CN103123288A - 载荷测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

用于在具有转动轴(30)的机械控制装置(10)上的轴向载荷测量的装置可用来得出扭矩测量值。机械控制装置(10)可包括用于流体流动控制装置的阀致动器。载荷测量装置可包括可操作地连接到转动轴上并构造成在轴的轴向移动下变形的梁(65a)。传感器(80)可连接在至少一个梁(65a)上，并构造成产生与轴的轴向移动香港的输出信号。梁可在第一端处保持在转动轴的两个轴承(74)，并且在第二端处固定在机械控制装置的壳体(120)上。梁(65a)的第一端可和转动轴一起轴向移动。梁(65a)包括具有一致宽度和厚度的离散区段。

Description

载荷测量方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于载荷测量的方法和装置，并且更特别是，本发明涉及一种在具有转动轴的机械控制装置(例如用于流体流动控制装置的阀致动器)上进行轴向载荷测量。载荷测量可以用来导出扭矩测量。

背景技术

流体流动控制装置包括用于液体和气体的装置。用于流体流动控制装置的阀致动器是公知的，并且可以机械操作。例如，阀致动器可以手动驱动、通过其中轴直接或间接连接到流体操作活塞上的流体压力操作或者通过电液压或电流体装置驱动。传统阀致动器包括电驱动输入轴，输入轴可以相对低的扭矩、相对高的速度转动。输入轴可经由例如蜗轮或螺旋螺纹和螺母的减速齿轮转动相对高扭矩、低速输出轴。

希望的是确定通过输出轴产生的扭矩。例如，在阀完全闭合和座置时，开启阀所需的扭矩可以显著较高。连续检测扭矩可指出阀是否磨损或卡住。扭矩测量中的趋势是可以提前维护。如果扭矩超过预定许可程度，可以设置超越关闭特征。

输入轴上轴向力的测量可用来确定由输出轴传递的扭矩。轴向载荷乘以蜗轮节圆半径是由输出轴传递的扭矩。

用于测量转动轴的端部推力或扭矩的传统装置是公知的，并且包括授予Desch的美国专利No.412168描述的推力-扭矩转换器。推力-扭矩转换器包括具有可动芯体的LVDT(线性可变差动变压器)，可动芯体与轴对准、固定并与其一起转动，并且产生与推力或扭矩相对应的输出信号。但是，为了提供转换器在轴顺时针和逆时针转动过程中操作，Desch的推力-扭矩转换器需要预先设置推力轴承的隔膜。Desch的推力-扭矩转换器不能检测轴向载荷在轴上的任何不对准。

用于指示轴上的载荷的另一传统装置在授予Riester的美国专利No.5503045中描述。蜗轮上增加的载荷造成蜗杆轴向移动以及安装在蜗杆上的薄膜盘的伴随变形。盘的一侧形成周向延伸的环形凹口。盘的中央部分通过位于盘的一侧上的轴向轴承和布置在盘的相对侧上的套筒相对于蜗杆固定而不轴向移动。位于盘的另一侧上的应变(strain)测量带随着蜗杆的移动而产生测量的变化。Riester的装置不提供用于检测载荷在轴上的任何不对准。

因此，有利的是提供一种用于使用输入轴的轴向移动来测量输出轴产生的扭矩以及检测载荷在输入轴上任何不对准的技术。

发明内容

本发明在多个代表性实施例中提供一种可用来确定载荷的载荷测量方法和装置，该载荷包括但不局限于转动轴上的载荷。具有转动轴的机械控制装置(例如用于流体流动控制装置的阀致动器)包括本发明的载荷测量装置。

按照本发明的一个实施例，机械控制装置包括构造成转动的轴、可操作地连接到轴上并构造成在轴的轴向移动时变形的梁以及与至少一个梁连接并构造成产生输出与轴的轴向移动成正比的信号的传感器。梁可在大致其整个长度上具有大致一致的截面。

机械控制装置可另外包括用于将轴的轴向移动传递到梁的轴承。轴承可包括围绕轴布置并接触梁的第一表面的第一环形轴承以及围绕轴布置并接触梁的第二、相对表面的第二环形轴承。另外包含在机械控制装置内的是围绕轴的环形主体，其中梁从轴承朝着环形主体延伸。梁的一部分固定在环形主体上。壳体可固定在环形主体上，并且构造成使得轴相对于壳体轴向运动。

