DE102020120064A1

DE102020120064A1 - Verwendung eines Kugelgewindetriebs und Stellantriebsanordnung

Info

Publication number: DE102020120064A1
Application number: DE102020120064.1A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Hofmann; Holger Graf
Original assignee: Auma Riester GmbH and Co KG
Current assignee: Auma Riester GmbH and Co KG
Priority date: 2020-07-29
Filing date: 2020-07-29
Publication date: 2022-02-03

Abstract

Die Erfindung befasst sich mit Verbesserungen auf dem technischen Gebiet der Stellantriebe (2). Hierzu wird unter anderem die Verwendung eines Kugelgewindetriebs (3) zum Betätigen einer selbstschließenden, linear betätigen Armatur (4) vorgeschlagen. Während das Öffnen der Armatur (4) über den Kugelgewindetrieb (3) elektromotorisch mittels eines Stellantriebs (2) erfolgt, wird beim Schließen der selbsttätig schließenden Armatur (4) eine Rückstellbewegung auf die Spindel (6) übertagen. Über den Kugelgewindetrieb (3) kann die Rückstellbewegung und damit auch eine Schließbewegung der Armatur (4) zumindest mittelbar abgebremst werden, was die Armatur (4) und letztendlich auch den Kugelgewindetrieb (3) und gegebenenfalls weitere mit der Armatur (4) und/oder dem Kugelgewindetrieb (3) verbundene Komponenten vor Beschädigungen schützen und darüber hinaus auch eine Fail-Safe-Funktion begünstigen kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verwendung eines Kugelgewindetriebs zum Betätigen einer selbstschließenden, linear betätigten Armatur sowie eine Stellantriebsanordnung, die einen Stellantrieb, einen mit dem Stellantrieb angetriebene Kugelgewindetrieb und eine linear betätigte Armatur umfasst.
Derartige Armaturen werden beispielsweise bei Öl- und Gasförderanlagen eingesetzt. Hier ist es bekannt, Armaturen einzusetzen, die einerseits selbstschließend durch Druckbelastung ausgebildet sind und andererseits mit einer sogenannten Fail-Safe-Funktion ausgestattet sind, die auch im drucklosen Zustand ein Schließen der Armatur, beispielsweise im Havariefall, erlaubt.
Bisher war es üblich, die Betätigung der Armaturen hydraulisch oder pneumatisch vorzunehmen. Die dabei verwendeten hydraulischen Komponenten sind jedoch vergleichsweise teuer und zudem auch wartungsintensiv.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, Alternativen zur hydraulischen Betätigung derartiger Armaturen zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird zunächst die Verwendung eines Kugelgewindetriebs zum Betätigen einer selbstschließenden, linear betätigten Armatur vorgeschlagen, welche die Merkmale des unabhängigen, auf eine derartige Verwendung gerichteten Anspruchs aufweist. Insbesondere wird zur Lösung der Aufgabe somit die Verwendung eines Kugelgewindetriebs zum Betätigen einer selbstschließenden, linear betätigten Armatur vorgeschlagen, wobei eine Mutter des Kugelgewindetriebs zum Öffnen der Armatur elektromotorisch angetrieben wird, um dadurch eine Spindel des Kugelgewindetriebs translatorisch in Öffnungsrichtung der Armatur zu bewegen und die Armatur zu öffnen. Zum Schließen der Armatur wird eine lineare Rückstellbewegung, beispielsweise eine Entspannungsbewegung, auf die Spindel übertragen. Durch die Übertragung der linearen Rückstellbewegung auf die Spindel kann sich ergeben, dass die Mutter des Kugelgewindetriebs von der Spindel angetrieben wird.
Bei der Verwendung des Kugelgewindetriebs ist somit vorgesehen, dass zum Öffnen der Armatur ein elektromotorischer Antrieb, beispielsweise ein Antriebsmotor eines Stellantriebs, der mit dem Kugelgewindetrieb verbunden ist, benutzt wird. Die Armatur ist, wie bereits zuvor erwähnt, selbstschließend. Dies kann beispielsweise durch einen auf die Armatur wirkenden Betriebsdruck eines Fördermediums, beispielsweise von zu förderndem Öl oder Gas, oder auch durch eine Rückstellbewegung und Rückstellkraft einer weiter unten noch näher erläuterten Rückstelleinheit erfolgen. Im Havariefall, also beispielsweise bei Stromausfall, wenn ein elektromotorischer Antrieb der Mutter des Kugelgewindetriebs zum notwendigen Schließen der Armatur nicht mehr verwendet werden kann, ist es vorgesehen, die auf die Spindel des Kugelgewindetriebs übertragebare Rückstellbewegung zu nutzen, um die Armatur zu schließen. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft sein, wenn der Kugelgewindetrieb nicht selbsthemmend ist. Auf diese Weise kann eine translatorische Rückstellbewegung der Spindel entgegen der Öffnungsrichtung der Armatur in eine Rotation der Mutter des Kugelgewindetriebs und auch in eine Rotation eines angeschlossenen Antriebsmotors umgesetzt werden. Dies kann bewirken, dass die Rückstellbewegung zum Schließen der Armatur abgebremst wird. Es kann vor allem dann abgebremst werden, wenn eine Schließbewegung der Armatur mit zu hoher Geschwindigkeit aufgrund vergleichsweise großer Rückstellkraft erfolgt. Auf diese Weise können der Kugelgewindetrieb, die Armatur und auch ein möglicherweise an den Kugelgewindetrieb angeschlossener Stellantrieb mit seinen Komponenten vor Beschädigungen geschützt werden.
