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Vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Ventile und manuell bedienbarer Ventile wie beispielsweise Schieberventile, Steuer- oder Regulationsventile oder Drosselventile. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Ventilbedienanordnung für ein Schieberventil.
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Ventile werden in einer Vielzahl von Industrien verwendet, um die Strömung von Fluiden zu steuern. Insbesondere werden Schieberventile extensiv in der Öl- und Gasindustrie verwendet, um die Strömung der produzierten Fluide während verschiedener Produktionsstadien zu steuern. Die meisten in dieser Industrie verwendeten Schieberventile umfassen einen Ventilkörper mit einer longitudinalen Strömungsbohrung und einen transversalen Schieberhohlraum, der die Strömungsbohrung schneidet. In dem Schieberhohlraum ist ein Schieber mit einer sich transversal durch diesen erstreckenden Schieberöffnung angeordnet. Zum Bewegen des Schiebers zwischen einer offenen Position, in der die Schieberöffnung auf die Strömungsbohrung ausgerichtet ist, und einer geschlossenen Position, in der die Schieberöffnung versetzt zu der Strömungsbohrung angeordnet ist, ist eine Ventilspindel vorgesehen. Der Schieberhohlraum des Ventilkörpers ist durch ein Gehäuseoberteil mit einer axialen Bohrung, durch die die Ventilspindel hindurchführt, abgedeckt.
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Ein derartiges Schieberventil ist mit einer Ventilbedienanordnung wirkverbunden, um selektiv die Ventilspindel nach oben oder nach unten anzutreiben, um das Schieberventil zu schließen oder zu öffnen. Ein Schieberventil kann manuell betätigt werden. In diesem Fall umfasst die Ventilbedienanordnung im Allgemeinen einen Übersetzungsmechanismus, um die Rotationsbewegung eines Handrads in eine axiale Bewegung der Ventilspindel zu übersetzen. Um das Schieberventil mit einem Minimum an Umdrehungen schnell zu öffnen und zu schließen, kann der Übersetzungsmechanismus einen Kugelgewindetriebmechanismus oder einen Planetenrollengewindetriebmechanismus umfassen, um die Bediendrehkraft zu reduzieren, beispielsweise eine Drehkraft eines manuellen Handrads oder eines elektrisch angetriebenen für Oberflächenventile, oder eines mit ferngesteuerten Fahrzeugen (ROV) angetriebenen, oder eines elektrischen Antriebs für Unterseeventile. Für mehr Details ist es beispielsweise möglich, sich auf die Patentschrift
EP-B1-1419334 (SKF) zu beziehen.
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Da der Spindelmechanismus anfällig ist, sich unter einem Fluiddruck zurückzudrehen, kann sich das Schieberventil ungewollt öffnen oder schließen. Ein derartiger Rücktrieb kann nicht nur Probleme bei der erwünschten Strömungsregulierung bewirken, sondern kann auch zu Verletzungen bei einer Bedienperson führen, wenn sie beispielsweise von dem sich drehenden Handrad getroffen wird.
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Dementsprechend ist im Allgemeinen ein Ausgleichssystem auf dem Ventilkörper des Schieberventils vorgesehen, um einen Rücktrieb des Übersetzungsmechanismus durch die von dem Fluid ausgeübte Kraft zu verhindern. Ein derartiges System umfasst eine Ausgleichsspindel, die an dem Ventilkörper angeordnet ist und die einem Fluiddruck ausgesetzt ist, um die auf den Schieber wirkende Kraft zu verlagern oder auszugleichen.
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Um ein solches Ausgleichssystem in das Schieberventil zu integrieren, ist es jedoch nötig, das Design des Ventilkörpers zu ändern. Dies führt zu einem komplizierten Aufbau des Schieberventils. Außerdem ist der benötigte Bauraum für das Schieberventil signifikant erhöht.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu bewältigen. Es ist insbesondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ventilbedienanordnung für ein Ventil, beispielsweise ein Schieberventil, ein Steuer- oder Regulationsventil, oder ein Drosselventil bereitzustellen, die nicht umgekehrt oder rückwärts antreibbar ist.
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In einem Ausführungsbeispiel ist eine Ventilbedienanordnung für ein Ventil mit einem Ventilkörper und einem axial bewegbaren Ventiltranslationselement vorgesehen. Die Anordnung umfasst ein Gehäuse, das dazu ausgelegt ist, an einem Ventil angebracht zu werden, ein Antriebselement, das drehbar bezüglich des Gehäuses angebracht ist, und einen Übersetzungsmechanismus mit einem Translationselement, das dazu ausgelegt ist, mit dem Ventiltranslationselement des Ventils verbunden zu werden, und mit einem Rotationselement, das mit dem Eingangselement verbunden ist. Ein derartiger Übersetzungsmechanismus ist dazu ausgelegt, eine auf das Eingangselement aufgebrachte Rotation in eine axiale Translationsbewegung des Translationselements zu übersetzen. Die Anordnung umfasst weiterhin zumindest einen Sperrmechanismus, der radial zwischen dem Übersetzungsmechanismus und/oder dem Gehäuse angeordnet ist. Der Sperrmechanismus ist mit einem Reibmittel, das relativ zu dem Gehäuse und dem Übersetzungsmechanismus frei in Umfangsrichtung bewegbar ist, und mit zumindest einem Freilauf, der mehrere Sperrelemente, die in radialem Kontakt mit einer Laufbahn des Reibmittels angebracht ist. Der Freilauf und das Reibmittel wirken zusammen, um den Übersetzungsmechanismus mit dem Gehäuse in einer statischen Lage der Anordnung zu festzustellen.
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Vorzugsweise ist der Freilauf derart angeordnet, dass in der statischen Lage die Sperrelemente in einer Sperrstellung sind, um ein Bremsmoment zu erzeugen, das dem Rücktriebmoment des Übersetzungsmechanismus entgegensetzt ist.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Sperrelemente in der Sperrstellung, wenn sich das Eingangselement relativ zu dem Gehäuse in Richtung des Rücktriebmoments des Übersetzungsmechanismus dreht. Vorzugsweise schalten die Sperrelemente um und bleiben in einer Nicht-Sperrstellung, wenn sich das Eingangselement in eine Richtung entgegengesetzt zu der des Rücktriebmoments dreht.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Reibmittel dazu ausgelegt, ein Reibmoment zwischen dem Reibmittel und dem Gehäuse, oder dem Übersetzungsmechanismus zu erzeugen, so dass das Gesamtreibmoment der Anordnung größer oder gleich dem Rücktriebmoment des Übersetzungsmechanismus ist. Vorzugsweise ist das Reibmittel dazu ausgelegt, ein Reibmoment zu erzeugen, das größer oder gleich dem Rücktriebmoment ist.
