ПОВОРОТНОЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ОДНОСТОРОННЕГО ДЕЙСТВИЯ
SINGLE ACTING ROTARY ACTUATING DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к поворотным исполнительным устройствам и, в частности, к исполнительным устройствам одностороннего действия, например нормально открытым или нормально закрытым поворотным исполнительным устройствам.
Уровень техники
Традиционные поворотные исполнительные устройства включают исполнительные устройства с реечной передачей и исполнительные устройства с треугольным кривошипом. Как правило, эти типы поворотных исполнительных устройств включают блок управления, который может перемещаться под давлением, например, пневматической линии. В некоторых исполнительных устройствах с треугольным кривошипом и исполнительных устройствах с реечной передачей блок управления может включать пару противостоящих поршней, соединенных с вращающимся валом. При перемещении поршней навстречу друг другу вал вращается в первом направлении, а при смещении поршней друг от друга вал вращается во втором направлении, противоположном первому.
Как правило, блоки управления подобных традиционных поворотных исполнительных устройств управляются посредством одного или более пневматических вводов и устройства могут быть разделены на устройства одностороннего действия и устройства двустороннего действия. Исполнительные устройства двустороннего действия включают два пневматических ввода: первый для перемещения поршней для вращения вала в одном направлении и второй для перемещения поршней для вращения вала во втором направлении. Исполнительные устройства одностороннего действия включают только одиночный пневматический ввод для перемещения поршней для вращения вала либо в первом, либо во втором направлении. Для перемещения вала в другом направлении исполнительные устройства одностороннего действия включают смещающий механизм, например пружину, чтобы сместить поршни и, таким образом, вал в желаемое положение.
Исполнительные устройства одностороннего действия с реечной передачей и с треугольным кривошипом, как правило, оснащены одной или более спиральной пружиной для достижения желаемого смещения. Например, на фиг.1 изображено традиционное исполнительное устройство 10 с реечной передачей. Исполнительное устройство 10 обычно включает корпус 12, пару противостоящих поршней 14а, 14b, вращающийся вал 16 и спиральные пружины 18a-18d. Пружины 18a-18d расположены между поршнями 14а, 14b и противоположными концевыми пластинами 12а, 12b корпуса 12 для смещения поршней 14а, 14b по направлению друг к другу. Для смещения поршней 14а, 14b друг от друга корпус 12 имеет пневматическое впускное отверстие 20. Подводя источник, к примеру, сжатого воздуха к пневматическому впускному отверстию 20, можно по отдельности перемещать поршни 14а, 14b в изображенное положение, таким образом вращая вал 16 против часовой стрелки относительно ориентации исполнительного устройства 10, изображенного на фиг.1. Отключение подачи сжатого воздуха от впускного отверстия 20 позволяет пружинам 18a-18d смещать поршни 14а, 14b по направлению друг к другу, таким образом вращая вал 16 по часовой стрелке относительно ориентации исполнительного устройства 10, изображенного на фиг.1.
Одним из недостатков конфигурации, изображенной на Фиг.1, является то, что крутящий момент, приложенный к валу 16, обусловлен фактическим сжатием пружин 18a-18d. То есть чем сильнее сжимаются пружины 18a-18d, тем большую силу они производят и прикладывают к поршням 14а, 14b и тем большим крутящим моментом обладает вал 16. Вследствие этого крутящий момент, производимый пружинами 18a-18d, не является постоянным на протяжении всего рабочего хода исполнительного устройства, что может привести к неэффективности работы.
Другой недостаток исполнительного устройства 10, изображенного на фиг.1, связан с тем, что пружины 18a-18d располагаются в частях корпуса 12 между поршнями 14а, 14b и концевыми пластинами 12а, 12b, которые могут описываться как пружинные камеры. Пружинные камеры отделены от полостей между поршнями 14а, 14b посредством герметичного зацепления между поршнями 14а, 14b и корпусом 12. Поэтому при перемещении поршней 14а, 14b между открытым и закрытым состояниями воздушная среда втягивается внутрь и выбрасывается из пружинных камер через отверстия (не показаны) в концевых пластинах 12а, 12b. Проблема всасывания в пружинные камеры воздушной средой заключается в том, что воздушная среда может содержать влагу и другие компоненты, которые могут подвергнуть коррозии пружины 18а, 18b и уменьшить срок их службы.
Еще одним недостатком изображенной конфигурации является то, что она требует установки по меньшей мере одной пружины 18а-18b внутри корпуса 12 для каждого поршня 14а, 14b. Пружины 18a-18d должны быть установлены в пружинных камерах, расположенных между поршнями 14а, 14b и концевыми пластинами 12а, 12b соответственно. Кроме того, чтобы модифицировать исполнительное устройство 10 для того, чтобы использовать различные пружины 18a-18d с целью, например, обеспечения различных нагрузок, необходимы извлечение концевых пластин 12а, 12b из корпуса 12 и установка новых пружин. Подобная замена и монтаж могут отнимать время и в целом быть обременительными.
Раскрытие изобретения
Согласно одному аспекту настоящее изобретение обеспечивает поворотное исполнительное устройство, включающее корпус, вал, по меньшей мере один поршень и по меньшей мере одну силовую пружину с плотной навивкой. Корпус ограничивает полость. Вал расположен внутри полости корпуса и выполнен с возможностью совершения поворотного перемещения между первым и вторым положением. По меньшей мере один поршень установлен внутри полости корпуса и соединен с валом. Поршень выполнен с возможностью совершения скользящего перемещения совместно с поворотным перемещением вала. По меньшей мере одна силовая пружина с плотной навивкой расположена внутри полости корпуса и соединена с валом. Установленная таким образом силовая пружина может смещать вал и по меньшей мере один поршень в заданном отношении.
В одном из вариантов реализации силовая пружина с плотной навивкой содержит первый конец, прикрепленный к валу, и второй конец, прикрепленный к корпусу.
В одном из вариантов реализации первый конец силовой пружины содержит шип, проходящий под углом к внутреннему витку силовой пружины и расположенный внутри радиального выреза, ограниченного валом.
