CN108291619A - 用于电动致动器的高速关闭装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于电动致动器的高速故障安全装置，其能够在紧急关闭的情况下被独立触发。一种电磁制动器被附接至丝杠致动器的滚柱螺母。当被致动时，制动器防止滚柱螺母的旋转，并因此在丝杠旋转时能够使滚柱螺母直线运动以直线地移动输出轴来致动阀门。在致动期间，复位弹簧被压缩以在***故障时使输出轴缩回。在这种故障期间，电动制动器断电，这允许滚柱螺母旋转并在复位弹簧的力下直线地移动以将输出轴缩回到其故障安全位置。软止动/超行程***被设置成限制在丝杠上的冲击载荷。

Description

用于电动致动器的高速关闭装置

技术领域

本发明总体上涉及阀门致动器，更具体地涉及具有故障安全关闭能力的电动阀门致动器。

背景技术

目前，蒸汽轮机和燃气轮机制造商使用多种液压致动器来控制涡轮机的许多控制阀和截止阀的位置。这些致动器通常直接连接至阀门，并且能够在小于250毫秒内完全关闭进入涡轮机的燃料/蒸汽的流动。与几乎所有的液压***一样，液压致动器的唯一最大缺陷是其对由于液压流体污染引起的故障的高度敏感性。

而且，液压致动***需要液压流体(通常是油)与涡轮机壳体非常接近。因为蒸汽轮机壳体在运行期间经常会被加热到超过1000°F的温度，任何液压流体泄漏都会对涡轮机操作员和装置造成直接的火灾危险。

针对这些问题，本申请的受让人已经开始向涡轮机制造商提供多种不同的电致动解决方案。历史上，由于慢转速以及与暴露于高温的电子器件相关的可靠性问题而未使用电动致动器。电气部件和散热设计考量的技术进步使得电子产品能够可靠地暴露于高温，但慢转速仍然是电动致动器的问题。

电动致动器由四个主要部件组成：电动马达；变速箱；丝杠；以及复位弹簧。过去的解决方案试图通过在变速箱和丝杠之间(或者在变速箱的中间级处)增添电磁离合器来实现高速脱扣功能。当离合器接合时，丝杠联接至变速箱并且能够致动。当断电时，丝杠与变速箱分离并当致动器复位弹簧将致动器移动到故障安全位置被允许自由地自转。使丝杠从变速箱分离还减少了附接至丝杠的惯性量，并允许装置快速地加速。

使用电磁离合器的问题在于其尺寸-扭矩能力和速度限制。如果在丝杠和变速箱之间使用离合器，则它必须具有非常高的扭矩能力。随着扭矩能力增加，离合器和用以致动其的螺线管的物理尺寸也会增加。随着螺线管增长，断电所需的时间也增加到通常无法接受的缓慢释放时间。

鉴于这个问题，替代的设计是将离合器定位或移动到变速箱的中间级，这将减小离合器所需的扭矩。然而，这增加了离合器必须自转的速度。无论离合器在传动系中的位置如何，它必须传输的功率(速度*扭矩)是保持不变的。这通常将会导致超过10,000RPM的转速，其大大超过了大多数商用离合器的速度极限。这也增加了附接到滚柱丝杠上的惯性，如此在行程期间将丝杠的加速度减慢到通常不可接受的缓慢释放时间。

所需要的是具有高速、故障安全功能的电动致动器，其能够在紧急关闭的情况下被独立触发。本发明提供了这种电动致动器。通过本文提供的本发明的描述，本发明的这些和其它优点以及另外的创造性特征将变得显而易见。

发明内容

在一方面中，本发明提供了一种能够提供高速、故障安全功能的电动致动器，其能够在紧急关闭的情况下被独立触发。

在一个实施例中，该设计使用附接至滚柱螺母的电磁制动器而不是如上所述的附接至丝杠的离合器。电磁制动器被设计成具有更高的扭矩能力和更快的释放时间，但大部分部件(卡钳)仍然保持静止状态。这导致制动器在操作期间不需要传递任何动力，而是仅提供静态转矩。

