CN113251168B - 一种精小型执行器及阀门 - Google Patents

Abstract

本发明属于阀门技术领域，具体涉及一种精小型执行器及阀门。本发明通过在齿条活塞两端各设置有缓冲装置，当阀门接近末端一定距离时，由于缓冲装置的设置迫使阀门逐渐降速并缓慢打开/关闭，即便以5.0MPaG高压气体作为动力源，气动执行器都可以稳定可靠地运行，不需要像现有技术中将整体尺寸大幅度增大。

Description

一种精小型执行器及阀门

技术领域

本发明属于阀门技术领域，具体涉及一种精小型执行器及阀门。

背景技术

在一般的工业过程控制中使用的气动阀门，其气动执行器的气源压力基本为1.0MPaG以下，实际供气压力一般在0.35~0.7MPaG之间。由于气源的供气压力限制，如果气动执行器需要得到较大的输出扭矩力，则必须增大气缸内径尺寸，这样一来，气动执行器的整体外形，包括长度、高度及宽度等尺寸就得随着增大。而在石油、化工、航天、军工等一些特殊装置中，由于其装置本身空间窄小，就必须大量压缩阀门整体外形尺寸，特别是气动执行器的外形尺寸和阀门整体高度。但超过1.0MPaG，甚至5.0MPaG高压气体作为动力源，在气动执行器设计制造及使用方面都必须解决长期安全可靠的问题。

另外，在常规的阀门结构中，阀杆密封处的填料函在使用一段时间后，都必须对填料压紧力进行人工调整，这样就必须在设计填料函压紧结构的时候预留出调整填料压紧力的空间，但这样的设计会导致阀杆密封处的空间增高加大，相应与气动执行器的安装空间或安装支架都要增大和增高尺寸。如果压缩阀门整体外形尺寸，由于空间狭小，无法很好地对阀杆密封处进行调整。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种精小型执行器及阀门。

本发明所采取的技术方案如下：一种精小型执行器，包括缸体、连接于缸体两端的缸盖、设置于缸体内腔中的齿条活塞和齿轮输出轴，所述齿条活塞由左活塞部、传动中部、右活塞部依次相连构成，所述左活塞部与缸体内壁配合以及所述右活塞部与缸体内壁配合使缸体内腔中分隔为互不连通的三个腔室，三个腔室包括左活塞部与缸体和一端的缸盖之间的第一腔室、右活塞部与缸体和另一端的缸盖之间的第二腔室、左活塞部与右活塞部以及缸体之间的第三腔室，缸体两端的缸盖上分别设有连通第一腔室的第一流体通口和连通第二腔室的第二流体通口；

所述传动中部上设有齿条部，所述齿轮输出轴穿过缸体且位于缸体内腔中的部分外周局部设有与齿条部配合的齿轮部，所述齿轮输出轴外端部设有输出轴孔；

所述左活塞部、右活塞部分别与对应侧的缸盖之间设有缓冲结构，所述缓冲结构包括位于缸盖的缓冲槽，所述左活塞部、右活塞部分别设有向对应侧的缸盖凸起的缓冲凸柱，当所述缓冲凸柱位于缓冲槽内时所述缓冲凸柱外周壁与缓冲槽内壁之间形成间隙配合，所述第一流体通口和第二流体通口均避开对应的缓冲槽设置。

所述缓冲结构包括位于缓冲凸柱中的缓冲流体通道，所述缓冲流体通道两端分别为缓冲凸柱接近对应侧的缸盖的外端面和缓冲凸柱外周壁远离对应侧的缸盖的一端。

所述缓冲流体通道的一端螺纹连接有调节螺钉，所述调节螺钉端部与缓冲流体通道之间设有流通空隙，所述调节螺钉内设有连通调节螺钉外端部和流通空隙的第一缓冲小孔，通过转动所述调节螺钉可控制流通空隙的大小。

