CN1042763C - 阀驱动用促动器 - Google Patents

Abstract

本发明的阀驱动用促动器在动力缸的工作轴与输出轴之间设置了齿轮减速装置，该齿轮减速装置包括装于动力缸工作轴上的可动齿条、固定于促动器的机架上的固定齿条、夹于可动齿条与固定齿条之间且与可动齿条及固定齿条啮合的齿轮、枢支齿轮且连接输出轴的可动件，采用本发明的阀驱动用促动器，可确保位置控制的稳定性和线性精度，并提高能量转换效率。

Description

阀驱动用促动器

本发明涉及对程序控制用的高温高压调节阀等进行驱动时所用的气动式促动器等。

一般用于专业火力发电厂等的高温高压调节阀等的气动式促动器，由于其阀本体内的控制流体压力在大范围里变动，因此可以要求做到(1)确保位置控制的稳定性、(2)确保线性精度、(3)提高能量转换效率。

另外，可通过以下几点确保位置控制的稳定性，即，(a)针对负载侧的压力变动，促动器的推力充分、(b)针对位置的变位，促动器的推力固定、且各个位置上的输出速度固定、(c)对于促动器输出轴的单位冲程所必需的动力缸的冲程较大。

所谓确保线性精度，是指针对阀开度指令的变化，促动器输出轴的变化成线性。一旦确保了这个线性精度，则可以在阀流量特性相对促动器输出轴的变位而固定的阀中，在作阀校准时立即将针对流量变化的指令变化率确定下来，而无需修正。

作为传统的阀驱动用促动器，有如日本发明专利公开1992-312274号公报、日本实用新型公开1988-37879号公报或专利SU1813960-A1所记载的装置。

日本发明专利公开1992-312274号公报所记载的用动力缸的推力对输出轴作直线驱动的阀驱动用促动器，具有用气压打开阀、用压力弹簧将其关闭、同时在阀全封闭时用杠杆增大驱动力的装置。

日本实用新型公开1988-37879号公报所记载的是利用承受流体压力的隔膜的变位对阀杆直接加以驱动的阀驱动用促动器，具有在阀杆移动过程中使阀体的移动大于隔膜的变位的冲程增加装置。

专利SU1813960-A1所记载的阀装置具有与阀驱动装置相连的，可使阀与阀座在相反方向移动的机构。

然而，日本发明专利公开1992-312274号公报中记载的传统技术具有以下(1)、(2)的问题。

(1)由于是使用压力弹簧的弹簧平衡式的，故促动器在负载侧的推力中还要加上各位置上的弹簧压力，结果，向负载侧输出的实质性有效推力会由于位置的不同而发生很大变化，不能得到固定的输出，缺乏位置控制的稳定性。而且，在有的位置上，促动器的驱动力几乎都耗费在压缩弹簧上，能量转换效率非常差。

(2)由于杠杆是作旋转运动，故由于位置的不同，推力也不相同，而且难以保证位置控制上的线性精度。

另外日本实用新型公开1988-37879号公报中所记载的传统技术是使阀体的冲程增加，当然推力会减少，而且对于促动器输出轴的单位冲程所必需的动力缸的冲程变小，使位置控制的稳定性恶化。

专利SU1813960-A1的装置中的阀是克服弹簧的弹力而作打开动作，并且利用弹簧的弹力作关闭动作。阀座的动作则正相反。故其有效推力会因位置而发生较大变化。因此能量转换效率差，而且定位时的稳定性也不易控制。

本发明的目的即在于，在阀驱动用促动器中确保位置控制的稳定性和线性精度，并提高能量转换效率。

权利要求1所述的本发明是一种用动力缸的推力对输出轴作直线驱动的阀驱动用促动器，在动力缸的工作轴与输出轴之间设置齿轮减速装置，该齿轮减速装置包括安装于动力缸工作轴上的可动齿条、固定于促动器的机架上的固定齿条、夹于可动齿条与固定齿条之间且与该可动齿条及固定齿条啮合的齿轮、枢接齿轮并连接输出轴的可动件。

