CN114270075A - 线性促动器 - Google Patents

Abstract

本发明总体上涉及圆柱形外壳中的线性促动器领域。更具体地是，本发明公开涉及用于将旋转运动转换为线性运动并且反之亦然的滚珠丝杠驱动的线性促动器。本发明公开适用于需要高性能、高能量和快速度的应用。本发明无论在地面和海底都能实行。

Description

线性促动器

背景技术

当今的工业高度关注效率、环境和数字化，以在陆地、海上和海底执行操作。过去几年的重点之一是使用高效的电力来执行任务，以取代效率较低的液压系统。今天，许多任务已经由电动机完成。液压系统的一个主要优点是，在一个紧凑的系统中，可以通过使用液压缸和器来传递很大的力。许多系统已获得专利并已开发以与液压促动器竞争，但效率低下和建筑面积大阻碍了电能成为首选方法。本发明涉及将旋转扭矩转换成线性力的改进且更有效的系统。本发明由具有轴承滚珠再循环的紧凑型滚珠丝杠线性促动器系统组成，并提供工业所需的效率和精度。作为新发明的结果，更多的液压系统可以被电力取代，能够执行更准确的测试、更环保、更高效的操作，并允许更远程操作和数字化系统。

“线性促动器”一词是一个模糊的术语，用于广泛地描述基本上任何在线性运动中延伸和缩回推力构件的过程。广泛的术语“线性促动器”用于描述空间、地面、海底和井下的系统。线性促动器由各种已知机构操作，液压的、气动的、电动的和手动的。此外，引入了进一步的混淆，因为术语“线性促动器”中的“线性”一词并不限制本申请使用旋转运动来执行线性运动。在本文中，“线性”一词包括将旋转运动转换为线性运动以伸展和缩回推力构件的装置，有时工件固定在其端部以执行某些任务。

线性促动器快速、精确且相对易于使用。本发明的一个主要目的是为海底设备提供一种紧凑且可靠的解决方案。将海底阀门操作从液压能源转变为电动能源是该行业多年来一直在研究和发展的事情。本发明将通过使用电动机来操作线性滚珠丝杠装置来提供这种应用所需的紧凑设计，从而提供所需的效率和可靠性。本发明适用于陆地、海上、浅水、深水和超深水位置。

该实施例的另一个主要目的是提供一种用于海底操作的电动促动器，该电动促动器还提供系统中的机械超驰功能，在主要操作方法失败的情况下，这种用于操作促动器的辅助手段通常被称为应急。这通常需要在海底系统和井控系统中的关键阀门上使用。

该实施例的另一个目的是提供一种用于将促动器锁定在一个位置以防止意外移动的机械系统。通常，这在井控系统中是必需的，以防止阀门在振动或其他外力的情况下移动。

目前市场上有许多系统可以通过滚珠丝杠装置将旋转运动转换为直线运动。传统的滚珠丝杠和螺母组件的结构包括一个圆形丝杠，该丝杠具有沿其长度的连续螺旋槽或螺纹(带有伴随的凸台)和一个从动螺母或螺母，该螺母或螺母具有与外部配合的连续螺旋槽或螺纹丝杠凹槽以形成一个行程或尺寸以包含多个滚珠的单行列，当一个相对于另一个旋转时，这些滚珠与丝杠凹槽和从动件(或螺母)凹槽滚动接触。通常，这些系统包括带有循环滚珠的螺杆和螺母机构，以将旋转运动转换为线性运动，反之亦然。

和其他类型的螺纹系统相比，这种类型的滚珠丝杠设计具有低摩擦阻力和平滑的相对旋转。在滚珠丝杠设计中实现的平稳横向运动有助于实现典型制造设备和机器人系统所需的精确和高速操作。

在滚珠丝杠和螺母设计中，滚珠通过丝杠和螺母的相对运动沿滚道或路线滚动进行再循环。因此，需要一种用于使球再循环的旁路结构。传统的滚珠丝杠和螺母设计使用多种技术，包括使用外部和内部再循环系统。

根据本发明，该目的是通过在下面的描述和所附的权利要求中指定的特征来实现的。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种紧凑的装置，以有效地将旋转运动转变为线性(横向)运动，反之亦然。