所述缓冲流体通道由与调节螺钉螺纹连接的内螺纹孔道、第二缓冲小孔、第三缓冲小孔、缓冲锥孔依次相连形成，所述内螺纹孔道外端部为缓冲凸柱接近对应侧的缸盖的外端面，所述缓冲锥孔外端部为缓冲凸柱外周壁远离对应侧的缸盖的一端且缓冲锥孔外端部口径大于与第三缓冲小孔的口径。

所述第二缓冲小孔与内螺纹孔道的一端内壁为内小外大的第一锥形密封面，所述调节螺钉的端部为与第一锥形密封面形状适配的第二锥形密封面，所述流通空隙为第一锥形密封面和第二锥形密封面之间的空隙。

所述传动中部相对设有齿条部的背面设有导向槽，所述缸体上设有导向件，所述导向件相对缸体内壁凸起且伸入导向槽内。

所述齿轮输出轴位于缸体内腔中的部分外周设有第一限位干涉面和第二限位干涉面以及位于第一限位干涉面和第二限位干涉面之间的非干涉面，所述缸体上连接有限位件，所述限位件相对缸体内壁凸起，当精小型执行器执行到全开/全关位置时，所述第一限位干涉面/第二限位干涉面与限位件相抵从而对齿轮输出轴形成单向限位作用。

一种设有如上所述的精小型执行器的阀门，包括阀体、位于阀体内的阀座和阀芯、与阀体相连的阀盖、穿过阀盖与阀芯传动配合的阀杆，其特征在于：精小型执行器的所述缸体固定在阀盖上，所述阀杆上端部伸入输出轴孔与齿轮输出轴周向联动配合。

所述阀杆与阀盖之间设有填料腔，所述填料腔内设有填料、填料压套，所述阀盖上方通过紧定螺钉紧固连接有填料压盖，所述填料压盖对填料压套形成下压作用力；

所述填料压盖与紧定螺钉相连的连接孔内设置有沉孔，所述沉孔内安装有弹性碟簧组，所述弹性碟簧组由至少两组的成对安装的碟簧组成。

所述缸体与阀盖之间通过封闭式组件连接固定，所述封闭式组件包括套设在填料压盖外的支承套筒以及设置在支承套筒外周的用于连接缸体与阀盖的连接螺栓和连接螺母。

本发明的有益效果如下：本发明通过在齿条活塞两端各设置有缓冲装置，当阀门接近末端一定距离时，由于缓冲装置的设置迫使阀门逐渐降速并缓慢打开/关闭，即便以5.0MPaG高压气体作为动力源，气动执行器都可以稳定可靠地运行，不需要像现有技术中将整体尺寸大幅度增大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1中，（a）为本发明所提供的精小型执行器为全开位置时的一个角度的剖视图；（b）本发明所提供的为精小型执行器为全开位置时的另一个角度的剖视图；

图2中，（a）为本发明所提供的精小型执行器为开始缓冲时的另一个角度的剖视图；（b）为本发明所提供的精小型执行器为全关位置时的另一个角度的剖视图；

图3为图2（a）中A部分放大示意图；

图4为图3中A部分放大示意图；

图5为限位件与缸体配合的结构示意图；

图6为图1中A部分放大示意图；

图7为本发明所提供的阀门的结构示意图；

图8为图7中A部分放大示意图。

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，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是 为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二” 仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再 一一说明。

本发明所提到的方向和位置用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「顶部」、「底部」、「侧面」等，仅是参考附图的方向或位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非对本发明保护范围的限制。

如图1-6所示，一种精小型执行器，包含有：缸体10、缸盖11、缸盖密封圈12、活塞O型圈13、导向环14、齿条活塞15、齿轮输出轴16、轴封上端O型圈17、上轴套18、下轴套28、自润滑垫片26、中间垫片25、轴封下端O型圈27、限位卡环24、导向件29、防松垫片30、限位件31、限位螺母32。

