CN106090402A - 一种基于气液组合弹簧的驱动装置及阀门执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气液组合弹簧的驱动装置及阀门执行器，包括执行器和动力缸，所述动力缸安装在执行器上，动力缸上设置有气液组合弹簧装置，所述气液组合弹簧装置包括压力容器罐，所述压力容器罐上端设置有气体输入口，所述压力容器罐内的上部和下部分别为压缩气体腔和液压油腔，所述压缩气体腔内填充压缩气体，所述液压油腔内填充有液压油，所述压力容器罐下端设有液压油出口。将同样功能的“气液组合弹簧装置”来替代传统单作用阀门执行器用的金属弹簧或者金属弹簧缸。“气液组合弹簧装置”无论是结构设计、制造工艺、制造成本、安装工作难度、现场更换和故障维修、执行器驱动阀门应用效率、工作可靠性都得到极大的改善。

Description

一种基于气液组合弹簧的驱动装置及阀门执行器

技术领域

本发明涉及一种阀门执行器领域，具体涉及一种基于气液组合弹簧的驱动装置及阀门执行器。

背景技术

执行器是阀门开启关闭的控制执行机构，其结构一般包括动力执行件、执行箱体，和弹簧缸体，一般在紧急情况下的工况使用工艺和管道应用系统中，在出现紧急情况的时候，同时控制系统又失去电源、或者气源时，单作用执行机构能自动复位，驱动阀门到预先设计的故障安全位置，从而把整个装置潜在危险降到最低。单作用执行器通常是用压缩的金属弹簧储存的能量、UPS应急电源、或者储能器罐、还有重锤等其他预先储存的能量来作为执行器驱动的动力。其中压缩的金属弹簧是使用最多的一种执行器驱动方式。

执行器弹簧缸是一种利用压缩弹簧的弹性来工作的机械组件。弹簧是用弹性材料制成的零件，在外力作用下发生形变，除去外力后又恢复原状。弹簧一般用弹簧钢制成。随着系统整体安全等级的提高和执行器整体安全水平的不断提升，用作阀门执行器的弹簧要求也必须有足够的机械寿命、疲劳强度和重复使用寿命，更不能够发生弹簧断裂的严重事故。

然而在实际应用中的情况是，管线阀门愈来愈多使用大口径、高磅级大扭矩，在异常情况下打开或者关闭这些紧急切断阀，我们采用传统弹簧作为配套需要的阀门执行器越来越不适应：重量重、体积大、占用空间、弹簧长期处于受压状态，刚度减小、弹力降低、容易疲劳失效、弹簧变形、运动异响、甚至发生弹簧折断的严重事故。

采用传统弹簧缸作为配套需要的阀门执行器（如图1所示）主要存在以下缺陷：

1. 驱动大尺寸阀门的执行器弹簧缸一直是一个难题：质量重、体积大、占用空间、浪费资源。

2. 根据单作用弹簧执行器的工作特点，弹簧长期处于压缩状态，容易压缩变形，出现弹簧疲劳，弹簧失去原有的弹性，降低紧急情况下动作的可靠性。

3. 正常使用过程中随着使用时间推移和动作频度的增加，簧会疲劳失效，推力逐步减小或者降低。执行器动作可靠性和富裕安全系数在不断降低。

4. 执行器需要的弹簧的力量无法进行精确量化处理，驱动阀门的时间和速度不可以精细控制。弹簧一旦成形输出力就确定了，弹簧力不可能调整，更不可能增加。

5. 弹簧容易变形和产生异响，给人造成不安全的心理负担；执行器弹簧断裂也是时有发生。

6. 由于单作用执行器的工作特点，弹簧输出到底时还必须有相当量的力驱动阀门，因此传统金属弹簧缸装配到执行器上面的时候需要专用工装压缩装配、装配效率、装配风险大。

7. 弹簧缸组件一旦需要在现场进行更换和维修就变得十分的不可能或者非常难。

发明内容

本发明的目的即在于克服现有技术的不足，提供一种基于气液组合弹簧的液动阀门执行器，解决现有阀门执行器的采用传统弹簧缸质量重、体积大、占用空间、容易疲劳失效、安装麻烦等问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于气液组合弹簧的驱动装置，包括动力缸，动力缸上设置有气液组合弹簧装置，所述气液组合弹簧装置包括压力容器罐，所述压力容器罐上端设置有气体输入口，所述压力容器罐内的上部和下部分别为压缩气体腔和液压油腔，所述压缩气体腔内填充压缩气体，所述液压油腔内填充有液压油，所述压力容器罐下端设有液压油出口。