Die zuvor erwähnte Rückstellbewegung kann beispielsweise eine Entspannungsbewegung sein, die durch ein durch die Armatur geschaltetes Druckmedium vermittelt wird. In der Regel steht das durch die Armatur geschaltete Medium, beispielsweise Öl oder auch Gas, unter Druck. Der Druck des Mediums kann dazu verwendet werden, die Armatur in ihre Schließstellung zurück zu bewegen. Die dabei von der Armatur oder einem Schließelement der Armatur durchgeführte Rückstellbewegung kann, wie bereits erwähnt, auf die Spindel übertragen werden.
Bei einer anderen Ausführungsforum der Verwendung ist vorgesehen, dass die Rückstellbewegung eine Entspannungsbewegung einer Rückstelleinheit ist. Dabei kann die Rückstelleinheit zumindest ein Rückstellelement, beispielsweise eine Feder, umfassen. Beim Öffnen der Armatur, das über den elektromotorischen Antrieb der Mutter und die translatorische Bewegung der Spindel in Öffnungsrichtung erfolgen kann, können die Rückstelleinheit und ihr zumindest ein Rückstellelement gespannt werden. Im Havariefall, also wenn ein elektromotorischer Antrieb nicht mehr möglich oder nicht mehr gewünscht ist, kann alleine die in der Rückstelleinheit durch die Vorspannung des Rückstellelements gespeicherte Antriebsenergie genutzt werden, um die Rückstellbewegung, insbesondere die Entspannungsbewegung auszuführen und zum Schließen der Armatur auf die Spindel zu übertragen. Durch die Rückstellbewegung weicht die Spindel, welche die Armatur in ihrer Offenstellung halten kann, in eine der Schließstellung zugeordnete Ausgangsposition zurück, sodass die Armatur bedingt durch einen Druck des Druckmediums und/oder bedingt durch die Rückstellkraft der Rückstelleinheit, selbsttätig geschlossen werden kann, ohne einen elektromotorischen Antrieb zu nutzen.
Um die beim Öffnen und Schließen der Armatur verwendeten Komponenten, also beispielsweise den Kugelgewindetrieb, einen an den Kugelgewindetrieb angeschlossenen Stellantrieb mit seinen Komponenten und letztendlich auch die Armatur mit Ihren Komponenten vor Beschädigungen schützen zu können, kann es zweckmäßig sein, eine durch die Rückstellbewegung in die Spindel eingeleitete Rückstellkraft in Kraftrichtung hinter dem Kugelgewindetrieb und/oder durch den Kugelgewindetrieb zumindest teilweise zu dissipieren. Auf diese Weise kann die Rückstellungbewegung der Armatur in ihre Schließstellung abgebremst werden.
Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn die Dissipation der zuvor erwähnten Rückstellkraft durch eine Bremse erfolgt. Dies kann beispielsweise eine Bremse eines mit dem Kugelgewindetriebs verbundenen Stellantriebs sein.
Zur Schonung der beteiligten Komponenten kann es ferner vorteilhaft sein, wenn die Spindel am Ende der Rückstellbewegung weiterlaufen und sich von einer Verbindung zur Armatur axial lösen kann. Auf diese Weise ist es möglich, einen Bewegungsimpuls der Spindel und ggf. auch der mit ihr verbundenen Komponenten abzubauen. So lässt sich vermeiden, dass die Spindel ungebremst gegen einen Anschlag fährt und dabei Beschädigungen an den mit ihr verbundenen Komponenten verursacht.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch eine Stellantriebsanordnung der eingangsgenannten Art vorgeschlagen, welche die Mittel und Merkmale des unabhängigen, auf eine derartige Stellantriebsanordnung gerichteten Anspruchs aufweist. Zur Lösung der Aufgabe wird somit eine Stellantriebsanordnung mit einem Stellantrieb, einen mit dem Stellantrieb angetriebenen Kugelgewindetrieb und einer linear betätigten Armatur vorgeschlagen, wobei der Kugelgewindetrieb eine Mutter und zumindest mittelbar mit der Armatur verbindbare oder verbundene Spindel umfasst, wobei die Armatur mittels einer in Öffnungsrichtung der Armatur gerichteten Öffnungsbewegung der über den Stellantrieb und die Mutter angetriebenen Spindel öffenbar und mittels einer in Schließrichtung der Armatur auf die Spindel wirkenden, von einer Rückstelleinheit verursachten Rückstellbewegung, schließbar ist.
Der Kugelgewindetrieb kann dabei Teil eines modular nachrüstbaren und/oder entfernbaren linearen Antriebssystems sein, das an einen bestehenden Stellantrieb angeschlossen werden kann. Der Stellantrieb kann Teil einer mit der Armatur in Gebrauchsstellung verbundenen Fail-Safe-Einheit sein, die ein selbsttätiges Schließen der Armatur im Havariefall begünstig.
Während die Öffnungsbewegung der Armatur bei der Stellantriebsanordnung durch einen Antriebsmotor des Stellantriebs elektromotorisch erfolgt, wird zum Schließen der Armatur eine von der Rückstelleinheit erzeugte Rückstellbewegung auf die Spindel des Kugelgewindetriebs und über die Mutter des Kugelgewindetriebs gegebenenfalls auch auf einen angeschlossenen Antriebsmotor des Stellantriebs rückübertragen. Dabei weicht dann die zum Öffnen der Armatur translatorisch in Öffnungsrichtung bewegte Spindel in entgegengesetzter Richtung zurück und schafft Raum, damit die Armatur, insbesondere ein Schließelement der Armatur, entgegen der Öffnungsrichtung in Schließstellung gebracht werden kann. Das Schließen der Armatur kann, wie bereits zuvor erläutert wurde, beispielsweise durch einen Druck des mit der Armatur geschalteten Mediums, also beispielsweise durch den Druck des Mediums, das mit der Armatur geschaltet wird, geschlossen werden. Es ist aber auch möglich, die Rückstelleinheit, deren Rückstellbewegung auf die Spindel übertragen wird, zum Schließen der Armatur zu verwenden.
