ЭЛЕКТРОПРИВОД С ВНУТРЕННИМ МЕХАНИЗМОМ ПРИЛОЖЕНИЯ НАГРУЗКИ Российский патент 2015 года по МПК F16K31/53 F16K31/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в целом касается электроприводов, в частности электроприводов с внутренним механизмом приложения нагрузки.

Уровень техники

Регулирующие клапаны (например, клапаны с поступательным движением штока) обычно используют в системах управления процессами для управления потоком текучих сред процесса. Регулирующий клапан обычно имеет привод (например, электрический привод, гидравлический привод и т.п.), автоматизирующий работу регулирующего клапана. Клапаны с поступательным движением штока, такие как клапаны шиберного типа, сферические, мембранные, пережимные и угловые клапаны, обычно имеют шток клапана (например, шток с поступательным движением), перемещающий орган регулирования потока текучей среды (например, затвор клапана) между положением "Открыто" и положением "Закрыто".

В электрических приводах часто используют двигатель, функционально соединенный с органом регулирования потока через приводную систему (например, одну или несколько зубчатых колес). В процессе работы, при подаче электропитания на двигатель, электрический привод перемещает орган регулирования потока между положением "Открыто" и положением "Закрыто", тем самым регулируя протекание текучей среды через клапан. Когда клапан находится в положении "Закрыто", орган регулирования потока обычно сконфигурирован так, чтобы обеспечить герметичное прижатие к кольцевому или круглому уплотнению (например, седлу клапана), расположенному на пути потока текучей среды для его перекрытия между входной и выходной камерами клапана.

Когда клапан находится в положении "Закрыто", а на двигатель подается электропитание, двигатель обычно создает достаточную нагрузку на орган регулирования потока текучей среды, обеспечивая плотное прижатие органа регулирования потока текучей среды к седлу клапана. При отключении электропитания двигателя приводная система (например, червячная передача) может сохранять неизменным положение органа регулирования потока текучей среды по отношению к седлу клапана и препятствует существенному перемещению органа регулирования потока текучей среды в обратном или противоположном направлении (например, от седла клапана). Тем не менее, приводная система может не обеспечивать адекватной или достаточной нагрузки для прижатия седла к органу регулирования потока текучей среды, гарантирующей герметично плотное прижатие органа регулирования потока текучей среды к седлу клапана. В результате, текучая среда может протекать через клапан между входной и выходной камерами клапана.

Раскрытие изобретения

В одном примере, электрический привод имеет корпус, имеющий полость для размещения приводной системы, и ведущий вал, функционально соединенный с приводной системой. Вращение приводной системы в первом вращательном направлении приводит к перемещению ведущего вала в первом прямолинейном направлении, а вращение приводной системы во втором вращательном направлении приводит к перемещению ведущего вала во втором прямолинейном направлении, противоположном первому прямолинейному направлению. Поджимающий элемент функционально соединен с приводной системой таким образом, что как минимум одна часть приводной системы перемещается в осевом направлении к поджимающему элементу, деформируя его, когда ведущий вал достигает крайнего положения для того, чтобы обеспечить приложение нагрузки к ведущему валу при отключении питания электрического привода.

В другом примере механизм приложения нагрузки для использования в электрических приводах содержит ведущий привод, функционально соединенный с приводной системой электрического привода. При вращении ведущего привода в первом и втором вращательном направлении ведущий привод перемещается между первым и вторым положением прямолинейного перемещения. Ведущий вал функционально соединен с ведущим приводом таким образом, что ведущий привод вызывает перемещение ведущего вала в первом прямолинейном направлении при вращении ведущего привода в первом направлении и перемещение ведущего вала во втором прямолинейном направлении при вращении ведущего привода во втором направлении. Поджимающий элемент расположен между ведущим приводом и посадочной поверхностью так, чтобы при вращении ведущего привода в первом направлении ведущий вал достигал крайнего положения в первом прямолинейном направлении, при этом ведущий привод продолжает вращаться относительно ведущего вала в первом направлении и перемещается в осевом направлении по отношению к ведущему валу от первого положения прямолинейного движения ко второму положению прямолинейного движения, деформируя поджимающий элемент.

Еще в одном примере механизм приложения нагрузки для использования в электрических приводах содержит средство для преобразования вращательного движения приводной системы в прямолинейное движение ведущего вала. Механизм приложения нагрузки также содержит средство для приложения уплотняющего усилия к органу регулирования потока текучей среды через клапан текучей среды, соединенный с ведущим валом, когда орган регулирования потока плотно прижат к седлу клапана текучей среды, а электрическое питание на двигатель не подается. Механизм приложения нагрузки также содержит средство для деформации, то есть перемещения минимум одной части средства для преобразования вращательного движения в осевое относительно ведущего вала в направлении средства для приложения уплотняющего усилия.

Краткое описание чертежей

На ФИГ. 1А показан описанный здесь пример регулирующей клапанной сборки, находящейся в положении "Открыто".

На ФИГ. 1В показана увеличенная часть варианта привода, представленного на ФИГ.1А.

На ФИГ. 2 показан пример регулирующей клапанной сборки по ФИГ. 1А, только показанной в положении "Закрыто", при этом поджимающий элемент еще не деформирован.

На ФИГ. 3А показан пример регулирующей клапанной сборки по ФИГ. 1 и 2, показанной в положении "Закрыто", при этом поджимающий элемент уже деформирован.

На ФИГ. 3В показана увеличенная часть варианта привода, представленного на ФИГ.3А.

На ФИГ. 4А и 4В показана увеличенная часть описанного здесь примера привода в первом и втором положениях соответственно.

На ФИГ. 5А-5С показан другой пример регулирующей клапанной сборки, используемой с примером привода по ФИГ. 1А, 1В, 2, 3А и 3В.

