DE19650947C2

DE19650947C2 - Axialkupplung für einen Stellantrieb

Info

Publication number: DE19650947C2
Application number: DE1996150947
Authority: DE
Inventors: Herbert Moeller
Original assignee: Hartmann and Braun AG
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1996-12-07
Filing date: 1996-12-07
Publication date: 1999-11-04
Anticipated expiration: 2016-12-08
Also published as: DE19650947A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb zur Steuerung von Armaturen in der Prozeßautomatisierung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Derartige Stellantriebe werden in der Prozeßautomatisierung zum Öffnen und Schließen von Ventilen, Klappen und dergleichen eingesetzt. Aus der EP 0 303 801 A1 ist ein Stellantrieb mit einer Absperrarmatur bekannt, bei dem ein Elektromotor über ein Getriebe eine Antriebsbuchse antreibt. Die Antriebsbuchse steht mit einer Spindelmutter in Wirkverbindung, deren Rotationsbewegung in eine axiale Bewegung einer von der Spindelmutter angetriebenen Spindel umgesetzt wird. An der Spindel ist der Armaturenteller der Absperrarmatur starr befestigt.

Die Geschwindigkeit des Armaturentellers in der Absperrarmatur wird ausschließlich durch die Motor-Getriebe-Kombination bestimmt. Bei Ausfall der Versorgungs beziehungsweise Steuerspannung für den Elektromotor ist die Lage des Armaturentellers in der Absperrarmatur als Stellglied in einem Regelkreis fixiert und blockiert. In diesem Fall ist eine Verstellung des Armaturentellers nur noch mittels eines Handantriebes möglich. Die Verfahrgeschwindigkeit des Armaturentellers in der Absperrarmatur ist bei Handbetätigung regelmäßig deutlich geringer als im Automatikbetrieb des Antriebes im Regelkreis.

Darüber hinaus wird davon auszugehen sein, daß sich zum Zeitpunkt des Ausfalls der Versorgungs- beziehungsweise Steuerspannung keine Bedienperson in unmittelbarer Nähe des Stellantriebes befinden wird, so daß sich die Reaktionszeit aus der infolge der geringeren Verfahrgeschwindigkeit längeren Bedienzeit zuzüglich der Zeit, die zum Erreichen des Stellantriebes durch eine Bedienperson erforderlich ist, zusammensetzt.

In umwelt- und/oder lebensgefährlichen Bereichen, wie beispielsweise in Kraftwerken, ist es aus Sicherheitsgründen erforderlich, vorbestimmbare Armaturen bei Ausfall der Versorgungs- beziehungsweise Steuerspannung in eine vorbestimmte Endlage zu verfahren.

Dazu ist aus der Zeichnung "Regelventil" 80/0146/42 vom 14.11.1989 der Fa. Sempell bekannt, den Stellantrieb mit einer nichtselbsthemmenden Spindel-Spindelmutter- Kombination auszustatten und zwischen dem Drehantrieb und der einer nichtselbsthemmenden Spindel-Spindelmutter-Kombination eine entriegelbare Kupplung vorzusehen. Mittels einer konzentrisch abgebrachten Druckfeder wird im entriegelten Zustand die Ventilspindel in die gewünschte Endlage verfahren. Neben einer aufwendigen Konstruktion eines derart ausgeführten Stellantriebes ist die Reaktionszeit, die vergeht vom Zeitpunkt des Ausfalls der Versorgungs beziehungsweise Steuerspannung bis zum Zeitpunkt des Erreichens der vorbestimmten Endlage in nachteiliger Weise undeterminiert und in weiten Schwankungsbereichen von dem Zustand der Schmierung, der Temperatur, dem Verschleiß und der Nettorückstellkraft, darunter wird die Federvorspannkraft abzüglich der Stopfbuchsreibung zuzüglich des wirkrichtungsabhängig vorzeichenbehafteten Mediumdrucks verstanden, abhängig.

