EP0054619A1 - Servomotor mit Differentialkolben - Google Patents

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EP0054619A1
EP0054619A1 EP81107109A EP81107109A EP0054619A1 EP 0054619 A1 EP0054619 A1 EP 0054619A1 EP 81107109 A EP81107109 A EP 81107109A EP 81107109 A EP81107109 A EP 81107109A EP 0054619 A1 EP0054619 A1 EP 0054619A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
inflow
chamber
line
valve
differential piston
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP81107109A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Hubler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sulzer AG
Original Assignee
Sulzer AG
Gebrueder Sulzer AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sulzer AG, Gebrueder Sulzer AG filed Critical Sulzer AG
Publication of EP0054619A1 publication Critical patent/EP0054619A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F15B2211/875—Control measures for coping with failures
    • F15B2211/8757—Control measures for coping with failures using redundant components or assemblies

Definitions

  • the invention relates to a servo motor with differential piston according to the preamble of claim 1.
  • a servo motor is shown applied to a valve controlled by its own medium, both the cylindrical first chamber and the ring-shaped second chamber opposite it with respect to the piston a source of high pressure and a sink for the pressure medium are connected.
  • These valves are preferably seat valves, which are more reliable than slides and seal better than those.
  • the known circuit requires a relatively large number of poppet valves which, especially if it is a small servo motor, cost a relatively large amount and take up considerable space.
  • the approach taken has the additional advantage that with the reduction in the number of number of control valves the operational safety of the servo motor is increased.
  • the diameter of the servomotor must be increased considerably for a certain lifting force. In the case of servomotors of smaller dimensions, this disadvantage plays only a minor role compared to the savings on the seat valves.
  • the measures according to claim 2 increase the operational safety of the servo motor in the event of a malfunction in the pressure medium supply.
  • the invention allows the stroke speed of the servo motor to be made the same for both directions by using the features of claim 3 with the simplest means.
  • Claim 4 teaches the use of at least one secondary valve, which is used in exceptional cases.
  • Claim 5 shows how, by arranging a pressure medium store, preferably in the immediate vicinity of the servo motor, the operational safety of which can be further improved.
  • a servo motor 1 with differential piston 2 is shown.
  • This differential piston has a piston head 4, a piston body 5 and a piston rod 6, which can be connected, for example, to the spindle of a valve.
  • the piston head 4 slides sealingly in a cylinder 8, which is provided with an end wall at the top its underside is closed with a lid 9.
  • the piston head 4 has two piston rings 12 and the cover 9 carries two inner piston rings 14 in a coaxial bore, which produce the sealing contact with the circumference of the piston body 5.
  • the differential piston 2 divides the space of the cylinder 8 into an upper, cylindrical "first chamber” 15 and a lower, annular chamber, which is referred to as the "second chamber" 16.
  • the first chamber 15 is connected via a line 20, in which there is a throttle element 21, via an inflow valve 24 to an inflow line 25, and via an outflow valve 26 to an outflow line 27.
  • Inflow valve 24 and outflow valve 26 are designed as electromagnetically controlled seat valves which are closed in the non-energized state.
  • the coils of these solenoid valves are labeled 29 and 30, respectively.
  • the connecting lines of these coils are connected to earth 32 or, via conductor ends 34, 35 and switches (not shown), to the positive pole of a voltage source.
  • the inflow line 25 is connected via a connecting line 38 to the lower end of the chamber 16 and via a check valve 39 to a pressure medium supply line 40, which leads to a pressure medium source, not shown.
  • the differential piston If the differential piston is now to be switched to its upper end position, the coil 29 is switched off and the coil 30 is excited, so that the inlet valve 24 closes and the outlet valve 26 opens. This manipulation relieves the pressure on the first chamber 15 via the valve 26, while the second chamber 16 is supplied with pressure medium under high pressure via a check valve 39 and line 38. As a result of the pressure difference at the piston head 4, the differential piston moves into its upper end position.
  • both valves 24 and 26 In order to move the differential piston 2, one or the other of the two valves 24 and 26 must therefore be opened. Both must not be open, because otherwise pressure medium flows unused through the check valve 39 and the two valves to the pressure medium sink. At a standstill, if possible, both valves 24 and 26 should be closed; however, it is permissible and, if necessary - in order to avoid a creeping movement of the differential piston 2 as a result of leakage at the piston rings 12 - even that either the inflow valve 24 or the outflow valve 26 remains open.
