DE2437778A1 - Motorisch betaetigtes ventil mit einer drehmomentsbegrenzenden bremse - Google Patents

Description

Dipl. Ing. Karl A. Brose
Dipl.Ing. D. KgH Brose

D-8023 München-Pullach WienerSlr.2j.Mdm.7f3O57O,793i712

DBR/sta - 82836 München-Pullach, den 2. Aug. 1974

ROTORK LIMITED, Brassmill Lane, Lower Weston, Bath, Somerset, England

Motorisch betätigtes Ventil mit einer drehmomentsbegrenzenden Bremse

Die Erfindung betrifft eine motorisch betätigte Vorrichtung, insbesondere ein Ventil, mit einer drehmomentsbegrenzenden Bremse.

Die einem motorisch betriebenen Ventil zugeführte Setzkraft wird normalerweise durch die mit Drehmomentsbegrenzung bezeichnete Größe gesteuert, wobei die Drehmomentsreaktion in der Betätigungseinrichtung verwendet wird, um die Kraft zum Antriebsmotor abzuschalten, wenn ein voreingestellter Drehmoment swert erreicht ist.

Ein typischer Betätigungsmechanismus kann eine Schnecke und ein Schneckenrad enthalten, wobei die Welle der Schnecke sich in Axialrichtung gegen Federn bewegen kann, und die Auslenkung der Welle ein Maß für das aufgebrachte Drehmoment darstellt. Die resultierende Auslenkung oder Bewegung kann verwendet werden, um einen Elektromotor mittels eines Drehmomentsgrenzschalters und eines Schaltschützes auszuschalten oder um einen medienbetriebenen Motor über ein zweckdienliches Ventilsystem abzuschalten. Es tritt unvermeidbar eine geringe Verzögerung zwischen der Erfassung des Drehmomentes und dem Abschalten des Motors auf, was von den Reaktionszeiten der betreffenden Schal-

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ter der Ventile abhängt, was dazu führt, daß das auf das Ventil aufgebrachte Drehmoment höher ist als das, bei dem die Drehmomentsgrenze eingestellt wurde. Die Größe dieser Drehmomentsüberschreitung hängt offensichtlich von den auftretenden Zeiten und ferner von der Geschwindigkeit ab, mit der beim Aussetzen des Ventiles das Drehmoment zunimmt. Dies wiederum ist eine Punktion der Arbeitsgeschwindigkeit des motorisch angetriebenen Ventiles und seiner Starrheit, und der Unterschied wird bei hohen Arbeitsgeschwindigkeiten und Hochdruckventilen besonders bedeutsam.

Die Drehmomentsbegrenzung wird ferner dadurch unwirksam gemacht, daß die Bauteile nicht richtig miteinander verbunden sind, und bei Elektromotoren dadurch, daß die Phasendrehung nicht richtig ist. In derartigen Fällen wird der Motor gegen das geschlossene Ventil abgewürgt, so daß die Möglichkeit von Beschädigungen besteht, insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten, wenn die kinetische Energie der beweglichen Teile plötzlich abgebaut werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schutz für das Ventil zu schaffen, indem der Motor durch Anziehen einer Bremse daran gehindert wird, ein zu großes Drehmoment abzugeben. Die Drehmomentsreaktionskraft des Betätigungsmechanismus wird verwendet, um die Bremse direkt anzuziehen, sobald ein Drehmoment, höher als der erforderliche Wert, erfaßt wird. Hierdurch wird jegliche Verzögerung beim Anziehen der Bremse vermieden, wie derartige Verzögerungen beispielsweise auftreten, falls ein Elektromotor mit einer elektromagnetischen Bremse ausgerüstet wird, da in diesem Falle die oben bereits erwähnten Verzögerungen beim Abschalten in gleichem Maße das Anziehen der Bremse verzögern, und diese daher ihren Zweck nicht erfüllen kann.