所述的齿条活塞15安装在缸体10活塞孔中，齿条活塞15中心轴线与缸体10活塞孔中心同轴，所述齿条活塞15由左活塞部15-9、传动中部、右活塞部15-10依次相连构成，所述左活塞部15-9与缸体10内壁配合以及所述右活塞部15-10与缸体10内壁配合使缸体10内腔中分隔为互不连通的三个腔室，三个腔室包括左活塞部15-9与缸体10和一端的缸盖11之间的第一腔室P1、右活塞部15-10与缸体10和另一端的缸盖11之间的第二腔室P2、左活塞部15-9与右活塞部15-10以及缸体10之间的第三腔室P3，缸体10两端的缸盖11上分别设有连通第一腔室P1的第一流体通口11-1和连通第二腔室P2的第二流体通口11-2，在本实施例中，第一流体通口11-1和第二流体通口11-2分别用于第一腔室P1和第二腔室P2中的高压气体动力源的输入与排出，从而控制齿条活塞15相对缸体10滑移。第一腔室P1和第二腔室P2通过缸体10、缸盖11、缸盖密封圈12、活塞O型圈13、齿条活塞15与大气隔离而形成各自独立的腔室，第三腔室P3并不与大气完全隔离，但设置了轴封上端O型圈17、轴封下端O型圈27及自润滑垫片26，可以防水防尘，

左活塞部15-9、右活塞部15-10外周均安装有活塞O型圈13和导向环14，左活塞部15-9、右活塞部15-10外圆尺寸比缸体10内径略小而形成较大的间隙配合，活塞O型圈13不仅具有高度密封性能，也具有在高压气体下的防爆性能，导向环14采用自润滑材料制成，导向环14外圆尺寸比左活塞部15-9、右活塞部15-10外圆尺寸略大但与缸体10内径形成较小的间隙配合，实际装配后与缸体10始终贴合而使齿条活塞15不与缸体10内孔接触。

所述传动中部相对设有齿条部15-11的背面设有导向槽15-1，所述缸体10上设有导向件29，所述导向件29相对缸体10内壁凸起且伸入导向槽15-1内。这样的设置可以确保齿条活塞15只能在缸体10内进行往返直线运动，而不能旋转位移，保证了齿条部15-11与齿轮输出轴16上的齿轮部16-3始终完全啮合，而不会发生咬合或偏离的情况。在本实施例中，导向件29为穿过缸体10与缸体10螺纹连接的螺栓，导向件29外端部与缸体10外壁之间设有防松垫片30。

所述的齿条活塞15两端各设置有缓冲装置，缓冲装置包括位于缸盖11的缓冲槽11-3，所述左活塞部15-9、右活塞部15-10分别设有向对应侧的缸盖11凸起的缓冲凸柱15-12，所述缓冲结构包括位于缓冲凸柱15-12中的缓冲流体通道，所述缓冲流体通道两端分别为缓冲凸柱15-12接近对应侧的缸盖11的外端面和缓冲凸柱15-12外周壁远离对应侧的缸盖11的一端。所述缓冲流体通道的一端螺纹连接有调节螺钉15-2，所述缓冲流体通道由与调节螺钉15-2螺纹连接的内螺纹孔道、第二缓冲小孔15-5、第三缓冲小孔15-6、缓冲锥孔15-7依次相连形成，所述内螺纹孔道外端部为缓冲凸柱15-12接近对应侧的缸盖11的外端面，所述缓冲锥孔15-7外端部为缓冲凸柱15-12外周壁远离对应侧的缸盖11的一端且缓冲锥孔15-7外端部口径大于与第三缓冲小孔15-6的口径，所述第二缓冲小孔15-5与内螺纹孔道的一端内壁为内小外大的第一锥形密封面，所述调节螺钉15-2的端部为与第一锥形密封面形状适配的第二锥形密封面，所述流通空隙15-8为第一锥形密封面和第二锥形密封面之间的空隙，调节螺钉15-2内设置有连通小孔15-3，连通小孔15-3为盲孔而并不是直通孔，调节螺钉15-2在侧面接近端部的外圆钻有第四缓冲小孔15-4与第一缓冲小孔15-3连通，因而可通过调节螺钉15-2与第二缓冲小孔15-5配合的锥形密封面间隙来控制缓冲段齿条活塞15的运行速度，缓冲段一般设置为高压气动执行器全行程的1/4左右，且设置在行程的末端。

