CN107923552B - 具有位置指示器的旋转式致动阀 - Google Patents

Abstract

本说明书的主题可以体现在定位装置中，所述定位装置包括构造为基于输入信号致动输出轴的致动器组件以及位置传感器组件。所述位置传感器组件包括：位置传感器，所述位置传感器构造为检测不直接联接至所述输出轴的输入轴的位置；第一输入接收器，所述第一输入接收器构造为接收所述输入信号；第一输出发射器，所述第一输出发射器构造为基于所述输入轴的所述位置提供输出信号；以及第二输出发射器，所述第二输出发射器构造为提供指示所述输入轴和所述输出轴中的至少一个的故障的另一个输出信号。可动构件联接至所述输出轴和所述输入轴两者并且构造为改变所述输入轴的所述位置构造并且由所述输出轴致动。

Description

具有位置指示器的旋转式致动阀

优先权要求

本申请要求于2015年6月10日提交的美国专利申请第14/735,826号的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本说明书涉及一种阀装置，并且更具体地，涉及一种具有机械阀位置指示器的旋转式致动阀。

背景技术

各种形式的旋转式液压致动器目前用于工业机械功率转换应用中。这种工业使用通常用于期望连续惯性加载而不需要保持较长持续时间（例如，几小时）的负载且不使用外部流体功率供应的应用。通常，飞机飞行控制应用基本上仅使用受阻流体柱保持位置来例如在故障缓解模式中实施已加载位置保持。

发明内容

通常，本文描述了一种具有机械阀位置指示器的旋转式致动阀。

例如，在第一方面中，一种定位装置，该定位装置包括：可动构件；致动器组件，该致动器组件与可动构件间隔开并且构造为改变可动构件的位置构造；以及位置传感器，该位置传感器与可动构件间隔开并且构造为检测可动构件的位置以及用以改变可动构件的位置构造的致动器组件的故障两者。

在第二方面中，根据方面1，致动器组件通过输出轴联接至可动构件并且构造为基于输入信号来致动输出轴，定位装置进一步包括位置传感器组件，该位置传感器组件包括：位置传感器，其中，该位置传感器构造为检测不直接联接至输出轴的输入轴的位置构造；第一输入接收器，该第一输入接收器构造为接收输入信号；第一输出发射器，该第一输出发射器构造为基于输入轴的位置构造来提供第一输出信号；以及第二输出发射器，该第二输出发射器构造为基于将输入信号与位置构造相比较来提供指示输入轴和输出轴中的至少一个的故障的第二输出信号，其中，可动构件联接至输出轴和输入轴两者并且与致动器组件和位置传感器两者都间隔开，可动构件构造为改变输入轴的位置构造并且构造为由输出轴致动。

在第三方面中，根据方面2，输入轴和输出轴是同心的。

在第四方面中，根据方面2或3，该装置进一步包括外壳，该外壳设置在致动器组件和位置传感器周围。

在第五方面中，根据方面2至4中的任一方面，致动器组件限定出空腔并且位置传感器设置在该空腔内。

在第六方面中，根据方面2至5中的任一方面，该装置进一步包括阀组件，该阀组件包括外壳和阀，其中，可动构件联接至阀。

在第七方面中，根据前述方面中的任一方面，致动器组件是旋转活塞式流体致动器。

在第八方面中，根据方面1至7中的任一方面，致动器组件是旋转叶片式流体致动器。

在第九方面中，一种操作定位装置的方法，该方法包括：提供联接至输出轴并且构造为致动输出轴的致动器组件；提供构造为检测输入轴的位置构造的位置传感器；通过与致动器组件和位置传感器两者都间隔开的可动构件来使输出轴间接地联接至输入轴，可动构件构造为改变输入轴的位置构造并且构造为由输出轴致动；响应于输入信号来致动输出轴；通过输出轴，致动可动构件；通过可动构件，改变输入轴的位置构造；通过位置传感器，检测输入轴的位置构造；以及基于检测到的位置构造来提供第一输出信号。

