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Betätigungsvorrichtung zur Ausführung einer
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Vierteldrehung Die Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung
zur Ausführung einer Vierteldrehung bei Ventilen.
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Fernbetätigung von Ventilen in Rohrleitungen nimmt in zahlreichen
Bereichen ständig zu und wird in modernen Einrichtungen durch eine Betätigungsvorrichtung
zur Ausführung einer Vierteldrehung herbeigeführt, d.h. eine Betätigungsvorrichtung,
die den Ventilschaft od.dgl. Ventilglied von Kugel-, Drehklappen-oder Kegelventilen
eine Vierteldrehung von der voll geöffneten zu der voll geschlossenen Stellung bewegt.
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Derartige Betätigungsvorrichtungen können elektrisch oder pneumatisch
betätigt werden, wobei von diesen beiden Arten die pneumatisch betätigte Ausführungsform
im allgemeinen bevorzugt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine pneumatische Ventilbetätigungvorrichtung
zur Ausführung einer Vierteldrehung zu schaffen, die kostenarm , leistungsstark
und zur Berücksichtigung der ungünstigen Bedingungen, in denen derartige Betätigungsvorrichtungen
häufig eingesetzt werden, in hohem Maße korrosionsbeständig ist.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß sie ein
Gehäuse umfaßt, in dem nebeneinander liegende Zylinder gebildet
sind,
ein in jedem Zylinder angeordneter Kolben an einer Seite eine Ausnehmung mit einer
in dieser vorgesehenen Zahnstange aufweist, ein mit den Zahnstangen der Kolben in
Eingriff stehendes Ritzel im Gehäuse angebracht ist, Mittel für eine Zufuhr von
Druckluft zu den Zylindern vorgesehen sind, jedes Ende eines jeden Zylinders mit
dem anderen Ende des anderen Zylinders durch ein Luftverteilsystem verbunden ist
und daß der Kolben einen Kunststoffkörper umfaßt.
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Ferner umfaßt die Erfindung eine Betätigungsvorrichtung zur Ausführung
einer Vierteldrehung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie ein Gehäuse umfaßt,
in dem nebeneinander liegende Zylinder gebildet sind, ein in jedem Zylinder angeordneter
Kolben an-einer Seite eine Ausnehmung mit einer in dieser vorgesehenen Zahnstange
aufweist, ein mit den Zahnstangen der Kolben in Eingriff stehendes Ritzel im Gehäuse
angebracht ist, Mittel für eine Zufuhr von Druckluft zu den Zylindern vorgesehen
sind, jedes Ende eines jeden Zylinders mit dem anderen Ende des anderen Zylinders
durch ein Luftverteilsystem verbunden ist, zumindest einer der Kolben eine Blindbohrung
aufweist, die sich von einem Ende des Kolbens zu dessen anderem Ende hin erstreckt,
unddaß in der Blindbohrung eine den Kolber zu einem Ende seines Zylinders unter
Vorspannung setzende Feder angeordnet ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen
und der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung, in der mehrere
Ausführungsbeispiele des Gegenstands der Erfindung veranschaulicht sind. In der
Zeichnung zeigen: Fig. 1 Eine Explosionsdarstellung einer Betätigungsvorrichtung
nach der Erfindung, Fig. 2 eine Stirnansicht des Hauptgehäuses der Betätigungsvorrichtung,
Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 2, Fig. 4 einen Schnitt nach
der Linie IV-IV der Fig. 2, Fig. 5 Einzelheiten einer Abwandlung der Ausführungsform
nach Fig. 1, Fig. 6 eine schematische Darstellung der Luftwege zwischen den beiden
Enden des Vorrichtungsgehäuses bei der Anordnung nach Fig. 4, Fig. 7 eine Darstellung
entsprechend Fig. 6, jedoch unter Verwendung der Abwandlung gemäß Fig. 5, Fig. 8,9
verschiedenartige Bunde, die bei den verschiedenen und 10 Ausführungsformen der
Erfindung verwendbar sind, Fig. 11 eine Stirnansicht eines Kolbens der Ausführungsform
nach Fig. 1, Fig. 12 eine Seitenansicht des Kolbens nach Fig. 11, Fig. 13 einen
Schnitt nach der Linie XIII-XIII der Fig. 11, Fig. 14 eine Vorder- bzw. eine Seitenansicht
abgewandelter und 15 Kolben, Fig. 16 einen Schnitt nach der Linie XVI-XVI der Fig.
