故障安全工业致动器的制作方法

本实用新型涉及故障安全工业致动器。特别地但非排他地，致动器可用于与工业控制件(如阀和风门)一起使用。故障安全工业致动器特别地但非排他地为故障安全流量控制致动器。

背景技术：

工业致动器用于各种不同的行业，包括石油和天然气、水和废水、电力、船舶、采矿、食品、制药和化学工业，以及各种不同的位置，如在建筑物、隧道中等等。故障安全工业致动器可用于其中期望控制液体、气体或粉末的流动并且提供紧急关闭功能的任何应用。

故障安全工业致动器还可用于hvac(供暖、通风和空调)应用，如具有工业控制件(如有助于控制在这类位置中的温度和通风的阀和风门)。在这类应用中，为了在紧急情况下，如在火灾中，特别是例如在如公路或铁路隧道和采矿的隧道中维持安全性，可能需要故障安全机构。举例来说，一些致动器可用于调节在公路隧道中的气流，以帮助确保循环空气不包含车辆废气的积累。

举例来说，风门通常沿用于通风(例如在铁路隧道中与沿隧道行进的火车的活塞效应一起起作用)的隧道间隔开，并且对于在紧急情况(如火灾)下维持隧道的安全性为必需的。当打开时，它们可有助于通风/提取火灾产生的烟，以使更安全地通过隧道，而当闭合时，它们可提供可有助于调节/隔离火灾的屏障。

通常控制风门的致动器连接到火灾检测器。当检测到热量或烟时，自动触发致动器，以将风门移动到适当的故障安全位置中。对于一些风门，故障安全位置可处于闭合位置，而用于其它风门，故障安全位置可处于打开位置。

故障安全致动器可大体上利用能量存储装置，如弹簧，其可将致动器偏压到故障安全位置。在正常操作期间，致动器的驱动可能必须抵抗此能量存储，并且这将影响致动器的大小和转矩要求。

本实用新型的实施例试图提供一种改进的故障安全致动器，其可在例如隧道环境中提供增加的安全性和/或其可提供增加的设计自由度，以优化取决于所需要的故障安全致动的致动器的大小和转矩要求。

技术实现要素：

根据本实用新型的第一方面，提供一种故障安全工业致动器，其包含：

包含第一输出的第一传动系；

包含第二输出的第二传动系，第一传动系和第二传动系彼此平行布置，其中第一输出齿轮和第二输出齿轮是同轴的；

被配置成移动第一传动系和/或第二传动系的传动装置；

被布置成将传动装置选择性地连接到第一传动系和/或第二传动系的至少一个离合器组件；

能量存储装置，所述能量存储装置联接到第一输出；

闩锁机构，其被布置成将能量存储装置选择性地维持在通电状态中；

用于将致动器连接到工业控制件的输入并且使得其能够通过致动器定位的传动轴，所述传动轴联接到第二输出；和

在第一输出和第二输出之间的旋转棘齿联接件；其中旋转棘齿联接件被配置成使得：

第一离合器组件将传动装置连接到第一传动系，并且在向前方向上驱动第一输出，以使能量存储装置通电，所述能量存储装置通过闩锁机构闩锁在通电状态中；

第二离合器组件将传动装置连接到第二传动系，以驱动第二输出，使得输出可以实现传动轴从第一故障安全位置到至少一个第二位置的对应移动；和

释放闩锁机构从能量存储装置释放能量，使得在反向方向上驱动第一输出，并且其中旋转棘齿联接件在反向方向上提供在第一输出和第二输出之间的旋转接合，使得通过第一输出在反向方向上驱动第二输出，以朝向故障安全位置推动传动轴。

故障安全工业致动器可为故障安全工业流控致动器。在本实用新型的上下文中，术语“工业”包括但不限于隧道行业和hvac行业(供暖、通风和空调)。

第一传动系和第二传动系可包含一系列齿轮，其可根据马达的方向在向前和/或向后方向上旋转。马达可在向前方向上驱动第一传动系的齿轮，以使能量存储装置通电。一旦能量存储装置充满，即能量存储装置为通电，它就被闩锁在所述通电位置中。马达还可同时或随后在向前和/或反向方向上(根据马达的方向)驱动第二传动系的齿轮，以实现传动轴(以及工业控制件)从第一故障安全位置到至少第二位置的对应移动。

