在故障状态期间具有减小的出口压力的高通量双阀

摘要

一种具有入口(13)、出口(15)和排放口(17)的双阀，所述双阀在故障状态期间维持出口压力在入口压力的1％以下，同时维持相对小的排放，用于减小的总的阀尺寸。当相应的阀单元(18，20)没有处于退动位置时，交叉通道(2’，25)通过主交叉提升阀(40，153)接收入口压力。当阀单元处于退动位置时，则交叉通道通过相应的旁路通道(44，152)接收入口压力，所述旁路通道(44，152)的流量可以与交叉提升阀的尺寸独立地被控制。旁路通道的使用为用于非压力机的应用的双阀提供特定的益处，所述双阀排放流量系数与入口流量系数的比小于约2.5。

说明书

相关申请的交叉参考

无

关于联邦资助研究的声明

无

技术领域

本发明总体上涉及用于流体动力系统的控制阀，并且更具体地，本发明涉及一种双阀，所述双阀用于同时地在双阀的致动状态期间获得较高的输入对输出的流量系数，并且在故障状态期间获得非常低的出口压力。

背景技术

多种类型的机床通过阀系统操作，所述阀系统与流体动力控制的离合器和/或制动器组件相互作用。用于操作这些机床的控制阀需要操作人员基本同时地激活两个分离的控制开关，以确保当操作循环开始时操作人员的手或者其它障碍物远离机床的运动部件。典型地，响应于两个控制开关的电子电路产生施加到用于切换阀的主流体回路的致动器的控制信号，以控制压缩的空气或其它流体向机床的输送，从而执行机床的操作循环。

已经开发出在一个主阀体内具有并行操作的两个分离的阀单元的双阀，以确保不会由于单个阀单元的故障而导致机床操作循环的重复或超限(overrun)。例如，如果一个阀单元未能在适当的时间退动(deactuate)，或者如果两个阀单元以非同步的方式致动，则双阀呈现出从机床继续转移走流体动力源的故障构造。例如，在共同受让人的美国专利6,840,258和美国专利6,840,259中示出的一种双阀，这些专利通过参考包含于此。

在用于操作压力机(press)和其它机床的已知的双阀中，期望的是当阀退动时从出口快速地排放加压流体，使得出口压力迅速地下降到允许制动机构致动的压力。流量系数C_v是装置的容许流体流动的效率的度量，并且基于测量到的流体流量和横过孔口的压差而计算。在双阀中从入口到出口测量到的C_v典型地不等于从出口到排放口测量到的C_v。典型地，在压力机应用中使用的双阀的出口至排放口的C_v高于入口至出口的C_v。

通过双阀内的交叉通道的流体流动致使一个阀单元运动，以影响另一个阀单元的运动。交叉通道通常在阀的致动状态和退动状态二者中都被加压。在阀的故障状态中，一个交叉被加压，而另一个通向出口并且通过出口通向排放口。流到通向出口的交叉中的入口压力导致在故障状态期间一定量的压力继续存在于出口中。工业标准规定，这种压力应当维持在小于流体供应的压力的1％。由于排放口的相对大的流动能力，用于压力机和机床应用的现有技术的双阀满足小于1％的目标。

期望的是，在非压力机应用中使用双阀的闭锁能力和动态监测特性。这些应用将典型地采用连续的且相对更大的入口和出口之间的C_v，所述在入口和出口之间的C_v通过按比例放大入口、出口和阀单元的尺寸而获得。然而，入口到出口的C_v的按比例放大将趋向于在故障状态期间增大到出口的流动，由于以上阐述的原因，这是不期望的。该增大部分地由于交叉通道的通过设置在交叉通道和入口之间的相应的限流器的加压。限流器也是在入口和出口之间的主流动路径的一部分。当入口、出口和阀单元按比例放大以提供更高的C_v时，供应交叉的限流器通道同样地按比例放大，使得不能通过按比例缩放这些多种阀元件而在故障状态期间有效地限制或控制从交叉到出口的流动。