Осуществление изобретения

В общем, описанные здесь примеры электрических приводов обеспечивают приложение поджимающей нагрузки к клапану текучей среды в условиях, когда на двигатель привода электрическое питание не подается. Эти примеры электрических приводов обеспечивают приложение поджимающей нагрузки без потребления электрической энергии. В частности, эти примеры электрических приводов могут содержать поджимающий элемент, расположенный внутри корпуса или кожуха привода, обеспечивающий приложение уплотняющего усилия к органу регулирования потока текучей среды клапана в условиях, когда орган регулирования потока текучей среды плотно прижат к седлу клапана, а на электрический привод (например, электродвигатель) не подается электрическое питание. Например, поджимающий элемент может иметь вид одной или нескольких пружин, создающих силу, обеспечивающую уплотняющее усилие на орган регулирования потока текучей среды (например, затвор клапана), функционально соединенный с электрическим приводом в условиях, когда орган регулирования потока текучей среды плотно прижат к седлу клапана (например, в положении "Закрыто"), а источник электропитания не обеспечивает энергией двигатель электрического привода.

Для сравнения, в некоторых известных электрических приводах используют сложную комбинацию поджимающих элементов, зажимных устройств и тормозных систем, обеспечивающую достаточное прижимное усилие в условиях, когда электрический привод находится в безопасно отключенном состоянии. Иначе говоря, известные электрические приводы могут иметь поджимающий элемент, используемый для перемещения органа регулирования потока клапана в положение "Закрыто", например, при перебоях электропитания. Таким образом, если клапан текучей среды находится в положении "Открыто" и происходит перебой в электропитании, поджимающий элемент перемещает орган регулирования потока текучей среды в положение "Закрыто". Однако такие известные приводы часто имеют сложную конструкцию. Кроме того, некоторые из этих приводных систем, имеющих механизм самозакрывания, обычно содержат отсоединяемый редуктор, обеспечивающий работу механизма самозакрывания. Иначе говоря, приводную сборку обычно необходимо функционально отсоединить от, например, зубчатой трансмиссии, чтобы обеспечить работу механизма самозакрывания. Однако отсоединяемые трансмиссии стоят относительно дорого, сложны в эксплуатации, способствуют увеличению установочных размеров клапана и приводной сборки, а также требуют наличия сложных механизмов внутри привода. Кроме того, такой механизм самозакрывания в некоторых применениях может быть ненужным и/или нежелательным, что ведет к излишнему увеличению стоимости регулирующей клапанной сборки.

На ФИГ. 1А показан описанный здесь пример регулирующей клапанной сборки 100. Регулирующая клапанная сборка 100 имеет электрический привод 102, функционально соединенный с клапаном текучей среды 104 через кожух 106. Клапан текучей среды 104 содержит корпус клапана 108, определяющий канал потока текучей среды 110 между входной 112 и выходной 114 камерами. Орган регулирования потока текучей среды 116 (например, затвор клапана) расположен внутри канала потока текучей среды 110 и содержит посадочную поверхность 118, плотно прижимаемую к седлу клапана 120 для регулирования потока текучей среды через зону подключения или отверстие 122 между входной 112 и выходной 114 камерами. Шток клапана 124 соединен (например, при помощи резьбового соединения) с органом регулирования потока текучей среды 116 с первой стороны 126 и функционально соединен с электрическим приводом 102 со второй стороны 128. Кожух 106 соединен с корпусом клапана 108 и имеет сверление 130, в котором перемещается шток клапана 124. Кожух 106 закрывает клапанную паковочную сборку 132, обеспечивающую уплотнение против давления текучей среды процесса, протекающей через клапан текучей среды 104, предотвращая протечку текучей среды процесса вдоль штока клапана 124 и/или защищая окружающую среду от выбросов опасных или загрязняющих текучих сред.

Привод 102 содержит корпус 134, состоящий из первого кожуха 136, соединенного со вторым кожухом 138 крепежными деталями 140. Первый и второй кожух 136 и 138 корпуса 134 образуют полость 142 для размещения приводной системы 144. В этом примере приводная система 144 имеет двигатель 146, функционально соединенный с выходным или ведущим валом 148 посредством трансмиссии 150. Трансмиссия 150 преобразует вращательное движение двигателя 146 в прямолинейное движение ведущего вала 148.

Трансмиссию 150 можно сконфигурировать так, чтобы усилить вращательный момент, создаваемый двигателем 146, и передать этот усиленный вращательный момент на ведущий вал 148. Этот усиленный вращательный момент, переданный на ведущий вал 148, дает возможность прижать орган регулирования потока 116 к седлу клапана 120 с большей силой и, таким образом, обеспечить более плотное соединение с седлом клапана 120, перекрывая поток текучей среды через корпус клапана 108 в условиях, когда орган регулирования потока 116 плотно прижат к седлу клапана 120, а электрическое питание подается на двигатель 146. Кроме того, имея трансмиссию, сконфигурированную так, чтобы усилить вращательный момент, создаваемый двигателем 146, для перемещения органа регулирования потока 116 можно использовать относительно небольшой двигатель 146. Например, степень усиления вращательного момента, создаваемого трансмиссией 150, может изменяться в зависимости от размеров (например, диаметра, количества зубьев и т.п.) зубчатой передачи. В других еще примерах двигатель 146 можно прямо соединить с ведущим валом 148. В такой конфигурации с прямым приводом двигатель 146 прямо перемещает ведущий вал 148 без каких-либо промежуточных механизмов или устройств, как например, трансмиссия 150 и т.п.