机械控制装置的传感器的输出信号可识别蜗杆的任何不对准。传感器可包括至少一个应变计。机械控制装置的梁可包括金属，并还可包括以围绕轴的辐条形式配置的离散梁的阵列。

按照本发明的另一实施例，用于测量转动轴上的轴向载荷的载荷传感器包括具有保持在两个轴承之间的第一端部的至少一个偏移梁，每个轴承可操作地连接到转动轴上，以便将轴的轴向运动传递到至少一个偏移梁(作为偏移)，以及可操作连接在至少一个偏移梁上并构造成测量至少一个偏移梁的偏移的传感器。

传感器可包括至少一个应变计，并且至少一个偏移梁包括具有大致一致宽度和厚度的离散金属区段。至少一个偏移梁可具有固定在用于载荷传感器的壳体上的第二端部，壳体构造成使得转动轴相对其中相对轴向移动。

载荷传感器可另外包括包围转动轴的环形主体。至少一个偏移梁可包括从轴朝着环形主体向外延伸并围绕轴以辐条形式配置的偏移梁的阵列，其中每个偏移梁的第二部分固定在环形主体上。壳体可固定在环形主体上，轴构造成相对于壳体轴向运动。偏移梁阵列的每个偏移梁包括可操作连接其上的传感器，每个传感器与涉及到蜗杆的任何不对准的输出装置连通。

在另一方面，本发明包括测量传递到阀的扭矩的方法。转动轴包括可操作地连接到转动轴上的两个轴承。该方法包括提供在第一端上布置在两个轴承之间并连接到第二端上的固定壳体的至少一个梁，通过轴转动蜗轮，涡轮可操作地连接到涡轮轮子上并且轴驱动阀，并且将传递到阀的扭矩转换成转动轴的轴向运动。该方法另外包括通过由两个轴承的轴向运动传递到梁的轴的轴向运动偏移至少一个梁，检测至少一个梁的偏移，使用至少一个梁的偏移确定轴上的轴向载荷，并且使用轴上的轴向载荷以及涡轮的半径来确定传递到阀的扭矩。

在本发明的特定实施例中，提供至少一个梁包括提供具有大致一致宽度和厚度的梁，或者作为选择包括提供围绕转动轴以辐条形式配置的梁的阵列。检测至少一个梁的偏移可包括单独检测梁阵列的每个梁的偏移。

结合附图，本领域普通技术人员从以下相信描述中将明白本发明的特征、优点和可选择方法。

附图说明

虽然此说明书以特别指出并清楚要求保护认为是本发明内容的权利要求作为总结，结合附图，本发明的优点可更加容易地从本发明的以下说明得到确定，附图中：

图1A是本发明的机械控制装置和扭矩测量装置的截面图；

图1B是图1A的机械控制装置和扭矩测量装置的透视图；

图2是本发明的扭矩测量装置的板的一个实施例的视图；

图3是本发明的扭矩测量装置的板的另一实施例的视图；

图4是安装在本发明的代表性载荷测量装置内的图3的板的透视图；

图5是本发明的载荷测量装置的另一实施例的透视图；以及

图6是本发明的扭矩测量装置的板的另一实施例的视图。

具体实施方式

虽然以上描述包括许多方面，这不应该认为是限制本发明的范围，而是只提供某些代表性实施例的说明。类似地，可以开发出本发明的其它实施例，而不偏离本发明的精神或范围。来自于不同实施例的特征可结合采用。本发明的范围因此只通过所附权利要求及其等同物限定和限制，而不通过以上描述来限定和限制。由此应该包括这里披露的落入权利要求的含义和范围内的对于本发明的所有增加、删除和调整。

图1A表示机械控制装置10的实施例的截面图，机械控制装置包括本发明的扭矩测量装置20。机械控制装置10可包括阀致动器，并且可通过例如手动、马达或流体压力来操作。机械控制装置10包括驱动连接到蜗轮40上的蜗杆30的转子150。蜗轮40驱动并可操作地连接到输出轴45上。在蜗杆30转动以便驱动蜗轮40时，驱动蜗轮40和输出轴45所需的力可造成蜗杆30相对于机械控制装置10的壳体120轴向运动。该轴向运动可以通过板60记录。板的一部分固定在壳体120上，防止其轴向运动。板60的另一部分随着通过球轴承74、76传递的蜗杆的轴向移动来偏移。