在第十方面中，根据方面9，该方法进一步包括：将输入信号与第一输出信号相比较；基于输入信号和第一输出信号来确定位置误差；以及基于位置误差来更新输入信号。

在第十一方面中，根据方面9或10，该方法进一步包括：确定位置误差大于阈值位置误差限制；以及提供第二输出信号。

在第十二方面中，根据方面9至11中的任一方面，输入轴和输出轴是同心的。

在第十三方面中，根据方面9至12中的任一方面，致动器组件限定出空腔并且位置传感器设置在该空腔内。

在第十四方面中，根据方面9至13中的任一方面，定位装置进一步包括阀组件，该阀组件包括外壳和阀，其中，可动构件联接至阀。

本文描述的系统和技术可以提供以下优点中的一个或多个优点。第一，系统可以通过连接至可定位构件并且与驱动轴分离的轴来将阀位置的指示提供给位置传感器。第二，该系统可以在没有附加的位置误差检测装置（例如，附加传感器、机械或电气超程检测）的情况下提供驱动轴和联动装置的故障检测。第三，该系统可以使用主位置传感器来检测阀位置和联动装置故障两者。第四，该系统可以体现在使用旋转式致动器和/或线性致动器的构造中，并且可以使用直接连接至位置传感器并与驱动轴同心的反馈轴。

在下面的附图和说明书中陈述一种或多种实施方式的细节。其它特征和优点会通过说明书、附图和权利要求书而变得清楚。

附图说明

图1A是示出了定位装置的示例的横截面图的示意图。

图1B是位置控制器的示例的框图。

图2A和2B是示出了定位装置的另一个示例的顶端侧视图和横截面侧视图的示意图。

图3是示出了用于操作定位装置的过程的示例的流程图。

具体实施方式

本文描述了用于定位阀装置的系统和技术，并且更具体地，涉及一种具有机械阀位置指示器的旋转式致动阀。通常，可控制的致动器与阀隔开，并且致动器通过输出轴联接至阀构件。位置传感器也与阀隔开，并且通过输入轴联接至阀构件。致动器可以将扭矩施加到输出轴以定位阀构件，并且阀构件的运动可以将扭矩施加到输入轴以定位位置传感器。通常，形成机械位置反馈环路，这可以用于致动器与阀隔开的应用中，以提供（例如，输出轴的）位置感测和机械故障中的一个或两个的反馈。

图1A是示出了示例定位装置100的横截面图的示意图。装置100包括流体阀组件110。流体阀组件110包括可定位构件112（例如，阀构件、阀瓣），该可定位构件112可被移动，以可控制地堵塞通过流动体（例如，阀体）118的中心孔116的流体路径114（例如，与阀座接触）。

可定位构件112构造为由通过联动组件150连接至可定位构件112的可控制的致动器组件120发生运动。通常，致动器组件120定位于与流体阀组件110隔开。例如，致动器组件120可以远离流体阀组件110以调解诸如流体阀组件110附近的极端温度、流体阀组件110附近的空间限制、可达性问题（例如，易于维护）等设计问题或者其它设计考虑。

致动器组件120包括外壳121、致动器122、和位置传感器124。在图示的示例中，致动器122被描绘为旋转式流体致动器，诸如，旋转叶片式致动器或者旋转活塞式致动器。在一些实施例中，致动器122可以是可以提供旋转式机械输出的任何适当类型的致动器（例如，电致动器、步进器、伺服器）。

在图示的示例中，致动器122可移除地联接至联动组件150的输出轴152。输出轴152构造为接收由致动器122提供的扭矩并且将该扭矩转移到可定位构件112和可动构件154。可动构件154联接至可定位构件112。在一些实施例中，可以从可定位构件112移除可动构件154。输出轴152的旋转运动促使可定位构件112和可动构件154在流动体118内发生旋转运动，流动体118可以控制通过流动路径114的流体的流动。

