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Die
Erfindung betrifft eine elektrohydraulische Ventilstellvorrichtung
für Armaturen
bzw. Stellglieder, wie z. B. Hubventile, Schieber aller Art, Jalousieklappen
u. s. w., wie sie in großer
Zahl in der Versorgungstechnik, der chemischen Industrie, im Kraftwerksbau
u. s. w. verwendet werden. Die hier beschriebene elektrohydraulische
Ventilstellvorrichtung wird in den Kraftfluß zwischen einer Armatur und
einem elektrischen Stellantrieb eingefügt. Somit kann ein vorhandener
gewöhnlicher
Stellantrieb mit geringen Änderungen
zum Stellantrieb mit Sicherheitsfunktion umgerüstet werden.
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Sicherheitsfunktion
bedeutet, daß bei
Ausfall der Hilfsenergie, was gewöhnlich elektrische Energie aus
einem Versorgungsnetz ist, der Schließ- bzw. Drosselkörper der
Armatur ohne Hilfsenergie in eine definierte Stellung bewegt wird.
Je nach Erfordernis, kann diese Stellung eine Offen- oder Zustellung
der Armatur bzw. des Stellgliedes sein.
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Stand der Technik
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Bekannt
sind elektromechanische Gesperre mit Klinkensystem oder Kugel bzw.
Rollenrastung; hydraulische Kolben/Zylindersperrsysteme mit extern
angeordnetem Magnetventil; elektrohydraulische kompakt Stellantriebe
mit Pumpe und Magnetventil; Stellantriebe ohne Selbsthemmung mit
elektrischer Bremse bzw. Motorblockierung und Stellantriebe mit
selbsthemmendem Getriebe und elektromechanischer Kupplung zwecks
Auskupplung der selbtshemmenden Getriebestufen. Zur Erzeugung der
Rückstellkraft
sind alle vorgenannten Varianten mit mindestens einer Rückstellfeder
ausgerüstet. Weitere
Ventilstellvorrichtungen mit einem Federelement als Energiespeicher
und mechanischer Federelementverriegelung sind aus den Veröffentlichungen
DE 103 08 017 A1 und
WO 02/35123 A1 bekannt.
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Nachteilig
bei genannten Systemen ist das Bauvolumen und die insbesondere bei
Klinkengesperren und anderen mechanischen Verriegelungen notwendige
hohe Auslösekraftreserve
um sichere Funktion auch bei Alterung, Verschleiß und Verschmutzung sicherzustellen.
Weiterhin sind spezielle Antriebe mit integrierter Sicherheitsfunktion
im allgemeinen teuer und vergleichsweise unflexibel in ihrer Einsetzbarkeit.
Die Realisierung einer geräuscharmen
und gut einstellbaren Rücklaufdämpfung ist
bei einigen der genannten Varianten nicht oder nur mit unverhältnismäßig hohem
Aufwand zu erreichen.
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Zweck der Erfindung
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Zweck
der Erfindung ist die Schaffung einer Ventilstellvorrichtung für Armaturen
bzw. Stellglieder, welche platzsparend und preisgünstig zu
fertigen ist sowie bei Ausfall der elektrischen Versorgungsspannung
zuverlässig
auslöst.
Außerdem
sollen bereits bestehende Stellantriebskonstruktionen durch Kombination
mit der Sicherheitsstellvorrichtung kostengünstig zu Stellantrieben mit
Sicherheitsfunktion erweitert werden können. Die Stellbewegung nach Auslösung der
Sicherheitsfunktion soll mit einer definierten Dämpfung erfolgen.
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Aufgabe der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Abschaltung oder Ausfall
der elektrischen Hilfsenergie die Verblockung einer Rückstellfeder
zu entriegeln und mit Hilfe der in der Rückstellfeder gespeicherten
Energie eine je nach Erfordernis mehr oder weniger gedämpfte und
hilfsenergieunabhängige Stellbewegung
des im Kraftfluß der
Rückstellfeder angeordneten
Schließ-
bzw. Drosselkörpers
des Stellgliedes auszuführen.
Durch im Laufe der Betriebszeit des hydraulischen Systems der Sicherheitsstellvorrichtung
eventuell auftretende interne oder externe Flüssigkeitsverluste verursachte
unerwünschte
Stellbewegungen ist ein Sensor zu aktivieren, welcher die unerwünschte Stellbewegung
an eine elektronische Steuerung zur Weiterverarbeitung meldet. Im
Falle von Störungen
der Magnetspule oder der Abdichtungen der elektrohydraulischen Ventilstellvorrichtung
muß gewährleistet
sein, daß ein
Arbeitshub der Rückstellfeder
in die Sicherheitsposition immer gewährleistet ist.
