УСТРОЙСТВО ДЛЯ СМЕЩЕНИЯ ЗОЛОТНИКОВЫХ КЛАПАНОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ДАВЛЕНИЯ НАГНЕТАНИЯ
APPARATUS TO BIAS SPOOL VALVES USING SUPPLY PRESSURE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Раскрытое здесь изобретение относится в целом к золотниковым клапанам и, в частности, к способам и устройству для смещения золотниковых клапанов при использовании давления нагнетания.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Золотниковые клапаны являются распространенным компонентом во многих гидравлических и/или пневматических машинах и системах. Золотниковые клапаны используются для управления потоком и/или направления потока текучей среды по различным каналам между одним или большим количеством входных портов золотникового клапана и одним или большим количеством выходных портов в зависимости от положения золотника внутри золотникового клапана.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] Раскрываются способы и устройство для смещения золотниковых клапанов при использовании давления нагнетания. Образец устройства включает корпус золотникового клапана, причем корпус содержит первый порт для приема текучей среды под давлением нагнетания. Образец устройства содержит также золотник внутри корпуса. Избирательное управление положением золотника осуществляется посредством входного усилия, действующего на золотник, причем положение золотника определяет канал для потока текучей среды через золотниковый клапан от первого порта ко второму порту корпуса. Усилие смещения имеет целью смещение золотника в направлении противодействия входного усилия, причем усилие смещения формируется на основе давления нагнетания, приложенного к концу золотника.
[0004] Другой раскрытый образец устройства содержит золотник внутри золотникового клапана для управления потоком текучей среды под давлением нагнетания через золотниковый клапан по мере того, как золотник перемещается под действием входного усилия. Золотниковый клапан определяет границы камеры вблизи конца золотника. Усилие смещения имеет целью смещение золотника в направлении, противодействия входному усилию, причем усилие смещения формируется на основе давления смещения текучей среды внутри камеры. Основой давления смещения должно являться давление нагнетания.
[0005] Еще один раскрытый пример устройства содержит золотник внутри золотникового клапана, причем золотник выполнен с возможностью избирательного перемещения внутри золотникового клапана под действием входного усилия для управления потоком нагнетаемой текучей среды между портами в золотниковом клапане, и при этом нагнетаемая текучая среда находится под давлением нагнетания. Образец устройства дополнительно включает средства для генерации усилия смещения с целью смещения золотника в направлении противодействия входному усилию, причем усилие смещения соответствует давлению смещения, приложенному к концу золотника. Основой давления смещения должно являться давление нагнетания нагнетаемой текучей среды.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0006] На фиг. 1-3 представлены перспективные виды в разрезе образца золотникового клапана, выполненного в соответствии с раскрытыми здесь идеями, при нахождении золотника в различных положениях.
[0007] Фиг. 4 представляет собой вид в поперечном сечении образца золотникового клапана, показанного на фиг. 1-3.
[0008] Фиг. 5 представляет собой частичный вид в разрезе образца золотникового клапана, показанного на фиг. 1-4, в разобранном состоянии.
[0009] Фиг. 6 представляет собой вид в поперечном сечении другого образца золотникового клапана, выполненного в соответствии с раскрытыми здесь идеями.
[0010] Фиг. 7 представляет собой частичный вид в разрезе образца золотникового клапана, показанного на фиг 6, с разнесенными частями.
[0011] Фиг. 8 представляет собой вид в разрезе другого образца золотникового клапана, выполненного в соответствии с раскрытыми здесь идеями.
[0012] Фиг. 9 представляет собой вид в поперечном сечении еще одного образца золотникового клапана, выполненного в соответствии с раскрытыми здесь идеями.
[0013] На фиг. 10 схематически изображен образец цифрового контроллера клапана, содержащего образец золотникового клапана, показанный на фиг. 1-5.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0014] Для управления многими существующими золотниковыми клапанами используется входное усилие, оказывающее воздействие на золотник внутри клапана в одном направлении и встречающее противодействие со стороны усилия смещения, стремящегося сместить золотник в противоположном направлении. В этих существующих золотниковых клапанах усилие смещения обычно фиксируется таким образом, что путем изменения входного усилия, соотносимого с усилием смещения, можно точно управлять положением золотника внутри золотникового клапана. Во многих существующих золотниковых клапанах входное усилие создается посредством входного давления, приложенного к концу золотника; при этом входное давление соответствует пропорциональной части давления нагнетания текучей среды, направляемой через золотниковый клапан. Такие золотниковые клапаны используются во множестве различных вариантов применения, связанных с широким диапазоном давлений нагнетания. Поэтому диапазон соответствующих входных давлений таких золотниковых клапанов также варьируется в широких пределах между различными вариантами применения.
[0015] Чтобы обеспечить правильное функционирование золотниковых клапанов, в золотниковом клапане используют постоянное усилие смещения, величина которого по отношению к входному усилию достаточна для поддержки расположения рабочего диапазона золотникового клапана по центру внутри рабочего диапазона входных усилий. Поэтому усилие смещения, необходимое для обеспечения работы золотникового клапана в любом конкретном варианте применения, зависит от давления нагнетания, используемого при данном варианте применения.
