海底混合式阀促动器系统和方法 发明的技术领域
本发明大体涉及可用于烃的海底生产的促动器控制系统。 本发明具体而言涉及 用于以低成本和低限制工作来实现简单且稳定的 (robust) 控制系统的海底阀促动器系统和 方法。 促动器系统与海底发电控制构架的概念是兼容的。
背景和现有技术
在以下背景论述以及本发明的公开中，将频繁地用到以下缩略语 ：
BL 无刷
DC 直流
DCV 方向控制阀
EH MUX 电动液压多路复用器
ESD 紧急停机
I/O 输入 / 输出
LVDT 线性可变差动变压器
PM 永磁体
PSD 生产停机
SIL 安全完整水平
SHPU 海底液压动力单元
SMA 形状记忆合金
XMT， Xmas tree 采油树 (Christmas tree)
用于烃生产的控制系统的现有技术分别包括液压控制和电控制两者。
关于大型闸阀的电促动的大部分概念都包括使用电动马达和滚轴螺杆 (roller screw) 或其它形式的旋转式至直线式的机械转换装置，诸如在例如在文件 US 7,172,169 和 文件 US 6,572,076 中所公开的那样。 诸如在文件 NO 322680 中公开的其它概念基于使用 小型 SHPU 来结合电动马达的动作和液压活塞 / 缸布置。 两种方法都具有优点，并且也 具有某些限制。 前一种方法往往涉及不可收回的 (retrievable) 构件 ( 即例如与 XMT 模块 结合的 ) 的机械复杂性和大量设备以及大的尺寸。 后一种方法往往涉及多年来在海底背 景下展现更不期望的可靠性的多个液压构件，例如需要高的流体洁净性来用于可靠的操 作的 DCV 导阀、释压阀及液压蓄能器。 如果成充有氮气 (N2) 的囊状物设计的形式，液 压蓄能器倾向于随着时间的过去而泄漏，这就是它们通常承载在可容易收回的模块上的 原因。 在深水中，充有 N2 的蓄能器也是效率低的。 在装有机械弹簧的设计的形式下， 蓄能器体积大并且不适于为位于例如 XMT 上的促动器的一部分。
本发明是基于按照以上所述的两个阵营 ( 滚轴螺杆和液压 ) 所追求的原理的组 合，并且尤其基于仅将各个阵营的最佳构件结合起来使用，从而展现无比的稳定性和可 靠性以及成本有效性。
应用于例如 XMT 的海底阀促动器的关键特征在于失效保护闭锁布置。 这是设计 成与回位弹簧共同协作的机构，回位弹簧存储使阀从生产位置转换到较安全位置 ( 通常
是从打开位置到关闭位置 ) 所需的能量。
对于机电式操作的情况，闭锁通常也是机电式的。 已经设计出了许多版本，但 是很少在海底工业中执行和使用。
对于方法的局部 ( 对于促动器来说 )SHPU 线路而言，失效保护特征是借助于 DCV 几乎不变地提供的。 这种阀具有多个不合宜但必要的设计特征。 传统上， DCV 对 ESD 功能来说不是关键的，除了特征是海底生产设施偏离主平台非常远的一些装置之 外。 用于传统的 EHMUX 生产控制系统的 ESD 的普遍认可的形式是从主平台液压向下排 放的形式，因此，安全关键的 DCV 位于主平台上，并且因此可接近以用于修理或更换。
在海底使用释压阀在生产控制系统中有非常短的 ( 如果有的话 ) 历史。 工业避 免在海底使用调压阀和释压阀。 常用于专门控制单个促动器的小型 SHPU 中的所有阀基 本上认为对颗粒污染敏感，并且因此是不期望的。
电促动应当限定在系统背景下，即针对生产控制系统的上游部件仅带有电 ( 并 且可能是光学 ) 接口且不带有液压接口的促动器。 图 1 示出了多个设计者所追求的用于 使用液压构件来实现促动器的典型的现有技术的 SHPU 回路。 该概念包括由电动马达驱 动的泵、用于存储液压动力的蓄能器、通常用于净化流体的过滤器，以及用于进行方向 控制的螺线管操作的 DCV 和缸 / 活塞单元。 缸 / 活塞单元对接到阀杆上，从而提供力， 以将阀带到生产位置。 通常提供大型回位弹簧来存储当 DCV 在螺线管被消能时排出液压 压力时使阀回到安全位置所需的能量。
