CN110307345A - 用于控制阀组件的致动器的拉杆布置 - Google Patents

Abstract

一种与控制阀一起使用的活塞致动器组件，包括致动器，致动器可操作地耦接到控制阀的控制元件，并且可操作以使控制元件在打开位置和关闭位置之间移动。致动器包括具有纵向轴线、第一端、第二端的气缸并且限定腔体。活塞被布置在腔体内并且可在朝向第一端设置的第一位置与朝向气缸的第二端设置的第二位置之间滑动。致动器杆具有可操作地耦接到活塞的第一端和被布置为可操作地耦接到控制元件的第二端。第一拉杆、第二拉杆、和第三拉杆可操作地耦接到气缸，并且每个拉杆都延伸穿过气缸的腔体和活塞。

Description

用于控制阀组件的致动器的拉杆布置

技术领域

本公开内容总体上涉及一种与控制阀一起使用的致动器，并且更具体而言，涉及这种具有改进的内部拉杆布置的致动器。

背景技术

控制阀通常用在过程控制系统中以控制过程流体的流动。控制阀通常耦接到被配置为操作控制阀的致动器。例如，活塞致动器10(诸如图1A 和图1B的弹簧复位活塞致动器)被配置为通过响应于气动压力的变化而移动活塞22来操作控制阀，这又改变了控制元件的位置以控制通过阀的过程流体的流动。

在图1A和图1B中，致动器10是垂直取向的并包括气缸12、第一端盖14、和第二端盖16。外部拉杆18围绕气缸12间隔开并且将第一端盖14 和第二端盖16固定到气缸12的其对应的端部。活塞22在密封腔室20内可移动，并耦接到致动器杆24，致动杆24适于耦接到控制阀的控制元件。致动器10通过对跨活塞22的力不平衡的反应而进行操作，该跨活塞22的力不平衡通过增加活塞22的一侧上的压力和/或降低活塞22的另一侧上的压力而产生，使得压力不平衡使活塞22在垂直方向上上升或下降移动，导致对控制元件的重新定位。气缸12的压力连接件15可以适于连接到定位器以提供并释放腔室20内的压力。图1D示出了与图1A和图1B的致动器 10类似的活塞致动器10a，但没有弹簧。

图1C的另一个控制阀26包括活塞致动器28，该活塞致动器28被配置为通过经由止转轭(scotch-yoke)机构32移动阀杆30来操作旋转控制阀 26。通常用于打开/关闭旋转应用的致动器28是水平取向的并且包括两个内部拉杆34。

发明内容

根据一个或多个示例性方面，根据本文所公开的教导组装的控制阀组件和/或致动器可以提供用于活塞致动器的更简单、紧凑的拉杆布置。至少三个拉杆相对于致动器气缸内部地设置，这可以提高活塞稳定性并且可以延长活塞O形环的有用寿命。

根据第一示例性方面，控制阀组件可以包括控制阀，控制阀具有阀本体，阀本体具有入口、出口以及在入口和出口之间限定的流动路径。控制元件可以设置在流体流动路径中以控制流体流动。控制元件可以在打开位置和关闭位置之间移动。致动器可以可操作地耦接到阀本体并且具有可操作地耦接到控制元件的致动器杆。致动器可以被布置为使控制元件在打开位置和关闭位置之间移动。致动器可以包括具有纵向轴线、第一端盖、第二端盖的气缸，并且可以限定内部腔体。活塞可以设置在内部腔体内并可以在朝向第一端盖设置的第一位置与朝向气缸的第二端盖设置的第二位置之间滑动。活塞耦接到致动器杆并且具有至少三个孔。至少三个拉杆可以延伸穿过与纵向轴线平行的内部腔体，并且可以接合第一端盖和第二端盖。拉杆中的每个拉杆都可以延伸穿过活塞的孔中的一个对应的孔，以允许活塞相对于拉杆在纵向方向上滑动。至少三个拉杆和多个孔可以以对称图案围绕纵向轴线进行布置，并且与纵向轴线间隔开半径R。拉杆和活塞的孔可以被布置为限制活塞围绕纵向轴线的旋转，并且还可以被布置为限制活塞围绕两个相互正交的横向轴线的旋转。

根据第二示例性方面，一种与控制阀一起使用的活塞致动器组件可以包括致动器，致动器具有可操作地耦接到控制阀的控制元件的致动器杆。致动器可以被布置为使控制元件在打开位置与关闭位置之间移动。致动器可以包括具有纵向轴线、第一端和第二端的气缸，并且可以限定内部腔体。致动器可以包括活塞，所述活塞设置在内部腔体内，并可以在朝向第一端设置的第一位置与朝向气缸的第二端设置的第二位置之间滑动。活塞可以耦接到致动器杆并且可以具有至少三个孔。至少三个拉杆可以延伸穿过与纵向轴线平行的内部腔体，并接合气缸的第一端和第二端。拉杆中的每个拉杆都可以延伸穿过活塞的孔中的一个对应的孔，以允许活塞相对于拉杆在纵向方向上滑动。至少三个拉杆和至少三个孔可以与纵向轴线间隔开半径R。拉杆和活塞的孔可以被布置为限制活塞围绕纵向轴线的旋转，并且还可以被布置为限制活塞围绕两个相互正交的横向轴线的旋转。