[0016] К сожалению, многие существующие золотниковые клапаны имеют фиксированное усилие смещения, рассчитанное для конкретного давления нагнетания и/или узкого диапазона давлений нагнетания. Соответственно, чтобы удовлетворить спрос на золотниковые клапаны для использования в различных вариантах применения, связанных с широкими диапазонами давлений, от изготовителей требуются затраты на производство и техническое обслуживание ассортимента в виде множества золотниковых клапанов, рассчитанных на широкий диапазон ожидаемых давлений нагнетания. Несмотря на то, что доступность таких опций позволяет конечным потребителям приобретать золотниковый клапан, соответствующий требуемым им вариантам применения, для конечных потребителей затратными и сложными являются идентификация и приобретение золотникового клапана, подходящего для требуемых им вариантов применения, и/или использование ими золотникового клапана в новом варианте применения, отличном от других.
[0017] Для устранения этих недостатков в раскрытых здесь примерах описываются средства для генерации усилия смещения золотника на основе давления смещения, соответствующего давлению нагнетания. В этом случае давление смещения (и соответствующее усилие смещение) пропорционально изменяется по мере того, как изменяется давление нагнетания, относящееся к конкретному варианту применения, в рамках которого действует золотниковый клапан. Таким образом, от изготовителей не требуется выпуск столь многочисленных разновидностей золотниковых клапанов, поскольку один золотниковый клапан, выполненный в соответствии с раскрытыми здесь идеями, может быть использован во множестве вариантов применения, связанных с широким диапазоном давлений нагнетания. Кроме того, описанные здесь образцы золотниковых клапанов обеспечивают конечным потребителям экономию затрат по сравнению с приобретением множества золотниковых клапанов, а также снижение сложности и риска ошибки при выборе номиналов золотникового клапана, подходящих для конкретного варианта применения.
[0018] Для обеспечения правильного баланса воздействующих на золотник усилий таким образом, чтобы увеличение или уменьшение входного усилия в пределах диапазона входных усилий при заданном давлении нагнетания приводило к требуемому перемещению золотника в пределах траектории рабочего хода золотника, усилие смещение при заданном давлении нагнетания должно располагаться внутри рабочего диапазона входных усилий. То есть, независимо от возможности варьирования входного усилия между минимальным усилием, соответствующим минимальному входному давлению (например, атмосферному давлению) и максимальным усилием, соответствующим максимальному входному давлению (например, полному давлению нагнетания), усилие смещения, генерируемое посредством давления смещения, должно находиться между минимальным и максимальным усилиями.
[0019] Задание максимального входного усилия выше усилия смещения в случае, когда основой для обоих усилий является давление нагнетания, может быть осуществлено различными способами. В некоторых примерах усилие смещения регулируют путем сокращения площади, к которой приложено давление смещения, в соотношении с площадью, к которой приложено входное давление. Например, в некоторых раскрытых примерах давление смещения приложено к любому из трех элементов (диафрагме, плунжеру или сильфону), определяющему площадь, меньшую площади конца золотника, к которой напрямую приложено входное давление. В других раскрытых здесь примерах усилие смещения регулируют путем уменьшения давления смещения по отношению к давлению нагнетания. Например, в некоторых раскрытых примерах давление нагнетания подают через первый ограничитель потока и частично направляют наружу через второй ограничитель потока, что приводит к снижению давления (например, до уровня атмосферного давления). В таких примерах первый и второй ограничители потока включают последовательно, чтобы определить промежуточное давление между ограничителями потока, соответствующее давлению смещения.
[0020] На фиг. 1-3 представлены перспективные виды в разрезе образца золотникового клапана 100, выполненного в соответствии с раскрытыми здесь идеями. Как и другие золотниковые клапаны, образец золотникового клапана 100 включает золотник 102, выполненный с возможностью избирательного перемещения, или скользящего движения, вдоль канала 104 корпуса 106. В иллюстративном примере золотник 102 показан в первом положении, соответствующем положению минимального рабочего хода (см. фиг. 1), во втором положении, соответствующем нулевому положению (см. фиг. 2), и в третьем положении, соответствующем положению максимального рабочего хода (см. фиг. 3). В некоторых примерах золотник 102 совершает регулируемое перемещение между положением минимального рабочего хода и положением максимального рабочего хода, определяемое на основе входного усилия, приложенного к первому концу 107 золотника 102, по отношению к усилию смещения, приложенному встречно входному усилию ко второму концу 108, противолежащему первому концу 107. Сравнительная величина, определяемая соотношением между входным усилием и усилием смещения, определяет, движется ли золотник 102, и (если движется) указывает на направление его перемещения вдоль его траектории рабочего хода.