В одном из вариантов реализации поворотное исполнительное устройство также содержит резьбовой зажим, закрепленный на корпусе и соединенный со вторым концом силовой пружины таким образом, что поворот резьбового зажима относительно корпуса регулирует силу силовой пружины.
В одном из вариантов реализации по меньшей мере один поршень включает первый поршень и второй поршень, расположенные на противоположных сторонах вала. Первый и второй поршни выполнены с возможностью скользящего перемещения между закрытым состоянием, когда вал находится в первом положении, в котором поршни смещены на первое расстояние друг от друга, и открытым состоянием, когда вал находится во втором положении, в котором поршни смещены друг от друга на второе расстояние, которое больше первого.
В одном из вариантов реализации по меньшей мере одна силовая пружина включает первую и вторую силовую пружины, расположенные внутри корпуса и соединенные с валом.
В одном из вариантов реализации поворотное исполнительное устройство также содержит впускное отверстие в корпусе, гидравлически соединенное с полостью, содержащей силовую пружину с плотной навивкой. Впускное отверстие выполнено с возможностью приема сжатого воздуха для перемещения по меньшей мере одного поршня и вала относительно корпуса.
В одном из вариантов реализации по меньшей мере одна силовая пружина включает по меньшей мере одну часовую пружину постоянной силы.
Согласно другому аспекту настоящее изобретение обеспечивает поворотное исполнительное устройство, содержащее корпус, вал, по меньшей мере один поршень и смещающий механизм. Корпус ограничивает полость. Вал расположен внутри полости и выполнен с возможностью поворотного перемещения относительно корпуса между первым и вторым положением. По меньшей мере один поршень расположен внутри полости и соединен с валом. Поршень выполнен с возможностью перемещаться относительно вала при повороте вала между первым и вторым положением. Смещающий механизм соединен с валом и корпусом и способен перемещаться между первым состоянием, когда вал находится в первом положении, и вторым состоянием, когда вал находится во втором положении. Сдвигающий механизм прикладывает первую силу к валу при достижении первого состояния и вторую силу к валу при достижении второго состояния. Вторая сила по существу равна первой по величине.
В одном из вариантов реализации первое положение вала смещено от второго положения вала на по меньшей мере сорок пять градусов.
В одном из вариантов реализации первое положение вала смещено от второго положения вала на девяносто градусов.
В одном из вариантов реализации первое положение вала смещено от второго положения вала на сто восемьдесят градусов.
В одном из вариантов реализации смещающий механизм содержит часовую пружину.
В одном из вариантов реализации часовая пружина имеет первый конец, прикрепленный к валу, и второй конец, прикрепленный к корпусу.
В одном из вариантов реализации первый конец часовой пружины имеет шип, проходящий под углом к внутреннему витку часовой пружины. Шип располагается внутри радиального выреза, ограниченного валом.
В одном из вариантов реализации поворотное исполнительное устройство также содержит резьбовой зажим, закрепленный на корпусе и соединенный со вторым концом часовой пружины таким образом, что поворот резьбового зажима относительно корпуса регулирует силу часовой пружины.
В одном из вариантов реализации по меньшей мере один поршень содержит первый поршень и второй поршень, расположенные на противоположных сторонах вала. Первый и второй поршни выполнены с возможностью скользящего перемещения между закрытым состоянием, когда вал находится в первом положении, в котором поршни смещены друг от друга на первое расстояние, и открытым состоянием, когда вал находится во втором положении, в котором поршни смещены друг от друга на второе расстояние, превосходящее первое.
В одном из вариантов реализации смещающий механизм содержит первую и вторую часовые пружины, расположенные внутри корпуса и соединенные с валом.
В одном из вариантов реализации поворотное исполнительное устройство содержит впускное отверстие, ограниченное корпусом и гидравлически соединенное с полостью, содержащей смещающий механизм. Впускное отверстие выполнено с возможностью приема сжатого воздуха с целью перемещения по меньшей мере одного поршня и вала относительно корпуса.
Согласно другому аспекту настоящее изобретение обеспечивает поворотное исполнительное устройство, содержащее корпус, вал, первый и второй поршень и по меньшей мере одну часовую пружину. Корпус ограничивает полость. Вал закреплен в полости корпуса для совершения поворотного перемещения между первым положением и вторым положением, смещенным относительно первого положения либо на приблизительно девяносто градусов, либо на приблизительно сто восемьдесят градусов. Первый и второй поршни расположены внутри полости и соединены с валом. Первый и второй поршни выполнены с возможностью скользящего перемещения между закрытым состоянием, когда вал находится в первом положении, в котором поршни находятся на первом расстоянии друг от друга, и открытым состоянием, когда вал находится во втором положении, в котором поршни находятся друг от друга на втором расстоянии, превосходящем первое. В полости расположена по меньшей мере одна часовая пружина, которая смещает вал в первое или второе положение. Часовая пружина содержит первый конец, прикрепленный к валу, и второй конец, прикрепленный к корпусу, таким образом, что часовая пружина прикладывает постоянный крутящий момент к валу на всем протяжении перемещения вала между первым и вторым положением.
В одном из вариантов реализации первый конец пружины имеет шип, проходящий под углом к внутреннему витку часовой пружины и расположенный внутри радиального выреза, ограниченного валом.
В одном из вариантов реализации поворотное исполнительное устройство также содержит резьбовой зажим, закрепленный на корпусе и соединенный со вторым концом часовой пружины таким образом, что поворот резьбового зажима относительно корпуса регулирует силу часовой пружины.
Согласно одному из вариантов реализации изобретение содержит первую и вторую часовые пружины, расположенные внутри полости корпуса и смещающие вал в первое или второе положение.
В одном из вариантов реализации поворотное исполнительное устройство также содержит впускное отверстие, ограниченное корпусом и гидравлически соединенное с полостью, содержащей часовую пружину. Впускное отверстие выполнено с возможностью приема сжатого воздуха для перемещения первого и второго поршня в первое или второе положение.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 показывает вид сверху поперечного сечения традиционного исполнительного устройства одностороннего действия с реечной передачей.