另外根据前述第一方面和第二方面中的任何一个或多个，控制阀组件和/或活塞致动器组件还可以包括以下优选形式中的任何一个或多个。

在优选的形式中，半径R可以是活塞的半径的1/4至3/4。

在优选的形式中，活塞的至少三个孔中的每个孔都可以包括凹槽。凹槽的尺寸可以被设定为接收设置在孔与对应的拉杆之间的密封件。

在优选的形式中，活塞的至少三个孔中的每个孔都可以包括多个凹槽。多个凹槽中的每个凹槽的尺寸都可以被设定为接收设置在孔与对应的拉杆之间的密封件。

在优选的形式中，密封件可以是O形环、填密组件、密封衬套和滑动密封件中的至少一个。

在优选的形式中，至少三个拉杆可以具有组合的横截面面积A_T，并且活塞可以具有有效面积A_P。拉杆的横截面面积A_T的范围可以从活塞的有效面积A_P的3％到活塞的有效面积A_P的20％。

在优选的形式中，半径R可以是活塞的半径的1/2。

在优选的形式中，气缸的第一端可以是包括第一孔、第二孔、和第三孔的第一端盖，并且第一拉杆、第二拉杆、和第三拉杆中的每一个拉杆都可以延伸穿过第一端盖的第一孔、第二孔、和第三孔中的一个孔。

在优选的形式中，活塞的第一孔、第二孔、和第三孔中的每个孔可以与第一端盖的第一孔、第二孔、和第三孔中的一个孔对准。

在优选的形式中，第一拉杆、第二拉杆、和第三拉杆中的每个拉杆都可以与致动器杆均匀地间隔开。

在优选的形式中，第一拉杆、第二拉杆、和第三拉杆中的每个拉杆都可以与气缸的侧壁和致动器杆在径向方向上等距。

在优选的形式中，至少三个拉杆中的每个拉杆都可以相对于致动器杆平行。

在优选的形式中，不多于三个拉杆可以可操作地耦接到气缸。

在优选的形式中，控制阀可以是蝶形阀、滑动杆阀、和旋转阀中的一个。

附图说明

图1A是已知的活塞致动器的剖面视图；

图1B是图1A的已知活塞致动器的立体视图；

图1C是已知活塞致动器的部分剖面视图；

图1D是在弹簧被移除的情况下图1A的活塞致动器的部分剖面视图；

图2是根据本公开内容的第一示例性布置的教导组装的控制阀组件的剖面视图；

图3是图2的控制阀组件的活塞致动器组件的剖面视图；

图4A是根据本公开内容的教导构造的图3的活塞致动器的第一示例性密封布置；

图4B是根据本公开内容的教导构造的活塞致动器的第二示例性密封布置；

图4C是根据本公开内容的教导构造的活塞致动器的第三示例性密封布置；

图4D是根据本公开内容的教导构造的活塞致动器的第四示例性密封布置；

图5是图2的活塞致动器组件的拉杆布置的俯视平面视图。

图6是根据本公开内容的第二示例性布置的教导组装的活塞致动器的不同拉杆布置的俯视平面视图；

图7是描绘实验结果的曲线图，该实验结果示出了当活塞致动器涉及根据本公开内容的教导的拉杆布置中的拉杆的数量时，活塞致动器的性能的环阻力和有效面积分析；以及

图8是描绘实验结果的曲线图，该实验结果示出了当活塞致动器涉及根据本公开内容的教导的拉杆布置中的拉杆的数量时，活塞致动器的性能的拉杆故障和泄漏分析。

具体实施方式

现在转向图2，根据本公开内容的教导构造控制阀组件40，并且该控制阀组件40包括可操作地耦接到致动器44的控制阀42。控制阀42包括具有入口52、出口56的阀本体48，以及限定在入口52和出口56之间的流动路径60。控制元件64设置在流体流动路径60中以控制通过阀42的流体流动，并且可以在打开位置(在该打开位置中控制元件64与阀座46间隔开)和关闭位置(在该关闭位置中控制元件64座靠在阀座46上)之间移位。致动器44经由阀帽66和轭68附接到阀本体48，并且致动器44可操作以将控制元件64在打开位置和关闭位置之间移位。致动器44包括具有纵向轴线Y、第一端74、和第二端78的气缸70。在第一端74和第二端78 之间，气缸70限定了与周围环境流体密封的内部腔体82。活塞84设置在腔体80内，并且可以在朝向气缸70的第一端74设置的第一位置和朝向气缸70的第二端78设置的第二位置之间滑动。致动器杆88包括可操作地耦接到活塞84的第一端90和可操作地耦接到控制元件64的第二端94。如图 2所示，致动器杆88连接到阀杆96，阀杆96又被耦接到控制元件64。然而，在其它示例中，致动器杆88可以耦接到杆适配器或其它部件以将致动器杆88连接到垂直对准的滑动阀杆96。控制阀42不限于滑动杆控制阀42 (如图2所示)，并且可以是旋转阀。