进一步的，所述动力缸包括缸体、活塞、缸座和活塞杆，所述活塞前端的缸体内腔为活塞前缸，所述活塞后端的缸体内腔为活塞后缸。

进一步的，所述动力缸为液压油缸或气缸。

进一步的，所述缸座上开设有与活塞前缸连通的液压油通道，所述液压油出口通过油管和液压油通道与活塞前缸连通；所述液压油缸进油时，所述液压油缸的活塞推动活塞杆向前运动，同时，所述气液组合弹簧装置被压缩，所述液压油缸泄油时，所述活塞在气液组合弹簧装置和液压油缸共同作用下拉动活塞杆回缩。

进一步的，所述缸座上开设有与活塞前缸连通的液压油通道，所述液压油出口通过油管和液压油通道与活塞前缸连通；所述气缸进气时，所述气缸的活塞推动活塞杆向前运动，同时，所述气液组合弹簧装置被压缩，所述气缸泄气时，所述活塞在气液组合弹簧装置和气缸共同作用下拉动活塞杆回缩。

进一步的，所述压力容器罐上端还设置有实时监测其内部压力的压力表。

进一步的，所述压力容器罐内的液压油出口处设置有油液过滤装置。

进一步的，所述油管上设置有流量调节阀，通过流量调节阀调节液压油的流量，从而控制压力释放的速度，确保软弹簧的运动过程和动作速度精确可控。

进一步的，所述油管上还设置有关断阀用于随时关闭或开启气液组合弹簧装置。

本发明通过下述另一技术方案实现：

一种阀门执行器，包括执行器和动力缸，动力缸上设置有气液组合弹簧装置，所述动力缸通过缸座安装在执行器的箱体上，所述动力缸的活塞杆与执行器的拨叉联动。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

将同样功能的“气液组合弹簧装置”来替代传统单作用阀门执行器用的金属弹簧或者金属弹簧缸。 “气液组合弹簧装置”无论是结构设计、制造工艺、制造成本、安装工作难度、执行器驱动阀门应用效率、现场更换和故障维修都得到极大的改善。

利用气液组合弹簧装置与替代传统的金属弹簧普通的金属弹簧比较，高压气体具有体积小、重量轻、容易压缩、不易疲劳、可重复使用、响应迅速、充压方便。

无论现场在工厂安装还是现场替换更换过程中，都无任何意外，安全性比传统弹簧更加可靠、使用安全、安装方便、更换容易。

节能环保、无污染、无干扰、无噪音等诸多无可比拟的优点。在油气储运、石油天然气、化工、冶金等广泛采用单作用执行器的阀门和其它工业领域，该装置用来替代弹簧作为输出控制装置使用，可以减少弹簧钢等系列金属材料的使用。

气液组合弹簧装置采用液压油作为传动介质具有刚性大、弹性小、不易压缩、传动平缓、可实现无极调速、自带润滑、无锈蚀。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为现有阀门执行器的结构示意图；

