带有离合器机构的阀操作器组件和装配有这种组件的阀的制作方法

本发明涉及阀和手动操作阀的领域，例如闸阀、控制或调节阀、防喷器阀或阻塞阀。更具体地，本发明涉及一种用于闸阀的阀操作器组件。

背景技术：

阀用于各种行业以控制流体流动。特别地，闸阀广泛用于石油和天然气工业，以控制在钻井或生产的各个阶段的生产流体的流动。在该行业中使用的大多数闸阀包括具有纵向流动孔和与该流动孔相交的横向闸腔的阀体。具有横向延伸穿过其的开口的闸设置在该闸腔中。提供阀杆用于在打开位置和关闭位置之间移动闸，在打开位置，闸开口与流动孔对准，在关闭位置，闸开口偏离流动孔。阀体的闸腔被具有轴向孔的阀帽覆盖，阀杆穿过该轴向孔。

这种闸阀与阀操作器组件相关联，用于选择性地上下驱动阀杆以便关闭和打开闸阀。阀操作器组件通常包括输入构件，以通过手轮的手动致动或者电动或气动或液压致动来施加旋转运动。阀操作器组件还包括传动机构，以将输入构件的旋转运动转换成阀杆的轴向运动。为了以最小转数快速打开和关闭闸阀，传动机构可以是螺旋机构(screwmechanism)，比如滚子螺旋机构、滚珠螺旋机构或者带有或不带有齿轮减速器的爱克米螺杆(acmescrew)，以便减少操作扭矩。获取更多细节，可以参考专利ep-b1-1419334。

由于这种螺旋机构在流体压力下易反向驱动，所以闸阀可能会被无意打开或关闭。这种反向驱动不仅会导致所需流量调节的问题，而且还可能导致操作者受伤，例如被旋转的手轮击打。

因此，平衡系统通常设置在闸阀的阀体上，以防止由流体施加的力而使传动机构反向驱动。这种系统包括平衡杆，所述平衡杆设置在阀体上，并且其暴露于流体压力以偏移或平衡施加在闸上的力。

然而，需要修改阀体的设计，以将这种平衡系统集成在闸阀上。这导致闸阀的复杂结构。此外，闸阀所需的空间明显增加。

ep-a1-1813506公开了一种用于电动助力转向设备中的滚子螺旋机构。根据该现有技术，通过滚子丝杠机构可以以高效率将一个方向上的旋转转换为线性运动，同时防止逆向/反向驱动旋转。电动助力转向设备包括第一电动机和第二电动机，以帮助滚子螺旋机构的旋转元件旋转，然后减小驱动者的转向负载。所述电动机进一步使反转方向上的转换效率为0。

然而，这种设备需要电动机来控制滚子螺旋机构的线性运动和旋转运动之间的转换。那么，希望只通过滚子螺旋机构元件的机械及结构设计而不是通过外部设备来控制反向旋转。

技术实现要素：

因此，本发明的具体目的是通过提供一种阀操作器组件，特别是具有简单设计的不可逆向或反向驱动并且支撑和传递轴向和径向载荷的阀，来克服这些上述缺点，简单设计即容易组装、经济、能够以有效和经济的方式长期运行。

本发明涉及一种阀操作器组件，包括：沿着中心轴线延伸的管状外壳，相对于所述外壳可旋转地安装的输入构件，和传动机构，所述传动机构布置在所述外壳的内孔中并且沿着所述中心轴线延伸。所述传动机构包括连接到输入构件的旋转元件和平移元件，所述传动机构适于将输入构件至所述旋转元件的所施加的旋转转换成所述平移元件的轴向平移。至少一个滚动轴承径向布置在所述外壳的内孔和所述传动机构的旋转元件之间，以旋转支撑并且引导在所述外壳内的所述旋转元件。

根据本发明，所述阀操作器组件还包括离合器机构，以允许驱动扭矩在围绕中心轴线的两个方向上从所述输入构件至所述旋转元件的传递，但是防止任何反向驱动扭矩在任一方向上从所述旋转元件到所述输入构件。所述离合器机构沿着中心轴线延伸，布置在所述外壳和所述旋转元件之间，并且设置有：

-通过固定装置安装在外壳上的壳体，

-安装在旋转元件上的第一轴向套筒和安装有输入构件的第二轴向套筒，所述轴向套筒彼此轴向相邻，

-设置在所述第一套筒和第二套筒之间的锁定构件，每个锁定构件以这样的方式与第一套筒和第二套筒接触：当驱动扭矩在围绕中心轴线的任一方向上被施加到第二套筒时，每个锁定构件处于锁定位置以将第二套筒与第一套筒锁定，以便将所述制动扭矩从所述第二套筒传递到第一套筒，当所述第一套筒处于在围绕中心轴线的任一方向上的反向驱动扭矩下时，所述锁定构件处于解锁位置，以及