参看图 1，通常构建通过柔性联接件 2 连接到泵 3 上的马达 1 来产生压力和通过 止回阀 13 的流，以便对蓄能器 8 进行充填。 释压阀 5 布置成如图 1 中所示的那样来保护 泵和马达。 在促动之后，导阀 10 将 DCV9 驱动到操作位置，以让流体通过连接器 19 到 达促动器缸 11，并且将缸 11 中的活塞驱动到阀 12 的打开位置，而且将流体从缸 11 的弹 簧侧推出通过连接器 20 和止回阀 17 以及过滤器 15。 当阀要返回到安全位置时，导阀 10 的螺线管被消能，在弹簧的力的作用下驱动 DCV9，以排出缸 11 中的压力，并且活塞的 弹簧侧通过液压连接器 20 和止回阀 18 从存储器 7 中吸取流体。 对于深水来说，回路中 的绝对压力高，并且跨越过滤器的小压降是不重要的。
此回路适于这两种情况下的顶侧装置 ：构件最易受污染，特别地，可接近 DCV 导阀 10 和释压阀 5 以进行修理或更换 ；以及处于 1bar 的环境压力适于使用充有氮气的蓄 能器 8，但较不适于海底装置。
本发明旨在消除这三个不期望的构件，但是仍然提供稳定性和可靠性强的可操 作的促动系统。
在下文中，这个关于操作的可靠性的概念的彻底改进的多个特征将被描述成本 发明的一部分。
发明概述
通过如独立权利要求中限定的阀促动器系统和方法实现了本发明的目标，并且 基本消除了现有技术的缺点。 在从属权利要求中限定了由本发明提供的其它有利特征和 实施例。
类似于阀的传统的液压促动器，主题促动器包括在促动器壳体中布置成主要元 件的缸 / 活塞组件和回位弹簧。 而且类似于传统的液压促动器，从生产模式到安全模式的运动是由回位弹簧的动作引起的，从安全模式到生产模式的运动是借助于在辅助电路 中产生的液压动力提供的，该辅助回路形成促动器概念的整体一部分，但是优选地位于 可单独收回的单元中。
所提出的回路不具有用于存储液压动力的蓄能器和 DCV 导阀 ( 或 DCV)。 也不 具有释压阀。 因此，消除了传统概念的三个最不期望的构件。 活塞 / 缸的运动仅跟随直 接从泵的排放口泵入缸中的流体而变化。
失效保护闭锁是机电式组件 ( 参照 ：机电式止动机构 )。 该组件包括能够处理 来自回位弹簧和来自井孔压力的反作用力的机械部件，并且仅借助于小的电流且在非常 低的瓦数下将该布置保持在锁紧位置上。 正是这个机电式失效保护组件的引入有利于移 除在其它情况下需要的构件 ：蓄能器 ( 补偿 DCV 泄漏 )、DCV( 主要功能是处理 ESD 情 形 ) 及释压阀 ( 保护泵和马达 )。 失效保护闭锁组件仅需要电功率，而不需要液压动力。
本发明还有利于通过探测冲程终点位置来保护马达和泵。
本发明具有完全不同于如在现有技术参考文献中描述的机电式促动器或基于 SHPU 的促动器中的那些的特性性能。 这真的是电促动器，因为其与生产控制系统的其 它部件仅具有电 ( 在未来有可能是光学 ) 接口。 与带有高转矩无刷永磁体、直流 (BL PM DC) 马达和齿轮组件的典型的基于滚 轴螺杆的促动器相反，所提出的设计可建立成用于例如从 XMT 的主体伸出的更大的直径 和更短的长度，从而与海底 XMT 构架更加兼容。
本发明的阀促动器系统的一个有利的特征在于，通过简单地倒转电动马达的旋 转方向、移除失效保护弹簧及设计活塞 / 缸进行双向作用，典型地对于歧管或节流应用 而言，其可容易地扩展来满足失效至最终位置的促动。 通常在齿轮泵的情况下 ( 但在活 塞泵的情况下，并不总是这样 )，这采取泵的完全的可逆性。 在活塞机器的情况下，有 益的将是将马达用作泵，因为它们通常设计成在泵和马达模式两者中进行真正的双向操 作。
简言之，本发明提供了一种海底阀促动器系统，其包括布置在促动器壳体中的 活塞和缸组件以及回位弹簧、与活塞和缸组件相关联的液压泵和电动马达组件、用于克 服回位弹簧的力而驱动活塞和缸相对移位的液压介质的液压流线路。 促动器系统的特征 在于，探测装置布置成用于探测活塞和缸组件的冲程终点位置，所述探测装置是下者中 的至少一个 ：
- 马达电流监控电路单元 ；
- 液压介质压力传感器单元 ；
- 位置传感器单元 ；以及
- 线性可变差动变压器单元 ；
其中，机电式止动机构布置成在探测到冲程终点位置的情况下被供给能量，以 将回位弹簧可释放地止动在压缩状态中。
根据优选实施例，马达电流监控电路单元和压力传感器单元中的至少一个容纳 在电子设备容器中，该电子设备装容器可收回地连接到促动器壳体上。
根据另一个优选实施例，位置传感器单元和线性可变差动变压器单元中的至少 一个的构件容纳在促动器壳体 ( 即促动器系统的不可收回的部件 ) 中。
马达电流监控电路单元优选布置成将冲程终点信号提交给逻辑单元，从而控制 机电式止动机构以克服回位弹簧的力而将阀保持在生产模式中。