Nach ihrem weitesten Gesichtspunkt schafft die Erfindung einen motorisch angetriebenen Betätigungsmechanismus, welcher eine Einrichtung zum Erfassen des Drehmomentes und zum Ableiten einer mechanischen Bewegung hiervon aufweist, wobei die mecha-

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_ 3 —

nische Bewegung verwendet wird, um eine mechanisch wirksame Bremse anzuziehen, wenn ein voreingestelltes Drehmoment überschritten wird. Bei einem bevorzugten Anwendungsfall der Erfindung verwendet der Betätigungsmechanismus einen Schnecken- und Schneckenradantrieb, beispielsweise zu einem Ventil, und eine Bremsscheibe ist an der Welle der Schnecke derart angebracht, daß sie in Berührung mit einem Bremsbelag gebracht wird, wenn die Auslenkung der Welle einen voreingestellten Wert in beiden Richtungen überschreitet, so daß ein überschüssiges Motordrehmoment folglich direkt durch die Bremse absorbiert wird und dem Ventil über den Betätigungsmechanismus in dem Falle einer verzögerten Abschaltung der Kraftquelle nicht mitgeteilt wird.

Zwischen der Welle der Schnecke und der Bremsscheibe kann ein Spielraum als toter Gang eingeführt werden, so daß, wenn die Bremse angezogen wurde, eine umgekehrte Bewegung des Motors nicht gegen die Reibung der Bremse erfolgt, und der Motor sein volles Anlaufdrehmoment in Öffnungsrichtung abgeben kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer in den Zeichnungen beispielhaft veranschaulichten Ausführungsform als Teil eines Betätigungsorgans eines Ventiles näher erläutert. Das Betätigungsorgan des Ventils ist in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht. Es zeigt:

Figur 1 eine Schnittansicht des Ventilbetätigungsorgans längs der Linie A-A von Figur 2;

Figur 2 eine Draufsicht des Betätigungsorgans nach Figur 1;

Figur 3 eine Schnittansieht längs der Linie B - B in Figur 2, welche den Bremsmechanismus in vergrößertem Maßstab veranschaulicht; und

Figur 4 eine perspektivische Ansicht in auseinandergezogener Anordnung der Antriebskupplung für die Bremsscheibe.

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In den Figuren 1 und 2 ist das Betätigungsorgan für Ventile von derjenigen Art, wie es in der deutschen Patentanmeldung P 23 13 895.6 der Anmelderin beschrieben ist. Kurz zusammengefaßt besteht das Betätigungsorgan 10 aus einem Hauptgehäuse 11, dessen unterer Teil 12 mit einem Auslaß 13 darin für das Unterende der Hauptausgangswelle 14, die als Hohlwelle ausgebildet ist, des Betätigungsorgans versehen ist, welche senkrecht in dem Gehäuse 11 angeordnet ist. Das Unterende der Welle 14 außerhalb des Gehäuses 11 ist mit einem kombinierten Radial- und Drucklager 15 versehen, welches Druckkräfte aus Bewegungen der Ausgangswelle 14 in beiden Richtungen aufnehmen kann. Eine Hülse 18 ist gewindemäßig über der Außenfläche der Ausgangswelle 14 angeordnet und mit einem nach innen gerichteten Endflansch 20 versehen, welcher einen Mutternteil 21 in sexner Lage im Innern des Endes der hohlen Ausgangswelle hält. Der Mutternteil ist mit einem Innengewinde oder mit inneren Keilnuten versehen, welche für den Eingriff mit der Ventilspindel (nicht dargestellt) vorgesehen sind.