[0021] Вблизи средней точки и каждого из концов 107, 108 золотника 102 имеются участки, на которых диаметр золотника 102 превышает диаметр золотника 102 в его остальной части (в данном документе эти участки именуются поясками 109) и размеры которых выбраны так, чтобы по существу входить во взаимодействие с уплотнением с втулкой 110 (например, посредством уплотнительного кольца или путем выбора жестких допусков), расположенной внутри канала 104. Между поясками 109 золотника 102 имеются участки уменьшенного диаметра, определяющие каналы, или канавки 112, образующие путь для перемещения текучей среды между поясками 109 внутри втулки 110. Кроме того, как показано в иллюстративных примерах, втулка 110 содержит множество отверстий 113, выровненных относительно множества портов 114, 116, 118, 120, 122 в корпусе 106 образца 100 золотникового клапана таким образом, что канал 104 (например, внутри канавок 112 золотника 102) сообщается по текучей среде с наружной частью образца 100 золотникового клапана 100. Дополнительно, таким образом, в зависимости от положения золотника 102 один или большее количество портов 114, 116, 118, 120, 122 могут сообщаться по текучей среде для определения пути прохождения текучей среды через один из портов 114, 116, 118, 120, 122 по канавкам золотника 102 и далее наружу через другой порт комбинации 114, 116, 118, 120, 122.
[0022] Например, при нахождении золотника 102 в положении минимального рабочего хода, как показано на фиг. 1, места расположения поясков 109 и канавок 112 определяют первый путь текучей среды (обозначенный стрелкой 124) между портами 114, 116 и второй путь текучей среды (обозначенный стрелкой 126) между портами 118, 120. Когда золотник 102 находится в положении максимального рабочего хода, как показано на фиг. 3, места расположения поясков 109 и канавок 112 определяют третий путь текучей среды (обозначенный стрелкой 128) между портами 116, 118 и четвертый путь текучей среды (обозначенный стрелкой 130) между портами 120, 122. Когда золотник 102 находится в нулевом положении, как показано на фиг. 2, пояски 109 закрывают, или блокируют отверстия 113 во втулке 110, соответствующие среднему порту 118 и двум наружным портам 114, 122, вследствие чего ни один из портов 114, 116, 118, 120, 122 не находится в состоянии сообщения по текучей среде.
[0023] Структура, представленная в иллюстративных примерах на фиг. 1-3, подходит для управления распределительным клапаном двойного действия, как показано и подробнее описано ниже на примере фиг. 10. В частности, в некоторых примерах золотник 102 выполнен таким образом, что на средний порт 118 поступает поток нагнетаемой под давлением текучей среды (например, сжатого воздуха), причем нагнетаемый поток может быть направлен наружу через любой из соседних портов 116, 118 в зависимости от положения золотника 102 при условии, что золотник 102 не находится в нулевом положении, блокирующем порт 118. То есть, по мере того, как золотник 102 перемещается из нулевого положения (см. фиг. 2) в направлении положения минимального рабочего хода (см. фиг. 1), нагнетаемый поток следует по второму пути текучей среды в направлении, обозначенном стрелкой 126, что приводит к появлению выходного потока на порте 120 (например, на выходе В давления, показанном на фиг. 10). Когда золотник 102 перемещается из нулевого положения (см. фиг. 2) в направлении положения максимального рабочего хода (см. фиг. 3), нагнетаемый поток следует по третьему пути текучей среды в направлении, обозначенном стрелкой 128, что приводит к появлению выходного потока на порте 116 (например, на выходе А давления, показанном на фиг. 10). В этих примерах, где исполнительное устройство приводится в действие выходным потоком от порта 116, смещенная текучая среда внутри исполнительного устройства принудительно направляется назад через порт 120 и далее выпускается через соседний порт 122 (например, через выпуск В, показанный на фиг. 10), поскольку выпускной поток следует по четвертому пути текучей среды в направлении, обозначенном стрелкой 130. Аналогично, при передаче выходного потока от порта 120 смещенная текучая среда внутри исполнительного устройства принудительно направляется назад через порт 116 и далее выпускается через соседний порт 114 (например, через выпуск А, показанный на фиг. 10), поскольку выпускной поток следует по первому пути текучей среды в направлении, обозначенном стрелкой 124.
[0024] Как описано выше в некоторых примерах, перемещение золотника 102 регулируется входным усилием, приложенным к первому концу 107 золотника 102, соотнесенным с усилием смещения, приложенным ко второму концу 108 золотника 102 в направлении противодействия входному усилию. В некоторых примерах входное усилие генерируется на основе входного давления, приложенного к первому концу 107 золотника 102. В некоторых примерах входное давление обеспечено посредством давления нагнетания, отдельно подведенного к порту нагнетания золотника 102 (например, к среднему порту 118, как описано выше). В частности, в некоторых примерах входное давление соответствует пропорциональной величине давления нагнетания, определяемой входным электрическим сигналом, сгенерированным в качестве составного элемента стратегии управления в системе управления технологическим процессом (например, пропорционального сигнала 4-20 миллиампер (мА)). То есть, в некоторых примерах входное давление имеет рабочий диапазон между давлением, равным нулю или примерно нулю (например, атмосферным давлением) и давлением нагнетания, определяемым на основе входного сигнала, подводимого к электропневматическому (I/P) преобразователю (например к электропневматическому преобразователю 1008 на фиг. 10).
