CN117813454A - 四活塞苏格兰轭致动器 - Google Patents
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Abstract
一种苏格兰轭致动器(10)包括：壳体(28)，其形成有彼此等距间隔90°的四个活塞孔(27)；轴(12)，其具有四个轭(14)，轭(14)中的各个轭具有槽(16)；以及四个活塞(19)，其包括两对180°相对的活塞(19)，一对相对的活塞(19)与另一对相对的活塞(19)正交。活塞(19)中的各个活塞被布置成在活塞孔(27)中的一个活塞孔中线性运动。活塞(19)中的各个活塞包括活塞杆(18)，活塞杆(18)包括可在槽(16)中滑动的活塞销(20)。活塞(19)在活塞孔(27)中的线性运动引起轴(12)的旋转。
Description
技术领域
本发明总体上涉及用于在线性运动与旋转运动之间转换的系统，并且具体地涉及一种四活塞苏格兰(Scotch)轭致动器。
背景技术
用于将线性运动转换成四分之一回转(quarter-turn)旋转运动的常见机构是苏格兰轭致动器。在典型的苏格兰轭设计中，线性往复推杆通过杠杆臂或轭联接到轴，杠杆臂或轭将杆的线性移动转换成轴的旋转移动，最大旋转角度为90°。推杆通过穿过推杆中的孔和轭中的槽的轭销联接到轭，从而允许轭销在推杆移动并且轭和轴旋转时沿着轭中的槽滑动。
尤其是，在许多行业中，苏格兰轭致动器被用于操作阀。如本领域中已知的，苏格兰轭致动器可以是其中流体压力在两个方向上移动活塞的双作用(DA)致动器，或者是其中流体压力在一个方向上移动活塞并且弹簧在相反方向上移动活塞的弹簧复位(SR)致动器。
齿条齿轮(Rack-and-pinion)致动器也用于操作这些阀。图1示出了DA苏格兰致动器相比齿条齿轮致动器的扭矩输出。苏格兰轭致动器提供90°的旋转，扭矩在行程末端较高而在中间较低；相比之下，齿条齿轮致动器在整个90°旋转中具有基本恒定的扭矩。因此，对于操作在完全关闭位置对扭矩要求较高的阀，苏格兰轭致动器比齿条齿轮致动器更具优势。SR苏格兰轭致动器也具有优于齿条齿轮致动器的扭矩优势，但具有不同的扭矩优势。
苏格兰轭设计的显著缺点是在移动部件上存在侧向载荷效应，这可能会限制苏格兰轭致动器的有效性。
发明内容
本发明旨在提供一种新颖的四活塞苏格兰轭致动器，如下面更详细描述的。
本发明的苏格兰轭致动器可以以紧凑的尺寸构建，并且还提供比大致相同尺寸的齿条齿轮致动器大得多的扭矩。众所周知，可以用致动器实现的扭矩取决于所使用的空气压力和活塞位置，以及对于弹簧复位致动器，还取决于致动器中使用的弹簧的类型和配置。例如，图3A例示出了现有技术的齿条齿轮致动器，来自以色列Habonim有限公司的市售的COMPACT。COMPACT致动器是四分之一回转齿条齿轮气动致动器，其采用基于Alan Bunyard的美国专利4370917的四活塞设计。在活塞位于弹簧端的情况下并且对于特定的弹簧配置，COMPACT致动器的最大扭矩输出为约1359Nm。图3C例示出了现有技术的单活塞苏格兰轭致动器。它的最大扭矩输出约为2700Nm，但如图3C所示，其尺寸显著大于COMPACT致动器。
相反，图3B例示出了根据本发明的实施方式的联接到阀8的四活塞苏格兰轭致动器10。在活塞位于弹簧端的情况下并且对于特定的弹簧配置，苏格兰轭致动器10具有大约2700Nm的最大扭矩输出，但具有与COMPACT致动器大致相同的尺寸。因此，本发明在不增加任何尺寸的情况下，令人惊讶地几乎使四分之一回转齿条齿轮气动致动器的扭矩加倍，并且具有与现有技术的单活塞苏格兰轭致动器相同的输出，但长度还不到现有技术的单活塞苏格兰轭致动器的一半。因此，本发明在扭矩尺寸比方面提供了显著的优点。
本发明的致动器的尺寸和输出扭矩不受限制。例如但不限于，利用本发明可实现的扭矩可以是从1000至数十万牛顿米。