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Der
Energieverbrauch zur Aufrechterhaltung des Verblockungszustandes
der gespannten Rückstellfeder
und die Eigenerwärmung
der Ventilstellvorrichtung sollen möglichst gering sein.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Eine
Ventilstellvorrichtung, die oben genannte Eigenschaften aufweist,
wird durch einen Hydraulikzylinder realisiert, der mit einem Kolben
(2) und einem im Zylinder (1) befindlichen Anker
(5) sowie einem koaxial außen um den Zylinder (1)
angeordneten Eisenrückschluß (8)
und einer darin um den Zylinder (1) angeordneten Spule
(7) einen Elektromagneten bildet. Der Arbeitsluftspalt
(AL) des Elektromagneten befindet sich zwischen den sich gegenüberliegenden
Stirnflächen
von Kolben (2) und Anker (5). Der Kolben (2)
bildet damit einen Polschuh des Elektromagneten. Zylinder (1),
Kolben (2), Anker (5) und Eisenrückschluß (8)
bestehen aus weichmagnetischem Werkstoff, z. B. Stahl im weichgeglühten Zustand.
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Der
Zylinder (1) kann auch aus nichtmagnetischen Werkstoffen,
wie z. B. austenitischem Stahl, Messing, Aluminium, Plastwerkstoffen
o. ä. bestehen.
Im Bereich der Spule (7) sind dann jedoch Schalen aus weichmagnetischem
Werkstoff vorzusehen, die am Umfang des Zylinders (1) befestigt
werden.
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1 zeigt
eine Ausführung
mit weichmagnetischem Zylinder (1) mit gespannter und verblockter
Rückstellfeder
(21).
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Um
den magnetischen Fluß im
wesentlichen über
Kolben (2), Anker (5) und Arbeitsluftspalt (AL) zu
leiten, ist die Zylinderwand im Bereich des Arbeitsluftspaltes (AL)
mit einer Einschnürung
(9) geringer Wandstärke
ausgeführt,
d. h. der magnetische Widerstand ist in diesem Bereich groß.
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Wird
in der in 1 dargestellten Kolbenposition
die Spule (7) von elektrischem Strom durchflossen, so hat
der Anker (5) das bestreben den magnetischen Widerstand
im Arbeitsluftspalt (AL) zu verringern. Der Anker (5) bewegt
sich unter Kraftwirkung in Richtung Kolben (2) und bewegt
dabei den am Kolben (2) schwenkbar um eine endseitig gelagerte
Achse angelenkten Hebel (14).
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Im
Kolben (2) befindet sich u. a. eine axial angeordnete Durchgangsbohrung
(12), die einen Strömungskanal
zwischen dem oberhalb durch Kolben (2), Zylinder (1)
und oberen Zylinderdeckel (3) gebildeten Hohlraum und dem
aus Kolben (2), Zylinder (1) und unterem Zylinderdeckel
(4) gebildeten Hohlraum herstellt. Diese Bohrung (12)
nimmt ein aus Ventilsitz (18) und Ventilnadel bzw. Ventilkolben (11)
bestehendes Schaltventil auf. Je nach Stellung der Ventilnadel bzw.
des Ventilkolbens (11) sind nun oberer und unterer Zylinderraum
voneinander strömungsmäßig getrennt
oder verbunden. Die beiden Zylinderräume sind vollständig mit
Hydraulikfluid gefüllt.
Drückt
der Anker (5) infolge der magnetischen Anziehungskraft
zwischen selbigem und Kolben (2) in der in 1 dargestellten
Kolbenposition indirekt über
den Hebel (14) auf den Stößel (10) der Ventilnadel
bzw. des Ventilkolbens, so werden oberer und unterer Zylinderraum
strömungsmäßig voneinander
getrennt. Die Fluidvolumina in oberem und unterem Zylinderraum sind
eingeschlossen. Infolge der Inkompressibilität des Fluides ist die Bewegung
des Kolbens (2) in der dargestellten Arbeitsposition blockiert.
Die Rückstellfeder
(21), die kraftmäßig dem
Zylinder (1) und der Kolbenstange (13) parallelgeschaltet
ist, wird somit in der gespannten Stellung gehalten.
