EP3938690A1 - Electrohydraulic system having an adjustment device for a valve - Google Patents

Electrohydraulic system having an adjustment device for a valve

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Publication number
EP3938690A1
EP3938690A1 EP20711535.3A EP20711535A EP3938690A1 EP 3938690 A1 EP3938690 A1 EP 3938690A1 EP 20711535 A EP20711535 A EP 20711535A EP 3938690 A1 EP3938690 A1 EP 3938690A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
pretensioning
adjusting
axis
spring
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.)
Pending
Application number
EP20711535.3A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Juergen Schneider
Alexandre ORTH
Gottfried Hendrix
Oliver GERHARD
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3938690A1 publication Critical patent/EP3938690A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/02Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic
    • F16K31/04Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a motor
    • F16K31/041Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a motor for rotating valves
    • F16K31/043Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a motor for rotating valves characterised by mechanical means between the motor and the valve, e.g. lost motion means reducing backlash, clutches, brakes or return means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/12Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid
    • F16K31/16Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid with a mechanism, other than pulling-or pushing-rod, between fluid motor and closure member
    • F16K31/163Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid with a mechanism, other than pulling-or pushing-rod, between fluid motor and closure member the fluid acting on a piston
    • F16K31/1635Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid with a mechanism, other than pulling-or pushing-rod, between fluid motor and closure member the fluid acting on a piston for rotating valves
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/44Mechanical actuating means
    • F16K31/56Mechanical actuating means without stable intermediate position, e.g. with snap action
    • F16K31/563Mechanical actuating means without stable intermediate position, e.g. with snap action for rotating or pivoting valves
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B34/00Valve arrangements for boreholes or wells
    • E21B34/02Valve arrangements for boreholes or wells in well heads
    • E21B34/04Valve arrangements for boreholes or wells in well heads in underwater well heads

Definitions

  • the invention relates to an electrohydraulic system with an adjusting device for a valve, with a drive device, with an adjusting device and with a pretensioning device, wherein the energy stored in the pretensioning device can be transferred to the adjusting device in the event of a malfunction, so that a rotary movement of the adjusting device begins, which is used for Adjustment of the rotatably actuated valve leads.
  • Such electrohydraulic systems with process valves can be used in a large number of industrial applications, for example underwater (off shore oil and gas) or above water (on shore oil and gas).
  • Such kind of electrohydraulic systems are mainly used to underwater in water depths up to several thousand meters in connection with the production of oil and natural gas, with mining, scientific inquiries or
  • the actuating device is designed with an actuator for actuating a valve by means of an actuator.
  • This actuator is one
  • This emergency actuation device via which the actuator can be reset essentially independently of the activation of the actuator in the event of a fault.
  • This emergency actuation device has an energy store, the stored energy of which can be released for resetting.
  • the emergency actuation device has a piston which is acted upon on the one hand by the energy store and on the other hand by a pressure in a pressure chamber that can be connected to a tank or the like via a switching valve to release the energy stored in the energy store.
  • the piston is designed in such a way that it adjusts the actuator in the return direction when the pressure chamber is relieved.
  • the linear displacement of the piston in an emergency is converted via a linearly displaceable driver into a likewise linear movement of the actuator (console) via which the valve is closed.
  • the linear displacement device is neither intended nor suitable for closing a valve that can be operated in rotation. A particular problem is that the linear movement does not allow a torque to be transmitted directly to the valve.
  • the object of the present invention is to create an electrohydraulic system with an adjusting device which alleviates or even avoids the disadvantages mentioned.
  • a compact design namely a small installation space and an increased service life, should be implemented in a structurally simple manner.
  • an effective adjustment of the rotary actuator should be made possible in a simple manner.
  • the valve, which can be actuated in rotation should be reliably closed if the power supply fails.
  • an electrohydraulic system with an adjusting device for a valve with a drive device, with an adjusting device and a pretensioning device, the energy stored in the pretensioning device being transferable to the adjusting device in the event of a malfunction, so that a rotary movement of the adjusting device begins, which is used to adjust the Valve leads.
  • the pretensioning device comprises at least one elastic element which is arranged adjacent to an adjusting axis of the adjusting device and which is fixedly connected to the adjusting axis and exerts a torque on the adjusting axis.
  • the elastic element is formed in particular with a metal. In particular, it has an external shape that can be changed elastically.
  • the elastic element is arranged adjacent to the adjusting axis. That means in particular that a center axis of the elastic element is not arranged coaxially and / or parallel to the adjusting axis. It is preferred that a center axis of the elastic element is not aligned perpendicular to the adjustment axis.
  • a central axis of the elastic element is preferably inclined, tangential, skewed or has an alignment parallel to the adjusting axis.
  • the elastic element is (indirectly or directly) fixedly connected to the adjusting axis.
  • a force introduction point acting on the adjusting axis by the elastic element is invariable with respect to the position relative to the adjusting axis.
  • the elastic element and the adjusting axis are firmly connected to one another, so z.
  • the elastic element is mounted on or on the (surface of the) adjusting axis, welded, etc.
  • the force application point does not move relative to the (surface of the) adjusting axis.
  • the at least one elastic element is also provided, positioned and / or set up in such a way that it can exert a torque on the adjusting axis (at least in an “active” position - emergency actuation).
  • the torque is in particular such that it enables or realizes a return adjustment or rotation of the adjusting axis over a predeterminable angular range.
  • the electrohydraulic system presented here comprises an encapsulated emergency drive with a mechanical energy store (here by means of the at least one elastic element).
  • the energy stored in the elastic element e.g. a spring
  • the spring can be operated by a hydraulic cylinder during the normal operation, which is shut off via a valve.
  • the valve is opened (e.g. due to a power failure) the cylinder is pushed by the spring and the energy is released.
  • the rotary movement leads to an immediate adjustment and thus to the rapid closure of a rotary operated valve.
  • the actuating device is triggered quickly and fail-safe.
  • an emergency safety module for rotary axes, in particular process valves is created without using electrical batteries.
  • the module can be exchanged underwater and enables the valve to be operated by an external actuator or robot.
  • ROV Remotely Operated Vehicle
  • AUV Autonomous Underwater Vehicle
  • the fail-safe mechanism for rotary actuated valves does not use batteries, but uses springs with reliable hydraulic control, which can also be replaced underwater, which have a spindle drive or a hydraulic motor and / or can also contain a complete drive system (i.e. not just safety functions, but also the normal operational work).
  • the adjustment device presented here realizes an accident prevention system with a spring system, the safety control system being integrated into a hydraulic control, that is, an electrical drive device is decoupled and a required torque and a rotary movement are provided in order to move a process valve into a secured (closed) position bring and hold in this position.
  • the emergency safety module for rotary process valves enables a high level of safety and reliability for a long service life (e.g. 25 years). It can be used as an independent module, either to supplement existing electrical actuators or as a single actuator.
  • the module can easily be exchanged underwater; the operation of an external tool or actuator can be deactivated by an electro-hydraulic control system (no block).
  • the drive device for the adjustment device can be a remote operated vehicle (ROV) or an autonomous underwater vehicle (AUV) or a robot.
  • ROV remote operated vehicle
  • AUV autonomous underwater vehicle
  • a spindle or a hydraulic motor with a rotary drive can preferably be used as the adjusting device.
  • the actuating device is preferably set up to drive the valve in rotation, for example a process valve.
  • the valves can preferably be shut-off valves for blocking and opening a line.
  • conical seat valves which can be adjusted hydraulically via a hydraulic motor or mechanically via a spindle are preferably used as valve elements.
  • the closing force generated by the counter pressure causes elastic deformation on the support element. If there is sufficient closing force, leak-free tightness is guaranteed.
  • a valve cone is pressed onto a housing seat by a movement spindle.
  • the threaded nut can lie in the housing.
  • the movement spindle is preferably driven by an actuator that performs a rotary movement.
  • the movement spindle with the valve cone is shifted linearly when the valve is opened and closed, while the threaded nut remains stationary.
  • Ball elements with a continuous bore can also be used, which are mounted in a seal and release or block the opening when rotated by 90 °.
  • the ball element and the actuator are stationary here.
  • Rotary slide valves are also preferably used.
  • the pretensioning device comprises at least one spring element, for example a helical compression spring or another resilient element.
  • the pretensioning device can interact with a piston which delimits a liquid-filled pressure chamber which is set up to adjust the actuating device in the return direction (closing direction) of the valve when the pressure chamber is relieved.
  • the elastic element preferably comprises at least one spring system with at least one pretensioning spring.
  • the preload spring is preferably a helical spring.