可动构件154还联接至输入轴156。输入轴构造为接收通过可动构件154提供的扭矩并且将该扭矩转移到位置传感器124的传感器轴160。位置传感器124提供位置构造信号182（见图1B），可以测量该位置构造信号182以确定传感器轴160的旋转位置。在图示的构造中，位置构造信号182表示可定位构件112的位置，该位置是由可动构件154定位的并且通过输入轴156机械地反馈回传感器轴160。

在图示的示例中，输出轴152与同轴地通过输出轴152的内孔的输入轴156共同形成圆柱体。输出轴152和输入轴156基本上仅在可动构件154处联接。例如，可以在与可动构件154相对的一端将扭矩施加到输出轴152。可动构件154使输出轴152联接至输入轴156，使输入轴156能够与输出轴152一起旋转。然而，如果输出轴152或输入轴156中的其中一个破损或者解除联接，则可能不再将扭矩从输出轴152的末端传输到可动构件154并且将其传输回输入轴156的末端。在一些实施方式中，可以将输入轴156（例如，或者联接至输入轴156的部件）的旋转运动与输出轴152（例如，或者联接至输出轴152的部件）的旋转运动相比较以检测联动组件150的破损。

在一些实施例中，输出轴152和输入轴156可以不与彼此同轴。例如，输出轴152可以在可定位构件112的第一轴线端联接至可定位构件112，并且输入轴156可以联接至可定位构件112的相对轴线端（例如，输出轴152和输入轴156两者沿着公共轴线对齐）。在这种构造中，位置传感器124可以定位于与致动器组件120和流体阀组件110两者都隔开，其通过输入轴156在远处联接至可定位构件112。在再一实施例中，输出轴152和输入轴156可以不轴向地对齐。例如，由输出轴152提供的扭矩可以通过在可动构件154处或可动构件154附近的联动装置或其它联接机构使输入轴156旋转。在一些实施例中，输入轴156、输出轴152、可动构件154、和/或装置100的其它部件可以由耐蚀钢、铝、复合材料、以及这些材料和适于装置100的环境和负载的任何其它材料的组合组成。

现在参照图1B所示的位置控制器的示例，位置构造信号182由位置控制器180处理成反馈控制环路的一部分。位置控制器180将位置构造信号182与位置输入信号184（例如，可定位构件112的期望位置）相比较以提供位置误差信号186。在一些实施方式中，位置误差信号186可以用作用于控制致动器122和可定位构件112的致动的闭合控制反馈环路的一部分。

位置控制器180还可以构造为比较作为故障检测过程的一部分的位置构造信号182与位置输入信号184之间的差异。例如，可以将位置构造信号182与位置输入信号184相比较以确定两个信号之间的误差（例如，作为位置误差信号186提供的差异、增量）。在正常操作条件下，传感器轴160和致动器122会一起旋转，因为它们通过联动组件150旋转地联接在一起。然而，如果发生机械故障，诸如，输出轴152的破损，则传感器轴160可以旋转地与致动器122解除联接。因此，位置输入信号184的变化可能不会导致位置构造信号182的相应变化。位置控制器180可以将位置输入信号184与位置构造信号182相比较，并且当位置控制器180检测到两个信号相差超过预定量（例如，大约10度或20度）时，可以提供故障检测信号188以表示在联动组件150中可能已经出现了故障。

在图示的示例中，位置传感器124占用了在致动器组件120内限定的空腔170。致动器122能够同轴地旋转，但是要独立于传感器输入160的旋转。在一些实施例中，可以不将位置传感器124和致动器122设置为同心。在图2A和2B的描述中讨论了这种非同心布置的示例。

图2A和2B是示出了定位装置200的另一个示例的顶端侧视图和横截面侧视图的示意图。定位装置200包括图1A的流体阀组件110，其中，可被移动以可控制地堵塞流体路径114的可定位构件112通过流动体118的中心孔116。

可定位构件112构造为通过可控制的致动器组件220发生运动，可控制的致动器组件220通过联动组件250连接至可定位构件112。通常，致动器组件220定位于与流体阀组件110隔开。例如，致动器组件220可以远离流体阀组件110以调解诸如流体阀组件110附近的极端温度、流体阀组件110附近的空间限制、可达性问题（例如，易于维护）等设计问题或者其它设计考虑。