另一个目的是提供一种滚珠丝杠装置，其中圆形丝杠形成为液压缸中的液压活塞，而只有丝杠的活塞部分具有螺旋槽，而其余的丝杠成形为圆柱体竿。

另一个目的是提供一种滚珠丝杠装置，它利用丝杠的活塞部分使多个滚珠再循环，并利用与螺母的滚动接触来传递载荷。

另一个目的是提供一种滚珠丝杠装置，其中形成为活塞和杆的丝杠不旋转，使得本发明能够作为液压缸操作。

本发明有一个目的是提供一种精确且精密的工具，能够以可控的速度执行并具有高定位精度。

本发明的又另一个目的是提供一种完全电动的线性促动器系统，不使用任何液压装置来将旋转运动转换成线性运动，反之亦然。

本发明的又另一个目的是通过遥控车辆或类似装置实现旋转运动的机械超控，作为操作促动器的辅助装置。

本发明的又另一个目的是在钻井或干预操作中能够在地面、海底和井下进行操作

美国专利注册编号5337627公开了一种滚珠丝杠设计，用于在机床或成型机中传送/拧紧物体。这种具有外部再循环系统的设计的缺点是整体尺寸往往很大并且难以安装在小气缸中。

美国专利注册编号6357100公开了一种用于通过行星螺钉驱动工具的装置，用于传递大的力以激活铆接和其他工具，作为自动紧固的一部分。

美国专利注册编号2004/0103734公开了一种用于通过滚珠丝杠和螺母组件将旋转运动转换为线性运动的装置，该滚珠丝杠和螺母组件具有用于多个滚珠的内部循环系统，这将更容易制造。这种设计的缺点是螺纹系统依赖于中心螺杆(横向移动轴)，如果横向移动轴因环境压力或多尘环境而需要密封，则系统整体尺寸较大。

美国专利注册编号2009/0064811公开了一种滚珠丝杠设计，该滚珠丝杠设计具有缩小的螺母和用于多个滚珠的简化循环结构。丝杠轴和螺母构件通过滚珠相互螺纹接合。其缺点是螺纹系统对横向移动螺钉的依赖性。

美国专利注册编号2013/0133453公开了一种内循环滚珠丝杠和螺纹轴。牵引螺丝。因此，使设计尺寸变大并且难以装入紧凑的线性促动器中。该解决方案也还需要丝杠旋转。

美国专利注册编号2007/0240532公开了一种用于滚珠丝杠的主轴螺母，具有连续的滚珠轨道

欧联专利注册编号EP2916042公开了一种电动直线执行器，该电动直线执行器可以减少外壳的损坏和磨损，并以简单的结构执行螺母的防旋转，以提高电动直线执行器的可靠性和制造成本。这种设计的缺点是螺旋槽对螺旋轴的依赖性，通过使用与活塞杆行程成比例地相同长度的驱动螺旋轴，往往会使整体尺寸变大。

美国专利注册编号2004200303A1公开了一种滚珠丝杠装置，包括在内周表面具有螺纹槽的螺母、在其外周表面具有螺纹槽的丝杠轴以及插入在各个螺纹槽之间的多个滚珠。在丝杠轴中，螺纹槽为至少大致一圈。在丝杠轴上设置有用于连接螺纹槽的下游侧和上游侧的滚珠循环槽，使得滚珠从下游侧返回上游侧从而循环。这种设计的缺点是设置在滚珠循环槽33和34中的滚珠既不能承受径向载荷，也不能承受轴向载荷。

附图说明

在考虑以下对本发明的示例性实施例的详细描述并参考附图后，本发明的特征和优点以及附加的特征和益处对于本领域技术人员将是显而易见的。应当理解，此处的描述和附图是示例性实施例，并不旨在限制本专利申请、在此授予的任何专利或要求其优先权的任何专利或专利申请的权利要求。相反，其意图是涵盖落入权利要求的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。在不背离这样的精神和范围的情况下，可以对这里公开的实施例和细节进行许多改变。参考附图，本发明的目的、优点和特征将变得更加明显，附图中相同的数字表示相同的部件，并且其中显示了本发明的说明性实施例，其中：