根据权利要求1所述的本发明，具有下述(1)～(5)的作用。

(1)动力缸的冲程经过减速装置的减速后成为促动器的输出冲程。因而，促动器的输出推力相对负载侧的压力而变得非常大。

(2)减速装置的减速比固定、相对于位置变动的促动器的输出推力固定、各位置上的输出速度变为固定。

(3)动力缸的冲程经过减速装置的减速后成为促动器的输出冲程。因而，对促动器输出轴的单位冲程所必需的动力缸的冲程可以取得较大。

通过上述的(1)～(3)，就可确保位置控制的稳定性。

(4)减速装置的减速比是固定的，把相对于阀开度指令之变化的促动器输出轴的变化作为线性，可确保线性精度。

(5)设动力缸的推力为Ts、促动器的输出推力为Ta，则Ta=Ts×1/R×η(R：减速比、η：传递效率)，且因为是单纯的齿条与齿轮的组合，故传递效率η高达0.9以上，能量转换效率很好。

权利要求2所述的本发明是在权利要求1所述的本发明的基础上，构成所述齿轮减速装置的齿轮包括与可动齿条啮合的第1级齿轮及与该第1级齿轮为同轴一体且与固定齿条啮合的第2级齿轮。

根据权利要求2所述的本发明，具有以下(6)的作用。

(6)齿轮减速装置的可动齿条与固定齿条经过齿轮而连接，故可以确保1/2的减速比。而且由于装于可动齿条与固定齿条之间的齿轮分为2级，可进一步减速，从而可以用较小的空间得到较大的减速比。

另外，在实施本发明时也可以用由可动齿条、固定齿条、及装于可动齿条与固定齿条之间的齿轮所组成的减速装置构成第1减速装置、第2减速装置，并将第1减速装置的输出轴引向第2减速装置的可动齿条，如此形成多级，可进一步确保减速比。

根据权利要求3所述的本发明是在权利要求1或2所述的本发明的基础上，在丧失动力缸的动力源时通过操纵手轮使所述可动齿条向动力缸轴方向移动。

根据权利要求3所述的本发明具有以下(7)的作用。

(7)由于是通过操纵手轮而使可动齿条移动，故可以在动力缸的动力源丧失时立刻复原。

根据权利要求4所述的本发明是在权利要求1或2所述的本发明的基础上，在丧失动力缸的动力源时通过操纵手轮使所述固定齿条向动力缸轴方向移动。

权利要求4所述的本发明具有以下(8)的作用。

(8)由于是通过操纵手轮而使固定齿条移动，故可以在动力缸的动力源丧失时立刻复原。这时，动力缸侧不如保持闭锁状态，并要设立将动力缸的上下室导通的均压阀，而且不需进行其打开操作。

以下是对附图的简单说明。

图1是本发明所涉及的阀驱动用促动器一实施例的纵剖视图。

图2是沿图1的Ⅱ-Ⅱ线的剖视图。

图3是沿图1的Ⅲ-Ⅲ线的剖视图。

图4是沿图1的Ⅳ-Ⅳ线的向视图。

图5是显示调节阀之一例的模式图。

图6是显示位置控制器的模式图。

以下结合附图详细说明本发明的实施例。

图1的促动器10驱动譬如调节阀11。调节阀11如图5所示，包括备有入口流路12和出口流路13及阀室14的壳体15、形成于壳体15之阀室14的阀座16、以及被壳体15支撑且可移动且备有阀体17的阀杆18。

而且，促动器10备有装于调节阀11的壳体15上的机架21，并在该机架21的上部备有气动式动力缸22。动力缸22里有活塞23和工作轴24，后述的位置控制器50用分别施加给活塞23的上室25和下室26的控制气压C1、C2所产生的推力使工作轴24上下移动。S是供给气压。

促动器10备有与调节阀11的阀杆18连接的输出轴27，并在动力缸22的工作轴24与输出轴27之间设有齿轮减速装置30，通过动力缸22的推力对输出轴27进行上下直线驱动。

如图1～图4所示，齿轮减速装置30包括安装于动力缸22的工作轴24上的可动齿条31、固定于促动器10的机架21上的固定齿条32、夹于可动齿条31与固定齿条32之间且与该可动齿条31及固定齿条32啮合的齿轮33和34、枢支齿轮33和34并与输出轴27连接的可动件35。这里，齿轮33和齿轮34为同轴一体，齿轮33构成与可动齿条31啮合的第1级齿轮，齿轮34构成与固定齿条32啮合的第2级齿轮。

另外，在本实施例的齿轮减速装置30里，可动齿条31的左右两面都有齿条齿，在可动齿条31的周围间隔180度的2处设有固定齿条32、32，在可动齿条31与各固定齿条32之间设有齿轮33、34。即，如把可动齿条31看成太阳(中心齿条)、把齿轮33和34看成行星，则该齿轮减速装置30犹如直线运动行星齿轮减速装置。