  • At least one lever arm, attachment or the like, on which one end of the at least one pretensioning spring engages, is advantageously attached to the adjusting axis. It is particularly preferred that the at least one lever arm, extension or the like rests directly on the surface of the adjusting axis and is fastened there. It is possible for a guide and / or a joint to be provided which can compensate for the relative movement between the adjusting axis and the elastic element and / or which can transmit the required torque.
  • the or predominant direction of action of the prestressing spring expediently runs essentially perpendicularly but at a distance from the longitudinal axis of the adjusting axis.
  • the or the predominant direction of action of the pretensioning spring preferably runs essentially parallel to a tangent to the (surface of the) adjusting axis.
  • the spring system is preferably preloaded by at least one rotatable motor.
  • the spring system is advantageously preloaded by at least one hydraulic cylinder with at least one pressure piston.
  • the hydraulic cylinder is expediently connected to at least one directional control valve via at least one channel, the pressure chamber of the hydraulic cylinder being displaceable by the spring system when it is opened.
  • the adjusting axis of the adjusting device and the adjusting axis of the valve are preferably arranged coaxially to one another.
  • An (electromagnetic) tensioning device is preferably provided for the pretensioning device.
  • the electromagnetic tensioning device can in particular be set up to set and / or maintain the pretensioning.
  • a release device for the pretensioning device is advantageously provided.
  • the triggering device can in particular be set up to relax the preload and / or to trigger an introduction of torque into the actuating axis by means of the at least one element.
  • a reset device for the pretensioning device is expediently available.
  • the reset device can be set up to adjust and / or maintain the pre-tensioning of the pre-tensioning device in the event of failure of an electromagnetic tensioning device provided for this purpose, this preferably taking place via an alternative path, in particular with hydraulically and / or mechanically operated components.
  • Fig. La a side view of the adjusting device with an open valve and tensioned pretensioning device
  • Fig. Lb the adjusting device according to Fig. La with closed valve and relaxed pretensioning device
  • Fig. 2a in section l-l the pretensioning device with helical compression spring in the tensioned position according to Fig. La,
  • Fig. 2b in section II-II the pretensioning device with helical compression spring in the relaxed position according to Fig. Lb,
  • Fig. 3 in perspective, an embodiment of the pretensioning device with a
  • Fig. 4 an embodiment of the adjusting device with electromagnetic
  • FIG. 5 an embodiment of the adjusting device as in FIG. 4, but with a hydraulic return device
  • Fig. 6 an embodiment of the adjusting device with electromagnetic
  • FIG. 7 an embodiment like FIG. 6, but with a directional control valve between
  • FIG. 8 an embodiment similar to FIG. 4, but with one module each for the triggering device and the pretensioning device and one module for the tensioning device.
  • FIGS. La and lb show the adjusting device 1 with the valve 2 open and the pretensioning spring 16 tensioned (FIG. La) and with the valve 2 closed and the pretensioning spring 16 relaxed (FIG. Lb).
  • the adjustment device 1 for a valve 2 with a drive device 3, with an actuation device 4 and with a pretensioning device 5 is shown.
  • FIGS. 1 a and 1 b show the actuating device 4 for actuating the valve 2, for example a process valve, via which a volume flow 6 can be set.
  • the adjusting device 4 has a spindle drive with a drive device 3, for example an electric machine 7, which drives a spindle 8.
  • the spindle 8 rotates around the longitudinal axis 10 in the direction of arrows A or B.
  • the rotation of the spindle 8 is transmitted to a ball element 11 of the valve 2 with a through hole 12, which is sealingly mounted in a valve housing 13 .
  • a valve channel 14 runs through the valve housing 13, which is continued at its mouths through tubes 15 and in which a gaseous or liquid medium (volume flow 6) flows.
  • valve housing 13 a cavity is formed in which the ball element 11 with the bore 12 (flow opening) is rotatably mounted.
  • the ball element 11 is attached coaxially to the output end 8.2 of the spindle 8.
  • the valve 2 is therefore open.
  • the ball element 11 is rotated by 90 ° in the direction of the arrow C or D, the ball element 11 and the valve channel 14 overlap, the passage opening is blocked, the valve 2 is closed (see FIG. 1b).
  • the electric machine 7 is arranged at the drive end 8.1 of the spindle 8.
  • the rotational movement of the drive shaft 24 of the electric machine 7 in the direction of arrows E and F, the rotational movement of the spindle 8 in the direction of arrows A and B and the rotational movement of the drive shaft 25 of the valve 2 in the direction of Arrows C and D - the ball element 11 of the valve 2 can be adjusted as a function of the rotational movement of the threaded spindle 8 in the direction of arrows C and D, respectively.
  • an emergency actuation device is provided, by means of which the spindle 8 can be returned to a basic position in which the valve 2 is closed (FIG. 1b).
  • the emergency actuation device consists essentially of an energy store, in the present case of the pretensioning device 5 with a pretensioning spring 16 (spring store).
  • the pretensioning spring 16 is supported with its one end on a first support element 17 which is rotatably fastened to a stationary pivot bearing 21 via a first pivot point 19.
  • the pretensioning spring 17 is supported on a second support element 18 which acts on one end of a lever arm 9 via a second pivot point 20.
  • the lever arm 9 or an equivalent element is fixed at its other end to the spindle 8, for example by gluing, welding, screwing or the like, and is thereby rigidly connected to the spindle 8.
  • La and 2a show the biasing spring 16 in the tensioned position
  • the figures lb and 2b show the biasing spring 16 in the relaxed position.
  • the second support element 18 moves in the direction of the arrow H from a first position 18 '(FIG. 2a) into a second Position 18 "(Fig. 2b).
  • the ball element 11 of the valve 2 is also rotated through 90 ° into the closed position (Fig. Lb).
  • the arrow d indicates the direction in which the bias spring 16 is tensioned.
  • Fig. 3 shows in perspective a embodiment of the biasing device 5 with a plurality of biasing springs 16i to 16 n (spring package).
  • the prestressing springs 16.1 to 16n can be connected in series or in parallel.
  • With 22 is a track guide and 23 with a holding element for the pretensioning device 5 is designated.
  • the pretensioning device 5 is shown using the example of a helical spring.
  • the angled spindle 8 is only intended to illustrate schematically that the movable end of the pretensioning device 5 is set up to exert a torque on the spindle 8.
  • FIGS. 4 to 8 each include a drive for a tensioning device 26 for tensioning the pretensioning device 5, the pretensioning device 5 (accident prevention), a release device 27 for the pretensioning device 5 and a reset device 28.
  • the drive for the clamping device 26 is provided by a first electric motor 29, which interacts with the spindle 8 via a first gear 32.
  • the pretensioning device 5 comprises an elastic element, for example a spring element.
  • the release device 27 has an electromagnetically actuated clutch 35 which acts as a brake and cooperates with the spindle 8 via a second gear 33.
  • the reset device 28 is implemented mechanically, for example via the drive device 3 with drive shaft 24.
  • An interface between the drive device 3 and the spindle 8 is designated by 35.
  • a position encoder is designated by 40.
  • an adjusting device 1 is provided as in FIG. 4, but with a hydraulic return device 28.
  • a hydraulic circuit is provided, which is a first Hydraulic pump 36 and a hydraulic motor 38, which are arranged as a rotary drive within the spindle 8 between the drive device 3 (see FIG. 4) and the pretensioning device 5. This training enables a lower speed and lower forces.
  • FIG. 6 illustrates an adjusting device 1 in which the tensioning device 26 comprises a second hydraulic pump 37 driven by a second electric motor 30, which acts on a linear hydraulic cylinder 39.
  • the clamping device 26 is realized electro-hydraulically.
  • FIG. 7 illustrates an adjusting device 1 in which a directional valve 42 with an electromagnet and spring return is switched on in the tensioning device 26 in a hydraulic line 41 between the second hydraulic pump 37 and the hydraulic cylinder 39.
  • 8 shows an adjusting device 1 with a first module 43 and a second module 44.
  • the first module 43 comprises the release device 27 and the pretensioning device 5.
  • the second module 44 contains the tensioning device 26.
  • each of the valves 2 can have a first module 43 be assigned.
  • the second module 44 can be connected to one of the plurality of first modules 43 as required.
  • a third transmission is designated by 34.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Mechanically-Actuated Valves (AREA)

Abstract

The invention relates to an electrohydraulic system having an adjustment device (1) for a valve (2), comprising a drive apparatus (3), a control apparatus (4) and a preloading apparatus (5). In the event of a fault, the energy stored in the preloading apparatus (5) can be transferred to the control apparatus (4) such that a rotational motion of the control apparatus (4) begins, which leads to the adjustment of the valve (2). The preloading apparatus (5) comprises at least one elastic element, which is arranged adjacent to a control shaft (10) of the control apparatus (4), is stationarily connected to the control shaft (10) and applies a torque to the control shaft (10).

