阅读说明：本技术 多冗余控制的故障安全式多回转快速切断执行机构 (Fail-safe multi-turn quick-cut-off actuating mechanism with multiple redundancy controls ) 是由 田中山 赖少川 杨昌群 王永飞 赵升吨 牛道东 张晨 宋林 郭瀚泽 于 2020-03-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多冗余控制的故障安全式多回转快速切断执行机构,包括动力机构、动力切换机构、传动系统、复位机构和多冗余安全执行机构；动力机构带动传动系统实现行程输出；动力机构包括电力驱动系统和手动操作系统；动力切换机构用于实现电力驱动系统和手动操作系统之间的切换；复位机构带动传动系统实现行程复位；多冗余安全执行机构用于当电力驱动系统、复位机构失电时对其进行代替。本发明将“交流伺服直驱”和“多冗余伺服控制”的思想应用到传统电动执行器的设计过程中去,从而简化电动执行器的结构、优化电动执行器的使用过程、提高电动执行器的工作效率、降低电动执行器的能耗,同时提升电动执行器的故障安全性。(The invention discloses a multi-redundancy control fail-safe multi-rotation quick cut-off actuating mechanism, which comprises a power mechanism, a power switching mechanism, a transmission system, a reset mechanism and a multi-redundancy safety actuating mechanism, wherein the power mechanism is connected with the power mechanism; the power mechanism drives the transmission system to realize stroke output; the power mechanism comprises an electric drive system and a manual operation system; the power switching mechanism is used for realizing switching between an electric drive system and a manual operation system; the reset mechanism drives the transmission system to realize stroke reset; the multi-redundancy safety actuating mechanism is used for replacing the electric driving system and the reset mechanism when the electric driving system and the reset mechanism are powered off. The invention applies the ideas of alternating current servo direct drive and multi-redundancy servo control to the design process of the traditional electric actuator, thereby simplifying the structure of the electric actuator, optimizing the use process of the electric actuator, improving the working efficiency of the electric actuator, reducing the energy consumption of the electric actuator and simultaneously improving the fault safety of the electric actuator.)

多冗余控制的故障安全式多回转快速切断执行机构

技术领域

本发明涉及电动执行机构技术领域，具体涉及一种多冗余控制的故障安全式多回转快速切断执行机构。

背景技术

随着我国管道建设的快速发展，实现油气管道关键设备国产化的必要性日益迫切。油气管道关键设备国产化既是国家的要求，也是输油气企业降低建设和运营成本的需要，其国产化对于降低工程造价、打破国外的产品垄断和价格壁垒以及发展我们的民族产业、推动油气管道装备水平的提高具有重要意义。随着过程自动化控制过程中的安全要求与日俱增，尤其在石油石化系统对大口径阀的安全需求已十分迫切，而电动执行器作为大口径阀控制系统的终端执行机构，其工作的可靠性将直接影响到整个系统的性能水平和系统安全。

传统电动执行器主要包括固定壳体、电机、减速器、减速器输出轴、螺母、丝杠以及操控电机运行的控制系统组成。其工作原理主要是：通过控制系统操控电机运动，电机带动减速器工作，减速器输出轴与丝杠相联接，转动螺母从而实现直行程运动。但传统电动执行器存在以下缺点：①由于动力源来自于电力系统，当事故或者其它原因造成电力系统停电，电动执行器不能将阀门动作到安全需求位置，从而造成人员伤亡和财产损失；②使用普通交流电机转速无法调节，还需要减速器来降低转速，结构复杂；③没有手轮装置，不能切换为手动模式操控行程上下；④使用单一电机工作，故障安全性较低。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种多冗余控制的故障安全式多回转快速切断执行机构，将“交流伺服直驱”和“多冗余伺服控制”的思想应用到传统电动执行器的设计过程中去，从而简化电动执行器的结构、优化电动执行器的使用过程、提高电动执行器的工作效率、降低电动执行器的能耗，同时提升电动执行器的故障安全性。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种多冗余控制的故障安全式多回转快速切断执行机构，其特殊之处在于：