致动器组件220是包括活塞221（如图2A所示）的线性流体致动器（例如，液压活塞或气动活塞），该活塞221构造为促使活塞杆222发生线性运动。在一些实施例中，其它形式的线性致动器可以用来代替致动器组件220，诸如，电动线性马达。活塞杆222旋转地联接至十字头轴承223和连杆224。曲柄轴承225将连杆224旋转地联接至曲柄臂226。曲柄臂联接至联动组件250的输出轴252。致动器组件220将活塞221的往复运动转换为输出轴252的旋转运动。

现在主要参照图2B，输出轴252将旋转运动（例如，扭矩）转移到可定位构件112和可动构件254。可动构件254联接至可定位构件112。在一些实施例中，可动构件254可以通过硬焊、熔接、螺栓连接、压装、或者其它任何适当的结合联接至可定位构件112。在一些实施例中，可动构件254和可定位构件112可以由整件材料形成。可动构件254的旋转运动促使可定位构件112在流动体118内发生旋转运动，该流动体118可以控制通过流动路径114的流体的流动。

可动构件254还联接至输入轴256。输入轴构造为接收通过可动构件254提供的扭矩并且将该扭矩转移到位置传感器270的传感器轴260。位置传感器270提供位置构造信号（未示出）（例如，位置构造信号182），可以测量该位置构造信号以确定传感器轴260的旋转位置。位置构造信号表示可定位构件112的位置，该位置是由可动构件254定位的并且通过输入轴256反馈回传感器轴260。

在图示的示例中，输出轴252形成为圆柱体，输入轴256同轴地通过输出轴252的内孔。输出轴252和输入轴256基本上仅在可动构件254处联接。例如，可以在与可动构件254相对的一端将扭矩施加到输出轴252。可动构件254使输出轴252联接至输入轴256，使输入轴256能够与输出轴252一起旋转。然而，如果输出轴252、输入轴256、或者致动器组件220的部件破损或者以其它方式解除联接，则可能不再将扭矩从活塞221传输到输出轴252的末端、传输到可动构件254，并且将其传输回输入轴256的末端。在一些实施方式中，位置控制器（诸如，图1B的位置控制器180）可以将输入轴256（例如，或者联接至输入轴256的部件）的旋转运动与输出轴252（例如，或者致动器组件220或联接至输出轴252的部件）的旋转运动相比较以检测联动组件250的破损。

在一些实施例中，输出轴252和输入轴256可以不与彼此同轴。例如，输入轴256可以通过联动装置或者位于可动构件254附近的其它联接机构来旋转地联接至输出轴252。

在一些实施例中，位置构造信号可以由图1B的位置控制器180处理成反馈控制环路的一部分。例如，可以将位置构造信号182与位置输入信号184相比较以形成用于控制可定位构件112和活塞221的致动的闭合控制反馈环路的一部分。

在一些实施例中，位置构造信号182可以由位置控制器180处理成故障检测过程的一部分。例如，可以将位置构造信号182与位置输入信号184相比较以确定两个信号之间的误差（例如，差异、增量）。在正常操作条件下，传感器轴260和活塞221会一起成比例地运动，因为它们通过致动器组件220和联动组件250联接在一起。然而，如果发生机械故障，诸如活塞221破损，则活塞杆222、十字头轴承223、连杆224、曲柄轴承225、曲柄臂226、可动构件254、或输出轴252、传感器轴260可以旋转地与致动器组件220解除联接。因此，位置输入信号184的变化可能不会导致位置构造信号182的相应变化。位置控制器180可以将位置输入信号184与位置构造信号182相比较，并且当两个信号相差超过预定量时，会检测到致动器组件220和/或联动组件250的故障并且该故障由故障检测信号188指示。