Description

Elektrohydraulisches System mit einer Verstellvorrichtung für ein Ventil Electro-hydraulic system with an adjustment device for a valve
Beschreibung description
Die Erfindung betrifft ein elektrohydraulisches System mit einer Verstellvorrichtung für ein Ventil, mit einer Antriebseinrichtung, mit einer Stelleinrichtung und mit einer Vorspanneinrichtung, wobei die in der Vorspanneinrichtung gespeicherte Energie im Störfall auf die Stelleinrichtung übertragbar ist, sodass eine rotative Bewegung der Stelleinrichtung einsetzt, die zur Verstellung des rotativ betätigbaren Ventils führt. The invention relates to an electrohydraulic system with an adjusting device for a valve, with a drive device, with an adjusting device and with a pretensioning device, wherein the energy stored in the pretensioning device can be transferred to the adjusting device in the event of a malfunction, so that a rotary movement of the adjusting device begins, which is used for Adjustment of the rotatably actuated valve leads.
Solche elektrohydraulischen Systeme mit Prozessventilen können bei einer Vielzahl industrieller Anwendungen zum Einsatz kommen, zum Beispiel Unterwasser {off shore oil and gas) oder Überwasser (on shore oil and gas). Such electrohydraulic systems with process valves can be used in a large number of industrial applications, for example underwater (off shore oil and gas) or above water (on shore oil and gas).
Solche Art elektrohydraulischer Systeme werden vor allem dazu genutzt, um Unterwasser in Wassertiefen bis zu mehreren tausend Metern im Zusammenhang mit der Förderung von Erdöl und Erdgas, mit Bergbau, naturwissenschaftlichen Erkundigungen oderSuch kind of electrohydraulic systems are mainly used to underwater in water depths up to several thousand meters in connection with the production of oil and natural gas, with mining, scientific inquiries or
Infrastrukturprojekten ein Element zu bewegen. So befinden sich zum Beispiel bei Erdöl- oder Erdgasförderanlagen auf See in großen Tiefen Prozessventile, mit denen der Volumenstrom des zu befördernden Mediums geregelt oder abgesperrt werden kann. Infrastructure projects to move an element. For example, in crude oil or natural gas production systems at sea there are process valves at great depths with which the volume flow of the medium to be transported can be regulated or shut off.
Bei einer bekannten Vorrichtung ist die Stelleinrichtung mit einem Stellantrieb zur Betätigung eines Ventils mittels eines Stellglieds ausgeführt. Diesem Stellantrieb ist eineIn a known device, the actuating device is designed with an actuator for actuating a valve by means of an actuator. This actuator is one
Notbetätigungseinrichtung zugeordnet, über die das Stellglied im Wesentlichen unabhängig von der Ansteuerung des Stellantriebs bei einer Störung zurückgestellt werden kann. Diese Notbetätigungseinrichtung hat einen Energiespeicher, dessen gespeicherte Energie zum Rückstellen freisetzbar ist. Hierbei hat die Notbetätigungseinrichtung einen Kolben, der einerseits vom Energiespeicher und andererseits von einem Druck in einem Druckraum beaufschlagt ist, der über ein Schaltventil mit einem Tank oder dergleichen verbindbar ist, um die im Energiespeicher gespeicherte Energie freizusetzen. Dabei ist der Kolben derart ausgebildet, dass er das Stellglied bei einer Entlastung des Druckraums in Rückstellrichtung verstellt. Die lineare Verschiebung des Kolbens im Notfall wird über einen linear verschiebbaren Mitnehmer in eine ebenfalls lineare Bewegung des Stellglieds (Konsole) verwandelt, über das das Ventil geschlossen wird. Zur Schließung eines rotativ betätigbaren Ventils ist die lineare Verschiebeeinrichtung weder vorgesehen noch geeignet. Insbesondere stört, dass mit der Linearbewegung eine unmittelbare Übertragung eines Drehmoments auf das Ventil nicht möglich ist. Assigned emergency actuation device, via which the actuator can be reset essentially independently of the activation of the actuator in the event of a fault. This emergency actuation device has an energy store, the stored energy of which can be released for resetting. In this case, the emergency actuation device has a piston which is acted upon on the one hand by the energy store and on the other hand by a pressure in a pressure chamber that can be connected to a tank or the like via a switching valve to release the energy stored in the energy store. The piston is designed in such a way that it adjusts the actuator in the return direction when the pressure chamber is relieved. The linear displacement of the piston in an emergency is converted via a linearly displaceable driver into a likewise linear movement of the actuator (console) via which the valve is closed. The linear displacement device is neither intended nor suitable for closing a valve that can be operated in rotation. A particular problem is that the linear movement does not allow a torque to be transmitted directly to the valve.
Auch wenn sich die bekannte Lösung bereits als sehr komfortabel und sicher herausgestellt hat, kann diese doch beispielsweise bei besonderen Platzanforderungen oder Lagen des Stellantriebs nicht immer zum Einsatz kommen. Gerade in diesen Situationen bedarf es eines neuen Konzeptes. Even if the known solution has already proven to be very convenient and safe, it cannot always be used, for example, with special space requirements or positions of the actuator. It is precisely in these situations that a new concept is required.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrohydraulisches System mit einer Verstellvorrichtung zu schaffen, das die genannten Nachteile lindert oder sogar vermeidet. Insbesondere sollen auf konstruktiv einfache Weise eine kompakte Bauweise, namentlich ein kleiner Bauraum und eine gesteigerte Lebendauer, verwirklicht werden. Außerdem soll eine effektive Verstellung des rotativen Stellantriebs auf einfache Art ermöglicht werden. Schließlich soll ein sicheres Schließen des rotativ betätigbaren Ventils bei Ausfall der Energieversorgung erfolgen. Proceeding from this, the object of the present invention is to create an electrohydraulic system with an adjusting device which alleviates or even avoids the disadvantages mentioned. In particular, a compact design, namely a small installation space and an increased service life, should be implemented in a structurally simple manner. In addition, an effective adjustment of the rotary actuator should be made possible in a simple manner. Finally, the valve, which can be actuated in rotation, should be reliably closed if the power supply fails.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Anordnung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, weitere Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung anführen, die mit den Merkmalen aus den Patentansprüchen kombinierbar sind. These objects are achieved with an arrangement according to the independent patent claim 1. Further embodiments of the invention are specified in the dependent patent claims. It should be pointed out that the description, in particular in connection with the figures, cites further details and developments of the invention, which can be combined with the features from the patent claims.
Hierzu trägt ein elektrohydraulisches System mit einer Verstellvorrichtung für ein Ventil mit einer Antriebseinrichtung, mit einer Stelleinrichtung und einer Vorspanneinrichtung bei, wobei die in der Vorspanneinrichtung gespeicherte Energie im Störfall auf die Stelleinrichtung übertragbar ist, sodass eine rotative Bewegung der Stelleinrichtung einsetzt, die zur Verstellung des Ventils führt. Dabei umfasst die Vorspanneinrichtung mindestens ein elastisches Element, das benachbart zu einer Stellachse der Stelleinrichtung angeordnet sowie mit der Stellachse ortsfest verbunden ist und ein Drehmoment auf die Stellachse ausübt. Contributing to this is an electrohydraulic system with an adjusting device for a valve with a drive device, with an adjusting device and a pretensioning device, the energy stored in the pretensioning device being transferable to the adjusting device in the event of a malfunction, so that a rotary movement of the adjusting device begins, which is used to adjust the Valve leads. The pretensioning device comprises at least one elastic element which is arranged adjacent to an adjusting axis of the adjusting device and which is fixedly connected to the adjusting axis and exerts a torque on the adjusting axis.
Es ist möglich, dass mehrere elastische Elemente (in Serie und/oder parallel zueinander) angeordnet sind. Mehrere elastische Elemente können als Paket kombiniert sein. Das elastische Element ist insbesondere mit einem Metall gebildet. Es hat insbesondere eine äußere Form, die elastisch veränderbar ist. It is possible for several elastic elements to be arranged (in series and / or parallel to one another). Several elastic elements can be combined as a package. The elastic element is formed in particular with a metal. In particular, it has an external shape that can be changed elastically.
