DE69810097T2

DE69810097T2 - Federbelastete rückstellvorrichtung für einen drehventilantrieb

Info

Publication number: DE69810097T2
Application number: DE69810097T
Authority: DE
Inventors: Wayne Eggleston
Original assignee: Fisher Controls International LLC
Current assignee: Fisher Controls International LLC
Priority date: 1997-04-25
Filing date: 1998-04-17
Publication date: 2003-09-11
Anticipated expiration: 2018-04-18
Also published as: JP2001524190A; WO1998049480A1; EP0975907A1; EP0975907B1; AU7135098A; JP4425353B2; US6000675A; DE69810097D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Fluiddurchflußsteuereinrichtungen und speziell Drehschieber-Stellantriebe für Fluiddurchflußventile.

Hintergrund der Erfindung

Eine Vielzahl von verschiedenen Fluiddurchflußsteuerventilen und entsprechenden Ventilstellantrieben wird für die Ein-/Aussteuerung oder Drosselung des Fluiddurchflusses etwa in Gas- oder Ölleitungssystemen oder anderen Prozeßfluidsystemen verwendet. Die Fluiddurchflußsteuerventile sind typischerweise Gleitspindelsteuerventile oder Drehsteuerventile, die von einem Ventilbetätiger oder -stellantrieb wie etwa einem pneumatischen Kolben oder einem Membranbetätiger betätigt werden, der auf das Ausgangssignal eines Ventilpositionierers oder Ventilsteuerungsgeräts anspricht, um eine präzise Drosselungssteuerung des Ventils auszuführen.
Im Fall von Drehsteuerventilen verwenden diese Einheiten typischerweise ein Durchflußsteuerelement in Form einer drehbaren Kugel, eines drehbaren Kugelsegments oder eines drehbaren Klappenelements. Die Drehbewegung des Durchflußsteuerelements öffnet und schließt den Ventilkörper oder -stopfen.
Ventilstellantriebe zur Steuerung von solchen Drehsteuerventilen verwenden typischerweise eine bewegliche Membran, die mit einer Stange in der Membranmitte verbunden ist, siehe beispielsweise US-A-4 261 546. Die Bewegung der Membran verlagert die Stange linear und erfordert somit eine Umwandlung der Linear- in eine Drehwirkung. Ein Ende eines drehbaren Verbindungsarms ist an dem drehbaren Ventilschaft befestigt, und das andere Ende des Verbindungsarms ist mit der Membranstange gekoppelt. Die Linearbewegung der Membran bewegt den Verbindungsarm und bewirkt dadurch eine Drehbewegung in dem Ventilschaft, der letztlich mit dem drehbaren Durchflußsteuerelement in dem Fluidsteuerventil verbunden ist.
Diese derzeit verfügbaren Drehschieber-Stellantriebe verwenden viele Komponenten, von denen einige in der Fertigung eine zeitaufwendige und teure maschinelle Bearbeitung benötigen. Hersteller und Anwender von Drehschieber-Stellantrieben müssen eine große Anzahl von Teilen auf Lager nehmen und ferner eine zunehmende Anzahl von teuren, maschinell bearbeiteten Ersatzteilen für die Reparatur und die Auswechslung auf Lager haben.
Es ist daher erwünscht, die Anzahl von Teilen sowie auch die Anzahl von zeitaufwendigen und teuren maschinell bearbeiteten Teilen eines Drehschieber-Stellantriebs so zu verringern, daß dadurch die Fertigungskosten gesenkt und die notwendige Lagerhaltung sowohl beim Hersteller als auch beim Anwender verringert wird. Ferner soll ein Drehschieber-Stellantrieb mit verminderter Größe und geringerem Gewicht bereitgestellt werden, der ferner die Fähigkeit hat, viele verschiedene Drehschieber zu betätigen, um die Anzahl von erforderlichen Drehschieber-Stellantrieben zu verringern.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Drehschieber-Stellantrieb entsprechend dem Anspruch 1 angegeben. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Ein bevorzugter Drehschieber-Stellantrieb der vorliegenden Erfindung weist einen Gleitzylinder oder -behälter auf, der von einer druckbeaufschlagten Blase betätigt wird, was einer rollenden Membran-/Blasenkraft ermöglicht, den gleitenden Behälter linear zu bewegen. Ein zylindrisch geformter Hebel ist über flexible Behälter-/Hebel-Verbindungsglieder mit dem gleitenden Behälter an einer Seite des Hebels verbunden. Die Linearbewegung des gleitenden Behälters und die resultierende Zugspannung der Behälter-/Hebel-Verbindungsglieder wird in eine Drehbewegung des Hebels um seine Zylinderachse umgewandelt.
Gegenüber dem Gleitbehälter und an der anderen Seite des drehbaren Hebels ist eine Rückstellfeder vorgesehen, die an dem Hebel mit flexiblen Feder-/Hebel- Verbindungsgliedern angebracht ist. Die Feder ist auf eine vorbestimmte Last vorkomprimiert, so daß die Zugspannung der Feder-/Hebel-Verbindungsglieder die Tendenz hat, den Hebel in Richtung der Feder zu drehen und gleichzeitig einen nichtbetätigten Gleitbehälter zu dem Hebel hin und in Anlage an einen einstellbaren Bewegungsanschlag für das Behälterunterende zu ziehen.
Wenn der pneumatische Druck in die Blase eingeleitet wird, drängt der Druck den Gleitbehälter von dem Hebel weg und dreht dadurch den Hebel in Richtung des Gleitbehälters. Die Bewegung des Gleitbehälters nach oben wird von einem einstellbaren Bewegungsanschlag für das obere Behälterende begrenzt, der mit einer Anschlagklinke ausgefluchtet ist, die sich von dem Hebel erstreckt. Wenn sich der Hebel dreht, gelangt er mit dem Anschlag in Berührung. Wenn der Gleitbehälter den Hebel dreht, wird dadurch die Feder zusammengedrückt und hält dem Zug von dem Gleitbehälter stand. Wenn der Druck von der Blase aufgehoben wird, zieht die Feder den Gleitbehälter zurück nach unten in Anlage an den Bewegungsanschlag für das untere Behälterende.
Die jeweiligen Verbindungsglieder zwischen dem Hebel und dem Gleitbehälter auf der einen Seite und zwischen dem Hebel und der Feder auf der anderen Seite des Hebels können flexibel oder starr sein. Flexible Verbindungsglieder können beispielsweise aus Kettenmaterial/ Seilen usw. gebildet sein. Starre Verbindungsglieder können aus gekoppelten Stangen, Zahnstangenelementen usw. gebildet sein. Bei Verwendung von flexiblen Verbindungsgliedern ist die Hebelarmlänge immer in derselben Entfernung vom Mittelpunkt des Hebelarms während seiner Drehung um 90º. Dagegen wird bei starren Verbindungsgliedern die Hebelarmlänge um 30º am Ende des Bewegungswegs des Hebelarms reduziert. Ferner erzeugen die flexiblen Verbindungsglieder eine konstante Drehkraft über die gesamte 90º-Rotation des Hebels, was gegenüber den starren Verbindungsgliedern erwünscht ist, die über die gesamte Hebelrotation eine variable Drehkraft erzeugen.