如所示出的，致动器44的活塞84相对于纵向轴线Y进行垂直取向并将腔体80分成两个腔室。活塞84包括第一表面100和第二表面104，每个表面100、104都可以为活塞84提供有效面积A_P，该有效面积A_P可以有效地产生对致动器杆88的推力。致动器杆88与气缸70的纵向轴线Y对准并且从活塞84的第一表面100延伸穿过气缸70的第二端78。活塞84被布置为使致动器杆88与控制阀42的阀杆96同轴对准。O形环108设置在活塞 84与气缸70的侧壁116之间、形成于活塞84的外边缘112中的凹槽中。 O形环108提供腔体80的上腔室120与下腔室124之间的流体紧密密封，在其中上腔室120部分地由第一端74、气缸70的侧壁116和活塞84的第一表面100进行限定；下腔室124部分地由活塞84的第二表面104、侧壁 116和气缸70的第二端78进行限定。还可以在致动器杆88和活塞84之间以及在致动器杆88和第二端78之间分别提供附加的O形环(诸如O形环 126、128)，以密封致动器杆88。可以提供其它密封设备(诸如填密组件、波纹管密封件、滑动密封件、密封保持器组件、T密封件)以及其它适合的机构。在其它示例中，致动器44可以具有比如图2和图3所示的致动器44 更多或更少的密封件。

所示示例的致动器44是气动活塞致动器44，该气动活塞致动器44被配置为通过将加压气体施加和/或释放到一个或多个腔室120、124中以产生压力不平衡，来使活塞84沿着纵向轴线Y移动，并因此使致动器杆88移动。当一个腔室120、124中的压力大于另一个腔室中的压力时，活塞84 上的压力不平衡存在于气缸70的腔体80内，并且活塞84沿着纵向轴线Y 在第一端74和第二端78之间垂直移位，从而相应地压缩或扩大上腔室120 和下腔室124。理想地，每一个腔室120、124内的压力都均匀地分配到活塞84的第一表面100和第二表面104的有效面积。

通过将三个内部拉杆并入到致动器44，如果压力不均匀地分布到活塞表面100、104，则活塞84以在其它致动器配置中可能不可实现的方式不太可能倾斜(tilt)。在图2和图3的致动器44中，第一拉杆130、第二拉杆 134和第三拉杆138可操作地耦接到气缸70，并且第一拉杆130、第二拉杆 134和第三拉杆138中的每一个拉杆都延伸通过腔体80和活塞84并且以流体紧密连接的方式接合第一端74、第二端78和气缸70。拉杆130、134、 138中的每个拉杆都延伸穿过活塞84的对应的孔，以允许活塞84相对于拉杆130、134、138在纵向方向上滑动。转向图3，详细示出了第一拉杆130。第二拉杆134和第三拉杆138相同地被构造，并以与第一拉杆130相同的方式布置在致动器44内。然而，第二拉杆134的许多部件和布置在图2和图3中的视图中被隐藏起来，因此，将理解的是，相对于致动器44与第一拉杆130相关联的所有部分和关系等同地应用于第二拉杆134和第三拉杆 138，尽管类似的部件和部分可能不可见或者没有标注在图中。

如图2和图3所示，第一拉杆130从气缸70的第一端74的外部延伸并穿过气缸70的腔体80和活塞84。第一拉杆130具有第一端140和第二端142，该第一端140由螺母152紧固到气缸70的第一端74，并且该第二端142与气缸70的第二端78螺纹连接而终止。活塞84包括第一孔160，第一孔160的尺寸被设定为接收第一拉杆130，并且第一拉杆130延伸穿过活塞84的第一孔160。拉杆130、134、138平行于致动器杆88和纵向轴线 Y而取向。在第一孔160处，第一密封件172和第二密封件174被布置在活塞84和第一拉杆130之间，以密封第一腔室120和第二腔室124免受拉杆130和活塞84的孔160之间的任何泄漏。活塞84还包括第二孔和第三孔，其每个孔的尺寸都被设定为接收第二拉杆134和第三拉杆138中的一个，并且密封件被布置在第二拉杆134、第三拉杆138和活塞84之间。延伸穿过活塞的对应的孔的拉杆中的每一个都允许活塞相对于拉杆在纵向方向上滑动。

每个拉杆130、134、138与活塞84密封接合，并且图4A-4D示出了可以并入在本公开内容的活塞致动器44中的不同的密封布置。在图4A的第一示例中，第一O形环172a和第二O形环174a将第一拉杆130a与活塞 84a可密封地进行耦接。在活塞84a与拉杆130a之间提供了穿过活塞84a 的第一孔160a设置的拉杆130a以及第一O形环172a和第二O形环174a。活塞84a包括第一凹槽196a和第二凹槽197a，并且每个凹槽196a、197a 的尺寸都被设定为分别接收第一O形环172a和第二O形环174a。第一凹槽196a和第二凹槽197a设置在活塞84a的孔160a内。在图4B所示的另一个示例中，活塞84b包括凹槽196b，凹槽196b的尺寸被设定为接收填密组件172b，从而在拉杆130b和活塞84b之间提供密封件。图4C示出了与活塞84c密封接合的拉杆130c的又一个示例。在该示例中，波纹管密封件 172c设置在形成于活塞84c中的凹槽196c内以将活塞84c和拉杆130c密封。在图4D中，弹性体密封件172d设置在形成于活塞84d中的凹槽196d 内以密封活塞84d和拉杆130d。弹性体密封件172d包括T形密封件175d以及设置在形成于T形密封件175d中的凹槽内的上环形174d和下环形 173d。尽管图4A-4D中的密封件172a、174a、172b、172c、172d中的任何一个可以并入到根据本公开内容的教导构造的致动器中，但是图2和图3 的致动器44提供了在拉杆130、134、138和活塞84之间的一个或多个O 形环。然而，可以提供其它适合的密封布置。