可以通过按比例放大排放口和排放提升阀而维持出口压力在入口压力的1％以下，但是由于用于双阀的增加的成本和增大的包装尺寸，这些步骤是不期望的。

发明内容

本发明提供在双阀中的入口和交叉通道之间的修改的相互作用，该修改的相互作用产生如下的优点，即：在维持用于减小的总物理阀尺寸的相对较小的排放口的同时，在故障状态期间维持出口压力在入口压力的1％以下。本发明对于在非压力机的应用中使用双阀以及使用退动状态的排放口C_v与致动状态的入口C_v的比小于大约2.5的双阀提供特殊的益处。

在本发明的一个方面中，阀系统包括限定入口、出口和排放口的本体。第一阀单元能够运动到退动位置，其中退动位置包括处于其关闭位置的第一入口提升阀和处于其打开位置的第一排放提升阀。第二阀单元能够运动到退动位置，其中退动位置包括处于其关闭位置的第二入口提升阀和处于其打开位置的第二排放提升阀。当第一和第二阀单元中的一个处于退动位置时并且当第一和第二阀单元中的另一个没有处于退动位置时，所述阀系统处于故障状态。

阀系统还包括第一和第二交叉通道以及第一和第二交叉提升阀。第一旁路通道联接入口和第一交叉通道，其中第一旁路通道具有预定的横截面以提供预定的流动，使得当阀系统处于故障状态且第二阀单元没有处于退动位置时，则通过第一旁路通道的加压流体将出口加压到不大于加压流体源的压力的1％。第二旁路通道联接入口和第二交叉通道，其中第二旁路通道具有预定的横截面以提供预定的流动，使得当阀系统处于故障状态且第一阀单元没有处于退动位置时，则通过第一旁路通道的加压流体将出口加压到不大于加压流体源的压力的1％。

附图说明

图1是具有用于供应交叉的限流器的现有技术的双阀的截面图，其中阀处于退动状态；

图2是处于致动状态的图1的现有技术的双阀的截面图；

图3是处于故障状态的图1的现有技术的双阀的截面图；

图4是示出了通过现有技术的双阀的流体流动路径的示意图；

图5是示出了在现有技术的双阀操作期间的交叉通道和定时室中的压力的图表；

图6A是现有技术的限流器的侧截面图；

图6B是图6A的限流器的俯视图；

图7是根据本发明的第一实施例的双阀的侧截面图；

图8是根据本发明的第二实施例的提升阀和旁路通道的侧截面图；

图9是处于退动状态的使用弹簧返回装置的本发明的两位置双阀的截面图；

图10是处于故障状态的图9的双阀的截面图；

图11是处于故障状态的本发明的三位置双阀的截面图；

图12是具有修改的复位活塞的本发明的三位置双阀的截面图，其中阀处于故障状态。

具体实施方式

现在参照图1，现有技术中已知的以双阀10的形式示出的控制阀系统包括本体11，所述本体11具有通向入口室13的入口12、通向出口室15的出口14和通向排放室17的排放口16。

室13、15和17通过多个通道连结，以产生用于接收第一阀单元18和第二阀单元20的孔。第一交叉通道21通过从外部源(未示出)供给到入口12且继而经由第一限流器32通过入口室13的流体加压，所述第一限流器32通过可接收在孔口23中的第一阀单元18的肩部22形成。第二交叉通道25通过从外部源供给到入口12且继而经由第二限流器33通过入口室13的流体加压，所述第二限流器33通过可接收在孔口27中的第二阀单元20的肩部26形成。第一阀单元18还包括位于交叉通道25的出口端部处的入口提升阀30。第二阀单元20包括位于交叉通道21的出口端部处的入口提升阀31。阀单元18和20示出为处于它们的退动位置，其中肩部22和26分别与孔口23和27机械接触，以便使来自入口室13的加压流体以与致动位置相比减小的速率分别流到交叉通道21和25中。交叉通道21和25中的压力帮助维持入口提升阀30和31落座在退动位置。

