CN1096587C - 旋转阀驱动器及联动机构 - Google Patents

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Abstract

一种旋转阀驱动器和联动机构，设置了一具有管状壳体的驱动器(48)，所述管状壳体具有两个端盖以及一可由反抗压缩弹簧(89)的流体压力驱动的柱塞。一中伸缩隔膜用来偏压柱塞。在壳体的两侧设置了一对开口(60)，具有两个臂件(64，66)的联动机构(62)通过所述开口连接于柱塞。联动机构联接于一旋转阀轴，柱塞的直线运动将导致轴的旋转运动。联动机构包括两个单独的臂件和一中心件。臂件和中心件在斜面上相互配合，当对臂件和中心件施加压力而迫使它们相互靠拢时，所述斜面迫使中心件和臂件径向地配合。

Description

旋转阀驱动器及联动机构
发明领域
本发明总的涉及一种旋转阀驱动器和用于驱动器的联动机构，更具体地说，涉及一种能以低成本制造并且所占空间小的简化的驱动机构。
发明背景
在诸如旋转柱塞阀和蝶形阀之类的旋转驱动的阀领域，通常采用一种可将直线的驱动运动转换成旋转力矩的驱动器。这种转动可用来打开和闭合阀的阀门或柱塞。授予Baumann的美国专利5,305,987中揭示了这样一种旋转阀。在该文献中，于轴的端部设置了一联动机构。该联动机构连接于一直线驱动装置。这样的驱动器经常包括大的机械壳体，它能接纳空气，并通过与一能响应所施压力而移动的可伸缩隔膜之间的相互作用，产生直线驱动器部件的直线运动。所述壳体是借助一能为所需联动机构提供移动空间的大框架而相对于阀外壳支承的。
用上述方法构造而成的旋转阀装置是有效的，但需要在实际的阀外壳周围有用于驱动机构的较大空间。类似地，驱动器机构相对较为复杂，因而其制造和维修显得较昂贵。维修本身也是比较困难的，因为必须在一长的压缩弹簧压力下来组装和拆卸壳体。组装和拆卸工作需要连接或除去若干个螺栓或其它零件。
还有已经认识到的是，能将直线运动转化成转轴运动的联动机构经常容易发生游隙和/或难以组装到一轴上。很多旋转阀的转轴是方形截面的，如果联动机构相对于轴的尺寸不精确，就可能产生游隙。采用花键轴可以减小游隙，但是增大了使联动机构不对准的可能性，因为联动机构可以定位在很多转动方向上。然而，当联动机构旋转以带动轴旋转时，方形截面更容易在联动机构和轴之间产生游隙。业已发现，可以采用止动螺钉或复杂的夹持件来增大联动机构和轴之间的强度，但是这些结构会使零件之间的连接变得复杂，因而会延长组装一阀所需的时间。授予Baumann的美国专利4,345,850揭示了这样一种新颖的旋转阀联动机构，即：在两个相对的臂件之间产生可“紧夹”该两臂件而使之与方形轴的端部牢固地结合。这种联动机构的应用仅限于两个臂件彼此相对靠得很近的情况，因为臂件必须相互抵住以产生用于固定结合的所需力矩。因此，需要提供一种能与方形截面的轴牢固结合，并且在臂件之间具有较大间隔空间的联动机构。
因此，本发明的目的在于，提供一种可靠的、便于维修的、比普通驱动器所占空间更小的旋转阀驱动器组件。这种驱动器应该适用于各种类型的旋转阀，并且应该能在正反两个方向上相对精确地旋转。驱动器应该能产生足够的力矩，以便能驱动大多数小型和中型阀。当与驱动器一起使用的联动机构的两个或更多的臂件相互间隔一个预定的距离时，该联动机构应该能与一方形或其它形状的轴牢固地结合。
发明概要
通过提供一种具有细长管状壳体的驱动器并且所述壳体带有不用螺钉或其它可拆卸的连接件来连接的端盖，本发明克服了已有技术中存在的缺陷。通过提供一能利用一楔合结构而牢固连接于轴的平侧面的联动机构，也使本发明克服了已有技术中的缺陷。