Ein diesem Prinzip folgender Gegenstand ist auch aus der DE 37 06 621 bekannt, wobei der Stellantrieb mit einer nichtselbsthemmenden Spindel-Spindelmutter-Kombination ausgestattet ist und zwischen dem Drehantrieb und der nichtselbsthemmenden Spindel- Spindelmutter-Kombination eine entriegelbare Kupplung vorgesehen ist. Demzufolge weist diese Anordnung auch dieselben Nachteile inbesondere in Hinsicht auf die Reaktionszeit, die vom Zeitpunkt des Ausfalls der Versorgungs- beziehungsweise Steuerspannung bis zum Zeitpunkt des Erreichens der vorbestimmten Endlage vergeht, auf. Die Reaktionszeit ist in nachteiliger Weise undeterminiert und in weiten Schwankungsbereichen von dem Zustand der Schmierung, der Temperatur, dem Verschleiß und der Nettorückstellkraft abhängig.

Weiterhin ist aus der DE 32 33 185 ein Stellglied mit einem Schubantrieb bekannt, bei dem die Schubstange zwischen dem Stellantrieb und dem Drosselkörper geteilt ist und die Schubstangenteile mittels einer elektromagnetischen Kupplung und eines Kraftspeichers kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Die Haltekraft der elektromagnetischen Kupplung ist axial zur Schubstange gerichtet. Das bedeutet, daß durch die elektromagnetische Kupplung die Summe aus der Antriebskraft des Schubantriebs, der Federspannkraft des Kraftspeichers und dem axialen Kraftangriff auf den Drosselkörper als Haltekraft während der gesamten Zeit des normalen Stellbetriebs aufzubringen ist. Eine derartige Anordnung ist daher sehr aufwendig, insbesondere energieaufwendig.

Darüber hinaus ist aus der Gerätebeschreibung "Kombiniertes Sicherheitsüberströmventil" der Fa. Zikesch ein Hydraulikantrieb bekannt, der im Notfall drucklos geschaltet wird, so daß die Absperrarmatur in eine vorbestimmbare Endlage verfährt. In räumlich ausgedehnten Prozeßanlagen sind jedoch die erforderlichen Zuleitungssysteme für das Hydrauliköl sehr aufwendig und wartungsintensiv. Insbesondere besteht Gefahr durch Brand und Umweltverunreinigung infolge von Leckagen im System ölführender Gefäße.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Stellantrieb zur Steuerung von Armaturen in der Prozeßautomatisierung anzugeben, der das Stellorgan der Armatur bei Ausfall der Versorgungsenergie unter reproduzierbaren Bedingungen in eine vorbestimmbare Endlage verfährt, dabei einen einfachen Aufbau hat und die Gefahr von Umweltbeeinträchtigungen vermeidet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 7 aufgezeigt.

Der Kern der Erfindung besteht darin, den Abtrieb eines für sich bekannten Stellantriebes mit dem Stellorgan einer für sich bekannten Armatur mittels einer Axialkupplung zu verbinden. Diese Axialkupplung ist bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der so gebildeten Anordnung stets im Eingriff. Dabei ist eine formschlüssige Verbindung vorgesehen, die durch eine Hilfsenergie aufrechterhalten wird. Bei Ausfall der Versorgungsenergie für den Stellantrieb wird die Hilfsenergie abgeschaltet und die Verbindung zwischen dem Abtrieb des Stellantriebes und dem Stellorgan der Armatur gelöst.

Zur statischen Verbindung des Stellantriebes mit der Armatur ist ein Abstandshalter vorgesehen, mit dem das Gehäuse des Stellantriebes starr an dem Armaturenkörper befestigt ist.

Die Axialkupplung umfaßt einen statischen Energiespeicher, dessen gespeicherte Energie beim Lösen der Verbindung zwischen dem Abtrieb des Stellantriebes und dem Stellorgan der Armatur freigesetzt wird und das Stellorgan der Armatur in eine vorbestimmte Endlage verfährt. Als Energiespeicher ist eine vorgespannte Feder vorgesehen, deren gespeicherte Energie in vorteilhafter Weise unabhängig von der Verfügbarkeit der Versorgungsenergie für den Stellantrieb und der Hilfsenergie zur Verfügung steht. Darüber hinaus ist der so ausgeführte Energiespeicher wartungsfrei.