板60的偏移可在其中造成显著的应变，继而使用传感器80来测量(见图2)。传感器80可具有转换成蜗杆30上的轴向载荷的输出。轴向载荷在与蜗轮节圆半径相乘时是通过蜗轮40传递到输出轴45的扭矩。根据蜗杆30转动以及输出轴45的随后转动的方向，蜗杆30的轴向运动可在任何方向上出现。输出装置170可设置成显示例如板60的应变、蜗杆30的轴向载荷和/或输出轴45上的扭矩的信息。

图1A所示的蜗杆30在通过实例可包括球轴承的轴承70、74和76上的套筒90内转动。透视图在图1B中表示。驱动蜗轮40继而驱动输出轴45，将轴向载荷施加在蜗杆30上。轴向载荷迫使蜗杆30轴向移动。蜗杆30可在如箭头1和2所示的两个相反的轴向方向上移动，并且板60可朝着两个不同的位置偏移。在转动过程中，蜗杆30可移动到左侧，如箭头1所示。轴向载荷可经由转子150传递到板60上。连接元件140将蜗杆30固定在转子150上。连接元件140可包括例如螺栓或螺钉。蜗杆30在连接元件140上拉动。连接元件140造成转子150和蜗杆30一起轴向移动，并且转子150压靠轴承76。轴承76在板60上推动，造成板朝着第一柔曲位置偏移。轴承76的内圈76a与蜗杆30平齐并与其一起转动。轴承76的外圈76b在板60上接触并推动。板60不转动，这是由于板60的外周边通过连接元件130固定在壳体120上。传感器80可确定板60上的应变，以便确定蜗杆30上的轴向载荷。

作为选择，蜗杆可在相反方向上转动，在相反方向上转动输出轴45。蜗杆因此在箭头2的方向上被轴向加载到右侧。蜗杆30移动到右侧，并且蜗杆30的肩部100可压靠轴承70。肩部100在具有较小直径的蜗杆30的部分和具有较大直径的蜗杆30的部分的结合部处包括蜗杆30的径向表面。轴承70压靠套筒90，造成与蜗杆30和套筒90的轴向移动匹配。套筒90和轴承74因此经受与蜗杆30大致相同的轴向移动，迫使轴承74贴靠板60，并且造成板朝着第二柔曲位置偏移。轴承74的内圈74a与蜗杆30平齐并与其一起转动。轴承74的外圈74b接触套筒90和板60，将轴向载荷传递其上。根据蜗杆30的螺旋的方向以及与阀致动器连通的阀的构造，板60的第一柔曲位置可与经由机械控制装置10施加在阀(未示出)的闭合力相对应，并且第二柔曲位置可与施加在阀上的开启力相对应，或者反过来。

套筒90如所示不与蜗杆30一起转动。但是，应该理解到结合蜗杆30转动的套筒也在本发明的范围内。另外，在本发明的范围内的是包括在转子150和轴承76之间围绕蜗杆30的第二套筒。因此，在箭头1的方向上受到施加的载荷时，套筒(不是转子)可将轴向载荷从蜗杆30传递到板60。

轴向轴承可定位在转子150和操作机械控制装置10的转子之间，机械控制装置例如是马达，使得转子相对于操作装置轴向运动。因此，操作装置上的任何外侧轴向力还可通过轴向轴承吸收，并且不影响轴向载荷的测量。

图2表示按照本发明特定实施例的板60a。板60a是大致平的，包括环形主体62a和四个离散的向内伸出0梁65a的阵列。每个梁65a可具有矩形截面，相对于每个相邻梁65a以直角布置。环形主体62a和向内伸出梁65a可以是连续的，由例如金属盘的单件材料形成。例如，板60a可以通过冲压、锻压或激光切割来形成。作为选择，梁65a可例如通过粘合剂或连接元件连接在环形主体65a上。梁65a可由与环形主体62a相同的材料形成，或者可以由不同材料形成。通过实例，用于环形主体62a和梁65a的适当材料包括例如铜、铝、钢、不锈钢的金属或聚合物。向内伸出梁65a可以被拆卸和更换。

