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CN111425649A - 蜗簧储能复位伺服直驱式直行程快速关断执行机构 - Google Patents

蜗簧储能复位伺服直驱式直行程快速关断执行机构 Download PDF

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CN111425649A CN202010140083.XA CN202010140083A CN111425649A CN 111425649 A CN111425649 A CN 111425649A CN 202010140083 A CN202010140083 A CN 202010140083A CN 111425649 A CN111425649 A CN 111425649A
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赖少川
杨昌群
王永飞
赵升吨
牛道东
张晨
李炬森
高伟
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China Petroleum and Chemical Corp
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Xian Jiaotong University
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Abstract

本发明公开了一种蜗簧储能复位伺服直驱式直行程快速关断执行机构，包括动力机构、动力切换机构、传动系统和储能复位机构；所述动力机构带动传动系统实现行程输出；所述动力机构包括电力驱动系统和手动操作系统；所述动力切换机构用于实现电力驱动系统和手动操作系统之间的切换；所述储能复位机构用于当电力驱动系统失电时对电动执行机构进行关断；所述储能复位机构为蜗簧储能复位机构。本发明将“交流伺服直驱”和“蜗簧储能复位”的思想应用到传统电动执行器的设计过程中去，从而简化电动执行器的结构、优化电动执行器的使用过程、提高电动执行器的工作效率、降低电动执行器的能耗。

Description

蜗簧储能复位伺服直驱式直行程快速关断执行机构
技术领域
本发明涉及电动执行机构技术领域，具体涉及一种蜗簧储能复位伺服直驱式直行程快速关断执行机构。
背景技术
随着我国管道建设的快速发展，实现油气管道关键设备国产化的必要性日益迫切。油气管道关键设备国产化既是国家的要求，也是输油气企业降低建设和运营成本的需要，其国产化对于降低工程造价、打破国外的产品垄断和价格壁垒以及发展我们的民族产业、推动油气管道装备水平的提高具有重要意义。随着过程自动化控制过程中的安全要求与日俱增，尤其在石油石化系统对大口径阀的安全需求已十分迫切，而电动执行器作为大口径阀控制系统的终端执行机构，其工作的可靠性将直接影响到整个系统的性能水平和系统安全。
传统电动执行器主要包括固定壳体、电机、减速器、减速器输出轴、螺母、丝杠以及操控电机运行的控制系统组成。其工作原理主要是：通过控制系统操控电机运动，电机带动减速器工作，减速器输出轴与丝杠相连接，转动螺母从而实现直行程运动。但传统电动执行器存在以下缺点：①由于动力源来自于电力系统，当事故或者其它原因造成电力系统停电时，电动执行器不能将阀门动作到安全位置，从而造成人员伤亡和财产损失；②使用普通交流电机转速无法调节，且需要减速器来降低转速，结构复杂；③没有手轮装置，不能切换为手动模式操控行程上下；④使用螺母作为行程输出端，对于螺母的加工要求增高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种蜗簧储能复位伺服直驱式直行程快速关断执行机构，将“交流伺服直驱”和“蜗簧储能复位”的思想应用到传统电动执行器的设计过程中去，从而简化电动执行器的结构、优化电动执行器的使用过程、提高电动执行器的工作效率、降低电动执行器的能耗。