返回图2和图3，气缸70的第一端74是第一端盖180(该第一端盖180 可以是板)，并且包括尺寸被设定为接收第一拉杆130的第一孔184。第一端盖180还包括尺寸被设定为接收第二拉杆134和第三拉杆138中的一个的第二孔和第三孔。在第一端盖180的第一孔184处，第三O形环176和第四O形环178被放置在第一端盖180和第一拉杆130之间，并且更具体地，第三O形环176设置为与气缸70的腔体80相邻，并且第四O形环178 设置为与第一端盖180的外表面相邻。第一端盖180的第一孔184与活塞84的第一孔160对准，使得第一拉杆130延伸穿过第一端盖180的孔184 并穿过活塞84的孔160。同样地，活塞84的第二孔和第三孔与第一端盖 180的第二孔和第三孔对准，并且O形环被放置在第二拉杆134、第三拉杆 138和第一端盖180之间。第一端盖180的孔(例如，第一孔184)与活塞 84的孔(例如，第一孔160)之间的轴向对准，以及拉杆130、134、138 和致动器杆88的平行取向确保了活塞84在操作期间在第一位置和第二位置之间平稳地行进，并且无需干涉致动器杆88的对准。内部拉杆130、134、 138还改善了活塞84的对准和稳定性。

第一端盖180和活塞84与第二端78平行，第二端78在所示示例中是第二端盖或板190。第二端盖190可螺纹地耦接到每个拉杆130、134、138 的第二端(例如，第二端142)。第二端盖190包括第一开口192，第一开口192的尺寸被设定为接收第一拉杆130的第二端142。第一开口192可以包括被布置为与第一拉杆130的第二端142的外螺纹螺纹耦接的内螺纹。第五O形环186设置在第二端盖190的第一开口192处以密封拉杆130。第二端盖190包括第二开口和第三开口以接收第二拉杆134和第三拉杆138 的第二端，并且O形环被放置在第二拉杆134、第三拉杆138和第二端盖 190之间。

为了密封气缸70的腔体80并将拉杆130、134、138组装到致动器44，第一拉杆130、第二拉杆134和第三拉杆138被设置为穿过第一端盖180的孔(例如，与第一拉杆130有关的孔184)并穿过活塞84的孔(例如，与第一拉杆130有关的孔160)。每个拉杆130、134、138的第二端(例如，第一拉杆130的第二端142)都被螺纹地耦接到形成于气缸70的第二端盖 190中的开口中的一个。O形环(例如，O形环172、174、176、178)被放置在每个拉杆130、134、138与第二端盖190、活塞84、和第一端盖180 中的每个之间。多个螺母(例如，螺母152)螺纹连接到拉杆130、134、 138的第一端(例如，第一端140)，并被紧紧地紧固以使腔体80与周围环境密封隔开。

设置在每个拉杆130、134、138和活塞84之间的第一O形环172和第二O形环174流体密封腔体80的第一腔室120和第二腔室124。另外，设置在每个拉杆130、134、138与第一端盖180之间的第三O形环176和第四O形环178，以及设置在每个拉杆130、134、138与第二端盖190之间的第五O形环194将拉杆130、134、138与周围环境密封隔开。根据本公开内容的教导构造的其它示例可以包括比图3中示出的布置更多或更少的 O形环。尽管附加的O形环可以限制由于拉杆导致的内部和外部泄漏的情况，但是每个附加的O形环都可能增加对活塞滑动性的附加阻力。

如图5最佳所示，第一拉杆130、第二拉杆134和第三拉杆138被配置在拉杆布置200中以支撑活塞84的滑动移动并确保致动器杆88与气缸70 的纵向轴线Y对准。因为由致动器杆88和每个拉杆130、134、138在第一位置和第二位置之间引导活塞84，所以拉杆布置200可以提高活塞84以及致动器杆88与阀杆96的同轴对准。

第一拉杆130、第二拉杆134、第三拉杆138以及活塞84的对应的孔以围绕纵向轴线Y的对称图案被布置。拉杆130、134、138和活塞84的孔被布置为限制活塞84围绕纵向轴线Y的旋转，并且还被布置为限制活塞 84围绕两个相互正交的横向轴线D、E的旋转。例如，三-拉杆布置200被限制围绕与纵向轴线Y正交的第一横向轴线D的旋转。类似地，三-拉杆布置200被限制围绕与纵向轴线Y正交并且与第一轴线D正交的第二横向轴线E的旋转。此外，三-拉杆布置200限制活塞84围绕纵向轴线Y的扭转。三角形拉杆布置200限制活塞84的自由度，由此限制在操作期间对O形环 108的磨损。由第一拉杆130的O形环172、174提供的对活塞行程的任何阻力与由第二拉杆134和第三拉杆138的O形环提供的对活塞行程的任何阻力平衡。因此，活塞84的表面100、104在整个活塞冲程中相对于纵向轴线Y保持垂直。在另一个示例中，三-拉杆布置200可以不与致动器88 平行，但仍然可以将活塞84引导在气缸70内。三-拉杆布置200还提供了比双-拉杆布置更多的结构稳定性。