压力传感器单元优选布置成在逻辑单元中产生压力信号，从而控制机电式止动 机构以克服回位弹簧的力而将阀保持在生产模式中。
位置传感器单元和线性可变差动变压器单元中的至少一个优选布置成将冲程终 点信号提交给逻辑单元，从而控制机电式止动机构以克服回位弹簧的力而将阀保持在生 产模式中。
优选地，液压泵和电动马达组件组装在液压动力单元中，该液压动力单元可收 回地连接到促动器壳体上。
液压介质优选从可逆固定排量液压泵供应到活塞 / 缸组件。
还优选通过在活塞的端部中畅通的流线路供应液压介质，活塞优选地在促动器 壳体中是固定的。
缸优选地布置成可在装填有液压介质的促动器壳体中的活塞上移位，从而通过 返回流线路与液压泵连通。
在另外的优选实施例中，促动器壳体包括在向前方向上从缸中伸出的杆，以及 在向后方向上从缸中伸出的锁紧螺栓，锁紧螺栓穿过活塞，以在缸的冲程终点位置上由 枢轴地布置在促动器壳体中的锁紧爪可释放地接合。 锁紧爪优选地可控制成在对电磁体 / 螺线或形状记忆合金装置供给能量之后与 螺栓锁紧接合。
简言之，本发明还提供了一种用于操作海底阀促动器系统的方法，海底阀促动 器系统包括布置在促动器壳体中的活塞和缸组件以及回位弹簧、与活塞和缸组件相关联 的液压泵和电动马达组件、用于克服回位弹簧的力而驱动活塞和缸相对移位的液压介质 的液压流线路。 该方法的特征在于以下步骤 ：
- 布置有效地用于将回位弹簧可释放地止动在压缩状态中的机电式止动机构 ；
- 通过下者中的至少一个来确定活塞和缸组件的冲程终点位置 ：
- 探测供应到电动马达 / 由电动马达消耗的电流 ；
- 探测液压介质中的压力 ；
- 探测活塞相对于缸的位置 ；以及
- 探测活塞或缸的绝对位置 ；以及
- 在探测到活塞和缸组件的冲程终点位置的情况下，对机电式止动机构供给能 量。
另外的从属方法步骤包括 ：
- 在冲程终点位置上在停止时对马达提供功率，同时探测马达的电流消耗、液压 介质压力、活塞相对于缸的位置以及活塞或缸的绝对位置中的至少一个，以及在探测到 活塞 / 缸组件的冲程终点位置之后停止对马达 ( 定子绕组 ) 的功率供应 ；
- 在经过这样的时间 ( 即，在该时间期间马达以全转矩停转 ) 中的一定延迟之 后，启动机电式止动机构 ；
- 以从布置在从泵到缸的液压介质流中的装有弹簧的蓄能器中提供的最小转矩使 马达加速 ；
- 将马达电流监控电路单元和液压介质压力传感器单元中的至少一个布置在单独 的可收回的电子设备容器中，该电子设备容器可连接到促动器壳体上 ；
- 将位置传感器单元和线性可变差动变压器单元中的至少一个的构件布置在促动 器壳体中。
- 将所述液压泵和电动马达组装在液压动力单元中，液压动力单元可收回地连接 到促动器壳体上。
根据优选实施例的以下详细描述，将理解由本发明提供的另外的特征和优点。
附图简述
将参照示意图来对本发明进行更加仔细的阐述。 在图中 ：
图 1 示意性地示出了常常在现有技术的设计中找到的传统 SHPU 回路，其中， SHPU 专用于单个促动器的操作 ；
图 2 是穿过本发明的促动器系统的实施例的纵截面 ；
图 3 是显示了生产模式中的促动器的、沿着图 2 中的 III-III 线的截面图 ；
图 4 是显示了关进 (shut-in) 模式中的促动器的、沿着图 2 中的 IV-IV 线的截面 图； 图 5 是通过本发明的促动器系统的另一个实施例的纵截面 ；
图 6 示意性地示出了根据本发明的优选实施例的促动器系统的液压回路 ；
图 7 是从阀的安全位置到生产位置的促动器冲程序列的、随时间而变化的促动 器缸中的液压压力的表示 ；
图 8 显示了在促动器冲程中随时间而变化的马达定子电流 ；
图 9 是根据本发明的优选实施例的促动器控制系统的电路的原理示意图 ；以及
图 10 是扩充以包括备选的或加强的传感器设备的图 9 的控制系统。
本发明的优选实施例的详细描述
在下文中，将对本发明的优选实施例进行描述。 在详细描述的结尾附上完整的 参考列表。
参照图 1，在背景技术中论述的现有技术的液压回路通常包括以下构件 ：电动 马达 1、柔性联接件 2、液压泵 3、泵入口滤网或过滤器 4、释压阀 5、体积补偿器 6、贮 油器 7、液压蓄能器 8、控制阀 9、导阀 10、带有受到弹簧偏压的活塞的液压缸 11、闸阀 12、返回过滤器 15、止回阀 13，17，18 及液压联接件 19 和 20。