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Wird
der Stromfluß in
der Spule (7) unterbrochen, so fällt der Anker (5)
vom Kolben (2) ab und das im Kolben (2) befindliche
Schaltventil ist geöffnet. Oberer
und unterer Zylinderraum sind nun strömungsmäßig verbunden und eine Fluidströmung zwischen
beiden Räumen
ist möglich.
Der Kolben (2) ist somit nicht mehr blockiert und läßt damit
eine Hubbewegung der mit ihm fest verbundenen Kolbenstange (13)
und der kraftmäßig zwischen
Kolbenstange (13) und Zylinder (1) angeordneten
Rückstellfeder
(21) in Richtung oberer Zylinderraum zu. Die Wahl der Größe der Durchgangsbohrung
(12) bestimmt dabei den Grad der Dämpfung der Hubbewegung. Stellkraft und
möglicher
Hub werden durch die Auslegung der Rückstellfeder (21)
bestimmt.
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Eine
zweite axial im Kolben (2) angeordnete Bohrung nimmt ein
aus Ventilfeder, Ventilsitz und Ventilabschlußkörper (15) gebildetes
Rückschlagventil
auf. Dieses Rückschlagventil
gewährleistet, daß die Bewegung
des Kolbens aus Richtung oberer Zylinderraum, also beim Spannen
der Rückstellfeder (21),
in Richtung unterer Zylinderraum mit nur geringer Dämpfung erfolgt.
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2 zeigt
die Blockiervorrichtung in Ruhestellung bei teilweise entspannter
Rückstellfeder (21),
d. h. in der Sicherheitsendlage mit einem durch den Schließkörper (27)
geschlossenem Stellglied (24).
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Um
Wärmedehnung
oder geringfügigen Leckverlust
des Fluides auszugleichen, ist der untere Zylinderdeckel (4)
axial verschiebbar im Zylinder (1) angeordnet. Er wird
durch ein etwa auf die Hälfte
seines Arbeitsweges vorgespanntes elastisches Element (16)
belastet. Das elastische Element (16) stützt sich
dabei auf dem Zylinderfuß (6)
ab. Bevorzugt kommen mindestens eine oder mehrere wechselseitig
geschichtete Tellerfedern als elastisches Element (16)
zum Einsatz.
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Nimmt
das Fluidvolumen infolge Erwärmung zu,
so weicht der untere Zylinderdeckel (4) in Richtung Zylinderfuß (6)
aus. Nimmt das Fluidvolumen infolge Leckverlust oder Abkühlung dagegen
ab, so verschiebt das elastische Element (16) den unteren Zylinderdeckel
(4) in Richtung des Ankers (5).
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Die
Kraftwirkung der zu hemmenden Hubbewegung und der Rückstellfeder
(21) wird an der Kolbenstange (13) mit daran befestigtem
Joch (20) und dem Zylinder (1) sowie dem Zylinderfuß (6)
eingeleitet.
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Der
in 1 u. 2 dargestellte Sensorkontakt
(19) registriert ob sich der Kolben (2) in der vorgesehenen
Arbeitsstellung (Blockierstellung) befindet.
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Dadurch
sind Fehler des Systems erkennbar und können geeignet durch eine übergeordnete Steuerung
behandelt werden. Eine geeignete Fehlerbehandlung ist beispielsweise
die Auslösung
einer Alarmmeldung oder eines Neustarts der aus Ventilstellvorrichtung,
Stellantrieb (25) und Stellglied (24) bestehenden
Geräteeinheit.
Der Sensorkontakt (19) öffnet
einen Stromkreis dessen einer Pol mit dem zur Auswerteschaltung
führenden
Anschlußdraht
verbunden ist und dessen anderer Pol durch den oberen metallischen
Zylinderdeckel (3) gebildet wird, sobald der Kolben (2)
bzw. die Kolbenstange (13), das mit ihr verbundene Joch
(20) und die sich daran abstützende Rückstellfeder (21)
die Arbeitsstellung (Blockierstellung) verlassen haben.
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Eine
Schaltung gemäß Pos.4
wertet das Signal des Sensorskontaktes (19) aus und bewirkt
z. B. die erneute Bewegung des Kolbens (2) in die Arbeitsposition
durch z. B.
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Einschalten
des in 1, 2 und 3 dargestellten
Stellantriebes (25). Als Sensoren können auch Mikroschalter, induktive
Sensoren oder sonstige berüherungslose
Sensoren Verwendung finden.