Как показано, трансмиссия 150 заключает в себе зубчатую трансмиссию или редуктор 152, расположенные в полости 142 корпуса 134. Двигатель 146 расположен в полости 142 электрического привода 102 и соединен с редуктором 152 (например, корпусом редуктора 152) посредством, например, крепежного элемента и/или любого другого соответствующего крепежного механизма (ов). Однако в других примерах двигатель 146 может быть соединен с корпусом 134 привода 102 посредством, например, крепежного элемента и/или любого другого соответствующего крепежного механизма (ов). В некоторых примерах двигатель 146 может быть соединен с внутренней поверхностью 154 корпуса 134 или с внешней поверхностью 156 корпуса 134. Двигатель 146 может быть двигателем любого типа, как например, двигателем переменного тока, постоянного тока, переменной частоты, шаговым двигателем, сервомотором или любым другим подходящим двигателем или движителем. Также редуктор 152 может содержать несколько зубчатых колес (например, прямозубых цилиндрических), систему планетарной передачи или любую другую зубчатую передачу или трансмиссию для преобразования вращательного движения двигателя 146 в прямолинейное движение ведущего вала 148. Как будет детально показано далее, по меньшей мере, один передаточный элемент трансмиссии 150 перемещается или движется в осевом направлении вдоль оси 157 между первым положением и вторым положением.

В показанном примере трансмиссия 150 содержит промежуточную шестерню 158 и ведущий привод 160. Промежуточная шестерня 158 функционально соединяет выходной вал 162 двигателя 146 с ведущим приводом 160. Как показано, ведущий привод 160 имеет часть для зубчатого зацепления 164 и вторую часть 166 (например, образующую одно целое с частью для зубчатого зацепления 164), имеющую углубление 168. Часть для зубчатого зацепления 164 имеет зубья для зацепления с зубьями промежуточной шестерни 158. Также ведущий привод 160 имеет резьбовое отверстие или углубление 170 для резьбового соединения с ведущим валом 148.

Как показано, ведущий вал 148 представляет собой винт. В сущности, ведущий вал 148 представляет собой тело цилиндрической формы 172, имеющее углубление или отверстие 174 и часть 176 с наружной резьбой. В отверстие 174 в ведущем валу 148 вставлен второй конец 128 штока клапана 124. Гайка с фланцем 178 навинчена на резьбу резьбового конца 180 штока клапана 124, фиксируя и удерживая ведущий вал 148 между буртиком 182 штока клапана 124 и гайкой с фланцем 178. Часть с наружной резьбой 176 ведущего вала 148 имеет резьбовое соединение с резьбовым отверстием 170 ведущего привода 160. В других примерах, хотя и не показано, ведущий вал 148 может представлять собой систему зубчатых колес, шариковую винтовую систему, систему с подающим винтом и/или любую другую трансмиссионную систему для преобразования вращательного движения двигателя 146 в прямолинейное движение ведущего вала 124.

Механизм приложения нагрузки или сборка 184 расположен внутри редуктора 152 (например, внутри корпуса редуктора 152) и обеспечивает уплотняющее усилие на орган регулирования потока 116 в условиях, когда орган регулирования потока 116 находится в положении "Закрыто", а электрическое питание на привод 102 не поступает. Механизм приложения нагрузки 184 имеет поджимающий элемент 186, расположенный между второй частью 166 ведущего привода 160 и пружинным седлом или поверхностью 188 редуктора 152. Механизм приложения нагрузки 184 может также содержать упорный подшипник 190, расположенный между ведущим приводом 160 и поджимающим элементом 186. Упорный подшипник 190 передает нагрузку, создаваемую поджимающим элементом 186, на ведущий привод 160 в условиях, когда поджимающий элемент 186 деформирован и может войти в контакт с углублением 168 ведущего привода 160. В этом примере поджимающий элемент 186 содержит пакет тарельчатых пружин. Механизм приложения нагрузки 184 может содержать прокладку 192, расположенную между поджимающим элементом 186 и поверхностью 188 редуктора 152, используемую для регулирования высоты пакета тарельчатых пружин. Вообще, тарельчатая пружина обеспечивает высокую нагрузку по сравнению с перемещением или изгибом тарельчатой пружины. Таким образом, в результате, данный пример механизма приложения нагрузки 184 можно сконфигурировать так, чтобы он имел относительно небольшие размеры, тем самым уменьшая общий размер сборки регулирующего клапана 100. В других примерах поджимающий элемент 186 может представлять собой витую пружину, пакет шайб Гровера, волнистую пружину, пружинный сильфон и/или любой другой подходящий поджимающий элемент (ы). Еще в других примерах поджимающий элемент может составлять одно целое с частью редуктора 152 (например, корпуса редуктора 152), частью корпуса 134 и/или любой другой подходящей поверхностью привода 102. Например, по меньшей мере часть 153 редуктора 152 (например, прилегающая к ведущему приводу 160) может быть изготовлена из гибкого материала, например резины, или любого другого подходящего материала, обеспечивающего поджимающую силу при изгибе. В такой конфигурации поджимающий элемент 186 не нужен.

На ФИГ. 1А клапан текучей среды 104 изображен в положении "Открыто" 194, а поджимающий элемент 186 механизма приложения нагрузки 184 находится в первом или недеформированном положении 196. На ФИГ. 2 показан клапан текучей среды в положении "Закрыто" 200, но при этом поджимающий элемент 186 механизма приложения нагрузки 184 находится в недеформированном положении 202. На ФИГ. 3А показан клапан текучей среды 104 в положении "Закрыто" 300, при этом поджимающий элемент 186 находится в деформированном состоянии 302, обеспечивая уплотняющее усилие 304 на орган регулирования потока 116. На ФИГ. 1В и 3В показаны в увеличенном виде части механизма приложения нагрузки 184, при этом поджимающие элементы 186 показаны в недеформированном состоянии 194 и деформированном состоянии 302 соответственно.