-径向布置在第一套筒和壳体的内孔之间的第一滚动轴承和径向布置在第二套筒和壳体的内孔之间的第二滚动轴承。

由于本发明，围绕输入构件的中心轴线的驱动扭矩经由锁定的第二套筒和第一套筒而被传递到传动机构的旋转元件。然后将平移构件被沿着中心轴线轴向平移。

当向传动机构施加反向驱动扭矩时，特别是当平移元件向传动机构中的平移元件施加弹出力(ejectionforce)时，锁定构件切换并保持解锁，旋转元件通过该反向驱动扭矩而旋转。第一套筒和第二套筒被解锁，然后在它们之间没有传递扭矩。输入构件不受所述反向驱动扭矩的影响并保持静止位置。

离合器机构在所述输入构件的轴向侧上被布置在传动机构、外壳和输入构件之间。阀体是标准化的，不需要任何改变。外壳必须仅适于固定到离合器机构的壳体。所述离合器机构可以直接安装在传动机构的旋转元件上。所述传动机构的所有其它元件是标准化的。这种组件是轴向紧凑的，并且可以几乎没有变化地安装到现有的闸阀上。

根据本发明的另一方面，这是有利但非强制性的，只要没有矛盾，这种阀操作器组件可以包括一个或几个以下特征：

-旋转元件是设有内螺纹的螺母。

-平移元件是设有外螺纹的螺杆。

-传动机构是滚子螺旋机构，其中，滚子径向设置在螺杆和螺母之间，所述滚子包括与螺母的内螺纹和螺杆的外螺纹协作的外螺纹。

-传动机构是滚珠螺旋机构，其中，滚珠径向设置在螺杆和螺母之间，所述滚珠布置在螺母的内螺纹内并与螺杆的外螺纹一起布置。

-输入构件是可操作的手轮。可替代地，输入构件是机械操作者或远程操作载具(vehicle)。

-旋转元件包括朝向输入构件轴向突出的销，双向离合器机构的所述第一套筒安装在所述销上。

-第一和第二套筒包括调整其相对定心位置的装置。

-所述套筒中的一个包括轴向凸缘，其从所述套筒朝向另一套筒轴向突出，而所述另一套筒包括接收所述凸缘的凹槽。

-密封装置设置在所述轴向凸缘和套筒的凹槽之间。

-锁定构件是楔形件。

-楔形件通过保持架保持沿圆向等间隔。

-当楔形件处于解锁位置时，所述楔形件与设置到第一和第二套筒中的一个的环形柱面接触滚道滑动接触。

-套筒中的一个包括沿周向的多个空腔，其中布置有楔形件，所述空腔包括横向引导部分，所述楔形件用于邻接在其上。扭矩在所述楔形件和所述横向引导部分之间传递。所述横向引导部分被设计成当所述楔形件邻接抵靠所述横向引导部分时将楔形件切换到锁定位置或解锁位置。

-横向引导部分各自在于倾斜壁。

-每个空腔包括一对横向引导部分，在其之间周向地布置楔形件，所述楔形件在围绕中心轴线的第一旋转方向上邻接抵靠第一横向引导部分，并且在与第一方向相反的围绕中心轴线的第二旋转方向上邻接抵靠第二横向引导部分。

-空腔设置到从套筒径向向外延伸的径向环形环，所述空腔形成在轴向面向另一套筒的所述环的径向表面上。

-所述径向环形环与所述套筒一体形成。

-所述径向环形环通过适当的固定装置固定到所述套筒。

-每个楔形件包括具有下端部的主体，所述下端部与设置到套筒中的一个的环形柱面接触滚道接触。所述下端部包括用于接触所述环形柱面接触滚道的第一接触表面，所述第一接触表面在围绕中心轴线的第一旋转方向上被锁定到所述环形柱面接触滚道并且在与第一方向相反的围绕中心轴线的第二旋转方向上在所述环形柱面接触滚道上滑动。所述下端部还包括用于接触环形柱面接触滚道的第二接触表面，所述第二接触表面在第二旋转方向被锁定到所述环形柱面接触滚道，并且在与第二方向相反的第一旋转方向上在所述环形柱面接触滚道上滑动。