根据本发明的一个实施例，旋转阀驱动器组件包括一由无缝不锈钢管制成的管状壳体。在该管状壳体内安装了一通常由合成材料制成的柱塞，该柱塞可相对于管状壳体的细长轴线在管状壳体内移动。一联动机构通过管状壳体内的一开口与柱塞相互作用。该联动机构可形成有一对与柱塞的两侧配合的臂件。臂件可包括沿设置在柱塞内的槽滑动的导块。当柱塞沿轴线滑动时，臂件转动而带动旋转阀的轴转动。一流体压力源联接于管状壳体，并且可作用于一可伸缩隔膜，该隔膜可使柱塞沿一预定方向反抗一压缩弹簧的力移动。设置了一联动机构壳体，它联接于一阀壳，阀轴穿过所述联动机构壳体。联动机构壳体支承着管状壳体，并使管状壳体相对于轴保持固定。管状壳体的尺寸使其能相对于联动机构壳体而定位在两个相反的方向上。管状壳体的至少一个端盖是利用一卡环可拆卸地联接于管状壳体。管状壳体的另一个端盖可以永久地连接于管状壳体，即，使管状壳体的一端塑性变形而保持所述的另一端盖。所述另一端盖可以是半球形的，以承受高压。
可供包括文中所述驱动器在内的多种组件使用的本发明的联动机构提供了至少具有一个平面的轴以及一对臂件，臂件的臂端具有孔，其形状与轴大致相同。在该实施例中，在臂件之间设置了一中心件，该中心件可包括一挡止件，并且包括一对取向相反的楔合件。楔合件可由臂端内的相应的带角度的槽接纳。当把各臂端抵住中心件压缩靠拢时，它们会产生驱动中心件和臂端沿径向抵住轴的分力。通过增大压缩力，就可以增大径向的驱动力。根据该实施例，这样一种压缩力可由一端部螺母提供。例如，可将具有一平面的圆轴、六角形轴和方形轴与本发明的联动机构结合使用。
附图简要说明
通过下面结合附图对本发明的较佳实施例所作的详细描述，本发明的前述及其它的目的和优点将变得更加明显。
图1是根据本发明的一旋转阀和驱动器组件的立体图；
图2是图1所示驱动器组件的一个局部暴露的立体图；
图3是驱动器组件的局部暴露的立体图，其中驱动器是反向的；
图4是沿图2中的线4-4剖取的驱动器组件的侧面剖视图；
图5是驱动器组件的另一个剖视图，示出了驱动器柱塞和联动机构的相对位置；
图6是沿图5中的线6-6剖取的驱动器组件的前侧剖视图；
图7是供本发明的驱动器组件使用的联动机构的局部剖视图；
图8A、8B和8C是沿图7中的线8-8剖取的轴以及相适联动机构的局部剖视图；
图9是供本发明的方截面轴使用的一联动机构和楔合系统的略加分解的示意图。
图1总的示出了根据本发明的一旋转阀和驱动器组件。阀20可以包括任何类型的旋转驱动的阀，其中，一柱塞或阀门构件(未示)可根据阀门的旋转运动来调节入口22和出口24之间的流量。阀20通过一法兰组件26连接于本发明的驱动器组件28。驱动器组件包括一壳体30，它具有一前半部分32和一后半部分34。后半部分与法兰组件26配合。壳体30可以由任何合适的材料制成，例如铸造用的铝、铁或不锈钢。该壳体可以用铸造或冲压的工艺来形成，并希望前半部分32和后半部分34相对精确地装配，壳体的该部分通常不是气密的，因而可以采用各种低成本的制造工艺。
设置了一个手控/限位-挡止螺钉36和摇轮38。螺钉36可位于壳体后部的两个螺纹基座内。螺钉36的作用将在下文中详细描述。在该实施例中，前半部分32和后半部分34是通过能接纳诸螺栓46的一系列法兰44而相互结合的。前半部分32和后半部分34之间固定着本发明的驱动器构件48。驱动器构件48是形成为一整体，在该实施例中，它能接收通过一连接于压力管道52的接头50而来的压力流体。空气、其它气体或液体形式的压力流体可用来控制本发明驱动器构件48的移动。
在该实施例中，驱动器的相对移动可由一标尺54以及连接至驱动器联动机构件一端的可动指针56(图1)来加以表示，所述联动机构件如图2详细所示。参见图2-5，在这些图中已将壳体的前半部分取出，以揭示驱动器组件的内部工作情况。在该实施例中，驱动器构件48是由无缝管制成，而无缝管的材料可以是例如不锈钢之类的耐用材料。根据该实施例，可以采用很容易获得的管坯，以便降低驱动器构件48的成本和生产时间。驱动器构件48包括一对彼此相对的铣成的开口60，它们暴露了管筒的内部。联动机构62通过开口60而连接于驱动器构件48。