Ein deutlicher Vorteil wird durch die Anbringung des drehbaren Hebels zwischen dem Gleitbehälter auf der einen Seite und der Rückstellfeder auf der anderen Seite des Hebels in einer "Zug-Zug"-Konfiguration mit konstanter mechanischer Spannung erreicht. Da die Feder separat von dem Gleitbehälter angebracht ist, kann der Hebelarm für die Feder dadurch kürzer sein im Vergleich mit dem Hebelarm für den Gleitbehälter. Ein kürzerer Hebelarm verkürzt den Federweg und verringert dadurch wiederum die Höhe der Feder, wodurch das Stellantriebsprofil kleiner, das Gewicht des Stellantriebs geringer und die Konstruktion des Stellantriebs billiger wird.
Die Zug-Zug-Konfiguration des Ventilstellantriebs mit konstanter mechanischer Spannung gemäß der vorliegenden Erfindung nimmt jegliches Spiel aus den Verbindungsgliedern, die den Gleitbehälterzylinder, den drehbaren Hebel und die Rückstellfeder verbinden. Dagegen führt bei normalen Konfigurationen von Verbindungsgliedern in Stellantrieben die ständige Wechselbeanspruchung der beweglichen Stellantriebskomponenten zu Verschleiß, und schließlich stellt sich ein unerwünschtes Spiel ein. Bei der vorliegenden Erfindung wird durch das Zug-Zug-Merkmal mit konstanter Zugspannung zwischen dem Gleitbehälter und der Feder mit dem dazwischen befindlichen drehbaren Hebel nicht nur das Totgangproblem bekannter Stellantriebe beseitigt, sondern es wird auch die Notwendigkeit für die Bereitstellung von präzisionsgekoppelten Teilen beseitigt, da sämtliche zusammengehörenden Teile unter Zugspannung gehalten werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind der Gleitbehälter und die Feder um 180º beabstandet, sind hintereinander bzw. inline angeordnet und halten einander durch die Verbindungsglieder stand. Die durch die Verbindungsglieder des Gleitbehälters auf den Hebel und von dem Hebel auf die Federverbindungsglieder übertragenen Zugkräfte minimieren die Belastung der Hebellager und dadurch den Verschleiß der Lager. Da die Verbindungsglieder unter Zugspannung stehen, wird ferner auch das Stellantriebsgehäuse unter Kompression gebracht, und es ist vorteilhafter, das Gehäusematerial unter Kompression als unter Zugspannung zu haben. Da die Teile des Gehäusematerials unter Kompression sind, ist ferner nur eine geringstmögliche Anzahl von Befestigungselementen notwendig, um die Gehäuseteile zuverlässig zusammengebaut zu halten.
Eine Rückstellfeder, Federendkappen und Federverbindungsglieder werden vormontiert, um eine Federkartusche zu bilden. Die Federkartusche kann dann als Einheit in dem Gehäuse angebracht werden. Dadurch wird sichergestellt, daß die Federverbindungsglieder nicht beschädigt werden, wenn die Feder vorbelastet wird, und eine gute Ausfluchtung der Verbindungsglieder mit dem Hebel ist sichergestellt, und ferner werden Sicherheitsprobleme beim Anwender während der Montage der Stellantriebskomponenten verringert.
Die Verbindungsglieder zwischen dem Hebel und dem Gleitbehälter werden mit der Seitenwand des Gleitbehälters verbunden, wodurch die Gesamtanordnung vereinfacht wird. Diese Verbindung verringert die Anzahl von Teilen, die erforderlich sind, um die Zugkraft auf den drehbaren Hebel zu übertragen, wodurch Größe, Gewicht und Kosten des Stellantriebs reduziert werden.
Ein Ventilpositionierer oder ein Ventilsteuergerät ist direkt an dem Stellantrieb anbringbar. Die Verwendung eines Gleitbehälters erlaubt das einfache Vorsehen von Luftverteilerkanälen von der Blaseneinheit zu dem direkt montierten Ventilpositionierer, was die Notwendigkeit für Außenschläuche beseitigt, die den Positionierer und den Stellantrieb verbinden würden.
Bei einer alternativen Ausführungsform des Drehschieber-Stellantriebs vom Zug-Zug- Typ mit konstanter Zugspannung gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Rückstellfeder im Winkel von 90º zu der Mittellinie des Gleitbehälters angebracht, wobei der gleiche drehbare Hebel wie bei der vorherigen Inline-Ausführungsform vorgesehen ist. Diese alternative 90º-Ausführungsform des Zug-Zug-Stellantriebs der vorliegenden Erfindung ergibt eine kompaktere Profilkonfiguration als die Inline-Ausführungsform und kann in bestimmten Einsatzfällen des Ventils bevorzugt werden. Es werden die gleiche druckbetätigte Blase, der gleiche Gleitbehälter, drehbare Hebel und die gleiche Federkartusche wie bei der Inline-Ausführungsform verwendet. Ferner werden bei dieser alternativen 90º-Ausführungsform des Drehschieber-Stellantriebs die gleichen Vorteile wie bei der Inline-Ausführungsform erhalten mit der Ausnahme, daß dadurch, daß die Feder unter 90º zu der Mittellinie des Gleitbehälters angeordnet ist, die Tendenz zur Erzeugung einer Diagonalbelastung der Verbindungsgliedlager besteht; diese Diagonalbelastung der Lager ist bei der Inline-Ausführungsform nicht vorhanden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Das Verständnis der Erfindung ergibt sich am besten unter Bezugnahme auf die nachstehende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Elemente durchweg mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind; die Zeichnungen zeigen in:
Fig. 1 teilweise im Schnitt eine Ansicht eines Drehschieber-Stellantriebs, der gemäß den Prinzipien der Erfindung ausgebildet ist, wobei zur besseren Veranschauli chung eine Behälterabdeckung an dem einen Ende bruchstückhaft gezeigt und eine Federkartuschenabdeckung an dem anderen Ende entfernt ist;
Fig. 2 eine teilweise geschnittene rechtsseitige Ansicht von Fig. 1, die den Drehschieber-Stellantrieb zeigt, wobei ein direkt angebrachter Ventilpositionierer und eine Federkartuschenabdeckung in ihren Positionen angeordnet sind;
Fig. 3 teilweise im Schnitt eine linksseitige Ansicht von Fig. 1, wobei der Drehschieber-Stellantrieb mit abgenommener Federkartuschenabdeckung gezeigt ist;
Fig. 4 teilweise im Schnitt eine Ansicht allgemein entlang der Schnittlinie 4-4 von Fig. 3, wobei der Drehschieber-Stellantrieb gezeigt ist, wie er eine drehbare Welle zur Betätigung eines Fluidsteuerventils betätigt;
Fig. 5 eine Perspektivansicht, die einen drehbaren zylindrischen Hebel zeigt, der in dem Drehschieber-Stellantrieb von Fig. 1 verwendet wird;
Fig. 6 eine Draufsicht auf eine Blase, die in dem Drehschieber-Stellantrieb der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 7 eine Schnittansicht entlang der Linie 7-7 von Fig. 6;
Fig. 8 eine teilweise bruchstückhafte Schnittansicht, die eine alternative Ausführungsform eines Drehschieber-Stellantriebs gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei der Gleitbehälter und die Rückstellfeder unter 90º relativ zueinander angeordnet sind; und
Fig. 9 eine Schnittansicht entlang der Linie 9-9 von Fig. 8.