-每个楔形件布置在两个横向引导部分之间的给定空腔中，并且包括具有下端部的主体，所述下端部与设置到套筒中的一个的环形柱面接触滚道接触。当所述主体接触第一横向引导部分时，所述楔形件处于所述空腔中的第一位置，下端部的第一接触表面与环形柱面接触滚道接触。当所述主体接触第二横向引导部分时，所述楔形件处于所述空腔中的第二位置，下端部的第二接触表面与环形柱面接触滚道接触。

本发明还涉及一种阀，特别是闸阀、控制或调节阀、防喷器阀或阻塞阀，其包括设置有阀帽的阀体和由所述阀帽覆盖的阀外壳、可轴向移动的阀平移构件、根据前述实施例中任一项所述的操作器组件，所述阀平移元件被平移固定到传动机构的平移元件，并且所述阀体固定到操作器组件的外壳。

阀平移构件可以是例如阀杆或活塞。

附图说明

通过研究具体实施例的详细描述，本发明及其优点将被更好地理解，实施例通过非限制性示例给出并通过附图示出，其中：

-图1是根据本发明的第一实施例的操作器组件的截面图；

-图2是图1的组件的离合器机构的详细透视切面图；

-图3是图2的离合器机构的截面图；

-图4a至4d是离合器机构中的楔形件的位置的详细视图；以及

-图5是根据本发明的第二实施例的操作器组件的截面图。

具体实施方式

在图1中，操作器组件1(具有中心轴线x1)包括外壳2和传动机构3。在下文中，形容词“轴向”和“径向”定义为相对于操作器组件1的中心轴线x1。

外壳2在于设置有孔4的管状圆筒。根据未示出的实施例，孔4可以是阶梯状的。外壳2以中心轴x1为中心。

传动机构3径向布置在外壳2的孔4内。在图1所示的实施例中，传动机构3是滚子螺旋机构，其包括螺杆5、螺母6和滚子7。螺杆5设置有螺纹外表面8。螺母6围绕螺杆5同轴安装，并且设置有螺纹内表面9。多个纵向滚子7径向设置在螺杆5和螺母6之间。

螺杆5纵向延伸通过其上形成螺纹内表面9的螺母6的圆柱形孔。螺母6具有管状形状并且被延长以适应丝杠行程的全部范围。

滚子7彼此相同并且规则地围绕螺杆5分布。每个滚子7沿着与中心轴线x1平行的轴线延伸，并且包括与螺母6的螺纹9和螺杆5的螺纹8接合的外螺纹10。每个滚子7还在每个轴向端部包括沿着外螺纹10轴向向外延伸的外齿轮齿11，它们本身由向外延伸的圆柱形螺柱(stud)12轴向延伸。

外齿轮齿11由设置在螺杆5的外表面上的环形齿轮13啮合。每个环形齿轮轴向地位于螺杆5的螺纹外表面8的端部附近，所述螺纹外表面8轴向位于所述齿轮13之间。

滚子7的轴向端部上的圆柱形螺柱12容纳在设置在间隔环14(或环形导向件)上的圆柱形通孔中。间隔环使得能够承载滚子7并且使得其规则的周向间隔能够被保持。间隔环14径向设置在螺杆5和螺母6的螺纹内表面9之间，而不与所述螺纹接触。每个间隔环14安装在螺杆5的外表面上，轴向邻近相关联的齿轮13。间隔环14通过任何适当的方式保持在螺杆5的外表面上。作为未示出的实施例，间隔环可以通过一侧上的保持环和轴向相对侧上的肩部保持在螺杆上。

螺纹螺杆适于固定到诸如阀杆(未示出)的平移元件并且传递平移移动。在相反的轴向侧上，螺母在一端封闭并由螺母连接部分15径向延伸。在图1的实施例中，连接部分15与螺母6形成一体。可替代地，连接部分15可以是固定到所述螺母6的远程元件。

所述螺母连接部分15适于通过将在下文进一步描述的离合器机构17的中间部分与输入轮16旋转地紧固。可替代地，传动机构3可由远程操作载具或机电致动器致动。

阀操作器组件1还包括两个滚动轴承18、19，以引导滚子螺旋机构3的螺母6相对于外壳2的旋转。滚动轴承18、19径向安装在螺母连接部分15的外表面和外壳2的孔4之间。在图1的实施例中，滚动轴承18、19是两个角接触球面滚子轴承，但可以是任何其它类型的。