请另外参见图4-6，联动机构62包括一对臂件64和66，它们稳固地套设在一方形截面轴68上。轴68的端部70可以螺旋地接纳(参见图3)如图1所示的固定螺母72。下面将详细描述这种用来将臂件64和66固定于轴68的机构。
臂件64、66分别包括相关的导块74和76。导块可以由形成在本发明的驱动器柱塞82的侧壁内的适配槽80接纳。如图5详细所示，柱塞82在驱动器管筒内的前后移动(参见双箭头84)将导致联动机构62产生相应的旋转运动(参见曲线箭头86)。导块74和76随着联动机构62的旋转而沿相应的槽80移动(参见图5中的双箭头88)。因此，所述槽可以使臂件沿垂直于圆筒中轴线的方向变位。导块74和76可相对于各自的臂件64和66枢转，以便利于沿槽80的移动。枢转是利用可相对于臂端90和92自由枢转的螺钉89来实现的。该实施例中的柱塞是由例如尼龙或Delrin之类的耐用塑料制成。这些材料是自润滑的，因而柱塞相对于管筒只需要最少量的润滑。柱塞82包括一中空内部，其在前端96处敞开以接纳一弹簧98。弹簧承压在柱塞82的后壁100上，并承压在管筒的一固定前壁102上。可选择弹簧常数和弹簧相对于柱塞所施加的力，以便当有最大的压力施加于驱动器时能克服弹簧力并使柱塞移至完全在前的位置(图5中的103)。在该实施例中，估计大约100psi的最大压力能在柱塞中产生大约500磅的最大力和大约450英寸·磅的力矩。这些数值可以根据本发明驱动器组件的尺寸和功能来变化。
本实施例的柱塞82包括一与管筒的内壁隔开的主壁部分106。两组导环108和110与管筒的内壁接触。通过使柱塞82与管筒内壁的接触面积最小，可减小摩擦，并使该两构件之间发生粘连的危险程度降至最低。后环108的直径比管筒的直径大约小1/16。外环110的直径更接近管筒的内径。槽口60使管筒变形的可能性增大，因此，前环组件110的这种更加紧密接触可以在管筒的薄弱点上为其提供额外的支承。
如上所述，驱动器构件48的管筒是由无缝的不锈钢管构造而成。对所描述的阀而言，管筒的直径大约是4英寸，壁厚是大约1/16英寸。可将前端盖102去除，以维修构件48的内部。一卡环嵌设在形成于管筒内的一凹槽122中。该凹槽具有足够的深度，以防止卡环沿轴向移出管筒开口。由不锈钢制成的端盖102或类似的耐用材料包括一抵住所述卡环的凸肩124。如图2和3所示，在端盖的一孔内可安装一塑料头126，但这个塑料头126是可以省略的。端盖102的安装和拆卸是这样进行的，即，反抗弹簧98将所述塑料头向内压，直到它离开卡环120。一旦端盖离开卡环120，就能相对于凹槽124进行拆卸和安装。如图所示的大直径卡环可以从德国或其它任何地方的市场上购得。当处于弹簧压力下时，不可能移动卡环120，因为端盖102的周边凸肩125与卡环的内径侧紧密接触，可防止卡环径向向内地移出凹槽122。
驱动器构件48包括另一个相对的底盖130，它铸造或成形为半球形状。这种半球形状有助于高压的维修。端盖130附近的开口132可使流体管道52与驱动器构件的内部连通。端盖130是通过使形成在管筒后端的端壁134的塑性变形而固定于管筒。变形的端壁可防止端盖130沿轴向离开管体。在管体和端盖之间可以进行合适的焊接或钎焊连接。通常的构思是，将端盖130压入。端盖130包括一大致呈圆柱形的内壁部分136，它与管筒的内壁接触。内壁部分136包括一用于接纳基件140的凹槽138，所述基件可充当可伸缩隔膜142的静密封件。可伸缩隔膜可以从各种商业来源购得。在该实施例中，它是一种厚度为大约0.04英寸的腈橡胶加强的织物。可伸缩隔膜占据了柱塞82的主壁106与管筒内壁之间至环件108的空间。