每个拉杆130、134、138和活塞84的对应孔与纵向轴线Y间隔开半径 A1。例如，距离R1是活塞84的半径(由气缸70的内半径表示，即，纵向轴线Y与侧壁116上的任一点之间的距离)，并且每个拉杆130、134、138 与纵向轴线Y间隔开半径A1并且与侧壁116间隔开距离B1。在所示示例中，第一拉杆130、第二拉杆134、和第三拉杆138中的每个拉杆都与致动器杆88等距离间隔开，并且每个拉杆130、134、138也相对于纵向轴线Y 彼此等距离间隔开120度。通过将每个拉杆130、134、138定位为离开纵向轴线Y半径A1(其中半径A1等于半径B1)，致动器杆88的高推力可以平衡气缸70的外边缘202处的均匀密封力。然而，在其它示例中，拉杆布置200可以是不对称的，使得每个拉杆130、134、138彼此不均匀地间隔开或与纵向轴线Y不均匀地间隔开。

在某些示例中，取决于致动器44的期望结构特性，半径A1可以不等于距离B1，并且可以相应地改变拉杆布置200。例如，为了利用第一端盖180增加围绕气缸70的边缘202的密封力，半径A1可以大于距离B1。根据本公开内容的教导，每个拉杆130、134、138都可以以半径A1进行设置，其中A1的范围从大约1/4R1到大约3/4R1。也就是说，每个拉杆130、134、138的中心点都可以与纵向轴线Y间隔开半径A1，该半径A1在活塞84的半径R1的大约25％至活塞84的半径R1的大约75％的范围内。因此，从拉杆130、134、138到侧壁116的相对距离B1将在活塞84的半径R1(或气缸70的内径)的大约75％至气缸70的半径R1的大约25％的范围内。通过将每个拉杆130、134、138在范围的第一端处(在半径R1的大约25％处) 径向远离气缸70的纵向轴线Y进行布置，致动器杆88与活塞84的对准最大化。通过将每个拉杆130、134、138在范围的第二端处(在半径R1的大约75％处)径向远离气缸70的纵向轴线Y进行布置，在气缸70的外边缘处的密封被最大化。

每个拉杆130、134、138都具有可以落在特定范围内而不影响活塞84 的稳定性或对准的横截面面积204。根据本公开内容的教导，拉杆130、134、 138具有组合的横截面积A_T，该组合的横截面积A_T在活塞84的有效面积 A_P的约3％至活塞84的有效面积A_P的约20％的范围内。对于根据本公开内容的教导构造的每个拉杆130、134、138，横截面面积204小于常规拉杆的横截面面积，诸如图1C的致动器26的拉杆34。每个拉杆130、134、138 的直径范围从常规拉杆34的直径的85％至60％。当拉杆直径在该范围内时，活塞84可以具有与处于双-拉杆布置34中的活塞相同的有效面积A_P。根据本公开内容的方面，每个拉杆130、134、138的横截面面积204可以被减小到最小化的阻力并因此提高了节流。根据另一个方面，可以增加每个拉杆130、134、138的横截面面积204以提高强度。然而，横截面面积204可以基于与气缸内的压力有关的强度要求来确定。

虽然图5中的每个拉杆130、134、138都具有相等的横截面面积或厚度204，但是在其它示例中，每个拉杆130、134、138的厚度或横截面面积 204对于每个拉杆130、134、138而言可以不是相等的。拉杆130、134、 138的横截面面积A_T与拉杆130、134、138的强度成比例，以经受致动器的推力、从阀杆接收的力、以及致动器44中固有的其它力。拉杆130、134、 138的面积A_T与活塞84的有效面积A_P不成比例，因此，随着拉杆130、 134、138的面积A_T增加，活塞84的有效面积A_P减小并且因此稳定性可能降低。因此，本公开内容的拉杆布置200的横截面面积A_T落在平衡强度和稳定性的范围内。当拉杆太大时，活塞84的有效面积可能减小到对于致动器44的输出力而言太小的值。

图6是根据本公开内容的教导的活塞致动器的第二示例性拉杆布置 300。在该示例中，拉杆布置300包括可操作地耦接到气缸370并延伸穿过活塞的对应孔(未在图6中示出)以及气缸370的内部腔体380的第一拉杆330、第二拉杆334、第三拉杆338和第四拉杆342。四-拉杆布置300在与气缸370的纵向轴线Z平行的方向上可滑动地引导活塞384。四-拉杆布置300被布置为限制活塞围绕纵向轴线Z的旋转，并且还被布置为限制活塞围绕两个相互正交的横向轴线F、G的旋转。例如，四-拉杆布置300被限制围绕与纵向轴线Z正交的第一横向轴线F的旋转。类似地，四-拉杆布置300被限制围绕与纵向轴线Z正交并且与第一轴线F正交的第二横向轴线G的旋转。