在图 6 中对应地示出了本发明的简明系统。 参照图 6 和 7，一旦在离开泵的流 遇到流动限制时，马达 1 就通过柔性联接件 2 驱动泵 3 以在泵 3 的下游产生压力。 最小 流动限制由装有小型弹簧的蓄能器 14 表示，蓄能器 14 构建成以最小转矩为马达提供软启 动，并且从而允许马达转子迅速加速。 这类似于液压旁通型启动，但是没有可引起不可 靠性的复杂的控制功能。 软启动就是带有小型弹簧的活塞型蓄能器，其允许流体在低压 下装填到缸中，直到缸装满且活塞在行程终点处为止。 在这个时间 ( 在图 7 中的 71 处指 示 )，流体强制通过连接器 19 进入缸 11 中，以便克服回位弹簧推动缸 11 中的活塞，以便 将闸门 12 推到生产位置。 参考标号 72 指示起步 (breakaway) 位置，而 73 指示在克服了 起步力时的稳定运动的起点。 当在 74 处到达生产位置时，压力在泵的下游增大，因为不 存在用于流体的出口。 在时间 75 处，转子减速且在高压下停转，并且转子在 ( 几乎 ) 停
止时保持在全转矩下典型地达 1-2 秒，直到时间 76。 在此停转时间期间，启动了促动器 的止动机构。 然后马达关闭，并且借助于止动机构将促动器保持就位，止动机构抵消缸 11 的回位弹簧的全部力。 在使转子在全功率供应下停转典型地 1-2 秒的期间，在转子和 定子两者中产生的热量是相当大的，但是完全在两个构件的热容量之内。
现在转到图 2，将对海底阀促动器系统的结构和构件进行更加详细的描述。促动 器构件容纳在壳体中，壳体包括连接到后壳体部件 22 上的前壳体部件 21。 参考标号 23 指的是 ROV 人控功能，而参考标号 24 指的是促动器罩，该促动器罩将闸阀促动器连接到 闸阀上，并且提供壳体部件 21 的端壁。
活塞 25 和缸 11 布置成在壳体 21 中进行相对移位。 更具体而言，缸 11 布置成 可在活塞 25 上在两个轴向方向上运动，活塞 25 在壳体中布置成固定的。 杆 26 从缸 11 的前端壁伸出通过壳体端壁或罩 24。 杆 26 提供阀接口，并且可沿直线运动，以在缸和杆 在向前方向 ( 即朝向图的左手边 ) 延伸时实现将阀转换到生产模式。 锁紧螺栓 27 从缸端 壁的相对侧伸出到孔 28 中，孔 28 布置成居中通过活塞 25。 锁紧螺栓 27 与机电式锁紧或 止动机构协作，如将参照图 3 和 4 进一步阐述的那样。
诸如螺旋金属弹簧的回位弹簧 29 支承在缸外部上，并且在壳体端壁 / 罩 24 和径 向凸缘 30 之间起作用，径向凸缘 30 形成于缸 11 的后端中。 在延伸位置上，压缩的回位 弹簧 29 的动力将在向后方向上对缸 11 加偏压。 通过包括电控触发器机构的机电式组件 将回位弹簧 29 可释放地止动在压缩状态中。 见图 3，在回位弹簧 29 的压缩状态中，通过 来自使多个锁紧爪 31 接合径向凸肩部 32 的接合来止动锁紧螺栓 27，该径向凸肩部 32 形 成于锁紧螺栓 27 上。 锁紧爪 31 优选在锁紧螺栓的周边等距隔开，并且在数量上可布置 成两个或更多个。 径向凸肩部 32 将锁紧螺栓的后区段连接到比后区段具有更大的直径的 前区段 33 上。 见图 4，在释放之后，锁紧爪 31 枢转成断开与径向凸肩部 32 的接合，从 而允许通过使回位弹簧 29 扩张来在向后方向上驱动锁紧螺栓 27、缸 11 及杆 26。 锁紧爪 31 在向前面中形成带有圆形或半圆形凹部，并且轴颈支承成 (journal) 在形成于活塞的相 对面中的圆形或半圆形滑动表面 34 上枢转地滑动。 锁紧爪 31 还在其向后面中形成有弯 曲的滑动表面，该滑动表面抵靠在壳体中的固定结构上，这里固定结构指的是锁紧爪接 口结构 35，其在轴向相对的支承件上为锁紧爪 31 提供了滑动表面。
