CN113544423A

CN113544423A - 具有用于阀的调节装置的电液式的系统

Info

Publication number: CN113544423A
Application number: CN202080021240.3A
Authority: CN
Inventors: J·施奈德; A·奥思; G·亨德里克斯; O·格尔哈德
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-03-15
Filing date: 2020-03-09
Publication date: 2021-10-22
Also published as: US11976741B2; EP3938690A1; DE102019203514A1; US20220163133A1; WO2020187615A1

Abstract

本发明涉及一种具有用于阀（2）的调节装置（1）的电液式的系统，所述调节装置（1）具有驱动机构（3）、调节机构（4）和预紧机构（5），其中在所述预紧机构（5）中所储存的能量能够在故障情况下传递到所述调节机构（4）上，从而开始所述调节机构（4）的旋转的运动，所述旋转的运动引起所述阀（2）的调节，其中所述预紧机构（5）包括至少一个有弹性的元件，所述至少一个有弹性的元件与所述调节机构（4）的调节轴（10）相邻地布置并且与所述调节轴（10）位置固定地连接并且将转矩施加到该调节轴（10）上。

Description

具有用于阀的调节装置的电液式的系统

技术领域

本发明涉及一种具有用于阀的调节装置的电液式的系统，所述调节装置具有驱动机构、调节机构和预紧机构，其中在所述预紧机构中所储存的能量能够在故障情况下传递到所述调节机构上，从而开始所述调节机构的旋转的运动，所述旋转的运动引起所述能旋转地操纵的阀的调节。

背景技术

这样的具有过程阀的电液式的系统能够用在许多工业应用中，比如水下（unterwasser）（off shore oil and gas，近海石油和天然气）或者水上（überwasser）（onshore oil and gas，陆上石油和天然气）。

这种电液式的系统首先用于在直至水下数千米的水深的水下结合石油和天然气的输送、结合采矿、自然科学的考察或者基础设施项目来使元件运动。因此，比如对于海上石油或天然气输送设备来说下述过程阀处于很大的深度中：利用所述过程阀能够调节或者阻断有待输送的介质的体积流量。

对于已知的装置来说，所述调节机构设有用于借助于执行机构来操纵阀的调节驱动装置。为这个调节驱动装置分配了紧急操纵机构，通过该紧急操纵机构能够在出现故障时基本上在不取决于对于所述调节驱动装置的操控的情况下将所述执行机构复位。这种紧急操纵机构具有储能器，该储能器的所储存的能量能够为了复位而释放。在此，所述紧急操纵机构具有活塞，所述活塞一方面由所述储能器来加荷并且另一方面由压力室中的压力来加荷，所述压力室能够通过切换阀与储槽或者类似部件相连接，以用于释放在所述储能器中所储存的能量。在此，所述活塞如此构成，使得其在所述压力室卸荷时将所述执行机构朝复位方向调节。所述活塞的、在紧急情况中的线性的移动通过能线性移动的随动件转换为所述执行机构（托架）的同样线性的运动，所述阀通过所述执行机构来关闭。所述线性的移动机构既不是被设置也不是适合用于关闭能旋转地操纵的阀。尤其有干扰的是，随着所述线性运动而不能将转矩直接传递到所述阀上。

即使已知的解决方案已经证实为非常舒适和可靠，但是该解决方案比如并不总是能够在所述调节驱动装置的特殊的位置空间要求或者位置中使用。刚好在这些情况中需要新颖的方案。

发明内容

以此为出发点，本发明的任务是，提供一种具有调节装置的电液式的系统，所述电液式的系统减轻或者甚至避免所提到的缺点。尤其应当以设计上简单的方式实现一种紧凑的结构、也就是小的结构空间和得以提高的使用寿命。此外，应当能够以简单的方式实现对于旋转的调节驱动装置的有效的调节。最后，应当在能量供给中断时进行所述能旋转地操纵的阀的可靠的关闭。