所述的精小型高压气动执行器的齿轮输出轴16设置在缸体10内，也即为所述的第三腔室P3中，齿轮输出轴16的中心轴线与缸体10活塞孔中心轴线相互垂直，齿轮输出轴16局部设置齿轮部16-3，齿轮部16-3与齿条活塞15中间段的齿条部15-11相啮合，啮合的齿轮齿条可以保证齿轮输出轴至少100°的旋转角度，齿轮输出轴15与齿轮部16-3相对应的不设置齿轮的部分设置了两个互成α（90°~100°）的第一限位干涉面16-1和第二限位干涉面16-2以及位于第一限位干涉面16-1和第二限位干涉面16-2之间限位件的非干涉面16-5，齿条活塞下端设置有输出轴孔16-4，并与阀杆5配合，齿轮输出轴16即可驱动阀杆5和阀芯3进行旋转而保证了阀门的全开和全关操作。

所述的精小型高压气动执行器的缸体10设置有限位件31，所述31相对缸体10内壁凸起，当精小型执行器执行到全开/全关位置时，所述第一限位干涉面16-1/第二限位干涉面16-2与限位件31相抵从而对齿轮输出轴16形成单向限位作用。在本实施例中，限位件31为螺栓且设有两个，一个设置在阀门全开状态时的位置，一个设置在阀门全关状态时的位置，限位件31是可以自由调整且锁紧的，第一限位干涉面16-1和第二限位干涉面16-2为平面，非干涉面16-5为圆柱面，缸体行程设置为当阀门全开或者阀门全关时，其中一个限位件31即与齿轮输出轴16的第一限位干涉面16-1或第二限位干涉面16-2接触，限制齿轮输出轴继续旋转，此时，齿条活塞大端端面与缓冲小端端面与阀盖均留有间隙，不会发生撞击情况。

采用上述技术方案，关阀时，由左侧的缸盖11的第一流体通口11-1引入高压气体作为动力源进入到第一腔室P1，高压气体即推动齿条活塞15直线右移，右端第二腔室P2内的遗留气体将由右侧的缸盖11的第二流体通口11-2排出，此时，齿条活塞15上设置的齿条部15-11即带动齿轮输出轴16顺时针旋转，齿轮输出轴16同时驱动阀杆5和阀芯3顺时针旋转，阀门快速关闭，但在接近末端全行程的1/4处时，由于设置的活塞缓冲装置，阀门逐渐降速并缓慢关闭，直至限位螺栓32与齿轮输出轴16第二限位干涉面16-2接触而停止运动；开阀时，由右缸盖11的第二流体通口11-2引入高压气体作为动力源进入到第二腔室P2，高压气体即推动齿条活塞15直线左移，左端第一腔室P1内的遗留气体将由左缸盖11的第一流体通口11-1排出，此时，齿条活塞15上设置的齿条部15-11即带动齿轮输出轴15逆时针旋转，齿轮输出轴15同时驱动阀杆5和阀芯3逆时针旋转，阀门快速打开，而当接近末端全行程的1/4处时，由于设置的活塞缓冲装置，阀门逐渐降速并缓慢打开，直至其中一个限位件31与齿轮输出轴16第一限位干涉面16-1接触而停止运动。当采用的为例如5MPaG的高压供气气源，气缸及执行器的整体尺寸相比现有的可以在高压供气气源下稳定运行的执行器结构的整体尺寸可以大幅度缩小。