图2示出了阀单元18和20处于它们的致动位置的双阀。在图2中，阀单元18和20通过由致动器6和7供给的压力而被向下推动，所述致动器6和7可以优选地包括先导阀。致动器压力分别从定时室(timing chamber)8和9获得。在阀单元18和20处于它们的致动位置的情况下，流体从入口12通过入口室13、限流器32和33、交叉通道21和25、以及入口提升阀30和31流到出口室15。

图3示出了处于故障状态的双阀10，其中第一阀单元18处于致动位置，而第二阀单元20处于退动位置。第一交叉通道21经由限流器32而通向入口室13，并且所得到的压力维持第二入口提升阀31在座上(on seat)，这又保持第二阀单元20处于其退动位置。第二交叉通道25经由入口提升阀30而通向出口室15，并且通过打开的排放提升阀19B而通向排放室17。通道25中的压力被排泄，这导致返回室24B和到定时室9的压力损失，所述压力将被致动器7使用以致动第二阀单元20，由此保持阀10处于故障状态，直到阀10被确切地(positively)复位为止。应当理解，当第一阀单元18处于退动位置且第二阀单元20处于致动位置时，双阀10也处于故障状态，并且在这种情况下，也适用与以上类似的流动分析。

参照图4，示意性地示出了用于致动状态的在入口12和出口14之间的阀的流体流动路径。在致动状态，流动通过双阀10的两侧。流到入口12中的流体通过入口室13和限流器32和33而分别到达第一交叉通道21和第二交叉通道25中。流体流动离开交叉通道21和25、通过入口提升阀30和入口提升阀31流到出口室15中，并且通过出口14到受控装置或回路。交叉21和25在无故障的阀操作期间被加压。加压流体从入口12流动到入口室13，并且继而流到定时室8和返回室24A。加压流体还从入口12通过入口室13流动，并且继而流到定时室9和返回室24B。因而，定时室8维持用于致动器6和用于返回室24A的加压流体源，其中所述致动器6控制第一阀单元18的致动，所述返回室24A提供抵抗第二阀单元20的返回力。

当阀10进入故障状态时，一个交叉通道21或25将被加压，而另一个交叉通道21或25将被减压。因此，一个定时室8或9和一个返回室24B或24A将不具有用于致动所必需的压力，并且将由此维持阀10处于故障状态，直到响应于向阀单元18和20从外部施加的复位力而执行的复位操作为止。

为了进一步说明交叉通道21和25以及定时室8和9的加压，图5示出了在阀10的循环期间在定时室8和9以及交叉通道21和25处的压力的图表。曲线34示出了在全压力和大约为零的压力之间的交叉通道21中的压力。同样地，曲线35与定时室8相对应，曲线36与交叉通道25相对应，并且曲线37与定时室9相对应。最初，交叉通道21和25以及定时室8和9处于全入口压力。阀10的致动在时间t₁处开始发生。因为当入口提升阀30和31首先开始打开时，排放提升阀19A和19B还没有关闭，并且存在从交叉通道21和25至排放口16的路径，所以当阀单元18和20开始运动时，交叉通道21和25中的压力快速地下降。由于定时室8和9通过相应的限流器32和33而联接到交叉通道21和25，因此定时室8和9中的压力在时间t₁处开始更加缓慢地下降。随着阀元件18和20继续运动，排放提升阀19A和19B最终关闭，并且交叉通道21和25中的压力快速地恢复到全压力。更加逐渐地，定时室8和9中的压力同样地恢复到全压力。

双阀10的退动在时间t₂处开始。由于返回阀单元18和20使它们的入口提升阀30和31和排放提升阀19A和19B基本同时地打开，所以在用于交叉通道21和25的曲线34和36中示出的压力水平快速地下降到大约零。一旦入口提升阀30和31在点39处关闭，则交叉通道21和25重新加压，但是重新加压比随着致动操作的加压更加缓慢地发生，这是因为交叉通道21和25现在正通过限流器32和33重新加压。再次，随着交叉通道21和25重新加压，定时室8和9中的压力恢复到全压力。