Zu diesem Zweck kann die Rückstelleinheit zumindest ein Rückstellelement, beispielsweise eine Rückstellfeder aufweisen. Die Rückstellbewegung kann eine Rückstellbewegung und/oder eine Entspannungsbewegung des zumindest einen Rückstellelements sein. Beim Öffnen der Armatur, was, wie bereits ausführlich erwähnt wurde, elektromotorisch durch den an den Kugelgewindetrieb angeschlossenen Antriebsmotor des Stellantriebs erfolgen kann, lässt sich das zumindest eine Rückstellelement der Rückstelleinheit spannen. Zum Schließen der Armatur wird das zumindest eine Rückstellelement der Rückstelleinheit entspannt, sodass dieses dann eine Entspannungsbewegung ausführt, die zum Zurückstellen der Spindel verwendet werden kann. Bei einer Ausführungsform der Stellantriebsanordnung ist vorgesehen, dass die Rückstelleinheit und der Stellantrieb in eine Fail-Safe-Einheit integriert sind. Auf diese Weise bilden der Stellantrieb und die Rückstelleinheit als Fail-Safe-Einheit eine kompakte, ggf. sogar in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnete Funktionseinheit der Stellantriebsanordnung.
Die Stellantriebsanordnung, insbesondere der Stellantrieb, kann dabei Endanschläge und/oder Endlagenschalter für die Armatur aufweisen. Die Endanschläge und/oder Enlagenschalter können Endlangen der Armatur definieren.
Die Stellantriebsanordnung, insbesondere der Stellantrieb, kann einen Drehgeber zur Erfassung von Endlagen der Armatur aufweisen. Dabei kann der Drehgeber zum Abgreifen einer Drehbewegung der Mutter und/oder zur Umwandlung der Drehbewegung in eine auf Endanschläge und/oder auf Enlagenschalter wirkende Linearbewegung eingerichtet sein. Grundsätzlich ist es auch denkbar, die Drehbewegung an anderen Komponenten der Stellantriebsanordnung zu erfassen - beispielsweise im oder am Stellantrieb.
Über den Drehgeber ist es möglich, Endlagen der Armatur zumindest mittelbar zu erfassen. Bei der Inbetriebnahme der Armatur kann diese zwischen ihrer Offenstellung und Schließstellung zu bewegen, um die entsprechenden Stellungen des Drehgebers für die zukünftige Überwachung der Stellung der Armatur zu registrieren. Auf diese Weise ist es möglich, über den Drehgeber eine Rückmeldung an eine Leitzentrale zu geben, um die Stellung der Armatur zentral zu überwachen.
Je nach Anwendungsfall können die über die Rückstelleinheit und/oder die Armatur auf die Spindel übertragenen Rückstellkräfte vergleichsweise hoch sein. Daher kann es vorteilhaft sein, wenn die Mutter des Kugelgewindetriebs, an der sich die Spindel abstützt, mittels zumindest eines Axiallagers gelagert ist, das zur Aufnahme von durch die Rückstellbewegung auf die Spindel übertragenen Axialkräften eingerichtet ist.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Stellantriebsanordnung ist vorgesehen, dass die Spindel eine Gewindesteigung von 16mm aufweist. Eine Gewindesteigung von 16mm hat sich als vorteilhafter Kompromiss zwischen einer mit der Steigung verbundenen Reibung zwischen Spindel und Mutter und einer zum Öffnen der Armatur elektromotorisch aufzubringenden Antriebkraft eines Antriebsmotors des Stellantriebs herausgestellt.
Weist die Spindel eine kleinere Gewindesteigung als 16mm auf, können Reibungskräfte zwischen Spindel und Mutter möglicherweise so hoch sein, dass ein selbsttätiges Schließen der Armatur, insbesondere im Havariefall, beeinträchtigt wird. Bei einer Gewindesteigung, die größer als 16mm ist, beispielsweise 20mm, kann eine vergleichsweise hohe Motorkraft erforderlich sein, um die Spindel gegen die Wirkung der Rückstelleinheit und/oder gegen einen möglicherweise an der Armatur anliegenden Druck zu verstellen und die Armatur zu öffnen.
Um eine auf die Spindel übertragene Rückstellkraft dissipieren zu können, kann es vorteilhaft sein, wenn die Stellantriebsanordnung, insbesondere der Stellantrieb eine Bremseinheit mit zumindest einer Bremse aufweist. Die Bremseinheit kann beispielsweise eine Fliehkraftbremse und/oder eine Arbeitsstrombremse umfassen. Die Verwendung einer Fliehkraftbremse ist vorteilhaft, wenn die Rückstellbewegung, die auf die Spindel übertragen wird, vergleichsweise schnell ist. Je höher die Geschwindigkeit ist, mit der die Spindel zurückbewegt wird, umso höher kann eine auf die Fliehkraftbremse wirkende Rotationsgeschwindigkeit einer Antriebswelle des Antriebsmotors des Stellantriebs sein, sodass dann eine entsprechend hohe Bremskraft von der Fliehkraftbremse aufgebracht wird. Auf diese Weise ergibt sich ein selbstregulierendes Bremsverhalten, das über einen großen Geschwindigkeitsbereich bereitstehen kann.