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Bei
Inbetriebnahme von Stellglied (24) und Stellantrieb (25)
erfolgt die Vorspannung der Rückstellfeder
(21), sobald der Schließkörper (27) seine untere
Hubbegrenzung erreicht hat. Nachdem die Rückstellfeder (21)
gespannt ist, der Kolben (2) die Arbeitsstellung erreicht
hat und der Sensorkontakt (19) das Erreichen der Arbeitsstellung
signalisiert, wird die Spule (7) bestromt, was das Schließen des Schaltventiles
im Kolben (2) bewirkt. Die Rückstellfeder (21)
ist nunmehr blockiert und der Stellantrieb (25) kann den
Schließkörper (27)
in beliebige Hubstellungen bewegen. Die komplette Ventilstellvorrichtung
wird dabei mitbewegt. Wird die Stromzufuhr zur Spule (7)
und zum Stellantrieb (25) durch z. B. Netzausfall unterbrochen,
so entriegelt die Blockiervorrichtung und die Rückstellfeder (21)
bewegt die Betätigungsstange
(23) des Stellgliedes (24) bis zum Anschlag des
Schließkörpers (27)
an der unteren Hubbegrenzung. Die obere Abstützung der Blockiervorrichtung
seitens des Jochs (20) erfolgt dabei an der Schubstange
(17) des Stellantriebs (25).
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Um
den elektrischen Leistungsbedarf und die Erwärmung der Ventilstellvorrichtung
gering zu halten, erfolgt die Magnetspulenansteuerung bevorzugt
durch eine gepulste Stromversorgung, wie sie in
DE 10038619A1 angegeben
ist. Diese mikrocontrollergesteuerte Schaltung hat zugleich den
Vorteil, daß sie
die Überwachung
des Sensorsignals der Ventilstellvorrichtung und gegebenenfalls
weitere Steueraufgaben kostengünstig übernimmt.
Eine entsprechende digitale Schaltung ist in
4 dargestellt.
Signalisiert der Sensorkontakt (
19), daß der Kolben (
2) sich
nicht in der Arbeitsstellung befindet, so bleibt die Spule (
7)
stromlos. Ist die Arbeitsstellung erreicht, so signalisiert der
Sensorkontakt (
19) dieses dem Mikrocontroller-1. Der Mikrocontroller-1
steuert den Leistungstransitor TR auf und die Spule (
7)
erhält
damit den maximal möglichen
Versorgungsstrom. Die Trägheit
der Ankerbewegung wird durch die Zeitspanne ti berücksichtigt.
Nach Verstreichen der Zeitspanne ti, die so bemessen ist, daß der Anker
seine gesamte Arbeitsbewegung sicher ausgeführt hat, beginnt der Mikrocontroller-1
den Transistor TR im Takt auf- und zuzusteuern. Die Spule (
7)
erhält
damit nur einen Bruchteil der möglichen
elektrischen Maximalleistung. In der Sperrphase des Transistors
TR hält
die Freilaufdiode D1 den Stromfluß durch die Spule (
7) aufrecht.
Da bei geschlossenem Arbeitsluftspalt (AL) die Haltekraft des Magneten
auch bei geringem Stomfluß sehr
hoch ist, ist ein sicheres Halten des Ankers (
5) in der
Arbeitsstellung gewährleistet.
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Zwecks
Erhöhung
der Auslösesicherheit
der Ventilstellvorrichtung, wird gegebenenfalls eine Antiklebscheibe
aus nichtferromagnetischem (antimagnetischem) Werkstoff zwischen
den gegenüberliegenden
Stirnflächen
des Ankers (5) und des Kolbens (2) angeordnet.
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Sollte
aus Gründen
von Überlastung,
kurzzeitigem Netzausfall oder Fluidverlust im oberen Zylinderraum
die Arbeitsstellung ungewollt verlassen werden, wird durch die Signalisierung
des Sensorkontakts (19) an den Mikrocontroller eine geeignete Reaktion
durch letzteren erfolgen. Eine geeignete Reaktion kann, wie bereits
beschrieben, die Ansteuerung des Stellantrieb (25) zwecks
erneuter Spannung der Rückstellfeder
(21) sein.
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3 zeigt
eine Ausführung
der Sicherheitsstellvorrichtung mit Mikroschalter als Sensorkontakt (19)
und mit von Teleskophülsen
abgedeckter Rückstellfeder
(21).