如图5所示，压力将导致隔膜承压在柱塞82的后壁100上，从而使柱塞向前朝前端盖102移动。隔膜在驱动器构件48的后部形成了一个确实的流体密封。因此，驱动器和柱塞组件在隔膜142的前侧是开放和不密封的。从这些描述中可以清楚地看出，与传统的驱动器相比，所述的驱动器构件48的制造和维修相对较容易，并且其所占空间较小。该构件基本上不采用螺钉或其它紧固件，而且在损害时可考虑将其丢弃。然而，如前所述，也能通过可拆卸地前盖102对驱动器加以维修。除了以上优点之外，图2和3示出了根据本发明的驱动器组件的另一些多用性。靠近前端盖102的凹槽122可作为一嵌设在壳体后半部分34的相应凹槽148(参见图2)内的一个定位环。驱动器构件48的尺寸是对称的，因而它可以转动180°并嵌设在后半壳体34的另一相对的凹槽150中(参见图3)。因此，借助一个简单的重新定位过程，就能将驱动器构件48定位成相对于阀在两个相对的方向上工作。在该实施例中，可在未加使用的凹槽组(例如不与前端盖嵌合的凹槽组)内填入一具有合适尺寸和厚度的O形圈，以便于驱动器构件48的中段更好地贴合。
联动机构62的上部包括一可与臂件64和66一起转动的挡止结构150(参见图5)。该挡止结构包括一滚轮152，当它和位于基座40和42内的螺纹挡止件接触时，可减小摩擦。如上所述，如果需要，螺钉36和另一相对的螺钉(图5中的156)可以相对其各自的基座40和42移动，以限定联动装置62的极限挡止位置。否则，极限挡止位置是由柱塞82在驱动器构件48的管筒内的最小和最大行程来限定的。螺钉36还可以用作压力失效情况下的手工代用品。当螺钉向内时，它使挡止结构150带动轴68旋转，借以使阀门(未示)移动。挡止结构150的移动能克服由弹簧98施加的力。
请进一步参见图7-9，其中示出了用于本发明的联动机构62的固定机构。图7部分地示出了联动机构62安装在一方形截面轴68上的情况，所述轴连接于一旋转阀的阀门(未示)。在该实施例中，轴68的方形截面部分是由一直径较大的圆轴形成的，该轴的圆形部分160形成了一个抵住臂件64内端的凸肩1 62。在该实施例中，轴68的自由端是圆的，并设置了一具有螺纹以接纳一螺母72的端部72。可对轴的方形截面部分的长度加以选择，以使螺母72能被完全拧紧而对联动机构件施加力。
在该实施例中，挡止结构150限定了联动机构62的中心件。它包括一尺寸和形状与方形截面轴68相对一致的方形孔。在该实施例中，挡止结构150的两个相对的上腿部形成了朝离开挡止结构的两个相反方向上延伸的两个楔合件166。特别是，楔合件166延伸得超过挡止结构150之下部170的端壁168。参见图8A和9，臂件64和66分别包括各自的安装基座或臂端174和176，其内形成有一方形截面孔。这些孔的尺寸和形状与轴68一致。臂端174和176还包括内面三角形凹槽180，其尺寸和形状能接纳一相应的楔合件166。楔合件的角度可以是大约15°或更小。这一角度可以根据实际应用情况来变化。请重新参见图7，通过在联动机构62上施加力(箭头164)，，就可以迫使两臂端174和176抵住挡止结构150压缩(分别沿箭头184和186)。由于楔合件与臂端174和176内的适配槽是带有角度的，所以它们能将压缩力(沿箭头184和186)转化成垂直的分力(箭头194、196和198)，这个分力能驱动臂端174和176以及挡止结构150与轴68的平面可靠地接触。螺母72在轴端70上拧得越紧，联动机构构件与轴68的平面的接触就越牢靠。只要将轴端174和176做得足够坚固，就可以对联动机构构件时间非常大的锁定力。当臂件64和66被驱动而带动轴68旋转时，这个锁定力可以大大减小游隙的可能性。
应注意，如图7所示，在挡止结构的端壁168和臂端174和176的相应端壁202之间应该设置一间隙200。如果没有这样一个间隙，各构件就没有足够的空间垂直地移动至与轴68的平面完全接触。
