專利名稱：用在隔膜致動器中以改變有效彈簧剛度的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開大體上涉及控制閥致動器，更具體而言，涉及用在隔膜致動器中以 改變有效彈簧剛度的裝置。
背景技術(shù)：
控制閥用在過程控制系統(tǒng)中以操控流動的流體、將過程變量調(diào)節(jié)到期望的 設(shè)定點(diǎn)、將流體從源頭傳遞或輸送到目的地，等等?？刂崎y組件通常包括閥體、 軸或桿、和致動器，該致動器通過軸或桿提供動力以操作閥或者定位閥中的閥 塞或流動控制構(gòu)件。和控制閥組件一起使用的普通類型致動器是彈簧和隔膜氣 動致動器，隔膜氣動致動器通常被稱為隔膜致動器。
通常，隔膜致動器具有容納隔膜的外殼、隔膜板、致動器桿、和具有一個
或多個彈簧的彈簧組件。當(dāng)隔膜上沒有施加控制壓力時，彈簧組件向隔膜板上
施加力以使致動器桿和閥或被連接到所述桿的其它操縱件回復(fù)到已知的位置
上。在彈簧組件僅采用單個彈簧的情況下，該彈簧通常被居中布置在隔膜板上。
在采用多個彈簧的情況下，這些彈簧通常相對于隔膜板的中心被周向分布，并
將它們各自的力直接施加到隔膜板上。
不管彈簧組件是采用單個彈簧還是多個彈簧，隔膜致動器接收控制壓力以
改變隔膜一側(cè)上的氣體(例如空氣)壓力，從而移動或沖擊所述致動器桿，并 因此打開和關(guān)閉或調(diào)節(jié)可能與所述致動器桿相連的控制閥。將致動器桿以及因 此閥或由致動器控制的其它操縱件移動和保持到沿其沖程范圍的給定位置處所 需的控制壓力的大小，通常等于彈簧組件施加的力和閥或其它操縱件施加到致 動器桿上的力之和。彈簧組件施加的力通常隨著致動器桿朝向其滿沖程狀態(tài)移 動而基本成正比和以線性方式增力口。另外，當(dāng)閥的位置(例如，閥塞、盤等的位置)從其零沖程狀態(tài)變化到其
滿沖程狀態(tài)時，閥或其它操縱件施加到致動器桿上的力也可能改變(例如增
加或減少)。這種閥桿施加的力的改變可歸因于閥的流動特性、閥所控制的流 體的壓力和流速等，因此這種改變可能是基本上非線性的。因此，使致動器、 閥或與致動器相連的其它操縱件移動到其最大沖程所需的控制壓力的大小可能 會相對高，結(jié)果是，可能要求隔膜、外殼、以及其它致動部件承受相對高的壓 力。進(jìn)一步，由于致動彈簧組件所施加的力通常在致動器的整個沖程上線性變 化，且由于閥施加到致動器桿上的力可能非線性地或以其它方式變化，閥的位
置相對于控制壓力可能以不期望的方式變化(例如基本非線性地)。

發(fā)明內(nèi)容
在一個所述示例中，用于隔膜致動器的彈簧組件包括第一彈簧，其操 作性地連接到隔膜板和致動器桿；和第二彈簧，其操作性地連接到所述致動
器桿，且被設(shè)置為與所述第一彈簧串聯(lián)操作。所述彈簧組件包括彈簧座，該 彈簧座布置在所述第一彈簧和所述第二彈簧之間，且被設(shè)置為與所述第二彈
簧一起移動。
在另一所述示例中，彈簧組件包括第一彈簧，其被操作性地連接到可 移動彈簧座；和第二彈簧，其被搡作性地連接到所述可移動彈簧座，且被設(shè)
置為與所述第 一彈簧串聯(lián)操作。
在又一所述示例中，隔膜致動器包括第一彈簧，其被操作性地連接到 隔膜板和致動器桿；和第二彈簧，其被操作性地連接到所述致動器桿。所述 隔膜致動器還包括可移動彈簧座，該可移動彈簧座布置在所述第一彈簧和所 述第二彈簧之間。


圖1為已知隔膜致動器的剖視圖。
圖2為帶有彈簧組件的示例隔膜致動器的一部分的剖-見圖，該彈簧組件具有布置在兩個彈簧之間的可移動彈簧座。
圖3為描繪用在隔膜致動器中的可替換彈簧組件的放大的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
本文描述用在隔膜致動器中以改變有效彈簧剛度的示例裝置。該示例裝置 包括具有多個致動彈簧的彈簧組件，所述多個致動彈簧串聯(lián)操作以沿致動器桿 的沖程改變總的或有效彈簧剛度。更具體而言，設(shè)置在所述彈簧之間的一個或 多個不固定或可移的彈簧座使得彈簧組件能夠在致動器桿沖程的第一部分提供 一個有效彈簧剛度，并能夠在致動器桿沖程的第二部分提供另一有效彈簧剛度。 特別地，所述彈簧與可移動彈簧座被構(gòu)造為在操作中，在致動器桿的第一移動 距離上，所述彈簧中的一個彈簧提供的力改變，可移動彈簧座不移動，且其它 彈簧提供的力基本恒定。然后，在增加到第一距離的致動器桿的第二移動距離