该任务用一种按照独立权利要求1所述的布置结构来解决。本发明的另外的设计方案在从属权利要求中得到了说明。应该指出，说明书尤其结合附图列举了本发明的另外的细节和改进方案，其能够与来自权利要求的特征相组合。

对此作贡献的是一种具有用于阀的调节装置的电液式的系统，所述调节装置具有驱动机构、调节机构和预紧机构，其中在所述预紧机构中所储存的能量能够在故障情况下传递到所述调节机构上，从而开始所述调节机构的旋转的运动，所述旋转的运动引起所述阀的调节。在此，所述预紧机构包括至少一个有弹性的元件，所述至少一个有弹性的元件与所述调节机构的调节轴相邻地布置并且与所述调节轴位置固定地连接并且将转矩施加到该调节轴上。

可能的是，（彼此串联并且/或者并联地）布置了多个有弹性的元件。多个有弹性的元件能够作为组来组合。所述有弹性的元件尤其用金属来形成。它尤其具有能弹性地变化的外部形状。

所述有弹性的元件与所述调节轴相邻地布置。尤其也就是说，所述有弹性的元件的中心轴线并非同轴于并且/或者平行于所述调节轴来布置。优选的是，所述有弹性的元件的中心轴线不是对齐地垂直于所述调节轴来布置。优选的是，所述有弹性的元件的中心轴线相对于所述调节轴是倾斜的、相切的、歪斜的或者具有与此平行的定向。

所述有弹性的元件（间接地或者直接地）位置固定地与所述调节轴相连接。尤其换言之、也就是说，由所述有弹性的元件作用到调节轴上的力导入点参照相对于所述调节轴的位置是不变的。由此能够实现的是，所述有弹性的元件和所述调节轴彼此固定地连接，也就是说，比如所述有弹性的元件被安装、被焊接（等等）在所述调节轴（的表面）之上或者之处。尤其所述力导入点不会相对于所述调节轴（的表面）移动。

此外，所述至少一个有弹性的元件如此被设置、被定位和/或被设立，使得其（至少在“主动的”位置-紧急操纵中）能够将转矩施加到所述调节轴上。所述转矩尤其如此产生，使得其允许或者实现所述调节轴的、在能预先给定的角度范围内的复位或者转动。

这里所介绍的电液式的系统包括被封装的紧急驱动装置，该紧急驱动装置具有机械的储能器（这里借助于至少一个有弹性的元件来实现）。通过机械的丝杠或者通过液压马达，使得在所述有弹性的元件（比如弹簧）中所储存的能量转换为旋转运动。在这两种情况下，所述弹簧能够在正常的运行期间通过液压缸来保持被致紧的状态，所述液压缸通过阀来关断。在打开所述阀时（比如由于停电），所述缸由所述弹簧来推移并且所述能量得到释放。所述旋转运动在故障情况下引起旋转地被操纵的阀的直接的调节并且由此引起它的快速关闭。所述调节机构的触发快速地并且防故障地进行。

用本装置来提供一种用于旋转轴、尤其是过程阀的紧急情况-安全-模块，而没有使用电池。所述模块能够在水下更换并且允许通过外部的致动器或者机器人来操纵所述阀。

对于在水下以及也在水上（on shore oil and gas）的经常的应用情况来说，优选使用能旋转地操纵的致动器，所述致动器能够用标准接口（比如通过ROV=RemotelyOperated Vehicle（遥控操作运载工具）或者AUV =Autonomous Underwater Vehicle（自主式水下运载工具））来更换。用这里所介绍的电液式的系统在使用弹簧系统和液压的调节机构（无电池）的情况下实现一种用于旋转的致动器的故障情况保险及关闭机构，该故障情况保险及关闭机构能够通过外部的执行器或者水下机器人或者运载工具（比如ROVs和AUVs）来更换和运行。

所述用于能旋转地操纵的阀的故障情况保险机构不使用电池，而是使用具有可靠的液压调节机构的弹簧，所述弹簧能够在水下更换，所述液压的调节机构能够具有丝杠传动装置或者液压马达并且/或者也能够包含完整的驱动系统（也就是说不仅包含保险功能，而且包含正常的运行作业）。