另外，促动器10把与可动齿条31啮合的副齿轮41枢支于机架21上，并把手轮42固定于突出机架21之外的副齿轮轴41A上。当动力缸22的动力源丧失时，通过施加于手轮42上的旋转操作，可使可动齿条31向动力缸轴方向移动，并可将调节阀11复原。在进行该手轮42的旋转操作之前，通过均压阀43将动力缸22的上室25和下室26导通。

促动器10的位置控制(动力缸22的活塞23的位置控制)通过图6的位置控制器50进行。即，位置控制器50的原理是使2个相反的力保持平衡。促动器10的位置就取决于这些力的大小，并保持该位置。当负载波纹管51产生的向上方起作用的力的力矩与用位置控制弹簧52产生的向下方起作用的力的力矩相等时，位置控制器50便保持平衡。负载波纹管51的力取决于由系统送出的控制信号压力P。位置控制弹簧52的力则取决于活塞23的位置(与阀杆18、输出轴27的位置相同)及定位凸轮53的形状。位置控制器驱动臂54与位置控位器驱动杆55连接，取与活塞23的各位置对应的位置。驱动臂54用齿轮56与定位凸轮53连接。凸轮53使弹簧梁57与凸轮从动件58的部件运动，并给予位置控制弹簧52以强弱的张力。因此，弹簧52的张力取决于活塞53的位置。凸轮53决定活塞位置与弹簧张力的关系，并且可以根据所希望的特性选择控制信号压力P与活塞位置的关系。当负载波纹管51与位置控制弹簧52的力成平衡状态时，平衡梁59将导阀轴杆61保持在平衡位置上，并在各自的入口发生与负载侧平衡所必要的压力差，且将活塞23的位置保持固定。当导阀轴杆61处于中立位置时，轴杆的球部位于导阀入口的中央，故使各个入口发生相等的压力，并给予活塞的两侧以相等的压力。当控制系统使控制信号压力P发生变化并发出对促动器10进行操作的指示时，通过负载波纹管51来增减作用于平衡梁59上的力。于是平衡梁59与导阀轴杆61上下移动，使活塞23一侧的控制压力增加，而使另一侧的压力减少。一旦活塞23由于这个压力差而运动，位置控制弹簧52的张力便与负载波纹管51所产生的力矩相等，导阀轴杆61再次返回平衡位置，活塞23止于指示的新位置。

促动器10按以下步骤动作。

(1)位置控制器50接受来自上位系统的阀开度指令与来自促动器输出轴27的开度反馈信号，并调节动力缸22的上下两室25、26的压力，使现状开度与指令开度一致。

(2)图1显示了活塞23的上限位置(阀开度100％)，如根据来自上位系统的闭方向动作指令(例如开度指令50％等)使上部的压力上升，同时使下部的压力下降，结果就在工作轴24上发生向下方的推力。

(3)因可动齿条31与固定齿条32是经过同轴一体的齿轮33、34而连接的，故工作轴24的向下方的推力的速度被减速至1/2，而且如改变齿轮33和齿轮34的齿数比(本实施例是1.6)还可减速至1/1.6。从而，在与齿轮33、34的载体、即可动件35连接的输出轴27上，共计为1/3.2的减速比，如设促动器10的输出推力为Ta、动力缸22的推力为Ts，便可得到Ta=Ts×3.2×η(传递效率)。这里，因只是单纯的齿条31、32与齿轮33、34间的组合，因此传递效率η高达0.9以上。

(4)一旦输出轴27的开度反馈与开度指令一致，促动器10即成平衡状态，并用位置控制器50调节动力缸22的上下两室25、26的压力，以使负载侧的推力与经过了行星减速装置30的驱动侧的推力平衡。

(5)一旦来自上位系统的开度指令为0％、成为阀全闭指令，则输出轴27进一步下降，这时如在阀11一侧的阀座位置限制下降动作，则位置控制器50内的信号滞后便使动力缸22的上室25的压力上升至基本与供给压力相同，同时，将下室26的压力作大气释放，并在输出轴27发生最大推力。用该最大推力可确保阀11的关闭。

(6)当丧失动力缸22的驱动源的供给压力时，通过打开均压阀43，将动力缸22的上室25与下室通过旁路连通，并操纵手轮42，即可经过与手轮轴(副齿轮轴41A)为一体的副齿轮41，驱动动力缸22的可动轴24，将输出轴27移动至所需的位置。

