锁滑块的实际位置反馈给调节单元22。此外，还设有可视的位置指示器26。
在前述的范围内针对本身广为所知的、广泛应用的现有技术的、按图1的阀门伺服驱动装置，因此不是进一步阐述必不可少的。按图1的阀门伺服驱动装置3相对现有技术的根本差异在于，调节单元22这样不直接作用到直线促动器4上，而是作为在功能上在基本单元的信号输入与直线促动器4之间存在后置于电液信号转换器的流体内部调节回路27。流体的转换器19因此不与直线促动器4的接口直接液压连接，而是与包括纯液压的、自调节的位置驱动器28的调节组29连接。
自调节的位置驱动器28包括(参看图2)外壳30和在其中以可移动的方式(双箭头A)导引的滑块31，该滑块31相对外壳30借助密封圈32密封。此外，在外壳30中容纳有两个喷嘴本体33。这两个喷嘴本体33也可移动地，即与滑块31的运动方向A平行地在外壳30中导引并且相对外壳30借助密封圈34密封。它们还借助弹簧35抵靠止档36预紧。在此，在图3中表示的自调节的位置驱动器28的中性位置中，两个喷嘴本体这样密封地贴靠在其端侧设置在滑块31上的密封体49上，使得喷嘴本体33的控制孔通过所述的密封体49封闭。
自调节的位置驱动器28的滑块31穿过窗口48贯穿外壳30的耦合杆37与直线促动器4的滑块11连接，以便它直接进行其运动。自调节的位置驱动器28的外壳30本身可移动。其位置由双重作用的先导缸38预先给定。先导缸38通过基本单元6和流体转换器19由调节单元22控制；因此，后者通过先导缸38预先给定自调节的位置驱动器28的外壳30的位置。
直线促动器4的两个工作腔9和10通过具有节流阀40的高压管道39持续地与压力流体供应单元5的高压侧41连接，亦即，持续地施加供液压力。此外，直线促动器4的两个工作腔9和10分别通过一根排放管42与在自调节的位置驱动器28的外壳30中的入口43连接。在调准情况下，以这种方式，在自调节的位置驱动器28的两个压力腔44中存在与直线促动器4的工作腔9和10相同的压力比。
若由于相应的、由调节单元22预先设定的先导缸38通过基本单元6和流体转换器19的作用使自调节的位置驱动器28的外壳30沿使闭锁滑块1抬升的方向向上移动，则两个压力腔44的上部穿过对应配设的喷嘴本体33的穿孔45而与压力流体供应单元5的低压侧46连接。在直线促动器4的上部工作腔9中的压力下降到低于下部工作腔10中存在的压力，因此，就直线促动器4的滑块11随动控制而言抬升，即抬升的程度使得直到与直线促动器4的滑块11耦连的闭锁滑块到达自调节的位置驱动器28的与之耦连的滑块31又封闭两个喷嘴本体33位置为止。就此而言，调节组29具有两个分别包括一个以可在外壳30的内部克服预紧力移动的方式支承的阀座的安全阀47。
作用到闭锁滑块1上的干扰变量在所示的系统中直接在自调节的位置驱动器28的纯液压调节回路的内部调节，因此，就此而言不进行调节单元22的调节作用。调节单元22的调节特性与之相匹配。
图3表示就其按图1的实施形式的功能而言基本上相似的实施形式，其中，但要强调与按图1的实施形式不同的下列差异。
因此，闭锁阀门2具有围绕轴线50转动的闭锁件51而不是闭锁滑块。该闭锁阀门2与轴52抗扭地连接。此外，在按图3的实施形式中使用两个互相反向的双重作用的直线促动器4。这两个直线促动器4成对地反向与气动系统的其它构件连接。此外，通过直线促动器的滑块借助齿条53作用到与轴52抗扭连接的齿轮54上，两个直线促动器的直线运动在机械转换器W中转变为旋转运动。
此外，阀门伺服驱动装置气动地运行。据此，压力流体供应单元5包括空气压缩机55，而不是液压泵。该空气压缩机55通过过滤器56抽吸环境空气。液压流体在低压侧排出到周围环境中，为此目的，在此设置消音器57。
此外，从图1和图2前面说明中容易给本领域技术人员阐明按图3的实施形式和其功能，因而避免了重复引用。
按图4中表示的调节流程图，输入信号通过通信输入60到达位置调节器61(参见调节单元22)。该调节器61可以如在图1和图3中所示直接作用到流体调节器62(参见压电阀20)上，该流体调节器62作用到流体转换器63(参见液压预控制阀17)上，该流体转换器63本身作用到另一个流体转换器64(参见流体转换器19)上。与此同时，在位置调节器61与该另一个流体转换器64之间，如在说明书中一般性阐述的那样，也可以集成包括自调节的压力调节器的、带有压力调节器66的辅助压力调节回路65，压力传感器67的信号反馈给该压力调节器66。该另外的流体转换器64的出口作用到调位器68(参见调节组29)上，该调位器68结合直线驱动器69(参看直线促动器4)和位置传感器70(参看耦合杆37)形成一个包括自调节的位置驱动器的辅助位置调节回路71。在按图3的实施形式中，直线驱动器69作用到扭矩转换器72(参见机械转换器W)上，扭矩转换器72的输出作用到阀门73(参见闭锁阀门2)上。扭矩转换器72的位置可以在位置指示器74(参见位置指示器26)中可视地显示。此外，通过位置传感器75(参见位置传感器24)检测(按图1的实施形式的)直线驱动器或(按图3的实施形式的)扭矩转换器的实际位置，以便形成反馈给位置调节器61的、用于阀门位置的调节回路76。