Bei einer Ausführungsform der Stellantriebsanordnung ist zwischen einem Antriebsmotor des Stellantriebs und dem Kugelgewindetrieb eine Getriebe, beispielsweise ein Planetengetriebe und/oder ein Schneckengetriebe angeordnet. Das Getriebe ist vorzugsweise nicht selbsthemmend, um die zuvor erwähnte Rückstellbewegung, die auf die Spindel übertragen wird, nicht zu verhindern.
Zwischen dem Kugelgewindetrieb, insbesondere der Spindel, und der Rückstelleinheit kann eine lösbare Schnittstelle ausgebildet sein, die beim Schließen und/oder Öffnen der Armatur öffenbar ist. Das Lösen der Schnittstelle kann beispielsweise durch in Schließrichtung und/oder in Öffnungsrichtung wirkende Zugkräfte erfolgen. Ferner kann die Schnittstelle zur Übertragung von Druckkräften in Schließrichtung und in Öffnungsrichtung eingerichtet sein. Auf diese Weise ist es möglich, beim Öffnen der Armatur über die Spindel zumindest mittelbar Druckkräfte auf die Armatur aufzubringen, um diese in Öffnungsstellung zu bewegen und/oder dort zu halten. Bei der Rückstellbewegung kann über die zuvor erwähnte Schnittstelle erneut eine Druckkraft übertragen werden, die dann allerdings in Schließrichtung ausgerichtet ist und dazu führt, dass die Spindel ohne elektromotorischen Antrieb zurückbewegt werden kann. Das Lösen der Schnittstelle ermöglich ein Nachlaufen der Spindel und kann die Spindel, die Mutter, den Stellantrieb sowie die Armatur und ihre jeweiligen Komponenten von Beschädigungen schützen.
Bei einer Ausführungsform der Stellantriebsanordnung ist vorgesehen, dass die Stellantriebsanordnung, insbesondere die zuvor erwähnte Schnittstelle, zur Drehfixierung der Spindel eingerichtet ist. Auf diese Weise wird verhindert, dass sich die Spindel im Zusammenspiel mit der Mutter unter Einwirkung der Rückstellbewegung der Rückstelleinheit dreht. Die Schnittstelle kann ein Führungselement, beispielsweise eine Passfeder oder eine Zahnwellenverbindung, aufweisen, das einen Abtrieb der Rückstelleinheit mit der Spindel koppelt.
Dabei kann das Führungselement ein Axialspiel aufweisen, das so bemessen ist, dass eine Drehfixierung der Spindel beim Öffnen und Schließen der Armatur erhalten bleibt. Die Drehfixierung beim Öffnen und Schließen der Armatur kann selbst dann erhalten bleiben, wenn die Schnittstelle, wie zuvor erwähnt, beim Öffnen und/oder Schließen der Armatur gelöst wird.
Bei einer Ausführungsform der Stellantriebsanordnung ist zur Drehfixierung der Spindel eine in einem Gehäuseteil der Stellantriebsanordnung drehfixierte Buchse vorgesehen. Die Buchse kann eine Relativdrehung zwischen der Spindel und der Buchse und/oder zwischen der Spindel und dem Gehäuseteil verhindern. Die Buchse kann axial verschieblich in dem Gehäuseteil gelagert und/oder axial an der Spindel fixiert ist. So kann mithilfe der Buchse eine zuverlässige Drehfixierung der Spindel zumindest über einen relevanten Teil des axialen Verstellbereichs der Spindel, vorzugsweise über den gesamten axialen Verstellbereich der Spindel, bereitgestellt werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Buchse axial verschieblich auf der Spindel angeordnet ist. Hierbei kann die Buchse beispielsweise axial verschieblich oder axial fixiert in dem Gehäuseteil angeordnet sein.
Ein Axialhub der Armatur zwischen ihrer Offenstellung und ihrer Schließstellung und/oder ein Axialhub der Spindel können so bemessen sein, dass Kugeln des Kugelgewindetriebs in dem Kugelgewindetrieb keinen vollen Umlauf vollführen können. Somit kann bei kurzer Hubhöhe eine große Anzahl von gleichzeitig belastbaren Kugeln im Kugelgewindetrieb bereitgehalten werden. Dies ist besonders günstig bei der erfindungsgemäß vorgesehen Belastung der Spindel des Kugelgewindetriebs im Rückwärtsantrieb durch die Armatur und/oder die Rückstelleinheit.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, ist aber nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich durch Kombination der Merkmale einzelner oder mehrerer Schutzansprüche untereinander und/oder in Kombination einzelner oder mehrerer Merkmale des Ausführungsbeispiels. Es zeigen in teilweise stark schematisierter Darstellung:

1: ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer ersten Ausführungsform einer Stellantriebsanordnung mit einem Stellantrieb, einem Linearantriebssystem mit einem Kugelgewindetrieb, mit einer Rückstelleinheit und mit einer Armatur, wobei die Rückstelleinheit und der Stellantrieb in einer Fail-Safe-Einheit integriert ist,
2: ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer weiteren Ausführungsform einer Stellantriebsanordnung mit einem Stellantrieb, einem Linearantriebssystem mit einem Kugelgewindetrieb, mit einer Rückstelleinheit und mit einer Armatur, wobei die Rückstelleinheit als separates Modul zwischen dem Stellantrieb und der Armatur ausgebildet ist,
3: eine Schnittdarstellung eines Kugelgewindetriebs einer erfindungsgemäßen Stellantriebsanordnung, sowie
4: eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines Kugelgewindetriebs einer erfindungsgemäßen Stellantriebsanordnung, wobei hier eine Spindel des Kugelgewindetriebs mittels einer Innenverzahnung einer Buchse, durch die die Spindel verläuft, drehgesichert ist.