Das elastische Element ist benachbart zu der Stellachse angeordnet. Das heißt insbesondere, dass eine Zentrumsachse des elastischen Elements nicht koaxial und/oder parallel zur Stellachse angeordnet ist. Es ist bevorzugt, dass eine Zentrumsachse des elastischen Elements nicht fluchtend senkrecht zur Stellachse angeordnet ist. Es ist bevorzugt eine Zentrumsachse des elastischen Elements schräg, tangential, windschief oder eine dazu parallele Ausrichtung zur Stellachse hat. The elastic element is arranged adjacent to the adjusting axis. That means in particular that a center axis of the elastic element is not arranged coaxially and / or parallel to the adjusting axis. It is preferred that a center axis of the elastic element is not aligned perpendicular to the adjustment axis. A central axis of the elastic element is preferably inclined, tangential, skewed or has an alignment parallel to the adjusting axis.
Das elastische Element ist (mittelbar oder unmittelbar) ortsfest mit der Stellachse verbunden. Das heißt mit anderen Worten insbesondere, dass ein vom elastischen Element auf die Stellachse einwirkender Krafteinleitungspunkt unveränderlich mit Bezug auf die Lage zur Stellachse ist. Die kann damit erreicht werden, dass das elastische Element und die Stellachse miteinander fest verbunden sind, also z. B. ist das elastische Element auf bzw. an der (Oberfläche der) Stellachse montiert, verschweißt, etc. Insbesondere wandert der Krafteinleitungspunkt nicht relativ zur (Oberfläche der) Stellachse. The elastic element is (indirectly or directly) fixedly connected to the adjusting axis. In other words, that means in particular that a force introduction point acting on the adjusting axis by the elastic element is invariable with respect to the position relative to the adjusting axis. This can be achieved in that the elastic element and the adjusting axis are firmly connected to one another, so z. B. the elastic element is mounted on or on the (surface of the) adjusting axis, welded, etc. In particular, the force application point does not move relative to the (surface of the) adjusting axis.
Das mindestens eine elastische Element ist zudem so vorgesehen, positioniert und/oder eingerichtet, dass es (zumindest in einer„aktiven“ Stellung - Notbetätigung) ein Drehmoment auf die Stellachse ausüben kann. Das Drehmoment ist insbesondere derart, dass es eine Rückverstellung bzw. Drehung der Stellachse über einen vorgebbaren Winkelbereich ermöglicht bzw. realisiert. The at least one elastic element is also provided, positioned and / or set up in such a way that it can exert a torque on the adjusting axis (at least in an “active” position - emergency actuation). The torque is in particular such that it enables or realizes a return adjustment or rotation of the adjusting axis over a predeterminable angular range.
Das hier vorgestellte elektrohydraulische System umfasst einen gekapselten Notantrieb mit einem mechanischen Energiespeicher (hier mittels des mindestens einen elastischen Elements). Über eine mechanische Spindel oder über einen Hydromotor wird die in dem elastischen Element (z. B. einer Feder) gespeicherte Energie in eine Drehbewegung umgesetzt. In beiden Fällen kann die Feder durch einen hydraulischen Zylinder während des normalen Betriebs gespannt gehalten werden, der über ein Ventil abgesperrt ist. Beim Öffnen des Ventils (z. B. aufgrund eines Stromausfalls) wird der Zylinder von der Feder geschoben und die Energie freigesetzt. Die Drehbewegung führt im Störfall zur unmittelbaren Verstellung und damit zur schnellen Schließung eines rotativ betätigten Ventils. Das Auslösen der Stelleinrichtung erfolgt schnell und ausfallsicher. The electrohydraulic system presented here comprises an encapsulated emergency drive with a mechanical energy store (here by means of the at least one elastic element). The energy stored in the elastic element (e.g. a spring) is converted into a rotary movement via a mechanical spindle or a hydraulic motor. In both cases, the spring can be operated by a hydraulic cylinder during the normal operation, which is shut off via a valve. When the valve is opened (e.g. due to a power failure) the cylinder is pushed by the spring and the energy is released. In the event of a malfunction, the rotary movement leads to an immediate adjustment and thus to the rapid closure of a rotary operated valve. The actuating device is triggered quickly and fail-safe.
Mit der vorliegenden Vorrichtung ist ein Notfall-Sicherheits-Modul für rotative Achsen, insbesondere Prozessventile, geschaffen, ohne elektrische Batterien zu verwenden. Das Modul ist Unterwasser austauschbar und ermöglicht eine Betätigung des Ventils durch einen externen Aktuator oder Roboter. With the present device, an emergency safety module for rotary axes, in particular process valves, is created without using electrical batteries. The module can be exchanged underwater and enables the valve to be operated by an external actuator or robot.
Für vielfache Anwendungen Unterwasser und auch Überwasser (on shore oil and gas) wird ein rotativ betätigbarer Aktuator bevorzugt, der mit einer Standardschnittstelle (zum Beispiel durch ein ROV = Remotely Operated Vehicle oder AUV = Autonomous Underwater Vehicle) ausgewechselt werden kann. Mit dem hier vorgestellten elektrohydraulischen System wird ein Störfallsicherungs- und Schließmechanismus für rotative Aktuatoren realisiert unter Verwendung eines Federsystems und einer hydraulischen Regelung (ohne elektrische Batterien), das durch einen externen Aktor oder U nterwasser- Roboter oder Fahrzeug (zum Beispiel ROVs und AUVs) ausgetauscht und betrieben werden kann. For multiple applications underwater and also overwater (on shore oil and gas), a rotatively actuated actuator is preferred, which can be exchanged with a standard interface (for example by an ROV = Remotely Operated Vehicle or AUV = Autonomous Underwater Vehicle). With the electrohydraulic system presented here, an accident prevention and locking mechanism for rotary actuators is implemented using a spring system and hydraulic control (without electrical batteries), which is exchanged by an external actuator or underwater robot or vehicle (e.g. ROVs and AUVs) and can be operated.
Der Störfallsicherungsmechanismus für rotativ betätigbare Ventile verwendet keine Batterien, sondern gebraucht Federn mit einer zuverlässigen hydraulischen Regelung, die auch Unterwasser ausgetauscht werden können, die einen Spindelantrieb oder einen Hydromotor aufweisen und/oder auch ein komplettes Antriebssystem enthalten kann (das heißt nicht nur Sicherungsfunktionen, sondern auch die normalen betrieblichen Arbeiten). The fail-safe mechanism for rotary actuated valves does not use batteries, but uses springs with reliable hydraulic control, which can also be replaced underwater, which have a spindle drive or a hydraulic motor and / or can also contain a complete drive system (i.e. not just safety functions, but also the normal operational work).
Die hier vorgestellte Verstellvorrichtung verwirklicht eine Störfallsicherung mit einem Federsystem, wobei das Sicherheitsregelsystem in eine hydraulische Regelung integriert ist, das heißt, eine elektrische Antriebseinrichtung wird entkoppelt und ein erforderliches Drehmoment und eine Drehbewegung werden bereitgestellt, um ein Prozessventil in eine gesicherte (geschlossene) Position zu bringen und in dieser Position zu halten. The adjustment device presented here realizes an accident prevention system with a spring system, the safety control system being integrated into a hydraulic control, that is, an electrical drive device is decoupled and a required torque and a rotary movement are provided in order to move a process valve into a secured (closed) position bring and hold in this position.
Das Notfall-Sicherheits-Modul für rotativ betriebene Prozessventile ermöglicht ein hohes Sicherheits- und Zuverlässigkeitsniveau für eine lange Betriebsdauer (zum Beispiel 25 Jahre). Es kann als unabhängiges Modul verwendet werden, sowohl zur Ergänzung existierender elektrischer Aktoren oder als Einzelaktor. Das Modul kann auf einfache Art Unterwasser ausgetauscht werden; der Betrieb eines externen Werkzeugs oder Aktuators kann durch ein elektrohydraulisches Regelsystem deaktiviert werden (kein Block). The emergency safety module for rotary process valves enables a high level of safety and reliability for a long service life (e.g. 25 years). It can be used as an independent module, either to supplement existing electrical actuators or as a single actuator. The module can easily be exchanged underwater; the operation of an external tool or actuator can be deactivated by an electro-hydraulic control system (no block).
Die Antriebsvorrichtung für die Verstellvorrichtung kann ein Remote Operated Vehicle (ROV) oder ein Autonomous Underwater Vehicle (AUV) oder Roboter sein. Als Stelleinrichtung kommen vorzugsweise eine Spindel oder ein Hydromotor mit rotativem Antrieb in Betracht. Bevorzugt ist die Stelleinrichtung dazu eingerichtet, das Ventil rotativ anzutreiben, zum Beispiel Prozessventil. The drive device for the adjustment device can be a remote operated vehicle (ROV) or an autonomous underwater vehicle (AUV) or a robot. A spindle or a hydraulic motor with a rotary drive can preferably be used as the adjusting device. The actuating device is preferably set up to drive the valve in rotation, for example a process valve.