Как показано на ФИГ. 1А, 1В, 2, 3А и 3В, в процессе работы на электрический привод 102 подается питание и он перемещает орган регулирования потока 116 между положением "Открыто" 194 на ФИГ. 1А и положением "Закрыто" 300 на Фиг.3А. Двигатель 146 приводит в движение или вращает выходной вал 162 в первом направлении 199 (например, по часовой стрелке) вокруг оси 197, тем самым перемещая клапан текучей среды 104 в направлении положения "Открыто" 194, как показано на ФИГ. 1А, и во втором направлении 204 (например, против часовой стрелки), противоположном первому направлению 199, вокруг оси 197, перемещая клапан текучей среды 104 в направлении положений "Закрыто" 200 и 300, как показано на ФИГ. 2 и 3А.

Для перемещения клапана текучей среды 104 в положение "Открыто" 194 электрическое питание подают на двигатель 146, вращающий выходной вал 162 в первом направлении 199 (ФИГ. 1А). Трансмиссия 150 заставляет ведущий привод 160 вращаться в первом направлении 198 (например, по часовой стрелке) вокруг оси 157. Вращение ведущего привода 160 в первом направлении 198 приводит ведущий вал 148 в прямолинейное движение вдоль оси 157 в направлении от клапана текучей среды 104. В частности, когда выходной вал 162 вращается в первом направлении 199, промежуточная шестерня 158 вращает ведущий привод 160. В свою очередь, ведущий привод 160 вращается вокруг резьбовой части 176 ведущего вала 148 и приводит ведущий вал 148 в прямолинейное движение в направлении вдоль оси 157, так как промежуточная шестерня 158 и/или поджимающий элемент 186 помогают сохранять и удерживать осевое положение ведущего привода 160 по отношению к оси 157. Кроме того, хотя и не показано, втулка 195 соединена с редуктором 152 (например, расположена внутри корпуса редуктора 152 при помощи прессового соединения) и имеет по меньшей мере одну плоскость (не показано), прижатую к ведущему валу 148, не дающую возможности ведущему валу 148 вращаться или проворачиваться при вращении ведущего привода 160, тем самым приводя ведущий вал 148 в прямолинейное движение при помощи резьбовой части 176, когда ведущий привод 160 вращается вокруг резьбовой части 176. Так как шток клапана 124 неподвижно соединен с ведущим валом 148 при помощи гайки с фланцем 178, ведущий вал 148 приводит шток клапана 124 и, соответственно, орган регулирования потока 116 в движение от седла клапана 120, открывая или увеличивая поток текучей среды через канал потока текучей среды 110 между входной 112 и выходной 114 камерами. Как более явно показано на ФИГ. 1В, когда клапан текучей среды 104 находится в положении "Открыто" 194, поджимающий элемент 186 находится в недеформированном состоянии 196.

Для перемещения клапана текучей среды 104 в положение "Закрыто" 200, как показано на ФИГ. 2, электропитание подают на двигатель 146, приводящий выходной вал 162 во вращение во втором направлении 204 (например, против часовой стрелки) вокруг оси 197. Вращение выходного вала 162 во втором направлении 204 приводит ведущий вал 148 в прямолинейное движение вдоль оси 157 в направлении корпуса клапана 108. По сути, когда выходной вал 162 вращается во втором направлении 204, промежуточная шестерня 158 вращает ведущий привод 160 во втором направлении 206 вокруг оси 157, а резьбовая часть 176 ведущего вала 148 приводит ведущий вал 148 в прямолинейное движение в направлении вдоль оси 157 к клапану текучей среды 104. Вращение ведущего привода 160 во втором направлении 206 вокруг оси 157 приводит ведущий вал 148 и, соответственно, орган регулирования потока 116 в движение в направлении седла клапана 120, перекрывая или ограничивая поток текучей среды через канал потока текучей среды 110 между входной камерой 112 и выходной камерой 114. При движении ведущего вала 148 к клапану текучей среды 104 поджимающий элемент 186 находится в недеформированном состоянии 202. Кроме того, хотя поджимающий элемент 186 и находится в недеформированном состоянии 202, поджимающая сила (например, сила предварительного напряжения), обеспеченная поджимающим элементом 186, помогает сохранять осевое положение ведущего привода 160 по отношению к промежуточной шестерне 158 и оси 157.

Когда клапан текучей среды 104 находится в положении "Закрыто" 200, посадочная поверхность 118 органа регулирования потока текучей среды 116 плотно прижимается к седлу клапана 120, перекрывая поток текучей среды через клапан 102. Когда орган регулирования потока текучей среды 116 плотно прижат к седлу клапана 120, ведущий вал 202 не имеет возможности далее двигаться к седлу клапана 120, так как ведущий вал 124 жестко связан со штоком клапана 124. Тем не менее, двигатель 146 продолжает перемещать ведущий привод 160 при помощи промежуточной шестерни 158, вынуждая ведущий привод 160 вращаться вокруг резьбовой части 176 ведущего вала 148, в то время как ведущий вал 148 остается неподвижным в осевом направлении по отношению к оси 157. Иными словами, ведущий вал 148 находится в крайнем положении, когда орган регулирования потока 116 плотно прижат к седлу клапана 120. В результате, ведущий привод 160 движется или перемещается прямолинейно в осевом направлении к верхнему кожуху 136 корпуса 134, так как ведущий вал 148 не имеет возможности совершать движение (например, прямолинейное движение и/или вращательное движение) к седлу клапана 120, когда орган регулирования потока 116 плотно прижат к седлу клапана 120. Однако в других примерах крайнее положение или предел перемещения могут иметь место, когда поверхность 208 ведущего вала 148 входит в контакт с частью или поверхностью 210 корпуса 134, кожуха 106 или любой другой поверхностью.