Bei der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung erhalten in ihrer Funktion übereinstimmende Elemente auch bei abweichender Gestaltung oder Formgebung übereinstimmende Bezugszahlen.
Die Figuren zeigen zumindest Teile von im Ganzen jeweils mit 1 bezeichneten Stellantriebsanordnungen.
Jede der gezeigten Stellantriebsordnungen 1 umfasst einen Stellantrieb 2, einen mit dem Stellantrieb 2 angetriebenen Kugelgewindetrieb 3 und eine linear betätigte Armatur 4.
Der Kugelgewindetrieb 3 umfasst eine Mutter 5 und eine zumindest mittelbar mit der Armatur 4 verbundene Spindel 6.
Die Armatur 4 ist mittels einer in Öffnungsrichtung der Armatur 4 gerichteten Öffnungsbewegung der über den Stellantrieb 2 und die Mutter 5 angetriebenen Spindel 6 öffenbar. Mittels einer in Schließrichtung der Armatur 4 auf die Spindel 6 wirkendenden, von einer Rückstelleinheit 7 verursachten Rückstellbewegung kann die Armatur 4 wieder geschlossen werden. Die Rückstelleinheit 7 umfasst zumindest ein Rückstellelement 8, beispielsweise eine Rückstellfeder. Die Rückstellbewegung, die beim Schließen der Armatur 4 auf die Spindel 6 einwirkt, ist hierbei eine Rückstellbewegung und/oder eine Entspannungsbewegung des Rückstellelements 8 der Rückstelleinheit 7.
Der Kugelgewindetrieb 3 ist mit einem Antriebsmotor 9 des Stellantriebs 2 antreibbar. Bei der in 1 gezeigten Stellantriebsordnung 1 sind die Rückstelleinheit 7 und der Stellantrieb 2 in eine Fail-Safe-Einheit 10 integriert. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Stellantriebsanordnung 1 wird eine separate Rückstelleinheit 7 verwendet.
Die Stellantriebsanordnung 1, hier der jeweilige Stellantrieb 2, umfasst Endlagenschalter für die Armatur 4. Die Endlagenschalter können Endlagen der Armatur 4 definieren.
Die Stellantriebe 2 der in den Figuren gezeigten Stellantriebsanordnungen 1 weisen jeweils einen Drehgeber 11 auf. Die Drehgeber 11 sind zur Erfassung von Endlagen der jeweiligen Armatur 4 eingerichtet. Dabei ist es möglich, mit Hilfe der Drehgeber 11 eine Drehbewegung der jeweiligen Mutter 5 abzugreifen und in eine auf Endanschläge wirkende Linearbewegung umzurechnen.
3 verdeutlicht, dass die Mutter 5 des dort gezeigten Kugelgewindetriebs 3 auch mittels eines Axiallagers 12 gelagert ist. Das Axiallager 12 ist so angeordnet, dass es zur Aufnahme von durch die Rückstellbewegung auf die Spindel 6 übertragenen Axialkräften eingerichtet ist. Auf diese Weise ist es möglich, vergleichsweise hohe Rückstellkräfte von der Spindel 6 auf die Mutter 5 zu übertragen.
Die in den 3 und 4 dargestellten Spindeln 6 weisen eine Gewindesteigung von 16mm auf.
Gemäß den beiden Blockschaltbildern der 1 und 2 umfasst jeder der gezeigten Stellantriebe 2 eine Bremseinheit 13. Die Bremseinheiten 13 umfassen jeweils eine Arbeitsstrombremse 14 und eine Fliehkraftbremse 15.
Zwischen dem Antriebsmotor 9 des Stellantriebs 2 und dem Kugelgewindetrieb 3 sind zwei Getriebe, nämlich ein Schneckengetriebe 16 und ein Planetengetriebe 17 vorgesehen. Sowohl das Schneckengetriebe 16 als auch das Planetengetriebe 17 sind jeweils nicht selbsthemmend ausgebildet. Mit Hilfe des Schneckengetriebes 16 kann die Rotation einer Abtriebswelle des Antriebsmotors 9 des Stellantrieb 2 um 90° umgelenkt werden. Mit Hilfe des Planetengetriebes 17 ist eine Untersetzung der über das Schneckengetriebe 16 in das Planetengetriebe 17 eingespeisten Drehzahl möglich. Die Drehzahl, die von dem Planetengetriebe 17 an die Mutter 5 des Kugelgewindetriebs 3 zum Antrieb der Spindel 6 übertragen wird, ist damit niedriger als die Drehzahl, mit der die Abtriebswelle des Antriebsmotor 9 des Stellantriebs 2 rotiert. Durch die von dem Planetengetriebe 17 bereitgestellte Untersetzung liegt jedoch an der Mutter 5 dann ein höheres Drehmoment an, sodass durch die Betätigung der Spindel 6 nicht nur die Armatur 4 aus ihrer Schließstellung in ihre Offenstellung, sondern auch die Rückstellkraft der Rückstelleinheit 7 überwunden werden können.