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种蜗簧储能复位伺服直驱式直行程快速关断执行机构，其特殊之处在于：
包括动力机构、动力切换机构、传动系统和储能复位机构；
所述动力机构带动传动系统实现行程输出；
所述动力机构包括电力驱动系统和手动操作系统；
所述动力切换机构用于实现电力驱动系统和手动操作系统之间的切换；
所述储能复位机构用于当电力驱动系统失电时对电动执行机构进行关断；
所述储能复位机构为蜗簧储能复位机构。
进一步地，上述传动机构包括异形螺母、丝杠，异形螺母与丝杠之间螺纹连接。
进一步地，上述电力驱动系统包括中间定子结构盘式交流伺服电机，中间定子结构盘式交流伺服电机的动力输出端与异形螺母固连。
进一步地，上述手动操作系统包括包括手轮和减速器；
所述减速器包括行星齿轮组，行星齿轮组包括行星齿轮组太阳齿轮、行星齿轮组行星小齿轮和行星齿轮架，手轮与行星齿轮组太阳齿轮相连，行星齿轮组太阳齿轮与行星齿轮组行星小齿轮之间相啮合，行星齿轮架与行星齿轮组行星小齿轮配合。
进一步地，上述动力切换机构包括离合器接合套、拨叉，所述离合器接合套通过花键与异形螺母连接；离合器接合套可通过花键沿着异形螺母滑动，行星齿轮架可通过花键与离合器接合套结合传递扭矩，
拨叉与离合器接合套连接。
进一步地，还包括电磁抱闸制动电磁铁、电磁抱闸闸瓦制动器，所述电磁抱闸闸瓦制动器与异形螺母连接。
进一步地，还包括第一盘式电机外壳、第二盘式电机外壳；第一盘式电机外壳和第二盘式电机外壳固定连接；
中间定子结构盘式交流伺服电机和电磁抱闸制动电磁铁设置在第二盘式电机外壳内；
所述蜗簧储能复位机构包括蜗簧，所述蜗簧置于第二盘式电机外壳内并与其固连，同时蜗簧与异形螺母固连。
进一步地，上述中间定子结构盘式交流伺服电机包括盘式伺服电机中间定子、绕组、永磁铁组、盘式伺服电机转子轭，绕组安装于盘式伺服电机中间定子上，永磁铁组安装在盘式伺服电机转子轭上。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明使用了蜗簧储能机构，在本机构连接的阀门打开的情况下若突发事故或者其它原因造成电力系统停电，电磁阀失电打开，伺服电机内转矩为0时，蜗簧储能系统释放弹性势能将螺母反向转动，同时丝杠向上运动，从而关闭阀门，避免了人员伤亡和财产损失；
(2)本发明使用了中间定子结构盘式交流伺服电机，该电机结构紧凑，轴向尺寸短，占用体积小，该电机采用无铁心电枢结构，不存在普通圆柱式电机由于齿槽引起的转矩脉动，转矩输出平稳，该电机不存在磁滞和涡流损耗，可达到较高的效率，节省能源，该电机绕组电感小，具有良好的换向性能，该电机绕组两端面与气隙接触，利于散热，该电机为交流伺服驱动，可以调速直驱，避免了繁复的减速机构；
(3)本发明设计了离合器以实现自动和手动档位控制，当离合器向下拨动时，螺母仅与电机连接，此时为电动控制，当电机断电或失电时，将离合器拨向上方可将手轮以及行星齿轮组与螺母连接，从而实现手动控制，且采用行星齿轮组可以省力；
(4)本发明设计了丝杠作为作用端，可以降低在使用螺母作为作用端时的加工复杂性，而且可以节省空间。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的外形结构视图。