Фиг.2А-2В показывает виды сверху поперечного сечения исполнительного устройства одностороннего действия с реечной передачей, находящегося в открытом и закрытом состоянии соответственно, выполненного согласно настоящему изобретению.
Фиг.3 показывает горизонтальную проекцию поперечного сечения первого варианта реализации исполнительного устройства одностороннего действия с реечной передачей на фиг.2А-2В, взятого по линии III-IV фиг.2А.
Фиг.3А показывает частичное изображение поперечного сечения вала и смещающего механизма исполнительного устройства одностороннего действия с реечной передачей на фиг.3, взятого по линии IIIА-IIIА фиг.3.
Фиг.4 показывает поперечное сечение исполнительного устройства одностороннего действия с реечной передачей с Фиг.2А-2В, взятого по линии IV-IV Фиг.2А, согласно второму варианту.
Фиг.5А-5В показывает виды сверху поперечного сечения исполнительного устройства одностороннего действия согласно настоящему изобретению с реечной передачей в открытом и закрытом состоянии соответственно.
Фиг.6 показывает горизонтальную проекцию поперечного сечения исполнительного устройства одностороннего действия с треугольным кривошипом на фиг.5А-5В, взятого по линии VI-VI фиг.5А, согласно первому варианту реализации.
Фиг.7 показывает горизонтальную проекцию поперечного сечения исполнительного устройства одностороннего действия с треугольным кривошипом на фиг.5А-5В, взятого по линии VII-VII фиг.5А, согласно второму варианту реализации.
Осуществление изобретения
Несмотря на то, что в следующем тексте изложено подробное описание многочисленных различных вариантов реализации, следует понимать, что правовые рамки настоящего изобретения определяются формулой, изложенной в конце настоящей заявки. Подробное описание показывает только несколько примеров и не демонстрирует все возможные варианты реализации, поскольку описание всех возможных вариантов реализации было бы если не невозможным, то затруднительным. Многочисленные альтернативные варианты реализации могут быть осуществлены при использовании либо настоящей технологии, либо технологии, разработанной после даты подачи настоящей заявки, которая все равно будет попадать в рамки формулы настоящего изобретения.
Также следует понимать, что до тех пор, пока в настоящей заявке термин не будет четко определен с использованием предложения "В настоящей заявке термин '___' следует понимать как…" или похожего предложения, не ставится цели ограничивать значение термина явно или косвенно, и этот термин не следует понимать ограниченным в рамках любого положения в любом разделе настоящей заявки (отличного от языка формулы). Обращение к любому термину, изложенному в формуле в конце настоящей заявки, способом, согласующимся лишь с одним значением этого термина, сделано таковым только для ясности, чтобы не смутить читателя, и не означает ограничения термина, косвенно или как-либо, одним этим значением. Наконец, до тех пор, пока элемент формулы не будет определен с использованием слова "означает" и функции без явной или присущей структуры, не подразумевается, что любой элемент формулы будет интерпретирован на основании положений статьи 35 U.S.C. §112, шестой абзац.
Возвращаясь к иллюстрациям, на фиг.2А-2В изображено исполнительное устройство одностороннего действия с реечной передачей 100 (далее "исполнительное устройство 100") согласно настоящему изобретению. В общем, исполнительное устройство 100 включает корпус 102, вал 104, первый и второй поршни 106а, 106b и смещающий механизм 108. Смещающий механизм 108 схематически изображен на фиг.2А-2В и будет подробнее описан ниже.
Корпус 102 включает центральную цилиндрическую часть 110 и первую и вторую концевые пластины 112а, 112b. Первая и вторая концевые пластины 112а, 112b прикреплены к противоположным первому и второму концам 110а, 110b центральной цилиндрической части 110 соответственно таким образом, что в корпусе 102 образована полость 114.
В изображенной реализации вал 104 может быть описан как шестерня, имеющая набор внешних зубьев 120, расположенных по окружности и вытянутых в продольном направлении вала 104, как показано, к примеру, на фиг.3-4. Вал 104 закреплен в полости 114 корпуса 102 и выполнен с возможностью поворотного перемещения между первым положением, изображенным на фиг.2А, и вторым положением, изображенным на фиг.2В. В одном из вариантов реализации первое и второе положения вала 104 смещены друг от друга приблизительно на девяносто градусов (90°) для традиционных применений как клапан типа "бабочка". В другом варианте реализации первое и второе положения смещены друг от друга приблизительно на сто восемьдесят градусов (180°), например, для конфигураций трехходового клапана.
Как показано на фиг.3-4, центральная цилиндрическая часть 110 корпуса 102 включает верхнее и нижнее отверстие 116а, 116b для приема верхней и нижней части 118а, 118b вала 104 соответственно. То есть верхняя и нижняя часть 118а, 118b размещается внутри верхнего и нижнего отверстия 116а, 116b соответственно с возможностью вращения. В некоторых реализациях исполнительное устройство 100 может включать один или более уплотнитель, к примеру, обеспечивающий герметичное уплотнение между верхней и нижней частью вала 118а, 118b и верхним и нижним отверстием 116а, 116b соответственно.
Ссылаясь на фиг.2А-2В, и первый и второй поршни 106а, 106b исполнительного устройства 100 также расположены внутри полости 114 корпуса 102 и соединены с валом 104 посредством набора внешних зубцов 120. Первый поршень 106а расположен около первого конца 110а центральной цилиндрической части 110 корпуса 102, в то время как второй поршень 106b расположен около второго конца 110b центральной цилиндрической части 110 корпуса 102.