14, Fig. 17 einen Schnitt nach der Linie XVII-XVII der Fig. 16, Fig. 18 . eine Ansicht
eines zentralen Ritzels: der Ausführungsforn nach Fig. 1, Fig. 19 eine Ansicht bzw.
einen Längsschnitt einer und 20 abgewandelten Ritzelausführung, Fig. 21 eine Ansicht
einer Endplatte bei der Ausführungsform nach Fig. 1 und Fig. 22 je einen Schnitt
nach der Linie XXII-XXII bzw.
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und 23 XXIII-XXIII der Fig. 21.
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Wie sich zunächst aus Fig. 1 der Zeichnung ergibt, umfaßt die dargestellte
Betätigungsvorrichtung zur Ausführung einer Vierteldrehung gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Gehäuses 10 mit zwei parallelen Zylindern
11 und 12, einem Paar von Kolben 13 jeweils mit einer seitlichen Ausnehmung 14,
in der eine Zahnstange 15 angeordnet ist, einem mittleren Ritzel 16, das mit den
Zahnstangen 15 in Eingriff steht und im Gehäuse 10 in einer beide Zylinder 11 und
12 erfassenden Querbohrung 17 angeordnet ist, und mit vorderen und hinteren Endplatten
18 und 19 sowie 20 und 21, die zum Abschließen der Zylinderenden dienen.
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Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse 10 ein einziges
Präzisionsgußteil aus einem Glasbestandteile enthaltenden Epoxidharz, und die Zylinder
sind mit gewickelten Epoxidrohren oder Einlagen 25 aus mit Polytetrafluoräthylen
imprägnierten Glasseidenfäden entsprechend der Darstellung in den Fig. 2 bis 4 ausgekleidet.
Bei dieser Ausführungsform sind zwei kurze Auskleidungen 25 in jedem Zylinder vorgesehen,
jedoch kann genauso gut eine einzige, über die gesamte Länge reichende Auskleidung
in jedem Zylinder verwendet werden, wobei die Auskleidung zur Aufnahme des mittleren
Ritzels 16 eingekerbt bzw. ausgenommen ist. Die Auskleidungen 25 können in ihrer
Stellung festgelegt werden, nachdem das Hauptgehäuse 10 gegossen worden ist, sie
werden jedoch vorzugsweise in der Hauptgießform in Position gebracht und somit mit
dem Hauptgehäuse in ihrer Position eingegossen.
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Die Zylinderauskleidungen 25 werden auf fein polierten Dornen hergestellt,
was eine hohe Maßgenauigkeit und eine ausgezeichnete Oberflächenfeinbeschaffenheit
gewährleistet. Die weitere gewünschte Eigenschaft der Epoxidauskleidungen besteht
darin, daß sie außerordentlich fest sind - eine typische Auskleidung hält einem
Innendruck von 300 bar stand, wobei lediglich ein Betriebsdruck von 7 bar vorgesehen
ist. Die Festigkeit der Auskleidungen 25 bewirkt eine Abschirmung des
Epoxidgehäuses
10 von den inneren Drücken, so daß das Gehäuse im Grunde nur dazu dient, die anderen
Bestandteile in ihren entsprechenden gegenseitigen Stellungen zu halten. Der weitere
Umstand, daß zumindest die Innenschicht einer jeden Zylinderauskleidung mit Polytetrafluoräthylen
imprägniert ist, ermöglicht einen Betrieb der Betätigungsvorrichtung in vollständig
trockener Luft. .; Es ist selbstverständlich nicht notwendig, Epoxidrohre als Auskleidungen
zu verwenden, da herkömmliches Metallrohr ebenfalls verwendbar ist.
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Das mittlere Ritzel 16 ist von herkömmlicher Konstruktion und einfach
aus einer massiven Metallstange herausgearbeitet, wobei es entsprechend der Darstellung
in Fig. 18 mit einer Lagerfläche 30 und einem Antriebsvierkant 31 an jedem Ende
versehen ist, Die Lagerflächen 30 greifen bei diesem Ausführungsbeispiel in Bunde
32 aus rostfreiem Stahl ein, die im Gehäuse 10 angebracht sind.
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Die beiden Kolben 13 sind identisch und tragen an jedem'Ende einen
Xolbenring und einen Azetal-Lagerring vollen Durchmessers in Nuten 35 und 36 (Fig.
11 bis 13). Lagerringe des größ-tmöglichen Durchmessers sind notwendig, um die Seitenkräfte-und
Bewegungen aufzufangen, die durch die Zahnstangen und das Ritzel hervorgerufen werden.