这里所介绍的调节装置实现了一种具有弹簧系统的故障情况保险机构，其中所述安全调节系统被集成到液压的调节机构中，也就是说使电气的驱动机构去除耦合并且提供必需的转矩和旋转运动，以用于将过程阀置于得到保险的（关闭的）位置中并且保持在这个位置中。

所述用于旋转地运行的过程阀的紧急情况-安全-模块能够在长的运行时间里（比如25年）实现高的安全性及可靠性水平。

它能够用作独立的模块，不仅用于补充所存在的电气的执行器而且用作单个执行器。所述模块能够以简单的方式在水下加以更换；外部的工具或者致动器的运行能够通过电液式的调节系统来停用（无结构块）。

所述用于调节装置的驱动装置能够是遥控操作运载工具（ROV）或者自主式水下运载工具（AUV）或者机器人。作为调节机构，优选考虑丝杠或者具有旋转的驱动装置的液压马达。优选所述调节机构被设立用于旋转地驱动所述阀、比如过程阀。

所述阀能够优选是用于关闭并且打开管路的截止阀。作为阀元件，此外优选使用能够以液压方式通过液压马达或者以机械方式通过丝杠来调节的锥形座阀。通过反压力所产生的关闭力引起支撑元件上的弹性变形。以足够的关闭力保证了无泄漏的密封性。在此，阀锥通过一运动丝杠被压紧到壳体座上。螺母能够处于所述壳体中。所述运动丝杠的驱动优选通过执行旋转运动的调节驱动装置来进行。所述具有阀锥的运动丝杠在打开并且关闭阀时线性移动，而所述螺母则保持位置固定。也能够使用具有贯通的钻孔的球元件，所述球元件在密封件中得到了支承并且在旋转90°时释放或者阻断开口。所述球元件和所述调节驱动装置在此位置固定。此外，优选使用转动滑阀。

所述预紧机构包括至少一个弹簧元件、比如螺旋压力弹簧或者其它有弹力的元件。所述预紧机构能够与活塞共同起作用，所述活塞限定用液体填充的压力室，该压力室被设立用于：在所述压力室卸荷时将所述调节机构朝阀的复位方向（关闭方向）调节。

优选所述有弹性的元件包括至少一个拥有至少一个预紧弹簧的弹簧系统。优选所述预紧弹簧是螺旋弹簧。

有利地在所述调节轴上安置了至少一根（个）杠杆臂、突缘等等，所述至少一个预紧弹簧的一端作用在所述杠杆臂、突缘等等处。尤其优选的是，所述至少一根（个）杠杆臂、突缘等等直接抵靠在所述调节轴的表面上并且被固定在那里。可行的是，设置了导引机构和/或关节，其能够对调节轴与有弹性的元件之间的相对运动进行补偿并且/或者能够传递必需的转矩。

所述预紧弹簧的主要的作用方向适宜地相对于调节轴的纵轴线基本上垂直地但是以一定的间距来伸展。

优选所述预紧弹簧的主要的作用方向基本上平行于相对于调节轴的（表面的）切线来伸展。

优选所述弹簧系统通过至少一个能旋转的马达来预紧。

所述弹簧系统有利地通过至少一个具有至少一个压力活塞的液压缸来预紧。

所述液压缸适宜地通过至少一条通道被连接到至少一个路径阀上，在所述路径阀打开时所述液压缸的压力室能够通过所述弹簧系统来移动。

优选所述调节机构的调节轴和所述阀的调节轴彼此同轴地布置。

优选存在用于所述预紧机构的（电磁的）致紧机构。所述电磁的致紧机构尤其能够被设立用于调节并且/或者保持预应力。

有利地设置了用于所述预紧机构的触发机构。所述触发机构尤其能够被设立用于松驰所述预应力并且/或者触发借助于所述至少一个元件将转矩引入到调节轴中的过程。

适宜地存在用于所述预紧机构的复位机构。所述复位机构能够被设立用于：在为此所设置的电磁的致紧机构失灵时调节并且/或者保持所述预紧机构的预应力，其中这优选通过备选的、尤其是具有以液压方式并且/或者以机械方式来运行的构件的路径来进行。