Genaue Beschreibung

Die Zeichnungen zeigen einen Drehschieber-Stellantrieb für Fluidsteuerventile, wobei der Stellantrieb eine Umwandlung einer Linear- in eine Drehbewegung umfaßt, wobei in den Verbindungsgliedern zwischen entgegengesetzt wirkenden Betätigungselementen ständig eine Zugspannung aufrechterhalten wird, indem es den Betätigungselementen ermöglicht wird, in einer Konstantspannungs-Konfiguration vom Zug-Zug-Typ entgegengesetzt zueinander zu ziehen. Insbesondere zeigen die Fig. 1 bis 7 einen Drehschieber-Stellantrieb, bei dem sich die Zug-Zug-Betätigungselemente in einer Inline- Konfiguration befinden. Die Fig. 8 und 9 zeigen einen Drehschieber-Stellantrieb, bei dem die Zug-Zug-Betätigungselemente sich in einer rechtwinkligen Konfiguration befinden.
Gemäß den Fig. 1 bis 7 ist ein Drehschieber-Stellantrieb 10 gezeigt, der einen gleitbar bewegbaren Behälter 12, eine gegenüberliegende Federkartusche 14 und einen dazwischen gekoppelten drehbaren Hebel 16 aufweist, so daß der Verbindungsgliedkopplungsmechanismus ständig unter einer Zug-Zug- bzw. Gegenzug-Spannung ist. Wenn also der Behälter 12 auf lineare Weise von dem Hebel 16 weg entgegengesetzt wie ein Zuggestänge bewegt wird, übt die gegenüberliegende Federkartusche 14 einen Widerstand gegen diese Zugwirkung des Behälters aus und bringt selber eine Zugkraft auf die entsprechende Verbindungsgliedkopplung auf. Somit wird also ein spezieller "Gegenzug"-Drehschieber-Stellantrieb 10 bereitgestellt, der die Verbindung bzw. die entsprechenden Verbindungsglieder ständig in mechanischer Spannung hält.
Der drehbare Hebel 16 besteht aus einem hohlen harten Metall wie etwa Stahl und hat Zylindergestalt mit entgegengesetzten Flanschenden 18, 20 und einem zwischen diesen befindlichen Mittelbereich 22, wie Fig. 5 zeigt. Der Hebel 16 ist in einem unteren Gehäuse 24 drehbar angebracht und an geeigneten Lagern 25 (siehe Fig. 1) so abgestützt, daß der Mittelbereich 22 des Hebels an Lagerstützen 26 in dem Rahmen 24 abgestützt ist. Ein Paar von Stützen 28, die den Stützen 26 gleichen, ist ferner in einem oberen Gehäuse 30 vorgesehen. Wie Fig. 3 zeigt, wird durch die Anbringung des unteren Gehäuses 24 an dem oberen Gehäuse 30 der Hebel 16 zwischen gegenüberliegenden Stützen 26, 28 so festgelegt, daß der Hebel 16 in dem Drehschieber-Stellantrieb 10 drehbar angebracht ist. Anstelle der Stützen kann eine andere Hebelstützkonstruktion vorgesehen sein, beispielsweise eingegossene Wandabschnitte in dem Gehäuse.
Jeweilige Halterungen 32, 34 für die Behälterverbindungsglieder springen von den jeweiligen Verbindungsgliedflanschen 18, 20 für die Anbringung von entsprechenden Kettenverbindungsgliedern 36, 38 an dem Behälter 12 vor (siehe Fig. 1). Ein Vorsprung 40 steht von dem Mittelabschnitt 22 des Hebels zur Anbringung des Kettenverbindungsglieds 42 an der Federkartusche 14 vor.
Der Behälter 12 weist einen oberen Bereich 44 und nach unten verlaufende Seitenbereiche 46 auf. Ein jeweiliger Behälter-/Ketten-Verbinder 48 ist an jeweils gegenüberliegenden Behälterseiten 46 an dem einen Verbinderende und an dem anderen Verbinderende mit einem entsprechenden Kettenverbindungsglied 36, 38 angebracht.
Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß das eine Ende der Kette 42 mit dem Vorsprung 40 des Hebels verbunden ist. Das andere Ende der Kette 42 ist an einem Federverbinder 50 angebracht, der von einem Federstab 52 innerhalb der Federkartusche 14 ausgeht. Die Federkartusche 14 weist ferner gegenüberliegende Endplatten 54 und eine zwischen den Endplatten 54 angebrachte Feder 56 auf. Wie Fig. 3 zeigt, erstreckt sich der Federstab 52 durch eine geeignete Öffnung in der oberen Endplatte 54 und ist über eine geteilte Verbinderstange 57 an dem mit einer Nut versehenen Stabende an der untere Endplatte 54 angebracht. Das obere Ende der Federkartusche 14 ist in einen Federhohlraum 58 eingepaßt, der in dem Gehäuse 24 vorgesehen ist.
Eine hermetisch gekapselte, aufweitbare Blaseneinheit 60 ist zwischen dem Behälter 12 und einem aufrechten Kuppelabschnitt 62 des Rahmens 30 vorgesehen. Die Blase 60 ist bevorzugt eine hermetisch gekapselte, vorgeformte Blaseneinheit aus zwei Teilen, die durch Warmschweißen miteinander verbunden sind.
Aus den Fig. 3 und 6 ist ersichtlich, daß die Blase 60 ovale Gestalt mit einer inneren Oberfläche 64 hat, die in dem anfänglichen, nicht aufgeweiteten Blasenzustand genau um den kuppelförmigen Vorsprung 62 herum paßt. Wie die Fig. 1 und 3 zeigen, ist die Blase 60 an der Kuppel 62 so angebracht, daß die innenseitige Blasenoberfläche 64 auf der Blasenseite unmittelbar den Außenseiten der Kuppel 62 benachbart ist und eine untere Oberfläche 66 der Blase der oberen Kuppeloberfläche der Kuppel 62 unmittelbar benachbart ist. Eine obere Oberfläche 68 der Blase liegt ferner dem Oberende 44 des Behälters unmittelbar benachbart. Daher ist die aufweitbare Blase 60 zwischen der ortsfesten Gehäusekuppel 62 und dem gleitbewegbaren Behälter 12 eingeschlossen.