Как показано, каждый из поршней 106а, 106b включает тело 122а, 122b и рычаговую часть 124а, 124b. Тела 122а, 122b могут включать части в форме дисков, внешние границы которых находятся в уплотненном соединении с одной или более внутренней стенкой центральной цилиндрической части 110 корпуса 102. В некоторых реализациях исполнительное устройство 100 может включать уплотнитель 99, расположенный между каждым из тел 122а, 122b и цилиндрической центральной частью 110 корпуса 102 для обеспечения герметичного уплотнения, благодаря которому возможно пневматическое функционирование исполнительного устройства 100, как будет описано далее. Форма тел 122а, 122b схожа с формой поперечного сечения полости 114, определяемой центральной цилиндрической частью 110 корпуса 102, которая может быть круговой, квадратной, прямоугольной, треугольной или любой другой традиционной или нетрадиционной геометрической формы. Рычаговые части 124а, 124b поршней 106а, 106b проходят от соответствующих тел 122а, 122b по направлению к поршню 104 и за него, как показано, и содержат реечные передачи 126а, 126b, расположенные в зацеплении с набором зубцов 120 вала 104.
В процессе работы первый и второй поршень 106а, 106b могут скользяще перемещаться между открытым состоянием, которое показано на фиг.2А, и закрытым состоянием, которое показано на фиг.2В, совместно с поворотным перемещением вала 104 между первым и вторым положением. В открытом состоянии поршни 106а, 106b смещены друг от друга на первое расстояние, в закрытом состоянии поршни 106а, 106b смещены друг от друга на второе расстояние, меньшее первого. Настоящая реализация исполнительного устройства 100 содержит первую и вторую ограничивающую часть 105а, 105b, которые показаны на фиг.2А-2В, для ограничения хода поршней 106а, 106b внутри полости 114 корпуса 102 и определения расстояния между поршнями 106а, 106b в открытом и закрытом состоянии.
В рассматриваемом варианте первая и вторая ограничивающая часть 105а, 105b могут включать первый и второй штырь 111а, 111b соответственно, проходящие внутрь корпуса 102. Более конкретно, штыри 111а, 111b проходят через соответствующие высверленные отверстия 107а, 107b, образованные во второй концевой пластине 112b корпуса 102. Первый штырь 111 имеет длину, достаточную для того, чтобы также проходить через высверленное отверстие 109а, образованное в теле 122b второго поршня 106b. В одном из вариантов высверленное отверстие 109а и первый штырь 111а по одному или вместе содержат уплотнитель 97 (см. Фиг.2А-2В), обеспечивающий герметичное уплотнение между первым штырем 111а и телом 122b второго поршня 106b. Первый штырь 111а также включает конец 113а, расположенный внутри полости 114 корпуса 102. Второй штырь 111b включает конец 113b, расположенный в пространстве между вторым поршнем 106b и второй концевой пластиной 112b. Таким образом, концы 113а, 113b штырей 111а, 111b ограничивают перемещение поршней 106а, 106b между открытыми и закрытыми состояниями.
К примеру, как показано на Фиг.2А, конец 113b второго штыря 111b впритык соединяется с телом 122b второго поршня 106b при достижении поршнями 106а, 106b открытого состояния. Таким образом, второй штырь 111b предотвращает перемещение второго поршня 106b навстречу второй концевой пластине 112b дальше конца 113b. Ограничивая перемещение второго поршня 106b, второй штырь 111b также ограничивает перемещение первого поршня 106а, поскольку поршни 106а, 106b соединены друг с другом посредством вала 104.
В отличие от второго штыря 111b, конец 113а первого штыря 111а впритык соединяется с рычаговой частью 124а первого поршня 106а при достижении поршнями 106а, 106b закрытого состояния, как показано на Фиг.2В. Первый штырь 111а таким образом предотвращает перемещение первого поршня 106b навстречу второй концевой пластине 111b за конец 113а. Ограничивая перемещение первого поршня 106а, первый штырь 111а также ограничивает перемещение второго поршня 106b, поскольку поршни 106а, 106b соединены друг с другом посредством вала 104.
Штыри 111а, 111b в рассматриваемом варианте могут извлекаться из исполнительного устройства 100, таким образом, возможно использование различных штырей, имеющих разную длину. Ограничивающие части 105а, 105b позволяют регулировать ход исполнительного устройства 100, не требуя при этом полного демонтажа его компонентов.
Смещающий механизм 108 в рассматриваемом варианте расположен внутри полости 114 корпуса 102 около вала 104 и поршней 106а, 106b и соединен с валом 104. Расположенный таким образом смещающий механизм 108 смещает вал 104 и поршни 106а, 106b в предустановленном отношении. К примеру, в рассматриваемом варианте смещающий механизм 108 может сместить вал 104 во второе положение, смещая таким образом первый и второй поршень 106а, 106b вместе в закрытое состояние, как показано на Фиг.2В. В другом варианте реализации, однако, смещающий механизм 108 может смещать вал 104 в первое положение, смещая таким образом первый и второй поршень 106а, 106b по отдельности в открытое состояние, как показано на Фиг.2А.
Смещающий механизм 108 может включать по меньшей мере одну силовую пружину с плотной навивкой или спиральную пружину, силовая пружина или спиральная пружина может передавать существенную постоянную силу на всем протяжении, на котором она, например, накручена или раскручена. В одном примере силовая пружина или спиральная пружина может передавать существенную постоянную силу на всем протяжении, на котором она накручена или раскручена. В другом примере силовая пружина или спиральная пружина может передавать переменную, т.е. увеличивающуюся и/или уменьшающуюся, силу на всем протяжении, на котором она намотана или размотана. Такая переменная сила пружин может использоваться, к примеру, для преодоления силы трения в клапане, возникающей в заделке или сцеплении уплотнителя поворотного клапана.
В одном из вариантов реализации настоящего изобретения силовая пружина или спиральная пружина может включать часовую пружину 128, как показано на Фиг.3А. Часовая пружина 128 может быть расположена внутри картриджа или другого корпуса, который не показан на Фиг.3А, для предотвращения перемещения витков часовой пружины 128 вдоль оси вала 104. В одном примере часовая пружина может включать часовую пружину постоянной силы, которая обеспечивает постоянную величину крутящего момента на всем диапазоне движения и, как будет описано, на протяжении всего хода исполнительного устройства 100. Другой пример часовой пружины может включать часовую пружину переменной силы, которая обеспечивает переменный, увеличивающийся и/или уменьшающийся, крутящий момент на всем диапазоне движения. В одном из вариантов реализации часовая пружина 128 может быть изготовлена в виде плоской ленты высокопрочного металла, такого как нержавеющая сталь, или подобного ему, который с коммерческой стороны доступен у Vuican Spring & Mfg. Co., Пенсильвания, США. В другом варианте реализации часовая пружина 128 может включать пружину NEG'ATOR@, которая с коммерческой стороны доступна у Ametek he., Паоли, Пенсильвания, США.