По мере того как ведущий привод 160 вращается во втором направлении 206 вокруг ведущего вала 148, когда клапан находится в положении "Закрыто" 200, ведущий привод 160 движется или перемещается в осевом направлении вдоль оси 157 к верхнему кожуху 136 по отношению к промежуточной шестерне 158. Однако вхождение в контакт части 164 ведущего привода 160 не приводит к отсоединению от промежуточной шестерни 158. Иными словами, когда ведущий привод 160 перемещается в осевом направлении вдоль оси 157, зубцы зубчатой части 164 остаются в зацеплении с зубцами промежуточной шестерни 158.

Как более явно показано на ФИГ. ЗВ, ведущий привод 160 перемещается по отношению к промежуточной шестерне 158 в прямолинейном направлении верхнего кожуха 136, вызывая деформацию или сжатие поджимающего элемента 186, приводя его в деформированное состояние 302. В деформированном состоянии 302 поджимающий элемент 186 обеспечивает приложение силы к ведущему приводу 148. Эта сила передается органу регулирования потока 116 через упорный подшипник 190. В частности, упорный подшипник 190 передает усилие, создаваемое поджимающим элементом 186, на орган регулирования потока 116 и дает возможность ведущему приводу 160 свободно вращаться вокруг оси 157. Таким образом, ведущий привод 160 движется в осевом направлении вдоль оси 157 из положения 200, показанного на ФИГ. 2, в положение 300, показанное на ФИГ. 3А, деформируя или сжимая поджимающий элемент 186, когда клапан текучей среды 104 находится в положении "Закрыто" 200, а двигатель 146 продолжает вращать ведущий привод 160 во втором направлении 206 вокруг оси 157.

Когда клапан находится в положении "Закрыто" 200, как показано на ФИГ. 2, двигатель 146 обеспечивает поджимающую нагрузку на орган регулирования потока текучей среды 116 до тех пор, пока на двигатель 146 подается электропитание. Впрочем, когда электрическое питание на двигатель 146 не подается, органу регулирования потока 116 может не хватить поджимающей нагрузки для герметичного прижатия к седлу клапана 120, когда, например, клапан текучей среды 104 находится в положении "Закрыто" 200, как на ФИГ. 2. Хотя сопротивление двигателя 146 и/или трансмиссии 150 обратному перемещению удерживает в исходном положении или предотвращает прямолинейное движение ведущего вала 148 и, соответственно, органа регулирования потока 116, это сопротивление обратному перемещению двигателя 146 и/или трансмиссии 150 может оказаться недостаточным для приложения или сохранения поджимающей нагрузки на орган регулирования потока 116, когда электрическое питание не подается на двигатель 146. Адекватная или достаточная поджимающая нагрузка предотвращает протечку текучей среды через отверстие 122, когда орган регулирования потока 116 плотно прижат к седлу клапана 120. Иными словами, адекватная или достаточная поджимающая нагрузка удерживает орган регулирования потока текучей среды 116 плотно прижатым к седлу клапана 120, перекрывая поток текучей среды через канал 110 клапана текучей среды 104. При отсутствии такой поджимающей нагрузки текучая среда может протекать через отверстие 122, даже когда поджимающая поверхность 118 органа регулирования потока текучей среды 116 прижата к седлу клапана 120.

Когда механизм приложения нагрузки 184 находится в положении 302, показанном на ФИГ. 3А и 3В, механизм приложения нагрузки 184 обеспечивает механическую поджимающую нагрузку 304 для поддержания или удерживания органа регулирования потока текучей среды 116, плотно прижатым к седлу клапана 120, когда электрическое питание не подается на двигатель 146, а орган регулирования потока 116 прижат к седлу клапана 120. Например, может существовать необходимость в поддержании или удержании клапана текучей среды 104 в положении "Закрыто" 300 для предотвращения разливания (например, разливания химических веществ) в аварийных ситуациях, при отключениях электричества или если электрическое питание на электрический привод 102 (например, двигатель 146) не подается или отключено. С другой стороны, невозможность обеспечить адекватную или достаточную поджимающую нагрузку на орган регулирования потока текучей среды 116 во время, например, отключения электричества может привести к протеканию потока текучей среды через отверстие 122 клапана текучей среды 104 между входной 112 и выходной 114 камерами клапана. Например, давление текучей среды во входной камере 112 может создавать силу, приложенную против органа регулирования потока текучей среды 116 (например, в направлении кожуха 106 в ориентации, показанной на ФИГ. 2), под действием которой уплотняющая поверхность 118 органа регулирования потока текучей среды 116 может отойти от седла клапана 120, давая возможность текучей среде течь или протекать в направлении выходной камеры 114, когда электрическое питание на двигатель 146 не подается.

Таким образом, данный пример механизма приложения нагрузки 184 обеспечивает поджимающую нагрузку 304 на орган регулирования потока текучей среды 116, перекрывая поток текучей среды через канал 110, когда клапан текучей среды 104 находится в положении "Закрыто" 300 и электрическое питание на электрический привод 102 не подается. В частности, механизм приложения нагрузки 184 обеспечивает поджимающую нагрузку 304 на неограниченный период времени. Кроме того, механизм приложения нагрузки 184 обеспечивает поджимающую нагрузку (например, поджимающую нагрузку 304) без потребления электрической энергии (то есть при практически нулевом потреблении электричества). Так, в некоторых примерах, когда клапан текучей среды 104 находится в положении "Закрыто" 300, электрическое питание на двигатель 146 может не подаваться из соображений энергосбережения, что способствует повышению эффективности и/или коэффициента полезного действия электрического привода 102.

