專利名稱：用于采礦的壓電執(zhí)行單元的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于一種在采礦中開關閥門，尤其是在地下采礦中開關油壓或水壓伺服閥的壓電執(zhí)行單元，具有在施加用于開關閥門的控制電壓時其大小改變的壓電元件。
背景技術：
在地下采礦中，為了開關在地下工作面支架中所使用的、由伺服閥和主控閥構成的閥門，通常使用電磁執(zhí)行器。通過電磁執(zhí)行器上的適當電路，尤其是通過用于降低保持電流的電路，能夠限制電磁執(zhí)行器的用電需求。在地下采礦中，限制每個電磁執(zhí)行器的電能消耗可以使得要安裝的電功率和可由安裝功率控制的閥門之間具有有利的比例關系。地下采礦中所使用的全部電磁執(zhí)行器都具有復位彈簧，所述復位彈簧例如在開關錯誤時、在線路網(wǎng)中短暫電壓下降時、在干擾引起的電纜故障時、以及其他情況下使伺服閥以及相應串接的主控閥回復到其起始位置。對于控制地下工作面支架的支柱的閥門，起始位置一般為閥門的閉合狀態(tài)，因此工作面支架的液壓或支承支架保持其瞬時外伸長度或者保持運動的驅動。在地下采礦中，電磁執(zhí)行器經常由防意外事故功能或防意外事故位置自動地復位到其起始位置，在地下采礦中出于安全考慮而在執(zhí)行器或由其開關的閥門中強制要求防意外事故功能或防意外事故位置。
此外在地下采礦中還非常希望減少執(zhí)行器開關閥門的電功率消耗。一種方法包括使用壓電執(zhí)行器，這是因為壓電執(zhí)行器在施加控制電壓時只消耗用于壓電元件電容的充電電流，隨后在消耗可忽略的剩余電流時保持其開關工作狀態(tài)，即其體積或長度發(fā)生變化。壓電元件的特點是耐磨損、切換時間快和開始切換過程的高調節(jié)力、以及小的能量消耗。然而，壓電元件在施加控制電壓時只發(fā)生很小的體積變化，因此，通常只有通過(機械的)杠桿傳動比的中間連接才達到開關閥門所需的行程長度(DE 102 33 316 A1)。DE 102 33 316 A1公開了一種用于在執(zhí)行器的防意外事故功能中使開關桿快速復位的解決方案，其中在搖桿上設置液壓可進汽活塞。
壓電執(zhí)行器的特點尤其在于其電容性能。如果在壓電元件上施加電壓，則在壓電元件上出現(xiàn)電荷流，壓電元件保持這些電荷流直到其被放電。由通過壓電元件內阻的泄漏電流只以可忽略的程度進行獨立的放電。因此，不可能通過撤去控制電壓而使壓電元件短時間地自動復位到其起始位置。

發(fā)明內容
本發(fā)明的任務在于，提供一種用于采礦的壓電執(zhí)行單元，其對防意外事故功能可以可靠、快速地復位到壓電元件的起始位置或初始延伸。
根據(jù)本發(fā)明，該任務通過以下方式完成壓電執(zhí)行單元包括具有至少一個放電元件的、與壓電元件相對應的放電電路。這樣構造所述放電電路只要沒有終止信號主動地斷開放電電路，放電元件就持續(xù)地或不斷地對壓電元件放電。最好通過施加控制電壓和/或終止電壓來主動斷開放電電路，以中斷放電過程。這樣構造具有放電元件的放電電路只要沒有控制信號輸出到執(zhí)行單元上、或者在壓電元件或放電電路上沒有施加引起閉合行程的控制電壓，則放電元件對壓電元件進行被動放電。根據(jù)本發(fā)明，只有當上級控制單元在壓電執(zhí)行單元的壓電元件上施加控制信號或控制電壓時，才借助于放電電路以下述方式控制放電元件使放電元件與壓電元件分離，從而中斷放電過程，并且壓電元件現(xiàn)在能夠實現(xiàn)所希望的閉合行程。其觸發(fā)信號是引入放電電路中的適當?shù)慕K止信號。
當執(zhí)行器位于礦工安全起始位置時，根據(jù)本發(fā)明所采用的、可控的、包括放電元件的放電電路總是引起壓電元件放電，由此實現(xiàn)礦工需要的防意外事故功能。壓電元件通過放電元件實現(xiàn)的被動放電相對于有負載情況下的自放電顯著地加快了，其中壓電元件的放電在原理上引起壓電元件的體積變化，并從而使其復位到起始位置。