[0025] Во многих существующих золотниковых клапанах усилие смещения, противодействующее входному усилию, создается регулировочной пружиной, установленной внутри золотникового клапана. Регулировочная пружина имеет предварительно заданное начальное сжатие для воздействия на противоположный конец золотника. В этих существующих золотниковых клапанах по мере нарастания входного усилия (например, в соответствии с увеличением входного давления) происходит перемещение золотника в направлении регулировочной пружины, что приводит к сжатию пружины и увеличению усилия смещения, пока не прекратится перемещение золотника, когда входное усилие и усилие смещение примерно сравняются между собой. По мере уменьшения входного усилия регулировочная пружина нажимает на золотник для перемещения его назад к входному концу золотника. Соответственно, во многих существующих золотниковых клапанах требуется наличие регулировочной пружины, силу которой определяют на основе рабочего диапазона входного давления. То есть, если сила регулировочной пружины не достаточна в условиях диапазона высоких значений входного давления (например, вследствие высокого давления нагнетания), то усилие от входного давления преобладает над силой регулировочной пружины и препятствует надлежащему смещению золотника регулировочной пружиной. Аналогично, если сила регулировочной пружины оказывается избыточной в условиях диапазона низких значений входного давления, то усилие от входного давления оказывается недостаточным для перемещения золотника надлежащим образом. Соответственно, номинальные характеристики регулировочных пружин, используемых во многих существующих золотниковых клапанах, зависят от варианта применения в том смысле, что пружины необходимо выбирать, исходя из величин давления нагнетания (и соответствующего диапазона для входного давления). В результате, если конечным потребителям требуется использование золотникового клапана в отличном от других варианте применения с отличным от других давлением нагнетания, они должны определить и приобрести пружину с номинальными характеристиками, соответствующими новому варианту применения, и далее демонтировать золотниковый клапан и заменить пружины перед его новым использованием. Иными словами, конечным потребителям понадобится полностью индивидуальный золотниковый клапан, способный работать с давлениями, соответствующими варианту применения, представляющему интерес. Любому из вариантов сопутствуют затраты, сложность и неудобства в части использования таких золотниковых клапанов во множестве различных вариантов применения.
[0026] В примерах, раскрытых в данном документе, эти недостатки существующих золотниковых клапанов устраняются путем генерации усилия смещения на основе давления смещения, приложенного ко второму концу 108 золотника 102, где основой для давления смещения является давление нагнетания. В этом случае усилие смещения нарастает или падает пропорционально любому увеличению или уменьшению рабочего диапазона входного усилия, поскольку и входное усилие, и усилие смещения пропорциональны давлению нагнетания. Поскольку входное давление соответствует пропорциональной части давления нагнетания (исходя из пропорционального входного сигнала), максимальное входное силовое воздействие на золотник 102 соответствует входному давлению, равняющемуся давлению нагнетания. В этом случае прямое приложение давления нагнетания к противоположному концу золотника 102 (например, при давлении смещения, совпадающем с давлением нагнетания) приводит к усилию смещения, эквивалентному максимальному входному усилию. В результате любое пониженное входное усилие приводит к преобладанию усилия смещения над входным усилием, что препятствует правильному управлению положением золотника 102 и/или его перемещением. Соответственно, в некоторых примерах золотниковый клапан 100 выполнен так, что усилие смещения, хотя оно и определяется на основе давления нагнетания, по величине уступает максимальному входному усилию. В некоторых примерах установление усилия смещения, меньшего по сравнению с максимальным входным усилием, осуществляется путем использования давления нагнетания в качестве давления смещения, но с сокращением площади золотника 102, к которой приложено давление смещения. В некоторых примерах давление смещения, приложенное к золотнику 102, регулируется таким образом, что оно является меньшим по сравнению с давлением нагнетания (например, давление смещения является пропорциональной долей давления нагнетания), что приводит к уменьшению усилия смещения даже в том случае, если площадь, к которой приложено давления смещения, совпадает по размеру с площадью, к которой приложено входное давление на входной стороне золотника 102. В дополнение или в качестве альтернативы этому в некоторых примерах и давление смещения, соотнесенное с давлением нагнетания, и площадь, к которой приложено давление смещения, соотнесенная с площадью, к которой приложено входное давление, могут быть изменены любым способом, позволяющим установить требуемое соотношение между входным усилием и усилием смещения.
