CN111427258B - 多冗余伺服控制故障安全型直行程快速切断执行机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多冗余伺服控制故障安全型直行程快速切断执行机构，包括动力机构、动力切换机构、传动系统和多冗余安全执行机构；动力机构带动传动系统实现行程输出；动力机构包括电力驱动系统和手动操作系统；动力切换机构用于实现电力驱动系统和手动操作系统之间的切换；多冗余安全执行机构用于当电力驱动系统失电时对电动执行机构进行关断。本发明提供一种多冗余伺服控制故障安全型直行程快速切断执行机构，将“交流伺服电直驱”和“多冗余”的思想应用到传统电动执行器的设计过程中去，从而增加电动执行器的安全性、简化电动执行器的结构、优化电动执行器的空间布局、提高电动执行器的工作效率、降低电动执行器的能耗。
Description
技术领域
本发明涉及电动执行机构技术领域，具体涉及一种多冗余伺服控制故障安全型直行程快速切断执行机构。
背景技术
近年来，随着过程自动化控制过程中的安全要求与日俱增，尤其在石油石化等领域，其系统对大口径阀的安全需求已十分迫切。
传统电动执行器主要包括固定壳体、电机、减速器、减速器输出轴、螺母、丝杠以及操控电机运行的控制系统组成。其工作原理主要是：通过控制系统操控电机运动，电机带动减速器工作，减速器输出轴与丝杠相连接，转动螺母从而实现直行程运动。但传统电动执行器存在以下缺点：①由于动力源来自于电力系统，当事故或者其它原因造成电力系统停电，电动执行器不能将阀门动作到安全需求位置，从而造成人员伤亡和财产损失；②使用普通交流电机转速无法调节，还需要减速器来降低转速，结构复杂；③没有手轮装置，不能切换为手动模式操控行程上下；④使用螺母作为行程输出端，对于螺母的加工要求增高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种多冗余伺服控制故障安全型直行程快速切断执行机构，将“交流伺服电直驱”和“多冗余”的思想应用到传统电动执行器的设计过程中去，从而增加电动执行器的安全性、简化电动执行器的结构、优化电动执行器的空间布局、提高电动执行器的工作效率、降低电动执行器的能耗。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种多冗余伺服控制故障安全型直行程快速切断执行机构，其特殊之处在于：
包括动力机构、动力切换机构、传动系统和多冗余安全执行机构；
所述动力机构带动传动系统实现行程输出；
所述动力机构包括电力驱动系统和手动操作系统；
所述动力切换机构用于实现电力驱动系统和手动操作系统之间的切换；
所述多冗余安全执行机构用于当电力驱动系统失电时对电动执行机构进行关断。
进一步地，上述传动机构包括异形螺母、丝杠，异形螺母与丝杠之间螺纹连接。
进一步地，上述电力驱动系统包括中间定子结构盘式交流伺服电机，中间定子结构盘式交流伺服电机的动力输出端与异形螺母固连。
进一步地，上述手动操作系统包括包括手轮和减速器；所述减速器包括行星齿轮组，行星齿轮组包括行星齿轮组太阳齿轮、行星齿轮组行星小齿轮和行星齿轮架，手轮与行星齿轮组太阳齿轮相连，行星齿轮组太阳齿轮与行星齿轮组行星小齿轮之间相啮合，行星齿轮架与行星齿轮组行星小齿轮配合。
进一步地，上述动力切换机构包括离合器接合套、拨叉，所述离合器接合套通过花键与异形螺母连接；离合器接合套可通过花键沿着异形螺母滑动，行星齿轮架可通过花键与离合器接合套结合传递扭矩，拨叉与离合器接合套连接。
进一步地，还包括电磁抱闸制动电磁铁、电磁抱闸闸瓦制动器，所述电磁抱闸闸瓦制动器与异形螺母连接。
进一步地，还包括盘式电机第一异形外壳、盘式电机第二异形外壳、直线电机外壳；盘式电机第一异形外壳和直线电机外壳分别固定在盘式电机第二异形外壳的两端；中间定子结构盘式交流伺服电机和电磁抱闸制动电磁铁设置在盘式电机第二异形外壳内，所述多冗余安全执行机构包括第一U型槽直线电机和第二U型槽直线电机；
