CN102884342A - 紧凑型致动器齿轮组 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于致动器的齿轮箱组件。所述齿轮箱组件包括齿条、正小齿轮、小锥齿轮以及锥齿轮。所述齿条的垂直平移使得所述正小齿轮和小锥齿轮绕水平轴线旋转。所述小锥齿轮的所述旋转使得所述锥齿轮绕垂直轴线旋转。所述齿轮箱组件可连接到阀的可移动构件，以便所述齿轮箱组件的致动使得所述可移动构件移动。本发明还揭示了包括所述齿轮箱组件的系统以及操作方法。

Description

紧凑型致动器齿轮组

背景技术

此部分旨在向读者介绍可能涉及本发明各方面的技术的各方面，这些方面在下文中有所描述和/或主张。此论述被认为有助于向读者提供背景信息，从而有助于更好地理解本发明的各方面。因此，应了解，这些陈述应就此而论，而非对现有技术的认可。

应了解，石油和天然气是对现代经济和社会产生深远影响的流体。实际上，依赖于石油和天然气的装置和系统无处不在。例如，石油和天然气在多种多样的交通工具中用作燃料，例如，汽车、飞机、船舶等。此外，石油和天然气还频繁地用于在冬季为家中提供暖气、发电以及制造数量惊人的日常产品。

无论是石油基还是其他种类的流体流都可用阀进行控制。流体流过处于打开配置的阀，但可通过将阀转换到关闭配置来中断该流。虽然许多阀在打开与关闭配置之间以手动方式致动，但是在工业环境中使用的更稳固的阀通常由液压、电动或气动致动器等以机械方式致动。

在某些情况下，机械致动器在不同于致动阀所需的方向上提供动力。例如，线性致动器可能不太适于转动球阀。为了将线性移动转变成旋转移动，例如，可将齿轮组插入致动器与阀之间。齿轮组接收致动器的动力输出，改变该输出的方向，然后为阀提供动力输入，从而致动阀。

齿轮组会使以下方面产生损失：效率。并非所有致动器的输出能量都用于致动阀，齿轮组会消耗该能量中的一些能量。如果阀直接连接到致动器，则低效率齿轮组通常需要的致动器比必需的更大、功率更高。因此，插入的齿轮箱增加了所需致动器的成本、重量以及大小。此外，对于较大的阀或需要大量致动扭矩的阀而言，致动器和相关齿轮组可能会因太大且需要太多空间而不易于安装和使用。

附图说明

参考附图阅读以下具体实施方式后，将更好地理解本发明的各个特征、方面和优点，在附图中，类似符号表示所有图中的类似部分，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的具有致动器的阀组件的示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的致动器的等比例图示；

图3是根据本发明的一个实施例的用于紧凑型致动器的齿轮组的透视图；

图4和图5是图2中的致动器沿图2中的线A-A截取的简化截面图，其中所示致动器处于不同的操作配置；

图6是根据本发明的一个实施例的用于紧凑型致动器的齿轮组的透视图；

图7是根据本发明的一个实施例的齿轮组的透视图；

图8是图7所示的齿轮组的部件的透视图；

图9是根据本发明的一个实施例的齿轮组的透视图；以及

图10是图示了对根据本发明的一个实施例的齿轮组进行致动的流程图。

具体实施方式

下文将描述本发明的一个或多个具体实施例。所述的这些实施例仅为本发明的示例性实施例。另外，为了简要描述这些示例性实施例，说明书中可能不会描述实际实施方案的所有特征。应了解，在任何工程或设计规划中开发任何此类实际实施方案时，均必须作出大量实施方案特定的决策，以实现开发人员的具体目标，例如，是否要符合与系统相关以及与业务相关的限制，这些限制可能会因为实施方案的不同而有所不同。此外，应了解，此开发工作可能较复杂且耗时，但无论如何，对于受益于本发明的一般技术人员而言，此开发工作仍是常规的设计、制作和制造操作。

本发明的实施例包括可在紧凑型致动器中使用的齿轮组。据信，示例性齿轮组能将装置在一个平面内的线性移动有效地转变成在非平行平面内进行的旋转移动。例如，齿轮组可将垂直平面内的线性致动转变成水平平面内的旋转移动。这种转变可通过连接到锥齿轮布置的齿条与小齿轮式齿轮布置来实现。齿条与小齿轮组件将线性运动转变成旋转运动。另外，与小齿轮一起旋转的锥齿轮布置将小齿轮的旋转运动从垂直平面转到水平平面。锥齿轮布置可连接到直角回转球阀的轴，从而使球阀在打开与关闭配置之间进行转换，因而通过阀来控制流体流。