图2为本发明动力缸采用液压油缸的基于气液组合弹簧的驱动装置结构示意图；

图3为本发明动力缸采用气缸的基于气液组合弹簧的驱动装置结构示意图；

图4为本发明动力缸采用液压油缸的阀门执行器结构示意图；

图5为本发明动力缸采用气缸的阀门执行器结构示意图；

附图中标记及相应的零部件名称：

1-执行器，2-动力缸，3-缸体，4-活塞，5-缸座，6-活塞杆，7-活塞前缸，8-活塞后缸，9-关断阀，10-箱体，11-拨叉，12-气液组合弹簧装置，13-压力容器罐，14-流量调节阀，15-压缩气体腔，16-液压油腔，17-液压油出口，18-油管，19-液压油通道，20-压力表，21-油液过滤装置，22-气体输入口，23-弹簧缸。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图2所示，本发明一种基于气液组合弹簧的驱动装置，包括动力缸2，动力缸2采用液压油缸，动力缸2上设置有气液组合弹簧装置12，气液组合弹簧装置12包括压力容器罐13，压力容器罐13上端设置有气体输入口22，压力容器罐13内的上部和下部分别为压缩气体腔15和液压油腔16，压缩气体腔15内填充压缩气体，液压油腔16内填充有液压油，所述压力容器罐13下端设有液压油出口17。

动力缸2包括缸体3、活塞4、缸座5和活塞杆6，活塞1前端的缸体3内腔为活塞前缸7，所述活塞4后端的缸体3内腔为活塞后缸8。

缸座5上开设有与活塞前缸7连通的液压油通道19，液压油出口17通过油管18和液压油通道19与活塞前缸7连通；液压油缸进油时，液压油缸的活塞4推动活塞杆6向前运动，同时，气液组合弹簧装置12被压缩，所述液压油缸泄油时，活塞4在气液组合弹簧装置12和液压油缸共同作用下拉动活塞杆6回缩。

压力容器罐13上端还设置有实时监测其内部压力的压力表20。压力容器罐13内的液压油出口17处设置有油液过滤装置21。油管18上设置有流量调节阀14，通过流量调节阀14调节液压油的流量，从而控制压力释放的速度，确保软弹簧的运动过程和动作速度精确可控。油管18上还设置有关断阀9用于随时关闭或开启气液组合弹簧装置12。

实施例2

如图3所示，本发明一种基于气液组合弹簧的驱动装置，在实施例1的基础上，动力缸2采用气缸，所述缸座5上开设有与活塞前缸7连通的液压油通道19，所述液压油出口17通过油管18和液压油通道19与活塞前缸7连通；气缸进气时，气缸的活塞4推动活塞杆6向前运动，同时，所述气液组合弹簧装置12被压缩，气缸泄气时，活塞4在气液组合弹簧装置12和气缸共同作用下拉动活塞杆6回缩。

实施例3

如图4所示，本发明一种阀门执行器，包括执行器1和液压油缸，液压油缸包括缸体3、活塞4、缸座5和活塞杆6，活塞1前端的缸体3内腔为活塞前缸7，所述活塞4后端的缸体3内腔为活塞后缸8，液压油缸通过缸座5安装在执行器1的箱体10上，所述液压油缸的活塞杆6与执行器1的拨叉11联动。液压油缸上设置有气液组合弹簧装置12，所述气液组合弹簧装置12包括压力容器罐13，压力容器罐13上端设置有气体输入口22，通过气体输入口22可以向压力容器罐13内输入高压氮气，压力容器罐13内的上部和下部分别为压缩气体腔15和液压油腔16，压缩气体腔15内填充压缩气体，液压油腔16内填充有液压油，压力容器罐13下端设有液压油出口17。

缸座5上开设有与活塞前缸7连通的液压油通道19，液压油出口17通过油管18和液压油通道19与活塞前缸7连通；液压油缸进油时，液压油缸的活塞4推动活塞杆6向前运动，活塞杆6推动拨叉11打开阀门，同时，所述气液组合弹簧装置12被压缩，液压油缸泄油时，活塞4在气液组合弹簧装置12和液压油缸共同作用下拉动活塞杆6回缩，活塞杆6带动拨叉11反向活动关闭阀门。