Кроме того, данный пример электрического привода 102 способствует снижению производственных расходов и упрощению обслуживания сборки регулирующего клапана 100, так как механизм приложения нагрузки 184 не требует наличия механизма захвата, сложной комбинации поджимающих элементов и/или тормозных систем, обеспечивая уплотняющее усилие, когда электрическое питание на электрический привод 102 не подается.

Данный пример механизма приложения нагрузки 184 не ограничивается конфигурацией, показанной на ФИГ. 1А, 1В, 2, 3А и 3В. В некоторых примерах ведущий привод 160 и/или поджимающий элемент 186 можно сконфигурировать так, чтобы обеспечить уплотняющее усилие в направлении, противоположном направлению поджимающей нагрузки 304, как в примере, показанном на ФИГ. 3А. Механизм приложения нагрузки 184 и/или ведущий привод 160 можно использовать с клапаном текучей среды, имеющим орган регулирования текучей среды и седло клапана в конфигурации, противоположной той, что показана на ФИГ. 1 (например, в нормально закрытом клапане текучей среды). Например, ориентация ведущего привода 160 и/или механизма приложения нагрузки 184 может быть обратной или противоположной, показанной так, что поджимающий элемент 186 будет расположен между поверхностью 306 редуктора 152 и ведущим приводом 160. Ведущий привод 160 можно сконфигурировать для осевого перемещения вдоль оси 157 к корпусу клапана 108 для сжатия поджимающего элемента 186, когда орган регулирования потока плотно прижат к седлу нормально закрытого клапана, а двигатель 146 продолжает вращать ведущий привод 160. В других примерах поверхность 306 и/или часть нижнего корпуса 138 можно изготовить из гибкого материала (например, резины) или гибкий материал может выступать из поверхности 306 и/или нижнего корпуса 138, обеспечивая поджимающую силу при его сжатии или деформации под действием ведущего привода 160. В таком случае поджимающий элемент 186 не нужен.

На ФИГ. 4А и 4В показана в увеличенном виде часть иного примера электрического привода 400, имеющего описанный здесь механизм приложения нагрузки 402. В этом примере приводная система 404 содержит в себе двигатель 406, трансмиссию 408 и механизм приложения нагрузки 402. Трансмиссия 408 имеет первую шестерню 410, соединенную с выходным валом 412 двигателя 406, находящуюся в зацеплении с промежуточной шестерней 414. Промежуточная шестерня 414 соединяет первую шестерню 410 и, соответственно, двигатель 406 с ведущим приводом 416. Ведущий привод 416 имеет резьбовое отверстие (не показано), в которое ввинчивается резьбовая часть 418 ведущего вала 420. Механизм приложения нагрузки 402 содержит поджимающие элементы 422, изображенные в виде пружин, расположенные между седлом пружины или поверхностью 424 и ведущим приводом 416. Упорные подшипники 426 расположены между поджимающими элементами 422 и ведущим приводом 416, который может свободно вращаться на оси 428. Кроме того, упорные подшипники 426 передают упругое усилие, созданное поджимающими элементами 422, на ведущий вал 420, когда поджимающие элементы 422 деформированы, как показано на ФИГ. 4В.

В процессе работы ведущий привод 416 вращается вокруг резьбовой части 418 ведущего вала 420, что приводит ведущий вал 420 к прямолинейному перемещению вдоль оси 428. Вращение ведущего привода 416 в первом направлении 430 приводит ведущий вал 420 в движение в первом прямолинейном направлении 432, а вращение ведущего привода 416 во втором направлении 434 приводит ведущий вал 420 в движение во втором прямолинейном направлении 436. Когда ведущий вал 420 достигает крайней точки (например, конечной точки перемещения), ведущий привод 416 больше не может перемещать ведущий вал 420 прямолинейно оси 428 в первом направлении 432. В то же время, ведущий привод 416 может продолжать вращаться в первом направлении 430 вокруг резьбовой части 418 ведущего вала 420. В результате, ведущий привод 416 движется или смещается в осевом направлении вдоль оси 428 по отношению к промежуточной шестерне 414, сжимая поджимающие элементы 422, как показано на ФИГ. 4В, когда ведущий вал 418 достигает крайней точки, а ведущий привод 416 продолжает вращаться вокруг ведущего вала 420 в первом направлении 430. Таким образом, кроме возможности вращаться вокруг оси 428, ведущий привод 416 может также перемещаться в осевом направлении вдоль оси 428, когда ведущий вал 420 достигает крайней точки, а двигатель 406 продолжает перемещать или вращать ведущий привод 416 в первом направлении 430 вокруг оси 428.

Пример электрического привода 102, показанный на ФИГ. 1А, 1В, 2, 3А и 3В, можно использовать с другими клапанами текучей среды или любым другим устройством. Например, на ФИГ. 5А-5С показан пример регулирующей клапанной сборки 500, имеющей пример электрического привода 102 по ФИГ. 1А, 1В, 2, 3А и 3В, подключенный к вращательному клапану 502. Вращательный клапан 502 содержит корпус клапана 504 с диском или органом регулирования потока 506, расположенным на пути потока текучей среды 508 между входной камерой 510 и выходной камерой 512. Орган регулирования потока 506 соединен с корпусом клапана 504 посредством вала клапана 514 так, что он может вращаться. Часть 516 (например, шпоночный конец) вала клапана 514 выходит за пределы вращательного клапана 502 и соединена с рычагом 518. В свою очередь, рычаг 518 функционально соединен с ведущим валом 148 электрического привода 102 и органом регулирования потока 506. Опора наконечника 520 соединяется (например, при помощи резьбы) с первым концом 126 (ФИГ. 1А) штока клапана 124 и плечом 522 рычага 518 при помощи крепежного элемента 524, функционально соединяя рычаг 518 с ведущим валом 148. Рычаг 518 преобразует прямолинейное перемещение ведущего вала 148 во вращательное перемещение вала клапана 514.