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Das Reibmittel kann einen radial gegen den Übersetzungsmechanismus oder gegen das Gehäuse drückenden Reibring aufweisen. Das Reibmittel kann weiterhin einen Trägerring aufweisen, an dem der Reibring befestigt ist, wobei die Sperrelemente radial in Kontakt mit dem Trägerring sind.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Freilauf an dem Übersetzungsmechanismus angebracht und das Reibmittel umgibt radial den Freilauf und drückt radial gegen das Gehäuse. Alternativ drückt das Reibmittel radial gegen den Übersetzungsmechanismus und der Freilauf umgibt radial das Reibmittel und kommt in radialen Kontakt mit dem Gehäuse.
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Der Übersetzungsmechanismus kann weiterhin eine Adapterhülse aufweisen, die mit dem Rotationselement des Mechanismus verbunden ist, und auf welcher das Eingangselement angebracht ist.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der Sperrmechanismus zwischen dem Rotationselement des Übersetzungsmechanismus und dem Gehäuse angeordnet. Alternativ kann der Sperrmechanismus zwischen der Adapterhülse und dem Gehäuse angeordnet sein.
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In einem Ausführungsbeispiel umfasst der Übersetzungsmechanismus eine Spindel, eine die Spindel umfassende und koaxial mit ihr ausgebildete Mutter und mehrere Wälzkörper, die radial zwischen der Spindel und der Mutter angeordnet sind. Jeder Wälzkörper kann sowohl in ein Außen- als auch in ein Innengewinde, die von der Spindel und der Mutter bereitgestellt werden, eingreifen.
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In einem Ausführungsbeispiel bildet die Spindel das Translationselement und die Mutter ist mit dem Eingangselement verbunden. Alternativ kann die Mutter das Translationselement ausbilden und die Spindel mit dem Eingangselement verbunden sein.
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Vorzugsweise umfasst die Ventilbedienanordnung weiterhin zumindest ein Wälzlager, das radial zwischen dem Übersetzungsmechanismus und dem Gehäuse angeordnet ist.
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Die Erfindung betrifft auch ein Ventil, in besonderem Maße ein Schieberventil, ein Steuer- oder Regulationsventil, oder ein Drosselventil mit einem Ventilkörper, einem axial bewegbaren Ventiltranslationselement und einer Ventilbedienanordnung, wie oben definiert. Das Ventiltranslationselement kann beispielsweise eine Ventilspindel oder ein Kolben sein.
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Die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile werden besser verständlich durch das Studium der detaillierten Beschreibung von speziellen Ausführungsbeispielen, die mittels nicht limitierender Beispiele angegeben und durch die anhängigen Zeichnungen illustriert sind, in welchen:
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1 eine Schnittansicht durch eine Ventilbedienanordnung für ein Schieberventil gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist,
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2 eine Schnittansicht durch einen invertierten Rollengewindetriebmechanismus der Anordnung aus 2 ist,
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3 eine Detailansicht aus 1 ist,
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4 ein Schnitt entlang IV-IV von 3 ist,
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5 eine perspektivische Ansicht eines Freilaufs der Anordnung aus 1 ist,
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6–8 Teilschnittansichten entlang IV-IV aus 1 gemäß einer statischen Lage und zwei Handhabungsarten der Anordnung sind;
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9 eine Schnittansicht durch eine Ventilbedienanordnung für ein Schieberventil gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist, und
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10 eine Schnittansicht durch eine Ventilbedienanordnung für ein Schieberventil gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist.
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Eine Ventilbedienanordnung
10, wie in
1 dargestellt, ist für ein Schieberventil
12 ausgelegt, das mit einem Gehäusedeckel
14, einem Ventilkörper (nicht dargestellt), der von dem Gehäusedeckel bedeckt ist und einer bewegbaren Ventilspindel
16 mit einer Achse
16a ausgestattet ist. Konventioneller Weise hat der Ventilkörper eine Strömungsbohrung und einen transversal dazu angeordneten Schieberhohlraum, der die Strömungsbohrung schneidet. Das Schieberventil umfasst zudem einen Schieber mit einer sich transversal dadurch erstreckenden Schieberöffnung, der in dem Schieberhohlraum angeordnet ist. Für mehr Details eines derartigen Schieberventils kann auf die Patentschrift
EP-B1-1419334 (SKF) Bezug genommen werden, die hiermit über in Bezugnahme mit umfasst ist.
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Die Ventilbedienanordnung 10 umfasst ein röhrenförmiges Gehäuses 18, das auf dem Gehäusedeckel 14 des Schieberventils angebracht ist, ein Eingangselement 20, das drehbar bezüglich des Gehäuses angebracht ist, und einen invertierten Rollengewindetriebmechanismus 22, der zwischen dem Eingangselement und der Ventilspindel 16 des Ventils angeordnet ist, um eine Drehbewegung des Eingangselements 20 in eine axiale Bewegung der Ventilspindel zu übersetzen. Der invertierte Rollengewindetriebmechanismus 22 ist in einer Bohrung 18a des Gehäuses angebracht und ist mit dem Eingangselement 20 verbunden. Ein axiales Ende des Gehäuses 18 ist an dem Gehäusedeckel 14 mit Gewinden (nicht gekennzeichnet) festgelegt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Bohrung 18a eine abgestufte Form.
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Wie weiter unten beschrieben werden wird, umfasst die Ventilbedienanordnung 10 weiterhin einen Sperrmechanismus 23, der radial zwischen dem Gehäuse und dem invertierten Rollengewindetriebmechanismus 22 angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, einen Rücktrieb eines derartigen Mechanismus unter einem auf die Ventilspindel 16 ausgeübten Fluiddruck zu verhindern.