每个拉杆330、334、338、342都相对于纵向轴线Z彼此等间距间隔90 度，从而形成对称的拉杆布置300。在所示的示例中，每个拉杆330、334、 338、342基本上与气缸370的侧壁316和致动器杆388径向等距。例如，距离R2是活塞的半径(由气缸370的内径表示，该内径是纵向轴线Z和气缸侧壁316上的任一点之间的距离)，并且每个拉杆330、334、338、342 都与纵向轴线Z间隔开半径A2并且与气缸370的侧壁316间隔开距离B2。通过将每个拉杆330、334、338、342定位为离开纵向轴线Z距离A2，其中距离A2等于距离B2，致动器杆388的推力可以平衡在气缸370的外边缘302处的密封力。然而，在其它示例中，拉杆布置300可以是不对称的，以使得每个拉杆330、334、338、342彼此不均匀间隔开或从纵向轴线Z不均匀间隔开。

在其它示例中，取决于拉杆布置300的期望的结构特征，A2可以不等于B2。例如，为了利用第一端盖增加围绕气缸370的外边缘302的密封力，半径A2可以大于距离B2。根据本公开内容的教导，每个拉杆330、334、 338、342可以以半径A2进行设置，其中A2在大约1/4R2至大约3/4R2的范围内。也就是说，每个拉杆330、334、338、342的中心点都可以与纵向轴线Z间隔开距离A2，该距离A2在气缸370的内径R2的大约25％至气缸370 的内径R2的大约75％的范围内。因此，来自拉杆330、334、338、342和侧壁316的相对距离B2将在气缸370的内径R2的大约75％至气缸370的内径R2的大约25％的范围内。通过将每个拉杆330、334、338、342在半径R2的大约25％的第一端处径向远离气缸370的纵向轴线Z进行布置，致动器杆388和活塞384的对准被最大化，并且将每个拉杆330、334、338、 342在半径R2的大约75％的第二端处径向远离气缸370的纵向轴线Z进行布置，在气缸370的外边缘302处的密封被最大化。

每个拉杆330、334、338、342的横截面面积304可以小于第一示例性拉杆布置200的每个拉杆130、134、138的横截面面积204，以使得拉杆 330、334、338、342不占据活塞384的显著更多的表面面积，因此不影响活塞的有效面积。每个拉杆330、334、338、342都具有可以落入特定范围内而不影响活塞384的稳定性或对准的横截面面积304。根据本公开内容的教导，拉杆330、334、338、342具有在活塞384的有效面积A_P2的大约3％至活塞384的有效面积A_P2的大约20％的范围内的组合的横截面积A_T2。对于根据本公开内容的教导构造的每个拉杆330、334、338、342，横截面面积304小于常规的拉杆(诸如图1C的拉杆34)的横截面面积。每个拉杆 330、334、338的直径的范围从常规拉杆直径的85％至60％。当拉杆直径处于该范围内时，活塞可以具有与双-拉杆布置34中的活塞相同的有效面积 A_P。该公式也适用于四个或更多个内部拉杆的布置。

虽然图6中的每个拉杆330、334、338、342都具有相等的横截面面积或厚度304，但是在其它示例中，每个拉杆330、334、338、342的厚度或横截面面积304对于每个拉杆330、334、338而言可能是不相等的。拉杆330、334、338、342的A_T2的横截面面积与拉杆330、334、338、342的强度成比例，以承受致动器的推力、从阀杆接收的力、以及致动器344中固有的其它力。拉杆330、334、338、342的面积A_T2与活塞384的有效面积 A_P2不成比例，因此，随着拉杆330、334、338、342的面积A_T2增加，活塞384的有效面积A_P2减小并且因此稳定性可能降低。因此，本公开内容的拉杆布置200的横截面积A_T落在平衡强度和稳定性的范围内。

进行对活塞致动器(诸如图2和图3的活塞致动器44)中的拉杆布置的性能分析，以确定增加内部拉杆的数量而没有负面影响活塞死区的可行性、活塞稳定性、对准、和精度。如图7的第一曲线图400所示，将拉杆增加到双-拉杆布置既增加了致动器泄漏的可能性也增加了对活塞行程的阻力(即，摩擦)。例如，第一曲线404针对增加到双-拉杆布置的每个拉杆追踪泄漏可能性的百分比增加。根据第一曲线404，三-拉杆布置比双拉杆布置多22％的可能泄漏，四-拉杆布置比双-拉杆布置多41％的可能泄漏，并且五-拉杆布置比双-拉杆布置多58％的可能泄漏。此外在图7中示出，第二曲线图408针对增加到拉杆布置的每个拉杆追踪由附加的O形环引起的对活塞行程的阻力的百分比增加。如曲线图400所示，第二曲线图408表明针对每个增加的拉杆，对活塞行程的O形环阻力以与第一曲线404相同的或基本相同的速率增加。

性能分析中还考虑了活塞的有效面积。外部拉杆并不延伸穿过活塞，并且因此使活塞的有效面积最大化。通过实现内部拉杆，可以减小活塞的有效面积，这是因为每个拉杆都占据不受力的活塞的横截面面积。图7的性能分析还考虑到当通过增加内部拉杆减小有效面积时对致动器性能的影响。通过最大化活塞的有效面积(即，使拉杆的厚度最小化)来确定每个拉杆的厚度或横截面面积，该活塞的有效面积可以满足每个拉杆的负载要求(即，每个拉杆可以承受而不会发生故障的负载)。如图7所示，内部拉杆在活塞的有效面积方面基本上不影响性能。在拉杆布置中具有每个增加的拉杆的情况下，每个拉杆的横截面面积被减小到最小限度地影响有效面积，而无需损害密封致动器气缸所需要的要求强度。当拉杆的横截面面积 A_T落入活塞的有效面积A_P的大约3％至活塞84的有效面积的大约20％的范围内时，针对每个增加的拉杆的活塞的有效面积A_P并未显著影响致动器性能、质量或耐久性。