涉及阀单元18的示例性的故障事件示出为在时间t₃处发生。阀元件18未能运动，并且交叉通道25和由交叉通道25供应的定时室9中的压力保持在它们的全压力处。由于阀单元20被捕获在致动位置，所以交叉通道21和定时室8二者中的压力都降到大约零。

如从图5中可以清楚地得知的那样，用于在阀10的多个循环期间加压交叉通道21和25的限流器32和33需要足够快速地加压交叉通道21和25，以阻止定时室压力下降得太多，并且保持下降得足够缓慢，使得在故障状态期间通过一个定时室泄漏到出口14中的流体不超过入口压力的1％。

图6A和6B更加详细地示出了现有技术的限流器，其中线轴式(spool-type)的阀单元18包括用于选择地阻塞阀体11中的孔口23的肩部22。当肩部22被完全接收在孔口23内时，提供用于受限流动的间隙38，所述受限流动用于在相对应的阀单元18处于其退动位置的同时加压相应的交叉通道21。当孔口23没有被肩部22阻塞时，并且当双阀处于致动状态时，孔口23支撑流动通过阀并到达出口14的全部流体流动的大约一半。当阀需要更高的流动能力时，则孔口23必须更大。随着孔口23变得更大，肩部22的外部周边同样地变得更大。间隙38的截面积确定在退动位置流到交叉通道21中的总流动。对于更大的孔口，必要的是维持非常细(thin)的间隙38以获得用于间隙38的期望的面积，这在正常的制造公差下不能够容易地获得，并且这可能导致阀单元18的受阻的运动。因此，现有技术的双阀还没有在如上所述的某些高流动性的应用中使用。

图7示出了本发明的结构，其中阀单元18与交叉提升阀40机械接触。当阀单元18处于其退动位置时，密封件41邻接阀体11’的密封面42，以密封孔口43。为了向交叉通道21供给加压流体，通过阀体11’形成旁路通道44，以连接入口室13和交叉通道21。旁路通道44可以制造成具有任何期望的横截面(例如，诸如圆形的直径或者其它的截面积(cross-sectional area)的流动型面)，用于在时间约束内并且在没有引入过多的流体(该过多的流体将在故障状态期间过度加压出口14)的情况下适当地加压交叉通道21。在入口室13被加压并且交叉通道21处于较低的压力下的任何时间，不管阀10’处于致动状态、退动状态还是故障状态，加压流体将通过旁路通道44流到交叉通道21中。

仍然参照图7，阀单元20与交叉提升阀153机械接触。当阀单元20处于其退动位置时，密封件154邻接密封面150，以密封孔口151。为了向交叉通道25供给加压流体，通过阀体11’形成旁路通道152以连接入口室14和交叉通道25。旁路通道152可以制造成具有任何期望的横截面，以用于在时间约束内并且在没有引入过多的流体(所述过多的流体将在故障状态期间过度加压出口14)的情况下适当地加压交叉通道25。在入口室13被加压并且交叉通道25处于较低的压力下的任何时间，不管阀10’处于致动状态、退动状态还是故障状态中，加压流体将通过旁路通道152流到交叉通道25中。

本发明的双阀10’的操作如下。在致动期间，阀单元18移动，使得流体经过打开的交叉提升阀40流到交叉通道21中。如果双阀10’被适当地致动，则流体从入口室13流到交叉通道21，并且继而流到出口室15，并且流体还流到定时室8和返回室24A。在退动期间，阀单元18移动，使得交叉提升阀40关闭。流体继而从入口室13经由旁路通道44流到交叉通道21中。流体继续流到定时室8和返回室24A，直到它们被完全加压为止。

还在致动期间，阀单元20移动，使得流体经过打开的交叉提升阀153流到交叉通道25中。如果双阀10’被适当地致动，则流体从入口室13流到交叉通道25，并且继而流到出口室15，并且流体还流到定时室9和返回室24B。在退动期间，阀单元20移动，使得交叉提升阀153关闭。流体继而从入口室13经由旁路通道152流到交叉通道25中。流体继续流到定时室9和返回室24B，直到它们被完全加压为止。

