CN104100755B - 一种水下闸阀执行机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下闸阀执行机构，它包括一机壳；一主动驱动系统，其包括一伺服电机、一减速器、一超越离合器、一电磁离合器和一齿轮轴；一冗余驱动系统，其包括另一伺服电机、另一减速器、另一超越离合器、另一电磁离合器和另一齿轮轴；一旋转移动转换系统，其包括两小齿轮、一大齿轮、一丝杠轴、一螺母、一勾筒、一连接头和一弹簧；以及一水下机器人操作系统，其包括一筒状支架、一梯形螺杆、一梯形螺母、一水下机器人接头、一水下机器人接口、一推压板和多个推拉杆。本发明实现了全电控制，保证了在深水环境下运行时具有更高的安全性，并且具备紧急回复功能、冗余驱动设计、闸阀开关状态显示、内外压力平衡和水下机器人故障操作等功能，具有较大的应用价值。

Description

一种水下闸阀执行机构

技术领域

本发明涉及一种闸阀执行机构，特别是关于一种结构紧凑、安全性高的水下闸阀执行机构。

背景技术

海底环境是世界上最严厉、腐蚀性最强的环境之一，所以在设计水下设备时，必须按照制定的标准，考虑设备的可用性、故障安全性，设备的水下监控和压力保护等问题。通常水下设备，由冗余设计来保证其可用性，由紧急回复功能来保证安全性，由水下机器人(ROV)来实施最后的故障操作。

目前，在水下生产系统中，采用最典型的是电液复合控制。随着水深增加，压力增高，对水下生产系统中蓄能器和脐带缆等器件的要求将会更高，以保证必要的响应时间和安全运行系数；加之环保法规严格要求零排放，因此水下生产系统电液控制的建造面临挑战。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构紧凑、安全性高且适用于全电控制的水下闸阀执行机构。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种水下闸阀执行机构，其特征在于，它包括：一机壳，所述机壳靠近中部的位置间隔设置有两隔板，两所述隔板将所述机壳内空间分隔成上腔体、中间层和下腔体；一主动驱动系统，所述主动驱动系统包括一沿所述机壳纵向布置在所述上腔体内的伺服电机，所述伺服电机的输出端连接一减速器，所述减速器的输出端依次通过一超越离合器、一电磁离合器连接一齿轮轴；一冗余驱动系统，所述冗余驱动系统包括沿所述机壳纵向布置在所述上腔体内的另一伺服电机，所述另一伺服电机的输出端连接另一减速器，所述另一减速器的输出端依次通过另一超越离合器、另一电磁离合器连接另一齿轮轴；所述冗余驱动系统与所述主动驱动系统对称分布在所述机壳中轴线的两侧；所述齿轮轴和所述另一齿轮轴均贯穿位于上部的所述隔板且转动连接在两所述隔板之间；一旋转移动转换系统，所述旋转移动转换系统包括两分别紧固连接在所述齿轮轴和所述另一齿轮轴上的小齿轮，在两所述小齿轮之间啮合一大齿轮，所述大齿轮转动连接支持在两所述隔板之间且与所述机壳同轴；所述大齿轮的输出端紧固连接一丝杠轴，所述丝杠轴上螺纹连接一螺母，所述螺母外壁紧固套接一勾筒，所述勾筒呈一上端带有一端板的T形筒结构，所述勾筒的下端紧固连接一连接头，所述连接头穿出所述机壳底部的中心；所述勾筒的外部套置有一弹簧，所述弹簧的上端抵在所述勾筒的所述端板的底面，下端抵在所述机壳的底部内侧；以及一水下机器人操作系统，所述水下机器人操作系统包括一同轴设置在所述机壳上腔体内的筒状支架，所述筒状支架的上端紧固连接所述机壳的顶部；在所述筒状支架内设置有一梯形螺杆和一与所述梯形螺杆螺纹连接的梯形螺母，所述梯形螺母为正六边形螺母，其与所述筒状支架的六边形内部配合；所述梯形螺杆的上端紧固连接一水下机器人接头，所述水下机器人接头穿出所述机壳顶部的中心且与所述机壳转动连接；在所述机壳顶部还设置有一包围所述水下机器人接头的水下机器人接口；在所述筒状支架的下端连接一推压板，所述推压板为一筒体和一平板的结合体，所述筒体伸入所述筒状支架内且顶在所述梯形螺母的下端，所述平板位于所述筒体的下端，在所述平板的底部紧固连接多个沿所述机壳纵向布置的推拉杆，各所述推拉杆穿过两所述隔板后紧固连接在所述勾筒端板的顶部。