  • the servo motor according to the invention can not only be used when it comes to controlling two end positions, but it can also be used to move to any position within a predetermined range.
  • an additional device is to be provided, which is shown on the right in FIG. 1, for example.
  • an angle lever 45 is articulated, which rotates about a pin 46 and whose arm 47 presses on a valve plate 48.
  • This valve plate 48 has a central guide arm 49, which is supported laterally with radial play in a central bore in a small basket 52.
  • This Cologne 52 has a blind bore 53 and an insulating cam 54. At the bottom of the blind bore 53, a compression spring 56 is supported, the other end of which rests on the spring plate 48.
  • the piston 52 is axially displaceably mounted in a cylinder 60 closed on one side, to the end of which a control line 62 is connected.
  • the device 45 to 73 can of course also be implemented purely electrically, for example without contact.
  • FIG. 2 shows, connected to a secondary throttle element 81, additionally a secondary inflow valve 84 and a secondary outflow valve 86 and, connected to a secondary line 98, a pressure accumulator 90 on.
  • the pressure medium is separated from an amount of preferably gaseous storage medium 93 by a spatially flexible membrane 92.
  • the pressure accumulator 90 forms a reserve in the event that the pressure medium supply via the check valve 39 should fail.
  • This pressure accumulator 90 can of course also be connected to the line 38 or elsewhere at the lower edge of the second chamber 16. It is also conceivable to design the differential piston 2 as a hollow body and to expand it as a pressure accumulator, the connection opening of this pressure accumulator being to be arranged in the region of the fillet between the piston head 4 and the piston body 5. From this connection point, a plunge line could lead to the bottom of the cavity. The gaseous pressure cushion could be replenished via the piston rod 6.
  • a compression spring could also be arranged in the first or in the second chamber for energy storage.

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Abstract

Die der großen Seite des Differentialkolbens (2) benachbarte erste Kammer (15) des Servomotorzylinders ist über ein Zuflußventil (24) und eine Zuflußleitung mit einer Druckmittelquelle verbindbar. Außerdem ist diese Kammer (15) über ein Abflußventil (26) und über eine Abflußleitung (27) mit einer Druckmittelsenke verbindbar. Die der kleinen Seite des Differentialkolbens (2) benachbarte zweite Kammer (16) ist über einen stets voll offenen Querschnitt einer Leitung (38) mit der Zuflußseite des Zuflußventils (24) verbunden. Im Bereich der Zuflußleitung (25) und der Leitung (38) ist zwischen dem Zuflußventil (24) und der zweiten Kammer (16) einerseits und der Druckmittelquelle anderseits ein Rückschlagorgan (39) angeordnet, das eine Strömung nur von der Druckmittelquelle zur Zuflußleitung (25) zuläßt. Das Zuflußventil (24) und das Abflußventil (26) sind ausschließlich über eine gemeinsame, vorzugsweise einstellbare Drosselvorrichtung (21) mit der ersten Kammer (15) verbunden.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Servomotor mit Differentialkolben nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Nach der Schweizerischen Patentschrift 528 693 ist ein solcher Servomotor in Anwendung auf ein eigenmediumgesteuertes Ventil gezeigt, wobei sowohl die zylindrische erste Kamτer wie auch die dieser bezüglich des Kolben gegenüberliegende rinqförmige zweite Kammer mit einer Quelle hohen Druckes sowie einer Senke für das Druckmedium verbunden sind. Bei diesen Ventilen handelt es sich vorzugsweise um Sitzventile, die zuverlässiger sind als Schieber und besser dichten als jene. Die bekannte Schaltung benötigt eine relativ grosse Anzahl von Sitzventilen die, insbesondere wenn es sich um einen kleinen Servomotor handelt, verhältnismässig viel kosten und erheblichen Raum einnehmen.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, die Gesamtkosten des Servomotors zu senken und den Raumbedarf zu vermindern. Diese Aufgabe wird durch die Massnahmen nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Der beschrittene Lösungsweg bringt den zusätzlichen Vorteil, dass mit der Verminderung der Anzahl der Steuerventile die Betriebsicherheit des Servomotors erhöht wird. Als Nachteil ist allerdings in Betracht zu ziehen, dass für eine bestimmte Hubkraft des Servomotors dessen Durchmesser nicht unerheblich vergrössert werden muss. Bei Servomotoren kleinerer Abmessungen spielt dieser Nachteil, verglichen mit der Einsparung an den Sitzventilen,jedoch nur eine untergeordnete Rolle.