锁紧爪 31 在它们的周边端部中形成有座部 36。 座部 36 成形成在止动状态中接 收相应的锁紧销或锁紧滚珠 37，如图 3 中所示。 具有圆端的促动杆 38 在径向方向上将 锁紧销 37 推入座部 36 中，该促动杆 38 操作成借助于电磁体 / 螺线管或者作为备选通过 SMA( 形状记忆合金 ) 装置 39 在向前方向上沿轴向运动。 因此，只要螺线管 /SMA 装置 39 被供给能量，促动杆 38 就保持伸出，以防止锁紧销 37 离开锁紧爪 31 的周边端部中的 座部。 在承座位置上，锁紧销 37 夹紧在锁紧爪 31 和形成于促动器壳体上的径向凸肩部 40( 见图 4) 之间，这样就肯定地防止锁紧爪在形成于活塞 25 的端部中的滑动表面 34 的周 围枢转。 当螺线管或 SMA 装置被消能时，在螺线管的情况下，促动杆 38 借助于弹簧部 件 ( 未显示 ) 在向后方向上缩回。 然后容许锁紧销 37 在径向方向上运动离开座部 36，然 后通过使锁紧爪枢转将锁紧销 37 推入凹部 41( 图 4) 中，在促动杆 38 的缩回位置上可接 近凹部 41。
当促动器激活时，杆 26、缸 11 及锁紧螺栓 27 在向前方向上从图 4 中所示的位置延伸。 弹簧部件 ( 未示出 ) 对锁紧爪 31 起作用，以使锁紧爪 31 枢转到图 3 所示的锁紧 位置上。 当因此在锁紧爪 31 定位成座部 36 与凹部 41 中的锁紧销 37 对准时，对螺线管 或 SMA 装置 39 供给能量，因此，促动杆 38 在向前方向上延伸，并且由于来自延伸的促 动杆 38 的圆端的接合，锁紧销 37 被推离凹部 41 且被推入座部 36。
活塞 / 缸组件 25/11 由液压泵和电动马达组件提供动力，见图 2 和图 5。 由于上 述原因，泵 3 是固定排量可逆设计，该设计通过在活塞 25 的端部中畅通的流线路 42 将液 压介质传送到缸内部，并且通过流线路 43 将液压介质传送到促动器壳体内部。
应当注意，优选实施例显示了可动缸 11 和固定就位的环形活塞 25，其中，杆位 于中心。 更一般的情况 ( 见图 1 和 6) 具有固定缸和可动活塞。 优选布置是这样的布置， 即，通过该布置杆一直穿过连接到 ROV 人控功能上。 实际改装对本发明来说不是关键 的，但是为了描述的完整性而显示了实际改装。
图 5 示出了图 2 中所示的促动器系统的关于液压动力单元的水平对竖直定向的略 经修改的模块化。 这个实施例的目的在于减小从例如 XMT 主体突出的促动器设计的直 径，以使其与 XMT 拓扑结构和空间约束更相容。 这个实施例可有利地采用单独的液压插 入式 (stab) 连接器，而非图 2 所示的凸缘连接。 海底液压动力单元 SHPU 容纳在单独的且可收回的 SHPU 模块中， SHPU 模块 包括封闭在壳体 44 中的马达和泵组件。 参考标号 45 指的是用于金属波纹管体积补偿器 6 的保护盖，金属波纹管体积补偿器 6 补偿由于压力和温度的变化而造成的促动器中的流 体的体积变化。 这种装置是海底工业中的普通构件，并且为了描述的完整性而显示了该 构件。 SHPU 通过连接凸缘 47 和夹紧接口 48 连接到促动器壳体 21 上。 参考标号 49 和 50 指的是轴颈支承转子 51 以用于相对于定子 52 旋转的轴承布置。 通过在湿匹配连接器 53 处连接到闸阀促动器上的线路从主设施中供应电功率和控制。 补充连接器 54 可有利地 布置成在连接器 53 在 SHPU 收回之后脱开的情况下用于后备。 参考标号 55 指的是容纳 操作促动器所必需的电气 / 电子构件的可单独地收回的电子设备容器。
马达 1 可设计成许多形式。 在本发明的优选实施例中，使用了带有设计成使得 在转子条中获得非常高的电阻的转子 51 的鼠笼式马达。 与使用铜的正常设计相反，该转 子条可由与铜相比不太导电的材料制成，或者整个转子可为实心圆柱形磁钢件 ( 在后一 种情况下，严格地说不再是鼠笼 )。这使得能够获得在额定速度下运转时低效率马达，以 及起动电流 (inrush current) 非常低的、启动转矩高且容忍加热的能力强的马达。 在本发 明中，以额定速度 ( 典型地约 2900rpm) 运行的马达的效率不是主要的问题，但是，考虑 到在海底领域开发中使用的长传输线路，起动电流是主要的问题。 借助于传统的机电式 接触器直接启动马达使得能够获得使用简单装备的稳定可靠的方案，但是对于鼠笼设计 的标准工业用感应马达，这往往响应于启动时的大的起动电流和低的负载角度值而在传 输线路上产生大的电压降。 每次促动马达仅运转 30-60 秒，所以热量形式的累计功率损 耗是无关紧要的。