直线电机外壳底部固连有直线电机端盖，第一U型槽直线电机和第二U型槽直线电机固定在直线电机端盖上，第一U型槽直线电机和第二U型槽直线电机上安装有异形直线电机动子，异形直线电机动子与丝杠固连。
进一步地，上述第一U型槽直线电机和第二U型槽直线电机结构相同，所述第一U型槽直线电机包括U型槽，U型槽上固连有磁钢固定板，U型槽外侧固连有第一滑轨顶块和第二滑轨顶块，第一滑轨顶块和第二滑轨顶块中间固连有直线滑轨，直线滑轨上配合安装有直线滑块，直线滑块上固连有运动安装板，运动安装板与异形直线电机动子固连。
进一步地，上述中间定子结构盘式交流伺服电机包括固连在盘式电机第一异形外壳上的盘式伺服电机中间定子，盘式伺服电机中间定子上安装有绕组线圈，盘式伺服电机中间定子的两侧分布着固连有永磁铁组的盘式伺服电机转子轭，盘式伺服电机转子轭与异形螺母相固连。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明使用了中间定子结构盘式交流伺服电机，该电机结构紧凑，轴向尺寸短，占用体积小，采用无铁心电枢结构，不存在普通圆柱式电机由于齿槽引起的转矩脉动，转矩输出平稳；该电机不存在磁滞和涡流损耗，可获得较高的效率，节省能源；该电机绕组电感小，具有良好的换向性能；该电机绕组两端面留有气隙，可以与空气直接接触，利于散热；该电机为交流伺服驱动，可以调速直驱，避免了繁复的减速机构；
(2)本发明设计了离合器以实现自动和手动档位控制，当离合器向下拨动时，螺母仅与电机连接，此时为电动控制，当电机断电或失电时，将离合器拨向上方可将手轮以及行星齿轮组与螺母连接，从而实现手动控制，达到省力的效果，在断电等紧急情况下手动操作以较少损失并提高安全性；
(3)本发明使用了多冗余思想，在本机构连接的阀门打开的情况下，若突发事故或者其它原因造成盘式交流伺服电机故障时，直线电机Ⅰ开启，使动子PCB作直线运动，并带动丝杠作旋转运动，同时螺母反向旋转，从而关闭阀门，而当盘式交流伺服电机和直线电机Ⅰ均产生故障时，直线电机Ⅱ开启，利用相同原理关闭阀门，能够有效避免人员伤亡和财产损失；
(4)本发明设计了丝杠作为作用端，可以降低在使用螺母作为作用端时的加工复杂性，而且可以节省空间。
附图说明
图1是本发明的正面结构示意图；
图2是本发明的正面剖视图；
图3是本发明中间定子结构盘式交流伺服电机的正面结构示意图；
图4是本发明中间定子结构盘式交流伺服电机的正面剖视图；
图5是本发明U型槽直线电机的结构示意图；
图中标号说明：
1、盘式电机第一异形外壳，2、中间定子结构盘式交流伺服电机，3、异形螺母，4、丝杠，5、盘式电机第二异形外壳，6、电磁抱闸制动电磁铁，7、电磁抱闸闸瓦制动器，8、手轮，9、盘式电机端盖，10、行星齿轮组太阳齿轮，11、行星齿轮组行星小齿轮，12、行星齿轮架，13、深沟球轴承，14、离合器接合套，15、拨叉，16、直线电机外壳，17、直线电机端盖，18、第一U型槽直线电机，19、第二U型槽直线电机，20、异形直线电机动子，21、盘式伺服电机中间定子，22、绕组线圈，23、永磁铁组，24、盘式伺服电机转子轭，25、U型槽，26、磁钢固定板，27、第一滑轨顶块，28、第二滑轨顶块，29、直线滑轨，30、直线滑块，31、运动安装板。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
如附图1、图2所示，多冗余伺服控制故障安全型直行程快速切断执行机构，包括盘式电机第一异形外壳1，盘式电机第一异形外壳1下端固连有盘式电机第二异形外壳5，盘式电机第二异形外壳5内安装有中间定子结构盘式交流伺服电机2，中间定子结构盘式交流伺服电机2内部安装有异形螺母3，异形螺母3内部配合安装有丝杠4。
盘式电机第二异形外壳5内安装有电磁抱闸制动电磁铁6，电磁抱闸制动电磁铁6下端安装有电磁抱闸闸瓦制动器7，电磁抱闸闸瓦制动器7与异形螺母3相固连。