Die Ventile können vorzugsweise Absperrventile für das Sperren und Öffnen einer Leitung sein. Als Ventilelemente werden weiterhin vorzugsweise hydraulisch über Hydromotor oder mechanisch über Spindel verstellbare Kegelsitzventile verwendet. Die durch den Gegendruck erzeugte Schließkraft bewirkt eine elastische Verformung am Stützelement. Bei ausreichender Schließkraft ist eine leckagefreie Dichtheit gewährleistet. Hierbei wird ein Ventilkegel durch eine Bewegungsspindel auf einen Gehäusesitz gepresst. Die Gewindemutter kann im Gehäuse liegen. Der Antrieb der Bewegungsspindel erfolgt vorzugsweise über einen Stellantrieb, der eine Drehbewegung ausführt. Die Bewegungsspindel mit dem Ventilkegel wird beim Öffnen und Schließen des Ventils linear verschoben, während die Gewindemutter ortsfest bleibt. Es können auch Kugelelemente mit durchgehender Bohrung verwendet werden, die in einer Dichtung gelagert sind und bei Drehung um 90° die Öffnung freigeben bzw. absperren. Das Kugelelement und der Stellantrieb sind hierbei ortsfest. Weiterhin bevorzugt kommen Drehschieberventile zur Anwendung. The valves can preferably be shut-off valves for blocking and opening a line. Furthermore, conical seat valves which can be adjusted hydraulically via a hydraulic motor or mechanically via a spindle are preferably used as valve elements. The closing force generated by the counter pressure causes elastic deformation on the support element. If there is sufficient closing force, leak-free tightness is guaranteed. Here, a valve cone is pressed onto a housing seat by a movement spindle. The threaded nut can lie in the housing. The movement spindle is preferably driven by an actuator that performs a rotary movement. The movement spindle with the valve cone is shifted linearly when the valve is opened and closed, while the threaded nut remains stationary. Ball elements with a continuous bore can also be used, which are mounted in a seal and release or block the opening when rotated by 90 °. The ball element and the actuator are stationary here. Rotary slide valves are also preferably used.
Die Vorspanneinrichtung umfasst mindestens ein Federelement, zum Beispiel Schraubendruckfeder oder ein anderes federndes Element. Die Vorspanneinrichtung kann mit einem Kolben Zusammenwirken, der einen flüssigkeitsgefüllten Druckraum begrenzt, der dazu eingerichtet ist, die Stelleinrichtung bei einer Entlastung des Druckraums in Rückstellrichtung (Schließrichtung) des Ventils zu verstellen. The pretensioning device comprises at least one spring element, for example a helical compression spring or another resilient element. The pretensioning device can interact with a piston which delimits a liquid-filled pressure chamber which is set up to adjust the actuating device in the return direction (closing direction) of the valve when the pressure chamber is relieved.
Vorzugsweise umfasst das elastische Element mindestens ein Federsystem mit mindestens einer Vorspannfeder. Bevorzugt ist die Vorspannfeder eine Schraubenfeder. Mit Vorteil ist an der Stellachse mindestens ein Hebelarm, Ansatz oder dergleichen angebracht, an dem ein Ende der mindestens einen Vorspannfeder angreift. Es ist insbesondere bevorzugt, dass der mindestens eine Hebelarm, Ansatz oder dergleichen unmittelbar an der Oberfläche der Stellachse anliegt und dort befestigt ist. Es ist möglich, dass eine Führung und/oder ein Gelenk vorgesehen ist, welches die Relativbewegung zwischen Stellachse und elastischem Element ausgleichen kann und/oder das erforderliche Drehmoment übertragen kann. The elastic element preferably comprises at least one spring system with at least one pretensioning spring. The preload spring is preferably a helical spring. At least one lever arm, attachment or the like, on which one end of the at least one pretensioning spring engages, is advantageously attached to the adjusting axis. It is particularly preferred that the at least one lever arm, extension or the like rests directly on the surface of the adjusting axis and is fastened there. It is possible for a guide and / or a joint to be provided which can compensate for the relative movement between the adjusting axis and the elastic element and / or which can transmit the required torque.
Zweckmäßig verläuft die bzw. die überwiegende Wirkrichtung der Vorspannfeder im Wesentlichen senkrecht aber mit einem Abstand zur Längsachse der Stellachse. The or predominant direction of action of the prestressing spring expediently runs essentially perpendicularly but at a distance from the longitudinal axis of the adjusting axis.
Vorzugsweise verläuft die bzw. die überwiegende Wirkrichtung der Vorspannfeder im Wesentlichen parallel zu einer Tangente zur (Oberfläche der) Stellachse. The or the predominant direction of action of the pretensioning spring preferably runs essentially parallel to a tangent to the (surface of the) adjusting axis.
Bevorzugt ist das Federsystem durch mindestens einen rotierbaren Motor vorgespannt. The spring system is preferably preloaded by at least one rotatable motor.
Mit Vorteil ist das Federsystem durch mindestens einen Hydrozylinder mit mindestens einem Druckkolben vorgespannt. The spring system is advantageously preloaded by at least one hydraulic cylinder with at least one pressure piston.
Zweckmäßig ist der Hydrozylinder über mindestens einen Kanal an mindestens ein Wegeventil angeschlossen, bei dessen Öffnung der Druckraum des Hydrozylinders durch das Federsystem verschiebbar ist. The hydraulic cylinder is expediently connected to at least one directional control valve via at least one channel, the pressure chamber of the hydraulic cylinder being displaceable by the spring system when it is opened.
Vorzugsweise sind die Stellachse der Stelleinrichtung und die Stellachse des Ventils koaxial zueinander angeordnet. The adjusting axis of the adjusting device and the adjusting axis of the valve are preferably arranged coaxially to one another.
Bevorzugt ist eine (elektromagnetische) Spanneinrichtung für die Vorspanneinrichtung vorhanden. Die elektromagnetische Spanneinrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, die Vorspannung einzustellen und/oder zu halten. An (electromagnetic) tensioning device is preferably provided for the pretensioning device. The electromagnetic tensioning device can in particular be set up to set and / or maintain the pretensioning.
Mit Vorteil ist eine Auslöseeinrichtung für die Vorspanneinrichtung vorgesehen. Die Auslöseeinrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, die Vorspannung zu entspannen und/oder eine Drehmomenteinbringung mittels des mindestens einen Elements in die Stellachse auszulösen. Zweckmäßig ist eine Rückstelleinrichtung für die Vorspanneinrichtung vorhanden. Die Rückstelleinrichtung kann dazu eingerichtet sein, im Fall des Versagens einer dazu vorgesehenen elektromagnetische Spanneinrichtung die die Vorspannung der Vorspanneinrichtung einzustellen und/oder zu halten, wobei dies bevorzugt über einen alternativen Pfad erfolgt, insbesondere mit hydraulisch und/oder mechanisch betriebenen Bauteilen. A release device for the pretensioning device is advantageously provided. The triggering device can in particular be set up to relax the preload and / or to trigger an introduction of torque into the actuating axis by means of the at least one element. A reset device for the pretensioning device is expediently available. The reset device can be set up to adjust and / or maintain the pre-tensioning of the pre-tensioning device in the event of failure of an electromagnetic tensioning device provided for this purpose, this preferably taking place via an alternative path, in particular with hydraulically and / or mechanically operated components.