附图说明图1(FIG 1)为本发明一实施例的滚珠丝杠线性促动器装置封装于机壳内的示意图。

附图说明图2(FIG 2)是滚珠丝杠线性促动器装置的剖视图，示出了根据本公开的实施例的滚珠丝杠布置和驱动单元的示例；

附图说明图3(FIG 3)示出了根据本发明实施例的滚珠丝杠线性促动器装置、其驱动单元及其电耦合器、滚珠丝杠装置、前端和后端以及外壳的正交图；

附图说明图4(FIG 4)为本发明实施例滚珠丝杠线性促动器装置的分解示意图。

附图说明图5(FIG 5)示出了根据本公开的实施例的力传递元件(5)和外(3)和内84)丝杠的分解图；

附图说明图6(FIG 6)示出了根据本发明的一个实施例的其中内(4)和外(3)丝杠以及多个滚珠放在一起的力传递元件(5)的图示。

具体实施方式

本发明的示例性实施例具体实施方式附图说明图1显示了滚珠丝杠线性促动器装置的典型布局，包括称为外壳(1)的外壳，其前端(7)和后端(8)形成密封隔间，其中，只有穿过所述隔间的构件是力传输元件(5)和电力和通信接口，在此图示中形成为电缆(14)。

此外，附图说明图1中所示的本发明的示例性实施例还包括1和图。参照图2，示出了壳体(1)内的滚珠丝杠线性促动器布置的优选实施例。滚珠丝杠线性促动器组件可包括传动元件(5)、内丝杠(4)、外丝杠(3)、紧固件(12)，以固定内(4)和外(3)导程。传动元件(5)上的多个轴承滚珠(9)螺纹啮合在外丝杠(3)和滚珠丝杠螺母(2)之间，而滚珠丝杠螺母(2)是横向的(10)和径向地(11)支撑在外壳(1)内，而滚珠丝杠螺母(2)在外壳内旋转。在该实施例中还示出了径向轴承(11)之间的间隔件(6)。此外，滚珠丝杠螺母(2)可以连接到驱动单元(13)。

附图说明图4以所谓的分解图图示了滚珠丝杠线性促动器的优选实施例，以进一步阐明包括在本发明中的部件。

附图说明图2示出了滚珠丝杠(2)的优选实施例，而滚珠丝杠(2)具有内螺旋滚珠滚动面，滚珠循环槽被配置为通过一组滚珠(3)在活塞丝杠(3)上旋转。9)为了实现传力元件(5)的横向运动，滚珠丝杠螺母还可以与驱动单元(13)连接，以提供滚珠丝杠螺母(2)的旋转运动。滚珠丝杠螺母(2)的旋转运动也可以通过在力传递元件(5)上施加横向运动来提供。

附图说明图6示出了本发明的外丝杠(3)，其中多个轴承滚珠(9)插入螺旋路径凹槽中。外丝杠(3)不旋转，但通过紧固件、摩擦、非圆形界面(此处显示为与力传递元件(5)的椭圆形界面)或固定到力传递元件(5)上方法的组合。外丝杠(3)的螺纹终止于轴承滚珠出口和轴承滚珠入口，取决于滚珠丝杠螺母(2)的旋转方向，轴承滚珠出口和轴承滚珠入口将改变一侧。轴承滚珠(9)的入口和出口与内丝杠(4)以这样的方式接合，即当滚珠丝杠(2)旋转。

附图说明图6示出了本发明的内丝杠(4)，内丝杠(4)形成有外束缚螺旋槽，当与外丝杠(1)组装时，形成轴承滚珠可以通过的通道。内丝杠的凹槽有直径略大于滚珠(9)的凹槽。内丝杠不旋转，而是通过紧固件、摩擦、非圆形界面(此处显示为与力传输元件(5)的椭圆形界面)或组合固定到力传递元件(5)的方法。内丝杠(4)凹槽也可以具有与外丝杠不同的凹槽间距。内丝杠用于使多个轴承滚珠通过外丝杠(3)出入口槽进行再循环。本发明装配时内外丝杠形成连续的槽道供轴承滚珠循环和滚动，轴承滚珠的滚动方向由滚珠丝杠螺母(2)的旋转方向决定。