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Wie genauer in 2 gezeigt, umfasst der invertierte Rollengewindetriebmechanismus 22 eine Spindel 24 mit einer Achse 24a, die koaxial zu der Achse 16a der Ventilspindel 16 verläuft, die mit einem Außengewinde 26 ausgestattet ist, eine Mutter 28, die koaxial um die Spindel 24 angebracht ist und mit einem Innengewinde 30 ausgestattet ist, wobei deren innerer Durchmesser größer ist als der äußere Durchmesser des Außengewindes 26, und mehreren longitudinalen Rollen 32, die radial zwischen der Spindel 24 und der Mutter 28 angeordnet sind.
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Die Spindel 24 erstreckt sich longitudinal durch eine Zylinderbohrung der Mutter 28, an der das Innengewinde 30 ausgebildet ist. Die Mutter 28 hat eine röhrenförmige Form und ist verlängert, um das gesamte Ausmaß des Spindelwegs aufzunehmen. Axial auf der dem Eingangselement 20 (1) gegenüberliegenden Seite ist an einer frontalen Radialfläche der Spindel 24 eine Einkerbung 24b ausgebildet, in welcher ein Ende der Ventilspindel 16 des Schiebeventils befestigt ist. Die Ventilspindel 16 ist durch geeignete Mittel, wie beispielsweise Spindelgewinde und/oder einem Bolzen, mit der Spindel 24 verbunden.
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Die Rollen 32 sind zueinander identisch ausgebildet und sind gleichmäßig um die Spindel 24 verteilt. Jede Rolle 32 erstreckt sich entlang einer Achse 32a, die koaxial zu der Achse 24a der Spindel verläuft, und umfasst ein äußeres Gewinde 34, das in das Gewinde 26 der Spindel und das Gewinde 30 der Mutter eingreift. Jede Rolle 20 umfasst zudem an jedem axialen Ende eine Außenverzahnung 36, 38, die sich axial außerhalb des Außengewindes 34 erstreckt und die selbst axial durch zylindrische Drehstifte 40, 42, die sich nach außen erstrecken, verlängert sind. Jede Verzahnung 36, 38 ist axial zwischen dem zugehörigen Drehstift 40, 42 und dem Außengewinde 34 angeordnet. Das Außengewinde 34 jeder Rolle ist axial zwischen den zwei Verzahnungen 36, 38 angeordnet.
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Der Rollengewindetriebmechanismus 22 umfasst zudem zwei ringförmige Zahnräder 44, 46, die an der äußeren Fläche der Spindel 24 ausgebildet sind und die jeweils eine äußere Verzahnung aufweisen, die mit der Verzahnung 36, 38 der Rollen 32 für eine Synchronisation selbiger kämmen. Jedes Zahnrad 44, 46 ist axial nahe einem Ende des Außengewindes 26 der Spindel angeordnet. Jedes Außengewinde ist axial zwischen den zwei Zahnrädern 44, 46 angeordnet. In dem offenbarten Ausführungsbeispiel sind die Zahnräder 44, 46 direkt auf der äußeren Fläche der Spindel 24 ausgebildet. Alternativ können die Zahnräder separate Teile sein, die an der Spindel 24 befestigt sind.
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Der Mechanismus 22 umfasst weiterhin zwei ringförmige Führungselemente oder Abstandsringe 48, 50, die auf der äußeren Fläche der Spindel 24 angeordnet sind. Diese Abstandsringe 48, 50 sind radial ohne Kontakt zu den Gewinden zwischen der Spindel 24 und dem Innengewinde 30 der Mutter angeordnet. Jeder Abstandsring 48, 50 ist an der äußeren Fläche der Spindel 24 axial neben dem zugehörigen Zahnrad 44, 46 angebracht. Jeder Abstandsring 48, 50 ist axial in Richtung der Außenseite der Mutter in Bezug auf das zugehörige Zahnrad 44, 46 versetzt angeordnet. Jeder Abstandsring 48, 50 umfasst mehrere zylinderförmige Durchgangsöffnungen (nicht gekennzeichnet), die gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt sind und in denen die Drehstifte 40, 42 der Rollen aufgenommen sind. Die Abstandsringe 48, 50 ermöglichen ein Tragen der Rollen 32 und das Beibehalten eines gleichmäßigen umfänglichen Abstands zwischen ihnen. Der Mechanismus 22 umfasst weiterhin elastische Rückhalteringe 52, 54, die jeweils in einer Nut (nicht gekennzeichnet) angebracht sind, wobei die Nut auf der äußeren Fläche der Spindel 24 ausgebildet ist, um die zugehörigen Abstandsringe 48, 50 axial zu halten.
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Wieder unter Bezugnahme auf die 1, umfasst der Rollengewindetriebmechanismus 22 weiterhin eine Adapterhülse 70, die an der Mutter 28 angebracht ist. Die Hülse 70 umfasst einen ringförmigen axialen Teil 70a, der an dem Flansch 28a der Mutter durch geeignete Mittel, wie beispielsweise Schraubengewinde, sicher befestigt ist, einen radialen Teil 70b, der sich radial innerhalb des axialen Teils 70a erstreckt und axial an dem Ende der Mutter anliegt, und einen Bolzen 70c, der sich axial nach außen von dem radialen Teil 70b weg erstreckt. Dichtungselemente (nicht gekennzeichnet) sind zwischen dem axialen Teil 70a der Hülse und der Bohrung des Gehäuses 18 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Eingangselement 20 ein bedienbares Handrad 72, das an der Adapterbuchse 70 festgelegt ist. Das Handrad 72 ist an dem Bolzen 70c der Hülse festgelegt. Das Handrad bildet einen Drehantriebseingang.