  • Durch die Massnahmen gemäss Anspruch 2 wird die Betriebssicherheit des Servomotors für den Fall einer Störung der Druckmittelzufuhr erhöht.
  • Die Erfindung gestattet durch Anwendung der Merkmale nach Anspruch 3 mit einfachsten Mitteln die Hubgeschwindigkeit des Servomotors für beide Richtungen gleichzumachen.
  • Anspruch 4 lehrt die Anwendung mindestens eines sekundären Ventils, das in ausserordentlichen Fällen benützt wird.
  • Anspruch 5 zeigt, wie durch Anordnunq eines Druckmittelspeichers, vorzugsweise in unmittelbarer Nähe des Servomotors, dessen Betriebsicherheit weiter verbessert werden kann.
  • Die Erfindung wird nun an zwei in der Zeichnung vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1: ein erstes Ausführungsbeispiel in zum Teil schematischer, zum Teil gegenständlicher Darstellung.
    • Figur 2: ein zweites Ausführungsbeispiel, stärker schematisiert.
  • In Figur 1 ist ein Servomotor 1 mit Differentialkolben 2 dargestellt. Dieser Differentialkolben weist einen Kolbenkopf 4, einen Kolbenkörper 5 und eine Kolbenstange 6 auf, die beispielsweise mit der Spindel eines Ventils verbunden sein kann. Der Kolbenkopf 4 gleitet dichtend in einem oben mit einer Stirnwand versehenen Zylinder 8, der auf seiner Unterseite mit einem Deckel 9 verschlossen ist. Der Kolbenkopf 4 weist zwei Kolbenringe 12 auf und der Deckel 9 trägt in einer koaxialen Bohrung zwei Innenkolbenringe 14, die den dichtenden Kontakt mit dem Umfang des Kolbenkörpers 5 herstellen. Der Differentialkolben 2 unterteilt den Raum des Zylinders 8 in eine obere, zylindrische "erste Kammer" 15 und eine untere, ringförmige Kammer, die als "zweite Kammer" 16 bezeichnet ist.
  • Die erste Kammer 15 ist über eine Leitung 20, in der sich ein Drosselorgan 21 befindet, über ein Zuflussventil 24 an eine Zuflussleitung 25, und über ein Abflussventil 26 an eine Abflussleitung 27 angeschlossen. Zuflussventil 24 und Abflussventil 26 sind als elektromagnetisch gesteuerte Sitzventile ausgebildet, die im nicht erregten Zustand geschlossen sind. Die Spulen dieser Magnetventile sind mit 29 beziehungsweise 30 bezeichnet. Die Anschlussleitungen dieser Spulen sind mit der Erde 32 beziehungsweise über Leiterenden 34, 35 und nicht gezeichnete Schalter mit dem positiven Pol einer Spannungsquelle verbunden.
  • Die Zuflussleitung 25 ist über eine Verbindungsleitung 38 an das untere Ende der Kammer 16 und über ein Rückschlagventil 39 an eine Druckmittelzuflussleitung 40 angeschlossen, die zu einer nicht gezeichneten Druckmittelquelle führt.
  • Der bisher geschilderte Servomotor funktioniert wie folgt:
    • Soll der Differentialkolben 2 aus seiner gezeichneten Zwischenstellung in seine untere Endlage geschaltet werden, so wird bei geschlossenem Abflussventil 26 die Spule 29 über den Leiter 34 erregt. Das Zuflussventil 24 öffnet sich und es stellt sich beidseitig des Kolbenkopfes 4 derselbe Mediumdruck ein, mit dem Erfolg, dass infolge der grösseren Kolbenfläche in der ersten Kammer 15 gegenüber jener in der zweiten Kammer 16 der Differentialkolben 2 sich nach unten bewegt. Es wird dabei Druckmedium aus der zweiten Kammer 16 über das Zuflussventil 24 in die erste Kammer 15 verdrängt.
  • Soll nun der Differentialkolben in seine obere Endstellung geschaltet werden, so wird die Spule 29 ausgeschaltet und die Spule 30 erregt,sodass das Zulaufventil 24 schliesst und das Ablaufventil 26 sich öffnet. Durch diese Manipulation wird die erste Kammer 15 über das Ventil 26 entlastet während die zweite Kammer 16 über Rückschlagventil 39 und Leitung 38 mit unter hohem Druck befindlichem Druckmittel versorgt wird. Infolge des Druckunterschiedes am Kolbenkopf 4 bewegt sich der Differentialkolben in seine obere Endstellung.