Die 1 und 2 verdeutlichen, dass zwischen dem Kugelgewindetrieb 3, nämlich zwischen der Spindel 6 des Kugelgewindetriebs 3, und der Rückstelleinheit 7 eine lösbare Schnittstelle 18 ausgebildet ist. Die lösbare Schnittstelle 18 kann beim Schließen der Armatur geöffnet werden. Dies geschieht durch in Schließrichtung und auch in Öffnungsrichtung jeweils wirkende Zugkräfte, die auf die Schnittstelle 18 wirken. Insbesondere dann, wenn die Armatur 4 geschlossen wird und die Spindel 6 auf Grund ihrer Massenträgheit und/oder der Massenträgheit des Antriebsmotors 9 möglicherweise noch etwas nachläuft, kann sich die lösbare Schnittstelle 18 zwischen der Spindel 6 und der Rückstelleinheit 7 öffnen.
Um die Armatur 4 mit Hilfe der Spindel 6 in ihre Offenstellung zu bringen und die Spindel 6 mit Hilfe der Rückstelleinheit 7 beim selbsttätigen Schließen der Armatur 4 zu beaufschlagen und die Rückstellbewegung der Rückstelleinheit 7 auf die Spindel 6 zu übertragen, ist die Schnittstelle 18 zur Übertragung von Druckkräften in Schließrichtung und in Öffnungsrichtung eingerichtet.
Um zu verhindern, dass sich die Spindel 6 bei axialer Belastung relativ zu der sie antreibenden Mutter 5 dreht, ist die Schnittstelle 18 darüber hinaus auch zur Drehfixierung der Spindel 6 eingerichtet. Zu diesem Zweck weist die Schnittstelle 18 ein Führungselement 19 auf, das beispielsweise als Passfeder ausgebildet sein kann. Mit Hilfe des Führungselements 19 ist die Schnittstelle 18 dazu eingerichtet, einen Abtrieb der Rückstelleinheit 7 mit der Spindel 6 zu koppeln. Das Führungselement 19 erlaubt dabei ein Axialspiel, das so bemessen ist, dass die Drehfixierung der Spindel 6 beim Öffnen und Schließen der Armatur 4 erhalten bleibt. Somit wird die Drehfixierung der Spindel 6 beim ordnungsgemäßen Betrieb der Armatur 4 nicht aufgehoben.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Stellantriebsanordnung 1, bei dem zur Drehfixierung der Spindel 6 eine Buchse 22 vorgesehen ist. Die Buchse 22 ist dazu eingerichtet und vorgesehen, eine Relativdrehung zwischen der Spindel 6 und der Buchse 22 und zwischen der Spindel 6 und dem Gehäuseteil 26 zu verhindern. Dabei ist die Buchse 22 axial verschieblich in dem Gehäuseteil 26 gelagert und gleichzeitig axial an der Spindel 6 fixiert.
Die Buchse 22 weist eine Innenverzahnung 23 und eine Außenverzahnung 24 auf. Die Innenverzahnung 23 der Buchse 22 steht im Eingriff mit einer korrespondierenden Außenverzahnung 25 der Spindel 6. Die korrespondierenden Verzahnungen 23 und 25 verhindern zuverlässig, dass sich die Spindel 6 relativ zur Buchse 22 dreht. Die Buchse 22 ist axial an der Spindel 6 festgelegt und bewegt sich beim Ein- und Ausfahren der Spindel 6 mit der Spindel 6 innerhalb des Gehäuseteils 26, das die Spindel 6 und die Buchse 22 umgibt.
In dem Gehäuseteil 26 ist eine Innenverzahnung 27 ausgebildet, die korrespondierend zu der Außenverzahnung 24 der Buchse 22 ausgebildet ist und in Eingriff mit der Außenverzahnung 24 steht. Die Außenverzahnung 24 der Buchse 22 und die Innenverzahnung 27 des Gehäuseteils 26 verhindern eine Verdrehung der Buchse 22 innerhalb der Gehäuseteils 26, erlauben jedoch eine axiale Verschiebung der Buchse 22 innerhalb des Gehäuseteils 26.
Die korrespondierenden Verzahnungen 23 und 25 sowie 24 und 27 können auch vergleichsweise hohen Kräften standhalten und stellen eine hohe Drehfestigkeit über den gesamten axialen Verstellbereich der Spindel 6 bereit.
Gemäß den 3 und 4 ist im Gehäuse 29 jeweils ein Aufnahmeraum 28 vorgesehen, in den die Spindel 6 nachlaufen kann, ohne mit Komponenten der Stellantriebsanordnung 1 zu kollidieren. Ergänzend oder anstelle des Aufnahmeraums 28 könnte auch ein Dämpfungselement verwendet werden, um eine axiale Nachlaufbewegung der Spindel 6 abzudämpfen und eine Kollision der Spindel 6 mit Komponenten der Stellantriebsanordnung 1 zu vermeiden.
Ein Axialhub der Armatur 4 zwischen ihrer Offenstellung und ihrer Schließstellung und ein Axialhub der Spindel 6, der von der Spindel 6 zurückgelegt wird, um die Armatur 4 zwischen ihrer Offenstellung und ihrer Schließstellung zu bewegen, sind so bemessen, dass Kugeln 20 des Kugelgewindetrieb 3 in dem Kugelgewindetrieb 3 keinen vollen Umlauf vollführen können.