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Die Ventilbedienanordnung 10 umfasst weiterhin zwei Wälzlager 60, 62 um die Drehung der Mutter 28 des invertierten Rollengewindetriebmechanismus relativ zu dem Gehäuse 18 zu führen. Die Wälzlager 60, 62 sind radial zwischen der Außenfläche der Mutter 28 und der abgestuften Bohrung 18a des Gehäuses angeordnet. Die Wälzlager 60, 62 sind radial in Kontakt mit der Außenfläche der Mutter 28 und in einem größeren Durchmesserteil der abgestuften Bohrung 18a des Gehäuses angebracht. In dem offenbarten Ausführungsbeispiel sind die Wälzlager 60, 62 Axialschrägkugellager und sind axial voneinander beabstandet. Ein Rückhaltering 64 ist an der Außenfläche der Mutter 28 befestigt und drückt axial gegen das Wälzlager 60. Axial auf der gegenüberliegenden Seite ist das Wälzlager 62 axial an einem Flansch 28a der Mutter 28, der sich radial nach außen über die äußere Fläche der Mutter erstreckt, angebracht. Der Flansch 28a ist axial an dem axialen Ende der Mutter angeordnet. Die Anordnung 10 umfasst weiterhin eine ringförmige Hülse 66, die an der Außenfläche der Mutter 28 festgelegt ist. Die Hülse 66 liegt an einem Ende am Innenring des Wälzlagers 60 und mit dem gegenüberliegenden Ende am Wälzlager 62 an.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Sperrmechanismus 23 axial zwischen den Wälzlagern 60, 62 angeordnet. Der Sperrmechanismus 23 ist koaxial zu der Achse 25a der Spindel. Der Sperrmechanismus 23 ist radial zwischen der Hülse 66 an der Mutter 28 des invertierten Rollengewindetriebmechanismus und dem Gehäuse 18 angeordnet. Der Sperrmechanismus 23 kommt in radialen Kontakt mit der Mutter 28 und dem Gehäuse 18. Unter einem „radialen Kontakt“ ist ein direkter radialer Kontakt mit dem Übersetzungsmechanismus 22 oder dem Gehäuse 18 oder ein indirekter Kontakt mit dem Übersetzungsmechanismus oder dem Gehäuse 18 mittels eines Teils, das an dem Übersetzungsmechanismus 22 oder dem Gehäuse 18 befestigt ist, zu verstehen.
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Wie genauer in 3 gezeigt umfasst der Sperrmechanismus 23 eine Einwegkupplung oder einen Freilauf 80 (schematisch dargestellt) und Reibmittel 82, die mit dem Freilauf zusammenwirken und radial zwischen dem Freilauf und dem Gehäuse 18 angeordnet sind. Der Freilauf 80 ist von dem Reibmittel 82 verschieden. Das Reibmittel 82 umgibt radial den Freilauf 80.
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Das Reibmittel 82 ist in Umfangsrichtung relativ zu dem Übersetzungsmechanismus 22, dem Gehäuse 18 und dem Freilauf 80 frei bewegbar angebracht. Das Reibmittel 82 ist in Reibeingriff mit dem Gehäuse 18 und dem Freilauf 80.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Reibmittel 82 einen Trägerring 84 und einen Reibring 86, der auf dem Trägerring angebracht ist. Der Reibring 86 ist an dem Trägerring 84 durch irgendwelche geeignete Mittel festgelegt. Der Trägerring 84 ist radial zwischen dem Reibring 86 und dem Freilauf 80 angeordnet. Der Trägerring 84 hat eine ringförmige Form und ist mit einer zylindrischen Außenfläche 84a ausgestattet, die in radialem Kontakt mit dem Reibring 86 ist, und mit einer gegenüberliegenden zylindrischen Bohrung 84b ausgestattet, die in verschiebbarem Kontakt mit dem Freilauf 80 ist. Beispielsweise kann der Trägerring 84 aus Metall hergestellt sein. Der Trägerring 84 umfasst weiterhin zwei einander gegenüberliegende radiale Stirnflächen (nicht gekennzeichnet), die axial die Außenfläche 84a und die Bohrung 84b begrenzen.
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Wie weiter unten beschrieben werden wird, ist der Reibring 86 dazu ausgelegt, ein Reibmoment zwischen dem Reibmittel 82 und dem Gehäuse zu erzeugen, so dass das Gesamtreibmoment der Anordnung 10 größer oder gleich einem Rücktriebmoment des Übersetzungsmechanismus 22 ist. Der Reibring 86 ist radial zwischen dem Gehäuse 18 und dem Trägerring 84 angeordnet. Der Reibring 86 hat eine ringförmige Form und ist in Reibeingriff mit dem Gehäuse 18 und dem Freilauf 80. Der Reibring 86 ist mit einer zylindrischen Außenfläche 86a, die in radialem Kontakt mit der Bohrung 18a des Gehäuses angebracht ist, und mit einer gegenüberliegenden zylindrischen Bohrung 86b, die an der Außenfläche 84a des Trägerrings 84 angebracht ist, ausgestattet. Der Reibring 86 umfasst weiterhin zwei einander gegenüberliegende radiale Stirnflächen (nicht gekennzeichnet), die axial die Außenfläche 86a und die Bohrung 86b begrenzen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Stirnflächen des Reibrings 86 jeweils koplanar zu den frontalen Stirnflächen des Trägerrings 84. Der Reibring 86 kann aus Metall oder aus einem Plastikmaterial hergestellt sein.
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Wie in den 4 und 5 dargestellt, umfasst der Freilauf 80 mehrere keilförmige Noppen oder Nocken 90 und einen ringförmigen Käfig 82 zum Festhalten der Nocken. Die Nocken 90 sind zwischen äußeren und inneren Gleitlaufbahnen oder -laufflächen angeordnet, die von dem Reibmittel 82 bzw. der Hülse 86, die an der Mutter 28 des Übersetzungsmechanismus 22 festgelegt ist, ausgebildet sind. Genauer gesagt ist die äußere Gleitlauffläche durch die Bohrung des Trägerrings 84 und die innere Gleitlauffläche durch die Außenfläche der Hülse 66 ausgebildet. Alternativ könnte es auch möglich sein, eine derartige Hülse 66 nicht vorzusehen. In diesem Fall sind die Nocken direkt in Kontakt mit der Mutter 28 angebracht. Die Nocken 90 sind zwischen einer Sperrposition zusammen mit der Mutter 28 und dem Reibmittel 82, und einer ungesperrten oder freien Position bewegbar. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Nocken 90 in ihrer Form achsensymmetrisch.