Как показано на Фиг.3А, часовая пружина 128 в рассматриваемом варианте исполнительного устройства 100 может включать первый конец 129, соединенный с валом 104, и второй конец 131, соединенный с корпусом 102. Более конкретно, первый конец 129 включает шип 120, расположенный под углом относительно внутреннего витка часовой пружины 128. Шип 130 расположен внутри радиального выреза 132, образованного в вале 104. Второй конец 131 часовой пружины 128 соединен с корпусом 102 посредством регулирующего механизма 134. Регулирующий механизм 134 предназначен для регулирования силы или нагрузки часовой пружины 128. В изображенной реализации регулирующий механизм 134 включает регулирующий блок 136 и резьбовой зажим 138. Регулирующий блок 136 соединен со вторым концом 131 часовой пружины 128 посредством крепежа 140, такого как шуруп, к примеру, и определяет внутреннее резьбовое отверстие 142. Внутреннее резьбовое отверстие 142 принимает резьбовой зажим 138, который проходит оттуда через отверстие 144 в центральной цилиндрической части 110 корпуса 102.
Устроенный таким образом, резьбовой зажим 138 может поворачиваться по часовой стрелке посредством головной части 138а и протягивать регулирующий блок 136 по направлению к корпусу 102; блок 136, в свою очередь, будет протягивать второй конец 131 часовой пружины 128 по направлению к корпусу 102 и сжимать витки часовой пружины 128 для увеличения нагрузки, прикладываемой при смещении к валу 104. Похожим образом резьбовой зажим 138 может поворачиваться посредством головной части 138а против часовой стрелки для перемещения регулирующего блока 136 от корпуса 102; блок 136, в свою очередь, будет перемещать второй конец 131 часовой пружины 128 от корпуса 102 и ослаблять часовую пружину 128 для уменьшения нагрузки, прикладываемой при смещении к валу 104. Устроенный таким образом регулирующий механизм 134 обеспечивает простые средства регулировки силы, образуемой смещающим механизмом 108, не требуя при этом открытия корпуса 102 исполнительного устройства 100. Напротив, техник может просто отрегулировать резьбовой зажим 138 рукой, как было описано, или инструментом, к примеру, таким как гаечный ключ. В одном из вариантов реализации резьбовой зажим 138 также может оснащаться стрелкой или другим указателем, вытянутым по радиусу или же напечатанным или смежным с головной частью 138а резьбового зажима, к примеру, и корпус 102 исполнительного устройства 100 может включать градуированную шкалу, расположенную круговым образом около отверстия 144. Градуированная шкала может показывать предустановленные силы. Таким образом, техник сможет легко регулировать силу смещающего механизма 108 простым поворотом головной части 138а резьбового зажима 138 так, что стрелка или другой указатель будет выровнен с градуированной отметкой, соответствующей желаемой силе.
На Фиг.3 изображена горизонтальная проекция в одном из вариантов реализации исполнительного устройства одностороннего действия с реечной передачей 100, где смещающий механизм 108 включает первую и вторую часовые пружины 128а, 128b, соединенные с валом 104 и разделенные набором внешних зубцов 120. Первая часовая пружина 128а расположена на вале 104 около верхней части вала 118а, и вторая часовая пружина 128b расположена на вале 104 около нижней части вала 118b. Хотя это и не показано, каждая из часовых пружин 128а, 128b соединена между валом 104 и корпусом 102 исполнительного устройства 100 с независимым регулирующим механизмом 134, который напоминает регулирующий механизм, описанный выше со ссылкой на Фиг.3А. Таким образом, крутящий момент, производимый каждой из часовых пружин 128а, 128b, может быть независимо отрегулирован.
В реализации, изображенной на Фиг.3, размеры и конфигурация рычагов 124а, 124b поршней 106а, 106b таковы, чтобы они могли быть подогнаны между первой и второй часовой пружиной 128а, 128b. Устроенные таким образом поршни 106а, 106b могут перемещаться между открытым состоянием (Фиг.2А) и закрытым состоянием (Фиг.2 В), не вмешиваясь при этом в работу часовых пружин 128а, 128b.
К примеру, на протяжении работы исполнительного устройства 100, изображенного на Фиг.2А-2В и Фиг.3, первая и вторая часовая пружина 128а, 128b смещают вал 104 во второе положение, показанное на Фиг.2В. Когда вал 104 занимает второе положение, первая и вторая часовая пружина 128а, 128b достигают первого состояния и прикладывают первую силу, т.е. крутящий момент к валу 104. Первое состояние пружин 128а, 128b может включать стянутое состояние, которое также может расцениваться, как сжатое состояние. Поскольку зубцы 120 на вале 104 находятся в постоянном зацеплении с частями реечной передачи 126а, 126b рычаговых частей 124а, 124b поршней 106а, 106b, часовые пружины 128а, 128b, таким образом, также смещают поршни 106а, 106b в закрытое состояние, которое также изображено на Фиг.2В. Для перемещения поршней 106а, 106b в открытое состояние и, посредством этого, поворота вала 104 в первое положение, изображенное на Фиг.2А, в полость 114 посредством впускного отверстия 146 (см. Фиг.2А-2В) в центральной цилиндрической части 110 корпуса 102 может подаваться сжатый газ, такой как приточный воздух.
В то время как открытое состояние поршней 106а, 106b описано со ссылкой на Фиг.2А как состояние, включающее состояние, при котором тело 122b второго поршня 106b соприкасается с концом 113b второй ограничивающей части 105b, действительное положение второго поршня 106b и, таким образом, первого поршня 106а в открытом состоянии может также быть любым положением между положением, изображенным на Фиг.2В, и положением, изображенным на Фиг.2А. Действительное положение в такой реализации может, к примеру, основываться на величине давления приточного воздуха, подаваемого во впускное отверстие 146.