一旦致动器达到脱扣位置，制动器也可以重新接合。在一个实施例中，软止动/超行程***被设置成限制在丝杠上的冲击载荷。优选地，制动器被用以限制当滚柱螺母组件从软止动弹簧弹回时所得到的弹回量。

在一个实施例中，一种用于电动致动器的高速关闭装置包括电动马达、可驱动地联接至所述电动马达的丝杠以及螺纹地联接至所述丝杠的丝杠螺母。驱动体被可操作地联接至所述丝杠螺母并且构造成与所述丝杠螺母配合而直线地平移但不与所述丝杠螺母配合而旋转。所述驱动体经由止推轴承而可操作地联接至所述丝杠螺母。所述装置还包括制动器，其被可操作地联接在所述驱动体和所述丝杠螺母之间。在一个实施例中，所述制动器包括安装在所述驱动体上的卡钳和安装在所述丝杠螺母上的转子。在这种构造中，所述制动器根据是禁用还是启用来使所述丝杠螺母旋转和防止所述丝杠螺母旋转。为了致动该实施例所附接至的阀门，输出轴被可驱动地联接至所述驱动体。为了实现故障安全操作，复位弹簧与所述输出轴接触并且构造成将返回力施加在所述输出轴上以将所述输出轴定位在缩回状态。在故障安全位置要求输出轴的延伸的实施例中，所述复位弹簧与所述驱动体接触以将所述输出轴定位在延伸状态。

优选地，在由电动马达旋转丝杠期间，当制动器施加制动力时，防止了丝杠螺母旋转但允许丝杠螺母沿着丝杠直线地平移。当制动器未施加制动力时，允许丝杠螺母旋转。在这种状态下，当丝杠不被电动马达旋转时，在来自复位弹簧的返回力的操作下，允许丝杠螺母沿着丝杠直线地平移，以便根据特定实施例来使输出轴返回到缩回位置或延伸位置。一旦被缩回，通过来自复位弹簧的返回力的操作，当由电动马达旋转丝杠时，防止了丝杠螺母沿着丝杠直线地平移，以便当制动器未施加制动力时，将输出轴维持在故障安全位置。

在一个实施例中，所述装置进一步包括软止动弹簧，其在一个实施例中定位成接合所述驱动体或在另一个实施例中定位成接合输出轴，以减缓其超越所述输出轴返回到所述故障安全位置的超行程的直线平移。所述软止动弹簧经由软止动弹簧盘接合所述驱动体。然后，在已经达到超行程后，所述软止动弹簧直线地平移所述驱动体和/或所述输出轴以最多消除所述超行程。在优选的实施例中，所述制动器通电以限制当所述驱动体从所述软止动弹簧弹回时所得到的弹回量。

通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的其他方面、目标和优势将变得更为显而易见。

附图说明

包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的若干方面，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：

图1是根据本发明的教导构造的、示出为缩回(搁置状态/脱扣)状态的用于电动阀门致动器的高速关闭装置的实施例的横截面图；

图2是示出为延伸(致动)状态的图1的用于电动阀门致动器的高速关闭装置的实施例的横截面图；并且

图3是示出为脱扣(软停止压缩)状态的图1的用于电动阀门致动器的高速关闭装置的实施例的横截面图。

尽管将结合某些优选实施例描述本发明，但并不意图将其限制于那些实施例。相反，其目的是覆盖包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有替代、修改和等同物。

具体实施方式

现在转向附图，特别是图1，图示出了用于电动阀门致动器的高速关闭装置100的实施例的横截面，该电动阀门致动器在用于蒸汽和燃气涡轮发动机的很多控制阀和截止阀的位置方面尤其适用。然而，应该注意的是，尽管图1中图示出的本发明的实施例尤其适用于这种操作环境，但本发明的实施例并不严格局限于此。相反，下面的描述应该以举例而非限制的方式进行。实际上，高速关闭装置可以适用于需要快速、故障安全操作的多种操作环境。