根据本发明的非限制性实施方式，提供了一种苏格兰轭致动器，该苏格兰轭致动器包括：壳体，该壳体形成有彼此等距间隔90°的四个活塞孔；轴，该轴具有四个轭，所述轭中的每一个具有槽；以及四个活塞，该四个活塞包括两对180°相对的活塞，一对相对的活塞与另一对相对的活塞正交，活塞中的各个活塞被布置成在所述活塞孔中的一个活塞孔中线性运动，其中，所述活塞中的各个活塞包括活塞杆，该活塞杆包括可在槽中滑动的活塞销，其中，活塞在活塞孔中的线性运动引起轴的旋转。
根据本发明的非限制性实施方式，活塞杆中的各个活塞杆在所述活塞杆的一侧上由一个或更多个活塞杆支撑构件支撑，并且在所述活塞杆的相反侧上由一个或更多个活塞杆支撑件支撑。
根据本发明的非限制性实施方式，一个或更多个活塞杆支撑件形成在轴上。
根据本发明的非限制性实施方式，活塞中的各个活塞包括布置成在所述活塞孔中的各个活塞孔中滑动的周边引导环。
根据本发明的非限制性实施方式，活塞销中的各个活塞销包括位于外套筒中的内销。
根据本发明的非限制性实施方式，外套筒比内销更硬。
根据本发明的非限制性实施方式，所述活塞杆中的各个活塞杆包括：联接到所述活塞的两个腿部，所述两个腿部通过横向构件连接；以及两个凸耳，所述活塞销联接到所述两个凸耳。
根据本发明的非限制性实施方式，活塞中的各个活塞被流体地致动以抵抗位于活塞孔中的各个活塞孔中的偏压装置移动。这是一种弹簧复位设计。本发明还可以作为双作用致动器来执行。
根据本发明的非限制性实施方式，致动器的基部包括阀接口构件和联接到所述阀接口构件的调节止动螺钉。
附图说明
根据以下结合附图的详细描述，将更全面地理解和了解本发明，其中：
图1是DA苏格兰轭致动器和齿条齿轮致动器的超过90°的扭矩输出的现有技术图示；
图2是施加到本发明的苏格兰轭致动器的力的力图；
图3A是现有技术的四活塞齿条齿轮致动器的图示；
图3B是本发明的四活塞苏格兰轭致动器的图示；
图3C是现有技术的单活塞苏格兰轭致动器的图示；
图4是根据本发明的非限制性实施方式构造和操作的苏格兰轭致动器的简化分解图；
图5A、图5B、图5C和图5D分别是苏格兰轭致动器的简化侧视图、前视图、俯视图和立体图；
图6A和图6B分别是示出了上活塞杆支撑件(也存在相同的下活塞杆支撑件)的苏格兰轭致动器的简化前视图和上水平截面图，其中图6B沿图6A中的线B-B截取，其中活塞处于完全打开位置；
图6C和图6D分别是示出了上活塞杆支撑件(也存在相同的下活塞杆支撑件)的苏格兰轭致动器的简化前视图和上水平截面图，其中图6D沿图6C中的线D-D截取，其中活塞处于完全关闭位置；
图7是用于往复活塞轭的轭支撑件的局部剖视图；
图8A和图8B分别是苏格兰轭致动器的简化前视图和中间竖直截面图，其中图8B沿图8A中的线B-B截取，其中活塞处于完全打开位置；
图8C和图8D分别是苏格兰轭致动器的简化前视图和中间竖直截面图，其中图8D沿图8C中的线D-D截取，其中活塞处于完全关闭位置；
图9A和图9B分别是苏格兰轭致动器的简化前视图和下部水平截面图，其中图9B沿图9A中的线B-B截取，其中示出了苏格兰轭致动器的轴处于完全打开位置时的调节止动螺钉；以及
图9C和图9D分别是苏格兰轭致动器的简化前视图和下部水平截面图，其中图9D沿图9C中的线D-D截取，其中示出了苏格兰轭致动器的轴处于完全关闭位置时的调节止动螺钉。
具体实施方式
现在参考图2，图2是施加到本发明的苏格兰轭致动器10的力的力图。
苏格兰轭致动器10包括具有四个轭14的轴(也称为致动器轴)12。各个轭14具有槽16。四个轭14中的各个轭通过活塞销20(也称为活塞滚子(roller)20或活塞轴承轴20)联接到活塞19的活塞杆18。活塞销20可以由位于外套筒24中的内销23构成。内销23和外套筒24可由钢合金(相同或不同的合金)构成，其中内销23经硬化和热处理以不具有显著的脆性，并且硬度小于外套筒24的硬度。当销在槽16中滑动时，外套筒24的额外硬度可用于最小化活塞销20上的磨损。内销23和外套筒24可以由不同的金属或材料构成。
槽16可以进行氮化物表面硬化，以提供优异的、光滑的轴承表面，对于活塞销20的移动具有很小的摩擦和增强的耐磨性。另选地，槽16可以涂覆有不同的涂层，例如但不限于镍、铬或硬金属。
轴12、轭14、活塞杆18和活塞19可以由钢合金或其他合适的材料制成，但不限于此。