Die Blase kann aus Polyurethan mit einer Verstärkungslage aus Gewebe bestehen. Für den Einsatz bei niedrigeren Temperaturen wird die Gewebeverstärkungslage nicht benötigt. Wenn die Gewebeverstärkungslage verwendet wird, umgibt sie die gesamte Blase und dient zur Verstärkung des Blasenmaterials zum Gebrauch bei hohen Betriebstemperaturen. Bei extremen Hochtemperaturen kann für die Blase ein Thermopolyesterkunststoff wie etwa Riteflex verwendet werden, und zwar mit oder ohne eine Verstärkungslage aus Gewebe.
Die Blase ist im Naturzustand auf die kleinste Kammergröße zwischen dem Behälter 12 und der oberen Kuppelwand 62 vorgeformt. Ein ringförmiger Blasenumfangsbereich 63 ist als eine Faltung der unteren Blasenoberfläche 66 ausgebildet. Eine Gewebeverstärkungslage kann an den äußeren Oberflächen der Blase durch Einsetzen beim Spritzgießen der Blase angebracht werden. Alternativ kann nach dem Spritzgießen der Blase das Gewebe durch geeignete Druck- und Temperaturbedingungen daran angebracht werden. Eine Urethanschicht kann auf einem unter Spannung geschnittenen Gewebe vor dem Warmverbinden mit der Blase bei einer Temperatur von ungefähr 166ºC (330ºF) bei 345 kPa (50 psi) für ungefähr 1 1/2 Stunden verwendet werden. Anstelle der Anbringung einer Gewebelage auf der gesamten Außenseite der Blase kann das Gewebe auch nur an dem ringförmigen Umfangsbereich 63 angebracht werden.
Die mit Gewebe verstärkte vorgeformte Blase wird dann in einem Ofen ausgehärtet, um eine Entspannung des Materials zu erreichen. Es wurde gefunden, daß eine solche Entspannung der Blase in einem Ofen bei ungefähr 121ºC (250ºF) über ungefähr 24 h erreicht werden kann.
Um die Blase im Betrieb des Stellantriebs in ihrer Lage zu halten, können bei der Anbringung in dem Stellantrieb Klebstoffperlen über und unter der zweiteiligen Verbindung der Blase an dem Behälter 12 angebracht werden. Die Blase kann gleichermaßen mit einem geeigneten Klebstoff mit dem oberen Ende der Kuppelwand 62 verbunden werden.
Die Blase ermöglicht eine Rollmembranwirkung an dem Blasenumfangsbereich 63 anstelle einer unerwünschten Ballonwirkung beim Aufweiten der Blase. Wenn der Ventilstellantrieb durch Einkoppeln von Fluid in die Blasenkammer betätigt wird, rollt der Blasenumfangsbereich 63, der mit der ortsfesten Kuppelseitenwand in Berührung ist, einfach außer Eingriff mit dem ortsfesten Teil, während gleichzeitig der Eingriff mit der Seitenwand des bewegbaren Behälters zunimmt.
Somit wird der Blasenumfangsbereich 63 ausgehend von einer anfangs drucklosen Position in eine druckbeaufschlagte Position aufgeweitet, wobei sich der Blasenumfangsbereich nur von dem innenseitigen Durchmesser der Blase zu dem außenseitigen Durchmesser der Blase rollend bewegt und dadurch das Blasenmaterial unter mechanische Spannung bringt. Dadurch wird der Blasenverschleiß deutlich verringert, die Standzeit der Blase verlängert und ein wiederholter Stellantriebsbetrieb über lange Betriebszyklen und innerhalb großer Temperatur- und Druckbereiche ermöglicht.
Ein Blaseneinlaßrohr 70 ist in einen Kanal 72 in dem Gehäuse 30 eingesetzt, wobei dieser Kanal 72 zu einem Verbindungskanal 74 führt, der am unteren Ende des Rahmens 30, in Fig. 3 gesehen, eine Öffnung 76 hat. Das Einlaßrohr weist eine Schulter 72 zur Anbringung eines O-Dichtrings (nicht gezeigt) auf, um den Blaseneinlaß innerhalb des Kanals 72 abzudichten.
Die Kanalöffnung 76 kommuniziert mit einem Gerät 78 wie etwa einem pneumatischen Positionierer (siehe Fig. 2), so daß das Einleiten der durch Druck bewirkten Aufweitung und Kontraktion der aufweitbaren Blase 60 unter Steuerung des Geräts 78 auf bekannte Weise erfolgt. Es versteht sich, daß der Positionierer 78 in Fig. 3 entfernt worden ist, um die übrigen Komponenten des Drehschieber-Stellantriebs besser zu verdeutlichen. In das Ende des Kanals 72 ist im Normalbetrieb ein Stopfen 80 eingesetzt und kann aus dem Kanal entfernt werden, um Zugang zu dem Fluidkanal 72 zu erhalten.
