CN104455667B - 双旋楔调速变距气动阀门执行器 - Google Patents

Abstract

一种双旋楔调速变距气动阀门执行器，包括壳体及设置在壳体中的主轴、活塞，主轴位于壳体中部，活塞安装在主轴外围，活塞通过气源压力实现在壳体内的轴向上下移动，活塞外壁设有两个过中线的外旋楔槽，活塞内壁设有两个过中线的内旋楔槽，外旋楔槽与内旋楔槽的旋向相反，外旋楔槽与固定于壳体的外销及外销套配合组成一级传动，活塞上下运动的同时作顺时针或逆时针旋转运动，内旋楔槽与固定于主轴的内销及内销套配合组成二级传动，主轴相对于活塞作顺时针或逆时针旋转运动，主轴的输出角度等于上述两级运动转角之和。本发明可大幅提高气动阀门执行器输出功率的利用率，且在开始和结尾阶段可自动缓冲且缓冲速度可调，结构简单紧凑、故障小，寿命长。

Description

双旋楔调速变距气动阀门执行器

技术领域

本发明涉及工业自动化中的气动执行机构技术领域，具体是一种双旋楔调速变距气动阀门执行器。

背景技术

通常情况下，90°角行程气动阀门在选择其气动装置时，应符合以下几条：

①输出的转矩值不能过大或过小，过小阀门无法启闭，而过大的输出转矩余量，不但浪费能源，也使气动装置体积增大，不必要增加工程成本，而且对阀门及管道造成冲击，极易造成管道事故，所以理想的气动装置，其转矩特性应与所匝配的阀门的转矩特性基本一致才最为合理。

②一般情况下阀门由“开—运行—关”或“关—运行—开”的速度应为“慢—快—慢”且高低速的转换应平稳过渡(这一点与双速电动装置类似)，这是为了避免冲击，便于运行平稳。

③由于阀门气驱动装置采用气源的工作压力较低(一般为4—5bar，最大不超过7bar)因此，大都结构尺寸庞大，而输出推力却很小，在这种情况下如何使气动装置的内部空间利用率发挥到最大，效率最高,输出功率的利用率最大，不仅关系到阀门与气动装置配套后协调美观，还能使整个气动阀门最大限度地减少了因重力而对管道产生的应力，并提高能源的利用率。

④因气源压力较低，事实证明，阀门气动装置因强度刚度而出故障的可能性极小，角行程气缸不同于直行程气缸，承受较大的侧向力是不可避免的，现有的大多数阀门气动装置失效，都是因为活塞的导向不合理，密封圈的反复单边挤压的作用，从而失效，如何提高活塞的导向精变应是以后气动装置设计的主要课题之一。

⑤随着工业自动化的不断发展，对气动阀门的要求也原来越高，情况也越来越复杂，口径相同的阀门，结构设计不同，制造工艺不一，其转矩输出特性也各不相同，阀门启闭速度的要求也有千差万别，例如硬密封球阀，在开关瞬间要求快速通过，大口径蝶阀要求缓慢关闭，有的工况要有紧急切断功能等，气动阀门装置，满足上述个性化要求也是以后设计的主要方向之一。

应该说，一种气动装置全部满足上述要求是非常困难的，目前90°(特殊情况45°、120°、180°)部分回转阀门主要气动装置的构成如图20所示。其中摆动式回转缸和“气缸+机械回转装置”已很少使用，前者因为长期无法有效解决定子和转子之间的密封，后者则是由于机构过于庞大，因此当前应用于球阀，蝶阀等部分回转阀门的气动驱动装置，主要是齿轮齿条式和拨叉式气动执行器，它们的结构见图1、2，输出的转矩特性曲线参见图3和图5，球阀和蝶阀的转矩特性曲线分别参见图4和图6，由图示可见现有的齿轮齿条式和拨叉式气动执行器配合球阀和蝶阀使用时其转矩特性与所配阀门并不一致，这样导致齿轮齿条式和拨叉式气动执行器的输出功率的利用率低，通常不足50％；当阀门用作流量调节时,由于输出转矩与阀门转矩不是线性关系，导致多余的转矩余量对阀门产生较大”前冲”，因此定位精度低，；同时，现有气动执行器还存在结构尺寸庞大、内部空间利用率较低、活塞的导向不合理,运行不平稳，阀门的启闭受到很大冲击等问题。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供一种双旋楔调速变距气动阀门执行器，可以大幅提高气动阀门执行器的输出功率的利用率，而且在开始和结尾两个阶段可自动缓冲且缓冲速度可调，结构简单紧凑、故障小，寿命长。

