CN103003609A - 致动器活塞中的多齿啮合 - Google Patents

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CN103003609A CN2011800288460A CN201180028846A CN103003609A CN 103003609 A CN103003609 A CN 103003609A CN 2011800288460 A CN2011800288460 A CN 2011800288460A CN 201180028846 A CN201180028846 A CN 201180028846A CN 103003609 A CN103003609 A CN 103003609A
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J·徳诺威塞克
D·卡尔森
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Abstract

本发明提供了一种用于阀组件的致动器。该致动器具有致动器本体和被构造为在所述致动器本体内移动的至少一个活塞。致动器具有至少部分地位于所述致动器本体内并且被构造成联接至阀的阀杆上的输出轴，其中输出轴具有多个从齿轮伸出的齿；该驱动器具有被构造成与每一个所述至少一个活塞一起移动的至少一个齿条，齿条具有活塞端和末端，其中，所述齿条具有多个被构造成啮合所述输出轴上的多个齿的齿条齿；所述齿条的末端被构造成保持在超出啮合点外的最小距离处，其中，啮合点在所有的运行位置均位于齿条齿和齿轮齿之间。

Description

致动器活塞中的多齿啮合
对相关申请的交叉引用
本申请请求享受于2010年6月17日提交的美国临时申请61/355,688的权益。
背景技术
管道系统中的阀可具有好些致动器。所述致动器可为手动致动器、气动致动器、液动致动器、电动致动器或者其组合等。所述致动器使所述阀在打开位置和闭合位置之间运动。所述致动器具有位置指示器以显示所述阀的位置。很多自动阀被构造成以很高的速度在所述打开位置和闭合位置之间运行。比如，所述阀可每分钟工作好几次。这样的高使用频率对致动器的多个部件造成严重的损害。因此，需要一种具有牢固的制动系统的致动器。
发明内容
本文所描述的实施例提供了一种用于阀组件的致动器。该致动器具有致动器本体和至少一个被构造成在所述驱动器本体内运动的活塞。所述致动器具有输出轴，该输出轴至少部分地位于所述致动器本体内并被构造成与阀的阀杆联接，其中所述输出轴具有多个从齿轮伸出的齿。该致动器具有至少一个与每一个所述至少一个活塞联接并被构造成一起移动的齿条，该齿条具有活塞端和末端，其中所述齿条具有多个被构造成啮合所述输出轴上的多个齿的齿条齿。所述齿条的末端被构造成保持在超出啮合点的最小距离处，其中在所有的工作位置上，该啮合点均位于齿条齿和齿轮齿之间。
附图说明
图1为具有阀组件的管道系统的示意图；
图2为图1所示管道系统的致动器的横截面视图；
图3为致动器的一个实施例的剖开透视图；
图4为活塞和齿条的实施例的透视图；
图5为用于使用图1所示致动器的方法的流程图。
具体实施方式
下面的描述包括了体现出所述发明主题技术的示例性装置、方法、技艺和操作步骤。但是，应当明白，所述的众实施例也可在没有这些具体细节的条件下得到实现。
图1示出了具有阀组件102的管道系统100的示意图。该阀组件102用于控制管道系统100中的流量。该阀组件102具有阀104和致动器106。该阀104被构造成控制管道系统100的管路内的流量。该阀104可为任何合适的阀，包括但不限于蝶形阀、球阀、旋塞阀、控制阀等。致动器106被构造成自动地使阀104在打开位置和闭合位置之间运动。该致动器106可具有用于使阀在打开位置和闭合位置之间运动的输出轴108。该输出轴108可与阀杆109耦接或机械连接。所述输出轴108可在与一个或多个齿条112联接或成一体的一个或多个活塞110的作用下在打开位置和闭合位置之间移动。所述齿条112可具有多个啮合输出轴108上的齿202（如图2所示）的齿条齿200，下文将对此做更为详细的描述。所述齿条112可具有多个额外的、在所述阀104的运行过程中不会啮合所述输出轴齿的齿。所述额外的齿位于齿条112的末端114和啮合点203（如图2所示）之间。因此，至少有一个、两个、三个或更多个齿永远不会啮合输出轴108上的齿。所述致动器106可被构造成在致动器106的使用寿命期间总保持有所述齿条112的末端114和啮合点203之间的最小距离或长度206。所述致动器106可以具有位置指示器116，以确定阀104的闭合件的位置。