在根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式中，終止電壓可以通過控制電壓生成或由控制電壓直接生成。作為替代，可以通過降低電壓由控制電壓生成終止電壓。當電壓中斷時，在執(zhí)行單元上的終止電壓也立即消失。盡管通過控制信號直接觸發(fā)終止信號是有利的，但是也可以與控制信號無關地觸發(fā)終止信號。另外，可以設置用于根據(jù)開關信號生成控制電壓和終止電壓的模擬電路。作為替代或補充，可以設置用于生成控制電壓和終止電壓或相應信號的、串接的、尤其是數(shù)字的智能部件。另外，這使得可以借助于串接的智能部件經由通信線路與上級控制設備交換數(shù)據(jù)，尤其是額定值、實際值和狀態(tài)數(shù)據(jù)(Stati)。
根據(jù)本發(fā)明的方案還提出了一種替代方案，即通過施加同一控制電壓來控制放電元件。該替代方案建議通過施加同一控制電壓，不必強制地要求使用幅值相同的控制電壓來加載壓電元件及控制放電電路。對于根據(jù)本發(fā)明的方案，通過在執(zhí)行單元上施加控制電壓就足以啟動對放電元件或放電電路的控制。
在優(yōu)選實施方式中，放電電路配備有一個開關元件，該開關元件只在施加控制電壓或終止電壓時才中斷壓電元件的放電或將開關電路與放電元件隔開，而當執(zhí)行單元上沒有施加終止電壓或控制電壓時，所述開關元件始終將壓電元件和放電元件短接。本發(fā)明的優(yōu)選方案具有以下優(yōu)點，即為了實現(xiàn)閉合行程必須主動釋放壓電元件，這是因為否則壓電元件將持續(xù)被放電并因此而不能被接通。在切斷電源或者在供電電網(wǎng)或上級控制裝置中出現(xiàn)其他故障的情況下，在壓電執(zhí)行單元中固定集成一個被動安全功能，其使壓電元件獨立地、可靠地、短時間自動地復位到其起始位置。
在特別優(yōu)選的實施方式中，放電元件與壓電元件并聯(lián)設置。在放電電路的最簡單的實施例中，放電元件包括至少一個放電電阻。其中建議根據(jù)壓電元件的電容來調節(jié)放電電阻。通過對放電電阻的相應選擇，可以使壓電元件(壓電或壓電執(zhí)行器)在幾毫秒內放電。
特別地，開關元件可以包括一個開關晶體管或FET(場效應晶體管)，尤其是NC-FET構件(NC＝正常閉合)。除了設置一個開關晶體管或FET構件以外，也可以設置多個開關晶體管或FET構件。
為了在地下采礦中應用壓電執(zhí)行單元，放電電路被冗余地實現(xiàn)并且具有至少兩個帶有放電元件和開關元件的開關電路是特別有利的。具有多個開關電路的放電電路冗余設計確保了即使在一個放電電路和壓電元件之間的接觸失效時防意外事故功能也能工作。由于壓電元件在原理上改變其體積，所以壓電元件與開關電路的可靠接觸是一個問題；在多個閉合行程之后，可能出現(xiàn)單個接觸的失效。因此在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，每個開關電路通過一個獨立的接觸連接到壓電元件上。由于相同的原因，與壓電元件的一些或全部電氣接觸被至少雙倍地設計是有利的。
對于本領域技術人員而言，在壓電執(zhí)行單元中顯然可以使用各種類型的壓電元件，尤其是壓電元件組，這是因為能夠與壓電元件的實現(xiàn)無關地設計根據(jù)本發(fā)明的放電電路。


以下對附圖所示的具有壓電執(zhí)行單元的地下液壓閥的實施例介紹中得到本發(fā)明的其他優(yōu)點和實施方式。如圖所示圖1用電路圖示出了在地下采礦中用于防止意外事故位置的具有壓電執(zhí)行單元的串接液壓閥；圖2借助于簡要電路圖示出了根據(jù)本發(fā)明的壓電執(zhí)行單元的放電電路結構；以及圖3示出了具有根據(jù)第二個實施例的控制器的根據(jù)本發(fā)明的執(zhí)行單元。
具體實施例方式
在圖1的電路圖中，在液壓主控閥1前串接一個伺服閥2，所述主控閥可以通過在壓電執(zhí)行單元10上施加一個用符號來表示的控制電壓S來操作伺服閥2。該電路圖示出了兩個閥門1、2都位于起始位置。通過控制壓電執(zhí)行單元10，伺服閥的閥塞這樣移動伺服閥2的引出線3以液壓方式與高壓源4相連接，由此，串接在后面的主控閥1的閥塞也改變其開關位置，并使通過負載線5連接的負載與高壓源4相連接。而在所示的起始位置中，伺服閥2的負載線5和引出線3都與回程6相連。