  • Um den Differentialkolben 2 zu bewegen, ist somit das eine oder das andere der beiden Ventile 24 und 26 zu öffnen. Beide dürfen nicht offen stehen, weil sonst Druckmedium ungenutzt über das Rückschlagventil 39 und die beiden Ventile zur Druckmittelsenke abströmt. Im Stillstand sollten,wenn möglich,beide Ventile 24 und 26 geschlossen sein; es ist aber zulässig, und gegebenenfalls - um eine Schleichbewegung des Differentialkolbens 2 infolge Leckage an den Kolbenringen 12 zu vermeiden - sogar erforderlich, dass entweder das Zuflussventil 24 oder das Abflussventil 26 offenstehen bleibt.
  • Der erfindungsgemässe Servomotor kann nicht nur dort eingesetzt werden,wo es darum geht, zwei Endpositionen anzusteuern,sondern er ist auch anwendbar, um beliebige Positionen innerhalb eines vorgegebenen Bereiches anzufahren. Zu diesem Zweck ist eine zusätzliche Einrichtung vorzusehen, die in Figur 1 auf der rechten Seite beispielsweise dargestellt ist.
  • An der Kolbenstange 6 ist ein Winkelhebel 45 angelenkt, der sich um einen Zapfen 46 dreht und dessen Arm 47 auf einen Ventilteller 48 drückt. Dieser Ventilteller 48 weist einen zentralen Führungsarm 49 auf, der mit Radialspiel in einer zentralen Bohrung eines Kölbchens 52 seitlich abgestützt ist. Dieses Kölbchen 52 weist eine Sackbohrung 53 und einen Isoliernocken 54 auf. Am Grunde der Sackbohrung 53 ist eine Druckfeder 56 abgestützt, deren anderes Ende am Federteller 48 anliegt.
  • Das Kölbchen 52 ist, axial verschiebbar, in einem einseitig geschlossenen Zylinder 60 gelagert, an dessen Stirnseite eine Steuerleitung 62 angeschlossen ist.
  • Der Isoliernocken 54 greift zwischen zwei Blattfedern 64 ein, die über ein metallisches Distanzstück 65 miteinander und mit dem positiven Pol einer nicht gezeichneten, geerdeten Stromquelle über eine Leitung 66 verbunden sind. An die Blattfedern 64 schliessen sich seitlich über Isolierstoffbeilagen 68 Kontaktfedern 69 und 70 an, deren spitz dargestellte Kontaktbeläge mit geringem Spiel den Blattfedern 64 zugewendet sind. Die Kontaktfeder 69 ist über einen gestrichelt gezeichneten Leiter 72 mit dem Leiter 34 der Spule 29, und die Kontaktfeder 70 über einen Leiter 73 mit dem Leiter 35 der Spule 30 verbunden-IDer durch die Einrichtung 45 bis 73 ergänzte Servomotor funktioniert wie folgt:
    • Ueber die Steuerleitung 62 wird dem System ein Druck als Sollwert für die Servomotor-Stellung eingegeben. Im Gleichgewichtszustand entspricht dieser Druck der Kraft der Feder 56, sodass das Kölbchen 52 etwa in der gezeichneten Mittelstellung ruht. Wird nun der Druck in der Steuerleitung 62 erhöht, so bewegt sich das Kölbchen 52 nach links, bis die Kraft der Feder 56 mit dem erhöhten Druck der Steuerleitung im Gleichgewicht steht. Dabei wird durch den Isolierstoffnocken 54 die linke Blattfeder 64 an die Kontaktfeder 70 angedrückt, was zur Folge hat, dass die Spule 30 erregt, und das Ventil 26 geöffnet wird. Es strömt dadurch Medium aus der Kammer 15 aus und gleichzeitig strömt Druckmedium über das Rückschlagventil 39 in die Kammer 16 nach, während der Differentialkolben 2 steigt. Durch das Steigen des Differentialkolbens wird über den Winkelhebel 45 die Feder 56 mehr zusammengedrückt, was zur Folge hat, dass das Kölbchen 52 mit dem Isoliernocken 54 nach rechts fährt, bis die Kontaktfeder 70 frei wird. Damit wird aber das Abflussventil 26 plötzlich geschlossen und der Differentialkolben 2 und damit auch das Kölbchen 52 in seiner neuen Lage blockiert, bis der Sollwert sich wiederum ändert.
  • Ein analoger Vorgang spielt sich ab, wenn - um den Differentialkolben 2 zu senken - der Druck in der Steuerleitung 62 erniedrigt wird.