图3是示出了用于操作定位装置的过程300的示例的流程图。在一些实施方式中，可以使用图1A的定位装置100、图2A至2B的定位装置200、图1B的位置控制器180、和/或构造为处理从定位装置100或200采集的信息的其它装置来执行过程300。

在310中，提供了致动器组件。该致动器组件联接至输出轴并且构造为致动输出轴。例如，致动器122联接至输出轴152。致动器122构造为促使输出轴152发生旋转。

在320中，提供了位置传感器。该位置传感器构造为检测输入轴的位置构造。例如，位置传感器124构造为检测传感器输入160的旋转位置。位置传感器124在传感器输入160处联接至输入轴156。输入轴156的旋转使传感器输入160旋转，从而位置传感器124可以检测输入轴156的旋转位置。

在一些实施例中，输入轴和输出轴可以是同心的。例如，输入轴156构造为通过轴向地延伸通过输出轴152的内部的圆柱孔的杆。在一些实施例中，输出轴152可以构造为同轴地通过在输入轴156内形成的圆柱孔的杆。

在330中，通过与致动器组件和位置传感器两者都间隔开的可动构件来使输出轴间接地联接至输入轴，可动构件构造为改变输入轴的位置构造并且构造为由输出轴致动。例如，通过可动构件154来使输出轴152联接至输入轴156。可动构件154位于联动组件150的一个轴线端附近，与联动组件150的相对轴线端间隔开，在该处致动器122联接至输出轴152并且位置传感器124联接至输入轴156。

在340中，响应于输入信号来致动输出轴。在一些实施例中，输入信号可以是位置输入184。在一些实施例中，可以响应于施加到致动器122的流体压力（例如，流体输入信号）来致动输出轴152。在一些实施例中，可以响应于控制信号（例如，电输入信号）来通过由阀或泵提供的流体压力致动致动器122。

在350中，由输出轴致动可动构件。例如，输出轴152可以将扭矩转移到可动构件154。

在360中，由可动构件改变输入轴的位置构造。例如，输出轴152通过可动构件154联接至输入轴156。可动构件154的旋转将扭矩施加到输入轴156。

在370中，位置传感器检测输入轴的位置构造。例如，位置传感器124可以检测旋转地联接至输入轴156的传感器输入160的旋转位置。

在380中，提供了基于检测到的位置构造的第一输出信号。例如，位置传感器124可以提供位置构造信号182作为表示输入轴156的旋转位置的电信号或其它信号。

在一些实施方式中，可以将输入信号与第一输出信号相比较，可以基于输入信号和第一输出信号来确定位置误差，并且可以基于位置误差来更新输入信号。例如，联动组件150可以提供驱动位置传感器124的机械反馈环路以确定位置误差信号186。位置误差信号186在闭合控制反馈环路中可以作为反馈信号。例如，闭合环路位置控制器可以使用位置误差信号186来确定可定位构件112的期望位置与可定位构件112的实际位置之间的误差并且改变到致动器122的致动信号（例如，位置输入信号184）以便补偿检测到的位置误差。

在一些实施方式中，可以确定位置误差大于阈值位置误差限制，并且可以提供第二输出信号。例如，作为闭合环路位置控制方案的一部分，控制器可以使用相对较小的位置误差（例如，小于大约10度或20度），同时位置控制器180检测到相对较大的位置误差（例如，大于大约10度或20度）可以触发故障检测信号188以指示检测联动组件150或定位装置100的另一个部件内的可能的机械故障。

尽管上面已经详细描述了一些实施方式，但是其它修改也是可能的。例如，在附图中描绘的逻辑流程不需要所示的特定顺序或者相继顺序，以实现期望的结果。另外，可以提供其它步骤或者可以从描述的流程删除步骤，并且可以将其它部件添加至描述的系统或者从描述的系统移除其它部件。因此，其它实施方式在随附权利要求书的范围内。

Claims (16)