如图1中所示，电动致动器包括电动马达102，该电动马达102用以直接地或通过传动系旋转地驱动丝杠104，该丝杠104通过止推轴承106保持就位。丝杠螺母108被螺纹地接收在丝杠104上，用于在丝杠104旋转时进行直线平移。这种直线平移可以沿着取决于丝杠104的旋转方向的任一方向，以便使输出轴110延伸或缩回，来控制该装置100所附接的阀门的操作。

为了在马达102的通电和丝杠104的旋转期间防止丝杠螺母108的旋转，使用电动制动器112。该电动制动器112包括附接到丝杠螺母108上的制动转子114和附接到直线平移驱动体118上的制动卡钳116。在其它实施例中，正如对于本领域技术人员而言根据本文所包含的描述将变得显而易见的那样，使用其他类型的制动器，例如鼓式制动器、带式制动器、卷簧式制动器/离合器等。该驱动体118包括容纳丝杠螺母108的止推轴承120。

当电动制动器112被致动时，制动卡钳116闭合在制动转子114上，以防止丝杠螺母108的旋转。当保持在该不可旋转状态时，马达102的致动和丝杠104的旋转导致丝杠螺母108、驱动体118和输出轴110的直线平移。当马达102使丝杠104沿相反方向旋转时，丝杠螺母108在相反方向上直线平移，以便使驱动体118沿相反方向移动，这允许输出轴110在复位弹簧122的力的作用下被缩回。因此，在正常的***操作条件下输出轴110的这种正常的延伸和缩回通过电动制动器112的通电来实现，该电动制动器112防止丝杠螺母108的旋转。

这种电磁制动器112被设计成具有比在先前的装置中使用的以及上面讨论的离合器更高的扭矩能力和更快的释放时间。于是，制动器112在操作期间不需要传递任何动力，而是仅仅提供防止丝杠螺母108的旋转的静止扭矩。如刚讨论的那样，这使得能够在由马达102旋转丝杠104的情况下进行直线平移。

如上所述，制动器112的致动和马达102的通电将引起丝杠螺母108、驱动体118和输出轴110在丝杠104的旋转下直线平移。这种情况在图2中被图示出，现在参考图2。如可以通过与图1比较所能看到的，清楚的是，这种直线平移压缩复位弹簧122。在最大程度地进行这种致动时，输出轴110被移动如行程长度126所图示出的距离。根据该装置所附接到的阀门的类型，输出轴110的这种延伸可以打开或关闭阀门。典型地，该延伸位置被用以将阀门定位在受控状态，其与当输出轴110处于如图1所示的缩回位置时将存在的故障安全状态相反。然而，在其他实施例中，延伸位置可以是故障安全状态，在这种情况下，复位弹簧122和软止动弹簧124被颠倒，使得输出轴110的缩回压缩复位弹簧122。如上所述，在正常操作条件下，通过***控制可以提供延伸状态与缩回状态之间的运动。这在所图示出的实施例中通过简单地采用下述方法来实现：反转马达102的通电来反转丝杠104的旋转以当制动器112通电时通过丝杠螺母108的直线平移来使输出轴110延伸或缩回。

然而，认识到可能发生***故障，本发明的高速关闭装置100提供了一种机构，由此输出轴110在复位弹簧的力的作用下缩回到图1中所示的故障安全位置。该故障安全操作在***故障等期间通过使电动制动器112断电或通过电动制动器112的电力损失来实现。一旦制动卡钳116释放制动转子114，则由复位弹簧122施加在输出轴110和驱动体118上的直线力在当丝杠螺母108和制动转子114沿丝杠104被强制退回时导致丝杠螺母108和制动转子114旋转。换句话说，一旦电动致动器112被释放，丝杠螺母108沿着非旋转丝杠104自由旋转，以沿着其长度朝向图1中所示的缩回位置的方向移动。这种释放非常迅速地发生，并且由丝杠螺母提供的低转动惯性允许输出轴110的非常快速的缩回。

为了减少否则可能在高速故障安全回缩操作结束时发生的对丝杠104的冲击载荷，软止动弹簧124被设置成如图3中所示允许丝杠螺母108和驱动体118的一些超行程，现在参考图3。