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Der Käfig 92 umfasst mehrere Fenster oder Taschen 94 für die Nocken 90. Die Taschen 94 sind relativ zueinander gleichmäßig in Umfangsrichtung voneinander beabstandet. Es gibt keinen Kontakt zwischen dem Käfig 92 und dem Übersetzungsmechanismus 22. Der Käfig 92 mit seiner ringförmigen Gesamtform kann vorzugsweise aus einem dünnen blanken Metallblech durch Falten, Schneiden oder Stanzen ausgebildet sein, oder alternativ aus einem synthetischen Material, wie beispielsweise einem Polyamid, ausgebildet sein.
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Der Freilauf 80 umfasst weiterhin eine Feder 96, die in dem Käfig 92 in radialem Kontakt mit der Bohrung des Käfigs angebracht ist. Die Feder 96 ist in Form eines ringförmigen Metallstreifens, der um sich selbst herum gewunden ist und mit einem teilweisen Überlapp an seinen Enden verbunden ist, hergestellt. Die Feder 96 kann beispielsweise aus einem dünnen blanken Metallblech durch Falten, Schneiden oder Stanzen ausgebildet sein oder sonst durch Formen eines synthetischen Materials, wie beispielsweise Polyamid.
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Die Feder 96 umfasst mehrere Einbuchtungen oder Taschen (nicht gekennzeichnet), die relativ zueinander umfänglich gleichmäßig voneinander beabstandet sind und die den Taschen 94 des Käfigs gegenüberliegen, um die Nocken 90 befestigen zu können. Die Feder 96 umfasst zudem pro Nocke 90 zumindest eine elastische Rückstellzunge 100, die von einer Kante der Tasche ausgeht und umfänglich in die Tasche hineinragt, um die zugehörige Nocke 90 zu beaufschlagen. Jede Zunge 100 ist dazu ausgelegt, gegen die zugehörige Nocke 90 zu drücken, um ein Kippmoment, das darauf abzielt, die Nocke 90 in Kontakt mit der äußeren und der inneren Gleitlauffläche zu halten, auszuüben. Die Zungen 100 sind identisch zueinander und sind zwischen dem Käfig 92 und den Nocken 90 angeordnet. Als eine Variante könnte es möglich sein, jeweils ein individuelles, jeder Nocke zugehöriges Rückstellelement, wie beispielsweise eine elastische Rückstellfeder, die zwischen der Nocke 90 und dem Käfig 92 angeordnet ist, vorzusehen.
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Wieder in Bezugnahme auf 3, umfasst die Ventilbedienanordnung 10 weiterhin zwei Führungsflansche 102, 104 für den Freilauf 80, die jeweils in axialem Kontakt mit dem Außenring eines der Wälzlagers 60, 62 angebracht sein. Die Führungsflansche 102, 104 erstrecken sich axial in Richtung des Freilaufs 80, während sie entfernt von Letzterem bleiben. Zwei Sicherungsscheiben 106, 108 sind jeweils axial zwischen dem Freilauf 80 und einem der Führungsflansche 102, 104 angeordnet und liegen axial an dem zugehörigen Führungsflansch an.
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In einer, wie in 6 gezeigten, statischen Lage der Ventilbedienanordnung 10, d. h. wenn keine Drehkraft an dem Handrad anliegt, wird sowohl auf die Ventilspindel als auch auf die Spindel der Übersetzungsmechanismus nur ein Fluiddruck ausgeübt. Das Rücktriebmoment des Übersetzungsmechanismus 22, das anfälliger ist, unter einem Fluiddruck aufzutreten, ist in 6 durch den Pfeil 110 dargestellt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Rücktriebmoment in einer Richtung gegen den Uhrzeigersinn angeordnet. Der Freilauf 80 ist derart angebracht, dass die Nocken 90 in der statischen Lage in der Sperrposition zwischen der Mutter 28 des Übersetzungsmechanismus und dem Reibmittel 82 sind, um ein Bremsmoment, das eine der Richtung des Rückstellmoments entgegengesetzte Richtung aufweist, zu erzeugen. Die Außenfläche 86a des Reibrings 86 erzeugt ein vorbestimmtes Reibmoment zwischen dem Reibmittel 82 und dem Gehäuse 18, so dass das Gesamtreibmoment der Anordnung 10 größer oder gleich dem Rücktriebmoment des Übersetzungsmechanismus 22 ist. Vorzugsweise erzeugt der Reibring 86 ein Reibmoment, das größer oder gleich dem Rücktriebmoment ist. Es gibt keine Winkelbewegung zwischen dem Reibmittel 82 relativ zu dem Gehäuse 18 unter einem Fluiddruck. Das Material des Reibrings 86 und/oder seine Länge sind bestimmt, um das gewünschte Reibmoment zu erhalten. Zusätzlich kann der Reibring 88 gegen den Freilauf 80 mittels des aus einem in radialer Richtung deformierbaren Material hergestellten Trägerrings gedrückt werden. Dementsprechend kann der Freilauf 80 eine zusätzliche Kraft auf dem Reibring 88 aufbringen, die mit dem Reibmoment ansteigt.
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In der statischen Lage der Anordnung 10 ist das Reibmittel 82 gegen eine Drehung auf der inneren Seite durch den Freilauf 80 gesperrt. Es gibt keine relative Winkelbewegung zwischen dem Reibmittel 82 und dem Freilauf 80. Außerdem verhindert das Reibmoment zwischen dem Reibmittel 82 und dem Gehäuse 18 eine relative Winkelbewegung zwischen zumindest diesen beiden Elementen. Dementsprechend ist die Mutter 28 des Übersetzungsmechanismus an dem feststehenden Gehäuse 18 festgelegt oder gesperrt. Der Sperrmechanismus 23 wirkt als Kupplungsvorrichtung in Reibeingriff mit dem Übersetzungsmechanismus 22 in dem Gehäuse 18, um eine relative umfängliche Bewegung zwischen ihnen zu verhindern.