Fig. 4 zeigt einen Drehschieber-Stellantrieb 10 mit einer Anbringeinrichtung 82, die dazu dienen kann, den Drehschieber-Stellantrieb 10 an einem Fluidsteuerventil 84 anzubringen, das schematisch in Fig. 4 gezeigt ist. Ein Ventilschaft 86 hat ein Keilnutende, so daß er von dem drehbaren Hebel 16 mit nur sehr geringem Spiel oder spielfrei zwischen dem drehbaren Hebel 16 und dem Ventilschaft 86 drehangetrieben werden kann. Diese Totgangverbindung wird erhalten durch eine Keilnuthülse 88 (siehe Fig. 3) mit inneren Keilnuten 90, die mit den Keilnuten an dem Ende des Schafts 86 zusammenpassen. Die Hülse 88 hat einen Außendurchmesser, der an die Bohrung 92 des He bels angepaßt ist, und weist ferner eine Abflachung 94 auf. Ein Schaftanbringvorsprung 95, der eine innere Gewindebohrung hat, erstreckt sich von dem Mittelabschnitt 22 des Hebels (siehe Fig. 5). Der Hebel wird so gedreht, daß sich der Vorsprung 95 gegenüber einem Zugangsloch 96 befindet, das in dem unteren Gehäuse 24 gemäß Fig. 3 vorgesehen ist. Die Hülse 88 wird in die Bohrung 92 des Hebels eingesetzt, und die Abflachung 94 wird gegenüber dem Zugangsloch 96 in dem unteren Rahmen 24 positioniert. Eine Befestigungsschraube 98, die als Ansatzschraube bekannt ist, weist ein entsprechendes flaches Ende zum arretierenden Eingriff mit der Abflachung 94 der Hülse 88 auf.
Wenn der Ventilschaft und die Hülse in der Hebelbohrung 92 so positioniert sind, daß die Abflachung 94 der Hülse mit der Gewindebohrung ausgefluchtet ist, die durch den Anbringvorsprung 95 hindurch und in das Innere des Hebels 16 an der Bohrung 92 verläuft, gelangt die Befestigungsschraube 98 in Schraubeingriff mit der Bohrung. Die Befestigungsschraube 98 wird in dem Vorsprung 95 angebracht, bis die ebenen Flächen der Befestigungsschraube in arretierenden Eingriff mit der Abflachung 94 der Hülse 88 gelangen, um dadurch die Keilnuthülse 88 und das Keilnutende des Schafts 86 festzulegen. Dadurch wird sichergestellt, daß sich der Ventilschaft 86 mit dem Hebel 16 drehbewegt, wobei nur sehr wenig oder kein Spiel zwischen Schaft und Hebel vorhanden ist. Die Hülse 88 kann geteilt sein, um eine sichere Verbindung an dem Schaft und dem Hebel zu ergeben.
Für die Bewegung der Feder sowie des Gleitbehälters sind jeweils einstellbare Anschläge vorgesehen. Fig. 3 zeigt einen einstellbaren Anschlag 100 für die obere Position des Behälters, wobei der Anschlag eine Gewindeanschlagstange 102 aufweist, die in dem Gehäuse 24 in Schraubeingriff ist und von einer Sicherungsmutter 104 in ihrer Lage festgelegt werden kann. Eine Anschlagklinke 106 erstreckt sich von dem Anbringvorsprung 95, so daß sie sich mit der Position des Hebels 16 dreht. Wie die Bezeichnungen in Fig. 3 zeigen, dreht eine lineare Aufwärtsbewegung des Behälters 12 während der Aufweitung der Blase 60 den Hebel 16 im Uhrzeigersinn, was durch den Bezugspfeil und den Buchstaben "C" angedeutet ist. In Fig. 3 ist ferner eine Bezeichnung vorgesehen, die die Drehrichtung des Hebels 16 unter der Zugwirkung der Feder 56 bezeichnet, wobei dieser Bezugspfeil mit "S" bezeichnet ist. Während sich also der Behälter 12 als Reaktion auf die sich ausdehnende Blase linear nach oben bewegt, dreht sich die Anschlagklinke 106 im Uhrzeigersinn, bis sie mit dem Ende der Anschlagstange 102 in Eingriff gelangt. Somit bestimmt der Anschlag 100 die oberste Position des Behälters 12. Die Anschlagposition kann natürlich eingestellt werden, indem die Mutter 104 gelockert und die Einstellstange 102 gedreht wird, bis die gewünschte oberste Behälterposition erreicht ist.
Gemäß Fig. 2 weist ein entsprechender einstellbarer Anschlag 108 für die untere Behälterposition, der an gegenüberliegenden Behälterseiten vorgesehen ist, einen Gewindeanschlagbolzen 110 auf, der in das Gehäuse 30 in Eingriff damit geschraubt ist und unter Verwendung einer Sicherungsmutter 112 in seiner Position arretierbar ist. Die Feder 56 hat die Tendenz, den Behälter 12 in Fig. 2 nach unten zu ziehen, wodurch der Hebel 16 im gezeigten Uhrzeigersinn "S" gedreht wird, bis das untere Ende 114 des Behälters mit dem Gewindeanschlagbolzen 110 in Eingriff ist. Der Anschlag 108 bestimmt somit die unterste Position des Behälters 12. Die Position des einstellbaren Anschlags 108 kann ohne weiteres geändert werden, indem die Mutter 112 gelockert und die Position des Anschlagbolzens 110 durch Drehen eingestellt wird.
Es ist eine Behälterabdeckung 116 vorgesehen, um den Behälter 46, den Kettenverbinder 48 und die einstellbaren Anschläge 108 vollständig abzudecken. Die Abdeckung 116 kann zweckmäßig an dem oberen Ende des Gehäuses 30 abnehmbar angebracht sein. Ebenso kann eine Federkartuschenabdeckung 118 zweckmäßig abnehmbar an dem unteren Gehäuse 24 angebracht sein und die Federkartusche 14 abdecken.