在所述隔板与推压板之间设置一电位行程开关，所述电位行程开关的一端连接所述隔板，另一端通过一小推拉杆连接所述推压板。

在所述机壳的所述上腔体内还设置有一筒状的密封承压腔，所述密封承压腔内设置有一控制器，所述伺服电机、所述另一伺服电机、所述电磁离合器、所述另一电磁离合器和所述电位行程开关分别电连接所述控制器。

还包括一紧固连接在所述机壳上腔体内的位置指示装置，所述位置指示装置沿所述机壳纵向布置且其移动端连接所述推压板。

还包括一活塞式压力补偿器，所述活塞式压力补偿器的上部腔与海水相通，下部腔与所述机壳内部相通，所述机壳内部充满油液。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明以伺服电机作为动力源来驱动水下闸阀的打开与关闭，实现全电控制，保证了在深水环境下运行时具有更高的安全性。2、本发明在勾筒外部设置有一弹簧，使得本发明所述执行机构具备了故障安全关闭的功能，在运行过程中如若发生故障，启用紧急回复功能以保证生产和设备的安全。3、本发明设置有一套主驱动系统和一套冗余驱动系统，如果主驱动系统发生故障可随时启用冗余驱动系统，保证了整个执行机构的可用性。4、本发明设置有水下机器人操作系统，其通过水下机器人接口和水下机器人接头直接与水下机器人连接，当主驱动系统和冗余驱动系统或者控制器不能正常工作时，可以由水下机器人来实施最后的故障操作，进一步提高了整个执行机构的可用性。5、本发明设置有一移动端连接推压板的位置指示装置，可实时显示闸阀的开关状态。6、本发明设置一压力补偿器，能够平衡执行机构内外压力，避免高压海水对执行机构的压差作用和不必要的承压设计。7、本发明采用模块化设计，整体布局合理、结构紧凑。

附图说明

图1是本发明俯视结构示意图；

图2是本发明图1的A-A向剖视示意图；

图3是本发明图1的B-B向剖视示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1～3所示，本发明包括一机壳10、一主驱动系统20、一冗余驱动系统30、一旋转移动转换系统40和一水下机器人操作系统50。

机壳10靠近中部的位置间隔设置有两隔板11、12，两隔板11、12将机壳10内空间分隔成上腔体、中间层和下腔体。

如图2所示，主动驱动系统20包括一沿机壳10纵向布置在上腔体内的伺服电机21，伺服电机21的输出端连接一减速器22，减速器22的输出端依次通过一超越离合器23、一电磁离合器24连接一齿轮轴25。

冗余驱动系统30包括沿机壳10纵向布置在上腔体内的另一伺服电机31，另一伺服电机31的输出端连接另一减速器32，另一减速器32的输出端依次通过另一超越离合器33、另一电磁离合器34连接另一齿轮轴35。冗余驱动系统30与主动驱动系统20对称分布在机壳10中轴线的两侧；齿轮轴25和另一齿轮轴35均贯穿隔板11且转动连接在两隔板11、12之间。

旋转移动转换系统40包括两分别紧固连接在齿轮轴25和另一齿轮轴35上的小齿轮41、42，两小齿轮41、42之间啮合一大齿轮43，大齿轮43转动连接支持在两隔板11、12之间且与机壳10同轴。大齿轮43的输出端紧固连接一丝杠轴44，丝杠轴44上螺纹连接一螺母45，螺母45外壁紧固套接一勾筒46，勾筒46呈一上端带有一端板的T形筒结构，勾筒46的下端紧固连接一连接头47，连接头47穿出机壳10底部的中心。勾筒46的外部套置有一弹簧48，弹簧48的上端抵在勾筒46的端板底面，下端抵在机壳10的底部内侧。