应该理解，文中所述的基本原理适用于各种轴的形状。通常希望轴至少有一个平面。例如，图8B和8C分别示出了圆形和六角形的轴268和368。轴268和368分别包括至少一个平面290和390，在该平面上可以插靠一楔合件266。臂端274和374分别包括与轴的形状一致的孔，这两个孔分别具有角度合适的切口280和380，以便接纳楔合件266和366。同样地，中间的楔合件安装部不必包括一带有用来接纳轴的孔的罩壳。相反，如图9所示，中心件可以包括一单件板208，其两端限定了楔合件166。板件208或其它楔合件安装结构的变化形式是多样的，因而按照本发明，臂件可以位于彼此隔开较大距离的位置上。此外，虽然轴包括一挡靠壁162，但也可以在两端设置螺母或其它紧固结构，以便根据需要对其加以调节而改变压缩力和联动机构的位置。
应该理解，文中所述的臂件连接结构可以使臂件和轴在制造时具有略低一些的容差，而仍能获得一相对无间隙的装配。根据该实施例，臂件可以利用铸造工艺或其它成形工艺来成形。
上面已详细描述了一较佳实施例。在不偏离本发明精神和范围的情况下还可以作出各种变型和等价的变化。例如，虽然在该实施例中采用了一可伸缩隔膜，但需要时也可以用一个密封的柱塞来代替。各零部件的尺寸和形状是可以变化的，以便与不同类型的旋转阀一起使用，本文中所描述的驱动器组件可以与或者不与图中和文中所描述的特殊的连杆连接机构一起使用。类似地，所述连杆连接机构也适用于需要利用一快速和低成本的技术将臂件固定于轴的其它结构。因此，说明书中的描述仅仅意味着举例，而不对本发明有其它的限制。

Claims (26)

1.一种旋转阀驱动器组件(30)，包括：
一壳体、一安装在所述壳体内并且可沿壳体的一细长轴线相对于壳体移动的柱塞(82)、以及一联接于壳体用以使柱塞(82)沿轴线移动的流体压力源(52)；所述壳体是一管状壳体(48)，所述驱动器组件还具有一联动机构(62)，该联动机构包括一对连接柱塞和转轴的臂件(64，66)，其特征在于，
所述壳体的两侧具有一对开口(60)，所述联动机构通过所述壳体的开口与柱塞配合，所述联动机构(62)完全位于所述管状壳体(48)的外侧，所述柱塞(82)沿轴线的运动将导致联动机构(62)带动轴(68)旋转。
2.如权利要求1所述的旋转阀驱动器组件，其特征在于，它还包括一可接纳管状壳体(48)的联动机构壳体(32，34)，所述联动机构壳体可使管状壳体(48)相对于轴固定。
3.如权利要求2所述的旋转阀驱动器组件，其特征在于，所述管状壳体(48)包括一位于管状壳体(48)闭合端(130)和柱塞(82)之间的可伸缩隔膜(142)。
4.如权利要求3所述的旋转阀驱动器组件，其特征在于，它还包括一压缩弹簧(98)，该弹簧位于管状壳体(48)的一端(102)和柱塞(82)的远离可伸缩隔膜(142)的那一部分(100)之间，用以沿着与施加流体压力的方向相反的方向来偏压柱塞(82)。
5.如权利要求4所述的旋转阀驱动器组件，其特征在于，所述臂件(64，66)包括可沿形成于柱塞(82)内的槽(80)滑动的枢导块(74，76)。
6.如权利要求5所述的旋转阀驱动器组件，其特征在于，所述轴(68)上至少有一个平面，所述臂件包括臂端，每一臂端均具有与轴(68)上的平面相配合的适配平面。
7.如权利要求6所述的旋转阀驱动器组件，其特征在于，所述轴(68)包括一具有四个平面的正方形截面的轴(68)。
8.如权利要求7所述的旋转阀驱动器组件，其特征在于，它还包括位于两臂件之间并在与臂件的延伸方向相反的方向上延伸的挡止结构(150)，并且至少包括一个可调节的挡止件(38)，挡止件是构造和布置成能在预定的各可变位置上与挡止结构配合而限制轴(68)的转动。