压力容器罐13上端还设置有实时监测其内部压力的压力表20，压力表20可以方便的指示气体压力的大小、把软弹簧的数值准确地进行数字化显示，从而精确地控制所需要力量的大小，当然也可以用压力变送器或者压力传感器来达到同样的量化压力。压力容器罐13内的液压油出口17处设置有油液过滤装置21。油管18上设置有流量调节阀14控制气液组合弹簧装置12的弹性强度。油管18上还设置有关断阀9用于随时关闭或开启气液组合弹簧装置12。

气液组合弹簧装置12的结构原理：油气弹簧在密闭的容器中充入压缩气体和油液，利用气体的可压缩性实现弹簧作用的装置称油气弹簧。油气弹簧以惰性气体(氮气)作为弹性介质，用油液作为传力介质，一般是由气体弹簧和相当于液力减振器的液压缸所组成的。

特点：由于氮气贮存在密闭的球形气室内，其压力随外载荷的大小而变化，故油气弹簧具有变刚度的特性，同时又起液力减振器的作用。

类型：根据结构的不同，油气弹簧分为单气室、双气室以及两级压力式 。单气室油气弹簧又分为油气分隔式和油气不分隔式两种。本发明采用的是油气不分隔式。

本发明一种基于气液组合弹簧的液动阀门执行器工作原理及动作关系，压力容器罐13是主要的储能装置，是压缩气体储存的主体；底端液压油既是高压气体的密闭隔绝介质、也是工作期间动力气体能量释放、实现能量转换的传动介质；系统能量的工作动力源自于密闭容器内液压油顶端空间的高压可压缩气体。

利用储存（预先充气）在压力容器罐13的高压密闭压缩气体作为动力，利用压力容器罐13和下端的液压油作为隔离，利用液体油作为传动介质把高压压缩气体储存的能量平稳、安全的转化为能量释放出来。当液压油沿返回压力罐时，密闭气体压力又自动增压储能，以备再次使用。

输出能量的大小可通过高压充入气体的压力方便的调节，通过充气阀门可轻松的实现密闭空间高压压缩气体的的充放，调节气体压力的大小，从而调节软弹簧的力量。

可通过综合调整压缩气体的压力或者体积、以及液压油的多少来方便的调节输出行程及输出推力。输出力方向不受限制，输出执行元件通常是活塞类，可以通过高压软管和输出执行元件相连。

本发明一种基于气液组合弹簧的液动阀门执行器，结合气体与液体的优势，充分利用压缩气体和传动介质液体的特点，根据气体的可压缩性特点，把气体压缩后的高压气体作为弹性元件对外膨胀做功。利用液压系统液体等压传递原理，把压缩气源的压力通过液体作为传动介质等压输出传递到执行元件。

气液软弹簧罐的压缩气体体积可控制、压力（远程/就地）可读取。高压压缩气体压力恒定、重复性高、不易失效和意外发生。从而执行器输出扭矩可以长时间持续恒定、达到精确控制执行器需要的输出推力（扭矩）、动作时间的目的。

利用液压调速阀调节流量、输出流量大小和动作速度可控制。气动液压软弹簧在构成的系统传动过程中，可以有效吸收震动和脉动，避免阀门运动过程的窜动、实现执行器驱动阀门动作的平缓。在高磅级、大口径阀门所需要的大扭矩阀门执行器中体现更加明显。

根据上述原理，利用可控压缩气体与替代传统的金属弹簧普通的金属弹簧比较，高压气体具有体积小、重量轻、容易压缩、不易疲劳、可重复使用、响应迅速、充压方便。无论在工厂组装、现场安装还是现场替换更换过程中，都无任何意外，安全性比传统弹簧更加可靠、使用安全、安装方便、更换容易。节能环保、无污染、无干扰、无噪音、性能稳定、输出速度和力量调节方便等诸多无可比拟的优点。在油气储运、石油天然气、化工、冶金等广泛采用单作用执行器的阀门和其它工业领域，该装置用来替代弹簧作为输出控制装置使用，可以减少弹簧钢等系列金属材料的使用。