在用于地下采礦的具有電磁執(zhí)行器的液壓閥的已知結構中，當執(zhí)行器上沒有施加控制電壓時，電磁鐵的開關滑塊總是被彈簧復位到其起始位置，因此沒有電流流過電磁鐵的線圈。而在根據(jù)本發(fā)明的用于控制伺服閥2的電氣執(zhí)行單元10中設置有一個放電電路，使得在執(zhí)行單元10上沒有施加控制電壓S時壓電執(zhí)行單元10的壓電元件總是復位到其起始狀態(tài)。
圖2用電路圖示出了具有壓電元件11的壓電執(zhí)行單元10。借助于用符號表示的偏置彈簧12使壓電元件11偏置到其起始位置。但偏置彈簧12的彈力對于壓電元件11的快速自放電是不夠的。如已知的，通過在壓電執(zhí)行單元10的控制極13、14上施加控制電壓S，壓電元件11在其長度上被延伸，以引起閉合行程。兩個控制極13、14分別通過導線15、16與壓電元件11相連，由控制極13、14以及導線15、16所構成的系統(tǒng)構成了對壓電元件11的壓電執(zhí)行器控制。根據(jù)本發(fā)明，壓電執(zhí)行單元10具有放電電路，在圖2所示的實施例中該放電電路包括兩個相同構造的放電開關電路20、30。每個放電開關電路20、30都包括一個放電電阻21、31和一個與其對應的FET構件22、32。兩個放電電阻21、31與壓電元件11并聯(lián)連接，在所示的實施例中，放電電阻21在壓電元件11處與壓電控制器的負極導線16具有同一觸點17，而放電電阻31通過一個單獨的觸點33與壓電元件11相連。其中沒有示出，每個觸點可以同時以多重方式實現(xiàn)。對應于放電電阻21、31的FET構件22、32這樣來實現(xiàn)使得它們通常通過導線使壓電元件11與各個相應的放電電阻21或31短接，由此，放電電阻21、31使壓電元件放電。然而，如果在控制極13、14上并同時在控制極26、36上施加控制電壓S，則FET構件22通過支路導線18、25被施加控制電壓S，F(xiàn)ET構件32通過接觸導線34、35被施加控制電壓S，使得兩個FET構件都斷開，并且各個放電開關電路20、30也中斷或斷開。只有在控制極13、14及26、36上施加控制電壓S時，壓電元件11不會通過放電電阻21、31主動放電。一旦撤去壓電控制器的控制極13、14以及控制極26、36上的控制電壓，F(xiàn)ET構件22、32閉合，由此使放電電阻21、31與壓電元件再次短接，使得壓電元件11立刻重新放電。因此，壓電元件11重新回到其初始長度，從而使伺服閥(2，圖1)復位到其起始位置。
圖3借助于第二個實施例示出了通過前面串接的電路40來控制的壓電執(zhí)行單元10。壓電執(zhí)行單元10與圖2的實施例具有相同的結構，相同的附圖標記表示相同的構件。參考前面的描述。模擬電路40根據(jù)上級控制設備43的控制信號44，一方面生成控制電壓S，另一方面還生成終止電壓Es。盡管在控制極13、14上施加了控制電壓S，但只有當在控制極26、36上同時施加終止信號，例如終止電壓Es時，壓電元件11才移出；因為只有通過終止電壓Es才能使放電電路20、30斷開，所述的終止電壓通過控制線25、35來控制FET構件22、32。放電電路20、30的這種主動斷開對于壓電元件11的長度延伸是必需的前提，由此使放電電阻21、31與壓電元件隔開。只有在控制極26、36上施加終止電壓Es時，壓電元件11才不會通過放電電阻21、31持續(xù)放電。一旦撤去控制極26、36上的終止電壓Es，F(xiàn)ET構件22、32閉合，因此放電電阻21、31與壓電元件再次短接，使得壓電元件11立刻重新放電。因此，壓電元件11重新回到其初始長度，由此伺服閥(2，圖1)復位到其起始位置。電路40可以具有圖中所示的智能部件(CPU等)41，以便通過通信線路44與上級控制設備43雙向交換數(shù)據(jù)，如額定值和實際值。
本領域技術人員可知，上述說明顯然可以有多種落入權利要求書的保護范圍內的變型。除了只有一個放電開關電路或兩個放電開關電路以外，也可以設置三個或更多的放電開關電路?？梢酝ㄟ^雙倍或多倍形式實現(xiàn)一些或全部的觸點連接。除了通過施加控制電壓而斷開的FET構件以外，也可以使用其他適當?shù)拈_關晶體管。