如图7-8所示，为安装上述精小型执行器的一种阀门，包括阀体1、阀座2、阀芯3、阀盖4、阀杆5、填料6、填料压套19、自润滑轴套20、填料压盖21、弹性碟簧组22、紧定螺钉23。

所述阀杆5与阀盖4之间设有填料腔，所述填料腔内设有填料6、填料压套19，所述阀盖4上方通过紧定螺钉23紧固连接有填料压盖21，所述填料压盖21对填料压套19形成下压作用力；填料压盖21与紧定螺钉23连接孔设置有沉孔21-1，沉孔21-1内安装弹性碟簧组22，弹性碟簧组22由成对安装的碟簧组成，一般不小于3对，所谓成对安装是指两片碟簧相对对合安装，而不是开口方向一致的叠合在一起，在承受负载变形后，能够储蓄一定的势能，当填料压盖21连接的紧定螺钉23出现松弛时，碟形弹簧组22释放部分势能以保持填料6受到的压力达到密封要求，碟形弹簧组22内的碟簧应力分布由里到外均匀递减，能够实现小行程高补偿力的效果，而在阀门长期在线使用时不需要其他人工的外力对紧定螺钉进行拧紧操作，从而实现阀杆密封的免维护。

由于阀杆密封免维护，即可采用所述的封闭式组件，含支承套筒7、连接螺栓8和连接螺母9对阀门与高压气动执行器进行连接和固定，所述的封闭式组件中的支承套筒7无需设置任何窗口，是完全封闭式的。

阀杆密封全封闭式免维护的阀门结构与封闭式支架组件的应用，又极大降低了整体阀门的高度，而高压执行器不仅分别设置了开、关及齿轮输出轴中间区域的三个独立区域、活塞密封采用了高压气体防爆O型圈，还设置了末端缓冲装置，因而实现了提供一种在特别狭小空间及特殊装置中长期安全、可靠应用的高压气动执行器及阀杆免维护的阀门的目的，进而解决了背景技术中所提到的所有问题。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种精小型执行器，包括缸体（10）、连接于缸体（10）两端的缸盖（11）、设置于缸体（10）内腔中的齿条活塞（15）和齿轮输出轴（16），其特征在于：所述齿条活塞（15）由左活塞部（15-9）、传动中部、右活塞部（15-10）依次相连构成，所述左活塞部（15-9）与缸体（10）内壁配合以及所述右活塞部（15-10）与缸体（10）内壁配合使缸体（10）内腔中分隔为互不连通的三个腔室，三个腔室包括左活塞部（15-9）与缸体（10）和一端的缸盖（11）之间的第一腔室（P1）、右活塞部（15-10）与缸体（10）和另一端的缸盖（11）之间的第二腔室（P2）、左活塞部（15-9）与右活塞部（15-10）以及缸体（10）之间的第三腔室（P3），缸体（10）两端的缸盖（11）上分别设有连通第一腔室（P1）的第一流体通口（11-1）和连通第二腔室（P2）的第二流体通口（11-2）；

所述传动中部上设有齿条部（15-11），所述齿轮输出轴（16）穿过缸体（10）且位于缸体（10）内腔中的部分外周局部设有与齿条部（15-11）配合的齿轮部（16-3），所述齿轮输出轴（16）外端部设有输出轴孔（16-4）；

所述左活塞部（15-9）、右活塞部（15-10）分别与对应侧的缸盖（11）之间设有缓冲结构，所述缓冲结构包括位于缸盖（11）的缓冲槽（11-3），所述左活塞部（15-9）、右活塞部（15-10）分别设有向对应侧的缸盖（11）凸起的缓冲凸柱（15-12），当所述缓冲凸柱（15-12）位于缓冲槽（11-3）内时所述缓冲凸柱（15-12）外周壁与缓冲槽（11-3）内壁之间形成间隙配合，所述第一流体通口（11-1）和第二流体通口（11-2）均避开对应的缓冲槽（11-3）设置；