实施例4

如图5所示，本发明一种阀门执行器，在实施例3的基础上，动力缸2采用气缸，缸座5上开设有与活塞前缸7连通的液压油通道19，液压油出口17通过油管18和液压油通道19与活塞前缸7连通；气缸进气时，液压油缸的活塞4推动活塞杆6向前运动，活塞杆6推动拨叉11打开阀门，同时，所述气液组合弹簧装置12被压缩，气缸泄气时，活塞4在气液组合弹簧装置12和气缸共同作用下拉动活塞杆6回缩，活塞杆6带动拨叉11反向活动关闭阀门。

以上所述的为主体结构为角行程液压执行器的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。实际上在只有油缸活塞轴（去掉拨叉箱、）输出线行程或者直行程执行器同样适应。

所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于气液组合弹簧的驱动装置，包括动力缸（2），其特征在于：动力缸（2）上设置有气液组合弹簧装置（12），所述气液组合弹簧装置（12）包括压力容器罐（13），所述压力容器罐（13）上端设置有气体输入口（22），所述压力容器罐（13）内的上部和下部分别为压缩气体腔（15）和液压油腔（16），所述压缩气体腔（15）内填充压缩气体，所述液压油腔（16）内填充有液压油，所述压力容器罐（13）下端设有液压油出口（17）。

2.根据权利要求1所述的一种基于气液组合弹簧的驱动装置，其特征在于：所述动力缸（2）包括缸体（3）、活塞（4）、缸座（5）和活塞杆（6），所述活塞（1）前端的缸体（3）内腔为活塞前缸（7），所述活塞（4）后端的缸体（3）内腔为活塞后缸（8）。

3.根据权利要求2所述的一种基于气液组合弹簧的驱动装置，其特征在于：所述动力缸（2）为液压油缸或气缸。

4.根据权利要求3所述的一种基于气液组合弹簧的驱动装置，其特征在于：所述缸座（5）上开设有与活塞前缸（7）连通的液压油通道（19），所述液压油出口（17）通过油管（18）和液压油通道（19）与活塞前缸（7）连通；所述液压油缸进油时，所述液压油缸的活塞（4）推动活塞杆（6）向前运动，同时，所述气液组合弹簧装置（12）被压缩，所述液压油缸泄油时，所述活塞（4）在气液组合弹簧装置（12）和液压油缸共同作用下拉动活塞杆（6）回缩。

5.根据权利要求3所述的一种基于气液组合弹簧的驱动装置，其特征在于：所述缸座（5）上开设有与活塞前缸（7）连通的液压油通道（19），所述液压油出口（17）通过油管（18）和液压油通道（19）与活塞前缸（7）连通；所述气缸进气时，所述气缸的活塞（4）推动活塞杆（6）向前运动，同时，所述气液组合弹簧装置（12）被压缩，所述气缸泄气时，所述活塞（4）在气液组合弹簧装置（12）和气缸共同作用下拉动活塞杆（6）回缩。

6.根据权利要求4或5所述的一种基于气液组合弹簧的驱动装置，其特征在于：所述压力容器罐（13）上端还设置有实时监测其内部压力的压力表（20）。

7.根据权利要求6所述的一种基于气液组合弹簧的驱动装置，其特征在于：所述压力容器罐（13）内的液压油出口（17）处设置有油液过滤装置（21）。

8.根据权利要求7所述的一种基于气液组合弹簧的驱动装置，其特征在于：所述油管（18）上设置有流量调节阀（14），通过流量调节阀（14）调节液压油的流量，从而控制压力释放的速度，确保软弹簧的运动过程和动作速度精确可控。

9.根据权利要求8任一项所述的一种基于气液组合弹簧的驱动装置，其特征在于：所述油管（18）上还设置有关断阀（9）用于随时关闭或开启气液组合弹簧装置（12）。

10.一种利用权利要求1-9任一项所述的阀门执行器，包括执行器（1）和动力缸（2），其特征在于：动力缸（2）上设置有气液组合弹簧装置（12），所述动力缸（2）通过缸座（5）安装在执行器（1）的箱体（10）上，所述动力缸（2）的活塞杆（6）与执行器（1）的拨叉（11）联动。