包括动力机构、动力切换机构、传动系统、复位机构和多冗余安全执行机构；

所述动力机构带动传动系统实现行程输出；

所述动力机构包括电力驱动系统和手动操作系统；

所述动力切换机构用于实现电力驱动系统和手动操作系统之间的切换；

所述复位机构带动传动系统实现行程复位；

所述多冗余安全执行机构用于当电力驱动系统、复位机构失电时对其进行代替。

进一步地，上述传动机构包括蜗杆轴、蜗轮、蜗轮轴，蜗杆轴与蜗轮啮合，蜗轮设置在蜗轮轴上。

进一步地，上述电力驱动系统包括第一中间定子结构盘式交流伺服主驱动电机，第一中间定子结构盘式交流伺服主驱动电机的动力输出端与蜗杆轴固连。

所述复位机构包括第一中间定子结构盘式交流伺服复位电机，第一中间定子结构盘式交流伺服复位电机的动力输出端与蜗杆轴固连；

所述多冗余安全执行机构包括第二中间定子结构盘式交流伺服主驱动电机、第二中间定子结构盘式交流伺服复位电机；

第二中间定子结构盘式交流伺服主驱动电机、第二中间定子结构盘式交流伺服复位电机的动力输出端均与蜗杆轴相固连。

进一步地，上述手动操作系统包括包括手轮和减速器；

所述减速器包括行星齿轮组，行星齿轮组包括行星齿轮组太阳齿轮、行星齿轮组行星小齿轮和行星齿轮架，手轮与行星齿轮组太阳齿轮相连，行星齿轮组太阳齿轮与行星齿轮组行星小齿轮之间相啮合，行星齿轮架与行星齿轮组行星小齿轮配合。

进一步地，上述动力切换机构包括离合器接合套、拨叉，所述离合器接合套通过花键与蜗杆轴连接；离合器接合套可通过花键沿着蜗杆轴滑动，行星齿轮架可通过花键与离合器接合套结合传递扭矩，所述拨叉与离合器接合套连接。

进一步地，还包括电磁抱闸制动电磁铁、电磁抱闸闸瓦制动器，所述电磁抱闸闸瓦制动器与蜗杆轴连接。

进一步地，还包括第一盘式电机外壳、第二盘式电机外壳、第三盘式电机外壳、蜗轮蜗杆箱、第四盘式电机外壳、第五盘式电机外壳、第六盘式电机外壳；

第一盘式电机外壳通过第二盘式电机外壳与第三盘式电机外壳连接，第六盘式电机外壳通过第五盘式电机外壳与第四盘式电机外壳连接，第三盘式电机外壳、第四盘式电机外壳均与蜗轮蜗杆箱连接；

所述第一中间定子结构盘式交流伺服主驱动电机设置在第一盘式电机外壳内，所述第二中间定子结构盘式交流伺服主驱动电机设置在第二盘式电机外壳内，所述第一中间定子结构盘式交流伺服复位电机设置在第四盘式电机外壳内，第二中间定子结构盘式交流伺服复位电机设置在第五盘式电机外壳内。

进一步地，上述蜗轮、蜗轮轴设置在蜗轮蜗杆箱内。

进一步地，上述第一中间定子结构盘式交流伺服主驱动电机、第二中间定子结构盘式交流伺服主驱动电机、第一中间定子结构盘式交流伺服复位电机及第二中间定子结构盘式交流伺服复位电机的结构完全相同，包括盘式伺服电机中间定子、绕组、永磁铁组，所述绕组安装于盘式伺服电机中间定子上，永磁铁组安装在盘式伺服电机转子轭上。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明使用了多冗余伺服控制技术，在本机构联接的阀门打开的情况下若突发事故或者其它原因造成第一中间定子结构盘式交流伺服主驱动电机或第一中间定子结构盘式交流伺服复位电机故障，此时第二中间定子结构盘式交流伺服主驱动电机或第二中间定子结构盘式交流伺服复位电机接受信号接替工作，避免意外造成人员伤亡和财产损失；

(2)本发明使用了中间定子结构盘式交流伺服电机，该电机结构紧凑，轴向尺寸短，占用体积小，该电机采用无铁心电枢结构，不存在普通圆柱式电机由于齿槽引起的转矩脉动，转矩输出平稳，该电机不存在磁滞和涡流损耗，可达到较高的效率，节省能源，该电机绕组电感小，具有良好的换向性能，该电机绕组两端面与气隙接触，利于散热，该电机为交流伺服驱动，可以调速直驱，避免了繁复的减速机构；

(3)本发明设计了离合器以实现自动和手动档位控制，当离合器向右拨动时，蜗杆仅与电机联接，此时为电动控制，当电机断电或失电时，将离合器拨向左方可将手轮以及行星齿轮组与螺母联接，从而实现手动控制，且采用行星齿轮组可以省力。