在能量存储装置处于通电状态的情况下，第一传动链可保持静止，而离合器将传动装置仅连接到第二传动链。如此，在正常操作期间，第二输出可相对于第一驱动输出滑动。然而，在故障保护操作期间，旋转棘齿联接件使第一输出接合第二输出，使得两个输出被驱动到故障安全位置。应了解，如果第二输出在部分打开/闭合位置中，那么第一输出可首先行进到对应的位置，然后旋转棘齿联接件使其与第二输出接合。

有利地，闩锁机构从能量存储装置释放能量，使得通过能量存储装置在反向方向上驱动第一输出并且因此驱动第二输出，使得工业控制件快速移动到故障安全位置。因为能量存储装置为本地电源，所以故障安全可在断电的情况下操作致动器，(即，传动装置不需要供电)。另外，故障安全返回的速度可通过选择能量存储装置配置，并且与传动装置的速度无关。

经由第一传动链的能量存储装置的通电可出现在操作的起始阶段期间，例如紧接在致动器启动之后。第二传动链然后可用作致动器的主要位置控制件(例如，它可根据控制器定位传动轴的需要向后和向前移动)。第一传动链可保持在其完全打开位置中直到需要启动故障安全。

在第一实施例中，旋转棘齿联接件可被配置成使得：

在第一配置中，离合器组件将传动装置连接到第一传动系，并且在向前方向上驱动第一输出，以使能量存储装置通电，并且其中旋转棘齿联接件允许第一输出相对于第二输出滑动；

在第二配置中，能量存储装置通过闩锁机构闩锁在通电状态中，并且离合器组件将传动装置连接到第二传动系，以驱动第二输出，使得输出可以实现传动轴从第一故障安全位置到至少一个第二位置的对应移动，并且其中旋转棘齿联接件允许第二输出相对于第一输出滑动；和

在第三故障安全配置中，释放闩锁机构，使得能量从能量存储装置释放并且在反向方向上驱动第一输出，并且其中旋转棘齿联接件在反向方向上提供在第一输出和第二输出之间的旋转接合，使得通过第一输出在反向方向上驱动第二输出，以朝向故障安全位置推动传动轴。

有利地，第一实施例使得传动装置能够在不同的操作阶段中作用于能量存储装置和传动轴。这类布置在减小来自传动装置的所需要的最大转矩输出方面可为有利的(因为在第一第二配置中，传动装置都不是同时通过两个传动链起作用)。

在第二实施例中，旋转棘齿联接件可被配置成使得：

在第一配置中，离合器组件将传动装置连接到第一传动系和第二传动系，并且在向前方向上驱动第一输出，以使所述能量存储装置通电，并且同时驱动第二输出，以实现传动轴从第一故障安全位置到至少一个第二位置的对应移动；

在第二配置中，能量存储装置通过闩锁机构闩锁在通电状态中；和

在第三故障安全配置中，释放闩锁机构，使得能量从能量存储装置释放并且在反向方向上驱动第一输出，并且其中旋转棘齿联接件在反向方向上提供在第一输出和第二输出之间的旋转接合，使得通过第一输出在反向方向上驱动第二输出，以朝向故障安全位置推动传动轴。

与第一实施例相比，第二实施例可需要较高的来自传动装置的最大转矩输出(因为最大转矩必须是移动传动轴以便克服能量存储所需的转矩的两倍)。然而具有使用这类配置的灵活性的设计为有用的，因为在一些应用中，对可用转矩的限制较少，并且它可优选最小化在致动器可驱动所述传动轴之前的延迟。有利地，单个致动器可被配置成根据任一个实施例操作，而没有任何基本结构变化。

在第三实施例中，旋转棘齿联接件可被配置成使得：

在第一配置中，离合器组件将传动装置连接到第二传动系，并且在向前方向上驱动第二输出，以实现传动轴从第一故障安全位置到至少一个第二位置的对应移动，并且其中旋转棘齿联接件在向前方向上提供在第一输出和第二输出之间的旋转接合，使得通过第二输出在向前方向上驱动第一输出，以使能量存储装置通电；

在第二配置中，能量存储装置通过闩锁机构闩锁在通电状态中；和

在第三故障安全配置中，释放闩锁机构，使得能量从能量存储装置释放并且在反向方向上驱动第一输出，并且其中旋转棘齿联接件在反向方向上提供在第一输出和第二输出之间的旋转接合，使得通过第一输出在反向方向上驱动第二输出，以朝向故障安全位置推动传动轴。