图2示出了图1中的致动器的横截面图。其中示出了啮合齿轮314（见图3）上的多个齿202的多个齿条齿200，所述齿轮314一体形成在或安装在输出轴108上。所述齿条112可被设计成使齿条112的末端114一直相对特定数量的齿条齿200保持有最小距离206。所述最小距离在平行于齿条112的方向测得的可至少为包括一个所述齿条齿200的距离。在另一个实施例中，所述最小距离206在平行所述齿条112的方向测得的可至少为包括两个所述齿条齿200的距离。在又一个实施例中，所述最小距离在平行所述齿条112测得的可至少为包括三个所述齿条齿200的距离。所述啮合点203为在啮合区204处的齿条齿200和齿202之间的接触面。啮合区204处的齿条112内存在高应力。该啮合区204是紧靠所述齿条齿200啮合所述齿轮314上的齿202的位置的区域。通过防止所述末端114到达所述啮合区204，所述齿条齿200中的所述应力可一直均匀地分布在众齿条齿200和/或所述齿条112上。在一个实施例中，在所述末端114和所述啮合区204之间长度206可为所述输出轴108的外周208的2%-12%。在另一个实施例中，所述末端114一直保持离所述啮合点203的有至少一个或两个齿条齿200的最小距离。
控制器210可用于提供流体至一个或多个活塞室212内以使输出轴108在所述打开位置和闭合位置之间移动。如本文所述，该流体为气流，虽然其可以是任何合适的流体，比如液体。所述活塞110可被一个或多个偏压件214朝所述输出轴108偏压。该一个或多个偏压件214是可选的。虽然所述偏压件214在图中示出为朝所述输出轴108偏压所述活塞110，应当明白，所述偏压件214可朝离开所述输出轴108方向偏压所述活塞110，或者可远离所述输出轴108偏压一个活塞110并且朝所述输出轴108偏压另一个活塞110。所述偏压件214可以是任何合适偏压件，包括但不限于螺旋弹簧和片簧等。
图3示出了所述致动器106的一个实施例的剖开透视图。该致动器106可具有被构造成容纳所述活塞110、齿条112、偏压件214和输出轴108的致动器本体300和端盖302和304。所述致动器本体300可限定出所述活塞室212或气动室。所述致动器本体300可具有用于提供流体至活塞室212的开口306和308。所示出的开口306和308与所述致动器本体300成一体以减小外部管接成本以及所述出口在运行过程中被损害的风险。所示出的端盖302和304通过螺栓连接至所述致动器本体300以密封所述活塞室212，但是也可通过任何合适的方法包括但不限于焊接进行附接。
所述致动器本体300和/或活塞室212的长度可被增加以容纳更长的齿条112和更多的齿条齿200。该增加的长度对应于额外的齿条112长度。此外，该增加的长度可大于或稍小于所述齿条112的增加的长度。
所述输出轴108可延伸穿过所述致动器本体300以与所述阀杆和所述位置指示器116连接。所述输出轴108可一个或多个被构造成支撑所述致动器本体300中的输出轴108的轴承310。所述输出轴108的中轴线可被安装成基本垂直于所述活塞室212的中轴线。所述输出轴108可联接至齿轮314或具有集成的齿轮314。该齿轮314可包括用于啮合所述齿条齿200的齿202。因此，当所述活塞110移动所述齿条112和所述齿条齿200时，所述齿轮314被转动因而转动所述阀杆108和/或所述位置指示器116。
所述输出轴108可联接至行程止挡凸轮316或具有集成的行程止挡凸轮316。如图所示，所述集成的止挡凸轮316具有台肩318和320，所述台肩的每个被设置成各自接合行程限位器321或322。所示行程限位器321和322为穿过所述致动器本体300的螺钉。所述螺钉的长度可从所述致动器本体300的外部进行调节，从而使操作者能调节所述输出轴108的转动行程。当台肩318和320接合所述行程限位器321和322，所述输出轴108将停止转动，从而增加所述齿条齿200和齿202之间的作用力。当所述行程限位器321和/或322被触及时，所述行程止挡凸轮316停止所述输出轴108的转动，使得所述输出轴突然停止转动。该突然停止将施加额外的应力至所述活塞齿条112上的最后一个啮合齿上。根据统计，快速高频（高循环）的操作比正常速度正常频率（标准循环）的操作更容易发生问题。“高循环”操作的例子包括每年、每天或每分钟重复循环一次的情形。在这些条件下，巨大的累积应力将在与时间有关的这些循环中被施加至齿条112上的最后一个齿条齿200上。由于啮合区204与所述齿条112的末端114隔开，所增加的作用力将作为应力被分布在齿条112的更大的区域上，从而减小了所述齿条112和所述齿条齿200中的应力集中。