Die Axialkupplung umfaßt weiterhin einen ersten und einen zweiten, einander gegenüberliegende Kupplungsteller, zwischen denen die vorgespannte Feder angeordnet ist. Am ersten Kupplungsteller ist ein Kupplungstopf konzentrisch angeordnet, der von der Feder umschlungen ist und diese in vorteilhafter Weise in ihrer radialen Lage bezüglich des ersten Kupplungstellers arretiert.

Innerhalb des Kupplungstopfes ist eine Hülse konzentrisch am ersten Kupplungsteller angeordnet, in der zumindest ein Teil einer Schaltstange, die im entkuppelten Zustand der Axialkupplung gegenüber der Hülse beweglich, innerhalb der Axialkupplung geführt ist. Die Schaltstange ist mit dem zweiten Kupplungsteller starr verbunden und weist eine radial umlaufende Nut auf.

Darüber hinaus ist innerhalb des Kupplungstopfes mindestens eine radial bewegliche Klinke zum Eingriff in die radial umlaufende Nut der Schaltstange vorgesehen, die mit einem durch eine Druckplatte betätigten Umlenkmechanismus in ihrer Lage arretierbar ist.

Unter Anwendung der Hilfsenergie auf die Druckplatte wird über diesen Umlenkmechanismus die Klinke radial in Richtung der Schaltstange verschoben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Stellantriebes mit einer Armatur.

Fig. 2 eine Detaildarstellung einer Axialkupplung.

In Fig. 1 ist ein für sich bekannter Stellantrieb 10 dargestellt, der im wesentlichen mit einem in einem Gehäuse 11 angeordneten Getriebe 14, das von einem Antriebsmotor 13 angetrieben wird und Mittel zur Umsetzung einer Drehbewegung in eine axiale Linearbewegung umfaßt. Diese Mittel sind als für sich bekannte Spindel- Spindelmutter-Kombination ausgeführt, wobei die Achse der Spindel als Abtrieb 12 ausgeführt ist.

Weiterhin ist eine für sich bekannte Armatur 20 dargestellt, die im wesentlichen aus einem Armaturenkörper 21, in dem ein Stellorgan 22 verschieblich angeordnet ist, besteht. Der Armaturenkörper 21 ist mit nicht dargestellten Verbindungsmitteln ausgestattet, die als Schnittstelle zu kommenden und gehenden Gefäßsystemen ausgestaltet sind und als Muffen oder Flansche ausgeführt sein können. Das Stellorgan 22 ist mit einer Schaltstange 220 zu seiner Betätigung ausgestattet.

Die Armatur 20 ist mit dem Stellantrieb 10 fest verbunden. Dazu ist ein Abstandshalter 30 vorgesehen, der einerseits an dem Gehäuse 11 des Stellantriebes 10 und andererseits an dem Armaturenkörper 21 der Armatur 20 befestigt ist. Für den Betrieb der Armatur 20 ist der Abtrieb 12 des Stellantriebes 10 über eine Axialkupplung 40 mit der Schaltstange 220 des Stellorgans 22 der Armatur 20 verbunden.

Die Axialkupplung 40 ist in Fig. 2 detailliert und teilweise geschnitten dargestellt. Im wesentlichen besteht die Axialkupplung 40 aus einem ersten und einem zweiten Kupplungsteller 41, 42, die einander gegenüberliegen und zwischen denen eine vorgenannte Feder 43 angeordnet ist. Am ersten Kupplungsteller 41 ist ein Kupplungstopf 411 konzentrisch angeordnet, der von der Feder 43 umschlungen ist.