В процессе работы, когда двигатель 146 вращает ведущий привод 160 в первом направлении 526 (например, по часовой стрелке) вокруг оси 528, ведущий привод 160 вращается вокруг резьбовой части 176 ведущего вала 148, перемещая ведущий вал 148 в первом прямолинейном направлении 530. Когда ведущий вал 148 перемещается в первом прямолинейном направлении 530, ведущий вал 148 приводит рычаг 518 во вращение в первом направлении 532 вокруг оси 534. Вращение вала клапана 514 в первом направлении 532 вокруг оси 534 приводит орган регулирования потока 506 во вращательное движение от уплотняющей поверхности 536 (например, в положение "Открыто"), открывая поток текучей среды через корпус клапана 504 между входной камерой 510 и выходной камерой 512.

Когда двигатель 146 вращает ведущий привод 160 во втором направлении 538 вокруг оси 528, ведущий привод 160 вращается вокруг резьбовой части 176 ведущего вала 148, перемещая ведущий вал 148 во втором прямолинейном направлении 540. Когда ведущий вал 148 движется во втором прямолинейном направлении 540, ведущий вал 148 заставляет рычаг 514 вращаться во втором направлении 542 вокруг оси 534. Вращение вала клапана 514 во втором направлении 542 вокруг оси 534 заставляет орган регулирования потока 506 вращаться в направлении уплотняющей поверхности 536 (например, в положение "Закрыто"), перекрывая или ограничивая поток текучей среды через корпус клапана 504 между входной камерой 510 и выходной камерой 512. Достигнув положения "Закрыто", двигатель 146 продолжает вращать ведущий привод 160 во втором направлении 538. Однако ведущий вал 148 достигает крайнего положения, когда орган регулирования потока 506 плотно прижат к уплотняющей поверхности 536. В результате, ведущий привод 160 продолжает вращаться во втором направлении 538 относительно ведущего вала 148 (например, неподвижного ведущего вала 148) и движется в осевом направлении к поджимающему элементу 186 вдоль оси 528 по отношению к промежуточной шестерне 158, сжимая или деформируя поджимающий элемент 186 механизма приложения нагрузки 184.

Хотя сопротивление обратному перемещению трансмиссии 150 и/или двигателя 146 удерживает рычаг 518 от вращения в первом направлении 532 вокруг оси 534, когда электрическое питание на двигатель 146 не подается, это сопротивление обратному перемещению трансмиссии 150 и/или двигателя 146 может не обеспечить адекватной или достаточной поджимающей нагрузки, чтобы предотвратить протечку текучей среды через канал 508, когда вращательный клапан 502 находится в положении "Закрыто". Например, давление текучей среды во входной камере 510 может вызвать протечку текучей среды между органом регулирования потока 506 и уплотняющей поверхностью 536, если поджимающая нагрузка, приложенная к органу регулирования потока 506, окажется недостаточной. Однако, когда поджимающий элемент 186 находится в сжатом или деформированном состоянии, он создает усилие, обеспечивающее адекватную или достаточную механическую поджимающую нагрузку для удержания органа регулирования потока текучей среды 506 в плотно прижатом состоянии к уплотняющей поверхности 536, когда электрическое питание не подается на двигатель 146, а орган регулирования потока 506 плотно прижат к уплотняющей поверхности 536. Иными словами, например, когда поджимающий элемент 186 находится в деформированном или сжатом состоянии, он обеспечивает усилие, существенно ограничивающее или предотвращающее протечку текучей среды, находящейся под относительно высоким давлением во входной камере 510, между органом регулирования потока 506 и уплотняющей поверхностью 536, а также через канал 508, когда орган регулирования потока текучей среды 506 плотно прижат к уплотняющей поверхности 536 и электрическое питание на двигатель 146 не подается.

Хотя в данном документе описан отдельный пример механизма, сфера применения настоящего патента им не ограничивается. Наоборот, настоящий патент охватывает все механизмы и изделия, подпадающие под действие приведенных далее статей формулы изобретения, как в буквальном понимании, так и в соответствии с доктриной эквивалентности.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к электроприводам (102) с внутренним механизмом приложения нагрузки для использования в регулирующих клапанах трубопроводов. Электрический привод, имеющий внутренний механизм приложения нагрузки, содержит корпус (136,138), образующий полость для установки приводной системы (144), и ведущий вал (148), функционально соединенный с приводной системой. Вращение приводной системы в первом вращательном направлении приводит ведущий вал в движение в одном прямолинейном направлении, а вращение приводной системы во втором вращательном направлении приводит ведущий вал в движение в направлении, прямо противоположном первому прямолинейному направлению. Поджимающий элемент (186) функционально соединен с приводной системой (144) таким образом, что по меньшей мере одна часть приводной системы движется в осевом направлении к поджимающему элементу, деформируя этот поджимающий элемент, когда ведущий вал (148) достигает крайнего положения, тем самым обеспечивая нагрузку на ведущий вал, когда электрическое питание на электрический привод (102) не подается. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Электрический привод, имеющий внутренний механизм приложения нагрузки, содержащий:
приводную систему и ведущий вал, функционально соединенный с приводной системой, при этом вращение приводной системы в первом вращательном направлении приводит к перемещению ведущего вала в первом прямолинейном направлении, а вращение приводной системы во втором вращательном направлении приводит к перемещению ведущего вала во втором прямолинейном направлении, прямо противоположном первому прямолинейному направлению, причем ведущий вал функционально соединен с органом регулирования потока клапана текучей среды; и
поджимающий элемент, функционально соединенный с приводной системой, при этом по меньшей мере одна часть приводной системы перемещается в осевом направлении к поджимающему элементу, деформируя его, когда ведущий вал достигает крайнего положения, обеспечивая приложение поджимающей нагрузки к органу регулирования потока при отключении питания электрического привода,
при этом поджимающий элемент находится в, по существу, недеформированном состоянии по мере того, как ведущий вал перемещается в направлении клапана текучей среды.