来自内部和外部导螺杆的凹槽的一种配置的示例在附图说明图5中示出。随着内丝杠(4)凹槽逐渐倾斜，其直径略大于滚珠。外丝杠(3)的凹槽深度小于轴承滚珠直径的一半，并留有足够的间隙，使轴承滚珠可以畅通无阻地通过外丝杠(3)的相邻凹槽之间的平台。

滚珠丝杠螺母(2)、外丝杠(3)和内丝杠(4)的结构之间的配合对于本发明的运行是绝对必要的，以使滚珠轴承(9)遵循通过内部丝杠(4)的再循环回路。

通过旋转滚珠丝杠螺母(2)来移动传力元件(5)，向右旋转滚珠丝杠螺母(2)将使传力元件向封闭外壳(1)的方向移动，旋转滚珠丝杠螺母(2)。滚珠丝杠螺母(2)向左将传力元件(5)缩回所述外壳(1)中。然而，作为示例，滚珠丝杠螺母和外槽和内槽可以以相反的方式布置，并且将滚珠丝杠螺母(2)向左旋转将使力传递元件(5)伸出外壳(1)和反之亦然。

附图说明图1和附图说明图2中所示的实施例也可以使用电驱动单元。可以通过合适的电气控制线(14)或控制线来提供电力和通信。控制线(14)可以在海底或地面的合适位置处连接到电源。在一些实施例中，电控制线(14)耦合到控制模块(未示出)并且能够传输期望的电信号，例如电信号。电源和数据信号(通信)。

再次看回附图说明图1和2所示，力传递元件(5)可以包括可移动的杆或其他合适的驱动构件，该驱动构件可以通过电动机或其他类型的动力构件选择性地操作，以促动位于地面或海底的主机中的阀或其他从动部件.根据一个实施例，海底电动滚珠丝杠线性促动器包括具有后表面和前表面的促动器主体。至少一个电连接器和一个机械接口都沿背面定位。

根据应用的不同，滚珠丝杠直线执行器可以与各种类型的主机配合使用。例如，在海底应用中，海底主机可以包括各种海底生产或加工装置。这种海底主体结构的示例包括海底树、歧管、泵、管道末端歧管(PLEM)、管道末端终端(PLET)或其他海底主体。

在一些实施例中，线性滚珠丝杠促动器用于海底作业，例如锥形穿透测试设备。锥形渗透测试设备用于土壤条件的现场岩土调查。在这样的应用中，滚珠丝杠线性促动器要么连接到用于传输电力和通信的脐带缆，要么包括用于操作线性滚珠丝杠促动器的电池组。

在一些实施例中，促动器机械接口还可以包括铲斗联接件，铲斗联接件的尺寸和构造适于接收在主机机械接口的铲斗接收器中。例如，铲斗联接器和相应的铲斗接收器可以分别为ROV铲斗联接器和ROV铲斗的形式。对于旋转驱动构件，ROV铲斗联轴器和铲斗接收器之间的ROV接口可以构造有多种配合配置，例如根据ISO 13628-8或API 17H中描述的标准。

根据给定海底操作的参数，电控制线可以是连接在海底控制模块和主机电连接器之间的电飞线(EFL)的一部分。此外，促动器电连接器和对应的主电连接器可以构造为湿配合连接器，以促进在液体环境中通过电促动器的简单线性运动进行耦合和去耦合。电促动器相对于主机的安装和拆卸可以在没有带电电连接的情况下完成，即，在相对于主机的接合和脱离期间没有向电促动器供应电力。

促动器机械接口可以包括驱动构件，该驱动构件自动接合从动部件，例如驱动部件。阀，通过联动装置或其他合适的机构。在所示实施例中，连接延伸到主机机械接口并形成主机机械接口的一部分。驱动构件可以是驱动杆的形式，驱动杆可通过促动器主体内的动力构件线性移动

举例来说，如果滚珠丝杠线性促动器用于海底操作，则电接口可以包括沿背面定位的至少一个电连接器。在所示示例中，电连接器沿背面定位，用于与主机电接口的对应电连接器电接合。例如，电连接器可以分别包括公/母连接器，反之亦然。

电连接器(例如公/母连接器)可用于传输所需的电信号，例如电力信号、控制信号和数据通信信号。

可以使用各种类型的电连接器和/或相关部件来操作滚珠丝杠线性促动器。一个示例包括刺板连接器。在一些应用中，主机电连接器可以安装在例如主机结构的面板上的固定位置，但具有用于公差补偿的预定义自由浮动能力。电连接器也可以以能够传输电力和/或数据信号的感应耦合的形式构造。