根据本发明，阀操作器组件1还包括离合器机构17，以允许驱动扭矩从输入轮16沿围绕中心轴线x1的两个方向传递到旋转螺母6，但是防止从所述旋转螺母6沿任一方向到输入轮16的任何反向驱动扭矩。所述离合器机构17沿着中心轴线x1延伸并且布置在外壳2和所述旋转螺母6之间。

离合器机构17包括通过任何适当的固定装置安装在外壳2上的壳体20。在图1的实施例中，壳体20和外壳2分别设有相互啮合的螺纹部分21、22。作为未示出的替代，壳体20可以通过螺钉固定到外壳2。

离合器机构包括固定到旋转螺母6的连接部分15的第一轴向套筒23和固定到输入轮16的第二轴向套筒24。轴向套筒23、24沿着中心轴线x1延长，并且彼此沿轴向相邻。

第一套筒23包括以中心轴线x1为中心的圆柱主体25和从所述圆柱主体25径向向外延伸并指向壳体20的环形径向凸缘26。所述凸缘26轴向定位在第二套筒24的侧面上。第一滚珠轴承27径向布置在主体25的外圆柱形表面和壳体20的内孔之间。凸缘26在一个轴向侧上形成用于滚珠轴承27的第一轴向阻挡装置、环28在相对的轴向侧中形成第二轴向阻挡装置。

第二套筒24包括以中心轴线x1为中心的圆柱主体29。第二滚珠轴承30径向布置在主体29的外圆柱形表面和壳体20的内孔之间。径向肩部凸缘31在朝向第一套筒23的一个轴向侧上形成用于滚珠轴承30的第一轴向阻挡装置、环32在相对的轴向侧中形成第二轴向阻挡装置。

第一和第二套筒23、24包括调节它们的相对定心位置的装置。第二套筒24包括环形轴向凸缘41，其从所述套筒24朝向另一套筒23轴向突出。第一套筒23包括接收所述凸缘41的环形凹槽42。环形密封环43径向布置在所述凸缘41和所述凹槽42之间。

离合器机构17还包括布置在所述第一套筒23和第二套筒24之间的多个楔形件33，以便沿围绕中心轴线的任何旋转方向将驱动扭矩从所述第二套筒23传递到第一套筒24，并且阻挡任何反向驱动扭矩沿任一方向从所述第一套筒23到第二套筒24。楔形件33由保持架34周向等间隔地保持。

如图4a至4d所示，楔形件33包括具有下端部35的主体34，所述下端部35与设置到第二套筒24的环形柱面接触滚道36接触。

楔形件33围绕在设置到环形径向环38的空腔37中的滚道36周向布置。所述空腔37形成在所述环38的径向表面上，该径向表面轴向地面向第二套筒24。所述径向环形环38被固定到第一套筒23的凸缘26。作为未示出的替代，环38与所述套筒23一体地形成。

每个所述空腔37限定一对横向引导壁39、40，在它们之间周向布置有楔形件33。横向引导壁39、40相对于彼此倾斜并被调节以设定楔形件33的两个可能的位置。

空腔37及其相关联的楔形件33被设计成使得离合器机构如下并且如如图4a至4b所示地工作。

如图4a所示，输入驱动旋转扭矩f1在围绕中心轴线x1的第一旋转方向上从输入轮16施加到第二套筒24。旋转的环形滚道36使楔形件33在所述方向上移动以邻接抵靠第一横向引导壁40。然后将楔形件33设置在其相应的空腔37中的第一位置，每个楔形件33的下端部35通过第一接触表面44与所述滚道36接触。

在楔形件33的该第一位置中和在从第二套筒24的该第一驱动扭矩f1下，楔形件33锁定在所述第一位置。更精确地，每个楔形件33的第一接触表面44与滚道36旋转联接。然后驱动扭矩f1从第二套筒24传递到所述楔形件33。

楔形件33各自邻接抵靠空腔37的第一横向引导壁40。驱动扭矩f1然后从所述楔形件33传递到环形环26，从而传递到固定到所述环26的第一套筒23。

所述离合器机构17将驱动扭矩f1从输入轮16传递到传动机构3，更具体地说传递到固定至离合器机构17的第一套筒23的螺母6。滚子7在螺母6的内螺纹9上滚动并将移动传递到螺杆5的外螺纹8。所述螺杆5沿着中心轴线x1轴向平移，并将第一轴向方向上的输出平移移动传递到平移元件。作为另一实施例，驱动扭矩可以从输入轮施加到螺杆5。滚子7在螺杆5的外螺纹8上滚动并将移动传递到螺母6的内螺纹9。所述螺母6沿着中心轴线x1平移并将输出平移移动传递到平移元件。