附图说明

下面借助于附图对本发明以及技术环境进行详细解释。在此，相同的构件用相同的附图标记来表示。图示是示意性的并且不是被设置用于表明尺寸比例。参照附图的各个细节来提出的解释能够被选取并且能够与来自其它附图或者前述说明的事实自由地组合，除非对本领域的技术人员来说强制产生一些不一样的结果或者这样的组合在这里被明确禁止。附图示意性地示出了：

图1a示出了调节装置连同打开的阀和被致紧的预紧机构的侧视图；

图1b示出了按照图1a的调节装置连同关闭的阀和被松弛的预紧机构；

图2a以截面I-I示出了具有螺旋压力弹簧的预紧机构处于按照图1a的被致紧的位置中的情况；

图2b以截面II-II示出了具有螺旋压力弹簧的预紧机构处于按照图1b的被松弛的位置中的情况；

图3立体地示出了具有多个预紧弹簧的预紧机构的一种实施方式；

图4示出了具有电磁的接合器、电磁的致紧机构和机械的复位机构的调节装置的一种实施方式；

图5示出了和图4一样的调节装置的一种实施方式，但是该实施方式具有液压的复位机构；

图6示出了具有电磁的接合器、液压的致紧机构和机械的复位机构的调节装置的一种实施方式；

图7示出了和图6一样的实施方式，但是该实施方式具有处于液压泵与液压缸之间的路径阀；并且

图8示出了和图4类似的实施方式，但是该实施方式具有分别用于触发机构和预紧机构的模块以及用于致紧机构的模块。

具体实施方式

图1a和1b示出了所述调节装置1连同打开的阀2和被致紧的预紧弹簧16（1a）并且连同关闭的阀2和被松弛的预紧弹簧16（图1b）。示出了所述用于阀2的调节装置1，该调节装置具有驱动机构3、调节机构4和预紧机构5。

按照图1a和1b的功能图解示出了所述调节机构4，该调节机构用于操纵阀2、比如过程阀，通过所述阀能够调节体积流量6。所述调节机构4具有丝杠传动装置，该丝杠传动装置具有驱动着丝杠8的驱动机构3、比如电机（M）7。所述丝杠8围绕着纵轴线10沿着箭头A或B的方向进行旋转运动。所述丝杠8的旋转运动在所示出的实例中被传递到所述阀2的球元件11上，该球元件具有贯通的钻孔12，该球元件密封地被支承在阀壳体13中。阀通道14穿过所述阀壳体13，所述阀通道在其孔口处通过管15来延续并且在所述阀通道中流动着气态的或者液态的介质（体积流量6）。

在所述阀壳体13中构造了空腔，所述具有钻孔12（通流口）的球元件11以能旋转的方式在所述空腔中得到了支承。所述球元件11同轴地被安置在丝杠8的从动端8.2上。在按照图1a的状态中，所述钻孔12与所述阀通道14彼此对齐，完整的通流口被释放，因此所述阀2被打开。在沿着箭头C或者D的方向将所述球元件11转动90°时，所述球元件11和所述阀通道14彼此覆盖，所述通流口被堵住，所述阀2被关闭（参见图1b）。

所述电机7布置在丝杠8的驱动端8.1上。通过在正常运行中对于电机7的操控——通过所述电机7的驱动轴24的沿着箭头E和F的方向的旋转运动、所述丝杠8的沿着箭头A和B的方向的旋转运动和所述阀2的驱动轴25的沿着箭头C和D的方向的旋转运动——能够根据所述丝杠8的沿着箭头C或者D的方向的旋转运动来调节所述阀2的球元件11。