[0027] В иллюстративных примерах на фиг. 1-3 образец золотникового клапана 100 содержит мембрану 132, имеющую площадь меньше площади входного конца золотника 102. В этом случае, когда входное давление эквивалентно полному давлению нагнетания или приближено к нему, результирующее входное усилие превышает усилие смещения, поскольку входное давление воздействует на площадь, превышающую площадь мембраны 132, на которую воздействует давление смещения (то есть давление нагнетания). В некоторых примерах мембрана 132 связана с золотником 102 через плунжер 134, площадь поперечного сечения которого примерно равняется площади мембраны 132. Поскольку плунжер 134 имеет диаметр, меньший наружного диаметра золотника 102 (соответствующего меньшему диаметру мембраны 132), в некоторых примерах золотниковый клапан 100 содержит прокладочное кольцо 136, охватывающее плунжер 134 по окружности и удерживающее плунжер 134 на месте.
[0028] Площадь мембраны 132 для приложения к ней давления смещения с целью генерации усилия смещения определяют на основе рабочего диапазона входного давления, как это требуется электропневматическому преобразователю и диктуется соответствующей стратегией управления. В некоторых примерах мембрана 132 имеет по существу фиксированную площадь независимо от положения золотника 102 на траектории его рабочего хода. В некоторых примерах независимо от того, что площадь является по существу постоянной, и приложенное давление смещения является по существу постоянным (например, давление нагнетания является по существу постоянным), усилие смещения все же изменяется в пределах траектории рабочего хода золотника 102 вследствие упругости мембраны 132. В этом случае изменение входного давления вызывает перемещение золотника 102, пока не наступит равновесие между входным усилием и усилием смещения, при котором обеспечивается точное управление положением золотника 102 аналогично управлению с помощью регулировочных пружин в существующих золотниковых клапанах, как описано выше. В дополнение или в качестве альтернативы этому в некоторых примерах золотниковый клапан 100 содержит пружину 138 смещения для наращивания изменения в усилии смещения вдоль траектории рабочего хода золотника 102 по мере того, как разжимается и/или сжимается пружина 138 смещения. В некоторых примерах, где пружина 138 смещения не используется для противодействия входному усилию, пружина 138 смещения тем не менее включена в образец золотникового клапана 100 в качестве элемента защиты для смещения золотника 102 в положение отказа при утрате (например, существенном снижении или обнулении) давления нагнетания и соответствующего входного давления и давления смещения. В некоторых таких примерах пружина 138 смещения может иметь коэффициент упругости, существенно более низкий по сравнению с регулировочными пружинами, используемыми в описанных выше существующих золотниковых клапанах, поскольку от пружины 138 смещения не требуется противодействие силовому воздействию входного давления на золотник 102.
[0029] В некоторых примерах мембрана 132 отсутствует, и давление смещения приложено непосредственно к плунжеру 134, определяющему одну и ту же фиксированную площадь, для генерации усилия смещения. В некоторых таких примерах плунжер 134 изготовлен с возможностью его посадки вовнутрь прокладочного кольца 136 с соблюдением жестких допусков для сокращения (например, минимизации) утечки. В качестве дополнения или альтернативы этому в некоторых примерах утечки сокращают с помощью уплотнительного кольца, устанавливаемого между плунжером 134 и прокладочным кольцом 136.
[0030] В других примерах вместо мембраны используют сильфон для определения сокращенной площади, к которой может быть приложено давление смещения с целью генерации усилия смещения, как показано в образце 800 золотникового клапана на фиг. 8. Образец 800 золотникового клапана может быть выполнен из компонентов такого же типа, что и образец 100 золотникового клапана, показанный на фиг. 1-3. Соответственно, образец 800 золотникового клапана содержит золотник 102, втулку 110 и корпус 106. Однако в отличие от образца 100, показанного на фиг. 1-3, образец 800 золотникового клапана на фиг. 8 содержит сильфон 802 внутри корпуса 804 сильфона. В некоторых примерах сильфон 802 связан с золотником 102 через переходник 806, который постоянно выровнен относительно золотника 102 посредством прокладочного кольца 807. В иллюстративном примере сильфон 802 закрыт на противоположном конце концевым колпачком 808. Как показано в иллюстративном примере, сильфон 802 определяет сокращенную площадь 810, к которой приложено давление смещения (например, давление нагнетания), таким образом, что результирующее усилие смещения оказывается меньше максимального входного усилия, основанного на давлении нагнетания, приложенном к противоположному концу золотника 102. В некоторых примерах сильфон 802, переходник 806 и концевой колпачок жестко соединены между собой. Таким образом, по мере того, как золотник 102 перемещается внутри втулки 110, сильфон 802 соответствующим образом расширяется или сжимается в направлении перемещения золотника 102. В некоторых примерах сильфон 802 служит также элементом безопасности, принудительно перемещающим золотник 102 в направлении требуемой позиции отказа при утрате (например, существенном снижении или обнулении) давления нагнетания.