Die hohle Ausgangswelle 14 ist über ihre im Innern des Gehäuses 11 befindliche Länge mit einem Kupplungsteil 26 versehen, welcher auf der Welle 14 für eine Axialbewegung relativ zu dieser gleitbar gelagert ist, welcher jedoch durch eine Paßfedernverbindung oder dergleichen mit der Welle verbunden ist, um gemeinsam mit dieser zu drehen. Der Kupplungsteil 26 ist zwischen zwei Stellungen hin- und herbeweglich, wobei er in einer dieser Stellungen die Ausgangswelle 14 mit einem Elektromotor (Figur 2) für eine kraftgetriebene Arbeitsweise verbindet und in der anderen Stellung er die Ausgangswelle 14 für eine Handbetätigung über ein Handrad 28 mit diesem verbindet, welches außen oben auf dem Gehäuse 11 gelagert ist. Der Elektromotor 27 zum Kraftantrieb ist in einem waagerecht angeordneten Gehäuse 29 gelagert, welches von dem Hauptgehäuse 11 ausgeht. Der Motor 27 ist umkehrbar, und die Antriebswelle 31 verläuft durch eine Wandung 32 in das Hauptgehäuse 11, wobei das andere Ende 33 der Welle 31 mit einer Schnecke 34 versehen ist, die in antriebsmäßigem Eingriff mit einem Schneckenrad 35 steht, das

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frei um die Hohlwelle 14 drehbar gelagert und auf einer waagerechten Wandung oder Platte 36 abgestützt ist.

Das gegenüberliegende Ende 37 der Motorwelle 31 erstreckt sich von dem Motor 27 in. ein kleines Zusatzgehäuse 38» in. welchem ein Lager 40 gegenüber der Trennwandung 4I angeordnet ist. Das Lager 40 trägt die Verlängerung 37 der Motorwelle 31» welche einen verringerten Durchmesser aufweist und somit eine Schulter 42 bildet. Eine Scheibenfederpackung 43 oder eine Schraubenfeder ist zwischen der Schulter 42 unter Zwischenordnung einer Scheibe 48 und der benachbarten Seite des Lagers 40 angeordnet, und eine zweite Scheibenfederpackung 44 oder Schraubenfeder ist zwischen der anderen Seite des Lagers 40 und einem Kupplungsteil 45 angeordnet, welcher auf der Welle 37 durch einen Stift 46 gehalten ist. Der Kupplungsteil 45 bildet einen Teil einer drehmomentsbegrenzenden Bremsanordnung 47» die im folgenden näher erläutert wird.

Die beiden Federn 43 und 44 werden wirksam, um die Motorwelle 31 zu zentrieren, während eine Axialbewegung der Welle 3I in. der einen -oder anderen axialen Richtung in Abhängigkeit von der Drehrichtung des Motors auf ein bestimmtes Drehmoment hin aufgrund des Widerstandes des Ventiles gegenüber einer Bewegung möglich bleibt. Diese Axialbewegung der Motorwelle 31 wird normalerweise verwendet, um Drehmomentsschalter in einer Steuereinheit (nicht dargestellt) zu betätigen, die beispielsweise zum Abschalten des Motorkreises dienen.

Der Kupplungsteil 26 weist einen Ring oder eine Hülse 49 auf, welche innerhalb eines Paares von U-förmigen Antriebsteilen oder Paßfedern 50 (vergleiche Figur 1) gelagert ist. Die Antriebsteile oder Paßfedern 50 sind bezüglich des Kupplungsringes 49 einander diametral gegenüberliegend angeordnet, und der Basisabschnitt eines jeden U-förmigen Antriebsteiles oder Paßfeder 50 ist senkrecht ausgerichtet und steht in gleitendem Eingriff mit einer senkrechten oder axialen Paßnut 51 (vergleiche Figuren 2 und 3) in der Oberfläche der Ausgangswelle 14.

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Die oberen waagerecht gerichteten Arme 52 der .Antriebsteile oder Paßfedern sind je in radialen Schlitzen 53 in der oberen Fläche 49^f des Kupplungsringes 49 angeordnet, um somit eine drehende Relativbewegung zu verhindern (vergleiche Figuren 1 und 2).