Innerhalb des Kupplungstopfes 411 ist eine Hülse 47 konzentrisch angeordnet und mit dem ersten Kupplungsteller 41 verbunden. In dieser Hülse 47 ist zumindest ein Teil der Schaltstange 220 geführt, die mit einer radial umlaufenden Nut 221 versehen ist. Dabei ist die Schaltstange 220 mit dem zweiten Kupplungsteller 42 und der Abtrieb 12 des Stallantriebs 10 mit dem ersten Kupplungsteller 41 fest verbunden.

Innerhalb des Kupplungstopfes 411 ist mindestens eine radial bewegliche Klinke 45 zum formschlüssigen Eingriff in die radial umlaufende Nut 221 der Schaltstange 220 vorgesehen. Vorzugsweise sind jedoch eine Mehrzahl gleichartiger Klinken 45 radial äquidistant um die Schaltstange 220 herum angeordnet, die gleichzeitig betätigt werden. Vorteilhafterweise ist dabei der Kraftangriff an der Schaltstange 220 symmetrisch, so daß axiale Deformationen der Schaltstange 220 vermieden werden.

Zur Bedienung der Klinken 45 ist ein über eine Druckplatte 44 betätigter Umlenkmechanismus 46 vorgesehen.

Der Kraftangriff F auf die Druckplatte 44 wird über den Umlenkmechanismus 46 auf die Klinken 45 entsprechend deren freier Bewegungsrichtung umgelenkt. Soweit die Richtung des Kraftangriffs F ungleich der Bewegungsrichtung der Klinken 45 ist, sind der Umlenkmechanismus 46 und die Klinken 45 gelenkig miteinander verbunden. Dieses Gelenk kann darin bestehen, daß, wie in Fig. 2 dargestellt, sowohl der Umlenkmechanismus 46 als auch die Klinken 45 zueinander korrespondierend gefast sind. Der Kraftangriff F selbst wird durch eine Hilfsenergie erzeugt. In Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Druckplatte 44 pneumatisch betätigt ist, wobei der durch den Kupplungsteller 41 den Kupplungstopf 411 und die Hülse 47 gebildete Raum als Druckzylinder ausgestaltet ist. Pneumatische Energie steht in Prozeßanlagen üblicherweise stets zur Verfügung und ist in vorteilhafter Weise hinsichtlich der Umweltbelastung unbedenklich.

Darüber hinaus kann vorgesehen sein, daß die Druckplatte 44 magnetisch betätigt ist, wobei in dem Kupplungstopf 411 ein Elektrohubmagnet angeordnet ist, dessen Anker durch die Druckplatte 44 gebildet ist. Bei aufrechterhaltenem Stromfluß durch den Elektrohubmagneten verbleibt die Axialkupplung 40 im Eingriff, wobei die Klinken 45 formschlüssig in die Nut 221 der Schaltstange 220 eingreifen. In vorteilhafter Weise sind die Energieträger für den Stellantrieb 10 und die Axialkupplung 40 typgleich, so daß bei allgemeinem Stromausfall zwar der Stellantrieb 10 in seiner Lage verharrt, aber gleichwohl die Axialkupplung 40 gelöst wird und das Stellorgan 22 der Armatur 20 in eine vorbestimmte Lage verfahren wird.

Darüber hinaus ist vorgesehen, die Hilfsenergie zur Betätigung der Axialkupplung 40 durch den antriebsseitigen ersten Kupplungsteller 41 zuzuführen. In vorteilhafter Weise unterliegen die Zuführungsleitungen für die Hilfsenergie zur Axialkupplung 40 dabei ausschließlich dynamischen Belastungen infolge der Verstellung des Stellorgans 22 durch den Stellantrieb 10. Diese dynamische Belastung ist vergleichsweise gering gegenüber der dynamischen Belastung auf die Zuführungsleitungen, die beim automatischen Verfahren des Stellorgans 22 der Armatur 20 in die vorbestimmte Endlage bei Ausfall der Versorgungsenergie auftreten.