上，所述其它彈簧中的至少一個彈簧所施加的彈簧力隨著一個或多個可移動彈 簧座的移動而變化。
以這種方式，本文描述的示例彈簧組件能夠使隔膜致動器提供的推力被選 擇用于改善性能或在例如其沖程的起點(diǎn)或頂部和終點(diǎn)或底部處得到優(yōu)化。換句 話說，與大部分通常具有單一有效彈簧剛度的已知隔膜致動器不同， 一個有效 彈簧剛度可被選擇用于沖程的一端處的操作，而另一有效彈簧剛度可被選擇用 于沖程的另一端處的操作，以更好地滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。例如，在一些應(yīng)用 中，可能期望在致動器沖程的起點(diǎn)處具有相對大的彈簧剛度，確保致動器提供 足夠的力以實(shí)現(xiàn)與致動器相連的閥的緊閉合(例如，沒有控制壓力的情況下)。 然而，在致動器沖程的另一端，可能期望具有相對小的彈簧剛度，以減小使致 動器和連接到致動器的閥達(dá)到滿沖程所需的控制壓力的大小。
在描述用在隔膜致動器以改變彈簧組件的有效彈簧剛度或常數(shù)的示例裝置
之前，結(jié)合圖1簡要描述一種已知的隔膜致動器。圖1為已知的隔膜致動器100 的剖視圖。隔膜致動器100包括連接到外殼104的致動器主體或軛102。外殼 104包括上殼體106和下殼體108。另夕卜，上殼體106被構(gòu)造為具有控制壓力端口 110。控制壓力端口 110包括入口，以接收控制壓力信號，從而改變隔膜外
殼104內(nèi)的壓力。相反，下殼體108通過端口或通氣口基本保持為大氣壓力， 所述端口或通氣口未在圖1中示出。
外殼104將隔膜112保持在上殼體106與下殼體108之間，上殼體106和 下殼體108通過沿外殼104的外邊緣分隔開的多個螺紋緊固件114和116而被 連接在一起。隔膜112將外殼104內(nèi)的空間分成控制壓力腔118和大氣壓力腔 120。另外，隔膜112的一側(cè)的至少一部分被固定到隔膜板122,隔膜板122向 隔膜112提供剛性支撐且被構(gòu)造為與致動器桿124接合。致動器桿124也可以 為圓柱形構(gòu)件、棒、軸等等。如圖l所描述的那樣，致動器桿124為圓柱形構(gòu) 件，其將隔膜致動器IOO連接到閥塞桿(未示出)且將隔膜致動器100的力和 直線運(yùn)動傳遞到控制岡(未示出)。隔膜112和隔膜板122通過螺紋緊固件126 被連接到致動器桿124,螺紋緊固件126可以是如所示的螺栓。
環(huán)繞致動器桿124的致動彈簧128被居中布置在隔膜板122上并且被定位 在隔膜板122和固定彈簧座130之間。致動彈簧128提供偏壓力以壓迫隔膜板 122,并且因此壓迫致動器桿124朝向上殼體106。在操作中，施加到控制壓力 端口 IIO上的控制壓力改變控制腔118內(nèi)的壓力。例如，當(dāng)控制腔118內(nèi)的壓 力增大到大氣壓力(即腔120中的壓力)以上時，隔膜112、板122、和桿124 被壓迫朝向下殼體108,抵抗致動彈簧128的回復(fù)力。當(dāng)控制壓力施加在隔膜 122上的力超過彈簧128在致動器100的沖程零位施加的任何預(yù)加載載荷或偏 壓和(例如通過閥或連接到致動器桿124的其它操縱件)施加到桿上的任何負(fù) 載之和時，隔膜112、板122、以及桿124向下移動或遠(yuǎn)離上殼體106移動。當(dāng) 隔膜112、板122、以及桿124移動遠(yuǎn)離上殼體106時，彈簧128被壓縮，彈簧 128所施加的回復(fù)力相對于桿124的位置基本成比和以線性方式增加。彈簧128 施加的回復(fù)力隨桿124的移動而改變的方式通常可釆用虎克定律來描述，如下 公式1所示
F=-ybc ( 1 )
在公式l中，F(xiàn)表示彈簧施加的回復(fù)力，k為該彈簧的彈簧常數(shù)，x是該彈簧相對于其自由長度的長度改變量。負(fù)號表示彈簧128所施加的力的方向與桿124 移動的方向相反?？梢姡褂脠D1的已知隔膜致動器100，有效彈簧剛度(即k) 在致動器100的整個沖程上是恒定的。