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In einer statischen Lage der Ventilbedienanordnung 10 ist die Verhinderung eines Rücktriebs des invertierten Rollengewindetriebmechanismus 22 gewährleistet. Der Rücktrieb ist nicht durch den Rollengewindetriebmechanismus 22 selbst, sondern durch die Anordnung 10 mit dem Mechanismus und den umgebenden Komponenten inklusive des Freilaufs 80 und des Reibmittel 82 gewährleistet. Unter einem Fluiddruck, der sowohl auf die Ventilspindel 16 als auch auf die Spindel 24 ausgeübt wird, ist der Mechanismus 22 nicht umgekehrt oder rückwärts antriebbar. Die Kraft, die durch das Fluid ausgeübt wird, wird nicht in eine Winkelverschiebung der Mutter 28 relativ zu dem Gehäuse 18 überführt. Dementsprechend ist es möglich, auf ein Ausgleichssystem, wie beispielsweise eine Ausgleichsspindel, an dem Ventilkörper des Schiebeventils zu verzichten. Die Ventilbedienung kann sogar bei einem Ausgleichssystemdesign verwendet werden, wenn die Ausgleichsspindel den Druck in der geschlossenen oder offenen Position nicht vollständig ausgleichen kann. In diesem Fall kann die kleine Unausgeglichenheit, die existieren kann, gesperrt werden.
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Wenn eine Bedienperson eine Drehkraft auf das Handrad 72 in der Richtung anlegt, in der die von dem Fluid auf die Ventilspindel des Schieberventils ausgeübte Kraft die axiale Bewegung der Spindel 24 unterstützt, verbleibt der Freilauf 80 in der Sperrposition zwischen der Mutter 28 des Übersetzungsmechanismus und dem Reibmittel 82. Die Betriebsdrehkraft ist in der gleichen Richtung wie das Rücktriebmoment des Übersetzungsmechanismus 22 angelegt. In 7 ist die Betriebsdrehkraft durch den Pfeil 112 illustriert. Wenn sich das Eingangselement 20 in Richtung des Rücktriebmoments 110 dreht, ist der Freilauf 80 in der Sperrposition.
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Wenn die Handhabungsdrehkraft 112, die von der Bedienperson ausgeübt wird, größer ist als das Reibmoment zwischen dem Reibmittel 82 und dem Gehäuse 18 zusammen mit der nutzbaren Drehkraft, um das Schieberventil zu betätigen, drehen sich sowohl die Mutter 28 des invertierten Rollengewindetriebmechanismus als auch das Reibmittel 82 in die gleiche Richtung relativ zu dem Gehäuse 18, wie durch den Pfeil 114 illustriert ist. Durch die Drehung der Mutter 28 drehen sich die Rollen 32 um sich selbst um die Spindel 24 und bewegen sich axial und drehen sich zusätzlich in der Mutter 28. Die Rollen 32 werden in ihrer Rotation durch die äußeren Zahnräder 44, 46, die an der Spindel vorgesehen sind und mit den Verzahnungen der Rollen kämmen, geführt. Sowohl die Rollen 32 als auch die Spindeln 24 sind axial oder longitudinal in der Mutter 28 bewegbar. Dementsprechend ist die Drehbewegung des Handrads 72 in eine axiale Bewegung der Ventilspindel des Schieberventils überführt.
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Das Gleiten des Reibmittels 82 an dem Gehäuse 18 erzeugt ein Moment, das die benötige Drehkraft an dem Handrad 72 erhöht, allerdings in erträglicher Weise, da die von dem Fluid auf die Ventilspindel des Schieberventils aufgebrachte Kraft hilft, die Kraft an der Spindel 24 zu reduzieren, und dann die Verdrehung der Spindel unterstützt.
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Wenn, wie in 8 durch den Pfeil 116 illustriert, die Bedienperson eine entgegengesetzte Drehkraft auf das Handrad aufbringt, schwenken oder neigen sich die Nocken 90 in entgegengesetzte Richtung, was ein Entsperren oder Freigeben der Nocken verursacht. Durch die angewandte Drehkraft stellt sich der Freilauf 80 in die ungesperrte Position zwischen der Hülse 70 des Übersetzungsmechanismus und dem Reibmittel 82. Die Mutter 28 des invertierten Rollengewindetriebmechanismus dreht sich relativ zu dem Freilauf 80, zu dem Reibmittel 82 und zu dem Gehäuse 18, da das Schleppmoment des Freilaufs kleiner ist als das Reibmoment zwischen dem Reibmittel 82 und dem Gehäuse 18. Eine Winkelbewegung des Reibmittels 82 relativ zu dem Gehäuse 18 und dem Freilauf 80 ist verhindert.
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In diesem Fall wird die Winkelverdrehung des Handrads 72 in eine Axialbewegung der Ventilspindel 16 des Schiebeventils in eine Richtung entgegengesetzt zu der Druckrichtung überführt. Die benötige Drehkraft an dem Handrad 72 ist auf die nutzbare Drehkraft zum Betätigen des Schieberventils zusammen mit dem Zugmoment des Freilaufs 80 begrenzt. Dementsprechend ist es bei einer Verwendung des Freilaufs 80 nicht nötig, eine extra Drehkraft aufzuwenden, um dem durch das Reibmittel 82 aufgebrachten Reibmoment entgegenzuwirken. Wenn die Bedienperson keine Drehkraft mehr zu dem Rücktriebmoment in der entgegengesetzten Richtung aufbringt, stellt sich der Freilauf 80 in die Sperrposition.
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In der Ventilbedienanordnung 10 wirkt der Freilauf 80 mit dem Reibmittel 82 zusammen, um den Übersetzungsmechanismus 22 zusammen mit dem feststehenden Gehäuse 18 zu blockieren, wenn keine Drehkraft auf das Eingangselement 20 aufgebracht wird, d. h. wenn besagtes Eingangselement in einer bestimmten Winkelposition bezüglich des Gehäuses 18 verbleibt. In einer derartig statischen Lage ist der Übersetzungsmechanismus 22 starr mit dem Gehäuse 18 durch die Sperrwirkung des Freilaufs 80 und die Reibung zwischen dem Reibmittel 82 und dem Gehäuse 18 verbunden. Der Übertragungsmechanismus 22 ist starr mit dem Gehäuse 18 gesperrt, um ein Rücktriebmoment des Mechanismus durch die von dem Fluid auf die Spindel 24 ausgeübte Kraft zu verhindern. In der statischen Lage der Anordnung 10 bildet der Sperrmechanismus 23 eine Kupplungsvorrichtung zwischen dem Übertragungsmechanismus 22 und dem Gehäuse 18.