Weiterhin ist vorgesehen, daß der zweite Kupplungsteller 42 mit einem konzentrisch angeordneten Zentrieransatz 421 ausgestattet ist. Dieser Zentrieransatz 421 weist einen zum Kupplungstopf 411 korrespondierenden Durchmesser auf und ist gleichwohl, zumindest teilweise, von der Feder 43 umschlungen. In vorteilhafter Weise wird durch diesen Zentrieransatz 421 die Feder 43 hinsichtlich des zweiten Kupplungstellers 42 lagearretiert. In vorteilhafter Weise ist dabei der Kraftangriff der Feder 43 auf den zweiten Kupplungsteller 42 dauerhaft reproduzierbar.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die in der Schaltstange 220 radial umlaufende Nut 221 einen trapezförmigen, sich nach außen erweiternden Querschnitt aufweist und daß die Klinke 45 nuteingriffsseitig korrespondierend trapezförmig gefast ist. Durch diese trapezförmigen Fasen wird in vorteilhafter Weise der Eingriff jeder Klinke 45 in die radial umlaufende Nut 221 in der Schaltstange 220 erleichtert.

Während des normalen Regelbetriebes ist die Axialkupplung 40 im eingekuppelten Zustand. Das bedeutet, die Klinken 45 befinden sich im formschlüssigen Eingriff in der radial umlaufenden Nut 221 der Schaltstange 220. Dabei wird die lineare Bewegung des Abtriebs 12 des Stellantriebes 10 in eine adäquate Stellbewegung des Steilorgans 22 in der Armatur 20 umgesetzt.

Bei Ausfall der Versorgungsenergie für den Stellantrieb 10 wird die der Axialkupplung 40 zugeführte Hilfsenergie abgeschaltet. Dabei entfällt temporär der Kraftangriff F auf die Druckplatte 44. Infolgedessen werden die Klinken 45 entriegelt, so daß die Schaltstange 220 in der Hülse 47 verschieblich ist. Die zwischen dem ersten und dem zweiten Kupplungsteller 41 und 42 vorgespannt angeordnete Feder 43 entspannt sich, wobei die Kupplungsteller 41 und 42 relativ zueinander auseinanderbewegt werden. Infolge des abgeschalteten Stellantriebes 10 verharrt der erste Kupplungsteller 41 in seiner Lage, so daß ausschließlich der zweite Kupplungsteller 42 unter Mitnahme der Schaltstange 220 verfahren wird. Über die Schaltstange 220 wird das Stellorgan 22 innerhalb des Armaturenkörpers 21 in die gewünschte vordefinierte Endlage verfahren. In Abhängigkeit vom laufenden technischen Prozeß kann dabei vorgesehen sein, daß das Stellorgan 22 in einen, die Armatur 20 verschließenden Sitz verfahren wird, so daß die Armatur geschlossen ist. Es kann aber auch vorgesehen sein, daß das Stellorgan 22 von seinem, den Verschluß der Armatur 20 bewirkenden Sitz wegbewegt wird, so daß die Armatur 20 vollständig geöffnet wird.

Mit Verfügbarwerden der Versorgungsenergie für den Stellantrieb 10 wird auch die Hilfsenergie für die Axialkupplung 40 wieder zugeschaltet. Der daraus resultierende Kraftangriff F auf die Druckplatte 44 bewirkt, daß die Klinken 45 radial auf die Schaltstange 220 zubewegt werden. Im weiteren wird der Abtrieb 12 des Stellantriebs 10 in die vordefinierte Endlage des Stellorgans 22 in der Armatur 20 verfahren. Dabei werden die beiden Kupplungsteller 41 und 42 relativ aufeinander zubewegt, wodurch die Feder 43 ihre Vorspannung zurückgewinnt. Beim Erreichen der vorbestimmten Endlage rasten die Klinken 45 formschlüssig in die umlaufende Nut 221 der Schaltstange 220 ein. Die Axialkupplung 40 befindet sich nun wieder im eingekuppelten Zustand. Der Abtrieb 12 des Stellantriebs 10 ist nunmehr zur Aufnahme des bestimmungsgemäßen Stellbetriebes starr mit der Schaltstange 220 verbunden.