Die Erfindung und das technische Umfeld werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Dabei sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Darstellungen sind schematisch und nicht zur Veranschaulichung von Größenverhältnissen vorgesehen. Die mit Bezug auf einzelne Details einer Figur angeführten Erläuterungen sind extrahierbar und mit Sachverhalten aus anderen Figuren oder der vorstehenden Beschreibung frei kombinierbar, es sei denn, dass sich für einen Fachmann zwingend etwas anderes ergibt bzw. eine solche Kombination hier explizit untersagt wird. Es zeigen schematisch: The invention and the technical environment are explained in more detail below with reference to figures. The same components are identified by the same reference symbols. The representations are schematic and not intended to illustrate proportions. The explanations given with reference to individual details of a figure can be extracted and freely combined with facts from other figures or the above description, unless something else is mandatory for a person skilled in the art or such a combination is explicitly prohibited here. They show schematically:
Fig. la: eine Seitenansicht der Verstellvorrichtung mit geöffnetem Ventil und gespannter Vorspanneinrichtung, Fig. La: a side view of the adjusting device with an open valve and tensioned pretensioning device,
Fig. lb: die Verstellvorrichtung gemäß Fig. la mit geschlossenem Ventil und entspannter Vorspanneinrichtung, Fig. Lb: the adjusting device according to Fig. La with closed valve and relaxed pretensioning device,
Fig. 2a: im Schnitt l-l die Vorspanneinrichtung mit Schraubendruckfeder in gespannter Position gemäß Fig. la, Fig. 2a: in section l-l the pretensioning device with helical compression spring in the tensioned position according to Fig. La,
Fig. 2b: im Schnitt ll-ll die Vorspanneinrichtung mit Schraubendruckfeder in entspannter Position gemäß Fig. lb, Fig. 2b: in section II-II the pretensioning device with helical compression spring in the relaxed position according to Fig. Lb,
Fig. 3: perspektivisch eine Ausführungsform der Vorspanneinrichtung mit einer Fig. 3: in perspective, an embodiment of the pretensioning device with a
Mehrzahl von Vorspannfedern, Plurality of preload springs,
Fig. 4: eine Ausführungsform der Verstellvorrichtung mit elektromagnetischer Fig. 4: an embodiment of the adjusting device with electromagnetic
Kupplung, elektromagnetischer Spanneinrichtung und mechanischer Rückstelleinrichtung, Fig. 5: eine Ausführungsform der Verstellvorrichtung wie Fig. 4, jedoch mit hydraulischer Rückstelleinrichtung, Clutch, electromagnetic tensioning device and mechanical reset device, FIG. 5: an embodiment of the adjusting device as in FIG. 4, but with a hydraulic return device,
Fig. 6: eine Ausführungsform der Verstellvorrichtung mit elektromagnetischer Fig. 6: an embodiment of the adjusting device with electromagnetic
Kupplung, hydraulischer Spanneinrichtung und mechanischer Rückstelleinrichtung, Clutch, hydraulic tensioning device and mechanical reset device,
Fig. 7: eine Ausführungsform wie Fig. 6, jedoch mit Wegeventil zwischen FIG. 7: an embodiment like FIG. 6, but with a directional control valve between
Hydropumpe und Hydrozylinder und Hydraulic pump and hydraulic cylinder and
Fig. 8: eine Ausführungsform ähnlich wie Fig. 4, jedoch mit jeweils einem Modul für die Auslöseeinrichtung und die Vorspanneinrichtung sowie einem Modul für die Spanneinrichtung. FIG. 8: an embodiment similar to FIG. 4, but with one module each for the triggering device and the pretensioning device and one module for the tensioning device.
Die Fig. la und lb zeigen die Verstellvorrichtung 1 mit geöffnetem Ventil 2 und gespannter Vorspannfeder 16 (Fig. la) und mit geschlossenem Ventil 2 und entspannter Vorspannfeder 16 (Fig. lb). Dargestellt ist die Verstellvorrichtung 1 für ein Ventil 2 mit einer Antriebseinrichtung 3, mit einer Stelleinrichtung 4 und mit einer Vorspanneinrichtung 5. FIGS. La and lb show the adjusting device 1 with the valve 2 open and the pretensioning spring 16 tensioned (FIG. La) and with the valve 2 closed and the pretensioning spring 16 relaxed (FIG. Lb). The adjustment device 1 for a valve 2 with a drive device 3, with an actuation device 4 and with a pretensioning device 5 is shown.
Die Funktionsschaubilder nach den Figuren la und lb zeigen die Stelleinrichtung 4 zur Betätigung des Ventils 2, zum Beispiel eines Prozessventils, über das ein Volumenstrom 6 einstellbar ist. Die Stelleinrichtung 4 hat einen Spindeltrieb mit einer Antriebseinrichtung 3, zum Beispiel einer Elektromaschine 7, die eine Spindel 8 antreibt. Es erfolgt eine Drehbewegung der Spindel 8 um die Längsachse 10 in Richtung der Pfeile A oder B. Die Drehbewegung der Spindel 8 wird im dargestellten Beispiel auf ein Kugelelement 11 des Ventils 2 mit einer durchgehenden Bohrung 12 übertragen, das in einem Ventilgehäuse 13 abdichtend gelagert ist. Durch das Ventilgehäuse 13 fährt ein Ventilkanal 14 hindurch, der an seinen Mündungen durch Rohre 15 fortgeführt wird und in dem ein gasförmiges oder flüssiges Medium (Volumenstrom 6) fließt. The functional diagrams according to FIGS. 1 a and 1 b show the actuating device 4 for actuating the valve 2, for example a process valve, via which a volume flow 6 can be set. The adjusting device 4 has a spindle drive with a drive device 3, for example an electric machine 7, which drives a spindle 8. The spindle 8 rotates around the longitudinal axis 10 in the direction of arrows A or B. In the example shown, the rotation of the spindle 8 is transmitted to a ball element 11 of the valve 2 with a through hole 12, which is sealingly mounted in a valve housing 13 . A valve channel 14 runs through the valve housing 13, which is continued at its mouths through tubes 15 and in which a gaseous or liquid medium (volume flow 6) flows.
In dem Ventilgehäuse 13 ist ein Hohlraum ausgebildet, in dem das Kugelelement 11 mit der Bohrung 12 (Durchflussöffnung) drehbar gelagert ist. Das Kugelelement 11 ist koaxial am Abtriebsende 8.2 der Spindel 8 angebracht. In dem Zustand nach der Fig. la fluchten die Bohrung 12 und der Ventilkanal 14 miteinander, die volle Durchflussöffnung ist freigegeben, das Ventil 2 ist also geöffnet. Bei Drehung des Kugelelements 11 in Richtung des Pfeils C oder D um 90° überdecken das Kugelelement 11 und der Ventilkanal 14 einander, die Durchtrittsöffnung ist versperrt, das Ventil 2 ist geschlossen (siehe Fig. lb). In the valve housing 13, a cavity is formed in which the ball element 11 with the bore 12 (flow opening) is rotatably mounted. The ball element 11 is attached coaxially to the output end 8.2 of the spindle 8. In the state according to FIG. 1 a, the bore 12 and the valve channel 14 are aligned with one another, the full flow opening is released, the valve 2 is therefore open. When the ball element 11 is rotated by 90 ° in the direction of the arrow C or D, the ball element 11 and the valve channel 14 overlap, the passage opening is blocked, the valve 2 is closed (see FIG. 1b).
Die Elektromaschine 7 ist am Antriebsende 8.1 der Spindel 8 angeordnet. Durch Ansteuerung der Elektromaschine 7 im Normalbetrieb kann - über die Drehbewegung der Antriebswelle 24 der Elektromaschine 7 in Richtung der Pfeile E und F, der Drehbewegung der Spindel 8 in Richtung der Pfeile A und B und der Drehbewegung der Antriebsachse 25 des Ventils 2 in Richtung der Pfeile C und D - das Kugelelement 11 des Ventils 2 in Abhängigkeit von der Drehbewegung der Gewindespindel 8 in Richtung der Pfeile C bzw. D verstellt werden. The electric machine 7 is arranged at the drive end 8.1 of the spindle 8. By controlling the electric machine 7 in normal operation, the rotational movement of the drive shaft 24 of the electric machine 7 in the direction of arrows E and F, the rotational movement of the spindle 8 in the direction of arrows A and B and the rotational movement of the drive shaft 25 of the valve 2 in the direction of Arrows C and D - the ball element 11 of the valve 2 can be adjusted as a function of the rotational movement of the threaded spindle 8 in the direction of arrows C and D, respectively.
In dem Fall, in dem das Ventil 2 aufgesteuert (geöffnet) ist und somit ein gewisser Volumenstrom 6 eingestellt ist, würde bei einem Stromausfall oder anlageseitigem Störfall das Ventil 2 offenbleiben, sodass die Funktion der Prozessarmatur nicht mehr kontrollierbar ist. Für einen derartigen Störfall ist eine Notbetätigungseinrichtung vorgesehen, durch die die Spindel 8 in eine Grundposition zurückgestellt werden kann, in der das Ventil 2 geschlossen ist (Fig. lb). Bei der in Fig. la und lb dargestellten Lösung erfolgt diese Rückstellung mechanisch, wobei zur Notfallfunktion keinerlei Bauelemente elektrisch betätigt werden müssen. Die Notbetätigungsvorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Energiespeicher, im vorliegenden Fall aus der Vorspanneinrichtung 5 mit einer Vorspannfeder 16 (Federspeicher). In the event that the valve 2 is opened (opened) and a certain volume flow 6 is set, the valve 2 would remain open in the event of a power failure or a system-side malfunction, so that the function of the process fitting can no longer be controlled. For such a malfunction, an emergency actuation device is provided, by means of which the spindle 8 can be returned to a basic position in which the valve 2 is closed (FIG. 1b). In the solution shown in FIGS. La and lb, this resetting takes place mechanically, with no components having to be electrically operated for the emergency function. The emergency actuation device consists essentially of an energy store, in the present case of the pretensioning device 5 with a pretensioning spring 16 (spring store).