图4示出了所述活塞110和齿条112的一个实施例的透视图。如图所示，图1-3中的实施例中具有两个活塞110和两个偏心安装的齿条112，但是，应当明白，也可以仅具有一个活塞110和/或一个齿条112。所述两个齿条112可相互平行，从而使所述两个齿条112中的每一个的齿条齿200在所述输出轴的相对侧啮合所述输出轴108的齿202。具有两个齿条112可使所述活塞110能快速而有效地驱动所述输出轴108，从而朝两个方向在所述打开位置和闭合位置之间驱动所述阀104。
所示多个活塞110与所述多个齿条112成一体，但是所述齿条112可以是联接至活塞110的独立部件。所述多个活塞110可各自具有活塞头324和326。各自的活塞头324和326的顶部327和328可被构造成支撑齿条112。各自的活塞头324和326的底部330和332可被构造成容纳所述一个或多个偏压件214。所述底部330和/或332可具有一个或多个用于容纳所述一个或多个偏压件214的空腔334。如图所示，该空腔334（或支座）可被构造成将所述偏压件214保持在所述活塞110上的空腔内。从而，所述空腔334可防止所述偏压件214在所述致动器106的操作过程中发生移位或运动。
活塞导承336可固定在所述活塞110的外周围。该活塞导承336可以是具有低摩擦系数的材料或多种材料的组合，并能够吸收来自致动器本体300的内壁的侧推力。活塞密封338可用于在致动器106的使用期间密封所述活塞室212（如图2所示）。该活塞密封338可以是弹性O型圈或任何其它合适的密封件。
图3所示的一个或多个偏压件214为布置在活塞110的空腔334内的六个弹簧筒340。该弹簧筒340可安装在所述活塞110和所述端盖302和304之间。所述活塞110和端盖302和304均可具有用于将所述弹簧筒340保持就位的空腔334（或支座）。虽然图中示出有六个弹簧筒340，应当明白，在必要时可以使用任何数量的弹簧筒。所述弹簧筒340的数量和/或偏压件214的类型可根据所供的流体源的流体压力而不同。
图4所示的齿条112具有齿条导承400。该齿条导承400可固定至齿条112的面对所述致动器本体300（如图3所示）的内壁的齿条部分。该齿条导承400可由高强度低摩擦材料制成。所述齿条导承400构造为支撑所述齿条112和/或活塞110的行程路径。
所示位置显示器116为输出轴108位置显示器。该位置显示器116可清楚地向操作人员示出所述输出轴108的位置和所述阀104是否位于所述打开位置或闭合位置。该位置显示器116可以是任何合适的位置显示器。
本发明的优点包括增加了致动器的使用寿命，无论是以正常的开/闭频率（可从Bray International公司获得的手册中所指明的正常的开/闭频率）还是以更慢或更快的频率进行操作。活塞齿条122的齿列的末端114增加了两个或多个额外的齿200。因为在当致动器以很高的循环速度进行工作时，甚至满行程范围时负载也被均匀地分布在两个或多个齿200上，减小了最后一个齿或最后几个齿的故障率。这样的气动致动器的维修和/或替换需求较小，从而增加了该气动致动器的使用寿命和可靠性。在该意义上，已发现在某些应用场合这是个重要的改进。
图5示出了用于使用图1中的致动器的方法的流程图。该流程图开始自方块500，其中，联接至齿条112的活塞在流体压力和/或抽空的作用下朝向或远离输出轴108运动。接下来的流程为方块502，其中，多个联接至齿条112的齿条齿200啮合所述输出轴108上的齿202。接下来的流程为方块504，其中，输出轴108被转动以使阀104在所述打开位置和闭合位置之间并且包括所述打开位置和闭合位置运动。接下来的流程为方块506，其中，在阀104的所有工作位置上，啮合点与所述齿条的末端之间均保持一最小距离。
尽管已参照不同的实现方式和使用方式描述了所述多个实施例，可以明白，所述实施例是示例性的，并且本发明主题的范围并不受限于此。还可以有许多变形、更改、增加和改进。比如，本文所使用的实现方式和技术可运用至管道系统的任何致动器，例如液动致动器等。