Fig. 2 zeigt ein Rückführungsgestänge 120, das den Positionierer 78 mit dem drehbaren Hebel 16 verbindet. Ein Rückführungsarm 122 ist beispielsweise durch Schrauben mit dem Hebelflansch 20 so verbunden, daß er sich mit dem Hebel 16 dreht. Ein gekrümmter Arm 124 ist an dem einen Ende schwenkbar mit dem Rückführungsarm 122 verbunden, und das andere Ende des gekrümmten Arms durchsetzt einen Schlitz im Gehäuse 24 zum schwenkbaren Eingriff mit einem geraden Verbindungsarm 126, der seinerseits mit einer drehbaren Welle 128 in dem Positionierer 78 verbunden ist. Es versteht sich, daß das Ventilpositioniergerät 78 ein digitales Ventilsteuergerät wie etwa ein kommunizierendes, mikroprozessorbasiertes Strom-/Druck-Gerät sein kann. Zusätzlich zu der normalen Funktion der Umwandlung eines Stromeingangssignals in ein pneumatisches Druckausgangssignal kann das digitale Ventilsteuergerät unter Verwen dung eines Kommunikationsprotokolls leichten Zugang zu Informationen bieten, die für den Prozeßablauf kritisch sind. Somit kann Information von den Hauptkomponenten des Prozesses, d. h. dem Fluidsteuerventil 84, erhalten werden unter Verwendung einer kompatiblen Kommunikationseinrichtung an dem Steuerventil oder an einem Feldverteilerkasten oder durch Verwendung eines Personalcomputers oder einer Bedienerkonsole in einem Kontrollraum. Alternativ kann das Gerät ein analoges Gerät oder ein pneumatischer Positionierer sein.
Wie Fig. 2 zeigt, ist ein Ende des Rückführungsgestänges 120 an der drehbaren Welle 128 an einem Positionierer 78 angebracht, und ein anderes Ende ist über den Rückführungsarm 122 an dem drehbaren Hebel 16 des Stellantriebs angebracht. Da der Hebel 16 mit dem drehbaren Ventilschaft 86 verbunden ist, wird die Position des Ventilschafts von dem Positionierer 78 über das Rückführungsgestänge 120 erfaßt.
Der Zusammenbau der Komponenten des Drehschieber-Stellantriebs 10 vom Gegenzugtyp, der in den Fig. 1 bis 7 gezeigt ist, erfolgt auf einfache Weise wie folgt. Zuerst wird die Blase 60 gut passend auf der Kuppel 62 an dem oberen Gehäuseelement 30 angebracht. Die Federkartusche 14 wird in den Federhohlraum 58 an dem unteren Gehäuse 24 eingesetzt. Dann wird die Federkartusche 14 an dem Hebel unter Verwendung geeigneter Muttern und Bolzen so angebracht, daß die Feder-Ketten-Verbindungsglieder 42 mit dem Federverbinder 50 an dem einen Ende und mit dem Vorsprung 40 des Hebels an dem anderen Ende verbunden werden. Die beiden Behälter-Kettenglieder 36, 38 werden dann mit den jeweiligen Halterungen 32, 34 der Verbindungsglieder an dem einen Ende und mit den entsprechenden Kettenverbindern 48 an dem anderen Ende verbunden.
Der Hebel 16 kann nunmehr auf den Stützen 26 mit geeigneten Lagern angeordnet werden. Als nächstes wird das obere Gehäuse 30 auf dem unteren Gehäuse 24 angeordnet, und die Gehäuse werden aneinander befestigt. Die Behälterkettenglieder 36, 38 werden dann mit den jeweiligen Behälterseiten verbunden unter Verwendung der jeweiligen Behälterverbinder 48 und geeigneter Befestigungselemente. Der Positionierer 78 wird dann an dem Gehäuse 30 angebracht, und das Rückführungsgestänge 120 wird zwischen dem Hebel 16 und dem Positionierer angebracht. Danach können die Abde ckungen 116, 118 und, falls gewünscht, auch die Halteeinrichtung 82 angebracht werden.
Die Anfangspositionierung des Behälters und der Feder in bezug auf die einstellbaren Anschläge läuft wie folgt ab. Zuerst wird die Feder 56 in der Federkartusche 14 auf eine vorbestimmte Belastung vorkomprimiert, und die Federkartusche wird in das Gehäuse eingesetzt und wie beschrieben mit dem Hebel verbunden. Dann wird die Feder 56 mit den Verbindungsgliedern vorgespannt, so daß der Federblock 53 an der Federstange 52 von der oberen Endplatte 54 wegbewegt wird, wie Fig. 3 zeigt. Als nächstes wird die Blase mit Druck beaufschlagt, um den Behälter ausreichend weit nach oben zu bewegen, so daß die beiden einstellbaren Anschläge 108 an dem Gehäuse 30 angebracht werden können. Die beiden Endanschläge 110 werden dann so eingestellt, daß der Gleitbehälter 12 gleichmäßig an den Anschlägen in Anlage gelangt, bevor er das Ende seiner Bewegung in Abwärtsrichtung erreicht, so daß immer noch eine ausreichende mechanische Spannung in den Verbindungsgliedern erhalten bleibt (siehe Fig. 3). Dadurch wird die untere Position des Behälters eingestellt.
In den Fig. 2 und 3 ist zu beachten, daß während des von der Feder 56 auf die Verbindungsglieder 42 aufgebrachten Zugs der Hebel 16 in der Referenzrichtung "S" gedreht und gleichzeitig der Gleitbehälter 12 abwärts gegen die einstellbaren Endanschläge 110 gezogen wird. Außerdem zeigen die Fig. 2 und 3 die Referenzrichtung "C", während der nach oben bewegte Behälter 12 an den Verbindungsgliedern 36, 38 zieht und gleichzeitig die Feder zusammendrückt.