  • Die Einrichtung 45 bis 73 lässt sich natürlich auch rein elektrisch, zum Beispiel kontaktlos verwirklichen.
  • Im Ausführungsbeispiel nach Figur 2 sind analoge Teile mit denselben Ziffern bezeichnet wie in Figur 1. Figur 2 weist, an ein sekundäres Drosselorgan 81 angeschlossen, zusätzlich ein sekundäres Zuflussventil 84 und ein sekundäres Abflussventil 86 sowie, an eine sekundäre Leitung 98 angeschlossen, einen Druckspeicher 90 auf. Im Druckspeicher 90 ist das Druckmedium durch eine räumlich nachgiebige Membran 92 von einer Menge vor= zugsweise gasförmigen Speichermediums 93 getrennt.
  • Diese sekundäre Einrichtung 81 bis 98 kann zu verschiedenen Zwecken angewendet werden, beispielsweise
    • - als Redundanzsystem zum Steuersystem 21 bis 39,
    • - als schneller wirkendes Notsteuersystem,indem die Oeffnung des Drosselorgans 81 grösser gewählt wird als jene des Drosselorgans 21.
    • - als Sicherheitsstellsystem, das neben dem vollständigen Regelsystem von Figur 1 mit geringerer Ausfallwahrscheinlichkeit den Servomotor in eine der Endstellungen schalten lässt. Dabei kann, beispielsweise wenn die Sicherheitsposition die untere Hubendlage ist, die Verbindung von Leitung 80 zu Leitung 27, mit dem Ventil 86, weggelassen werden.
  • Der Druckspeicher 90 bildet eine Reserve für den Fall, dass die Druckmediumzufuhr über das Rückschlagventil 39 ausfallen sollte. Dieser Druckspeicher 90 lässt sich natürlich auch an der Leitung 38 oder anderswo am unteren Rande der zweiten Kammer 16 anschliessen. Es ist auch denkbar, den Differentialkolben 2 als Hohlkörper zu gestalten und ihn als Druckspeicher auszubauen, wobei die Anschlussöffnung dieses Druckspeichers im Bereich der Hohlkehle zwischen Kolbenkopf 4 und Kolbenkörper 5 anzuordnen wäre. Von dieser Anschlussstelle aus könnte eine Tauchleitung zum Grunde des Hohlraumes etwaige führen. Eine/Nachspeisung des gasförmigen Druckpolsters könnte über die Kolbenstange 6 erfolgen.
  • Schliesslich könnte auch zur Energiespeicherung zusätzlich eine Druckfeder in der ersten oder in der zweiten Kammer angeordnet sein.

Claims (5)

1. Servomotor mit in einem Zylinder gleitendem Differentialkolben, wobei die der grossen Seite des Differentialkolbens anliegende erste Kammer des Zylinders über zwei Sitzventile, nämlich ein Zufluss- und ein Abflussventiljund über je eine Zufluss- bzw. eine Abflussleitung mit einer Druckmittelquelle bzw. einer Druckmittelsenke verbindbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die der kleinen Seite des Differentialkolbens (2) anliegende zweite Kammer (16) über einen stets voll offenen Querschnitt einer Leitung (38) mit der Zuflussseite des Zuflussventils (24) verbunden ist.
2. Servomotor mit Differentialkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Zuflussleitung (25) und der Leitung (38) zwischen einerseits dem Zuflussventil (24) und der zweiten Kammer (16) und anderseits der Druckmittelquelle ein Rückschlagorgan (39) angeordnet ist, das eine Strömung nur von der Druckmittelquelle zur Zuflussleitung (25) zulässt.
3. Servomotor mit Differentialkolben nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zufluss-lund das Abflussventil (24, 26) ausschliesslich über eine gemeinsame, vorzugsweise einstellbare, Drosselvorrichtung (21) mit der ersten Kammer (15) verbunden sind.
4. Servomotor mit Differentialkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass neben den genannten, primären Zu- und Abflussventilen (24, 26) mindestens ein sekundäres Zufluss- und/oder Abflussventil (84, 86), vorzugsweise über ein sekundäres Drosselorgan (81), analog zu den genannten Ventilen (24 und 26) und dem genannten primären Drosselorgan(21) am Servomotor (1) angeschlossen ist.
5. Servomotor mit Differentialkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der zweiten Kammer (16) zusätzlich ein Druckmittelspeicher (90) angeordnet ist.
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ES8300960A1 (es) 1982-11-01
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