In der Seite jedes Kolbens ist die Ausnehmung 14 gebildet, in der eine Zahnstange
15 angeordnet ist. Der-Kolbenkörper ist hohl, wobei sich eine exzentrische Blindbohrung
40 von einem Ende des Kolbens 13 bis nahezu zum anderen Ende erstreckt. Zentrisch
in der Bohrung 40 angeordnet ist ein Stift 41, der in ein Loch im geschlossenen
Ende des Kolbens 13 eingeschraubt ist und sich bis nahe an die Ebene des offenen
Endes des Kolbens erstreckt.
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Der Kolben nach den Fig. ii bis 13 ist herkömmlicher Art und erfordert
entweder sehr viel maschinelle Bearbeitung oder kostenaufwendige Werkzeuginvestitionen
für einen Spritzgußvorgang. Ist ferner, wie an sich üblich, der Kolben aus
Aluminium,
so sind notwendigerweise auch die Zahnstangenzähne aus Aluminium.
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Um diese Nachteile zu beheben, ist eine bevorzugte Ausbildung des
Kolbens 13 entwickelt worden, die in den Fig. 14 bis 17 dargestellt ist. Dieser
abgeänderte Kolben 13 hat die gleichen Außenmerkmale wie der Kolben nach den Fig.
11 bis 13, d.h.
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Wuten 35 und 36, Bohrung 40, Stift 41, Ausnehmung 14 und Zahnstange
15 (hier in zwei beabstandeten Längen), jedoch ist die Konstruktion völlig verschieden.
Die Wand 45 des Kolbens 13 ist ein Epoxidgußkörper und trägt eine Metallscheibe
46, die den Kolbenkopf bildet, in dem der Stift 41 angebracht ist, sowie ein Verstärkungsrohr
47, das entweder aus Metall besteht oder von einem gewickelten Glasfadenkunststoffrohr
gebildet ist.
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Die Scheibe 46 und das Rohrstück 47 können entweder eingegossen oder
nachher eingebaut werden.
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Die Zahnstange umfaßt bei dieser Form des Kolbens zwei kurze Längen
einer Standard-Stahlzahnstange. Die Zahnstangenlängen können während des Gießvorgangs
in ihrer Position festgelegt oder hinterher in Ausnehmungen des gegossenen Kolbens
befestigt werden.
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Die Endplatte 19 besteht aus.Metall und ist durch sechs Schraube 50
mit der Stirnfläche des Gehäuses 10 verbunden. Über jedem Zylinderraum sind zwei
Öffnungen 51 und 52 angeordnet, die jeweils einen Gewindeeinsatz 53 bzw. 54 tragen
und wobei die Öffnungen 51 koaxial mit den Kolbenstiften 41 angeordnet sind.
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Die Einsätze 53 tragen einstellbare Endanschläge, die mit den Stiften
41 zur Begrenzung des Kolbenhubs und damit des Drehwinkels des Kolbens 16 zusammenwirken.
Die einstellbaren Begrenzer sind eine einfache Methode , um nicht so sehr zu gewährleisten,
daß sich das Zahnritzel um 900 dreht, sondern daß das Zahnritzel die 900 zwischen
der voll geöffneten und der voll geschlossenen Stellung eines von der Betätigungsvorrichtung
gesteuerten Ventils dreht. Die Einsätze 54 sind für eine Verbindung mit den äußeren
Druckluftleitungen vorgesehen.
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Ein weiteres Paar von Öffnungen 55 und 56 ist in der Platte 19 in
fluchtender Ubereinstimmung mit Kanälen 57 und 58 vorgesehen, die durch das Gehäuse
10 laufen, während ferner Öffnungen 60 und 61 vorgesehen sind, die mit dem Zylinder
11 bzw. 12 fluchten.
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Die Endplatte 20 entspricht der Platte 19 mit der Ausnahme, daß Gewindeeinsätze
nur in den koaxial mit den Stiften 41 angeordneten Öffnungen vorgesehen sind, und
dann nur, falls sie zum Anbringen von Näherungsdetektoren, die mit den Stiften 41
zusammenwirken und den Betriebszustand der Betätigungsvorrichtung anzeigen können
und damit, ob das betätigte Ventil in der offenen oder der geschlossenen Stellung
ist, dienen.