如该图3中所示的，输出轴110在复位弹簧122的减压力的作用下已经完全缩回。尽管在故障安全状态期间的这种高速缩回在输出轴110相对于致动器的主体的完全缩回时可能突然停止，但是这种对丝杠104上的螺纹的强烈撞击可能导致对其的损害，这可能影响致动器的未来操作。

为了防止对丝杠104的这种冲击，本发明的装置100允许丝杠螺母108和驱动体118的超行程128。该超行程是由于由输出轴110的高速缩回导致的丝杠螺母108的转动惯性的结果。为了限制该过行程128并提供受控的动能耗散，设置了软止动弹簧124。在输出轴110完全缩回之后，该软止动弹簧124在超行程128期间通过驱动体118的直线运动而被朝向缩回位置压缩。由软止动弹簧124提供的这种压缩力减慢了驱动体118的直线行进，并因此减慢了丝杠螺母108在固定丝杠104上的旋转。这限制了施加到丝杠104的冲击能量，而这冲击能量是这些元件的直线和旋转运动突然停止可能会导致的。

一旦软止动弹簧124已经被压缩，其弹簧力将沿相反方向驱动驱动体118以使其返回到图1中所示的缩回的搁置状态/脱扣状态。这种返回的动态性能可以基于所使用的软止动弹簧124来调整。事实上，在不影响致动器本身的操作控制的***故障的情况下，电动制动器112可以用于控制超行程的这种返回并且限制或消除否则会在由软止动弹簧124施加的直线力下发生的弹回。换言之，如果进入故障安全操作不是由制动器112的电力损失导致的结果，则一旦故障安全状态已经导致了输出轴110的缩回，则可以利用这种操作控制，从而通过致动制动卡钳116再次接合制动转子14以使驱动体118和丝杠螺母108向图1中所示的它们的正常脱扣位置的返回最小化。

尽管本发明的装置100能够针对故障安全操作实现高速关闭，它也可以用作备用安全控制(redundant safety control)，以在导致丝杠104旋转的错误马达控制或马达102的通电下防止输出轴110的展开(deployment)。也就是说，制动器112可以断电而使得制动转子114随着制动卡钳116自由旋转。该旋转余量还允许丝杠螺母108在丝杠104旋转时与丝杠104一起旋转，而使得丝杠螺母108不被沿着丝杠104直线地驱动。换句话说，如果输出轴110不被展开，则***控制可以提供备用控制以确保其不会由于使制动器112断电而被展开。

如果马达102被错误地通电，则其将旋转丝杠104。丝杠104的这种旋转将倾向于沿着其直线地驱动丝杠螺母108。然而，由复位弹簧122提供的力以及壳体与驱动体118和输出轴110之间的正常摩擦力将阻止丝杠螺母108沿着丝杠104的驱动。这最终导致丝杠螺母108以与丝杠104相同的速度旋转。当允许丝杠螺母108以与丝杠104相同的速度旋转时，它不是被直线驱动，并因此不会错误地展开输出轴110而致动它所连接的阀门。这种备用控制确保正确的操作，并且可能在某些***构造和使用中是需要的。

在描述本发明的上下文(特别是在下面的权利要求书的上下文中)中使用术语“一”、“一个”和“该”以及类似的指代物将被解释为涵盖单数和复数，除非另有说明或与上下文明显矛盾。除非另有说明，否则术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”应理解为开放式术语(即，意指“包括但不限于”)。本文中数值范围的叙述仅仅意在作为单独指代落入该范围内的每个单独数值的简写方法，除非本文另外指出，并且每个单独数值被合并到说明书中，就好像它在此单独列举一样。本文描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行，除非本文另有指示或者与上下文明显矛盾。除非另外声明，否则本文提供的任何和所有示例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在更好地阐明本发明，并且不限制本发明的范围。说明书中的任何语言都不应被解释为将任何未要求保护的元素指示为实施本发明所必需的。