在图8的第二曲线图500中，对比针对一-拉杆布置、双-拉杆布置、三 -拉杆布置、四-拉杆布置和五-拉杆布置中的每个追踪拉杆故障(例如，断裂)的可能性的第二曲线508，测量追踪活塞致动器中的拉杆布置的泄漏的可能性的图7的曲线。随着拉杆布置的每个附加拉杆，拉杆故障的可能性降低。然而，第二曲线508在五拉杆布置的情况下基本上平稳(plateaus)，表明具有五个或更多个拉杆的布置并不显著降低拉杆故障的可能性。例如，当将第三拉杆增加到双-拉杆布置时，拉杆故障的可能性从50％降低到33％，并且当将第五拉杆增加到四-拉杆布置时，拉杆故障的可能性从25％最小地降低到20％。因此，具有四-拉杆布置或更多拉杆布置的致动器在强度和稳定性方面将表现稍好，但在O形环泄漏方面将逐渐变差。因此，图8表明用于活塞致动器的最佳拉杆布置包括三个内部拉杆或四个内部拉杆。在三个或四个拉杆的情况下，基本平衡了泄漏和强度的性能的折衷。例如，在与双-拉杆布置的情况下可能无法实现相比的情形中，内部拉杆在活塞行程期间增加了活塞的对准，因此提高了活塞的O形环的使用寿命。内部拉杆还增加了致动器杆的稳定性，提高了致动器的效率，并因此使活塞死区最小化。与常规的活塞致动器相比，三个和四个内部拉杆布置在维护访问之间延长了致动器的操作时间。尽管当将每个拉杆增加到双-拉杆布置时阻力增加，但是根据本公开内容的方面，由三-拉杆布置提供的益处(诸如活塞和冲程稳定性和对准)超过了与阻力有关的潜在的折衷。另外，内部三-拉杆布置可以以在五个或更多个外部拉杆布置的情况下可能无法实现的方式降低成本和复杂性。因此，根据本公开内容的教导构造的活塞致动器需要较少的维护。

因此，图7和图8的性能分析400、500示出了具有三个或四个内部拉杆的活塞致动器可以平衡强度、稳定性、对准和泄漏之间的折衷。内部拉杆布置(诸如图5和图6的布置200、300)可以以垂直取向或水平取向的方式进行并入。垂直取向的活塞致动器可以并入内部拉杆布置200、300中的一个以形成更简化的活塞致动器。本公开内容的致动器被简化以及紧凑同时具有改进的活塞稳定性。而且，内部拉杆布置200、300可以提供致动器杆88的改进的对准精度。三-拉杆布置(诸如图2-5的布置200)对于满足垂直取向的活塞致动器44的强度和稳定性要求而言是最佳的。执行三个或四个内部拉杆足以承受高推力而不会大大增加致动器泄漏的可能性。布置200和300减少了活塞的倾斜，并降低了摩擦，从而减少了活塞的O形环磨损。通过将全部拉杆的数量减少到三个或四个内部拉杆，减少了与用于组装更复杂的致动器的附加部件和时间相关联的成本。五个或更多个内部拉杆布置可能增加了对活塞行程的阻力、增加的复杂性，并因此使制造和组装成本增加，并且增加了泄漏的可能性。

本文所公开的拉杆布置200、300为任何致动器取向提供了用于连续控制节流的稳定性。拉杆布置200、300中的每一个都可以并入在不同的水平取向和垂直取向的致动器(诸如Fisher 585C活塞致动器、Fisher 685活塞致动器和G系列气动和液压致动器)中。

本文提供的附图和描述仅为了说明的目的描绘和描述了用于控制阀组件和致动器的拉杆布置的优选示例。本领域的技术人员将从前面的讨论中容易地认识到，在不脱离本文所描述的原理的情况下，可以采用本文所例示的部件的替代示例。因此，在阅读本公开内容时，本领域的技术人员将理解用于拉杆布置和致动器的另外的替代的结构和功能设计。因此，尽管已经示出和描述了特定的示例和应用，但应该理解的是，所公开的示例不限于本文所公开的精确构造和部件。在不脱离所附权利要求限定的精神和范围的情况下，可以在本文公开的方法和部件的布置、操作和细节中做出对本领域技术人员显而易见的各种修改、改变和变化。

Claims (20)

1.一种控制阀组件，所述组件包括：

控制阀，所述控制阀包括阀本体和控制元件，所述阀本体具有入口和出口，并限定了位于所述入口与所述出口之间的流动路径，所述控制元件设置在流体流动路径中以控制流体流动，所述控制元件能够在打开位置与关闭位置之间移动；