另外，在实施本发明时，当丧失动力缸22的动力源时，也可以操作手轮，使固定齿条32向动力缸轴方向移动。把固定齿条32保持在促动器机架上所设的滑槽内，同时使固定于手轮轴上的副齿轮与设于固定齿条32背面的齿条齿啮合，即可使该固定齿条32在上述滑槽内移动。

以下，说明本实施例的作用。

(1)动力缸22的冲程被齿轮减速装置30减速而成为促动器10的输出冲程。因而，促动器10的输出推力相对负载侧的压力变动就变得非常大。

(2)齿轮减速装置30的减速比固定，相对于各位置变动的促动器10的输出推力固定，且各位置上的输出速度固定。

(3)动力缸22的冲程被齿轮减速装置30减速而成为促动器10的输出冲程。因而，可将对于促动器输出轴27的单位冲程所必需的动力缸22的冲程取得较大。

通过上述的(1)～(3)，可确保位置控制的稳定性。

(4)齿轮减速装置30的减速比固定，把相对于阀开度指令变化的促动器输出轴27的变化作为线性，可确保线性精度。

(5)把动力缸22的推力设为Ts、促动器10的输出推力设为Ta时，则Ta=Ts×1/R×η(R：减速比、η：传递效率)，且因为是单纯的齿条31、32与齿轮33、34的组合，故η具有0.9以上的高效率，能量转换效率很好。

(6)由于齿轮减速装置30的可动齿条31与固定齿条32经过齿轮33、34而连接，故可确保1/2的基准减速比。进而，把装于可动齿条31与固定齿条32之间的齿轮33、34作为2级，还可进一步减速，从而可在较小的空间获得较大的减速比。

另外，在本实施例中，由于是在中心齿条(可动齿条31)的周围间隔180度的2个位置分别设立同轴一体的齿轮33、34，故各齿轮33、34可实现小型化。还有，可动齿条31与固定齿条32间的齿轮也可在中心齿条(可动齿条31)的周围分设在成90度间隔的4个位置上，也可分设在成60度间隔的6个位置上。

而且，在本实施例中，由于是以可动齿条31为中心，在可动齿条31周围的两侧2个位置(或上述的4个位置、6个位置等)左右对称地设立齿轮33、34及固定齿条32，故作用于促动器10的中心轴周围的力为静态平衡，不会发生弯曲应力。

(7)由于可通过操纵手轮42来移动可动齿条31，故在丧失动力缸22的动力源时，可立即复原。

(8)由于可通过操纵手轮42来移动固定齿条32，故在丧失动力缸22的动力源时，可立即复原。这时，动力缸侧22不如保持锁定状态，要设置将动力缸22的上下室25、26导通的均压阀43，而且不需其打开操作。

以上结合附图详细介绍了本发明的实施例，但本发明的具体构造并不限于以上实施例，凡未脱离本发明之要点的范围内的设计的变更均包含在本发明内。例如，不只限于可动齿条与齿轮、固定齿条在中心齿条(不仅可以以可动齿条为中心齿条，也可以以固定齿条为中心)的两侧成线对称地设置、构成直线行星齿轮减速装置，也可只设置在中心齿条的单侧。

另外，设置在可动齿条与固定齿条间的齿轮也可只是1个。

根据以上所述的本发明，在阀驱动用促动器中，可以确保位置控制的稳定性及线性精度，并提高能量转换效率。

Claims (4)

1．一种阀驱动用促动器，用动力缸的推力对输出轴作直线驱动，在动力缸的工作轴与输出轴之间设置齿轮减速装置，所述齿轮减速装置包括安装于动力缸的工作轴上的可动齿条，其特征在于，所述齿轮减速装置还包括：固定于促动器的机架上的固定齿条、夹于可动齿条与固定齿条之间且与可动齿条及固定齿条啮合的齿轮、枢支齿轮且连接输出轴的可动件。

2．根据权利要求1所述的阀驱动用促动器，其特征在于，构成所述齿轮减速装置的齿轮由与可动齿条啮合的第1级齿轮及与该第1级齿轮为同轴一体且与固定齿条啮合的第2级齿轮构成。

3．根据权利要求1或2所述的阀驱动用促动器，其特征在于，在动力缸的动力源丧失时，可通过操纵手轮使所述可动齿条向动力缸轴方向移动。

4．根据权利要求1或2所述的阀驱动用促动器，其特征在于，在动力缸的动力源丧失时，可通过操纵手轮使所述固定齿条向动力缸轴方向移动。

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