向内伸出梁65a提供用于蜗杆30(图2未示出)延伸穿过其中的通道110。向内伸出梁65a可以辐条形成配置在环形主体62a的中央开口内。但是，梁65a不需要在环形主体62a的中央开口的中心处结合。而是，该中心可包括开放的通道110。梁65a的远离环形主体62a的端部在通过轴承74、76传递的蜗杆30的轴向移动的载荷下自由移动，(见图1A)。每个梁65a可沿着梁65a的长度具有大致一致的厚度t和宽度w。

图2表示(通过阴影)在环形主体62a和板60a的每个梁65a的偏移下的应变。深色阴影部分表示在最大应变下的部分，并且较浅阴影区域表示在较小应变下的部分。板60a表示成具有穿过环形主体62a的四个开口50，使得板60a固定在机械控制装置10的壳体120上(见图1A)。例如螺栓、销或螺钉的连接元件130可用来固定板60a。板60a可通过连接元件之外的方法固定，例如通过铜焊或焊接。

在使用过程中，马达可转动蜗杆30，蜗杆转动输出轴45。造成输出轴45转动的力造成蜗杆30的轴向运动。蜗杆30上的套筒90同样轴向运动，将轴承74推靠阵列的每个梁65a。每个梁65a柔曲，其中梁65a接触轴承的部分通过轴的轴向运动移动。因此，每个梁65a偏移或柔曲，造成其中的应变。每个梁65a内的应变可使用传感器80来测量。每个梁65a可包括传感器80，或者作为选择，只有一个梁65a可包括传感器80。

包括位于梁阵列的多个梁65a上的传感器80可以单独测量多个梁65a的每个梁的应力和/或应变。梁65a的阵列的每个梁65a是离散的，并且阵列可围绕蜗杆30。每个梁65a可在围绕蜗杆30周边的分开位置处经受蜗杆30的轴向移动。因此，如果蜗杆30弯曲，或者假设轴向载荷的任何其它不对准，每个梁65a的传感器80可检测不同的测量。比较测量值进一步可以确定轴向载荷在蜗杆30上的任何不对准。传感器可以构造成消除任何不对准，并且提供与结合任何不对准的读数相对应的信号。作为选择，可以提供分开信号，以便对不对准报警。

图3表示按照本发明的板60b的另一实施例。板60b包括具有四个离散的向内伸出梁65b的大致平面的环形主体62b。每个梁65b可具有大致矩形的截面，并且可相对于相邻梁65b以直角布置。环形主体62b和向内伸出梁65b的结合部处的拐角66b被斜切。斜切可在拐角66b处减小板60b上的应力。向内伸出梁提供用于蜗杆30(图3未示出)延伸穿过其中的通道110。板60b通过阴影表示环形主体62b和每个梁65b偏移下的应变。深色阴影部分表示在最大应变下的部分，并且浅色阴影部分表示在较小应变下的部分。板60b表示成具有四个开口50，使得板60b固定在机械控制装置10的壳体120上(见图1A)。例如螺栓或螺钉的连接元件130可用来固定板60b。

图4是安装在本发明的载荷测量装置20b内的图3的板的透视图。转子150从板60b的中心伸出。蜗杆30的一部分被包围在转子150内并且通过连接元件140固定其上。轴承76围绕蜗杆30。转子的远端邻靠轴承，在箭头1的方向上将任何轴向载荷传递其上(见图1A)。轴承的外圈76b接触远离环形主体65b的第一部分上的每个梁65b的表面。每个梁65b可包括固定在环形主体62b上的第二部分，由于环形主体62b固定在壳体120上，该部分不进行移动。梁65b的第一部分和轴承76一起移动，而梁65b的第二部分固定在固定环形主体62b上。因此，梁65b偏移或柔曲，使得梁在应变之下。应变可通过例如应变计的传感器80测量。

图5是按照本发明特定实施例的载荷测量装置20c的透视图。板60c包括布置成以隔开形式布置的三个离散梁65c的阵列，每个梁65c从蜗30向外延伸。虽然当前实施例表示成具有三个梁65c，应该理解到可以使用任何数量的梁65c。每个离散梁可通过连接元件160固定在壳体120上。每个梁65c可具有安装其上的传感器80，或者作为选择，只有一个或两个梁65c可包括传感器80。传感器80可包括布置在梁65c上的多个位置上的多个传感器。在一个实施例中，传感器80可位于最大应变区域内。梁65c不接触蜗杆30，但是，任何施加在蜗杆30上的轴向载荷可经由轴承74传递到梁65c上。梁65c不完全包围蜗杆30，而是每个梁65c隔开。