在优选实施例中，马达定子 52 缠绕成对于 5kW 单元 (5” 促动器的典型额定功 率 ) 具有非常低的电压，典型地 40-60 伏。 因此，绝缘要求是适中的，使得马达即使在 弱的绝缘值的情况下也能起作用。 容纳马达 / 泵和辅助阀的整个壳体装填有适当的基于 矿物油的液压流体或合成液压流体。 所有这种流体在低电压下 ( 即使在吸收海水时 ) 均
具有良好的电绝缘特性。 因此，除了能够抵抗湿的构件的腐蚀之外，液压流体在马达和 泵轴承的润滑以及泵的性能上是最优的。
应当注意，齿轮泵固有地具有内部泄漏，通常认为这是缺点，但是在本文中， 认为这是优点，因为促动器肯定会到达阀安全位置，即使是泵或马达冻结在它们相应的 轴承上。 在这种不大可能的情况下，关闭时间会增加，但是关进最终还是会发生。
泵 3 在优选实施例中是用于稳定性和成本有效性的齿轮型设计，但是也可为轴 向活塞型设计或者固定排量机器的一些其它形式。 基本要求是泵送动作是可逆的，从而 使得当马达 1 被消能且锁紧爪 31 释放以进行关进时，泵在由缸 11 中的回位弹簧 29 产生 的压力下起马达的作用。 因此，液压回路故意没有在泵停止时将杆 26 保持在延伸位置上 的能力。 一旦马达被消能且锁紧爪 31 释放，回位弹簧 29 就将杆组件驱动到阀的安全位 置。 仅图 3 和 4 中所示的机械失效保护机构 ( 参照 ：机电式止动机构 ) 意在将阀保持在 生产模式中。 电动马达和液压回路仅构成起重装置的简单功能。
止回阀 17 和 18 在性质上是无关紧要的。 加入止回阀 17 和 18 是为了确保交替地 进出缸弹簧侧的流体穿过过滤器 15( 典型地是 3 微米单元 )，因为已知弹簧会污染流体。 止回阀的最普通的失效模式是在阻塞方向上经受压力时泄漏。 止回阀不会经受很大的压 力。 微小的泄漏是不重要的，因为它们将仅导致流体过滤过程的边际减少。 显然，对这 个回路 ( 未显示 ) 增加另外两个不重要的止回阀还会导致吸入到活塞的弹簧侧中的流体被 过滤 ( 整流电路 )。 同理，可为泵的吸入侧 ( 未显示 ) 进行类似的布置。 图 6 中所示的液压回路对于颗粒污染相当稳定，通常认为颗粒污染是液压系统 中主要的失效原因。
列表中参照的参考标号 11，23，24，26，56，27 对海底工程师来说认为是显然 的，并且没有对它们进行另外的描述。 图 2-5 中基本新的元件是涉及失效保护机构和 SHPU 部件的那些。 这些元件在本发明的海底促动器背景和实质特征中是新的。 在 ROV 可收回的 SHPU 和不可收回的缸部件 21，22 之间的机械连接部 47 是海底系统的普通特 征，而且显示它们仅是为了完整性。 通常将止回阀容纳在 47 中，以在匹配 / 去匹配操作 下防止油的水污染。
当促动冲程开始时，流体从泵 3 流过接口 47-48，19，20 并且流入和流过活塞， 以将缸 11 推到延伸位置，从而压缩回位弹簧 29。 在到达活塞 / 缸的冲程终点 ( 或行程终 点 ) 之后，锁紧爪 31 倾斜到锁紧位置上，并且通过促动电磁体或 SMA 装置使锁紧销 37 与锁紧爪接合，从而对促动臂或棒 38 起作用，以推动销 / 滚珠 37 就位。 只要对电磁体 /SMA 装置供给能量，滚珠 / 销 37 就将阻止销紧爪运动返回以释放缸，而不管回位弹簧 29 的任何实际的力如何。
为了描述的完整性，密封件 63( 活塞密封组合件 ) 还布置在缸 11 和活塞 25 的之 间的接口中，以使缸内部与促动器壳体 21 的装填有油的内部 64 隔开。
以分别随典型的促动冲程序列的时间而变化的方式，图 7 显示了促动器缸中的 液压压力的发展，而图 8 显示了对应的马达定子电流。 当马达启动时，马达克服由软启 动器活塞 14( 活塞型液压蓄能器 14) 中的弹簧力示意性地表示的低压 71 来驱动泵 ( 见图 6)。 当软启动器活塞到达行程终点 ( 马达在全速处 ) 时，施加阀 12 的全起步力，并且压 力从 71 增大到 72。 然后在 73 处，压力在缸 11 中的活塞 25 克服回位弹簧 29 的力开始运
动时立即减小。 在回位弹簧正被收缩时，压力稳定的增大，并且最终当缸中的活塞 11 在 74 处到达冲程终点时，压力在 75 处急剧上升，因为不存在用于封闭的液压系统中的液压 流体的出口。 压力保持，其中，马达转子 51 几乎停转，并且在转子中正在产生热量，直 到机电式止动机构已经激活例如 2 秒 ( 由简单的计时器测量 ) 为止。 在收到计时器的信 号之后，马达 44 关闭，并且回路减压，泵现在反过来驱动马达。