图1是用于对通过流路14的流体流12进行控制的阀组件10的示意图。示例性阀组件10包括连接到阀主体18的致动器16。所述阀主体可支持许多种阀类型，这些类型的实例有蝶形阀、球阀、直角回转阀、闸门阀等等。如图所示，阀主体18带有球阀20。在打开配置下，球阀20的通孔(through bore)22与阀组件10的入口24和出口26对准。这使得流12通过阀。通过转动球阀20以将通孔22放置成垂直于入口24和出口26，可中断流12。换句话说，球阀20的直角回转使得阀组件10在打开与关闭配置之间转换。

为了实现这种直角回转，致动器16通过驱动源28提供动力。驱动源28可为许多种合适的装置中的一种装置，例如，液压致动器、电动式线性发动机、气动装置或盘车手轮等等。在所示实施例中，驱动源28提供线性运动，如双向箭头30所示。然而，此线性运动30无法对必须旋转(例如，直角回转)的球阀20进行直接致动。

连接到驱动源28的齿轮组件32将驱动源28的线性运动转变成所需的旋转运动。具体来说，齿轮组件32接收驱动源28的线性运动输入34并将该输入转变成旋转运动输出36。此外，齿轮组件将线性输入34转变成在不与线性输入平面平行的平面上进行的旋转输出。也就是说，例如，驱动源的垂直线性运动被转变成水平旋转运动。附接到球阀20的阀杆38可连接到齿轮组件32的输出。杆38可固定到球阀上，从而将杆38上的扭矩传递给球阀20，并且杆38旋转会使得球阀20旋转。因此，齿轮组件32的旋转输出36促使杆38以及球阀20旋转。将阀组件10作为一个整体来看，驱动源28的线性运动30可用于旋转球阀20并使阀组件10在打开与关闭配置之间进行转换，从而控制通过流路14的流12。可采用开/关的方式来使用阀组件10，从而允许或限制沿流路14从上游部件流至下游部件的流。

应了解，阀10可以是双向的，并且使用术语“入口”、“出口”、“上游”以及“下游”以便于参考，而并不描述对阀10的任何具体方向限制。此外，使用形容词或副词修饰语“水平”和“垂直”、“向上地”和“向下地”，或“顺时针”和“逆时针”也仅便于多组术语之间的相对参考，而并不描述对所修饰术语的任何具体方向限制。

图2图示了示例性紧凑型致动器16。所示致动器16具有壳体40，用于支撑图1所示的驱动源28以及齿轮组件32。通过将这两个部件组合在一个壳体中，可减小致动器16的总体大小。然而，还设想驱动源28和齿轮组件32可为分离的部件，它们各自具有自己的壳体。因此，例如，随着阀组件10的需要改变，齿轮组件32可与可改变的任何数目个驱动源28相配合，反之亦然。致动器16可包括带法兰的部分(未图示)，用于促使将致动器16附接到阀主体18(图1)。类似地，如果驱动源28和齿轮组件32具有分离的壳体，则这些壳体中的每个壳体可包括法兰连接，以便于组装。

图3为示例性齿轮组32的透视图。齿轮组32包括多根齿条42。齿条42经配置以从驱动源28(图1)接收线性运动输入。如果所述线性输入向下，如箭头44所示，则齿条42向下移动。每根齿条42与正小齿轮46啮合，并且齿条42向下移动使得正小齿轮46旋转(箭头48)。齿条42与正小齿轮46协作以将线性运动转变成旋转运动。然而，所述线性和旋转运动大体上平行于彼此。也就是说，线性运动44大体上平行于旋转运动48所发生的平面56。

所示正小齿轮46与小锥齿轮50安装在相同的轴52上。因此，正小齿轮46与小锥齿轮50在相同方向上(箭头48)一起旋转。小锥齿轮50与输出锥齿轮58啮合，并使得输出锥齿轮58在箭头60的方向上旋转。值得注意的是，输出锥齿轮58的旋转所在的平面62大体上垂直于小锥齿轮50的旋转所在的平面，即，平面56。也就是说，输出锥齿轮58的旋转轴线63平行于线性运动44的方向，但垂直于正小齿轮46和小锥齿轮50的旋转轴线65。据信，齿轮组32会将线性运动有效地转变成不平行的旋转运动。有利的是，据信，此齿轮组件32可提供高达90％或更高的效率。例如，齿轮32可提供至少大于约50％、60％、70％、90％或90％的效率。因此，与传统齿轮组相比，可使用更少的线性载荷来实现旋转移动。因而可减小驱动源的大小和功率。