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Die Endplatten 18 und 21 sind Epoxidgußteile und einander im wesentlichen.gleich
mit dem Unterschied, daß die Platte 21 für jeden Zylinder eine einzige Öffnung enthält,
die mit dem Stift 41 fluchtet, während die Platte 18 zwei Öffnungen enthält Die
Einsätze erstrecken sich durch die Öffnungen in den Platten 18 und 21, und Sicherungsmuttern
65 stehen mit dem Außengewinde der Einsätze in Gewindeeingriff, um die Endplatten
18 und 21 in ihrer Position festzulegen. Zusätzliche Schrauben können ggf. vorgesehen
sein. Die Platten 19 und 20 besitzen die Festigkeit, die zur Aufnahme des Kolbenstoßes
am Ende ihres Hubs erforderlich ist, während die Platten 18 und 21 eine Endfläche
darbieten und die Platten 1 9 und 20 sowie die Schrauben 50 wirksam einschließen
und schützen, so daß diese Bauteile aus kostengünstigen Werkstoffen anstatt aus
teurem korrosionsbeständigem Stahl hergestellt werden können. Den Endplatten 18
und 21 kommt noch eine dritte Funktion zu, nämlich die der Luftverteilung.
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-s Kurz zurückkommend auf Fig. 1 kann festgestellt werden, daß durch
Beaufschlagung einander gegenüberliegender Enden der betreffenden Zylinder 11 und
12 mit Druckluft die Kolben 13 Bewegungen in entgegengesetzten Richtungen ausführen
und dem
Zahnritzel 16 gleiche Drehmomente vermitteln. Soll Druckluft
nur einem Ende der Betätigungsvorrichtung zugeführt werden, so ist es erforderlich,
ein Luftverteilsystem von einem Ende eines Zylinders zum gegenüberliegenden Ende
des anderen Zylinders vorzusehen. bieses Verteilsystem ist in den Endplatten 18
und 21 und durch die durch den Block laufenden Kanäle 57 und 58 gebildet. Die Fig.
21 bis 23 veranschaulichen Einzelheiten der Kanäle im Block 21.
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Zwei Nuten 70 und 71,Xdie von Dichtangoen umgeben sind, sind auf der
inneren Oberfläche. der Platte 21 vorgesehen. Von einem Ende der-Nut 71 führt ein
Kanal 72 zu e-iner Bohrung73, die zur Oberfläche der Platte zurückläuft. Dasselbe
Ende der Nut 70 steht mit der Rückseite des Zylinders 12 über die Öffnung 61R in
der Platte 20 in Verbindung, während die Bohrung 73 mit dem Kanal 57 in Verbindung
steht, der zum anderen Ende des Gehäuses 10 fluchtend mit einer Öffnung 55 in der
Platte 19, Bohrung 73, Kanal 72, Nut 7 in der Platte 18 und durch die Öffnung 60
am anderen Ende der Nut 71 zum vorderen Ende des Zylinders 11 führt.
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In der gleichen Weise besteht eine Verbindung zwischen dem vorderen
Ende des Zylinders 12 und dem hinteren Ende des Zylinders 11 über die Länge der
Nut 70, Kanal 75 und Bohrung 7 in der Platte 18, Kanal 58 im Gehäuse 10, Bohrung
76 und Kanal 75 in der Platte 21 und durch Öffnung 60R in der Platte 20. Dieses
Luftverteilsystem ist in Fig. 6 schematisch veranschaulicht.
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Die Luftkanäle 57 und 58 sind im Gehäuse für ein Zusammenwirken mit
den Bunden 32 (Fig. 2,3,4) angeordnet, in denen die Lagerflächen 30 des mittleren
Ritzels 16 angeordnet sind. Wie am deutlichsten aus Fig. 8 ersichtlich ist, besitzen
die Bunde, Ringe oder Lagerschalen 32 eine Umfangsnut 80, und ein Rohr 81 in jedem
Kanal steht in Eingriff mit der Nut und legt die Hülse 32 in ihrer Stellung fest.
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Durch die Festlegung bzw. Verriegelung der Hülsen 32 ist
selbstverständlich
auch das Ritzel 16 in seiner Stellung sicher festgelegt.
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Bei einer abgewandelter Ausführungsform kommen die Rohre od.dgl.
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Strangteile in Fortfall und die Hülsen bzw. Bunde haben die in Fig.
9 dargestellte Form, in der Nuten 83 zu beiden Seiten der Nut 80 vorgesehen sind,
in denen O-Ringdichtungen aufgenommen sind. In diesem Fall ist es natürlich erforderlich,
die Hülsen durch andere Mittel, z.B. durch Klebung oder Arretierschrauben, in ihrer
Stellung festzulegen.
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Die Bunde bzw. Hülsen nach den Fig. 8 und 9 können bei dem abgewandelten
Luftverteilsystem verwendet werden, das schematisch in Fig. 7 dargestellt ist. Bei
dem Verteilsystem gemäß Fig. 7 finden die Verbindungen von einer Seite des Gehäuses
10 zur anderen in den Nuten 80 der Hülsen statt und nicht durch die Nuten 70 und
71 in einer Endplatte. Die Einzelheiten hierzu an der Hülse 32 sind in Fig. 5 dargestellt,
wobei die Kanäle 57 und 58 und die Endplatten eine Abänderung erfordern.