Der Kupplungsring 49 ist folglich axial beweglich auf der Ausgangswelle 14 gleitbar mittels der Antriebsteile oder Paßfedern 50 gelagert, welche normalerweise durch eine als Schraubenfeder ausgebildete Druckfeder 54 nach unten in Eingriff mit der oberen Fläche des Schneckenrades 35 gedrückt sind. Das Schneckenrad 35 ist auf seiner oberen Fläche mit Antriebsklauen oder Vorsprüngen (nicht dargestellt) versehen, um dadurch die Drehbewegung des Schneckenrades 35 der Ausgangswelle 14 durch Eingriff mit den unteren waagerecht gerichteten Armen 56 der Antriebsteile oder Paßfedern 50 mitzuteilen, wenn der Motor 27 betätigt wird.

Die untere Kantenfläche der Handradnabe 58 ist mit zwei einander diametral gegenüberliegenden Antriebsschrauben 61 auf dieser unteren Kantenfläche versehen, welche dazu dienen, antriebsmäßig in Eingriff mit den oberen Armen 52 der Antriebsteile oder Paßfedern 50 des Kupplungsteiles 26 zu gelangen, wenn der Kupplungsteil gleitbar nach oben gegen seine dazugehörige Feder bewegt wird. Wenn der Kupplungsteil 26 in seiner höchsten Stellung gehalten wird, wird die Drehung des Handrades 28 eine Drehbewegung über die Antriebsteile oder Paßfedern 50 und den Kupplungsring 49 auf die Ausgangswelle 14 übertragen. Die Bewegung des Kupplungsteiles 26 in seine höchste Stellung oder Handbetriebsstellung wird von Hand durch die Bedienungsperson eingestellt, indem ein kurbeiförmig ausgebildeter Handhebel 62 betätigt wird. Der Handhebel 62 enthält eine Hubeinrichtung, welche mit der geneigten Oberfläche des Kupplungsteiles 26 in Eingriff gelangt. Der Kupplungsteil wird in der Handbetriebsstellung mittels einer Klaue gehalten, wie dies in der deutschen Patentanmeldung Nr. P 23 13 895.6 der Anmelderin beschrieben ist.

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Wie aus den Figuren 3 und 4 der Zeichnungen ersichtlich, weist die drehmomentsbegrenzende Bremsanordnung eine Lagerplatte 65 auf, die mittels Schrauben 66 an dem Zusatzgehäuse 38 befestigt ist. Die Platte 65 ist mit einer ringförmigen Verlängerung 67 versehen, welche in das Gehäuse vorsteht, um in Eingriff mit dem Lager 40 zu gelangen und dieses hierdurch in seiner Einbaulage zu halten.

Ein zylindrischer Körperteil oder Gehäuse 68 ist an der Platte 65 angebracht. Das Gehäuse 68 ist bei 69 mit einem Innengewinde versehen, um gewindemäßig ein Paar von Ringen 70, 71 zu lagern, deren äußere Umfangsflächen Gewinde aufweisen, die in das Innengewinde 69 des Gehäuses 68 passen.

Die Ringe 70, 71 tragen ringförmige Bremsbeläge 72 bzw. 73, die an den Ringen mittels Schrauben 74 befestigt sind.

Eine Bremsscheibe 75 ist zwischen den Bremsbelägen 72, 73 angeordnet und an dem Ende der Welle 37 mittels des Kupplungstei— les 45 befestigt. Die Bremsanordnung ist in Figur 4 der Zeichnungen näher veranschaulicht, und es ist ersichtlich, daß der Kupplungsteil 45 an seinem Ende mit einem Paar vorstehender Antriebszapfen 76 versehen ist, die je in einen als 45 ^Ausschnitt ausgebildeten Schlitz 77 in der Bremsscheibe 75 eingreifen, wobei die Breite der Zapfen in Umfangsrichtung kleiner ist als die der Schlitze, um dadurch eine begrenzte Drehbewegung der Welle 37 bezüglich der Bremsscheibe 75 zuzulassen.