手轮8穿过固定在盘式电机第一异形外壳1上端的盘式电机端盖9与行星齿轮组太阳齿轮10相连，行星齿轮组太阳齿轮10外侧配合有行星齿轮组行星小齿轮11，行星齿轮组行星小齿轮11外侧配合有行星齿轮架12，行星齿轮架12上装配有深沟球轴承13，深沟球轴承13的外圈装配在盘式电机第一异形外壳1上，行星齿轮架12下端配合安装有离合器接合套14，离合器接合套14外侧安装有拨叉15。
直线电机外壳16固连在盘式电机第二异形外壳5的下端，直线电机外壳16底部固连有直线电机端盖17，直线电机端盖17上分别固连有第一U型槽直线电机18和第二U型槽直线电机19，第一U型槽直线电机18和第二U型槽直线电机19上安装有异形直线电机动子20，异形直线电机动子20上固连有丝杠4。
如附图3、图4所示，中间定子结构盘式交流伺服电机2，包括固连在盘式电机第一异形外壳1上的盘式伺服电机中间定子21，盘式伺服电机中间定子21上安装有绕组线圈22，盘式伺服电机中间定子21的两侧分布着固连有永磁铁组23的盘式伺服电机转子轭24，盘式伺服电机转子轭24与异形螺母3相固连。
如附图5所示，第一U型槽直线电机18和第二U型槽直线电机19结构完全相同，包括U型槽25，U型槽25上固连有磁钢固定板26，U型槽25外侧固连有第一滑轨顶块27和第二滑轨顶块28，第一滑轨顶块27和第二滑轨顶块28中间固连有直线滑轨29，直线滑轨29上配合安装有直线滑块30，直线滑块30上固连有运动安装板31，运动安装板31上固连有异形直线电机动子20。
本发明的工作原理为：
(1)本发明中间定子结构盘式交流伺服电机2驱动丝杠4升降的具体原理为：
通过给盘式伺服电机中间定子21的绕组线圈22通电，盘式伺服电机中间定子21的绕组通电后使得盘式伺服电机转子轭24转动，从而带动异形螺母3同步旋转，异形螺母3与丝杠4螺纹配合且不自锁，异形螺母3旋转带动丝杠4上下运动，从而完成上下动作。当中间定子结构盘式交流伺服电机2带动异形螺母3和丝杠4运动时，电磁抱闸制动电磁铁6断电，与电磁抱闸闸瓦制动器7分离，当中间定子结构盘式交流伺服电机2停止运动时，电磁抱闸制动电磁铁6通电，与电磁抱闸闸瓦制动器7抱合，异形螺母3与电磁抱闸闸瓦制动器7一起停止转动，从而实现丝杠4制动。
(2)本发明U型槽直线电机实现故障后关断的具体原理为：
当事故或者其它原因造成盘式交流伺服电机故障时，中间定子结构盘式交流伺服电机2和电磁抱闸制动电磁铁6同时失电，电机内无转矩，丝杠4和异形螺母3处于自由转动状态，第一U型槽直线电机18开启，使异形直线电机动子20作直线运动，并带动丝杠4作直线运动，从而实现故障后快速关断。当第一U型槽直线电机18也出现故障时，第二U型槽直线电机19开启，使异形直线电机动子20作直线运动，并带动丝杠4作直线运动，从而实现故障后快速关断。
(3)本发明自动与手动档位切换的具体原理为：
当拨叉15位置为下时，离合器接合套14仅与异形螺母3通过连接，异形螺母3转动带动丝杠4上下移动，此时为电机控制档位，当电磁抱闸制动电磁铁6失电时，向上搬动拨叉15，从而切换为手动控制模式，此时转动手轮8，手轮8带动行星齿轮组太阳齿轮10转动，行星齿轮组太阳齿轮10带动行星齿轮组行星小齿轮11转动，行星齿轮组行星小齿轮11带动行星齿轮架12转动，行星齿轮架12通过花键与离合器接合套14连接，离合器接合套14通过花键与异形螺母3连接，异形螺母3转动带动丝杠4上下移动，从而实现省力的手动控制。
以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种多冗余伺服控制故障安全型直行程快速切断执行机构，其特征在于：
包括动力机构、动力切换机构、传动机构和多冗余安全执行机构；
所述动力机构带动传动机构实现行程输出；
所述动力机构包括电力驱动系统和手动操作系统；
所述动力切换机构用于实现电力驱动系统和手动操作系统之间的切换；
所述多冗余安全执行机构用于当电力驱动系统失电时对执行机构进行关断；
所述传动机构包括异形螺母(3)、丝杠(4)，异形螺母(3)与丝杠(4)之间螺纹连接；
所述电力驱动系统包括中间定子结构盘式交流伺服电机(2)，中间定子结构盘式交流伺服电机(2)的动力输出端与异形螺母(3)固连；
所述手动操作系统包括手轮(8)和减速器；