输出锥齿轮58可通过螺栓固定到托架(carrier)64上，所述托架经配置以与将要移动的部件连接。例如，所示托架64在输出锥齿轮58的方向上(箭头60)旋转，并且包括设计成容纳阀杆38的容纳部分66(图4和图5)。因此，输出锥齿轮58旋转使得托架64旋转，从而使阀杆38旋转，并且最终使球阀20旋转。根据用于转动球阀的扭矩需求，可将任何数目个齿条、正小齿轮和小锥齿轮齿轮组连接到单个输出锥齿轮。如图所示，有四个这种齿轮组连接到输出锥齿轮。然而，可提供的齿轮组少至一个，或多至可绕输出锥齿轮的圆周进行装配。此外，还设想本文中所述的齿轮组件32在反过来使用时提供效率益处，其中旋转输入可有效地转变成线性输出。

图4和图5是图2中介绍的液压紧凑型致动器16的简化截面图。致动器16包括对气缸72进行密封的活塞70。当液压流体经过入口74时，活塞被向下驱动(箭头76)。活塞72连接到活塞杆78，所述活塞杆与活塞72一起沿相同方向移动。活塞杆78连接到顶板80，所述顶板与活塞72以及活塞杆78一起，且因此沿相同方向76移动。齿轮组32的齿条42连接到顶板80。因此，顶板80的向下移动76会向下驱动齿条42。因此，通过引进液压流体，顶板80移动并将动力提供给齿轮组32，以致动齿条42。

如上文所论述，齿条42向下移动使得正小齿轮46和小锥齿轮50沿箭头82的方向旋转。此旋转82转而使得输出锥齿轮58、托架64以及连接到托架64的容纳部分66的阀杆38沿箭头85的方向旋转。同样，杆38的旋转轴线86并不平行于正小齿轮46的旋转轴线88，而平行于线性运动的方向76。

致动器16可包括“故障保险”特征，例如，弹簧90。示例性弹簧90设置在可移动的顶板80与固定的底板92之间。弹簧相对于顶板80的向下移动76而偏置。因此，如果引进液压流体以使致动器从图4的配置转换成图5的配置，那么在大去液压的情况下，致动器的弹簧90会起作用以向上94驱动顶板。如果图4所示的配置被校准成阀的打开配置，而图5被校准成阀的关闭配置，那么致动器为“故障自动打开”致动器。相反，如果图4所示的配置被校准成阀的关闭配置，而图5被校准成阀的打开配置，那么致动器为“故障自动关闭”致动器。

图6图示了齿轮组组件32的一个替代实施例。在此实施例中，正小齿轮46定位在输出锥齿轮58径向向内的位置。这为齿轮组32提供了更为紧凑的布置。图6中的齿轮组32采用类似于上文所述的方式进行操作。顶板80可连接到许多种合适的驱动源28，如上文所论述，所述驱动源的实例包括电动机、液压发动机、手动操作装置等等。此外，根据所使用的驱动源，可能有利的是让所示齿轮组32从另一个齿轮组而非直接从驱动源28接收运动输入。

图7是图6中介绍的齿轮组32的部件的细节透视图。在此实施例中，正小齿轮46以偏心方式旋转。具体来说，正小齿轮46的中心轴线从正小齿轮46和小锥齿轮50的旋转轴线处偏移。因此，正小齿轮46不与小锥齿轮50同心。为了适应正小齿轮46的偏心特性，齿条42的齿设置在弧形表面102上，而非(例如)图3所示的直表面上。有利的是，不管致动何种其他装置，都可控制弧形表面102的曲率半径以及正小齿轮46的偏心率，以便产生能在小锥齿轮50上提供所需扭矩的共轭曲线，从而最适于操作球阀20。例如，正如提供适当扭矩所需的那样，曲率半径可具有正弦曲线轮廓，或可具有抛物线特征。

图8是与偏心正小齿轮46相配合的齿条42的透视图。如图所示，正小齿轮46的旋转轴线65相对于正小齿轮46的中心轴线104偏移一定距离106。类似于图8，图9是齿条42和正小齿轮46布置的不同实施例的透视图。在此实施例中，弧形表面102的曲率半径发生了改变。正小齿轮46为扇形，以适应弧形表面102。上述不同齿轮的齿轮廓也可经控制以提供所需的扭矩特性。例如，上述齿轮被图示成具有直齿；但是，本发明的益处还可适用于螺线齿或螺旋齿等。

图10描绘了根据本发明的一个实施例的阀组件10的操作过程120。如上文所述，最初可向组件10的单根齿条42(或多根齿条，例如，如图6所示)直接或间接施加垂直力(框122)。齿条42可在垂直的线性方向上平移(框124)。齿条42平移使得正小齿轮46绕水平轴线65旋转(框126)。正小齿轮46旋转使得小锥齿轮50绕同一水平轴线65旋转(框128)。当小锥齿轮50旋转时，与输出锥齿轮58的啮合使得输出锥齿轮58，例如，以水平旋转运动的方式绕垂直轴线63旋转(框130)。随后，输出锥齿轮58旋转使得阀杆38和阀构件20移动，例如，旋转，以打开或关闭阀10(框132)。