在所述阀2被开启（被打开）并且由此设定了一定的体积流量6的情况下，在停电或者出现设备侧的故障情况时所述阀2保持打开状态，使得所述过程配件（Prozessarmatur）的功能不再能够控制。对于这样的故障情况设置了紧急操纵机构，通过该紧急操纵机构能够将所述丝杠8复位到初始位置中，在所述初始位置中所述阀2关闭（图1b）。在图1a和1b中所示的解决方案中，这种复位以机械的方式进行，其中对于紧急情况功能不必以电气的方式操纵任何结构元件。所述紧急操纵机构基本上由储能器构成、在当前的情况下由具有预紧弹簧16的预紧机构5（弹簧储能器）构成。

所述预紧弹簧16——如在图2a和2b中所示出的那样——以其一个端部支撑在第一支撑元件17上，该第一支撑元件通过第一旋转点19以能旋转的方式被固定在位置固定的旋转轴承21上。所述预紧弹簧17以其另一个端部支撑在第二支撑元件18上，该第二支撑元件通过第二旋转点20作用在杠杆臂9的一个端部上。所述杠杆臂9或者等价的元件以其另一个端部比如通过粘着、焊接、拧螺旋或者类似方式牢固地被固定在丝杠8上并且由此刚性地与该丝杠8相连接。

图1a和2a示出了所述预紧弹簧16处于被致紧的位置中的情况，而图1b和2b则示出了所述预紧弹簧16处于被松弛的位置中的情况。在所述预紧弹簧16、比如螺旋压力弹簧的松弛的过程中，所述第二支撑元件18沿着箭头H的方向从第一位置18’（图2a）运动到第二位置18’’（图2b）中。在此，所述杠杆臂9被向上挤压，使得所述丝杠8——在横截面中看——以α=90°的角度围绕着其调节轴10（纵轴线）旋转。通过这种方式，所述阀2的球元件11同样以90°的角度被转到关闭的位置中（图1b）。箭头d示出了以下方向，所述预紧弹簧16沿着所述方向被致紧。

图3立体地示出了所述具有多个预紧弹簧16₁到16_n（弹簧组）的预紧装置5的一种实施方式。所述预紧弹簧16.1到16_n能够串联地或者并联地布置。用22来表示用于所述预紧机构5的轨迹引导机构并且用23来表示用于所述预紧机构5的保持元件。

图4到8示出了所述调节装置1的不同的实施方式。出于简化原因，所述预紧机构5以螺旋弹簧为例示出。以折弯的方式示出的丝杠8应当仅仅示意性地表明：所述预紧机构5的活动的端部被设立用于将转矩施加到丝杠8上。

在图4到8中示出的不同的实施方式分别包括用于用来将预紧机构5致紧的致紧机构26、预紧机构5（故障情况保险机构）、预紧机构5用的触发机构27以及复位机构28。

图4示出了所述调节装置1的一种实施方式，其具有以下元件：用于所述致紧机构26的驱动装置通过经由第一传动机构32与丝杠8共同起作用的第一电动马达29来实现。所述预紧机构5包括有弹性的元件、比如弹簧元件。所述触发机构27具有能够以电磁方式来操纵的接合器35，该接合器用作制动器并且通过第二传动机构33与丝杠8一起工作。所述复位机构28以机械的方式来实现、比如通过具有驱动轴24的驱动机构3来实现。用35来表示所述驱动机构3与所述丝杠8之间的接口。用40来表示位置传感器。

根据图5，和图4一样设置了调节装置1，但是该调节装置具有液压的复位机构28。为此而存在液压的回路，该液压的回路包括第一液压泵36和液压马达38，它们作为旋转的驱动装置在丝杠8之内布置在驱动机构3（参见图4）与预紧机构5之间。这种构造方案能够实现更小的速度和更小的力。

图6示出了调节装置1，对于该调节装置来说所述致紧机构26包括通过第二电动马达30来驱动的第二液压泵37，该第二液压泵向线性的液压缸39加荷。所述致紧机构26以电液的方式来实现。