[0031] На фиг. 4 и 5 представлен образец золотникового клапана 100, показанного на фиг. 1, в поперечном сечении и с разнесенными частями (соответственно). Как показано в иллюстративном примере, золотник 102 располагается внутри втулки 110. Плунжер 134 охвачен по окружности прокладочным кольцом 136 и функционально связывает золотник 102 с мембраной 132, удерживаемой в корпусе 140 мембраны. Бочкообразная пружина 142 присоединена к корпусу 140 мембраны для фиксации седла 144 пружины 138 смещения. Концевой колпачок 146 на стороне нагнетания сжимает пружину внутри бочкообразной пружины 142 для приложения усилия заранее определенной величины к золотнику 102, чтобы сместить золотник в безопасное положение при сбое в нагнетании давления. В некоторых примерах золотниковый клапан 100 уплотнен посредством уплотнительного кольца 148 между концевым колпачком 146 на стороне нагнетания и бочкообразной пружиной 142. Кроме того, как показано на иллюстративном примере на фиг. 4 и 5, на противоположном конце образца золотникового клапана 100 конец золотника 102 охвачен по окружности дополнительными прокладочными кольцами 150 и закрыт на входной стороне концевым колпачком 152.
[0032] В некоторых примерах описанные здесь золотниковые клапаны изготавливают с использованием компонентов существующих золотниковых клапанов в сочетании с новыми компонентами, выполненными в соответствии с раскрытыми здесь идеями. В этом случае существующие золотниковые клапаны могут быть модифицированы для реализации раскрытых здесь идей. Например, образец 100 золотникового клапана, показанный на фиг. 1-5, может быть изготовлен с использованием некоторых компонентов клапана NUMATICS 2035, выпущенного компанией Numatics Inc. (г. Новай, штат Мичиган), и с заменой других его компонентов. В частности, образец золотникового клапана 100 в иллюстративных примерах является аналогом клапана NUMATICS 2035, модифицированным путем установки в него плунжера 134, прокладочного кольца 136, мембраны 132, корпуса 140 мембраны, седла 144 пружины, пружины 138 смещения, бочкообразной пружины 142 и концевого колпачка 146 на стороне нагнетания вместо его оригинальных компонентов - седла пружины, регулировочной пружины и концевого колпачка.
[0033] На фиг. 6 и 7 представлен другой образец 600 золотникового клапана, выполненный в соответствии с раскрытыми здесь идеями, в поперечном сечении и в разобранном виде (соответственно). Образец 600 золотникового клапана может быть выполнен из компонентов клапана NUMATICS РА 15, выпущенного компанией Numatics Inc., по таким же правилам, какие указаны выше для образца 100 золотникового клапана, показанного на фиг. 1-5. В частности, образец 600 золотникового клапана содержит золотник 602, имеющий свободу перемещения вдоль втулки 604, расположенной внутри корпуса 606, причем все компоненты идентичны оригинальным компонентам клапана NUMATICS РА 15 valve. Однако образец 600 золотникового клапана был оснащен новыми компонентами, выполненными в соответствии с раскрытыми здесь идеями, включая плунжер 608, прокладочное кольцо 610, корпус 612 мембраны, мембрану 614, бочкообразную пружину 616, седло 618 пружины, пружину 620 смещения и концевой колпачок 622 на стороне нагнетания. В некоторых примерах входное давление, которое может быть пропорционально давлению нагнетания, подается на первый конец 624 золотника 602 для генерации входного усилия на золотнике 602. Кроме того, в некоторых примерах давление смещения подается на мембрану 614 с целью генерации усилия смещения на золотнике 602 через плунжер 608 на втором конце 626 золотника 602, противолежащем первому концу 624. В некоторых примерах давление нагнетания является давлением смещения. В таких примерах площадь мембраны 614 рассчитывают на основе рабочего диапазона входного усилия, чтобы обеспечить управление перемещением золотника 602 внутри втулки 604, исходя из разницы между результирующими значениями входного усилия и усилия смещения независимо от величины давления нагнетания. В этом случае давление нагнетания служит основой для определения и входного давления, и давления смещения, как описано выше.
[0034] Фиг. 9 представляет собой вид в поперечном сечении еще одного образца (900) золотникового клапана, выполненного в соответствии с раскрытыми здесь идеями. Образец 900 золотникового клапана может быть выполнен из компонентов клапана NUMATICS РА 15 по таким же правилам, какие указаны выше для образца 600 золотникового клапана, показанного на фиг. 6 и 7. Соответственно, образец 900 золотникового клапана содержит золотник 602, втулку 604 и корпус 606. Однако в отличие от образца 600, показанного на фиг. 6 и 7, образец 900 золотникового клапана, показанный на фиг. 9, содержит седло 902 пружины, соединенное напрямую с золотником 602. В некоторых примерах седло 902 пружины представляет собой оригинальное седло пружины, изготовленное с клапаном NUMATICS РА 15, являющимся основой для образца 900 клапана. В иллюстративном примере оригинальные компоненты клапана NUMATICS РА 15 были объединены с новыми компонентами, выполненными в соответствии с раскрытыми здесь идеями. В частности, образец золотникового клапана 900 содержит бочкообразную пружину 904, определяющую границы камеры 906, закрываемой концевым колпачком 908. В иллюстративном примере камера 906 содержит пружину 910 смещения для воздействия на седло 902 пружины таким же способом, какой описан выше для пружины 138 смещения образца 100 золотникового клапана на фиг. 1-5.