对于在本文中作为单个实例描述的部件、步骤和结构，可有复数个实例。通常，在所述示例性构型中呈现为不同部件的结构和功能可以是由组合的结构或一个部件来实施。同样，呈现为单一部件的结构和功能可以由不同的部件来实施。这些以及其它的变形、更改、增加和改进均落入本发明主题的范围内。

Claims (20)

1.一种用于阀组件的致动器，包括：
致动器本体；
被构造为在所述致动器本体内移动的至少一个活塞；
至少部分地位于所述致动器本体内并且被构造成联接至阀的阀杆上的输出轴，其中所述输出轴具有多个从齿轮伸出的齿；
与每一个所述至少一个活塞联接并被构造成与其一起移动的至少一个齿条，所述齿条具有活塞端和末端，其中，所述齿条具有多个被构造成啮合所述输出轴上的多个齿的齿条齿；
其中，所述齿条的末端被构造成保持在超出啮合点的最小距离处，其中，所述啮合点在所有的工作位置均位于所述齿条齿和齿轮齿之间。
2.根据权利要求1所述的致动器，其中所述至少一个齿条有至少一个所述齿条齿始终位于所述末端和啮合点之间。
3.根据权利要求1所述的致动器，其中所述至少一个齿条有至少两个所述齿条齿始终位于所述末端和啮合点之间。
4.根据权利要求1所述的致动器，其中所述至少一个齿条有至少三个所述齿条齿始终位于所述末端和啮合点之间。
5.根据权利要求1所述的致动器，还包括用于引导所述至少一个齿条和所述活塞的齿条导承。
6.根据权利要求1所述的致动器，还包括被构造成偏压每一个所述至少一个活塞的至少一个偏压件。
7.根据权利要求1所述的致动器，其中，所述至少一个齿条还包括相互平行的两个齿条，其中所述两个齿条的每一个的齿条齿在所述输出轴的相对侧上啮合所述输出轴的齿。
8.一种用于控制管道系统中的流量的系统，包括：
阀；
阀杆；
致动器，其包括：
致动器本体；
被构造成在所述致动器本体内移动的至少一个活塞；
至少部分地位于所述致动器本体内并且被构造成联接至所述阀的所述阀杆上的输出轴，其中所述输出轴具有多个从齿轮伸出的齿；
与每一个所述至少一个活塞联接并被构造成与其一起移动的至少一个齿条，所述齿条具有活塞端和末端，其中，所述齿条具有多个被构造成啮合所述输出轴上的多个齿的齿条齿；
其中，所述齿条的末端被构造成保持在超出啮合点的最小距离处，其中，所述啮合点在所有的工作位置均位于所述齿条齿和齿轮齿之间。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述至少一个齿条有至少一个所述齿条齿始终位于所述末端和啮合点之间。
10.根据权利要求8所述的致动器，其中所述至少一个齿条有至少两个所述齿条齿始终位于所述末端和啮合点之间。
11.根据权利要求8所述的致动器，其中所述至少一个齿条有至少三个所述齿条齿始终位于所述末端和啮合点之间。
12.根据权利要求8所述的致动器，其中，所述至少一个齿条还包括相互平行的两个齿条，其中所述两个齿条的每一个的齿条齿在所述输出轴的相对侧上啮合所述输出轴的齿。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述阀为被构造成在所述打开位置和闭合位置之间每小时至少操作一次的高循环阀。
14.用于驱动阀的方法，包括：
利用流体压力使联接至齿条的活塞朝输出轴移动；
使联接至所述齿条的多个齿条齿与所述输出轴上的多个齿啮合；
使所述输出轴转动以驱动所述阀；
在所有的运行位置上使啮合点和所述齿条的末端之间保持一最小距离。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，保持所述最小距离包括使所述齿条齿中的至少一个一直位于所述末端和所述啮合点之间。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，保持所述最小距离包括使所述齿条齿中的至少两个一直位于所述末端和所述啮合点之间。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，保持所述最小距离包括使所述齿条齿中的至少三个一直位于所述末端和所述啮合点之间。
18.根据权利要求14所述的方法，还包括朝所述输出轴偏压所述活塞。
19.根据权利要求14所述的方法，还包括在打开位置和闭合位置之间每小时至少驱动所述阀一次。
20.根据权利要求14所述的方法，还包括在打开位置和闭合位置之间每分钟至少驱动所述阀一次。
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