9.如权利要求8所述的旋转阀驱动器组件，其特征在于，所述挡止结构(150)包括一与可调节挡止件(40，42)接触的滚轮(152)。
10.如权利要求9所述的旋转阀驱动器组件，其特征在于，所述可调节的挡止件(40，42)包括一螺钉(36)，联动机构壳体包括一用于接纳该螺钉(36)的螺纹基座(40，42)。
11.如权利要求10所述的旋转阀驱动器组件，其特征在于，每一臂端均包括一带角度的槽，而挡止结构包括一对相对的楔合件(166)，所述槽和楔合件构造和布置成能相互配合而使得臂端和挡止结构在轴向压力下抵住所述轴。
12.如权利要求1所述的旋转阀驱动器组件，其特征在于，所述柱塞包括一合成材料。
13.如权利要求12所述的旋转阀驱动器组件，其特征在于，所述柱塞(82)包括若干个导环(108，110)，其直径大致等于管状壳体(48)内壁的直径，所述柱塞(82)包括一与所述管状壳体(48)的内壁隔开的主壁(106)。
14.如权利要求1所述的旋转阀驱动器组件，其特征在于，所述管状壳体(48)包括一无缝的不锈钢管。
15.如权利要求14所述的旋转阀驱动器组件，其特征在于，所述管状壳体(48)包括一可拆卸的端盖(102)，它通过一卡环(120)保持在所述管状壳体(48)内。
16.如权利要求15所述的旋转阀驱动器组件，其特征在于，它还包括一形成在所述管状壳体(48)的内壁中、用于接纳所述卡环(120)的凹槽(122)。
17.如权利要求16所述的旋转阀驱动器组件，其特征在于，它还包括一用于固定所述管状壳体(48)的联动机构壳体(34)，所述联动机构壳体包括一用于接纳形成在一外壁内的凸起的凹槽(148)，它靠近用于接纳所述卡环(120)的凹槽(148)。
18.如权利要求17所述的旋转阀驱动器组件，其特征在于，所述联动机构壳体包括两对凹槽(150)，它们在管状壳体(48)相对于联动机构壳体的两个相对方向上接纳管状壳体(48)的凸起。
19.如权利要求1所述的旋转阀驱动器组件，其特征在于，所述用于转轴的联动机构包括：
一安装成可旋转的轴，该轴(68)至少包括一个沿其一部分延伸的平面，并且该轴具有一细长轴线；
一沿所述轴(68)定位的止靠部分(162)；
一对具有臂端的臂件，所述臂端(174，176)具有孔，这些孔的尺寸和布置使其能套设在轴(68)的具有平表面的部分上，每个孔包含一带角度的槽(180)；
一具有预定长度的楔合结构(166)，它具有一对楔形表面，其尺寸和布置使其能与每一臂端内的有角度的凹槽相互配合；以及
一可调节的端部挡止件(150)，它能沿轴线方向对每一臂端和楔合结构施加力，至少一个臂端抵住所述止靠部分(162)，迫使每一臂端与轴(68)接触，并迫使楔合结构与所述平面接触。
20.如权利要求19所述的旋转阀驱动器组件，其特征在于，所述楔合结构包括一本体，它具有一孔，该孔的尺寸和布置使其能套设在轴(68)的具有一平面的部分上，所述本体的至少一部分上具有端边缘。
21.如权利要求20所述的旋转阀驱动器组件，其特征在于，所述楔合面延伸至端边缘的外侧。
22.如权利要求21所述的旋转驱动器组件，其特征在于，所述楔合面的尺寸和布置使其能沿所述平面延伸，并与之接触。
23.如权利要求19所述的旋转驱动器组件，其特征在于，所述轴(68)包括一具有方形截面的轴。
24.如权利要求19所述的旋转驱动器组件，其特征在于，所述轴(68)包括一其一部分为圆形截面的轴(268)。
25.如权利要求19所述的旋转驱动器组件，其特征在于，所述轴(68)包括一具有六角形截面的轴(368)。
26.如权利要求19所述的旋转驱动器组件，其特征在于，所述楔合结构包括一自其延伸的挡止结构(150)，其尺寸和布置使其能在轴旋转至一预定的角度位置时与至少一个挡止件配合。
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