Wenn durch die Öffnungen 76, die Kanäle 74, 72 und in die Blase 60 Luftdruck eingeleitet wird, weitet der Druck die Blase 60 auf und drängt den Gleitbehälter 12 in eine lineare Aufwärtsbewegung, die den Hebel 16 entsprechend im Uhrzeigersinn "C" dreht, wie Fig. 3 zeigt. Der einstellbare Anschlag 100 ist so eingestellt, daß er die maximale Aufwärtsbewegung des Gleitbehälters 12 begrenzt und sicherstellt, daß die gewünschte Steuerventilposition erreicht wird.
Durch den Gegenzug-Drehschieber-Stellantrieb 10 gemäß den Fig. 1 bis 7 werden mehrere Vorteile erzielt. Die lineare Aufwärtsbewegung des Behälters 12 unter dem Druck der sich aufweitenden Blase 60 dreht den Hebel 16 und bewirkt eine Kompression der Feder 56, so daß diese dem Zug von dem Gleitbehälter Widerstand entgegensetzt. Diese Gegenzugwirkung hält die Kettenglieder 36, 38, 42 unter im wesentlichen konstanter Zugspannung, d. h. mit einer Drehkraftabweichung von nur ungefähr 3%. Wenn der Druck auf die Blase 60 aufgehoben wird, zieht die Feder 56 den Gleitbehälter 12 zurück in Richtung zu den einstellbaren Anschlägen 110. Diese Gegenzugkonfiguration in dem Stellantrieb entfernt ständig jegliches durch Verschleiß während der Wechselbeanspruchung erzeugtes Spiel aus den Verbindungsgliedern und beseitigt ferner die Notwendigkeit für präzisionsbearbeitete Kopplungselemente, da alle zusammenpassenden Teile unter mechanischer Spannung gehalten werden. Da ferner die Feder 57 getrennt von dem Gleitbehälter 12 angebracht ist, kann der Hebelarm für die Feder (in Fig. 5 radial von der Mittellinie des Hebels 16 bis zu dem Verbindungspunkt an dem Vorsprung 40 gemessen) kürzer als der Hebelarm für den Gleitbehälter (in Fig. 5 radial von der Mittellinie des Hebels 16 bis zu dem Verbindungspunkt an den Verbindungsgliedhalterungen 32, 34 gemessen) sein. Ein kürzerer Hebelarm verkürzt den Federweg und dadurch die Federhöhe, wodurch der Stellantrieb kleiner, leichter und billiger wird. Ferner ist zu beachten, daß dadurch, daß die Feder und der Behälter in um 180º entgegengesetzten Positionen in bezug auf den Hebel im wesentlichen in Reihe liegen, und dadurch, daß die Verbindungsglieder zu dem Hebel in einem Gegenzug-Spannungszustand gehalten werden, das Ausmaß der auf die Stützen 26, 28 und die zugehörigen Lager während der Drehbewegung des Hebels 16 aufgebrachten Lagerkräfte signifikant verringert wird. Die Verwendung von flexiblen Verbindungskettengliedern 36, 38, 42 ermöglicht dem Hebelarm (entweder dem Federhebelarm oder dem Behälterhebelarm), immer die gleiche jeweilige Distanz von der Mitte des Hebels während der 90º-Drehbewegung des Hebels zu haben. Somit erzeugen die flexiblen Verbindungsglieder eine konstante Drehkraft über die gesamte 90º-Drehbewegung des Hebels und sind daher vorteilhaft gegenüber einer starren Verbindungseinrichtung, die über die Drehposition des Hebels eine variable Drehkraft erzeugt.
Die Fig. 8 und 9 zeigen eine alternative Ausführungsform eines rechtwinkligen Drehschieber-Stellantriebs 130, der Betriebskomponenten des Gleitbehälters, der Blase, der Federkartusche und des Hebels aufweist, die mit den gleichen Komponenten des vorher beschriebenen Inline-Drehschieber-Stellantriebs 10 der Fig. 1 bis 7 identisch sind. Wie Fig. 8 zeigt, ist bei dem Drehschieber-Stellantrieb 130, anders als bei der Inline- Konfiguration des vorher beschriebenen Drehschieber-Stellantriebs 10, die Rückstellfe derkartusche 14 um 90º zu der Mittellinie des gleitbaren Behälters 12 vorgesehen. Dadurch ergibt sich die Tendenz zu verringerter Größe, kleinerer Anzahl von Teilen und entsprechend verringerten Kosten des Stellantriebs. Da jedoch die Federkartusche 14 unter einem Winkel in bezug auf die Mittellinie des Gleitbehälters 12 (anstelle einer Inline-Positionierung im Stellantrieb 10) angeordnet ist, wird dadurch eine diagonale Belastung der Lager des Drehhebels 16 des Stellantriebs 130 erzeugt.
Es sollte jedoch ersichtlich sein, daß der Drehschieber-Stellantrieb 130 ebenfalls die Gegenzugspannung der Verbindungsglieder 36, 38, 42 zwischen dem Behälter 12, dem Hebel 16 und der Federkartusche 14 vorsieht und somit die Verbindungsglieder unter konstanter Spannung hält. Daher werde die vielen erheblichen Vorteile, die durch den hintereinander angeordneten Gegenzug-Drehschieber-Stellantrieb 10 erreicht werden, auch mit dem um 90º abgewinkelten Gegenzug-Drehschieber-Stellantrieb 130 erreicht.
Die obige genaue Beschreibung dient nur dem klaren Verständnis und sollte nicht zu unnötigen Einschränkungen führen, da Modifikationen für den Fachmann ersichtlich sind.