水下机器人操作系统50包括一同轴设置在机壳10上腔体内的筒状支架51，筒状支架51的上端紧固连接机壳10的顶部。在筒状支架51内设置有一梯形螺杆52和一与梯形螺杆52螺纹连接的梯形螺母53，其中梯形螺母53为正六边形螺母，其与筒状支架51的六边形内部配合，以使梯形螺母53只能在筒状支架51内移动而不能转动。梯形螺杆52的上端紧固连接一水下机器人接头54，水下机器人接头54穿出机壳10顶部的中心且与机壳10转动连接。在机壳10顶部还设置有一包围水下机器人接头的水下机器人接口55。在筒状支架51的下端连接一推压板56，推压板56为一筒体和一平板的结合体，其筒体伸入筒状支架51内并顶在梯形螺母53的下端，其平板位于筒体的下端，在平板的底部紧固连接多个沿机壳10纵向布置的推拉杆57，各推拉杆57穿过两隔板11、12后紧固连接在勾筒46端板的顶部。

在一个优选的实施例中，在隔板11与推压板56之间设置一电位行程开关61，电位行程开关61的一端连接隔板11，另一端通过一小推拉杆62连接推压板56。

在一个优选的实施例中，在机壳10的上腔体内还设置有一筒状的密封承压腔60，密封承压腔60内设置有一控制器63(图中未示出)。伺服电机21、另一伺服电机31、电磁离合器24、另一电磁离合器34和电位行程开关61分别电连接控制器63。

在一个优选的实施例中，还包括一紧固连接在机壳10上腔体内的位置指示装置70，位置指示装置70的结构参考公开号为CN203463776U的中国专利“一种用于深水闸板阀液压执行机构的可视化位置指示器”，位置指示装置70沿机壳10纵向布置且其移动端连接推压板56。

在一个优选的实施例中，还包括一压力补偿器80，压力补偿器80可采用现有技术中的活塞式压力补偿器，活塞将其分为两个独立的腔室，上部腔与海水直接相通，下部腔与机壳10内部相通，机壳10部充满油液，以此保证执行机构的内部压力与外部海水压力随时实现动平衡。

本发明的使用方法及工作过程如下：

(一)正常开、关闸阀过程

(1)图2为闸阀完全关闭时，本发明的初始状态。需要打开闸阀时，控制器63先控制电磁离合器24上电接合，然后再控制伺服电机21正转，伺服电机21通过减速器22带动超越离合器23、电磁离合器24、齿轮轴25一同正转，进而促使大齿轮43带动丝杠轴44旋转，螺母45则带动勾筒46和连接头47往下移动，最终连接头47带动闸阀的拉杆下移，实现开启闸阀的过程。

(2)在打开闸阀的过程中，弹簧48不断被勾筒46的端板压缩，且勾筒46带着推拉杆57、推压板56以及小推拉杆62向下移动，连接在推压板56上的能够将位移转换成旋转的位置指示装置70能够实时显示闸阀的开关状态，同时连接在小推拉杆62和隔板11之间的电位行程开关61也被拉动，实时向控制器63反馈其移动情况。

(3)当电位行程开关61移动了既定行程(闸阀完全开启时)，控制器63控制伺服电机21停转。此时，电磁离合器24一直处于上电接合状态；由于超越离合器23的设置，传动系统不会因为弹簧48回复力作用而反转，开阀状态得以保持。

正常关阀过程，与正常开阀过程相反，即需控制伺服电机21反转即可。

(二)故障时紧急回复过程

当本发明所述执行机构发生故障时，必须紧急关闭闸阀以保证生产和设备安全。如若此时电磁离合器24处于上电结合状态需要先断开电磁离合器24的电源，然后处于压缩状态的弹簧48会驱动勾筒46、螺母45、连接头47向上移动，从而实现紧急关阀。在这个过程中，螺母45反向驱动丝杠轴44、大齿轮43、齿轮轴25反向空转，位置指示装置70和压力平衡装置80依然正常工作。

(三)切换冗余驱动系统过程

先断开主动驱动系统20中的电磁离合器24，然后让冗余驱动系统30的电磁离合器34上电接合，并控制另一伺服电机31正、反转，即可实现闸阀的开和关。

(四)水下机器人操作过程

如图3所示，当主驱动系统20和冗余驱动系统30或者控制器63不能正常工作时，需要水下机器人来实施最后的故障操作：

(1)当需要开阀时，水下机器人转动水下机器人接头54，驱动梯形螺杆52正转，从而带动梯形螺母53、推压板56、推拉杆57、勾筒46、连接头47下移，实现开阀。同样，在这个过程中，弹簧48逐渐被压缩，且推压板56带动位置指示装置70实时显示闸阀开闭状况；开启完成，卸掉水下机器人作用力后，因为梯形螺母53和梯形螺杆52间的自锁作用，梯形螺母53不会在弹簧48回复力作用下反向移动，开阀状态得以保持。