如果在阀单元18处于其致动位置的情况下阀10’进入故障状态，则来自入口室13的流体经过交叉提升阀40而流到交叉通道21中，使得阀单元20通过1)交叉通道21中的作用在入口提升阀31上的流体，以及2)返回室24B的加压，而保持在退动位置中。

如果在阀单元20处于其致动位置的情况下阀10’进入故障状态，则来自入口室13的流体经过交叉提升阀153并流到交叉通道25中，使得阀单元18通过1)交叉通道21中的作用在入口提升阀30上的流体，以及2)返回室24A的加压，而保持在退动位置中。

如果在阀单元18处于其退动位置的情况下阀10’进入故障状态，则流体在交叉提升阀40处被阻塞。然而，流体继续通过旁路通道44流到交叉通道21中。该流体经由入口提升阀31和排放提升阀19B而离开交叉通道21到大气(atmosphere)。由于与大气相通，所以定时室8中的压力下降，使得致动器6不能使阀单元18运动出其退动位置。由于交叉提升阀40关闭，所以流到出口室15中的主流体源通过旁路通道44，并且出口14的加压被保持在入口室13中的压力的1％以下。

如果在阀单元20处于其退动位置的情况下阀10’进入故障状态，则流体在交叉提升阀153处被阻塞。流体继续通过旁路通道152流到交叉通道25中。该流体经由入口提升阀30和排放提升阀19A而离开交叉通道25到大气。由于与大气相通，所以定时室9中的压力下降，使得致动器7不能使阀单元20运动出其退动位置。由于交叉提升阀153关闭，所以流到出口室15中的主流体源通过旁路通道153，并且出口14的加压被保持在入口室13中的压力的1％以下。

图8示出了用于交叉提升阀40、153和用于旁路通道44、152的可替代的实施例，其中旁路通道45设置在交叉提升阀46中。依据可以固定地或可滑动地安装到轴48的间隔器47的存在，可以在间隔器47内设置通道49以完成入口室13和交叉通道21、25之间的旁路。在入口室13被加压并且交叉通道21、25处于较低的压力下的任何时间，不管阀处于致动状态、退动状态还是故障状态，加压流体将通过旁路通道45(和通道49，如果使用)流到交叉通道21、25中。

使用图8的实施例的总的阀操作与结合图7中所示的实施例所述的阀操作类似。在致动期间，阀单元18移动，使得流体从入口12流到入口室13中，并且经过打开的交叉提升阀46而流到交叉通道21中。流体还从入口12流到入口室13中，并流到定时室8和返回室24A。如果双阀10’适当地致动，则来自交叉通道21的流体流到出口室15。在退动期间，阀单元18移动，使得交叉提升阀46关闭。流体继而从入口12流到入口室13中，并且经由旁路通道45和49(如果存在)流到交叉通道21中。流体还从入口12流到入口室13中，并流到定时室8和返回室24A，直到它们被完全加压为止。在致动期间的类似的流体流动描述也适用于阀单元20。

如果在阀单元18处于其致动位置的情况下阀10’进入故障状态，则来自入口室13的流体经过交叉提升阀46流到交叉通道21中，使得阀单元20通过1)交叉通道21中的作用在入口提升阀31上的流体，以及2)返回室24A的加压，而保持在退动位置中。类似的流动说明对于在阀单元20处于其致动位置的情况下阀10’进入故障状态的情况也适用。

如果在阀单元18处于其退动位置的情况下阀10’进入故障状态，则流体在交叉提升阀46处被阻塞。然而，流体继续通过旁路通道45和49流到交叉通道21中。该流体经由入口提升阀31和排放提升阀19A而离开交叉通道21到大气中。由于与大气相通，所以定时室8中的压力下降，使得致动器6不能使阀单元18运动出其退动位置。由于交叉提升阀46关闭，所以流到出口室15中的主流体源通过旁路通道45和49，并且出口14的加压被保持在入口室13中的压力的1％以下。类似的流动说明对于在阀单元20处于其致动位置的情况下阀10’进入故障状态的情况情况也适用。