К примеру, в состоянии поршней 106а, 106b, изображенном на Фиг.2А, давление приточного воздуха имеет достаточную величину, чтобы преодолеть силу смещающего механизма 108, таким образом, второй поршень 1066 переместится на максимальную величину и войдет в контакт со второй ограничивающей частью 105b.
В этой конфигурации сила, прикладываемая к первому и второму поршню 106а, 106b подаваемым воздухом больше, чем сила, прикладываемая к поршням 106а, 106b смещающим механизмом 108.
Однако, на протяжении работы исполнительного устройства 100 сила, действующая на первый и второй поршень 106а, 106b со стороны приточного воздуха, может меняться и зависеть от некоторого сигнала, получаемого от другой стороны системы. Вследствие этого, в любое время сила, действующая на поршни 106а, 106b со стороны приточного воздуха, может быть меньше, чем сила, прикладываемая смещающим механизмом 108. В такой конфигурации открытое состояние поршней 106а, 106b и второе положение вала 104 могут зависеть, т.е. могут быть пропорциональны величине давления приточного воздуха, подаваемого во впускное отверстие 146. Следовательно, открытое состояние поршней 106а, 106b может определяться как любое состояние, которое занимают поршни 106а, 106b между состоянием, изображенным на Фиг.2В, и состоянием, изображенным на Фиг.2А. Аналогично, второе положение вала 104 может являться любым положением между тем, которое изображено на Фиг.2В и тем, которое изображено на Фиг.2А.
Когда вал 104 занимает первое положение, часовые пружины 128а, 128b занимают второе состояние и прикладывают вторую силу, т.е. крутящий момент, к валу 104. Второе состояние пружин 128а, 128b может включать растянутое состояние, которое также можно рассматривать как расширенное состояние. Поскольку часовые пружины 128а, 128b в рассматриваемом варианте могут производить силу существенной величины независимо от состояния витков, которого они достигли, первая сила, прикладываемая к валу 104, при достижении пружинами 128а, 128b первого состояния приблизительно равна второй силе, прикладываемой к валу 104 при достижении пружинами 128а, 128b второго положения. Кроме того, пружины 128а, 128b прикладывают в целом постоянную силу к валу 104 в любом положении между первым и вторым положением. Для возврата вала 104 во второе положение и поршней 106а, 106b в закрытое состояние подача сжатого воздуха может быть остановлена, что позволит часовым пружинам 128а, 128b вернуть вал 104 обратно в положение, изображенное на Фиг.2В.
В то время как смещающий механизм 108 исполнительного устройства 100 до сих пор описывался как механизм, смещающий вал 104 во второе положение, изображенное на Фиг.2В, он может также располагаться таким образом, чтобы смещать вал 104 в первое положение, изображенное на Фиг.2А, как упоминалось выше. Для упрощения подобного размещения вал 104 и смещающий механизм 108 могут быть просто перевернуты внутри корпуса 102 таким образом, что верхняя часть вала 118а будет расположена с возможностью поворота внутри нижнего отверстия 116а корпуса 102, и нижняя часть вала 118b будет расположена с возможностью поворота внутри верхнего отверстия 116а корпуса 102. Установленный таким образом смещающий механизм 108 сможет смещать вал 104 в первое положение и поршни 106а, 106b в открытое состояние, как показано на Фиг.2А. Для перемещения поршней 106а, 106b в закрытое состояние и, тем самым, поворота вала 104 во второе положение, изображенное на Фиг.2В, в корпус 102 посредством второго впускного отверстия 346 в центральной цилиндрической части 110 корпуса 102 может доставляться сжатый газ, такой как проточный воздух. Для доступа ко второму впускному отверстию 346 в одном из вариантов реализации исполнительного устройства 100 от пользователя может потребоваться удаление заглушки 301, расположенной в этом отверстии. Заглушка 301, однако, опциональна и необязательна. Второе впускное отверстие 346 герметично соединено с частью корпуса 102, расположенной между по меньшей мере одним из поршней 106а, 106b и смежной концевой пластиной 112а, 112b. При такой конфигурации сжатый воздух, доставляемый через второе впускное отверстие 346, может прикладывать силу к телу 122а, 122b по меньшей мере одного из поршней 106а, 106b, принуждая тем самым поршни 106а, 106b двигаться навстречу друг другу против силы, прикладываемой смещающим механизмом 108. Аналогично описанному выше откачка сжатого воздуха позволяет смещающему механизму 108 вернуть поршни 106а, 106b и вал 104 обратно в открытое состояние и второе положение соответственно.
Также, в то время как исполнительное устройство, изображенное на Фиг.3, включает первую и вторую часовую пружину 128а, 128b, альтернативные реализации могут включать в целом любое число часовых пружин 128. К примеру, на Фиг.4 изображено одно из альтернативных исполнительных устройств 100, которое отличается от исполнительного устройства 100, изображенного на Фиг.3, только числом часовых пружин 128, формой и конфигурацией первого и второго поршней 106а, 106b и не отличается от него структурно и функционально.
В частности, исполнительное устройство 100, изображенное на Фиг.4, включает одиночную часовую пружину 128, закрепленную в практически центральном положении на вале 104 способом, идентичным тому, который был описан выше со ссылкой на Фиг.3А. Для размещения часовой пружины 128 в центральном положении рычаговые части 124а, 124b каждого поршня 106а, 106b исполнительного устройства 100, изображенного на Фиг.4, раздваиваются и включают верхний рычаг 125а и нижний рычаг 126b. Верхний и нижний рычаги 125а, 125b каждой рычаговой части 124а, 124b расположены так, чтобы не мешать часовой пружине 128 при перемещении поршней 106а, 106b между открытым и закрытым состоянием. Кроме того, верхняя и нижняя часть125а, 125b каждой рычаговой части 124а, 124b включает реечную часть 126, находящуюся в постоянном зацеплении с внешними зубцами 120 вала 104 для обеспечения работы исполнительного устройства 100, как описывалось выше.