图7示出了调节装置1，对于该调节装置来说在所述致紧机构26中朝第二液压泵37与液压缸39之间的液压管路41中接入了具有电磁铁及弹簧返回引导装置的路径阀42。

图8示出了具有第一模块43和第二模块44的调节装置1。所述第一模块43包括触发机构27和预紧机构5。所述第二模块44包含致紧机构26。在多阀设备中，能够为所述阀2中的每个阀分配第一模块43。所述第二模块44能够按需求被连接到所述多个第一模块43之一上。用34来表示第三传动机构。

附图标记列表：

1 调节装置

2 阀

3 驱动机构

4 调节机构

5 预紧机构

6 体积流量

7 电机

8 丝杠

8.1 驱动端

8.2 从动端

9 杠杆臂

10 调节轴

11 球元件

12 钻孔

13 阀壳体

14 阀通道

15 管

16 预紧弹簧

16₁到16_n 预紧弹簧

17 第一支撑元件

18 第二支撑元件

18’ 第一位置

18’’ 第二位置

19 第一旋转点

20 第二旋转点

21 旋转轴承

22 轨迹引导机构

23 保持元件

24 驱动轴

25 驱动轴

26 致紧机构

27 触发机构

28 复位机构

29 第一电动马达

30 第二电动马达

31 第三电动马达

32 第一传动机构

33 第二传动机构

34 第三传动机构

35 接口

36 第一液压泵

37 第二液压泵

38 液压马达

39 液压缸

40 位置传感器

41 液压管路

42 路径阀

43 第一模块

44 第二模块

Claims

1.具有用于阀（2）的调节装置（1）的电液式的系统，所述调节装置（1）具有驱动机构（3）、调节机构（4）和预紧机构（5），其中在所述预紧机构（5）中所储存的能量能够在故障情况下传递到所述调节机构（4）上，从而开始所述调节机构（4）的旋转的运动，所述旋转的运动引起所述阀（2）的调节，其中所述预紧机构（5）包括至少一个有弹性的元件，所述有弹性的元件与所述调节机构（4）的调节轴（10）相邻地布置并且与所述调节轴（10）位置固定地连接并且将转矩施加到该调节轴（10）上。

2.根据权利要求1所述的电液式的系统，其中所述有弹性的元件包括带有至少一个预紧弹簧（16；16₁到16_n）的至少一个弹簧系统。

3.根据前述权利要求中任一项所述的电液式的系统，其中在所述调节轴（10）上安置了至少一根杠杆臂（9），所述至少一个预紧弹簧（16；16₁到16_n）的一个端部作用在所述至少一根杠杆臂（9）上。

4.根据前述权利要求中任一项所述的电液式的系统，其中所述预紧弹簧（16；16₁到16_n）的作用方向基本上平行于相对于所述调节轴（10）的切线来伸展。

5.根据前述权利要求中任一项所述的电液式的系统，其中所述预紧机构（5）通过至少一个能旋转的电动马达（29）来预紧。

6.根据前述权利要求中任一项所述的电液式的系统，其中所述预紧机构（5）通过至少一个带有至少一个能线性运动的压力活塞的液压缸（39）来预紧。

7.根据权利要求6所述的电液式的系统，其中所述液压缸（39）通过至少一条通道（41）被连接到至少一个路径阀（42）上，在所述至少一个路径阀打开时所述液压缸（39）的压力活塞能够通过所述预紧机构（5）来移动。

8.根据前述权利要求中任一项所述的电液式的系统，其中所述调节机构（4）的调节轴（10）和所述阀（2）的驱动轴（25）彼此同轴地布置。

9.根据前述权利要求中任一项所述的电液式的系统，其中存在用于所述预紧机构（5）的致紧机构（26）。

10.根据前述权利要求中任一项所述的电液式的系统，其中设置了用于所述预紧机构（5）的触发机构（27）。

11.根据前述权利要求中任一项所述的电液式的系统，其中存在用于所述预紧机构（5）的复位机构（28）。