一种双旋楔调速变距气动阀门执行器，包括壳体及设置在壳体中的主轴、活塞，主轴位于壳体中部，活塞安装在主轴外围，活塞通过 气源压力实现在壳体内的轴向上下移动，活塞外壁设有两个过中线的外旋楔槽，活塞内壁设有两个过中线的内旋楔槽，外旋楔槽与内旋楔槽的旋向相反，外旋楔槽与固定于壳体的外销及外销套配合组成一级传动，活塞向上运动的同时作顺时针旋转运动，内旋楔槽与固定于主轴的内销及内销套配合组成二级传动，主轴相对于活塞作顺时针旋转运动，反之，活塞向下运动的同时作逆时针转运动，主轴相对于活塞作逆时针旋转运动，主轴的输出角度等于上述两级运动转角之和。

进一步的，所述壳体包括位于底部的箱体及位于上部的箱盖，箱体与箱盖通过螺钉固定连接。

进一步的，所述壳体的两端分别设置用于支撑主轴的滚动轴承。

进一步的，活塞装有内外防扭转密封圈和导向套，活塞通过导向套以主轴为导向在壳体内做上下旋转运动。

进一步的，活塞的外壁和壳体内壁根据缸径大小留有0.12-0.25mm间隙。

本发明双旋楔调速变距气动阀门执行器具有以下有益效果：

1、由于全部受力部位均为滚动摩擦，活塞由主轴导向，缸体与活塞之间只有密封圈相隔离，而没有导向环的摩擦。因此，输出效率高，由于输出转矩特性，可调至与负载特性完全一致，使得输出功率的利用率可达近100％，体积、重量也不到齿条式和拨叉式的一半。

2、输出速度可调，因转矩越大，输出角速度就越慢，而多数阀门启闭转矩远大于中途的运行转矩。因此，双旋楔执行器具有自动缓冲的功能，且缓冲速度可调，满足阀门“慢—快—慢”的运行要求，直至阀门及管道无任何冲击。

3、传力“销—槽”按一定精度加工后动配合，没有齿轮齿条的回差误差，输出精度高，配流量调节的阀门，由于输出转矩与阀门转矩成完全的线性关系，没有多余的转距余量对阀门产生的“前冲”，因此，定位精度高于任何其它执行器。

4、除壳体和主轴外，内部主要零件只有一个活塞，结构简单紧 凑。4组“销—槽”同时受力，承载能力大，而潜在故障点极少，活塞采用主轴导向，且导向长度长，气缸体磨损小，更不会有密封圈因活塞摆动而造成的单边过量磨损，因此故障小，寿命长。

附图说明

图1是现有齿轮齿条式气动执行器的结构示意图；

图2是现有拔叉式气动执行器的结构示意图；

图3是齿轮齿条式气动执行器的输出转矩特性曲线图；

图4是球阀的启闭转矩特性曲线图；

图5是拔叉式气动执行器的输出转矩特性曲线图；

图6是蝶阀的启闭转矩特性曲线图；

图7是本发明双旋楔调速变距气动阀门执行器的结构示意图；

图8是图7中F-F向剖视图；

图9是图7中纵向剖视图；

图10是本发明中活塞的俯视图；

图11是图10中E-E-向剖视图；

图12是本发明中活塞的展开图；

图13是本发明工作时的结构示意图；

图14是本发明中活塞的展开后的受力示意图；

图15本发明中活塞的受力平衡示意图；

图16是齿轮齿条式气动执行器配球阀的工作效率对比图；

图17是本发明配球阀的工作效率对比图；

图18是拔叉式气动执行器配蝶阀的工作效率对比图；

图19是本发明配蝶阀的工作效率对比图；

图20是现有回转阀门气动装置的构成示意图。

图中：1—主轴，2、7、10、18—密封圈，1—主轴，3、17—滚动轴承，4—箱盖，5、12—导向套，6—外销套，8—外销，9—定位销，11—活塞，13、14—防扭转密封圈，15—箱体，16—限位块，19—内销套，20—内销，21—螺钉，22—限位螺栓，23—外旋楔槽，24—内旋楔槽。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参考图7-9，本发明双旋楔调速变距气动阀门执行器其中一个实施例包括壳体及设置在壳体中的主轴1、活塞11，主轴1位于壳体中部，活塞11安装在主轴1外围，活塞11通过气源压力实现在壳体内的轴向上下移动。

所述壳体包括位于底部的箱体15及位于上部的箱盖4，箱体15与箱盖4上装有内外密封圈(2、7、10、18)，箱体15与箱盖4通过螺钉21固定连接，并通过滚动轴承(3、17)构成主轴1两端的支撑，活塞11上装有内外防扭转密封圈(13、14)，通过导向套(5、12)以主轴1为导向在壳体内做上下旋转运动。活塞11的外壁和壳体内壁根据缸径留有0.12-0.25mm的间隙，以保障金属间的完全不接触。