Claims

1. Drehschieber-Stellantrieb für Fluidsteuerventile, der folgendes aufweist:

ein Gehäuse (24, 30);

einen drehbaren Hebel (16), der in dem Gehäuse (24) zur Drehbewegung angebracht ist;

ein linear bewegbares Betätigungselement (12), das in dem Gehäuse (30) an der einen Seite des drehbaren Hebels (16) angebracht ist;

ein erstes Verbindungsglied (32/ 34, 36, 38) zwischen dem linear bewegbaren Betätigungselement (12) und dem drehbaren Hebel (16), um eine lineare Betätigungs-Ziehbewegung des Betätigungselements (12) in eine Betätigungs- Drehbewegung des drehbaren Hebels (16) umzusetzen;

eine Rückstellfeder (14), die in dem Gehäuse an der gegenüberliegenden Seite des drehbaren Hebels (16) angebracht ist; und

ein zweites Verbindungsglied (42) zwischen der Rückstellfeder (14) und dem drehbaren Hebel (16), um eine lineare Rückstell-Ziehbewegung der Rückstellfeder (14) in eine Betätigungs-Drehbewegung des drehbaren Hebels (16) umzusetzen;

dadurch gekennzeichnet, daß

das erste Verbindungsglied (32, 34, 36, 38) und das zweite Verbindungsglied (42) unter konstanter mechanischer Spannung gehalten werden und daß das erste Verbindungsglied (32, 34, 36, 38) mit einer ersten Stelle (18, 20) an dem drehbaren Hebel (16) verbunden sind und das zweite Verbindungsglied mit einer zweiten Stelle (40) an dem drehbaren Hebel (16) verbunden ist.

2. Drehschieber-Stellantrieb nach Anspruch 1, wobei die Rückstellfeder (14) mit dem Betätigungselement (12) im wesentlichen in einer Reihe ist.

3. Drehschieber-Stellantrieb nach Anspruch 2, wobei das linear bewegbare Betätigungselement eine Blase (60) aufweist, die aufweitbar ist, um das Betätigungselement (12) zu bewegen.

4. Drehschieber-Stellantrieb nach Anspruch 3, wobei das linear bewegbare Betätigungselement (12) einen Behälter aufweist, der zur Bewegung beim Aufweiten der Blase mit der Blase betriebsmäßig verbunden ist.

5. Drehschieber-Stellantrieb nach Anspruch 2, wobei die ersten Verbindungsglieder (32, 34, 36, 38) und das zweite Verbindungsglied (42) flexible Elemente aufweisen.

6. Drehschieber-Stellantrieb nach Anspruch 5, wobei das erste Verbindungsglied (32, 34, 36, 38) und das zweite Verbindungsglied (42) flexible Kettenelemente aufweisen.

7. Drehschieber-Stellantrieb nach Anspruch 2, der einstellbare Anschläge aufweist, um die Linearbewegung des Betätigungselements (12) zu begrenzen.

8. Drehschieber-Stellantrieb nach Anspruch 1, wobei das erste Verbindungsglied (32, 34, 36, 38) zwischen dem linear bewegbaren Betätigungselement (12) und dem drehbaren Hebel (16) ausgerichtet sind, um eine lineare Betätigungs- Ziehbewegung des Betätigungselements (12) in eine Betätigungs-Drehbewegung des drehbaren Hebels (16) umzusetzen; und wobei das zweite Verbindungsglied (42) in bezug auf das erste Verbindungsglied (32, 34, 36, 38), das zwischen dem linear bewegbaren Betätigungselement (12) und dem drehbaren Hebel (16) ausgerichtet ist, winkelig angeordnet ist.

9. Drehschieber-Stellantrieb nach Anspruch 8, wobei das zweite Verbindungsglied (42) in bezug auf das erste Verbindungsglied (32, 34, 36, 38), das zwischen dem Betätigungselement und dem drehbaren Hebel (16) ausgerichtet ist, rechtwinklig angeordnet ist.

10. Drehschieber-Stellantrieb nach Anspruch 9, wobei das linear bewegbare Betätigungselement (12) eine Blase (60) aufweist, die aufweitbar ist, um das Betätigungselement (16) zu bewegen.

11. Drehschieber-Stellantrieb nach Anspruch 10, wobei das linear bewegbare Betätigungselement (12) einen Behälter aufweist, der zur Bewegung beim Aufweiten der Blase mit der Blase betriebsmäßig gekoppelt ist.

12. Drehschieber-Stellantrieb nach Anspruch 8, wobei das erste Verbindungsglied (32, 34, 36, 38) und das zweite Verbindungsglied (42) flexible Elemente aufweisen.

13. Drehschieber-Stellantrieb nach Anspruch 12, wobei das erste Verbindungsglied (32, 34, 36, 38) und das zweite Verbindungsglied (42) flexible Kettenelemente aufweisen.

14. Drehschieber-Stellantrieb nach Anspruch 8, der einstellbare Anschläge aufweist, um die Linearbewegung des Betätigungselements (12) zu begrenzen.