圖2示出示例隔膜致動器200的一部分的剖一見圖，該示例隔膜致動器200 包括在致動器的整個沖程上改變致動器200的有效彈簧剛度的裝置。為了表述 清楚，某些部件(例如外殼)沒有示出在圖2中。然而，那些沒有在圖2中示 出的部件可以使用例如圖1所示的已知致動器部件來實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖2的詳細(xì)描述，示例隔膜致動器200包括隔膜202、隔膜板204、 致動器桿206、和彈簧組件208。彈簧組件208包括以串聯(lián)i殳置方式環(huán)繞桿206 且與隔膜致動器200的中心軸線同軸對準(zhǔn)的第一彈簧210和第二彈簧212。
不固定或可移動彈簧座214布置在彈簧210和212之間。第二彈簧212 #皮 部分壓縮以提供預(yù)緊力，并且被保持在可移動彈簧座214與固定或靜止彈簧座 216之間。止動件218、 220限制可移動彈簧座214朝向隔膜板204的移動，并 且因此使第二彈簧212能夠提供期望的預(yù)緊力。如圖2所示，止動件218、 220 可被實(shí)施為單一部件或者實(shí)施為相對于可移動彈簧座214被周向地分隔開的兩 個或多個獨(dú)立部件。例如，止動件218、 220可祐j殳置為具有中心孔的圓柱形主 體，并且定位在第一彈簧210和可移動彈簧214的表面之間，從而容納可移動 彈簧214和第二彈簧212。
從圖2中的示例可見，第一彈簧210被操作性地連接到隔膜板204和致動 器桿206,第二彈簧212被操作性地連接到致動器桿206且被構(gòu)造為可與第一 彈簧210串聯(lián)操作。具體而言，在致動器200的沖程的開始，第一彈簧210被 移位或壓縮而第二彈簧212的預(yù)緊力防止可移動彈簧座214從與止動件218、 220接觸的位置離開。這樣，對于第一彈簧210和桿206的第一移動距離或位 移，第一彈簧210施加的力相對于彈簧210的長度的改變量和其彈簧常數(shù)成正 比增大。然而，當(dāng)?shù)谝粡椈?10施加的力小于第二彈簧212施加的預(yù)緊力時， 可移動彈簧座214和第二彈簧212保持不動，第二彈簧212施加的力基本保持 恒定并且與第一彈簧210施加的力的相反。當(dāng)?shù)谝粡椈?10被壓縮足夠量時(即致動器桿206已經(jīng)沿其沖程移動了一 定距離)，第一彈簧210施加的力等于第二彈簧212的預(yù)緊力。第一彈簧210 的進(jìn)一步壓縮(或桿206的移動)導(dǎo)致第一彈簧210施加的力超過第二彈簧212 的預(yù)緊力，并且因此導(dǎo)致隨著第二彈簧212被壓縮，可移動彈簧座214和第二 彈簧212—起移動。結(jié)果是，與施加了超過第二彈簧212的預(yù)緊力的第一彈簧 210的壓縮或位移對應(yīng)的致動器桿206的移動導(dǎo)致第一彈簧210和第二彈簧212 都移動或壓縮。因此，對于這些移動或沿致動器的沖程的一定距離的移動，第 一彈簧210和第二彈簧212施加的力改變，且彈簧組件208施加的合力:f又決于 彈簧210和212二者施加的力之和。結(jié)果是，總的或有效彈簧常數(shù)取決于基于 第一彈簧210和第二彈簧212各自的彈簧剛度，如下面更詳細(xì)的示出的那樣。
對于包括串聯(lián)操作的致動彈簧的彈簧組件來說，當(dāng)所有彈簧都同時被移位 時，彈簧組件的有效彈簣剛度可以概括為如下公式2:
、y
其中kT為總的有效彈簧常數(shù)，k,、 k2、 k3分別是單個彈簧的彈簧常數(shù)。針對兩
個串聯(lián)彈簧對公式2進(jìn)行簡化可得到如下所示的公式3:
通過使用公式3可見，例如，如果兩個串聯(lián)操作的彈簧具有 相同的彈簧常數(shù)， 當(dāng)兩個彈簧同時被移位時，彈簧組件的總的有效彈簧剛度減小到單個彈簧的彈
簧剛度的一半。
回到圖2的示例隔膜執(zhí)行裝置200，如果第一彈簧210的彈簧常數(shù)為kP 第二彈簧212的彈簧常數(shù)為k2,則在致動器桿206的第一移動距離上(例如在 該距離上第一彈簧210施加的力小于第二彈簧212所施加的預(yù)緊力)，彈簧組件 208的有效彈簧剛度為k!。然后，在致動器桿206的第二移動距離上(例如在 該距離上第一彈簧210施加的力大于第二彈簧212產(chǎn)生的預(yù)緊力)，彈簧組件 208的有效彈簧剛度為kT，如上述公式3所示。因此，彈簧210和212為串聯(lián)操作以向致動器200的沖程的不同部分提供兩個不同的有效彈簧剛度。