2. Электрический привод по п. 1, отличающийся тем, что ведущий вал функционально соединен с приводной системой на первом конце, при этом он функционально соединен с указанным органом регулирования потока на втором конце.

3. Электрический привод по п. 2, отличающийся тем, что ведущий вал достигает крайнего положения, когда орган регулирования потока текучей среды плотно прижат к седлу клапана текучей среды.

4. Электрический привод по п. 1, отличающийся тем, что приводная система имеет двигатель, функционально соединенный с ведущим приводом посредством промежуточной шестерни, расположенной между выходным валом двигателя и ведущим приводом.

5. Электрический привод по п. 4, отличающийся тем, что ведущий привод имеет резьбовое отверстие, в которое ввинчивается резьбовая часть ведущего вала.

6. Электрический привод по п. 5, отличающийся тем, что ведущий привод перемещается в осевом направлении относительно промежуточной шестерни, когда приводная система вращает промежуточную шестерню в первом вращательном направлении, а ведущий вал находится в крайнем положении.

7. Электрический привод по п. 4, отличающийся тем, что между ведущим приводом и поджимающим элементом расположен упорный подшипник.

8. Электрический привод по п. 1, отличающийся тем, что поджимающий элемент содержит пружину.

9. Электрический привод по п. 1, отличающийся тем, что поджимающий элемент расположен внутри корпуса приводной системы.

10. Электрический привод по п. 1, отличающийся тем, что поджимающий элемент образует одно целое с корпусом приводной системы.

11. Электрический привод по п. 10, отличающийся тем, что по меньшей мере одна часть корпуса изготовлена из гибкого материала для обеспечения усилия под действием приводной системы.

12. Механизм приложения нагрузки для использования с электрическим приводом, содержащий:
ведущий привод, функционально соединенный с приводной системой электрического привода, при этом ведущий привод может вращаться в первом и втором направлениях и перемещаться между первым положением и вторым положением прямолинейного движения, причем ведущий привод имеет корпус, содержащий взаимодействующую часть на первом конце корпуса и углубление на втором конце корпуса;
ведущий вал, функционально соединенный с ведущим приводом, при этом ведущий привод приводит ведущий вал в движение в первом прямолинейном направлении, когда ведущий привод вращается в первом направлении, и приводит ведущий вал в движение во втором прямолинейном направлении, когда ведущий привод вращается во втором направлении;
поджимающий элемент, расположенный между ведущим приводом и посадочной поверхностью так, что когда ведущий привод вращается в первом направлении и ведущий вал достигает крайнего положения в первом прямолинейном направлении, ведущий привод продолжает вращаться вокруг ведущего вала в первом направлении и перемещается в осевом направлении относительно ведущего вала из первого положения прямолинейного движения во второе положение прямолинейного движения, деформируя поджимающий элемент;
и упорный подшипник, расположенный между поджимающим элементом и ведущим приводом, причем этот подшипник по меньшей мере частично расположен в углубленной части ведущего привода.

13. Механизм приложения нагрузки по п. 12, отличающийся тем, что поджимающий элемент в деформированном состоянии обеспечивает приложение поджимающей нагрузки к органу регулирования потока текучей среды, плотно прижатому к седлу клапана текучей среды, когда электрическое питание на электрический привод не подается.

14. Механизм приложения нагрузки по п. 12, отличающийся тем, что приводная система имеет двигатель и промежуточную шестерню, функционально соединяющую двигатель с ведущим приводом.

15. Механизм приложения нагрузки по п. 12, отличающийся тем, что ведущий привод имеет резьбовое отверстие вдоль продольной оси корпуса для резьбового сцепления с ведущим валом.

16. Механизм приложения нагрузки по п. 12, отличающийся тем, что ведущий вал имеет корпус, содержащий углубление для скользящего соединения со штоком клапана и часть с наружной резьбой для резьбового соединения с ведущим приводом.

17. Механизм приложения нагрузки по п. 12, отличающийся тем, что поджимающий элемент содержит пружину.

18. Механизм приложения нагрузки для использования с электрическим приводом, содержащий:
средство для преобразования вращательного движения приводной системы в прямолинейное движение ведущего вала;
средство для создания поджимающей нагрузки на орган регулирования потока текучей среды клапана текучей среды, соединенное с ведущим валом, когда орган регулирования потока плотно прижат к седлу клапана текучей среды, а электрическое питание на двигатель не подается; и
средство для деформирования средства для создания поджимающей нагрузки, при этом средство для деформирования перемещает по меньшей мере одну часть средства для преобразования вращательного движения в осевом направлении относительно ведущего вала в направлении средства для создания поджимающей нагрузки,
причем средство для преобразования вращательного движения имеет промежуточную шестерню и ведущий привод, при этом вращение ведущего привода в первом вращательном направлении вызывает перемещение ведущего вала в первом прямолинейном направлении, а вращение ведущего привода во втором вращательном направлении вызывает перемещение ведущего вала во втором прямолинейном направлении,
при этом средство для создания поджимающей нагрузки имеет поджимающий элемент, расположенный между седлом пружины и ведущим приводом,
причем средство для деформирования вращает ведущий привод в первом вращательном направлении, когда ведущий вал достигает крайнего положения, приводя к перемещению ведущего привода прямолинейно в направлении к поджимающему элементу относительно промежуточной шестерни, а ведущий вал - к деформации поджимающего элемента.