在图 8 中，参考标号 80 指示在对马达施加功率时的起始点，而 81 是在马达的起 动电流达到其最大值时的点。 参考标号 82 是在马达全速、马达电流的无负载值处的稳 态，而 83 是在软启动蓄能器 14 达到冲程终点时的点。 参考标号 84 是在克服了阀 12 的 起步力时的点，而 85 是稳定运动中的冲程的开始。 参考标号 86 指示在泵 / 转子减速以 停转 ( 或者非常接近停转 ) 时的冲程终点，而 87 是在电流供应到停转马达的定子绕组时 的点。 最后，参考标号 88 指示在锁紧爪 31 已经激活且在经过这样的时间 ( 在该时间期 间马达 1 以全转矩停转 ) 中的一定延迟之后关闭马达动力时的点。
图 9 示意性地显示了根据本发明的优选实施例的促动器控制系统的电路。 通过 变压器单元 91 从主要设施中供应功率。 马达电流变压器 94 利用接口电路 ( 未显示 ) 工 作，以将电动马达中的一个或多个电相电流的值读回到可编程的逻辑控制器单元 (PLC 单 元 )95。 PLC95 配备有驱动继电器 92，92’ 的普通串行通讯线路 96 和数字 I/O 控制线 路 93。 在启动促动序列时，PLC 单元通过海底通讯系统 ( 线路 96) 的各种引脚来接收来 自顶侧装置的命令，并且推动一次继电器 92 启动马达 1。 安装二次继电器 92’来修正相 序，并且二次继电器 92’ 对于其中确保了全部正确的布线的装置来说原则上是多余的。 一些操作员可能不接受对这种关键布线的依赖。 如果泵在运转时不产生压力，则这表示 错误的相连接。 然后可启动二次继电器 92’。 当对于促动器缸 11 中的主活塞 25 达到了冲程终点时，由马达电流变压器单元 94 探测到且转换成 PLC 单元可读的格式的电流显著地增大 ( 即使是在全铁转子的情况下 )， 因为转子停转。 这是用于促动闭锁螺线管单元 97(39) 或 ( 视情况而定 )SMA 单元的加热 器电路的信号。 PLC 中的计时器电路启动，以提供闭锁时间来促动，并且随后， PLC 单 元使中继器 92 失效，从而使马达消能。
图 10 提出了本发明的其它优选实施例中的备选传感器设备。 该设备可为附加 的，以用上述主要的推论性方法 ( 即通过马达电流变压器单元 94 来探测定子电流 ) 来改 进冲程终点位置的探测。
在优选实施例中，压力传感器 / 变送器单元 98 安装在待测量促动器中的液压压 力的地方，例如安装到泵的泵出口端口管道 42( 图 2)( 液压介质的流线路 ) 上，以一直探 测驱动活塞 / 缸移位的液压流体中的压力。 压力传感器单元将在促动器冲程期间随时间 探测压力，如图 7 中所示。 无疑地，这个传感器单元将指示活塞 / 缸组件的冲程终点位 置，并且另外提供阀位置的推论性读数。
图 10 还提出了意在探测活塞 / 缸的冲程终点位置的位置传感器单元 99。 这个位 置传感器单元可用作对其它类型的传感器设备的备选方案，或者可与任何传感器设备结 合以用于今后改进探测置信度。 感应型位置传感器单元 99 是非常简单的仪器，其包括线 圈、励磁电路及探测器。 感应式位置传感器单元 99 的电子电路嵌在电子设备容器 55( 见 图 2) 中，而且线圈优选嵌在活塞 / 缸组件的不可动部件中，尽管在图中没有示出。 典型
地为磁性或光学的另一种类型的第二位置传感器单元可安装成确认冲程终点位置，或者 可安装成代替感应型位置传感器单元 99。 经验证明位置传感器适于海底环境。
一些运营公司希望一直都实现阀的直接位置探测，而非由上述推论性方法实现 间接位置探测。 这可借助于包括线圈、励磁电路及探测器的线性可变差动变压器单元 (LVDT 单元 )100 通过将 LVDT 单元的滑动器安装成与阀促动器的杆进行直接的机械接触 以传统的方式来实现。 LVDT 单元的电子电路嵌在电子设备容器 55( 见图 2) 中，而且线 圈优选嵌在活塞 / 缸组件 11 的不可动部件中，尽管在图中没有示出。
这种布置是普通的，并且尤其已经在海底闸阀促动器上实现了这种布置。 但 是，与图 10 中示意性地显示的 LVDT 实现方案的优选实施例相比，这种实现方案需要相 当大的重新设计。 问题不是布置是否可靠和切合实际，问题更多地在于另一个电气构件 ( 虽然稳定 ) 是否能够嵌入在大多数情况下难以收回来进行维护或更换的机器部件中。