圖2的示例彈簧組件208中的彈簧210和212被描述為壓縮彈簧，但其它 類型的彈簧和/或不同類型彈簧的組合也可以以類似的方法使用，以在彈簧組件 208的整個位移上提供可變的有效彈簧剛度。例如，拉伸彈簧、波形彈簧、貝 氏彈簧等都能夠通過可移動彈簧座而被設(shè)置為串聯(lián)工作設(shè)置，以達(dá)到類似的結(jié) 果。進(jìn)一步，能夠單獨(dú)選擇彈簧210和212的彈簧常數(shù)，以在彈簧210和212 的整個位移上并且因此在致動器200的整個沖程上纟是供期望的彈簧組件208的 有效彈簧剛度的改變。所以，根據(jù)示例致動器200的具體應(yīng)用的需要，彈簧210 和212的彈簧常數(shù)可以相同也可以不同。
圖3為描繪圖2的示例彈簧組件208的可替換彈簧設(shè)置的放大剖^L圖。在 圖3的可替換彈簧設(shè)置中，第二可移動彈簧座300接合第二致動彈簧212和第 三彈簧302。該可替換設(shè)置還包括被設(shè)置為限制第三致動彈簧302和第二可移 動彈簧座300的移動的第二機(jī)械止動件304、 306。
圖3中描繪的三彈簧設(shè)置的操作與圖2的彈簧組件208相似。但是，圖3 中描繪的三彈簧設(shè)置在致動器桿206的整個沖程上提供三個有效彈簧剛度。當(dāng) 第一彈簧210和第二彈簧212施加的合力超過第三彈簧302施加的預(yù)緊力時， 提供了第三有效彈簧剛度。再次參照上面的公式2,被同時移位的三個彈簧的 有效彈簧剛度可以用下面的公式4來表示
————^ (4)
這樣，如公式4所示，圖3的彈簧組件的有效彈簧剛度能夠在致動器桿206的 沖程的第三部分被進(jìn)一步減小。換句話說，圖3的三彈簧設(shè)置提供了沿致動器 桿206的沖程的三個不同的有效彈簧剛度。具體地，當(dāng)致動器從其沖程零位沖 擊到其滿沖程位時，圖3中所示的三彈簧設(shè)置的有效彈簧剛度從其初始有效彈 簧剛度減小兩次。這樣，增加的串聯(lián)彈簧302將總的有效彈簧剛度減小為三分 之一 (例如當(dāng)k產(chǎn)k2= k3=l ，則kT=l/3 )。
盡管本文描述了某些示例裝置，本專利的覆蓋范圍并不限于此。相反，本專利覆蓋字面上或依據(jù)等同原則客觀地落入所附權(quán)利要求的所有裝置和 制造產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1、一種用于隔膜致動器的彈簧組件，包括第一彈簧，其操作性地連接到隔膜板和致動器桿；第二彈簧，其操作性地連接到所述致動器桿，且被設(shè)置為與所述第一彈簧串聯(lián)操作；和彈簧座，其布置在所述第一彈簧和所述第二彈簧之間，且被設(shè)置為與所述第二彈簧一起移動。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈簧組件，其中所述第一彈簧和所述第二彈 簧具有不同的各自的彈簧常數(shù)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈簧組件，其中所述第一彈簧和所述第二彈 簧被設(shè)置為使得在所述致動器桿的第一移動距離上，所述第一彈簧提供的力 改變，所述第二彈簧提供的力基本恒定且與所述第 一彈簧提供的力相反。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的彈簧組件，其中所述第一彈簧和所述第二彈 簧被設(shè)置為使得在增加到所述第 一距離的所述致動器的第二移動距離上，所 述第二彈簧施加的力改變，并且施加到所述隔膜板上的合力取決于所述第二 彈簧施加的力和所述第 一 彈簧施加的力之和。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈簧組件，其中所述第二彈簧被設(shè)置為提供 預(yù)力口載載荷。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈簧組件，其中所述第一彈簧和所述第二彈 簧被設(shè)置為串聯(lián)操作，使得在所述致動器桿的第一移動距離上，所述第一彈 簧和所述第二彈簧提供第一有效彈簧剛度，在所述致動器桿的第二移動距離 上，所述第一彈簧和所述第二彈簧提供第二有效彈簧剛度。