Bei den zumindest teilweise in den 1 bis 3 gezeigten Stellantriebsanordnungen 1 werden die Kugelgewindetriebe 3 somit zum Betätigen einer selbstschließenden, linear betätigen Armatur 4 verwendet. Hierbei ist vorgesehen, eine Mutter 5 des Kugelgewindetrieb 3 zum Öffnen der Armatur 4 elektromotorisch anzutreiben, dadurch eine Spindel 6 des Kugelgewindetrieb 3 translatorisch in Öffnungsrichtung der Armatur 4 zu bewegen und die Armatur 4 dadurch zu öffnen. Zum Schließen der Armatur 4 wird eine lineare Rückstellbewegung, hier eine Entspannungsbewegung, auf die Spindel 6 übertragen. Die Rückstellbewegung kann eine Entspannungsbewegung sein, die durch ein Druckmedium vermittelt wird, das durch die Armatur 4 geschaltet wird. Die Rückstellbewegung kann auch eine Entspannungsbewegung der bereits zuvor erwähnten Rückstelleinheit 7 der zuvor beschriebenen Stellantriebsanordnung 1 sein. Die Rückstelleinheit 7 weist hierzu, wie ebenfalls bereits zuvor ausgeführt wurde, zumindest ein Rückstellelement 8 auf.
Hinter dem Kugelgewindetrieb 3 und zum Teil auch durch den Kugelgewindetrieb 3 kann eine durch die Rückstellbewegung in die Spindel 6 eingeleitete Rückstellkraft zumindest teilweise dissipiert werden. Bei den in den 1 und 2 dargestellten Stellantriebsanordnungen 1 erfolgt die Dissipation der Rückstellkraft durch die Bremsen 14 und 15 der Bremseinheiten 13 der dargestellten Stellantriebsanordnungen 1.
Am Ende der Rückstellbewegung kann die Spindel 6 weiterlaufen und sich von der Armatur 4 lösen. Bei den in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen der Stellantriebsanordnungen 1 erfolgt das Ablösen der Spindel 6 an der Schnittstelle 18 zwischen der Spindel 6 und der Rückstelleinheit 7.
Die 1 und 2 zeigen, dass die Armatur mit einer Leitung 21, beispielsweise eine Pipeline, verbunden ist. Durch die Leitung 21 fließt ein gegebenenfalls unter Druck stehendes Medium, das mit der Armatur 4 geschaltet werden kann. In Schließstellung der Armatur 4 wird ein Durchfluss der Leitung 21 unterbunden. Wird die Armatur 4 über den Kugelgewindetrieb 3 geöffnet, ist die Leitung 21 passierbar.
Gemäß 4 ist ein distales Ende der Spindel 6 von einem Abstreifring 25 umgeben, der ein Einfördern von Schmutz durch die Bewegung der Spindel 6 verhindert.
Die Erfindung befasst sich mit Verbesserungen auf dem technischen Gebiet der Stellantriebe 2. Hierzu wird unter Anderem die Verwendung eines Kugelgewindetriebs 3 zum Betätigen einer selbstschließenden, linear betätigen Armatur 4 vorgeschlagen. Während das Öffnen der Armatur 4 über den Kugelgewindetrieb 3 elektromotorisch mittels eines Stellantriebs 2 erfolgt, wird beim Schließen der selbsttätig schließenden Armatur 4 eine Rückstellbewegung auf die Spindel 6 und von dort auf die Mutter 5 des Kugelgewindetriebs 3 übertragen. Über den Kugelgewindetrieb 3 kann, insbesondere mittels der Fliehkraftbremse 15, die Rückstellbewegung und damit auch eine Schließbewegung der Armatur 4 abgebremst werden, was die Armatur 4 und letztendlich auch den Kugelgewindetrieb 3 und überdies gegebenenfalls weitere Komponenten einer Stellantriebsanordnung 1 vor Beschädigungen schützen und darüber hinaus auch eine Fail-Safe-Funktion begünstigen kann.
Bezugszeichenliste

1: Stellantriebsanordnung
2: Stellantrieb
3: Kugelgewindetrieb
4: Armatur
5: Mutter
6: Spindel
7: Rückstelleinheit
8: Rückstellelement
9: Antriebsmotor
10: Fail-Safe-Einheit
11: Drehgeber
12: Axiallager
13: Bremseinheit
14: Arbeitsstrombremse
15: Fliehkraftbremse
16: Schneckengetriebe
17: Planetengetriebe
18: Schnittstelle zwischen 6 und 7
19: Führungselement
20: Kugel
21: Leitung
22: Buchse
23: Innenverzahnung von 22
24: Außenverzahnung von 22
25: Außenverzahnung von 6
26: Gehäuseteil
27: Innenverzahnung in 6
28: Aufnahmeraum
29: Gehäuse

Claims

Verwendung eines Kugelgewindetriebs (3) zum Betätigen einer selbstschließenden, linear betätigten Armatur (4), wobei eine Mutter (5) des Kugelgewindetriebs (3) zum Öffnen der Armatur (4) elektromotorisch angetrieben wird, um dadurch eine Spindel (6) des Kugelgewindetriebs (3) translatorisch in Öffnungsrichtung der Armatur (4) zu bewegen und die Armatur (4) zu öffnen, und wobei zum Schließen der Armatur (4) eine lineare Rückstellbewegung, insbesondere eine Entspannungsbewegung, auf die Spindel (6) übertragen wird.
Verwendung nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Rückstellbewegung eine durch ein durch die Armatur (4) geschaltetes Druckmedium vermittelte Entspannungsbewegung und/oder eine Entspannungsbewegung einer Rückstelleinheit (7) ist, insbesondere wobei die Rückstelleinheit (7) zumindest ein Rückstellelement (8), insbesondere eine Feder umfasst.