Die Bremsscheibe 75 ist in ihrer Lage auf den Zapfen 76 des Kupplungsteiles mittels eines Bolzens 78 gehalten, welcher gewindemäßig in eine mit Innengewinde versehene Bohrung 79 im Kupplungsteil 45 eingreift. Der Kopf des Bolzens 78 steht über eine ebene Scheibe 80 und eine Sicherungsscheibe 81 in Eingriff mit der benachbarten Fläche der Scheibe 75, so daß die Relativbewegung zwischen der Scheibe 75 und dem Teil 45 in der oben erwähnten Weise möglich ist. Die Sicherungsscheibe 81 kann jedoch auch weggelassen werden, falls die Zapfen 76 eine größere Länge

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als die Dicke der Scheibe 75 aufweisen, wobei dann die Scheibe 80 fest gegen die Zapfen mittels des Bolzens 78 angezogen wird, um hierdurch der Scheibe einen ausreichenden axialen Zwischenraum für eine Drehung bezüglich des Teiles 45 zu geben. Die Scheibe 75 ist auf einem glatten Abschnitt 82 des Bolzens 78 drehbar gelagert.

Im Betrieb wird, während sich die Schneckenwelle 31 in der einen oder anderen Richtung aufgrund der Drehmomentsreaktion bewegt, die Bremsscheibe 75 in Berührung mit einem der Bremsbeläge 70 bzw. 71 gebracht, um eine weitere Drehung der Welle zu beenden. Die Größe der für den Eingriff der Bremsscheibe 75 mit einem der Bremsbeläge erforderlichen Axialbewegung wird durch die Einstellung der Ringe 70 und 71 in dem mit Gewinde versehenen Gehäuse 68 festgelegt. Die Einstellung des Bremsbelages 73 wird durch drei Setzschrauben 83 mit Riegelmuttern 84 verriegelt, während die Einstellung des Bremsbelages 72 durch den Ring 85 verriegelt wird, welcher gleichfalls gewindemäßig in dem Gehäuse 68 aufgenommen ist. Die Bremsanordnung wird dann mittels einer Deckplatte 86 abgedichtet.

Falls die Bremsscheibe 75 fest an dem Kupplungsteil 45 befestigt wäre, müßte der Motor 27 beim Wiederanlaufen die Anfangsreibung der Scheibe 75 und des Bremsbelages überwinden. Die in Figur 4 veranschaulichte Kupplungsanordnung schafft jedoch einen Spielraum als toter Gang für die Drehbewegung zwischen der Scheibe 75 und dem Kupplungsteil 45» welcher es ermöglicht, daß die Schneckenwelle 31 sich einen Teil einer Umdrehung drehen kann, ehe sich die Scheibe 75 dreht. Durch diese Bewegung kann sich die Welle 31 axial aus der Stellung zurückbewegen, in der die Scheibe 75 und der Bremsbelag miteinander in Eingriff stehen, ehe die Scheibe 75 sich drehen muß, wodurch die Reibungsbelastung aufgehoben wird.

Obwohl im vorstehenden die Erfindung in einem Anwendungsfall auf ein Ventilbetätxgungsorgan mit einem elektromotorischen Antrieb beschrieben wurde, ist es offensichtlich, daß die Erfin-

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dung in Verbindung mit anderen drehenden motorischen Antrieben verwendbar ist, bei denen eine Axialbewegung einer Schneckenwelle zum Erfassen des Drehmomentes verwendet wird. In ähnlicher Weise kann jedes andere Übertragungsgetriebe, welches, einen mechanisch wirksamen Erfassungsmechanismus für das Drehmoment aufweist, in welchem die Drehmomentsreaktionskraft gegen einen federnd nachgiebigen Teil eine Bewegung hervorruft, abgewandelt werden, um die mechanische Bremse des motorischen Antriebs anzuziehen. Einige Beispiele derartiger Mechanismen sind:

a) ein schrägverzahntes Stirnradgetriebe, bei dem sich eines der Stirnräder axial gegen Federn bewegen kann, oder

b) ein epicyclisches oder Planetengetriebe, bei dem die Drehmomentsreaktionskraft des Steges gegen Federn verwendet wird, um eine Bremse anzuziehen.