梁65c不需要固定在环形主体上，例如图3、4、和5所示的梁65a和65b。梁65c可各自包括细长主体，具有大致一致的截面。每个梁65c的第一部分可以在通过轴承74传递的轴向载荷下和蜗杆30一起轴向移动。每个梁65c的位于纵向离开第一部分的相对端处的第二部分可通过连接元件160固定在壳体120上。蜗杆30可在轴向载荷下相对于壳体120轴向移动。每个梁65c的第一部分可通过蜗杆30相对于壳体120移动。每个梁65c的第二部分可固定在壳体上，并且防止移动。因此，每个梁65c可偏移，其中造成应变。应变可通过传感器80测量。

板60可包括任何数量的梁65。例如图4所示的板60b包括四个梁65b的阵列，并且图5所示的板60c包括三个梁65c的阵列。另外，只具有单个梁的板也在本发明的范围内。

测量机械控制装置的内部部件的直接反作用力(例如蜗杆30上的轴向载荷)是确定机械控制装置传递到输出轴的扭矩的准确方法。这种测量独立于齿轮效率、齿轮速度、马达扭矩以及马达施加的线功率。本发明的载荷测量装置20、20b、20c的梁65a、65b、65c可形成为使得通过蜗杆30上的轴向载荷产生的偏移形成足够的应变，以便通过传感器80获得电信号，但是不足以造成梁65a、65b、65c的永久应变或偏移。通过蜗杆30驱动的蜗轮40可以是壳体式，或者可以集成在蜗杆30上。

图6表示按照本发明特定实施例的板60d。板60d是环形的，具有用于蜗杆30(图6未示出)延伸穿过其中的通道110d。环形板60d可以是连续的，由例如金属盘的单件材料形成。例如，板60d可以通过冲压、锻压或者激光切割来形成。通过实例，用于板60d的适当材料包括例如铜、铝、钢、不锈钢的金属或聚合物。板60d可包括穿过其中的开口50，使得板60d固定在机械控制装置10的壳体120(见图1A)上。传感器80可靠近开口80定位在板60d上的最大应变区域内。

虽然以上描述包括许多详细说明，不应该限制本发明的范围，而是只提供某些代表性实施例。类似地，可以设想本发明的其它实施例，而不偏离本发明的精神和范围。本发明的范围因此只通过所附权利要求及其法律上的等同物明确和限定，而不通过以上描述来明确和限定。本发明包括这里披露的落入权利要求的含义和范围内的对于本发明的所有增加、删除和调整。

Claims (11)

1.一种测量轴向载荷的方法，包括：

提供转动轴；

提供在第一端上布置在两个轴承之间并在第二端上联接到固定壳体上的至少一个偏移梁，每个轴承可操作地连接到转动轴；

使得轴转动；

将轴的轴向运动转变成至少一个偏移梁的偏移；

提供传感器，其可操作地连接到至少一个偏移梁；

测量至少一个偏移梁的偏移；并且

使用至少一个梁的偏移，确定轴上的轴向载荷。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，提供至少一个偏移梁包括提供具有基本上一致宽度和厚度的梁。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，提供至少一个偏移梁包括提供围绕转动轴以辐条形式配置的梁的阵列。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，感测至少一个偏移梁的偏移包括单独测量梁的阵列的每个梁的偏移。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，传感器包括至少一个应变计。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一个偏移梁包括具有基本上一致的宽度和厚度的离散区段。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一个偏移梁包括金属。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一个偏移梁包括固定在用于载荷传感器的壳体上的第二端部，壳体构造成能使得转动轴相对于其而进行相对轴向移动。

9.一种测量轴向载荷的方法，包括：

提供轴，其构造成用于进行转动；

提供环形板，其可操作地连接到轴上、并构造成在轴的轴向移动下偏移；

使得轴转动；

提供传感器，其可操作地连接到环形板；

测量环形板的移动；以及

使用环形板的移动，确定轴上的轴向载荷。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，提供穿过环形板的中央通道，以及穿过环形板的至少一个周向定位的开口。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，传感器在中央通道和至少一个周向定位开口之间而径向定位在环形板上。

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