图3是本发明中间定子结构盘式交流伺服电机的正面三维线框图。
图4是本发明中间定子结构盘式交流伺服电机的正面剖视图。
图5是本发明手轮及行星齿轮组的正面三维线框图。
图中标号说明：1、第一盘式电机外壳，2、中间定子结构盘式交流伺服电机，3、异形螺母，4、丝杠，5、深沟球轴承，6、第一螺母，7、第二盘式电机外壳，8、第二螺母，9、电磁抱闸制动电磁铁，10、电磁抱闸闸瓦制动器，11、手轮，12、盘式电机端盖，13、第三螺母，14、行星齿轮组太阳齿轮，15、行星齿轮组行星小齿轮，16、齿圈，17、行星齿轮架，18、深沟球轴承，19、离合器接合套，20、拨叉，21、蜗簧，22、盘式电机底盖，23、第四螺母，24、盘式伺服电机中间定子，25、绕组，26、永磁铁组，27、盘式伺服电机转子轭。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
如附图1、图2、图3及图5所示，蜗簧储能复位伺服直驱式直行程快速关断执行机构，包括第一盘式电机外壳1、第二盘式电机外壳7，第二盘式电机外壳7内安装有中间定子结构盘式交流伺服电机2，中间定子结构盘式交流伺服电机2与异形螺母3相固连，异形螺母3与丝杠4之间螺纹连接，异形螺母3与第一盘式电机外壳1之间通过深沟球轴承5径向固定。第一盘式电机外壳1与第二盘式电机外壳7之间通过第一螺栓6连接，电磁抱闸制动电磁铁9与第二盘式电机外壳7之间通过第二螺栓8连接，电磁抱闸闸瓦制动器10与异形螺母3之间紧密配合。手轮11穿过盘式电机端盖12与行星齿轮组太阳齿轮14相连，电机端盖12通过第三螺栓13与第一盘式电机外壳1固连，行星齿轮组太阳齿轮14与行星齿轮组行星小齿轮15之间相啮合，行星齿轮组行星小齿轮15与齿圈16啮合，齿圈16安装在第一盘式电机外壳1内，行星齿轮架17与行星齿轮组行星小齿轮15固连，行星齿轮架17与第一盘式电机外壳1之间通过深沟球轴承18相连接，离合器接合套19和异形螺母3以及行星齿轮架17之间通过花键连接，拨叉20与离合器接合套19连接，拨叉20又与第一盘式电机外壳1连接。蜗簧21置于第二盘式电机外壳7内并与其固连，同时蜗簧21与异形螺母3固连，盘式电机底盖22通过第四螺栓23与第二盘式电机外壳7固连。
如附图3及图4所示，中间定子结构盘式交流伺服电机2，包括盘式伺服电机中间定子24，绕组25安装于盘式伺服电机中间定子24上，永磁铁组26安装在盘式伺服电机转子轭27上。
本发明的工作原理为：
(1)本发明采用中间定子结构盘式交流伺服电机2驱动丝杠4升降的具体原理为：
通过给盘式伺服电机中间定子24的绕组25通电，盘式伺服电机转子轭27转动，从而带动异形螺母3同步旋转，异形螺母3与丝杠4螺纹配合且不自锁，异形螺母3旋转带动丝杠4上下运动，从而完成上下动作。当中间定子结构盘式交流伺服电机2带动异形螺母3和丝杠4运动时，电磁抱闸制动电磁铁9断电，与电磁抱闸闸瓦制动器10分离，当中间定子结构盘式交流伺服电机2停止运动时，电磁抱闸制动电磁铁7通电，与电磁抱闸闸瓦制动器10抱合，异形螺母3与电磁抱闸闸瓦制动器10一起停止转动，从而实现丝杠4制动。
(2)本发明采用蜗簧储能系统实现快速关断的具体原理为：
当事故或者其它原因造成电力系统停电时，中间定子结构盘式交流伺服电机2和电磁抱闸制动电磁铁9同时失电，电机内无转矩，丝杠4和异形螺母3处于自由转动状态，下方蜗簧21所储弹性势能为异形螺母3提供反向转矩，异形螺母3带动丝杠4向上运动且带动盘式伺服电机转子轭27转动，从而实现失电后快速关断。蜗簧储能系统在安装时需要有预紧力，从而使得行程很小的情况下也有足够的转矩转动异形螺母3。
(3)本发明自动与手动档位切换的具体原理为：