Die Vorspannfeder 16 ist - wie in Figur 2a und 2b dargestellt - mit ihrem einen Ende an einem ersten Stützelement 17 abgestützt, das über einen ersten Drehpunkt 19 an einem ortsfesten Drehlager 21 drehbar befestigt ist. Mit ihrem anderen Ende ist die Vorspannfeder 17 an einem zweiten Stützelement 18 abgestützt, das über einen zweiten Drehpunkt 20 an einem Ende eines Hebelarms 9 angreift. Der Hebelarm 9 oder ein gleichwertiges Element ist mit seinem anderen Ende fest an der Spindel 8, zum Beispiel durch Kleben, Schweißen, Schrauben oder dergleichen, befestigt und dadurch starr mit der Spindel 8 verbunden. As shown in FIGS. 2a and 2b, the pretensioning spring 16 is supported with its one end on a first support element 17 which is rotatably fastened to a stationary pivot bearing 21 via a first pivot point 19. At its other end, the pretensioning spring 17 is supported on a second support element 18 which acts on one end of a lever arm 9 via a second pivot point 20. The lever arm 9 or an equivalent element is fixed at its other end to the spindle 8, for example by gluing, welding, screwing or the like, and is thereby rigidly connected to the spindle 8.
Die Fig. la und 2a zeigen die Vorspannfeder 16 in gespannter Position, während die Figuren lb und 2b die Vorspannfeder 16 in entspannter Position darstellen. Im Zuge der Entspannung der Vorspannfeder 16, zum Beispiel Schraubendruckfeder, bewegt sich das zweite Stützelement 18 in Richtung des Pfeils H aus einer ersten Position 18‘ (Fig. 2a) in eine zweite Position 18“ (Fig. 2b). Hierbei wird der Hebelarm 9 nach oben gedrückt, sodass die Spindel 8 - im Querschnitt gesehen - um einen Winkel a = 90° um ihre Stellachse 10 (Längsachse) gedreht wird. Auf diese Weise wird das Kugelelement 11 des Ventils 2 ebenfalls um 90° in die geschlossene Position (Fig. lb) gedreht. Der Pfeil d zeigt die Richtung an, in der die Vorspannfeder 16 gespannt wird. La and 2a show the biasing spring 16 in the tensioned position, while the figures lb and 2b show the biasing spring 16 in the relaxed position. In the course of the relaxation of the pretensioning spring 16, for example a helical compression spring, the second support element 18 moves in the direction of the arrow H from a first position 18 '(FIG. 2a) into a second Position 18 "(Fig. 2b). Here, the lever arm 9 is pressed upwards so that the spindle 8 - seen in cross section - is rotated by an angle a = 90 ° about its adjusting axis 10 (longitudinal axis). In this way, the ball element 11 of the valve 2 is also rotated through 90 ° into the closed position (Fig. Lb). The arrow d indicates the direction in which the bias spring 16 is tensioned.
Fig. 3 zeigt perspektivisch eine Ausführungsform der Vorspannvorrichtung 5 mit einer Mehrzahl von Vorspannfedern 16i bis 16n (Federpaket). Die Vorspannfedern 16.1 bis 16n können in Reihe oder parallel verschaltet angeordnet sein. Mit 22 ist eine Spurführung und mit 23 ist ein Halteelement für die Vorspanneinrichtung 5 bezeichnet. Fig. 3 shows in perspective a embodiment of the biasing device 5 with a plurality of biasing springs 16i to 16 n (spring package). The prestressing springs 16.1 to 16n can be connected in series or in parallel. With 22 is a track guide and 23 with a holding element for the pretensioning device 5 is designated.
Die Fig. 4 bis 8 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen der Verstellvorrichtung 1. Aus Vereinfachungsgründen ist die Vorspanneinrichtung 5 am Beispiel einer Schraubenfeder dargestellt. Die abgewinkelt dargestellte Spindel 8 soll lediglich schematisch veranschaulichen, dass das bewegliche Ende der Vorspanneinrichtung 5 eingerichtet ist, ein Drehmoment auf die Spindel 8 auszuüben. 4 to 8 show different embodiments of the adjusting device 1. For reasons of simplification, the pretensioning device 5 is shown using the example of a helical spring. The angled spindle 8 is only intended to illustrate schematically that the movable end of the pretensioning device 5 is set up to exert a torque on the spindle 8.
Die in den Fig. 4 bis 8 dargestellten unterschiedlichen Ausbildungen umfassen jeweils einen Antrieb für eine Spanneinrichtung 26 für die Spannung der Vorspanneinrichtung 5, die Vorspanneinrichtung 5 (Störfallsicherung), eine Auslöseeinrichtung 27 für die Vorspanneinrichtung 5 und eine Rückstelleinrichtung 28. The different designs shown in FIGS. 4 to 8 each include a drive for a tensioning device 26 for tensioning the pretensioning device 5, the pretensioning device 5 (accident prevention), a release device 27 for the pretensioning device 5 and a reset device 28.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Verstellvorrichtung 1 mit folgenden Elementen: Der Antrieb für die Spanneinrichtung 26 erfolgt durch einen ersten Elektromotor 29, der über ein erstes Getriebe 32 mit der Spindel 8 zusammenwirkt. Die Vorspanneinrichtung 5 umfasst ein elastisches Element, zum Beispiel ein Federelement. Die Auslöseeinrichtung 27 weist eine elektromagnetisch betätigbare Kupplung 35 auf, die als Bremse wirkt, und über ein zweites Getriebe 33 mit der Spindel 8 zusammenarbeitet. Die Rückstelleinrichtung 28 ist mechanisch verwirklicht, zum Beispiel über die Antriebseinrichtung 3 mit Antriebswelle 24. Mit 35 ist eine Schnittstelle zwischen der Antriebseinrichtung 3 und der Spindel 8 bezeichnet. Mit 40 ist ein Positionsgeber bezeichnet. 4 shows an embodiment of the adjusting device 1 with the following elements: The drive for the clamping device 26 is provided by a first electric motor 29, which interacts with the spindle 8 via a first gear 32. The pretensioning device 5 comprises an elastic element, for example a spring element. The release device 27 has an electromagnetically actuated clutch 35 which acts as a brake and cooperates with the spindle 8 via a second gear 33. The reset device 28 is implemented mechanically, for example via the drive device 3 with drive shaft 24. An interface between the drive device 3 and the spindle 8 is designated by 35. A position encoder is designated by 40.
Nach Fig. 5 ist eine Verstellvorrichtung 1 vorgesehen wie Fig. 4, jedoch mit hydraulischer Rückstelleinrichtung 28. Hierzu ist ein hydraulischer Kreislauf vorhanden, der eine erste Hydropumpe 36 und einen Hydromotor 38 umfasst, die als rotatorischer Antrieb innerhalb der Spindel 8 zwischen der Antriebseinrichtung 3 (s. Fig. 4) und der Vorspanneinrichtung 5 angeordnet sind. Diese Ausbildung ermöglicht eine geringere Geschwindigkeit und geringere Kräfte. According to FIG. 5, an adjusting device 1 is provided as in FIG. 4, but with a hydraulic return device 28. For this purpose, a hydraulic circuit is provided, which is a first Hydraulic pump 36 and a hydraulic motor 38, which are arranged as a rotary drive within the spindle 8 between the drive device 3 (see FIG. 4) and the pretensioning device 5. This training enables a lower speed and lower forces.
Fig. 6 veranschaulicht eine Verstellvorrichtung 1, bei der die Spanneinrichtung 26 eine durch einen zweiten Elektromotor 30 angetriebene zweite Hydropumpe 37 umfasst, die einen linearen Hydraulikzylinder 39 beaufschlagt. Die Spanneinrichtung 26 ist elektrohydraulisch verwirklicht. FIG. 6 illustrates an adjusting device 1 in which the tensioning device 26 comprises a second hydraulic pump 37 driven by a second electric motor 30, which acts on a linear hydraulic cylinder 39. The clamping device 26 is realized electro-hydraulically.