这里描述了本发明的优选实施例，包括用于实施本发明的发明人已知的最佳模式。在阅读前面的描述之后，那些优选实施例的变化对于本领域的普通技术人员来说可以变得显而易见。因此，本发明包括适用法律所允许的所附权利要求书中记载的主题的所有修改和等同物。此外，除非本文另有说明或者与上下文明显矛盾，否则本发明涵盖上述要素在其所有可能变型中的任何组合。

Claims (20)

1.一种用于电动致动器的高速关闭装置，包括：

电动马达；

丝杠，其被可驱动地联接至所述电动马达；

丝杠螺母，其被螺纹地联接至所述丝杠；

驱动体，其被可操作地联接至所述丝杠螺母并且构造成与所述丝杠螺母配合而直线地平移但不与所述丝杠螺母配合而旋转；

制动器，其被可操作地联接在所述驱动体和所述丝杠螺母之间，而使得所述制动器使所述丝杠螺母旋转和防止所述丝杠螺母旋转；

输出轴，其被可驱动地联接至所述驱动体；以及

复位弹簧，其与所述输出轴或所述驱动体之一接触，并且构造成在所述输出轴或驱动体之一上施加返回力，来将所述输出轴定位在故障安全状态。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，在所述丝杠由所述电动马达旋转期间当所述制动器施加制动力时，防止了所述丝杠螺母旋转但允许所述丝杠螺母沿着所述丝杠直线地平移。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，当所述制动器未施加制动力时，允许所述丝杠螺母旋转。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，当所述丝杠不被所述电动马达旋转时，在来自所述复位弹簧的所述返回力的作用下，允许所述丝杠螺母沿着所述丝杠直线地平移，以便使所述输出轴返回到所述故障安全位置。

5.根据权利要求4所述的装置，进一步包括软止动弹簧，其定位成接合所述驱动体或输出轴之一，以减缓其超越所述输出轴返回到所述故障安全位置的直线平移超行程。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，在已经达到超行程后，所述软止动弹簧直线地平移所述驱动体或所述输出轴至少其中之一，以最多消除所述超行程。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述制动器通电以限制当所述驱动体从所述软止动弹簧弹回时所得到的弹回量。

8.根据权利要求4所述的装置，其中，所述软止动弹簧经由软止动弹簧盘接合所述驱动体。

9.根据权利要求3所述的装置，其中，通过来自所述复位弹簧的所述返回力的作用，防止了所述丝杠螺母在当所述丝杠由所述电动马达旋转时沿着所述丝杠直线地平移，以便将所述输出轴维持在故障安全位置。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述驱动体经由止推轴承被可操作地联接至所述丝杠螺母。

11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述制动器包括安装在所述驱动体上的卡钳和安装在所述丝杠螺母上的转子，使得所述制动器使所述丝杠螺母旋转和防止所述丝杠螺母旋转。

12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述制动器是盘式制动器、鼓式制动器、带式制动器或卷簧制动器/离合器中的一种。

13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述复位弹簧与所述输出轴接触并且构造成将所述返回力施加在所述输出轴上以将所述输出轴定位在缩回状态。

14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述复位弹簧与所述驱动体接触并且构造成将所述返回力施加在所述输出轴上以将所述输出轴定位在延伸状态。

15.根据权利要求1所述的装置，其中，所述制动器施加静态扭矩以防止所述丝杠螺母旋转。

16.根据权利要求1所述的装置，其中，所述制动器的致动和所述马达的通电导致所述丝杠螺母、所述驱动体和所述输出轴在所述丝杠的旋转下直线平移，并且所述制动器的致动和所述马达的通电压缩所述复位弹簧。

17.根据权利要求1所述的装置，其中，反转所述马达的通电来反转所述丝杠的旋转。

18.根据权利要求11所述的装置，其中，当所述电动制动器断电时，所述制动卡钳释放制动转子，以允许所述丝杠螺母沿着不旋转的所述丝杠旋转。

19.根据权利要求5所述的装置，其中，所述软弹簧在所述直线平移超行程期间被压缩。

20.根据权利要求11所述的装置，其中，所述制动器能够被断电而使得制动转子随着所述制动卡钳自由旋转，以便所述丝杠螺母不被沿着所述丝杠直线地驱动并且所述输出轴未被展开。