活塞杆18由一个或更多个活塞杆支撑构件26支撑，这将在下面进一步描述。活塞19在活塞孔27中线性地往复运动。
活塞杆18、活塞销20和轭14经受显著的力，如图2的力图所示。力F通过力致动器25施加到活塞19的表面，所述力致动器25诸如是用于双作用致动器的流体(即，气动或液压)致动器或用于弹簧复位致动器的偏压装置(例如，弹簧)。轭14在活塞销20上施加力F1，该力F1垂直于槽16的内表面并且指向活塞销20的中心。力F1产生垂直于力F1的摩擦力Fμ1。活塞杆支撑构件26必须提供支撑反作用力FN作为对活塞杆18上的侧向力的反作用；力FN产生垂直于力FN的摩擦力FμN。活塞19经受径向力FP，该径向力FP是来自活塞孔27的壁的支撑反作用力。径向力FP产生垂直于力FP的摩擦力FμP。
角度α是槽16的中心线相对于垂直线的转向角。从轴12的中心到活塞销20的中心的距离的垂直分量表示为x。
现在参考图4，图4例示出了根据本发明的非限制性实施方式的苏格兰轭致动器10的部件。
致动器10包括壳体28，壳体28形成有彼此等距间隔90°的四个活塞孔27。有四个活塞19：两对180°相对的活塞，一对相对的活塞与另一对相对的活塞正交(成90°)。活塞杆18可以包括联接到活塞19的两个腿部30，该两个腿部30通过横向构件31连接。活塞杆18还可以包括两个凸耳32，活塞销20联接到该两个凸耳32。例如但不限于，活塞销20的端部可以容纳在形成于凸耳32中的孔中，并且活塞销20的一端可以通过卡簧固定。活塞19的表面可以由偏压装置34偏压，例如用于弹簧复位单元的弹簧组或用于双作用单元的流体力，如本领域公知的。偏压34的另一侧可以抵靠支撑环36组装，支撑环36通过盖密封件38抵靠盖40密封，盖40通过盖螺栓42固定到壳体28。如上所述，本发明还可以作为双作用致动器来执行，其将使用不同的盖40DA，并且不具有SR版的弹簧组。
如本领域公知的，对于气动致动，联接到壳体28的空气端口块44经由壳体中的通道并且经由每个活塞19的盖40在活塞19的表面上提供气动力。本发明也可以用于液压致动。
轴12例如分别通过上轴承46和下轴承48轴颈连接在壳体28中。轴12可分别由上密封件43和下密封件45密封。轴12的上端可以通过一个或更多个间隔件41和卡簧47固定。
轴12可分别包括支撑施加在活塞杆18上的径向侧载荷的上周边侧载荷支撑表面51和下周边侧载荷支撑表面53。活塞杆18的抵靠上周边侧载荷支撑表面51和下周边侧载荷支撑表面53(也称为上活塞杆支撑件51和下活塞杆支撑件53)滑动的部分用作活塞杆18的滚动轴承表面。
现在参考图5A、图5B、图5C和图5D，图5A、图5B、图5C和图5D例示出了根据本发明的非限制性实施方式的苏格兰轭致动器10的外部设计。不作为限制，致动器的长度L和宽度W可以是639.5mm，并且高度H可以是355mm。(在图6A和图6C中，从剖面线到致动器底部的示例性非限制性距离G可以是250mm)。本发明不以任何方式限于这些尺寸。然而，在此写出这些尺寸是为了突出本发明的令人惊讶的成就之一，即克服了工程挑战，以生产出具有如此大的扭矩能力的尺寸如此小的四活塞苏格兰轭致动器。
现在参考图6A和图6B。可以看出，活塞杆18在其一侧由上活塞杆支撑件51支撑其往复运动，并且活塞杆18的相反侧由活塞杆支撑构件26支撑其往复运动。应注意，这里的附图未示出相同的下活塞杆支撑件53和另一组活塞杆支撑构件26；因此，在非限制性例示出的实施方式中，总共有四个活塞杆支撑构件26。图6A和图6B示出了处于完全打开位置的活塞19。活塞杆支撑构件26可以由但不限于聚甲醛(DELRIN)、聚四氟乙烯、聚醚醚酮(PEEK)或其他合适的工程聚合物或金属制成。PEEK可优选用于在图5A至图5D的单元的尺寸中承受力。
图6C和图6D示出了处于完全关闭位置的活塞19。