在第二和第三实施例中，同时在向前方向上驱动第一和第二输出。在第二实施例中，离合器组件将传动装置连接到第一传动系和第二传动系，而在第三实施例中，离合器组件将传动装置仅连接到第二传动系。

在上文所描述的所述第一、第二和第三实施例中，在第一配置中，可第一故障安全位置和第二位置在之间旋转第一输出，在所述第二位置，能量存储装置为满载。所述移动可对应于第一输出的预定部分旋转。此外，在第二配置中，可将第一输出保持在相对于其初始位置向前旋转的位置中。

在所述第二配置中，旋转棘齿联接件可以允许第二输出在对应于第一故障安全位置的第一位置和其中第二输出已旋转对应于第一输出的第二位置的量的最终位置之间相对于第一输出自由滑动。最终位置将大体上为传动轴完全打开或完全闭合位置。优选地，当第一输出在闩锁位置中时，旋转棘齿联接件提供第二输出相对于第一输出滑动的预定角范围。

当在反向方向上驱动第一输出时，旋转棘齿联接件可接合第二输出。优选地，旋转棘齿联接件提供在第一输出和第二输出之间的旋转接合，使得在第二输出没有返回到第一位置的情况下，第一输出不能返回到故障安全位置。

旋转棘齿联接件可包含分别与第一和第二输出相关联的第一和第二径向承载面。旋转棘齿联接件可包含分别限定在第一和第二输出上的第一和第二径向承载面。在第一和第二输出之间的滑动可打开在第一和第二径向承载面之间的角间隙。优选地，径向面当径向相邻时传动接合。

在示例性实施例中，能量存储装置可为弹簧。优选地，弹簧为扭转弹簧或板弹簧。能量存储装置可包含风门。风门可减小施加在能量存储装置(例如弹簧)上的力。有利地，这可有助于防止由于施加在弹簧上的力随时间积累的对弹簧的磨损，这可最终引起弹簧断裂。

驱动装置可为马达。闩锁机构可为磁性弹簧锁。

工业控制件可为阀和风门中的一种，如风阀。故障安全工业致动器优选地用于工业流控操作，举例来说hvac。据设想，故障安全工业致动器将用于其中需要这类流控操作的各种行业，特别地在隧道行业中。

故障安全工业致动器可另外包含手动超越控制装置，以将传动轴移动到第一故障安全位置中。手动超越控制装置可为手轮。

故障安全工业致动器还可被改造成现有工业控制件的输入。

虽然上文已描述本实用新型，但是本实用新型扩展到上文或下文的描述或附图中提出的任何实用新型性组合。

附图说明

本实用新型可以不同方式执行，并且现在将参考附图仅借助于实例描述其实施例，其中：

图1a和1b示出根据本实用新型的故障安全工业致动器的俯视图和侧视图；

图2示出根据本实用新型的故障安全工业致动器的分解视图；

图3示出通过组装的图2故障安全工业致动器的横截面视图；

图4示出在第一配置中的图3故障安全工业致动器的透视图；

图5a-5c示出在第二配置中的图3故障安全工业致动器的透视图；

图6示出在第三配置中的图3故障安全工业致动器的透视图；

图7示出根据本实用新型的故障安全工业致动器的实施例的透视图。

具体实施方式

图1a、1b和7示出故障安全工业致动器10，其包含具有第一输出13的第一传动系12，和具有第二输出15的第二传动系14。第一传动系和第二传动系12、14彼此平行，并且第一和第二输出13、15同轴。第一和第二输出13、15还具有旋转棘齿联接件(将在下文进一步详细解释)。

图2和3更详细地示出第一和第二输出13、15。图2示出输出组件的分解视图。输出组件包含第一输出齿轮和第二输出齿轮13、15、弹簧轴21、突片22和24、轴环23和传动轴25。输出齿轮13、15各自通过花键连接(例如通过突片22、24提供)不可旋转地连接到其各自的轴21、25。第一和第二输出13、15为包含部分围绕每个齿轮的圆周延伸的齿的齿轮。

弹簧轴21包含突片22的下部部分插入其中的凹槽26。第一输出13还包含突片22的上部部分插入其中的凹槽27。因此突片22将第一输出13联接到弹簧轴21。类似地，传动轴25包含突片24的下部部分插入其中的凹槽(未示出)，并且第二输出15包含突片24的上部部分插入其中的凹槽28。因此突片24将第二输出15联接到传动轴25。在使用中，传动轴25将致动器10连接到工业控制件(未示出)的输入，如用于隧道和/或hvac工业的阀或风门，并且使得其能够通过致动器10定位。