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Eine weitere Abwandlung des Bund-oder Hülsensystems besteht darin,
an einer Seite des Ritzels 16 eine einfache Hülse und am anderen Ende eine Doppelnuthülse
entsprechend Fig. 10 vorzusehen, Auch in diesem Falle erfordern die Luftkanäle durch
das Gehäuse 10 und die End-platten eine gewisse Abänderung zur Anpassung an die
Grundzüge der Fig. 6 bzw. 7.
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Die Arbeitsweise der beschriebenen Ausführungsbeispiele ist aus sich
selbst verständlich. Druckluft, die an der Vorderseite der Betätigungsvorrichtung
einem Ende eines Zylinders zugeführt wird, wird durch das Luftverteilsystem zum
anderen Ende des anderen Zylinders geführt, wodurch die Kolben ein gleichgewichtiges
bzw. symmetrisches Drehmoment am Ritzel und damit an dem zu steuernden Ventil erzeugen.
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Die Betätigungsvorrichtung verbleibt in diesem Zustand, bis Druckluft
dem vorderen Ende des 'anderen Zylinders (und durch das Luftverteilsystem zum hinteren
Ende des ersten Zylinders)
zugeführt wird, um die Betätigungsvorrichtung
wieder in ihren Ausgangszustand zu bringen. In zahlreichen Anwendungsfällen der
Betätigungsvorrichtung iSt diese einfache Betriebsweise ausreichend, es gibt jedoch
auch Anwendungsfälle, in denen es notwendig ist zu gewährleisten, daß bei einem
Ausfall der Druckluftzufuhr die Betätigungsvorrichtung automatisch in einen bestimmten
Zustand rückgeführt wird, d.h. das von der Betätigungsvorrichtung gesteuerte Ventil
muß geschlossen werden.
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Bei den beschriebenen Ausführungsformen wird dies auf einfache Weise
dadurch erreicht, daß in der Bohrung 40 der Kolben Druckfedern angeordnet werden,
die, zwischen einer Endplatte und dem Kolben wirkend, die Kolben in entgegengesetzten
Richtungen beaufschlagen und damit das mittlere Ritzel in einer gegebenen Richtung,
z.B. zum Schließen des Ventils, vorspannen. Mit den im Inneren der Kolben angeordneten
Federn ist es verhältnismäßig leicht, eine befriedigende Federcharakteristik zu
erreichen, d.h. eine ausreichende Kraft im ausgedehnten Zustand, um dasN7entil beispielsweise
voll geschlossen zu halten, ohne eine zu große Kraft im zusammengedrückten Zustand.
Außerdem ist es möglich, die Kraft der Federn dadurch zu verändern, daß einfach
konzentrisc ineinander verschiedene Kombinationen von Schraubenfedern in jedem Kolben
angeordnet werden.
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An den beschriebenen Ausführungsbeispielen können im übrigen weitere
Abwandlungen vorgenommen werden. Beispielsweise kann das mittlere Ritzel die in
den Fig. 19 und 20 gezeigte Form aufweisen, bei der zwei Ritzel 90 und 91 mit einstückiger
Lagerhülse 92 bzw. 93 und Vierkant-Innenöffnungen z.B. durch mechanische Verriegelung,
Verklebung oder Schweißung miteiner Standard- bzw.-üblichen Stange 95 mit einem
Vierkantquerschnitt fest verbunden sind. Diese einfache Konstruktion ist insbesondere
für eine Verwendung mit größeren Betätigungs vorrichtungen geeignet und hat den
zusätzlichen Vorteil, daß es durch eine einfache Kürzung der Stange 95 in der Weise
daß
sie bei 97 endet, möglich ist, an einem Ende einen Vierkantstab 98 und am anderen
Ende eine Vierkantöffnung 99 (Fig. 20) vorzusehen. Auf diese Weise kann die Betätigungs-bzw.
Stellvorrichtung ohne eine zusätzliche Kupplung sowohl mit Ventilen, die eine Vierkantöffnung
aufweisen,als auch mit Ventilen mit Vierkantzapfen verwendet werden.
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Außerdem kann es bei den größeren Ausführungen der Betätigungsvorrichtung
zur Vermeidung von Gießproblemen zweckmäßig sein, daß Gehäuse 10 aus zwei Gußteilhälften
zu bilden.