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Außerdem ermöglicht es der Freilauf 80 des Sperrmechanismus, die benötige Drehkraft an dem Eingangselement zu begrenzen, um die Spindel des Übertragungsmechanismus und die Ventilspindel 16 des Schiebeventils in eine zu der von dem Fluid ausgeübten Kraft entgegengesetzte Richtung zu betätigen. In der Tat wird in diesem Fall eine Winkelbewegung des Reibmittels 82 relativ zu dem Gehäuse 18 verhindert.
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In diesem ersten dargestellten Ausführungsbeispiel wurde die Erfindung auf Basis einer Ventilbedienanordnung 10 für Schiebeventile mit einem invertierten Rollengewindetriebmechanismus 22 dargestellt. Dies führt zu einer hohen Lastaufnahmekapazität der Anordnung 10, da die Gewindegeometrie des invertierten Rollengewindetriebmechanismus größer sein kann als bei andere Arten von Rollengewindetriebmechanismen, da keine Minimalanzahl von Anfangspunkten benötigt ist. Zusätzlich kann eine kleinere Führung helfen, das Antriebsmoment zu reduzieren. Dementsprechend wird auch das Rücktriebmoment reduziert. Die Lebensdauer der Anordnung 10 ist ebenfalls erhöht. Andererseits ist der benötigte Bauraum für die Anordnung 10 reduziert.
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Dennoch kann die Erfindung auch bei einer Ventilbedienanordnung angewendet werden, die eine andere Art von Rollengewindetriebmechanismus aufweist, wie beispielsweise einen Standardplanetenrollengewindetriebmechanismus, wie in 9 dargestellt.
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In diesem zweiten Ausführungsbeispiel, in dem identische Teile mit identischen Bezugszeichen bezeichnet sind, ist eine Ventilbedienanordnung 10 bereitgestellt mit einem Planetenrollengewindetriebmechanismus 120, der zwischen dem Eingangselement 20 und der Ventilspindel 16 des Schieberventils angeordnet ist, und der eine Mutter 122 aufweist, die koaxial um eine Spindel 24 angebracht ist und mit einem Innengewinde ausgestattet ist, und mehrere identische Rollen 124 aufweist, die radial zwischen der Spindel 24 und der Mutter 122 angeordnet sind, und der ein ähnliches Design hat, wie das des vorstehend beschriebenen invertierten Rollengewindetriebmechanismus. In dem Ausführungsbeispiel hat das Außengewinde 26 der Spindel 24 eine verlängerte Länge.
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Der Mechanismus 120 umfasst zudem zwei ringförmige Zahnräder 126, 128, die an einem nicht mit einem Gewinde ausgestatteten Teil der Mutter 122 angebracht sind und jeweils eine Innenzahnverzahnung aufweisen, die mit der Verzahnung der Rollen 124 kämmen, um eine Synchronisation derer zu erreichen. Jedes Zahnrad 126, 128 drückt axial gegen eine Radialfläche der Mutter 122, die zwischen dem Innengewinde und dem zugehörigen nicht mit einem Gewinde ausgestatteten Teil der Gewindebuchse ausgebildet ist.
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Der Mechanismus 120 umfasst weiterhin zwei Abstandsringe 130, 132, die jeweils radial zwischen der Spindel 124 und den zugehörigen Zahnrädern 126, 128 angebracht sind, und elastische Rückhalteringe (nicht gekennzeichnet), die jeweils in einer in der Bohrung der zugehörigen Zahnräder 126, 128 ausgebildeten Nut angebracht sind, um axial die entsprechenden Abstandsringe 130, 132 zu halten. Jeder Abstandsring 130, 132 ist mit mehreren axialen Durchgangslöchern ausgestattet, in denen die Drehstifte der Rollen 124 aufgenommen sind.
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Der Mechanismus 120 umfasst auch eine äußere Hülse 134 mit einer axialen Bohrung 134a, die eine gestufte Form hat, und in der die Mutter 122 und die Rollen 124 aufgenommen sind. Die Mutter 122 ist an der Hülse 134 festgelegt. Das Zahnrad 128 drückt axial gegen eine radiale ringförmige Schulter der abgestuften Bohrung 134 der Mutter. Axial auf der anderen Seite ist ein Rückhaltering 136 in der Bohrung festgelegt und kommt axial in Kontakt mit dem anderen Zahnrad 126 des Mechanismus.
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Die Wälzlager 60, 62 und der Sperrmechanismus 23 sind an Außenfläche der Hülse 134 angebracht. Die Hülse 134 ist radial zwischen der Mutter 122 auf der einen Seite und den Wälzlagern 60, 62 und dem Sperrmechanismus 23 auf der anderen Seite angeordnet. Das Wälzlager 62 ist axial an einem Flansch 134b der Hülse angebracht, der sich radial nach außen über die Außenfläche der Hülse erstreckt. Der Flansch 134b ist axial an einem axialen Ende der Hülse angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Adapterhülse 70 des Eingangselements an dem Flansch 134b der äußeren Hülse festgelegt und drückt axial gegen den Flansch. Alternativ könnte es möglich sein, die Mutter 122 und die Hülse 134 als ein einzelnes Teil auszubilden. In diesem Fall sind die Wälzlager 60, 62 und der Sperrmechanismus 23 direkt an der Außenfläche der Mutter angebracht.
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Wenn eine Bedienperson eine Drehkraft auf das Handrad 32 aufwendet, wird diese Drehkraft auf die Adapterhülse 70 und daraufhin auf die äußere Hülse 134 und die Mutter 122 des Planetenrollengewindetriebmechanismus übertragen. Durch die Rotation der Mutter 122 drehen sich die Rollen 124 um sich selbst und rollen um die Spindel 24, ohne sich axial in der Mutter zu bewegen. Dementsprechend ist die Spindel 24 axial oder longitudinal in der Mutter 122 bewegbar und die Drehbewegung des Handrads 72 ist in eine axiale Bewegung der Ventilspindel 16 des Schiebeventils überführt. Der Sperrmechanismus 23 wirkt wie vorstehend beschrieben.