附图说明

图1是本发明的正面结构示意图。

图2是本发明手轮、行星减速器正面结构示意图。

图3是本发明的蜗杆轴正面剖视图。

图4是本发明的蜗轮轴正面剖视图。

图5是本发明中间定子结构盘式交流伺服电机的正面剖视图。

图中标号说明：1、手轮，2、行星齿轮左端盖，3、行星齿轮组太阳齿轮，4、第一深沟球轴承，5、行星齿轮组行星小齿轮，6、行星齿轮架，7、第一盘式电机外壳，8、第二深沟球轴承，9、第一螺栓组，10、离合器接合套，11、蜗杆轴，12、拨叉，13、第三深沟球轴承，14、第一中间定子结构盘式交流伺服主驱动电机，15、第二盘式电机外壳，16、第二螺栓组，17、第二中间定子结构盘式交流伺服主驱动电机，18、第三盘式电机外壳，19、第三螺栓组，20、蜗轮蜗杆箱，21、第四螺栓组，22、第四深沟球轴承，23、第五深沟球轴承，24、第四盘式电机外壳，25、第五螺栓组，26、第一中间定子结构盘式交流伺服复位电机，27、第五盘式电机外壳，28、第六螺栓组，29、第二中间定子结构盘式交流伺服复位电机，30、第六盘式电机外壳，31、第七螺栓组，32、电磁抱闸制动电磁铁，33、盘式电机端盖，34、第八螺栓组，35、第六深沟球轴承，36、第九螺栓组，37、第一轴承端盖，38、电磁抱闸闸瓦制动器，39、蜗轮，40、蜗轮轴，41、平键，42、第七深沟球轴承，43、轴套，44、蜗轮蜗杆箱顶盖，45、第九螺栓组，46、第八深沟球轴承，47、第十螺栓组，48、第二轴承端盖，49、盘式伺服电机中间定子，50、绕组，51、永磁铁组，52、盘式伺服电机转子轭。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

如附图1、图2及图3所示，多冗余控制的故障安全式多回转快速切断执行机构，手轮1穿过行星齿轮左端盖2与行星齿轮组太阳齿轮3相连，手轮1通过第一深沟球轴承4与行星齿轮左端盖2联接，行星齿轮组太阳齿轮3与行星齿轮组行星小齿轮5之间相啮合，行星齿轮架6与行星齿轮组行星小齿轮5之间相啮合，行星齿轮架6与第一盘式电机外壳7之间通过第二深沟球轴承8相联接，第一盘式电机外壳7与行星齿轮左端盖2之间通过第一螺栓组9联接，离合器接合套10和蜗杆轴11，以及行星齿轮架6之间通过花键联接，拨叉12与离合器接合套10联接，拨叉12与第一盘式电机外壳7联接，第一盘式电机外壳7和蜗杆轴11通过第三深沟球轴承13联接。

如附图1及图3所示，第一盘式电机外壳7内安装有第一中间定子结构盘式交流伺服主驱动电机14，第一中间定子结构盘式交流伺服主驱动电机14与蜗杆轴11相固连。第一盘式电机外壳7、第一中间定子结构盘式交流伺服主驱动电机14与第二盘式电机外壳15通过第二螺栓组16联接。

如附图1及图3所示，第二盘式电机外壳15内安装有第二中间定子结构盘式交流伺服主驱动电机17，第二中间定子结构盘式交流伺服主驱动电机17与蜗杆轴11相固连。第二盘式电机外壳15、第二中间定子结构盘式交流伺服主驱动电机17与第三盘式电机外壳18之间通过第三螺栓组19联接。蜗轮蜗杆箱20与第三盘式电机外壳18通过第四螺栓组21联接，蜗轮蜗杆箱20与蜗杆轴11通过第四深沟球轴承22及第五深沟球轴承23联接，蜗轮蜗杆箱20与第四盘式电机外壳24通过第五螺栓组25联接，蜗轮与蜗杆轴11相啮合。

如附图1及图3所示，第四盘式电机外壳24内安装有第一中间定子结构盘式交流伺服复位电机26，第一中间定子结构盘式交流伺服复位电机26与蜗杆轴11相固连。第四盘式电机外壳24、第一中间定子结构盘式交流伺服复位电机26与第五盘式电机外壳27之间通过第六螺栓组28联接。