当拨叉20位置为下时，离合器接合套19仅与异形螺母3通过花键连接，异形螺母3转动带动丝杠4上下移动，此时为电机控制档位，当电磁抱闸制动电磁铁9失电时，向上搬动拨叉20，从而切换为手动控制模式，此时转动手轮11，手轮11带动行星齿轮组太阳齿轮14转动，行星齿轮组太阳齿轮14带动行星齿轮组行星小齿轮15转动，行星齿轮组行星小齿轮15带动行星齿轮架17转动，行星齿轮架17通过花键与离合器接合套19连接，离合器接合套19通过花键与异形螺母3连接，异形螺母3转动带动丝杠4上下移动，从而实现省力的手动控制。
以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种蜗簧储能复位伺服直驱式直行程快速关断执行机构，其特征在于：
包括动力机构、动力切换机构、传动系统和储能复位机构；
所述动力机构带动传动系统实现行程输出；
所述动力机构包括电力驱动系统和手动操作系统；
所述动力切换机构用于实现电力驱动系统和手动操作系统之间的切换；
所述储能复位机构用于当电力驱动系统失电时对电动执行机构进行关断；
所述储能复位机构为蜗簧储能复位机构。
2.根据权利要求1所述的一种蜗簧储能复位伺服直驱式直行程快速关断执行机构，其特征在于：
所述传动机构包括异形螺母(3)、丝杠(4)，异形螺母(3)与丝杠(4)之间螺纹连接。
3.根据权利要求2所述的一种蜗簧储能复位伺服直驱式直行程快速关断执行机构，其特征在于：
所述电力驱动系统包括中间定子结构盘式交流伺服电机(2)，中间定子结构盘式交流伺服电机(2)的动力输出端与异形螺母(3)固连。
4.根据权利要求3所述的一种蜗簧储能复位伺服直驱式直行程快速关断执行机构，其特征在于：
所述手动操作系统包括包括手轮(11)和减速器；
所述减速器包括行星齿轮组，行星齿轮组包括行星齿轮组太阳齿轮(14)、行星齿轮组行星小齿轮(15)和行星齿轮架(17)，手轮(11)与行星齿轮组太阳齿轮(14)相连，行星齿轮组太阳齿轮(14)与行星齿轮组行星小齿轮(15)之间相啮合，行星齿轮架(17)与行星齿轮组行星小齿轮(15)配合。
5.根据权利要求4所述的一种蜗簧储能复位伺服直驱式直行程快速关断执行机构，其特征在于：
所述动力切换机构包括离合器接合套(19)、拨叉(20)，所述离合器接合套(19)通过花键与异形螺母(3)连接；离合器接合套(19)可通过花键沿着异形螺母(3)滑动，行星齿轮架(17)可通过花键与离合器接合套(19)结合传递扭矩，
拨叉(20)与离合器接合套(19)连接。
6.根据权利要求5所述的一种蜗簧储能复位伺服直驱式直行程快速关断执行机构，其特征在于：
还包括电磁抱闸制动电磁铁(9)、电磁抱闸闸瓦制动器(10)，所述电磁抱闸闸瓦制动器(10)与异形螺母(3)连接。
7.根据权利要求6所述的一种蜗簧储能复位伺服直驱式直行程快速关断执行机构，其特征在于：
还包括第一盘式电机外壳(1)、第二盘式电机外壳(7)；第一盘式电机外壳(1)和第二盘式电机外壳(7)固定连接；
中间定子结构盘式交流伺服电机(2)和电磁抱闸制动电磁铁(9)设置在第二盘式电机外壳(7)内；
所述蜗簧储能复位机构包括蜗簧(21)，所述蜗簧(21)置于第二盘式电机外壳(7)内并与其固连，同时蜗簧(21)与异形螺母(3)固连。
8.根据权利要求7所述的一种蜗簧储能复位伺服直驱式直行程快速关断执行机构，其特征在于：
所述中间定子结构盘式交流伺服电机(2)包括盘式伺服电机中间定子(24)、绕组(25)、永磁铁组(26)、盘式伺服电机转子轭(27)，绕组(25)安装于盘式伺服电机中间定子(24)上，永磁铁组(26)安装在盘式伺服电机转子轭(27)上。
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