(2)当需要关阀时，水下机器人反向转动水下机器人接头54，驱动梯形螺杆52反转，从而带动梯形螺母53上移，同时弹簧48形变回复力驱动勾筒46上移，带动连接头47、螺母45、推拉杆57、推压板56、小推拉杆62上移，实现开阀过程。在这个过程中，电磁离合器24失电脱离，丝杠轴44、大齿轮43、齿轮轴25空转；推压板56带动位置指示装置70实时显示闸阀开闭状况。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种水下闸阀执行机构，其特征在于，它包括：

一机壳，所述机壳靠近中部的位置间隔设置有两隔板，两所述隔板将所述机壳内空间分隔成上腔体、中间层和下腔体；

一主动驱动系统，所述主动驱动系统包括一沿所述机壳纵向布置在所述上腔体内的伺服电机，所述伺服电机的输出端连接一减速器，所述减速器的输出端依次通过一超越离合器、一电磁离合器连接一齿轮轴；

一冗余驱动系统，所述冗余驱动系统包括沿所述机壳纵向布置在所述上腔体内的另一伺服电机，所述另一伺服电机的输出端连接另一减速器，所述另一减速器的输出端依次通过另一超越离合器、另一电磁离合器连接另一齿轮轴；所述冗余驱动系统与所述主动驱动系统对称分布在所述机壳中轴线的两侧；所述齿轮轴和所述另一齿轮轴均贯穿位于上部的所述隔板且转动连接在两所述隔板之间；

一旋转移动转换系统，所述旋转移动转换系统包括两分别紧固连接在所述齿轮轴和所述另一齿轮轴上的小齿轮，在两所述小齿轮之间啮合一大齿轮，所述大齿轮转动连接支持在两所述隔板之间且与所述机壳同轴；所述大齿轮的输出端紧固连接一丝杠轴，所述丝杠轴上螺纹连接一螺母，所述螺母外壁紧固套接一勾筒，所述勾筒呈一上端带有一端板的T形筒结构，所述勾筒的下端紧固连接一连接头，所述连接头穿出所述机壳底部的中心；所述勾筒的外部套置有一弹簧，所述弹簧的上端抵在所述勾筒的所述端板的底面，下端抵在所述机壳的底部内侧；以及

一水下机器人操作系统，所述水下机器人操作系统包括一同轴设置在所述机壳上腔体内的筒状支架，所述筒状支架的上端紧固连接所述机壳的顶部；在所述筒状支架内设置有一梯形螺杆和一与所述梯形螺杆螺纹连接的梯形螺母，所述梯形螺母为正六边形螺母，其与所述筒状支架的六边形内部配合；所述梯形螺杆的上端紧固连接一水下机器人接头，所述水下机器人接头穿出所述机壳顶部的中心且与所述机壳转动连接；在所述机壳顶部还设置有一包围所述水下机器人接头的水下机器人接口；在所述筒状支架的下端连接一推压板，所述推压板为一筒体和一平板的结合体，所述筒体伸入所述筒状支架内且顶在所述梯形螺母的下端，所述平板位于所述筒体的下端，在所述平板的底部紧固连接多个沿所述机壳纵向布置的推拉杆，各所述推拉杆穿过两所述隔板后紧固连接在所述勾筒端板的顶部。

2.如权利要求1所述的一种水下闸阀执行机构，其特征在于，在所述隔板与推压板之间设置一电位行程开关，所述电位行程开关的一端连接所述隔板，另一端通过一小推拉杆连接所述推压板。

3.如权利要求2所述的一种水下闸阀执行机构，其特征在于，在所述机壳的所述上腔体内还设置有一筒状的密封承压腔，所述密封承压腔内设置有一控制器，所述伺服电机、所述另一伺服电机、所述电磁离合器、所述另一电磁离合器和所述电位行程开关分别电连接所述控制器。

4.如权利要求1或2或3所述的一种水下闸阀执行机构，其特征在于，还包括一紧固连接在所述机壳上腔体内的位置指示装置，所述位置指示装置沿所述机壳纵向布置且其移动端连接所述推压板。

5.如权利要求1或2或3所述的一种水下闸阀执行机构，其特征在于，还包括一活塞式压力补偿器，所述活塞式压力补偿器的上部腔与海水相通，下部腔与所述机壳内部相通，所述机壳内部充满油液。