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Die zwei ersten dargestellten Ausführungsbeispiele behandeln einen invertierten Rollengewindetriebmechanismus bzw. einen Standardplanetenrollengewindetriebmechanismus. Die Erfindung kann auch auf eine Ventilbedienanordnung mit einer anderen Art von Rollengewindetriebmechanismus angewandt werden, wobei die Rollen der Außengewinde beraubt sind, aber Einkerbungen haben, die die Gewinde der Spindel und der Mutter umgreifen und sich axial bezüglich der Spindel und der Mutter bewegen. Nach einer kompletten Umdrehung ist jede Rolle in ihre Ausgangsposition mittels Noppen, die an den Enden der Mutter angeordnet sind, rückgeführt. Ein derartiger Mechanismus wird ein rezirkulierender Rollengewindetrieb genannt und kann in Standard- oder in invertierter Ausführung vorliegen.
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In dem dritten in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel, in dem identische Teile mit identischen Bezugszeichen bezeichnet sind, ist die Ventilbedienanordnung 10 mit einem Standardkugelgewindetriebmechanismus 140 ausgestattet, der eine Mutter 142, die koaxial um die Spindel 24 angebracht ist und mit einem Innengewinde ausgestattet ist, und mehrere identische Kugeln 144, die radial zwischen der Spindel 24 und der Mutter 142 angeordnet sind, und die in ein Gewinde der Mutter und in ein Gewinde 146 der Spindel eingreifen, aufweist. Die Mutter 142 ist in der Bohrung 134 der äußeren Hülse 134 angebracht und drückt axial gegen eine radiale ringförmige Schulter der Bohrung. Axial auf der anderen Seite ist der Rückhaltering 136 in der Bohrung 134a der äußeren Hülse festgelegt und kommt axial in Kontakt mit der Mutter 142. Die Mutter 142 ist an der äußeren Hülse 134 festgelegt. Alternativ können die Mutter 142 und die Hülse einteilig ausgebildet sein. Die Mutter 142 umfasst rückführende Vorrichtungen 148, 150, die in ihre Dicke eingebracht sind, um die Rückführung der Kugeln 144 zu erreichen. Ein derartiger Mechanismus wird ein Standardkugelgewindetrieb genannt. Alternativ kann der Rückführmechanismus an der Spindel bereitgestellt sein. Ein derartiger Mechanismus wird ein invertierter Kugelgewindetrieb genannt.
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Andererseits kann die Erfindung auch auf eine Ventilbedienanordnung angewandt werden, die einen anderen Übersetzungsmechanismus hat, der dazu ausgelegt ist, eine Rotation in eine lineare Bewegung zu überführen, beispielsweise eine direkte Gewindeverbindung. Dennoch erfordert ein derartiger Übersetzungsmechanismus große Betätigungsdrehkräfte.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Sperrmechanismus 23 radial zwischen dem Gehäuse 18 und der sich drehenden Mutter des Übersetzungsmechanismus angeordnet. Alternativ kann der Sperrmechanismus zwischen dem Gehäuse 18 und der Hülse 70 des Übersetzungsmechanismus angeordnet sein. Bei einer derartigen Anordnung ist jedoch der benötigte Bauraum der Anordnung 10 vergrößert. In einer anderen Variante ist es auch möglich, den Sperrmechanismus 23 radial zwischen dem Gehäuse und der sich drehenden Mutter des Übersetzungsmechanismus und axial zwischen den Wälzlagern 62, 64 und der ringförmigen Hülse 70 anzuordnen.
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In den offenbarten Ausführungsbeispielen drückt das Reibmittel 82 radial gegen das Gehäuse 18, und der Freilauf 80 ist radial mit Kontakt zwischen dem Reibmittel und dem Übersetzungsmechanismus 22 angeordnet. In einer Variante könnte es möglich sein, eine invertierte Anordnung zu haben, bei der das Reibmittel 82 radial gegen das Übersetzungsmechanismus 22 drückt, und der Freilauf 18 radial zwischen dem Reibring und dem Gehäuse 18 angeordnet ist. In diesem Fall umgibt der Freilauf 80 radial das Reibmittel 82.
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Bei der Anordnung mit dem Sperrmechanismus 23, wie in den Figuren dargestellt, ist jedoch der Freilauf 80 ökonomisch, da sein Durchmesser kleiner ist und der Reibring 86 im Fall von exzessivem Verschleiß einfach zu ersetzen ist.
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In den dargestellten Ausführungsbeispielen umfasst das Reibmittel einen Reibring 86 in einen Trägerring 84. Alternativ kann das Reibmittel nur einen Reibring umfassen. In diesem Fall liegen die Nocken des Freilaufs direkt an einer Laufbahn oder Lauffläche des Reibrings an. In den dargestellten Ausführungsbeispielen umfasst der Freilauf mehrere Nocken, die als Sperrelemente wirken. Alternativ können andere Arten von Freiläufen, wie beispielsweise ein Freilauf mit Sperrrollen verwendet werden.
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Obwohl die Erfindung auf Basis eines Ventilbetätigers mit einer Spindel, die mit einer Ventilspindel des Schiebeventils verbunden ist und einer Mutter, die an dem Eingangselement angebunden ist, dargestellt ist, ist es selbstverständlich, dass die Erfindung auch auf eine Spindel, die mit dem Eingangselement und einer Mutter, die mit der Ventilspindel verbunden ist, angewandt werden kann. In diesem Fall wirkt die Mutter als Translationselement und die Spindel wirkt als Rotationselement. Dementsprechend kann der Sperrmechanismus zwischen der Spindel und dem Gehäuse angeordnet sein. Auch wenn die Erfindung auf Basis einer Ventilbedienanordnung für Schiebeventile dargestellt ist, ist es selbstverständlich, dass die Erfindung auch für andere Ventilarten, wie beispielsweise Steuer- oder Regulierventile oder Drosselventile, angewandt werden kann. Die Ventilbedienanordnung kann beispielsweise mit einem Oberflächenschiebeventil oder einem Unterseeschiebeventil verwendet werden, die durch ferngesteuerte Fahrzeuge (ROV) oder durch einen Aktuator bedient werden können.