權利要求
1.用于開關閥門，尤其是在地下采礦中用于開關油壓或水壓伺服閥的壓電執(zhí)行單元，具有在施加用于開關閥門的控制電壓時其大小變化的壓電元件，其特征在于，具有與所述壓電元件(11)相對應的、包括至少一個使所述壓電元件放電的放電元件(21；31)的放電電路(20，30)，可以通過施加控制電壓(S)和/或用于中斷放電過程的終止電壓(Es)斷開所述放電電路。
2.根據(jù)權利要求1的壓電執(zhí)行單元，其特征在于，所述放電電路(20，30)包括開關元件(22；32)，所述開關元件只有在施加終止電壓(Es)或控制電壓(S)時才中斷所述壓電元件(11)的放電。
3.根據(jù)權利要求1或2的壓電執(zhí)行單元，其特征在于，通過所述控制電壓(S)或者由所述控制電壓(S)直接生成所述終止電壓(Es)，或者通過降低電壓來生成所述終止電壓。
4.根據(jù)權利要求1至4中任一項的壓電執(zhí)行單元，其特征在于，當電壓中斷時，在所述執(zhí)行單元上的終止電壓(Es)也立刻消失。
5.根據(jù)權利要求1至4中任一項的壓電執(zhí)行單元，其特征在于，具有用于根據(jù)開關信號(44)生成所述控制電壓(S)和終止電壓(Es)的模擬電路(40)。
6.根據(jù)權利要求1至5中任一項的壓電執(zhí)行單元，其特征在于，具有用于生成所述控制電壓(S)和終止電壓(Es)的串接的、尤其是數(shù)字的智能部件(41)。
7.根據(jù)權利要求6的壓電執(zhí)行單元，其特征在于，所述串接的智能部件(41)通過通信線路(42)與上級控制設備(43)交換數(shù)據(jù)，尤其是額定值、實際值和狀態(tài)數(shù)據(jù)(Stati)。
8.根據(jù)權利要求1至7中任一項的壓電執(zhí)行單元，其特征在于，具有所述放電元件(21；31)的放電電路與所述壓電元件(11)并聯(lián)設置。
9.根據(jù)權利要求1至8中任一項的壓電執(zhí)行單元，其特征在于，所述放電元件由至少一個放電電阻(21；31)構成。
10.根據(jù)權利要求2至9中任一項的壓電執(zhí)行單元，其特征在于，所述開關元件由開關晶體管構成或者包括開關晶體管。
11.根據(jù)權利要求2至10中任一項的壓電執(zhí)行單元，其特征在于，所述開關元件(22；32)由FET構件構成或者包括FET構件。
12.根據(jù)權利要求1至11中任一項的壓電執(zhí)行單元，其特征在于，所述放電電路以冗余方式實現(xiàn)，并且包括至少兩個具有放電元件(21，31)和開關元件(22，32)的放電開關電路(20，30)。
13.根據(jù)權利要求12的壓電執(zhí)行單元，其特征在于，每個放電開關電路通過一個單獨的觸點連接到所述壓電元件上。
14.根據(jù)權利要求1至13中任一項的壓電執(zhí)行單元，其特征在于，所有與所述壓電元件的電觸點都以雙倍或多倍的形式實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及在采礦中用于開關閥門、尤其是在地下采礦中用于開關油壓或水壓伺服閥的壓電執(zhí)行單元(10)，具有在施加用于開關閥門的控制電壓時其大小變化的壓電元件(11)。為了確保防意外事故功能以及使壓電元件快速地復位到其起始位置，壓電執(zhí)行單元(10)包括與壓電(11)相應的、具有至少一個放電元件(21，31)的放電電路。借助于本發(fā)明的放電電路，當執(zhí)行器應位于礦工安全的起始位置時，總是使壓電元件放電。放電電路必須主動地開關，以便能夠用壓電執(zhí)行器(11)實現(xiàn)閉合行程。
文檔編號H01L41/00GK1641990SQ200410100209
公開日2005年7月20日 申請日期2004年12月7日 優(yōu)先權日2004年1月14日
發(fā)明者延斯·蒂徹特, 塞巴斯蒂安·M.·蒙德里, 霍斯特·瓦格納, 佛朗茲-海因里?！ぬK爾曼 申請人:Dbt自動化有限公司