[0035] Как показано в иллюстративном примере на фиг. 9, бочкообразная пружина 904 содержит первый ограничитель 912 потока и второй ограничитель 914 потока, которые последовательно сообщаются по текучей среде с камерой 906. В некоторых примерах первый ограничитель 912 потока связан с давлением нагнетания для золотникового клапана 900 так, что давление нагнетания сообщается по текучей среде с камерой 906. Кроме того, в таких примерах на второй ограничитель 914 потока воздействует второе давление, меньшее по сравнению с давлением нагнетания, таким образом, что камера 906 сообщается по текучей среде со вторым давлением. В некоторых примерах, где текучей средой является сжатый воздух, второй ограничитель потока является проводником от камеры 906 к атмосфере снаружи золотникового клапана 900 (то есть, вторым давлением является атмосферное давление). В этом случае по мере заполнения камеры 906 текучей средой (например, воздухом) часть давления изнутри камеры 906 просачивается наружу в атмосферу, что приводит к образованию внутри камеры 906 промежуточного давления, которое напрямую приложено к второму концу 626 золотника 602 (то есть, смещающего давления) для смещения золотника 602 встречно входному давлению, приложенному к первому концу 624 золотника 602. В таких примерах в отличие от образцов 100, 600, 800 золотниковых клапанов, показанных на фиг. 1-8, площадь, к которой приложено давление смещения в образце 900 золотникового клапана, показанном на фиг. 9, не является по определению меньшей по сравнению с той площадью, к которой приложено входное давление (что имеет целью снижение результирующего усилия смещения по отношению к максимальному входному усилию). Вместо этого образец 900 золотникового клапана выполнен таким образом, что промежуточное давление, или давление смещения, находится в промежутке между атмосферным давлением и давлением нагнетания. То есть, в иллюстративном примере на фиг. 9 к золотнику 602 приложено не полное давление нагнетания, а промежуточное давление (например, давление смещения), образующееся в результате постоянной утечки давления в атмосферу через второй ограничитель потока914. В некоторых примерах габариты первого ограничителя 912 потока и второго ограничителя 914 потока точно определяют на основе рабочего диапазона входного давления таким образом, чтобы результирующие значения входного усилия и усилия смещения (основанного на промежуточном давлении) обеспечивали возможность управления золотником 602 вдоль траектории его рабочего хода. Соответственно, в некоторых примерах промежуточное давление возрастает или снижается пропорционально любому увеличению или уменьшению давления нагнетания, что приводит к соответствующему увеличению или уменьшению усилия смещения, противодействующего входному давлению аналогично эффекту, получаемому от сокращения площади, на которую воздействует давление смещения, в описанных выше образцах 100, 600, 800 золотниковых клапанов, показанных на фиг. 1-8.
[0036] Как описано выше, в некоторых примерах пружина 910 смещения служит элементом защиты для смещения золотника 602 в требуемое положение отказа при утрате (например, при существенном уменьшении или обнулении) давления нагнетания (и соответствующего входного давления и давления смещения). В дополнение или в качестве альтернативы этому пружина 910 смещения служит также для частичного смещения золотника 602 во взаимодействии с усилием смещения, основанным на давлении смещения, чтобы вызвать изменение усилия смещения, соответствующее положению золотник 602 (например, в зависимости от растяжения и/или сжатия пружины 910 смещения).
[0037] Независимо от того, что выше подробно описаны образцы 100, 600, 800, 900, раскрытые здесь идеи применимы также к другим золотниковым клапанам. Например, другие золотниковые клапаны, имеющие большее или меньшее количество портов, определяющих большее, меньшее и/или другое количество каналов сообщения по текучей среде между портами, могут быть модифицированы в соответствии с раскрытыми здесь идеями для смещения соответствующего золотника в зависимости от давления нагнетания. В некоторых таких примерах результирующее усилие смещения может быть определено путем расчета соответствующей площади (например, соответствующей площади мембраны, плунжера или сильфона), к которой приложено давление нагнетания. В других примерах давление смещения, соответствующее пропорциональной части давления нагнетания, приложено к золотнику для получения требуемого усилия смещения. В дополнение или в качестве альтернативы этому в некоторых примерах в соответствии с раскрытыми здесь идеями возможен расчет конкретных значений как давления смещения, так и площади, к которой приложено давление, с целью определить правильное соотношение между входным усилием и результирующим усилием смещения, действующим в пределах широкого диапазона потенциальных давлений нагнетания, поскольку и входное давление, и давление смещения основаны на давлении нагнетания. Кроме того, независимо от принадлежности описанных выше образцов 100, 600, 800, 900 золотниковых клапанов к пневматическим золотниковым клапанам, раскрытые здесь идеи могут быть также соответствующим образом реализованы в привязке к гидравлическим золотниковым клапанам. Дополнительно, описанные здесь образцы 100, 600, 800, 900 золотниковых клапанов, а также другие золотниковые клапаны, выполненные в соответствии с раскрытыми здесь идеями, могут быть использованы в любом варианте применения, подходящем для таких золотниковых клапанов. Например, как упоминалось выше, образцы 100, 600, 800, 900 золотниковых клапанов могут быть использованы для управления положением распределительного клапана, как показано и более подробно описано на примере фиг. 10. Кроме того, раскрытые здесь идеи могут быть использованы также для смещения золотникового клапана в зависимости от давления нагнетания, когда входное усилие не основано на давлении нагнетания (например, в случае золотниковых клапанов с электромагнитным управлением, золотниковых клапанов с ручным управлением и др.).