轴环23插入第一输出13的开口中，而轴环23的凸缘部分位于第一和第二输出13、15之间。凸缘部分提供承载表面，以允许第一和第二输出13、15相对于彼此平稳地滑动。组装的输出组件在图3中示出。

在第一和第二输出13、15之间的旋转棘齿联接件包含分别限定在第一和第二输出上的第一和第二径向承载面29、30。第一径向承载面29通过在轴向位于第一输出13上的凸缘29a中的台阶形成。台阶在具有第一外径的凸缘29a的区段和具有减小的外径的区段之间的界面处形成。第二径向承载面30通过向外延伸的突片30a的端面形成。当组装致动器时，突片30a在具有减小的外径的凸缘29a的部分上延伸。凸缘29a的减小直径部分和突片30a的相对圆周长度限定在输出13和15之间可能的相对旋转滑动的程度。第一和第二径向承载面29、30被布置成使得所述面彼此径向相对，并且当它们径向相邻时传动接合。在使用中，在第一和第二输出13、15之间的任何滑动打开和闭合在第一和第二径向承载面29、30之间的角间隙31(参见图4-6)。

如在图1a、1b和7中所示，致动器10还包含以联接到第一传动系和第二传动系12、14的马达16的形式的传动装置和两个离合器组件17、18。马达16被配置成移动第一传动系和/或第二传动系12、14。第一离合器组件17与第一传动系12相关联，并且第二离合器组件与第二传动系14相关联。离合器组件17、18被布置成将马达16选择性地连接到第一传动系和/或第二传动系12、14。

以包含扭转弹簧19的壳体形式的能量存储装置联接到第一输出13。以磁性弹簧锁20形式的闩锁机构与第一输出13相邻定位，并且被布置成在使用中将弹簧19选择性地维持在通电状态中。

图4-6示出在使用中的故障安全工业致动器10。致动器10在两个阶段中操作：首先使扭转弹簧19通电，并且将其闩锁在通电状态中，同时操作工业控制件，和其次致动弹簧19(释放存储的能量)以使致动器10返回到故障安全位置。

首先启动马达16，这转动延伸通过第一和第二离合器组件17、18和第一传动系和第二传动系12、14的轴(未示出)。尽管离合器17、18均在断电的状态中，马达转动轴，但是没有移动传递到第一或第二传动系12、14。在此阶段，输出13、15均在第一故障安全位置中。

在图4中示出的第一配置中，第一离合器组件17通电，并且因此将马达16联接到第一传动系12。然后马达16驱动第一传动系12，这继而在向前方向上将第一输出13从故障安全位置驱动(旋转)到第二位置。在第一输出13在向前方向上旋转时，弹簧轴21(联接到第一输出13和扭转弹簧19)也旋转和为扭转弹簧19通电(“上紧”)。尽管朝向第二位置驱动第一输出13，但是第二输出15仍在第一故障安全位置中。旋转棘齿联接件允许第一输出13相对于第二输出15滑动。这类相对移动产生在第一和第二径向承载面29、30之间的角间隙31。

马达16驱动第一输出12直到它到达第二位置，在此点处，扭转弹簧19完全通电。所述移动可对应于第一输出13的预定部分旋转。然后启动磁性弹簧锁20，以将第一输出13闩锁/保持在第二位置中，并且因此将扭转弹簧19闩锁在通电状态中。

图5a-c示出第二配置。第一离合器组件17断电，因此使马达16与第一传动系12断开联接，但是扭转弹簧19继续闩锁在通电状态中。

然后使第二离合器组件18通电，因此将马达16联接到第二传动系14。然后马达16驱动第二传动系14，这继而在故障安全位置和至少一个第二位置之间在向前方向上并且还在向后方向(如果需要)(通过反转马达的方向)驱动(旋转)第二输出15。

因为在向前和向后方向上驱动第二输出15，所以经由传动轴25联接到第二输出15的工业控制件(未示出)在打开和闭合位置之间移动。向前方向可对应于开启工业控制件，并且向后方向可对应于闭合工业控制件，或反之亦然。工业控制件的故障安全位置可为闭合位置，但是可存在其中工业控制件的故障安全位置为打开位置的情况。