Fig. 7 verdeutlicht eine Verstellvorrichtung 1, bei der in der Spanneinrichtung 26 in eine Hydroleitung 41 zwischen der zweiten Hydropumpe 37 und dem Hydrozylinder 39 ein Wegeventil 42 mit Elektromagnet und Federrückführung eingeschaltet ist. Fig. 8 stellt eine Verstellvorrichtung 1 mit einem ersten Modul 43 und einem zweiten Modul 44 dar. Das erste Modul 43 umfasst die Auslöseeinrichtung 27 und die Vorspanneinrichtung 5. Das zweite Modul 44 enthält die Spanneinrichtung 26. In einer Mehrventilanlage kann jedem der Ventile 2 ein erstes Modul 43 zugeordnet sein. Das zweite Modul 44 kann je nach Bedarf an eines der mehreren ersten Module 43 angeschlossen werden. Mit 34 ist ein drittes Getriebe bezeichnet. 7 illustrates an adjusting device 1 in which a directional valve 42 with an electromagnet and spring return is switched on in the tensioning device 26 in a hydraulic line 41 between the second hydraulic pump 37 and the hydraulic cylinder 39. 8 shows an adjusting device 1 with a first module 43 and a second module 44. The first module 43 comprises the release device 27 and the pretensioning device 5. The second module 44 contains the tensioning device 26. In a multi-valve system, each of the valves 2 can have a first module 43 be assigned. The second module 44 can be connected to one of the plurality of first modules 43 as required. A third transmission is designated by 34.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
1 Verstellvorrichtung1 adjustment device
2 Ventil 2 valve
3 Antriebseinrichtung 3 drive device
4 Stelleinrichtung4 adjusting device
5 Vorspanneinrichtung5 pretensioning device
6 Volumenstrom6 volume flow
7 Elektromaschine7 electric machine
8 Spindel 8 spindle
8.1 Antriebsende 8.1 End of drive
8.2 Abtriebsende8.2 End of output
9 Hebelarm 9 lever arm
10 Stellachse 10 positioning axis
11 Kugelelement 11 ball element
12 Bohrung 12 bore
13 Ventilgehäuse 13 valve body
14 Ventilkanal 14 valve channel
15 Rohr 15 pipe
16 Vorspannfeder 16 preload spring
16i bis 16h Vorspannfedern16i to 16h preload springs
17 erstes Stützelement17 first support element
18 zweites Stützelement 18‘ erste Position18 second support element 18 ‘first position
18“ zweite Position18 "second position
19 erster Drehpunkt19 first pivot point
20 zweiter Drehpunkt 21 Drehlager 20 second pivot point 21 pivot bearing
22 Spurführung 22 Lane guidance
23 Halteelement 23 retaining element
24 Antriebswelle24 drive shaft
25 Antriebsachse25 drive axle
26 Spanneinrichtung 27 Auslöseeinrichtung26 Clamping device 27 Release device
28 Rückstelleinrichtung28 Reset device
29 erster Elektromotor29 first electric motor
30 zweiter Elektromotor 31 dritter Elektromotor30 second electric motor 31 third electric motor
32 erstes Getriebe32 first transmission
33 zweites Getriebe33 second gear
34 drittes Getriebe34 third gear
35 Schnittstelle 35 interface
36 erste Hydropumpe36 first hydraulic pump
37 zweite Hydropumpe37 second hydraulic pump
38 Hydromotor38 hydraulic motor
39 Hydraulikzylinder39 hydraulic cylinders
40 Positionsgeber 41 Hydroleitung40 Position sensor 41 Hydro line
42 Wegeventil 42 directional control valve
43 erstes Modul 43 first module
44 zweites Modul 44 second module

Claims

Patentansprüche Claims
1. Elektrohydraulisches System mit einer Verstellvorrichtung (1) für ein Ventil (2) mit einer Antriebseinrichtung (3), mit einer Stelleinrichtung (4) und mit einer Vorspanneinrichtung (5), wobei die in der Vorspanneinrichtung (5) gespeicherte Energie im Störfall auf die Stelleinrichtung (4) übertragbar ist, sodass eine rotative Bewegung der Stelleinrichtung (4) einsetzt, die zur Verstellung des Ventils (2) führt, wobei die Vorspanneinrichtung (5) mindestens ein elastisches Element umfasst, das benachbart zu einer Stellachse (10) der Stelleinrichtung (4) angeordnet sowie mit der Stellachse (10) ortsfest verbunden ist und ein Drehmoment auf die Stellachse (10) ausübt. 1. Electrohydraulic system with an adjusting device (1) for a valve (2) with a drive device (3), with an adjusting device (4) and with a pretensioning device (5), the energy stored in the pretensioning device (5) in the event of a fault the actuating device (4) can be transmitted so that a rotary movement of the actuating device (4) begins, which leads to the adjustment of the valve (2), the pretensioning device (5) comprising at least one elastic element which is adjacent to an actuating axis (10) of the Adjusting device (4) is arranged and fixedly connected to the adjusting axis (10) and exerts a torque on the adjusting axis (10).
2. Elektrohydraulisches System nach Patentanspruch 1, wobei das elastische Element mindestens ein Federsystem mit mindestens einer Vorspannfeder (16; 16i bis 16n) umfasst. 2. Electrohydraulic system according to claim 1, wherein the elastic element comprises at least one spring system with at least one biasing spring (16; 16i to 16 n ).
3. Elektrohydraulisches System nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei an der Stellachse (10) mindestens ein Hebelarm (9) angebracht ist, an dem einen Ende der mindestens einen Vorspannfeder (16; 16i bis 16n) angreift. 3. An electro-hydraulic system according to one of the preceding claims, wherein at least one lever arm (9) is attached to the adjusting axis (10) at one end of the at least one biasing spring (16; 16 i to 16 N) engages.
4. Elektrohydraulisches System nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Wirkrichtung der Vorspannfeder (16; 16i bis 16n) im Wesentlichen parallel zu einer Tangente zur Stellachse (10) verläuft. 4. Electro-hydraulic system according to one of the preceding claims, wherein the direction of action of the pretensioning spring (16; 16i to 16 n ) runs essentially parallel to a tangent to the adjusting axis (10).
5. Elektrohydraulisches System nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Vorspanneinrichtung (5) durch mindestens einen rotierbaren Elektromotor (29) vorgespannt ist. 5. Electro-hydraulic system according to one of the preceding claims, wherein the pretensioning device (5) is pretensioned by at least one rotatable electric motor (29).
6. Elektrohydraulisches System nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Vorspanneinrichtung (5) durch mindestens einen Hydrozylinder (39) mit mindestens einem linear beweglichen Druckkolben vorgespannt ist. 6. Electro-hydraulic system according to one of the preceding claims, wherein the pretensioning device (5) is pretensioned by at least one hydraulic cylinder (39) with at least one linearly movable pressure piston.
7. Elektrohydraulisches System nach Patentanspruch 6, wobei der Hydrozylinder (39) über mindestens einen Kanal (41) an mindestens ein Wegeventil (42) angeschlossen ist, bei dessen Öffnung der Druckkolben des Hydrozylinders (39) durch die Vorspanneinrichtung (5) verschiebbar ist. 7. Electrohydraulic system according to claim 6, wherein the hydraulic cylinder (39) is connected to at least one directional control valve (42) via at least one channel (41), at the opening of which the pressure piston of the hydraulic cylinder (39) can be displaced by the pretensioning device (5).
8. Elektrohydraulisches System nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Stellachse (10) der Stelleinrichtung (4) und die Antriebsachse (25) des Ventils (2) koaxial zueinander angeordnet sind. 8. Electrohydraulic system according to one of the preceding claims, wherein the adjusting axis (10) of the adjusting device (4) and the drive axis (25) of the valve (2) are arranged coaxially to one another.
9. Elektrohydraulisches System nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei eine Spanneinrichtung (26) für die Vorspanneinrichtung (5) vorhanden ist. 9. Electro-hydraulic system according to one of the preceding claims, wherein a tensioning device (26) for the pretensioning device (5) is present.
10. Elektrohydraulisches System nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei eine Auslöseeinrichtung (27) für die Vorspanneinrichtung (5) vorgesehen ist. 10. Electrohydraulic system according to one of the preceding claims, wherein a release device (27) is provided for the pretensioning device (5).
11. Elektrohydraulisches System nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei eine Rückstelleinrichtung (28) für die Vorspanneinrichtung (5) vorhanden ist. 11. Electro-hydraulic system according to one of the preceding claims, wherein a resetting device (28) for the pretensioning device (5) is present.
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