Claims (16)

1.一种用于将旋转运动变为线性运动和反之亦然的装置，该装置包括：

-外壳(1)横向(2)和径向(11)支撑滚珠丝杠螺母，

-滚珠丝杠螺母(2)，内螺旋滚珠滚动面，至少两个滚珠循环槽，通过多个滚珠在活塞丝杠上旋转，实现传力元件(5)的横向运动，

-具有驱动单元的滚珠丝杠螺母，

-外丝杠(3)，外滚珠滚动面具有至少两个滚动循环槽，包括与内丝杠(4)连通的滚珠出口槽和滚珠返回槽外丝杠(3)，外滚珠滚动面具有至少两个滚动循环槽，包括与内丝杠(4)连通的滚珠出口槽和滚珠返回槽，

-内部活塞丝杠，带有一个滚珠接收槽和一个与外部丝杠连通的滚珠出口槽，具有至少一个与外部活塞丝杠不同螺距的滚珠循环槽，

其特征为，

-滚珠丝杠螺母(2)在机壳(1)内旋转并通过多个滚珠(9)与外丝杠(3)螺纹啮合，

-外(3)和内(4)丝杠不旋转，而是作为滚珠丝杠螺母和多个滚珠之间的传力元件，以受控方式在一个或两个方向上移动传力元件(5)速度，

-至少一个沿正面定位的电连接器。

2.根据权利要求1所述的用于将旋转运动提供为线性运动并且反之亦然的装置，连接到内和外活塞导螺杆(3)、(4)，用于传递力传递元件的横向运动。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的用于将旋转运动提供成直线运动并且反之亦然的设备，其中，多个滚动构件在所述螺母和所述外丝杠的第一和第二凹槽以及所述内丝杠的循环通道之间运行。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于将旋转运动变为线性运动并反之亦然的设备，其中，所述内丝杠具有比所述滚珠的直径略大的最大凹槽深度。

5.根据权利要求1所述的用于将旋转运动提供为线性运动并且反之亦然的设备，其中，所述力传递元件(5)被布置为杆。

6.根据权利要求1、2和5的用于将旋转运动提供成线性运动并且反之亦然的设备，被防止旋转。

7.根据权利要求1所述的用于将旋转运动变为线性运动并且反之亦然的设备，其中，所述装置具有用于在所述方向上横向移动所述杆的弹簧系统。

8.根据权利要求1所述的用于将旋转运动提供成直线运动和反之亦然的装置，其中，所述外壳横向和径向地支撑所述滚珠丝杠螺母并且连接到以扭矩形式提供旋转能量的电动机。

9.根据权利要求1和8所述的用于将旋转运动提供成线性运动并且反之亦然的设备，其中所述至少一个电连接器包括用于传输电力和数据的电感耦合器。

10.根据权利要求1所述的用于将旋转运动提供成线性运动并且反之亦然的设备，其中所述至少一个电连接器是湿配合连接器。

11.根据权利要求10所述的用于将旋转运动提供为线性运动并且反之亦然的设备，其中至少一个连接器包括多个电连接器。

12.根据权利要求1、10和11所述的用于将旋转运动提供成线性运动并且反之亦然的设备，其中，所述外壳横向和径向支撑所述滚珠丝杠螺母并且连接到机械超控装置，而扭矩形式的旋转能量可以由遥控车辆(ROV)提供。

13.根据权利要求9至12所述的用于将旋转运动提供成线性运动并且反之亦然的设备，其中所述设备可以直接用ROV操作。

14.根据权利要求1至13所述的用于将旋转运动提供为线性运动并且反之亦然的设备，其中，所述外壳(1)是充油的并且被保护免受来自周围环境的环境压力。

15.根据权利要求1-13中任一项所述的用于将旋转运动提供为线性运动并且反之亦然的设备，还包括形成为铲斗联轴器和驱动轴的机械接口。

16.根据权利要求1所述的用于将旋转运动提供为线性运动并且反之亦然的设备，还包括电子限制控制，其感测电动机电流并提供冲程结束关闭和冲程中间推力关闭。

Images