所述减速器包括行星齿轮组，行星齿轮组包括行星齿轮组太阳齿轮(10)、行星齿轮组行星小齿轮(11)和行星齿轮架(12)，手轮(8)与行星齿轮组太阳齿轮(10)相连，行星齿轮组太阳齿轮(10)与行星齿轮组行星小齿轮(11)之间相啮合，行星齿轮架(12)与行星齿轮组行星小齿轮(11)配合；
所述动力切换机构包括离合器接合套(14)、拨叉(15)，所述离合器接合套(14)通过花键与异形螺母(3)连接；离合器接合套(14)可通过花键沿着异形螺母(3)滑动，行星齿轮架(12)可通过花键与离合器接合套(14)结合传递扭矩，
拨叉(15)与离合器接合套(14)连接；
还包括电磁抱闸制动电磁铁(6)、电磁抱闸闸瓦制动器(7)，所述电磁抱闸闸瓦制动器(7)与异形螺母(3)连接；
还包括盘式电机第一异形外壳(1)、盘式电机第二异形外壳(5)、直线电机外壳(16)；盘式电机第一异形外壳(1)和直线电机外壳(16)分别固定在盘式电机第二异形外壳(5)的两端；
中间定子结构盘式交流伺服电机(2)和电磁抱闸制动电磁铁(6)设置在盘式电机第二异形外壳(5)内，
所述多冗余安全执行机构包括第一U型槽直线电机(18)和第二U型槽直线电机(19)；
直线电机外壳(16)底部固连有直线电机端盖(17)，第一U型槽直线电机(18)和第二U型槽直线电机(19)固定在直线电机端盖(17)上，第一U型槽直线电机(18)和第二U型槽直线电机(19)上安装有异形直线电机动子(20)，异形直线电机动子(20)与丝杠(4)固连；
所述第一U型槽直线电机(18)和第二U型槽直线电机(19)结构相同，所述第一U型槽直线电机(18)包括U型槽(25)，U型槽(25)上固连有磁钢固定板(26)，U型槽(25)外侧固连有第一滑轨顶块(27)和第二滑轨顶块(28)，第一滑轨顶块(27)和第二滑轨顶块(28)中间固连有直线滑轨(29)，直线滑轨(29)上配合安装有直线滑块(30)，直线滑块(30)上固连有运动安装板(31)，运动安装板(31)与异形直线电机动子(20)固连。
2.根据权利要求1所述的一种多冗余伺服控制故障安全型直行程快速切断执行机构，其特征在于：
所述中间定子结构盘式交流伺服电机(2)包括固连在盘式电机第一异形外壳(1)上的盘式伺服电机中间定子(21)，盘式伺服电机中间定子(21)上安装有绕组线圈(22)，盘式伺服电机中间定子(21)的两侧分布着固连有永磁铁组(23)的盘式伺服电机转子轭(24)，盘式伺服电机转子轭(24)与异形螺母(3)相固连。
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Effective date of registration: 20231007 Address after: 100000 22 Chaoyangmen North Street, Chaoyang District, Beijing. Patentee after: CHINA PETROLEUM & CHEMICAL Corp. Patentee after: National Petroleum and natural gas pipeline network Group Co.,Ltd. Patentee after: XI'AN JIAOTONG University Address before: 100728 No. 22 North Main Street, Chaoyang District, Beijing, Chaoyangmen Patentee before: CHINA PETROLEUM & CHEMICAL Corp. Patentee before: South China branch of Sinopec Sales Co.,Ltd. Patentee before: XI'AN JIAOTONG University |
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