Claims (22)

1.一种在阀门上的流体操纵的伺服驱动装置，所述伺服驱动装置包括具有流体控制装置的基本单元(6)和至少一个能够利用流体控制装置操纵的直线促动器(4)，在所述流体控制装置的上游设置电液信号转换器，所述直线促动器(4)的滑块(11)直接或间接地与所述阀门的入口耦连，其中，所述基本单元包括与所述电液信号转换器连接并因此与所述流体控制装置连接的信号输入，外部的输入器件、额定值输入、调节电子设备、与所述电液信号转换器连接的信号出口和包括信号传感器的电气调节单元(22)与所述信号输入连接，将为所述阀门对应配设的测量传感器(24)的实际值信号反馈给所述电气调节单元(22)，其中，在所述信号输入与所述至少一个直线促动器之间在功能上还设有流体内部调节回路(27；65,71)，所述流体内部调节回路(27；71)包括设置在所述直线促动器(4)上游的调节组(29)，该调节组(29)具有可彼此相对移动的、打开或关闭控制孔的第一部件和第二部件，其中，所述第一部件与由控制压力加载的先导缸(38)耦连，所述第二部件与所述直线促动器(4)的滑块(11)耦连，其中，所述调节组(29)具有两个安全阀(47)，所述两个安全阀(47)分别包括一个以可在外壳(30)的内部克服预紧力移动的方式支承的阀座。
2.按权利要求1所述的伺服驱动装置，其特征在于，所述阀门是闭锁阀门(2)、安全阀门或调节阀门。
3.按权利要求1所述的伺服驱动装置，其特征在于，所述电液信号转换器具有比例输出特性。
4.按权利要求1所述的伺服驱动装置，其特征在于，所述调节电子设备带有通信单元。
5.按权利要求1所述的伺服驱动装置，其特征在于，所述流体内部调节回路(27；65,71)设置在所述电液信号转换器下游。
6.按权利要求1所述的伺服驱动装置，其特征在于，所述流体内部调节回路设计成辅助位置调节回路(27；71)。
7.按权利要求1或6所述的伺服驱动装置，其特征在于，所述电液信号转换器设计具有作为辅助调节回路的闭合的调节回路。
8.按权利要求7所述的伺服驱动装置，其特征在于，所述调节回路是压力或体积流调节回路(65)。
9.按权利要求1所述的伺服驱动装置，其特征在于，所述至少一个直线促动器(4)设计成两侧施加流体的促动器，其中，两个工作腔(9，10)持续地与压力供给装置连接。
10.按权利要求1所述的伺服驱动装置，其特征在于，所述调节组(29)分别通过一个排放管(42)与所述两个工作腔(9，10)连通。
11.按权利要求1所述的伺服驱动装置，其特征在于，所述伺服驱动装置包括两个彼此对置的直线促动器(4)和设置在所述两个直线促动器之间、使所述直线促动器的滑块相互耦连的机械转换器(W)。
12.按权利要求1所述的伺服驱动装置，其特征在于，所述伺服驱动装置具有指示器件(26)、终端开关、终端止挡、终端缓冲器、手动操纵器件和/或位置传感器(24)。
13.按权利要求1或2所述的伺服驱动装置，其特征在于，所述基本单元(6)包括压力流体供应单元(5)。
14.按权利要求13所述的伺服驱动装置，其特征在于，所述压力流体供应单元(5)包括由储液箱(16)供给的、带有由电动机(14)驱动的泵(15)的液压装置(13)。
15.按权利要求1所述的伺服驱动装置，其特征在于，所述伺服驱动装置具有适用于将液压流体从储料盒中首次填充到流体系统中的加液接管。
16.按权利要求15所述的伺服驱动装置，其特征在于，所述加液接管设置在所述基本单元(6)上。
17.按权利要求13所述的伺服驱动装置，其特征在于，所述压力流体供应单元包括由电动机(14)驱动的、优选通过过滤系统(56)抽吸周围介质的气动压缩机(55)。
18.按权利要求1所述的伺服驱动装置，其特征在于，使用气动的辅助能量并且采用电/气转换器作为电液信号转换器(20)。
19.按权利要求18所述的伺服驱动装置，其特征在于，所述电/气转换器具有内部的压力传感器(67)和内部的压力调节回路(65)。
20.按权利要求18所述的伺服驱动装置，其特征在于，所述电/气转换器通过特别节能的和高动态的压电阀技术运行。
21.按权利要求19所述的伺服驱动装置，其特征在于，所述电/气转换器在调准状态下没有自有空气消耗。
22.按权利要求19所述的伺服驱动装置，其特征在于，将所述压力传感器信号传递给电气调节单元以便进行外部处理。
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