[0038] На фиг. 10 приведена схема образца цифрового контроллера клапана (DVC) 1000, содержащего образец 100 золотникового клапана, показанный на фиг. 1-5. Образец DVC 1000, как и другие существующие контроллеры DVC, содержит печатную плату 1002, выполненную с возможностью управления распределительным клапаном 1004 двойного действия на основе электрического входного сигнала (например, от диспетчерского пульта системы управления технологическим процессом) и сигнала обратной связи от позиционно-чувствительного датчика 1006, связанного с распределительным клапаном 1004. В иллюстративном примере контроллер DVC 1000 воспринимает давление нагнетания, направляемое через электропневматический (I/P) преобразователь 1008 для формирования входного давления, пропорционального сигналу возбуждения, сгенерированному печатной платой 1002 на основе входного сигнала и сигнала обратной связи позиционно-чувствительного датчика.
[0039] Во многих существующих DVC входное давление подводится к внутреннему реле, использующему входное давление для формирования пропорционального давления (или потока) через один из двух выходов (например, выход А и выход В), связанных с распределительным клапаном 1004 для прецизионного управления перемещением клапана. Однако этим существующим DVC свойственны ограничения, поскольку внутреннее реле не способно работать на высоких скоростях потока (например, при высоких давлениях нагнетания). Вследствие этого такие DVC ограниченно применяются для управления исполнительными устройствами, имеющими малые объемы и/или перемещающими распределительные клапаны с пониженными скоростями. Для устранения этих недостатков некоторые существующие DVC используют в связке с усилителем пневмосигнала для обеспечения повышенных давлений/скоростей потоков. Однако такое решение является дорогостоящим, поскольку требует дополнительных компонентов в виде усилителя пневмосигнала и затрат на техническое обслуживание этих компонентов. К тому же могут возникать затруднения с регулировкой или изменением настроек усилителей пневмосигнала (например, при использовании DVC в другом варианте применения).
[0040] Согласно раскрытым здесь идеям, образец DVC 1000 содержит золотниковый клапан 100 вместо внутреннего реле, поскольку золотниковые клапаны могут работать в существенно более высоких диапазонах давления, нежели существующие реле. В качестве альтернативы возможно использование вместо золотникового клапана 100 золотниковых клапанов 600, 900, описанных в данном документе, или другого золотникового клапана, выполненного согласно изложенным здесь идеям. Как показано в иллюстративном примере, давление нагнетания направляется к входной стороне образца 100 золотникового клапана (например, через электропневматический преобразователь 1008), к нагнетательному порту золотникового клапана 100 (например, к среднему порту 118), и к нагнетательной стороне образца золотникового клапана 100. В этом случае входное давление, основанное на давлении нагнетания на входной стороне образца 100 золотникового клапана, генерирует входное усилие на золотнике 102, которому противодействует усилие смещения на золотнике 102. Усилие смещения генерируется давлением смещения, которое также основано на давлении нагнетания, но на нагнетательной стороне образца 100 золотникового клапана. Поскольку и входное давление, и давление смещения основаны на давлении нагнетания, результирующие значения входного усилия и усилия смещения пропорциональны между собой. Таким образом, образец DVC 1000 может работать в широком диапазоне давлений нагнетания (например, от 20 до 150 фунтов на квадратный дюйм, или от 1,4 до 10,55 кг/см) без необходимости регулировки усилителя пневмосигнала (если используется реле) и/или слежения за множеством регулировочных пружин или их перестановки (если используется существующий золотниковый клапан) оператором или другим персоналом при изменении давления нагнетания. В таких примерах соотношение между усилием смещения и рабочим диапазоном входного усилия регулируют путем расчета величины площади, к которой приложено усилие смещения (например, при совпадении давления смещения по величине с давлением нагнетания), меньшей по сравнению с площадью, к которой приложено входное давление, и/или путем выполнения золотникового клапана 100 с возможностью регулировки давления смещения до значения, меньшего по сравнению с давлением нагнетания.
[0041] Несмотря на то, что в данном документе описаны определенные способы, устройства и готовые изделия, объем правовой защиты данного патента этим не ограничивается. Напротив, данный патент охватывает все способы, устройства и готовые изделия, достоверно вписывающиеся в объем правовой охраны, определяемый формулой данного изобретения.