图9示出了采用弹簧返回装置的双阀100的可替代实施例，其可以用在许多非压力机(non-press)应用中。双阀100包括第一阀单元50和第二阀单元51，所述第一阀单元50和第二阀单元51分别具有入口提升阀52和53。第一和第二交叉通道54和55由通过主阀体的旁路通道56和57供应。当阀单元处于它们的退动位置时，交叉提升阀58和59关闭。弹簧60和61被设置成与阀单元50和51接合，以将阀单元50和51推压到它们的退动位置。在阀100处于致动状态的情况下，如果致动器105、106变成退动，则阀单元50和51将在弹簧力的作用下运动到它们的退动位置。如在先前的实施例中那样，在入口压力高于交叉压力的任何时间，不管阀100处于致动状态、退动状态还是故障状态，加压流体将流动通过旁路通道56和57。在其它方面，流体以与以上参照图7和8所述的方式类似的方式在阀100内流动。

图10示出了图9的阀100，其中故障在阀致动期间发生，从而引起故障状态。阀单元51处于致动位置，而阀单元50处于退动位置，使得交叉54中的压力下降，并且相对应的定时室(未示出)中的压力继续下降。当定时室压力降到入口压力的大约50％时，由于相对应的致动器105不再具有足够的压力来产生致动，所以阀单元50将保持在退动位置。当致动器105和106二者都退动时，由于交叉通道54和55经由旁路通道56和57而重新加压，所以一对弹簧60和61使内部的阀单元50和51运动到它们的退动位置，并且阀100可以自动地开始另一个循环。

图11示出了采用3位置双阀101的另一个实施例，其中复位弹簧65和66构造成仅将阀单元69A和69B返回到位于致动位置和退动位置之间的中间位置。图11示出了处于故障状态的双阀101。当全部压力都从处于故障状态的双阀101去除时，双阀101依靠阀单元69A或69B保留在故障状态，其中所述阀单元69A或69B已经处于中间位置或者致动位置从而在中间位置处变得平衡。为了使双阀101复位，活塞67和68被设置成与阀单元69A和69B对准，并且经由来自复位先导阀70的压力被选择性地控制，所述压力通过联接块71供给到活塞67和68。更具体地，当双阀101已经进入故障状态并且期望将双阀101复位到退动状态时，则致动复位先导阀70，使得加压流体逆着活塞67和68供给，从而迫使活塞67和68向上抵靠在阀单元69A和69B，使得阀单元69A和69B恢复到它们的退动位置。

图12示出了结合有额外的保护部件的又一个实施例，其中即使在施加复位压力之后，双阀75仍保持在故障状态，除非在阀75的随后操作之前关闭复位压力。示出为处于故障状态的双阀75具有第一复位活塞76和第二复位活塞77。复位活塞76具有表面78，所述表面78用于从诸如复位先导阀85的源通过联接块79接收复位压力。活塞77具有表面80，所述表面80同样地从源85通过联接块79接收复位压力。表面78与致动活塞81的表面相比具有大的面积，使得在复位期间，即使压力施加到致动活塞81，第一阀单元82也运动到退动位置。第二复位活塞77的表面80的面积与第二阀单元84的致动活塞83的面积相比是小的。因而，在复位操作期间，如果致动器86和87开启并且压力逆着致动活塞83施加，则复位活塞80产生不足以使阀单元84运动到其退动位置的力，相反，阀单元84运动到其致动位置。因而，在来自源85的复位压力开启的情况下，阀75将不循环。在阀75正接收复位压力并且致动器86和87也被激发(energized)的任何时间，阀75进入故障状态。此外，如果在加压流体源供给到入口88的情况下阀75处于其退动位置，则关闭该源且继而打开该源将导致阀75保持在退动位置。如果阀75处于故障状态，则关闭该源且继而打开该源将导致阀75保持在故障状态中。因此，阀75不能通过关闭和打开至入口88的加压流体源而复位。由于阀75在来自源85的压力被打开的情况下同样不能循环，因此在正常操作可以继续之前，使用者将需要校正(correct)任何处于故障的阀单元75。