致动器，所述致动器可操作地耦接到所述阀本体并具有致动器杆，所述致动器杆可操作地耦接到所述控制元件，所述致动器被布置为使所述控制元件在所述打开位置与所述关闭位置之间移动；

所述致动器包括具有纵向轴线、第一端盖、第二端盖的气缸，并限定了内部腔体；

所述致动器包括活塞，所述活塞被设置在所述内部腔体内，并能够在朝向所述第一端盖设置的第一位置与朝向所述第二端盖设置的第二位置之间移动，所述活塞耦接到所述致动器杆并具有至少三个孔；以及

至少三个拉杆，所述至少三个拉杆延伸穿过与所述纵向轴线平行的所述内部腔体，并接合所述第一端盖和所述第二端盖，所述拉杆中的每个拉杆都延伸穿过所述活塞的孔中的一个对应的孔，以允许所述活塞相对于所述拉杆在纵向方向上滑动；

所述至少三个拉杆和所述多个孔以对称图案围绕所述纵向轴线进行布置，并与所述纵向轴线间隔开半径R；并且

其中，所述拉杆和所述活塞的孔被布置为限制所述活塞围绕所述纵向轴线的旋转，并且还被布置为限制所述活塞围绕两个相互正交的横向轴线的旋转。

2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述半径R是所述活塞的半径的1/4至3/4。

3.根据权利要求1或2所述的组件，其中，所述活塞的所述至少三个孔中的每个孔都包括凹槽，所述凹槽的尺寸被设定为接收设置在所述孔与所述对应的拉杆之间的密封件。

4.根据权利要求1或2所述的组件，其中，所述活塞的所述至少三个孔中的每个孔都包括多个凹槽，所述多个凹槽中的每个凹槽的尺寸都被设定为接收设置在所述孔与所述对应的拉杆之间的密封件。

5.根据权利要求3或4所述的组件，其中，设置在每个凹槽中的所述密封件是O形环、填密组件、密封衬套和滑动密封件中的至少一个。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的组件，其中，所述至少三个拉杆具有组合的横截面面积A_T，并且所述活塞具有有效面积A_P，所述拉杆的横截面面积A_T的范围从所述活塞的所述有效面积A_P的3％到所述活塞的所述有效面积A_P的20％。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的组件，其中，所述半径R是所述活塞的半径的1/2。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的组件，其中，所述至少三个拉杆相对于所述致动器杆平行。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的组件，其中，所述半径R是所述活塞的半径的1/2。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的组件，其中，不多于三个拉杆可操作地被耦接到所述气缸。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的组件，其中，所述控制阀是滑动杆阀和旋转阀中的一个。

12.一种与控制阀一起使用的活塞致动器组件，所述组件包括：

致动器，所述致动器具有可操作地耦接到控制阀的控制元件的致动器杆，所述致动器被布置为使所述控制元件在打开位置与关闭位置之间移动；

所述致动器包括具有纵向轴线、第一端、第二端的气缸，并限定内部腔体；

所述致动器包括活塞，所述活塞设置在所述内部腔体内，并能够在朝向所述气缸的所述第一端设置的第一位置与朝向所述气缸的所述第二端设置的第二位置之间移动，所述活塞耦接到所述致动器杆并具有至少三个孔；以及

至少三个拉杆，所述至少三个拉杆延伸穿过与所述纵向轴线平行的所述内部腔体，并接合所述气缸的所述第一端和所述第二端，所述至少三个拉杆中的每个拉杆都延伸穿过所述活塞的所述至少三个孔中的一个对应的孔，以允许所述活塞相对于所述至少三个拉杆在纵向方向上滑动；

所述至少三个拉杆和所述至少三个孔与所述纵向轴线间隔开半径R；并且

其中，所述至少三个拉杆和所述活塞的所述至少三个孔被布置为限制所述活塞围绕所述纵向轴线的旋转，并且还被布置为限制所述活塞围绕两个相互正交的横向轴线的旋转。

13.根据权利要求12所述的组件，其中，所述半径R是所述活塞的半径的1/4至3/4。

14.根据权利要求12或13所述的组件，其中，所述活塞的所述至少三个孔中的每个孔都包括凹槽，所述凹槽的尺寸被设定为接收设置在所述孔与所述对应的拉杆之间的密封件。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的组件，其中，所述活塞的所述至少三个孔中的每个孔都包括多个凹槽，所述多个凹槽中的每个凹槽的尺寸都被设定为接收设置在所述孔与所述对应的拉杆之间的密封件。

16.根据权利要求14或15中任一项所述的组件，其中，设置在每个凹槽中的所述密封件是O形环、填密组件、密封衬套和滑动密封件中的至少一个。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的组件，其中，所述至少三个拉杆中的每个拉杆的直径的范围从常规的拉杆的直径的85％到60％。

18.根据权利要求12至17中任一项所述的组件，其中，所述至少三个拉杆相对于所述致动器杆平行。

19.根据权利要求12至18中任一项所述的组件，还包括第四拉杆，所述第四拉杆可操作地耦接到所述气缸，所述活塞包括与所述第四拉杆相对应的第四孔，所述第四拉杆延伸穿过所述活塞的所述第四孔并且穿过所述气缸的内部腔体。

20.根据权利要求12至18中任一项所述的组件，其中，不多于三个拉杆可操作地耦接到所述气缸。