图5a-c示出经由一些中间位置(图5a和5b)从故障安全位置到第二最终位置(图5c)在向前方向旋转的第二输出15。旋转棘齿联接件允许第二输出15相对于第一输出13自由滑动。第二输出15相对于第一输出13滑动直到它到达第二最终位置，其中第二输出15已旋转对应于第一输出13的第二位置的量。这类在向前方向上的相对移动减小在第一和第二径向承载面29、30之间的角间隙31，直到面29、30彼此相邻(图5c)。因此，当第一输出13在闩锁位置中时，旋转棘齿联接件提供第二输出15相对于第一输出13滑动的预定角范围。

第二输出15现在可保持在第二位置中，因此将工业控制件(如阀或风门)保持在打开或闭合位置中。如果需要将工业控制件移动打开和闭合位置中的另一个(故障安全位置)，反转马达的方向，因此在反向/向后方向上驱动传动系和第二输出15。如果需要，工业控制件可通过反转马达的方向在打开与闭合位置之间移动若干次。

在紧急情况下，例如断电或火灾，可需要快速关闭(或实际上打开)工业控制件，以防止(或允许)流体流动通过控制件。在图6中所示的第三配置中，释放磁性弹簧锁20，因此允许扭转弹簧19断电(退绕)。在扭转弹簧19断电时，它使第一输出13从第二位置在反向方向上旋转回到第一故障安全位置。

当在反向方向上驱动第一输出13时，旋转棘齿联接件接合第二输出15。在第一输出13向后(在反向方向上)旋转时，在第一和第二输出13、15之间的旋转棘齿联接件提供在第一和第二径向承载面29、30之间的旋转接合，使得第一输出13和第二输出15均在反向方向上朝向第一故障安全位置一起旋转。旋转棘齿联接件提供在第一输出13和第二输出15之间的旋转接合，使得在第二输出15没有返回到第一位置的情况下，第一输出13不能返回到故障安全位置。即，通过第一输出13在反向方向上驱动第二输出15，以朝向故障安全位置推动传动轴25(和工业控制件)。

在第二输出15需要手动移动到故障安全位置中，因此将工业控制件移动到故障安全位置中的情况下，致动器10另外包含以手轮40形式的手动超越控制装置，在图1b中示出。有利地，在致动器没有将工业控制件自动移动到故障安全位置中的情况下，手动超越控制装置可提供备用。

尽管上文已参考示例性实施例所描述本实用新型，但是应了解，在不脱离如在所附权利要求书中定义的本实用新型的范围的情况下，可进行各种变化或修改。

举例来说，在替代实施例中，第一和第二离合器组件同时通电。这使得第一输出在向前方向上在故障安全位置和第二位置之间移动，以使扭转弹簧通电，并且同时，第二输出在向前方向上在故障安全位置和至少一个第二位置之间移动，这经由传动轴将联接到第二输出的工业控制件移动到打开或闭合位置中。然后第一输出通过闩锁机构闩锁在第二位置中，并且第二输出在向前和向后方向上自由移动，以与上文所描述的相同途径根据需要打开/闭合工业控制件。在其中需要快速关闭(或实际上打开)工业控制件的紧急情况下，致动器也以与上文所描述完全相同的途径工作。

此实施例可需要具有足以同时驱动两个传动系的转矩额定值的传动装置/马达。

在另外的替代实施例中，仅第二离合器组件通电。这使得第二输出在向前方向上在故障安全位置一种第二位置之间移动，以将经由传动轴联接到第二输出的工业控制件移动到打开或闭合位置中。在第二输出在向前方向上旋转时，在第二输出上的第二径向承载面与在第一输出上的第一径向承载面接合，并且在向前方向上驱动第一输出，以使扭转弹簧通电。然后第一输出通过闩锁机构闩锁在第二位置中，并且第二输出在向前和向后方向上自由移动，以与上文所描述的相同途径根据需要打开/闭合工业控制件。在其中需要快速关闭(或实际上打开)工业控制件的紧急情况下，致动器也以与上文所描述完全相同的途径工作。

可了解，因为本实用新型的实施例可用于不同的配置，所以可在各种应用或操作模式中利用单个基础致动器设计。致动器的结构设计可能不需要任何变化即可在不同配置中操作，并且可简单地需要简单软件/控制件更新或重新配置。举例来说，可根据转矩要求和操作速度选择配置。因此，本实用新型的实施例提供具有极大灵活性的致动器，并且为调试设计者提供一系列设计选择。

此外，在一些实施例中，致动器可被改造成现有工业控制件的输入，如已经在使用中的现有阀或风门。可去除现有致动器并且用本文所描述的本实用新型致动器替换，以操作工业控制件。