如图4b所示，输入驱动旋转扭矩f2在与f1的第一方向相反的围绕中心轴x1的第二旋转方向上从输入轮16施加到第二套筒24。旋转的环形滚道36在所述第二方向上使楔形件33移动以邻接抵靠第二横向引导壁39。楔形件33然后被设置在其相应的空腔37中的第二位置，每个楔形件33的下端部35通过第二接触表面45与所述滚道36接触。

在楔形件33的该第二位置中和在从第二套筒24的该第二驱动扭矩f2下，楔形件33被锁定在所述第二位置。更精确地，每个楔形件33的第二接触表面45与滚道36旋转联接。然后，驱动扭矩f2从第二套筒24传递到所述楔形件33。

楔形件33各自邻接抵靠空腔37的第二横向引导壁39。驱动扭矩f2然后从所述楔形件33传递到环形环26，从而传递到固定至所述环26的第一套筒23。

所述离合器机构17将驱动扭矩f2从输入轮16传递到传动机构3，然后意味着在与第一平移运动相反的沿着中心轴线x1的第二方向上的输出平移运动。

由于本发明，由输入轮16在围绕中心轴线x1的任一方向上施加的输入驱动扭矩被转换成沿着平移元件的中心轴线x1的输出平移移动。

如图4c所示，输入反向驱动旋转扭矩f3通过螺母6在围绕中心轴线x1的第二旋转方向上施加到第二套筒24。环形环26在所述方向上旋转，第一横向引导壁40邻接抵靠楔形件33。然后将驱动扭矩f3从第一套筒23传递到所述楔形件33。然后将楔形件33设置在其相应的空腔37中的第一位置，每个楔形件33的下端部35通过第一接触表面44与所述滚道36接触。

在楔形件33的该第一位置和在从第一套筒23的在第二方向上的该驱动扭矩f3下，楔形件33在所述第一位置被解锁。更精确地，每个楔形件33的第一接触表面44与滚道36滑动接触。然后，驱动扭矩f3不会从楔形件33传递到第二套筒24。在该情形中，第一套筒和第二套筒不是旋转联接的。

如图4d所示，输入反向驱动旋转扭矩f4通过螺母6在围绕中心轴线x1的第一旋转方向上施加到第二套筒24。环形环26在所述方向上旋转，第二横向引导壁39邻接抵靠楔形件33。然后将驱动扭矩f4从第一套筒23传递到所述楔形件33。然后将楔形件33设置在其相应的空腔37中的第二位置，每个楔形件33的下端部35通过第二接触表面45与所述滚道36接触。

在楔形件33的该第二位置和在从第一套筒23的在第一方向上的该驱动扭矩f4下，楔形件33在所述第二位置被解锁。更精确地，每个楔形件33的第二接触表面45与滚道36滑动接触。然后驱动扭矩f4不会从楔形件33传递到第二套筒24。在该情形中，第一套筒和第二套筒不是旋转联接的。

输入构件16不受所述反向驱动扭矩f3、f4的影响，并保持在静止位置。

虽然已经使用滚子螺旋机构作为传动机构示出了本发明，但应当理解的是，还可以通过使用任何其它类型的传动机构(比如循环滚子螺旋机构、摩擦螺旋机构或如图5所示的滚珠螺旋机构)而在不对阀操作器组件进行重大修改的情况下应用本发明。

图5示出了本发明的第二实施例，其中相同的元件具有相同的附图标记，与第一实施例的不同之处在于，操作器组件1包括布置在外壳2的孔4中的滚珠螺旋机构46。

滚珠螺旋机构46包括螺杆47、螺母48和滚珠49。螺杆47设置有螺纹外表面50。螺母48围绕螺杆47同轴地安装，并且设置有螺纹内表面51。多个滚珠49径向设置在螺杆47和螺母48之间，所述滚珠与螺母48的内螺纹51和螺杆47的外螺纹50接合。在本实施例中，螺母48的内螺纹51设置到紧固在所述螺母48的孔中的循环元件52。

尽管已经基于用于闸阀的阀操作器组件示出了图1和图5的实施例，但应当理解的是，本发明还可以与其他类型的阀一起使用，例如控制或调节阀，防喷器阀或阻塞阀。操作器组件可以例如使用可由远程操作载具或致动器致动的表面闸或海底阀闸。

本说明书中公开的实施例可以布置或组合在一起，并且仍在本发明的含义内。