如图10-12所示，活塞11内外过中线分别开有两组旋向相反的旋楔槽，即设在活塞11外壁的两个外旋楔槽23及设在活塞11内壁的两个内旋楔槽24。旋楔槽的升角不断渐进改变，以确保负载(阀门)开关最佳特性曲线的需要,并且满足每段旋楔槽均为圆弧过渡。外旋楔槽23与固定于壳体的外销8及外销套6配合，组成一级传动(暂称为A处)，内旋楔槽24与固定于主轴1的内销20及内销套19配合，组成二级传动(暂称为B处)。

本发明的工作原理是：通过一二级传力副将活塞的直线运动转换成旋转运动将气源压力转换成扭矩并输出，实现90°或其他角度的旋转，如图13所示，当P₁作为进气口，由于A的配合作用，活塞11向上运动的同时作顺时针旋转运动(一级传动)，与此同时，通过B的配合作用，将一级运动传递给主轴1的同时，主轴1相对于活塞11也作顺时针旋转运动，主轴的1输出角度等于上述两级运动转角之和。反之，若活塞11向下作逆时针旋转运动(一级传动)，与此同时，通过B的配合作用，将一级运动传递给主轴1的同时，主轴1相对于活塞11也作逆时针旋转运动。

下面介绍本发明双旋楔气缸的转矩计算，受力及运动分析：

如图7所示，设B为内销套受力全长，b为受力中点，b到全轴中心线的距离为l₂，A为外销套入了受力全长，a为受力中点。a到主轴中心线的距离为l₁。由于活塞是整体零件，分析时，可将两个受力点b及两个受力点为a，分别合并为一个受力点b及a，将活塞沿半径l₂处展开如图12的(b),以便于分析活塞与内销套的受力情况。同理，活塞沿半径l₁处展开如图12的(c),以便于分析活塞与外销套的受力情况。假定活塞运动全程的某一点其内槽与内销套受力部位为x₂，此时活塞外槽与外销套受力对应部位为x₁。在x₂前后任取无限接近的两点m₂,n₂。同样x₁前后任取无限逼近的两点m₁,n₁。(为说明方便，图中均已放大),并将合并后的受力分析简化成如图14所示(双点划线上方为活塞沿半径l2处展开内销轴套与活塞内槽槽侧的受力分析,下方为活塞沿半径l1处展开外销轴套与活塞外槽槽侧的受力分析),m₂与n₂的连线(由于执行器的输出转距是与负载匝配的，内外旋楔槽侧并非全程是平面，此时为方便计算，可近似将m₂与n₂的连线理解为直线)，与主轴中心线的夹角为θ₂，同理，m1与n1的连线与主轴中心线的夹角为θ₁。

从图14所示的活塞11的展开图可以看出，双旋楔气动执行器活塞的受力类似于斜楔增力机构，当P1进气，气缸推力Q作用于活塞11的端面，活塞产生的圆周力W可以根据图14所示的受力情况进行计算，活塞所受的力有气缸推力Q，B处内销20的反作用力W′(等于活塞11给主轴1的作用力，但方向相反)，A处外销8的反作用力R′，另外活塞11在行进过程中，在A、B处均作楔入运动，故在滑动面上还有R′及W′产生的摩擦力F₁和F₂，设R′与F₁的合作力为R〞，W′和F₂的合力为W〞，则R′与R〞的夹角即为A处外销套6与活塞11的外旋楔槽24之间的摩擦角Φ₁，W′和W〞的夹角即为B处内销套19与活塞11的内旋楔槽23之间的摩擦角Φ₂

气缸工作时Q、R〞W〞三力处平衡，故三力如图15所示成封闭三角形△ABC，从图中可见：

Q＝W〞sin(θ₂+Φ₂)+R〞sin(θ₁+Φ₁)

设W为活塞圆周力，R为反作用力

W〞＝W/COS(θ₂+Φ₂)R〞＝W/COS(θ₁+Φ₁)

故：

W＝Q/(tg(θ₂+Φ₂)+tg(θ₁+Φ₁))

因为是滚动摩擦，Φ₁、Φ₂均很小，在忽略Φ₁、Φ₂时上式可简化为W＝Q/(tgθ₁+tgθ₂)，从上式可得，双旋楔气动装置的增力比为

气缸输出转矩为：

M＝W×l₂

其中Q＝πR²·P

则

其中：R为气缸半径，P为气源压力

当R、P、l₂一定时，气动执行器的转矩取决于1/tgθ₁₁+tgθ₂的大小，在活塞运动全程，不间断渐进地的改变θ₁、θ₂的大小，即可使执行器的输出转矩特性与所配阀门的启闭最佳转矩特性基本一致。