1.一种定位装置，所述定位装置包括：

致动器组件，所述致动器组件联接至输出轴的第一轴向端并且构造为基于输入信号致动所述输出轴；以及

位置传感器组件，所述位置传感器组件包括：

位置传感器，所述位置传感器构造为检测输入轴的第二轴向端的位置构造并且提供表示所检测的位置构造的位置构造信号，所述输入轴在所述第一轴向端附近并且不直接联接至所述输出轴，其中所述位置构造信号能够由位置控制器处理成故障检测过程的一部分，以检测用以改变可动构件的位置构造的所述致动器组件的故障，所述可动构件在与所述第一轴向端相对的第三轴向端处联接至所述输出轴以及在与所述第二轴向端相对的第四轴向端处联接至所述输入轴，并且所述可动构件与所述致动器组件和所述位置传感器两者都间隔开，所述可动构件构造为改变所述输入轴的位置构造并且构造为由所述输出轴致动；

第一输入接收器，所述第一输入接收器构造为接收所述输入信号；

第一输出发射器，所述第一输出发射器构造为基于所述位置构造信号提供第一输出信号；和

第二输出发射器，所述第二输出发射器构造为基于将所述输入信号与所述位置构造信号相比较来提供指示所述输入轴和所述输出轴中的至少一个的故障的第二输出信号。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述输入轴和所述输出轴是同心的。

3.根据权利要求1或2所述的装置，所述装置进一步包括外壳，所述外壳设置在所述致动器组件和所述位置传感器周围。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述致动器组件限定出空腔并且所述位置传感器设置在所述空腔内。

5.根据权利要求1或2所述的装置，所述装置进一步包括阀组件，所述阀组件包括外壳和阀，其中，所述可动构件联接至所述阀。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述致动器组件是旋转活塞式流体致动器。

7.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述致动器组件是旋转叶片式流体致动器。

8.根据权利要求3所述的装置，其中，所述致动器组件限定出空腔并且所述位置传感器设置在所述空腔内。

9.根据权利要求3所述的装置，所述装置进一步包括阀组件，所述阀组件包括外壳和阀，其中，所述可动构件联接至所述阀。

10.根据权利要求4所述的装置，所述装置进一步包括阀组件，所述阀组件包括外壳和阀，其中，所述可动构件联接至所述阀。

11.一种用于操作定位装置的方法，所述方法包括：

提供联接至输出轴的第一轴向端并且构造为致动所述输出轴的致动器组件；

提供构造为检测输入轴的第二轴向端的位置构造的位置传感器，所述输入轴在所述第一轴向端附近；

通过与所述致动器组件和所述位置传感器两者都间隔开的可动构件来使所述输出轴的与所述第一轴向端相对的第三轴向端在所述输入轴的与所述第二轴向端相对的第四轴向端处间接地联接至所述输入轴，所述可动构件构造为改变所述输入轴的所述位置构造并且构造为由所述输出轴致动；

响应于输入信号来致动所述输出轴；

通过所述输出轴致动所述可动构件；

通过所述可动构件改变所述输入轴的所述位置构造；

通过所述位置传感器检测所述输入轴的所述位置构造；

基于所检测到的位置构造来提供第一输出信号并且所述第一输出信号表示所述可动构件的位置；以及

由位置控制器将所述第一输出信号处理成故障检测过程的一部分，以检测用以改变所述可动构件的位置构造的所述致动器组件的故障。

12.根据权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括：

将所述输入信号与所述第一输出信号相比较；

基于所述输入信号和所述第一输出信号来确定位置误差；以及

基于所述位置误差来更新所述输入信号。

13.根据权利要求12所述的方法，所述方法进一步包括：

确定所述位置误差大于阈值位置误差限制；以及

提供第二输出信号。

14.根据权利要求11至13中的任一项所述的方法，其中，所述输入轴和所述输出轴是同心的。

15.根据权利要求11至13中的任一项所述的方法，其中，所述致动器组件限定出空腔并且所述位置传感器设置在所述空腔内。

16.根据权利要求11至13中的任一项所述的方法，其中，所述定位装置进一步包括阀组件，所述阀组件包括外壳和阀，其中，所述可动构件联接至所述阀。

Images