如附图1及图3所示，第五盘式电机外壳27内安装有第二中间定子结构盘式交流伺服复位电机29，第二中间定子结构盘式交流伺服复位电机29与蜗杆轴11相固连。第五盘式电机外壳27、第二中间定子结构盘式交流伺服复位电机29与第六盘式电机外壳30之间通过第七螺栓组31联接。

如附图1、图3及图4所示，第六盘式电机外壳30、电磁抱闸制动电磁铁32与盘式电机端盖33通过第八螺栓组34联接，第六盘式电机外壳30通过第六深沟球轴承35与蜗杆轴11联接，第六盘式电机外壳30通过第九螺栓组36与第一轴承端盖37联接，电磁抱闸闸瓦制动器38与蜗杆轴11之间紧密配合。蜗轮39与蜗杆轴11相互啮合，蜗轮39与蜗轮轴40通过平键41联接，蜗轮轴40通过第七深沟球轴承42与蜗轮蜗杆箱顶盖44联接，蜗轮39通过轴套43与蜗轮轴40的轴肩形成轴向定位，蜗轮蜗杆箱顶盖44通过第九螺栓组45与蜗轮蜗杆箱20联接，蜗轮轴40通过第八深沟球轴承46与蜗轮蜗杆箱20联接，蜗轮蜗杆箱20通过第十螺栓组47与第二轴承端盖48联接。

如附图1、图3及图5所示，所述第一中间定子结构盘式交流伺服主驱动电机14、第二中间定子结构盘式交流伺服主驱动电机17、第一中间定子结构盘式交流伺服复位电机26及第二中间定子结构盘式交流伺服复位电机29的结构完全相同，主要包括包括盘式伺服电机中间定子49，绕组50安装于盘式伺服电机中间定子49上，永磁铁组51安装在盘式伺服电机转子轭52上。

本发明的工作原理为：

(1)本发明采用第一中间定子结构盘式交流伺服主驱动电机14、第二中间定子结构盘式交流伺服主驱动电机17、第一中间定子结构盘式交流伺服复位电机26及第二中间定子结构盘式交流伺服复位电机29驱动蜗轮轴转动的具体原理为：

通过给盘式伺服电机中间定子49的绕组50通电，盘式伺服电机中间定子49的绕组50通电后使得盘式伺服电机转子轭52转动，从而带动蜗杆轴11同步旋转，进而带动与之啮合的蜗轮39，蜗轮39带动与之键连接的蜗轮轴40。当第一中间定子结构盘式交流伺服主驱动电机14、第二中间定子结构盘式交流伺服主驱动电机17、第一中间定子结构盘式交流伺服复位电机26及第二中间定子结构盘式交流伺服复位电机29带动蜗杆轴11、蜗轮39、蜗轮轴40运动时，电磁抱闸制动电磁铁32断电，与电磁抱闸闸瓦制动器38分离，当第一中间定子结构盘式交流伺服主驱动电机14、第二中间定子结构盘式交流伺服主驱动电机17、第一中间定子结构盘式交流伺服复位电机26及第二中间定子结构盘式交流伺服复位电机29停止运动时，电磁抱闸制动电磁铁32通电，与电磁抱闸闸瓦制动器38抱合，蜗杆轴11与电磁抱闸闸瓦制动器38一起停止转动，从而实现蜗轮轴40制动。

(2)本发明采用多冗余伺服控制实现故障安全性的具体原理为：

当事故或者其它原因造成第一中间定子结构盘式交流伺服主驱动电机14及第一中间定子结构盘式交流伺服复位电机26故障时，第二中间定子结构盘式交流伺服主驱动电机17及第二中间定子结构盘式交流伺服复位电机29开始工作，从而实现故障安全性。

(3)本发明自动与手动档位切换的具体原理为：

当拨叉12位置为左时，离合器接合套10仅与蜗杆轴11通过花键联接，蜗杆轴11转动带动蜗杆轴11，此时为电机控制档位，当电磁抱闸制动电磁铁32失电时，向上搬动拨叉12，从而切换为手动控制模式，此时转动手轮1，手轮1带动行星齿轮组太阳齿轮3转动，行星齿轮组太阳齿轮3带动行星齿轮组行星小齿轮5转动，行星齿轮组行星小齿轮5带动行星齿轮架6转动，行星齿轮架6通过花键与离合器接合套10联接，离合器接合套10通过花键与蜗杆轴11联接，蜗杆轴11转动带动蜗轮39、蜗轮轴40转动，从而实现省力的手动控制。

以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。