因为A销所受的轴向力为Wtgθ₁，B销所受的轴向力Wtgθ₂，且两者相加等于Q，因此，在实际设计中，应让θ₁大于θ₂，θ₂仅作转矩匝配调节用，以尽量减少主轴轴承的轴向载荷。

理论上，只要θ₁、θ₂足够小，执行器的输出转距会很大，执行器也很长。实际设计、结合强度、刚度及外观尺寸θ₁取10°～30°，θ₂取3°～10°，增力比在2-4.5之间较为合理。

在开始和结尾两个阶段,θ₁、θ₂越小，输出转矩越大，输出角度 就越小，输出角速度也就越慢,而阀门大都是启闭阶段转矩大，中间运行转矩小，因此双旋楔执行器具有自动缓冲功能，满足阀门“慢—快—慢”的运行要求，如需进一步降低缓冲速度，满足管道及阀门完全无冲击、震动，则进一步减小θ₁、θ₂即可。当然此时执行器的输出转矩比阀门转矩要大一点。综上所述，本发明双旋楔调速变距气动阀门执行器具有以下特点：

1、由于全部受力部位均为滚动摩擦，活塞由主轴导向，缸体与活塞之间只有密封圈相隔离，而没有导向环的摩擦。因此，输出效率高，由于输出转矩特性，可调至与负载特性完全一致，使得输出功率的利用率可达近100％，而齿轮齿条式和拨叉式执行器通常不足50％，齿轮齿条式和本发明的工作效率对比见图16和图17，拨叉式执行器和本发明的工作效率对比见图18和图19。也就是说，打开同一转矩的阀门，双旋楔执行器的输出功率只须齿条式或拨叉式执行器的50％，耗气量也只须50％，体积、重量也不到齿条式和拨叉式的一半。

2、输出速度可调，因转矩越大，输出角速度就越慢，而多数阀门启闭转矩远大于中途的运行转矩。因此，双旋楔执行器具有自动缓冲的功能，且缓冲速度可调，满足阀门“慢—快—慢”的运行要求，直至阀门及管道无任何冲击。

3、传力“销—槽”按一定精度加工后动配合，没有齿轮齿条的回差误差，输出精度高，配流量调节的阀门，由于输出转矩与阀门转矩成完全的线性关系，没有多余的转距余量对阀门产生的“前冲”，因此，定位精度高于任何其它执行器。

4、除壳体和主轴外，内部主要零件只有一个活塞，结构简单紧凑。4组“销—槽”同时受力，承载能力大，而潜在故障点极少，活塞采用主轴导向，且导向长度长，气缸体磨损小，更不会有密封圈因活塞摆动而造成的单边过量磨损，因此故障小，寿命长。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种双旋楔调速变距气动阀门执行器，其特征在于：包括壳体及设置在壳体中的主轴(1)、活塞(11)，主轴(1)位于壳体中部，活塞(11)安装在主轴(1)外围，活塞(11)通过气源压力实现在壳体内的轴向上下移动，活塞(11)外壁设有两个过中线的外旋楔槽(23)，活塞(11)内壁设有两个过中线的内旋楔槽(24)，外旋楔槽(23)与内旋楔槽(24)的旋向相反，外旋楔槽(23)与固定于壳体的外销(8)及外销套(6)配合组成一级传动，活塞(11)向上运动的同时作顺时针旋转运动，内旋楔槽(24)与固定于主轴(1)的内销(20)及内销套(19)配合组成二级传动，主轴(1)相对于活塞(11)作顺时针旋转运动，反之，活塞(11)向下运动的同时作逆时针旋转运动，主轴(1)相对于活塞(11)作逆时针旋转运动；主轴的(1)输出角度等于上述两级运动转角之和。

2.如权利要求1所述的双旋楔调速变距气动阀门执行器，其特征在于：所述壳体包括位于底部的箱体(15)及位于上部的箱盖(4)，箱体(15)与箱盖(4)通过螺钉(21)固定连接。

3.如权利要求1所述的双旋楔调速变距气动阀门执行器，其特征在于：所述壳体的两端分别设置用于支撑主轴(1)的滚动轴承(3、17)。

4.如权利要求1所述的双旋楔调速变距气动阀门执行器，其特征在于：活塞(11)装有内外防扭转密封圈(14、13)和导向套(5、12)，活塞(11)通过导向套(5、12)以主轴(1)为导向在壳体内做上下旋转运动。

5.如权利要求1所述的双旋楔调速变距气动阀门执行器，其特征在于：活塞(11)的外壁和壳体内壁根据缸径大小留有0.12-0.25mm间隙。