现在另外参考图7。各个活塞19可以包括O形环54，O形环54在活塞19的往复运动中外围地密封活塞19，以防止提供作用在活塞上的力的加压空气逸出并且防止碎屑进入。O形环54旨在提供滑动密封；它不设计成承受活塞头上的侧向(径向)力。因此，各个活塞19可以包括周边引导环56，该周边引导环56可以由但不限于DELRIN、聚四氟乙烯、PEEK或其他合适的工程聚合物或金属制成。不同于具有圆形外周表面的O形环54，导向环56优选地具有平坦的外周表面。平坦的外周表面提供足够宽的表面以承受施加在活塞头上的径向力(侧向力)，并且使得活塞19能够在活塞孔27中以很小的摩擦滑动(图2和图4)。可选地，活塞孔27可以经过阳极氧化或其他处理，或者可以涂覆有不同的材料以增强耐磨性并减小摩擦。
图8A和图8B例示出了活塞处于完全打开位置的苏格兰轭致动器10。图8C和图8D例示出了活塞处于完全关闭位置的苏格兰轭致动器10。
现在参考图9A至图9D，图9A至图9D例示出了苏格兰轭致动器10的另一特征。致动器10的基部62可以设置有阀接口构件64(图9B)，阀接口构件64可以联接到各种阀。(在图9A和图9C中，从剖面线到致动器底部的示例性非限制性距离J可以是21mm。)例如，阀接口构件64可以是但不限于72mm ISO 5211键驱动接口构件，其可以提供高达8000Nm的扭矩。另选地，可以设置插入件(未示出)以装配在接口构件64中，该接口构件64是直径为50mm的键驱动插入件或高达4000Nm扭矩的46mm的方形驱动插入件。可以设置不同组的安装孔66或68以覆盖不同的安装配置。
可以设置具有锁紧螺母72的调节止动螺钉70以允许阀接口构件64的旋转调节(但不限于±3°)，使得其与阀对准，使得致动器适当地达到阀的0°和90°关闭和打开位置。图9A和图9B例示出了处于完全打开位置的调节止动螺钉70。图9C和图9D例示出了处于完全关闭位置的调节止动螺钉70。
Claims (10)
1.一种苏格兰轭致动器(10)，所述苏格兰轭致动器(10)包括：
壳体(28)，所述壳体(28)形成有彼此等距间隔90°的四个活塞孔(27)；
轴(12)，所述轴(12)具有四个轭(14)，所述轭(14)中的各个轭具有槽(16)；以及
四个活塞(19)，所述四个活塞(19)包括两对180°相对的活塞(19)，一对相对的活塞(19)与另一对相对的活塞(19)正交，所述活塞(19)中的各个活塞被布置成在所述活塞孔(27)中的一个活塞孔中线性运动，其中，所述活塞(19)中的各个活塞包括活塞杆(18)，所述活塞杆(18)包括能够在所述槽(16)中滑动的活塞销(20)，其中，所述活塞(19)在所述活塞孔(27)中的线性运动引起所述轴(12)的旋转。
2.根据权利要求1所述的苏格兰轭致动器(10)，其中，所述活塞杆(18)中的各个活塞杆在所述活塞杆的一侧上由一个或更多个活塞杆支撑构件(26)支撑并且在所述活塞杆的相反侧上由一个或更多个活塞杆支撑件(51、53)支撑。
3.根据权利要求2所述的苏格兰轭致动器(10)，其中，所述一个或更多个活塞杆支撑件(51、53)形成在所述轴(12)上。
4.根据权利要求1所述的苏格兰轭致动器(10)，其中，所述活塞(19)中的各个活塞包括布置成在所述活塞孔(27)中的各个活塞孔中滑动的周边引导环(56)。
5.根据权利要求1所述的苏格兰轭致动器(10)，其中，所述活塞销(20)中的各个活塞销包括位于外套筒(24)中的内销(23)。
6.根据权利要求5所述的苏格兰轭致动器(10)，其中，所述外套筒(24)比所述内销(23)更硬。
7.根据权利要求1所述的苏格兰轭致动器(10)，其中，所述活塞杆(18)中的各个活塞杆包括：联接到所述活塞(19)的两个腿部(30)，所述两个腿部(30)通过横向构件(31)连接；以及两个凸耳(32)，所述活塞销(20)联接到所述两个凸耳(32)。
8.根据权利要求1所述的苏格兰轭致动器(10)，其中，力致动器(25)被布置成向所述活塞(19)的表面施加流体力。
9.根据权利要求1所述的苏格兰轭致动器(10)，其中，偏压装置(34)被布置成向所述活塞(19)的表面施加力。
10.根据权利要求1所述的苏格兰轭致动器(10)，其中，所述致动器(10)的基部(62)包括阀接口构件(64)和联接到所述阀接口构件(64)的调节止动螺钉(70)。
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