Die vorliegende Erfindung ist besonders zweckdienlich bei mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden Ventilbetätigungsorganen bei Atomreaktoren, bei denen ein überaus großer Spielraum des vorhandenen Motordrehmomentes erforderlich ist, um eine Betätigung unter Bedingungen verringerter Spannung zu garantieren.

Sämtliche der in der Beschreibung erwähnten und in den Zeichnungen erkennbaren technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.

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Claims (7)

Patentansprüche

1. Motorisch betätigtes Ventil mit einer drehmomentsbegrenzenden Bremse mit Einrichtungen zum Erfassen des Drehmomentes und Ableiten einer mechanischen Bewegung, dadurch gekennzeichnet, daß eine mechanisch wirksame Bremse (47) vorgesehen ist, welche durch die mechanische Bewegung betätigbar und anziehbar ist, wenn ein voreingestelltes Drehmoment überschritten wird.

2. Motorisch betätigtes Ventil mit einem Betätigungsmechanismus nach Anspruch 1, welches eine Getriebeschnecke und ein Schneckenrad aufweist, wobei die Getriebeschneckenwelle in Axialrichtung gegen eine Feder in Abhängigkeit von einer Drehmomentsreaktionskraft bewegbar ist, und die Bewegung der Welle verwendet wird, um den Antriebsmotor abzuschalten, dadurch gekennzeichnet, daß" eine Bremsscheibe (75) an der Schneckenwelle (31) befestigt und in Eingriff mit einem Bremsbelag (72, 73) bringbar ist, wenn die Verschiebung der Welle (31) einen vorbestimmten Wert in einer der beiden Richtungen überschreitet.

3. Motorisch betätigtes Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneckenrad (35) an einer Ausgangswelle (14) antriebsmäßig angeschlossen ist, und daß der Antriebsmotor (27) auf der Schneckenwelle (31) in einem Motorgehäuse (29) gelagert ist, welches an dem Gehäuse (11) des Betatigungsorgans befestigt ist.

4. Motorisch betätigtes Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneckenwelle (31) in eine Bremsanordnung (47) reicht, die an dem Motorgehäuse (29) befestigt ist, und daß die Bremsanordnung (47) ein Gehäuseteil (68) aufweist, welches zwei einstellbare Bremsbeläge (72, 73) lagert.

5. Motorisch betätigtes Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß die von der Schneckenwelle (31) getragene Bremsscheibe (75) zwischen den einstellbaren Bremsbelägen (72, 73) angeordnet ist, daß der Gehäuseteil (68) mit einem Innengewinde (69) versehen ist, und daß die Bremsbeläge (72, 73) auf einstellbaren Ringen (70, 71) angeordnet sind, welche in gewindemäßigem Eingriff in dem Gehäuseteil (68) gelagert sind.

6. Motorisch betätigtes Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbaren Ringe (70, 71) mit Verriegelungseinrichtungen (83, 84, 85) ausgestattet sind.

7. Motorisch betätigtes Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneckenwelle (31) mit axial gerichteten Antriebszapfen (76) ausgebildet ist, welche in Schlitze (77) in der Bremsscheibe (75) eingreifen, daß die Schlitze (77) in Umfangsrichtung eine Breite aufweisen, die größer ist als die Breite des entsprechenden Antriebszapfens (76), und daß die Bremsscheibe (75) in ihrer Einbaulage auf den Antriebszapfen (76) durch einen Verbindungsbolzen (78) gehalten ist.

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