压力传感器单元 98 和马达电流监控电路单元或上述马达电流变压器单元 94 两者 位于可借助于例如简单且被证实的 ROV 操作来容易地收回以进行维护或更换的模块或电 子设备容器 55 中。 与位置传感器 99 和 LVDT 单元 100 有关的构件必须嵌在阀促动器系 统的不可动部件 21 中。
基于冲程终点位置的推论性探测的优选实施例 ( 即借助于电流变压器单元 94 来 进行马达电流监控，或者借助于压力传感器单元 98 来检测压力 ) 在电子设备容器 55 和上 游功率供应和通讯中心 ( 未显示 ) 之间需要仅一个 ROV 操作的电连接器 53。 如果实现了 LVDT 单元或根据其它优选实施例的感应式位置传感器，则需要使促动器的缸部件中的电 气构件与电子设备容器 55 中的电子电路连接的附加的 ROV 操作的电连接器 54。
当然本发明无论如何不限于上述实施例。 相反，本发明的修改的许多可能性对 本领域普通技术人员将是显而易见的，而不偏离诸如在权利要求中限定的本发明的基本 思想。
参考标号列表
1 电动马达，在优选实施例中是鼠笼式的或实心转子设计
2 柔性联接件
3 液压泵，在优选实施例中是齿轮型的
4 过滤器，典型地是 50 微米粒度拒绝式泵入口滤网
5 释压阀 ( 现有技术 )
6 体积补偿器，在优选实施例中是波纹管设计
7 贮油器，典型地由 SHPU 的外部壳体限定
8 液压蓄能器 ( 现有技术 )
9 控制阀 ( 现有技术 )
10 螺线管操作的导阀 ( 现有技术 )
11 液压缸
12 阀，例如闸阀
13 在所显示的位置上的止回阀，其仅涉及现有技术
14 软启动液压蓄能器，在优选实施例中是活塞型的
15 返回线路过滤器16( 未使用 ) 17 止回阀 18 止回阀 19 液压联接件 20 液压联接件 21 促动器壳体的前部分 22 促动器壳体的后部分 23ROV 人控功能 24 促动器接口罩 25 活塞 26 阀接口 / 杆 27 锁紧螺栓 28 锁紧螺栓的后区段 29 回位弹簧 30 缸上后端凸缘 31 锁紧爪 32 锁紧螺栓上的径向凸肩部 33 锁紧螺栓的放大的半径区段 34 锁紧爪滑动表面 35 锁紧爪接口结构 36 形成于制动爪的周边端部中的座部 37 锁紧销 / 滚珠 38 用于 37 的促动杆 39 螺线管或 SMA 促动装置 40 促动器壳体上的凸肩部 41 凹部 42 用于液压介质的流线路 43 用于液压介质的流线路 44 马达 / 泵壳体 45 金属波纹管保护盖 46( 未使用 ) 47HPU 凸缘 48 夹紧接口 49 轴承 50 轴承 51 电动马达的转子 52 电动马达的定子 53 湿匹配连接器 54 湿匹配连接器55 电子设备容器 56 用于排出来自生产孔的泄漏流体的端口 57 杆主密封组合件 58-62( 未使用 ) 63 活塞密封组合件 64 装填有油的体积 65-70( 未使用 ) 71 在软启动蓄能器到达行程终点时的压力 / 时间曲线上的点 72 在克服了阀促动器中的起步力时的压力 / 时间曲线上的点 73 在缸 11 中的活塞已经克服了起步力且开始运动时的压力 / 时间曲线上的点 74 在促动器冲程完成且缸 11 中的活塞已到达冲程终点时的压力 / 时间曲线上的 75 在泵 / 马达转子停转或几乎停转时的压力 / 时间曲线上的点 76 在闭锁促动已经完成其冲程时的压力 / 时间曲线上的点 77-79( 未使用 ) 80 在对马达施加功率时的起点 81 马达的起动电流的最大值 82 在马达全速、马达电流的无负载值处的稳态 83 在软启动蓄能器到达冲程终点时的点 84 在克服阀的起步力时的点 85 在稳定运动中冲程起点 86 在泵 / 马达转子减速以停转 ( 或非常接近停转 ) 时的冲程终点 87 当在定子中应用停止电流时的点 88 在已经促动锁紧爪且马达功率关闭时的点 89-90( 未使用 ) 91 变压器 92 一次中继器 92’ 二次中继器 93 驱动中继器螺线管的来自 PLC 单元输入 / 输出的控制线路 94 马达电流变压器单元 95 可编程的逻辑控制器单元 (PLC 单元 ) 96 通讯线路 97 闭锁螺线管 98 压力传感器单元 99 位置传感器单元 100 线性可变差动变压器单元 (LVDT 单元 )点