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈簧組件，進(jìn)一步包括機(jī)械止動件，以限制 所述可移動彈簧座的移動范圍。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈簧組件，進(jìn)一步包括第三彈簧，其被設(shè) 置為操作性地接合到所述致動器桿，且與所述第一彈簧和所述第二彈簧串聯(lián)操作；和第二彈簧座，其布置在所述第二彈簧和所述第三彈簧之間，且被設(shè) 置為與所述第三彈簧一起移動。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈簧組件，其中所述第一彈簧和所述第二彈 簧中的每一個包括壓縮彈簧。
10、 一種彈簧組件，包括第一彈簧，其被操作性地連接到可移動彈簧座；和 第二彈簧，其被操作性地連接到所述可移動彈簧座，且被設(shè)置為與所述 第一彈簧串聯(lián)操作。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的彈簧組件，其中所述第一彈簧和所述第二 彈簧具有不同的各自的彈簧常數(shù)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的彈簧組件，其中所述第一彈簧和所述第二 彈簧被設(shè)置為使得在所述可移動彈簧座的第一移動距離上，所述第一彈簧提 供的力改變，所述第二彈簧提供的力基本恒定且與所述第 一彈簧提供的力相反。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的彈簧組件，其中所述第一彈簧和所述第二 彈簧被設(shè)置為使得在增加到所述第一距離的第二移動距離上，所述第二彈簧 提供的力改變。
14、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的彈簧組件，其中所述可移動彈簧座位于所 述第一彈簣和所述第二彈簧之間。
15、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的彈簧組件，進(jìn)一步包括機(jī)械止動件，以限 制所述可移動彈簧座的運(yùn)動范圍。
16、 一種隔膜致動器，包括第一彈簧，其被操作性地連接到隔膜板和致動器桿； 第二彈簧，其被操作性地連接到所述致動器桿；和 可移動彈簧座，其布置在所述第一彈簧和所述第二彈簧之間。
17、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的隔膜致動器，其中所述第一彈簧和所述第 二彈簧被設(shè)置為串聯(lián)操作，使得在所迷致動器桿的第一移動距離上，所述第一彈簧和所述第二彈簧提供第一有效彈簧剛度，在所述致動器桿的第二移動 距離上，所述第一彈簧和所述第二彈簧提供第二有效彈簧剛度。
18、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的隔膜致動器，其中所述第一彈簧和所述第 二彈簧被設(shè)置為在所述隔膜致動器的沖程的一部分上提供第一彈簧剛度，在 所述隔膜致動器的所述沖程的另一部分上提供比所述第一彈簧剛度小的第 二彈簧剛度。
19、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的隔膜致動器，其中所述第一彈簧和所述第二彈簧包括壓縮彈簧。
20、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的隔膜致動器，進(jìn)一步包括機(jī)械止動件，以 限制所述可移動彈簧座的運(yùn)動范圍。
全文摘要
公開一種用在隔膜致動器以改變有效彈簧剛度的裝置。一種用于隔膜致動器的示例彈簧組件包括第一彈簧，其操作性地連接到隔膜板和致動器桿；和第二彈簧，其操作性地連接到所述致動器桿，且被設(shè)置為與所述第一彈簧串聯(lián)操作。另外，可移動彈簧座布置在所述第一彈簧和所述第二彈簧之間。
文檔編號F16K31/126GK101617157SQ200880005746
公開日2009年12月30日 申請日期2008年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月9日
發(fā)明者保羅·拉塞爾·達(dá)拉格 申請人:費(fèi)希爾控制產(chǎn)品國際有限公司