Verwendung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine durch die Rückstellbewegung in die Spindel (6) eingeleitete Rückstellkraft in Kraftrichtung hinter dem Kugelgewindetrieb (3) und/oder durch den Kugelgewindetrieb (3) zumindest teilweise dissipiert wird, insbesondere durch eine Bremse (14, 15), beispielsweise durch eine Bremse (14, 15) eines mit dem Kugelgewindetriebs (3) verbundenen Stellantriebs (2).
Verwendung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Spindel (6) am Ende der Rückstellbewegung weiterläuft und sich von einer Verbindung zur Armatur (4) axial löst.
Stellantriebsanordnung (1) mit einem Stellantrieb (2), einem mit dem Stellantrieb (2) angetriebenen Kugelgewindetrieb (3), und mit einer linear betätigten Armatur (4), wobei der Kugelgewindetrieb (3) eine Mutter (5) und eine zumindest mittelbar mit der Armatur (4) verbindbare oder verbundene Spindel (6) umfasst, wobei die Armatur (4) mittels einer in Öffnungsrichtung der Armatur (4) gerichteten Öffnungsbewegung der über den Stellantrieb (2) und die Mutter (5) angetriebenen Spindel (6) öffenbar und mittels einer in Schließrichtung der Armatur (4) auf die Spindel (6) wirkenden, von einer Rückstelleinheit (7) verursachten Rückstellbewegung schließbar ist.
Stellantriebsanordnung (1) nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Rückstelleinheit (7) zumindest ein Rückstellelement (8), insbesondere zumindest eine Rückstellfeder aufweist, und wobei die Rückstellbewegung eine Rückstellbewegung oder eine Entspannungsbewegung des zumindest einen Rückstellelements (8) ist.
Stellantriebsanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Rückstelleinheit (7) und der Stellantrieb (2) in eine Fail-Safe-Einheit (10) integriert sind, und/oder wobei die Stellantriebsanordnung (1), insbesondere der Stellantrieb (2), Endanschläge und/oder Enlagenschalter für die Armatur (4) aufweist.
Stellantriebsanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Stellantriebsanordnung (1), insbesondere der Stellantrieb (2), einen Drehgeber (11) zur Erfassung von Endlagen der Armatur (4) aufweist, insbesondere wobei der Drehgeber (11) zum zumindest indirekten Abgreifen einer Drehbewegung der Mutter (5) und zur Umwandlung in eine auf Endanschläge und/oder Endlagenschalter wirkende Linearbewegung eingerichtet ist.
Stellantriebsanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Mutter (5) des Kugelgewindetriebs (3) mittels zumindest eines Axiallagers (12) gelagert ist, das zur Aufnahme von durch die Rückstellbewegung, insbesondere beim Öffnen und/oder Schließen der Armatur (4), auf die Spindel (6) übertragenen Axialkräften eingerichtet ist.
Stellantriebsanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Spindel eine Gewindesteigung von 16 Millimetern aufweist.
Stellantriebsanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Stellantriebsanordnung (1), insbesondere der Stellantrieb (2), eine Bremseinheit (13) aufweist, insbesondere wobei die Bremseinheit (13) eine Arbeitsstrombremse (14) und/oder eine Fliehkraftbremse (15) umfasst.
Stellantriebsanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zwischen einem Antriebsmotor (9) des Stellantriebs (2) und dem Kugelgewindetrieb (3) ein Getriebe, insbesondere ein Planetengetriebe (17) und/oder ein Schneckengetriebe (16), angeordnet ist, vorzugsweise wobei das Getriebe nicht selbsthemmend ist.
Stellantriebsanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zwischen dem Kugelgewindetrieb (3), insbesondere der Spindel (6), und der Rückstelleinheit (7) eine lösbare Schnittstelle (18) ausgebildet ist, die beim Schließen und/oder Öffnen der Armatur (4) öffenbar ist, insbesondere durch in Schließrichtung und/oder in Öffnungsrichtung wirkende Zugkräfte, und/oder die zur Übertragung von Druckkräften in Schließrichtung und in Öffnungsrichtung eingerichtet ist.
Stellantriebsanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche wobei die Stellantriebsanordnung (1), insbesondere die Schnittstelle (18), zur Drehfixierung der Spindel (6) eingerichtet ist, insbesondere wobei die Schnittstelle (18) ein Führungselement (19) aufweist, das einen Abtrieb der Rückstelleinheit (7) mit der Spindel (6) koppelt, vorzugsweise wobei das Führungselement (19) ein Axialspiel aufweist, das so bemessen ist, dass die Drehfixierung beim Öffnen und Schließen der Armatur (4) erhalten bleibt.
Stellantriebsanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Stellantriebsanordnung (1) zur Drehfixierung der Spindel (6) eine in einem Gehäuseteil (26) der Stellantriebsanordnung (1) drehfixierte Buchse (22) aufweist, die eine Relativdrehung zwischen der Spindel (6) und/oder der Buchse (22) und/oder zwischen der Spindel (6) und dem Gehäuseteil (26) verhindert, vorzugsweise wobei die Buchse (22) axial verschieblich in dem Gehäuseteil (26) gelagert und/oder axial an der Spindel (6) fixiert ist.
Stellantriebsanordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Axialhub der Armatur (4) zwischen ihrer Offenstellung und ihrer Schließstellung und/oder ein Axialhub der Spindel (6) so bemessen ist, dass Kugeln (20) des Kugelgewindetriebs (3) in dem Kugelgewindetrieb (3) keinen vollen Umlauf vollführen können.