所述缓冲结构包括位于缓冲凸柱（15-12）中的缓冲流体通道，所述缓冲流体通道两端分别为缓冲凸柱（15-12）接近对应侧的缸盖（11）的外端面和缓冲凸柱（15-12）外周壁远离对应侧的缸盖（11）的一端；

所述缓冲流体通道的一端螺纹连接有调节螺钉（15-2），所述调节螺钉（15-2）端部与缓冲流体通道之间设有流通空隙（15-8），所述调节螺钉（15-2）内设有连通调节螺钉（15-2）外端部和流通空隙（15-8）的第一缓冲小孔（15-3），通过转动所述调节螺钉（15-2）可控制流通空隙（15-8）的大小；

所述缓冲流体通道由与调节螺钉（15-2）螺纹连接的内螺纹孔道、第二缓冲小孔（15-5）、第三缓冲小孔（15-6）、缓冲锥孔（15-7）依次相连形成，所述内螺纹孔道外端部为缓冲凸柱（15-12）接近对应侧的缸盖（11）的外端面，所述缓冲锥孔（15-7）外端部为缓冲凸柱（15-12）外周壁远离对应侧的缸盖（11）的一端且缓冲锥孔（15-7）外端部口径大于与第三缓冲小孔（15-6）的口径。

2.根据权利要求1所述的精小型执行器，其特征在于：所述第二缓冲小孔（15-5）与内螺纹孔道的一端内壁为内小外大的第一锥形密封面，所述调节螺钉（15-2）的端部为与第一锥形密封面形状适配的第二锥形密封面，所述流通空隙（15-8）为第一锥形密封面和第二锥形密封面之间的空隙。

3.根据权利要求1所述的精小型执行器，其特征在于：所述传动中部相对设有齿条部（15-11）的背面设有导向槽（15-1），所述缸体（10）上设有导向件（29），所述导向件（29）相对缸体（10）内壁凸起且伸入导向槽（15-1）内。

4.根据权利要求1所述的精小型执行器，其特征在于：所述齿轮输出轴（16）位于缸体（10）内腔中的部分外周设有第一限位干涉面（16-1）和第二限位干涉面（16-2）以及位于第一限位干涉面（16-1）和第二限位干涉面（16-2）之间限位件的非干涉面（16-5），所述缸体（10）上连接有限位件（31），所述限位件（31）相对缸体（10）内壁凸起，当精小型执行器执行到全开/全关位置时，所述第一限位干涉面（16-1）/第二限位干涉面（16-2）与限位件（31）相抵从而对齿轮输出轴（16）形成单向限位作用。

5.一种设有如权利要求1-4任一项所述的精小型执行器的阀门，包括阀体（1）、位于阀体（1）内的阀座（2）和阀芯（3）、与阀体（1）相连的阀盖（4）、穿过阀盖（4）与阀芯（3）传动配合的阀杆（5），其特征在于：精小型执行器的所述缸体（10）固定在阀盖（4）上，所述阀杆（5）上端部伸入输出轴孔（16-4）与齿轮输出轴（16）周向联动配合。

6.根据权利要求5所述的阀门，其特征在于：所述阀杆（5）与阀盖（4）之间设有填料腔，所述填料腔内设有填料（6）、填料压套（19），所述阀盖（4）上方通过紧定螺钉（23）紧固连接有填料压盖（21），所述填料压盖（21）对填料压套（19）形成下压作用力；

所述填料压盖（21）与紧定螺钉（23）相连的连接孔内设置有沉孔（21-1），所述沉孔（21-1）内安装有弹性碟簧组（22），所述弹性碟簧组（22）由至少两组的成对安装的碟簧组成。

7.根据权利要求6所述的阀门，其特征在于：所述缸体（10）与阀盖（4）之间通过封闭式组件连接固定，所述封闭式组件包括套设在填料压盖（21）外的支承套筒（7）以及设置在支承套筒（7）外周的用于连接缸体（10）与阀盖（4）的连接螺栓（8）和连接螺母（9）。

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