В то время как настоящее изобретение до сих пор обсуждалось применительно к исполнительным устройствам с реечной передачей 100, настоящее изобретение не обязательно ограничивается исполнительными устройствами с реечной передачей. К примеру, на Фиг.5А-5В изображена альтернативная реализация исполнительного устройства 200, выполненного в соответствии с положениями настоящего изобретения, которое включает исполнительное устройство с треугольным кривошипом 200 (далее "исполнительное устройство 200"). Исполнительное устройство 200 включает корпус 202, вал 204, первый и второй поршень 206а, 206b и смещающий механизм 208. Смещающий механизм 208 схематически изображен на Фиг.5А-5В, но в целом может включать любой из смещающих механизмов 108, описанных выше со ссылкой на исполнительное устройство 100, изображенное на Фиг.2-4.
Корпус 202 исполнительного устройства 200 в целом идентичен корпусу 102 исполнительного устройства 100, описанного выше, в том, что он включает центральную цилиндрическую часть 210 и первую и вторую концевые пластины 212а, 212b. Первая и вторая концевые пластины 212а, 212b скреплены с противоположными первым и вторым концами 210а, 210b центральной цилиндрической части 210 соответственно, так что в корпусе 202 образована полость 214.
Вал 204 изображенной реализации включает по меньшей мере одну хомутную пластину 230, проходящую радиально от вала 204 и определяющую пару радиальных вырезов 221, расположенных диаметрально противоположно друг другу. Вал 204, включающий по меньшей мере одну хомутную пластину 220, закреплен внутри полости 214 корпуса 202 и выполнен с возможностью совершения поворотного перемещения между первым положением, которое показано на Фиг.5А, и вторым положением, которое показано на Фиг.5В. В одном из вариантов реализации положения вала 204 могут быть удалены на по меньшей мере приблизительно сорок пять градусов (45°) друг от друга. К примеру, расстояние между первым и вторым положениями вала 204, изображенными на Фиг.5А и Фиг.5В соответственно, может составлять приблизительно девяносто градусов (90°), что показывают различные положения радиальных вырезов 221 в хомутной пластине 220.
Как показано на Фиг.6, к примеру, центральная цилиндрическая часть 210 корпуса 202 исполнительного устройства 200 включает верхнее и нижнее отверстие 216а, 216b, в которых с возможностью поворота располагаются верхняя и нижняя части 218а, 218b вала 204 соответственно. Таким образом, верхняя и нижняя части 218а, 218b расположены с возможностью поворота в верхнем и нижнем отверстии 216а, 216b соответственно. В некоторых реализациях исполнительное устройство 200 может включать один или более уплотнитель, к примеру, обеспечивающий герметичное уплотнение между верхней и нижней частью 218а, 218b и верхним и нижним отверстием 216а, 216b соответственно.
Ссылаясь на Фиг.5А-5В, каждый из поршней 206а, 206b исполнительного устройства с треугольным кривошипом 200 также расположен внутри полости 214 корпуса 202. Первый поршень 206а расположен ближе к первому концу 210а центральной цилиндрической части 210, в то время как второй поршень 206b расположен ближе ко второму концу 210b центральной цилиндрической части 210 корпуса 202. Каждый из поршней 206а, 206b соединен с валом 204 посредством хомутной пластины 220 для совершения скользящего перемещения между открытым состоянием, которое показано на Фиг.5А, и закрытым состоянием, которое показано на Фиг.5В, совместно с поворотным перемещением вала 204 между первым и вторым положением. В открытом состоянии поршни 206а, 206b удалены друг от друга на первое расстояние, а в закрытом состоянии поршни 206а, 206b удалены друг от друга на второе расстояние, меньшее первого. Для определения пространства между поршнями 206а, 206b в открытом и закрытом состоянии исполнительное устройство 200 может включать одну или более ограничивающую часть, схожую с ограничивающими частями 105а, 105b, описанными выше со ссылкой на Фиг.2А-2В.
Как показано, каждый из поршней 206а, 206b включает тело 222а, 222b и рычаговую часть 224а, 224b. Тела 222а, 222b могут включать части дисковой формы, которые по периметру находятся в уплотнительном соединении с одной или более внутренней стенкой центральной цилиндрической части 210 корпуса 202. В некоторых реализациях исполнительное устройство 200 может включать уплотнитель (не показан), расположенный между каждым из тел 222а, 222b и центральной цилиндрической частью 210 корпуса 202 для обеспечения герметичного уплотнения для обеспечения пневматической работы исполнительного устройства 200, как будет описано ниже. Таким же образом, что и тела 122а, 122b поршней 206а, 206b, описанные выше со ссылкой на Фиг.2-4, форма тел 222а, 222b схожа с формой поперечного сечения полости 214, определяемой центральной цилиндрической частью 210 корпуса 202, которая может быть круговой, квадратной, прямоугольной, треугольной или любой другой традиционной или нетрадиционной геометрической формы.
Как показано, рычаговые части 224а, 224b поршней 206а, 206b, проходят от соответствующих тел 222а, 222b по направлению и за вал 204. Рычаговые части 224а, 224b включают штыри 226а, 226b соответственно, каждый из которых расположен в одном из радиальных вырезов 221, образованных в хомутной пластине 220 вала 204.
Смещающий механизм 208 в рассматриваемом варианте расположен внутри полости 214 корпуса 202 вдоль вала 204 и поршней 206а, 206b и соединен с валом 204. Расположенный таким образом смещающий механизм 208 смещает вал 204 и первый и второй поршень 206а, 206b в предустановленном отношении способом, практически идентичным тому, который был описан выше относительно смещающего механизма 108 на Фиг.2-4. К примеру, в рассматриваемом варианте смещающий механизм 208 может смещать вал 204 во второе положение, смещая таким образом первый и второй поршень 206а, 206b вместе в закрытое состояние, как показано на Фиг.5В. Однако в другом варианте реализации смещающий механизм 208 может смещать вал 204 в первое положение, смещая таким образом поршни 206а, 206b по отдельности в открытое состояние, как показано на Фиг.5А. Как упоминалось выше, смещающий механизм 208 может быть структурно и функционально идентичен смещающему механизму 108, описанному выше со ссылкой на Фиг.2-4, в связи с этим подробности не будут повторяться.