Der besondere Vorteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, daß trotz Abschaltung aller externer Energiequellen die vorbestimmte Endlage des Stellorgans 22 erreicht wird, indem ein unabhängiger interner Energiespeicher in Form der Feder 43 vorgesehen ist, dessen Energie stets zur Verfügung steht. Insbesondere ist der Energieträger in Form der Feder 43 im wesentlichen wartungsfrei, von einfachem Aufbau und frei von umweltbeeinträchtigenden Nebenwirkungen.

Bezugszeichenliste

10

Stellantrieb

11

Gehäuse

12

Abtrieb

13

Antriebsmotor

14

Getriebe

20

Armatur

21

Armaturenkörper

22

Stellorgan

220

Schaltstange

221

Nut

30

Abstandshalters

40

Axialkupplung

41

,

42

Kupplungsteller

411

Kupplungstopf

421

Zentrieransatz

43

Feder

44

Druckplatte

45

Klinke

46

Umlenkmechanismus

47

Hülse

Claims

1. Stellantrieb zur Steuerung von Armaturen mit einem Motor und einem in einem Gehäuse angeordneten Getriebe, wobei die Armatur ein in einem Armaturenkörper veschieblich angeordnetes Stellorgan mit einer Schaltstange umfaßt, wobei der Stellantrieb mit der Armatur statisch mittels eines Abstandshalters zwischen dem Gehäuse des Stellantriebes und dem Armaturenkörper und dynamisch mittels einer Axialkupplung verbunden ist, die im normalen Stellbetrieb eine Verbindung zwischen dem Abtrieb des Stellantriebes und der Schaltstange des Stellorgans der Armatur aufrechterhält und bei Ausfall der Versorgungsenergie die Verbindung löst und wobei die Axialkupplung

1. einen ersten und einen zweiten, einander gegenüberliegende Kupplungsteller, zwischen denen eine vorgespannte Feder angeordnet ist, und
2. einen am ersten Kupplungsteller konzentrisch angeordneten Kupplungstopf, der von der Feder umschlungen ist, umfaßt

dadurch gekennzeichnet,

1. daß eine am ersten Kupplungsteller (41) konzentrisch innerhalb des Kupplungstopfes (411) angeordnete Hülse (47) vorgesehen ist, in der zumindest ein Teil der Schaltstange (220) innerhalb der Axialkupplung (40) geführt ist, und
2. daß mindestens eine innerhalb des Kupplungstopfes (411) radial bewegliche Klinke (45) zum formschlüssigen Eingriff in eine in der Schaltstange (220) radial umlaufende Nut (221) vorgesehen ist, die mit einem durch eine Druckplatte (44) betätigten Umlenkmechanismus (46) lagearretierbar ist.

2. Stellantrieb nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kupplungsteller (41) mit dem Abtrieb (12) des Stellantriebes (10) und der zweite Kupplungsteller (42) mit der Schaltstange (220) des Stellorgans (22) der Armatur (20) verbunden ist.

3. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Druckplatte (44) pneumatisch betätigt ist, wobei der durch den ersten Kupplungsteller (41), den Kupplungstopf (411) und die Hülse (47) gebildete Raum als Druckzylinder ausgestaltet ist.

4. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Druckplatte (44) magnetisch betätigt ist, wobei in dem Kupplungstopf (411) ein Elektrohubmagnet angeordnet ist, dessen Anker durch die Druckplatte (44) gebildet ist.

5. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsenergie zur Betätigung der Axialkupplung (40) durch den antriebsseitigen, ersten Kupplungsteller (41) zugeführt ist.

6. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kupplungsteller (42) mit einem konzentrisch angeordneten Zentrieransatz (421) ausgestattet ist.

7. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die in der Schaltstange (220) radial umlaufende Nut (221) einen trapezförmigen, sich nach außen erweiternden Querschnitt aufweist und daß die Klinke (45) nuteingriffsseitig korrespondierend trapezförmig gefast ist.