虽然本发明很可能有多种修改或替代形式，但附图中已经以举例的方式绘示了具体实施例，并且本文中已经进行了详细描述。然而，应了解，本发明并不限于所揭示的特定形式。除了阀和阀操作以外，本发明可适用于许多行业。设想所述齿轮组为许多需要有效转变运动的情况提供益处。例如，本发明可为采油树、操作阀、防喷器、钻井设备、井下阀等许多油田装置提供益处。因此，本发明将涵盖由所附权利要求书所定义的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。

Claims (20)

1.一种系统，包括：

齿轮箱组件，其包括：

齿条；

第一小齿轮，其连接到所述齿条并配置成绕第一轴线旋转；

第二小齿轮，其通过轴连接到所述第一小齿轮并配置成绕所述第一轴线旋转；

锥齿轮，其连接到所述第二小齿轮并配置成绕垂直于所述第一轴线的第二轴线旋转；

其中响应于所述齿条的平移，所述锥齿轮绕所述第二轴线旋转。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述齿条经配置以按照沿着所述第二轴线的线性方向平移。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述齿条包括沿着所述齿条的长度设置的第一齿。

4.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一小齿轮包括第二齿，并且所述第二小齿轮包括第三齿，其中所述第一小齿轮通过所述第二齿与第一齿的啮合而连接到所述齿条。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述锥齿轮包括第四齿，其中所述第二小齿轮通过所述第四齿与所述第三齿的啮合而连接到所述锥齿轮。

6.根据权利要求3所述的系统，其中所述第一齿按照沿着所述齿条的所述长度的直轮廓进行设置。

7.根据权利要求3所述的系统，其中所述第一齿按照沿着所述齿条的所述长度的偏心轮廓进行设置。

8.根据权利要求1所述的系统，包括连接到所述齿轮箱组件的致动器，其中所述致动器使所述齿条在垂直的线性方向上移动。

9.根据权利要求1所述的系统，包括连接到所述齿轮箱组件的阀，其中所述齿轮箱组件使所述阀的可移动构件移动。

10.一种系统，包括：

阀，其包括可移动构件；

齿轮箱，其连接到所述阀并配置成使所述可移动构件在第一位置与第二位置之间移动，其中所述齿轮箱包括：

齿条和第一小齿轮；以及

连接到所述第一小齿轮的锥齿轮，

其中所述齿轮箱经配置以将所述齿条的平移转换成所述锥齿轮的旋转运动。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述锥齿轮通过与第二小齿轮的啮合而连接到所述第一小齿轮，其中所述第二小齿轮通过轴连接到所述第一小齿轮。

12.根据权利要求10所述的系统，其中响应于所述齿条的线性移动，所述第一小齿轮和第二小齿轮绕第一轴线旋转。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述锥齿轮绕垂直于所述第一轴线的第二轴线旋转。

14.根据权利要求12所述的系统，其中所述齿条包括沿着所述齿条的长度设置的齿。

15.根据权利要求12所述的系统，其中所述齿沿着与所述阀的扭矩曲线相符合的轮廓进行设置。

16.根据权利要求12所述的系统，包括连接到齿轮箱组件的致动器。

17.根据权利要求12所述的系统，包括连接到所述阀的入口的第一管道，以及连接到所述阀的出口的第二管道。

18.一种系统，包括：

致动器齿轮箱，其包括：

锥齿轮，其设置并配置成绕垂直轴线旋转；

多个齿条与小齿轮组件，其中每个齿条小齿轮组件包括：

垂直齿条；

第一小齿轮，其连接到所述齿条并配置成响应于所述齿条的垂直平移而绕水平轴线旋转；

第二小齿轮，其连接到所述第一小齿轮并配置成与所述第一小齿轮一起绕所述水平轴线旋转；

其中每个齿条与小齿轮组件的所述第二小齿轮连接到所述锥齿轮，从而响应于所述第二小齿轮中的每一者绕所述水平轴线进行的所述旋转，所述锥齿轮绕所述垂直轴线旋转。

19.根据权利要求18所述的系统，其中所述多个齿条与小齿轮组件中的每根齿条连接到共用活塞，其中所述活塞的移动使所述多个齿条与小齿轮组件中的每根齿条平移。

20.根据权利要求18所述的系统，其中所述活塞连接到液压源。

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