На Фиг.6 изображена горизонтальная проекция одной из реализации исполнительного устройства одностороннего действия с треугольным кривошипом 200, где смещающий механизм 208 включает первую и вторую часовую пружину 228а, 228b, соединенные с валом 204. Первая часовая пружина 228а расположена на вале 204 около верхней части 218а, и вторая часовая пружина 228b расположена на вале 204 около нижней части 218b. Хотя это и не показано, каждая из пружин 228а, 228b соединена между валом 204 и корпусом 202 исполнительного устройства 200 с независимым регулирующим механизмом, напоминающим регулирующий механизм 134, описанный выше со ссылкой на Фиг.3А, к примеру. Таким образом, крутящий момент, производимый каждой из часовых пружин 228а, 228b исполнительного устройства с треугольным кривошипом 200, изображенного на Фиг.6, может быть независимо отрегулирован.
В этой реализации размер и конфигурация рычаговых частей 224а, 224b поршней 206а, 206b таковы, чтобы они могли быть подогнаны между первой и второй часовой пружиной 228а, 228b. Кроме того, каждая рычаговая часть 224а, 223b включает верхний рычаг 225а и нижний рычаг 225b, между которыми проходит и соединяется один из соответствующих штырей 226а, 226b, как показано на Фиг.6. Устроенные таким образом штыри 226а, 226b расположены внутри радиальных вырезов 221 хомутной пластины 220 так, что поршни 206а, 206b могут перемещаться между открытым состоянием (Фиг.2А) и закрытым состоянием (Фиг.2В), не препятствуя работе пружин 228а, 228b.
На протяжении работы исполнительного устройства 200, изображенного на Фиг.5А-5В и Фиг.6, первая и вторая часовая пружина 228а, 228b могут смещать вал 204 во второе положение, показанное на Фиг.5В. Поскольку штыри 226а, 226b, прикрепленные к рычаговым частям 224а, 224b поршней 206а, 206b, расположены внутри радиальных вырезов 221 хомутной пластины 220, часовые пружины 228а, 228b таким образом также смещают поршни 206а, 206b в закрытое состояние, которое также изображено на Фиг.5В. Для перемещения поршней 206а, 206b в открытое состояние и поворота вала 204 в первое положение, изображенное на Фиг.5А, в полость 214 посредством впускного отверстия 246 (см. Фиг.5А-5В) в центральной цилиндрической части 210 корпуса 202 может доставляться сжатый газ, такой как проточный воздух. Для возврата вала 204 во второе положение и поршней 206а, 206b в закрытое состояние подача сжатого воздуха может быть остановлена, что позволит часовым пружинам 228а, 228b вернуть вал 204 обратно в положение, изображенное на Фиг.5В.
В то время как исполнительное устройство с треугольным кривошипом 200, изображенное на Фиг.6, включает первую и вторую часовую пружину 228а, 228b, альтернативные реализации могут включать в целом любое число часовых пружин 228. К примеру, на Фиг.7 изображено альтернативное исполнительное устройство с треугольным кривошипом 200, которое ничем не отличается от исполнительного устройства 200, изображенного на Фиг.6, кроме числа часовых пружин 228, числа хомутных пластин 220 и формы и конфигурации первого и второго поршня 206а, 206b.
В частности, исполнительное устройство 200, изображенное на Фиг.7, включает одиночную часовую пружину 228, прикрепленную по центру вала 204 способом, идентичным тому, который был описан выше со ссылкой на Фиг.3А. Вал 204 включает верхнюю и нижнюю части 220а, 220b, каждая из которых определяет пару радиальных вырезов, идентичных радиальным вырезам 221, изображенным на Фиг.5А-5В, но не обозначенным ссылками на Фиг.7. Рычаговые части 224а, 224b поршней 206а, 206b в целом схожи с рычаговыми частями 224а, 224b, изображенными на Фиг.6, в том, что каждая из них включает верхний рычаг 225а и нижний рычаг 225b. Однако, для обеспечения центрального положения часовой пружины 228, рычаговые части 224а, 224b включают штыри 226а, проходящие наверх от верхних рычагов 225а в соответствующие радиальные вырезы 221 верхней хомутной пластины 220а, и штыри 226b, проходящие вниз от нижних рычагов 225b в соответствующие радиальные вырезы 221 нижней хомутной пластины 220b. Верхние и нижние рычаги 225а, 225b каждой из рычаговых частей 224а, 224b расположены таким образом, чтобы не препятствовать работе часовой пружины 128 при перемещении поршней 106а, 106b между открытым и закрытым состояниями, изображенными на Фиг.5А-5В.
Как упоминалось выше, в каждой из упомянутых вариантов одна или более часовая пружина 128, 228 может обеспечить постоянный крутящий момент, приложенный к валу 104, 204, независимо от положения вала 104, 204 между первым и вторым положением. Это может увеличить выходной крутящий момент исполнительных устройств 100, 200, позволяя таким образом использовать меньшие пружины, производящие меньшие силы, чем смещающие механизмы, использующиеся в традиционных исполнительных устройствах одностороннего действия. Меньшие пружины могут быть предпочтительнее в плане стоимости.
Другим преимуществом исполнительных устройств 100, 200, описанных выше, является то, что смещающие механизмы 108, 208 расположены внутри той же полости 114, 214, в которую поставляется чистый сжатый воздух для перемещения поршней 106а, 106b, 206а, 206b в открытое состояние. Таким образом, пружины 128, 228 защищены от любого воздуха, впускаемого и выпускаемого через концевые пластины 112а, 112b, 212а, 212b, что продлевает срок их службы.
В то время как исполнительные устройства 100, 200, описанные выше, могут включать первый и второй поршни, альтернативные реализации исполнительных устройств, выполненные в соответствии с настоящим изобретением, могут включать одиночный поршень, прикрепленный внутри корпуса и соединенный с поворотным валом.