JP6867972B2

JP6867972B2 - 電動弁駆動装置の摩耗検出方法

Info

Publication number: JP6867972B2
Application number: JP2018059897A
Authority: JP
Inventors: 康夫泉
Original assignee: 日本ギア工業株式会社
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2018-03-27
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2038-03-27
Also published as: JP2019173789A

Description

本発明は、火力発電所等の各種プラントに設置される電動弁駆動装置のステムナットの摩耗検出方法に関する。

各種プラントに設置される弁には種々の形式のものがあるが、本発明は仕切弁などステムが往復動作する弁を駆動する電動弁駆動装置のステムナットの摩耗検出方法に関する技術である。

電動弁駆動装置の一般的な駆動機構は、モータの回転をウォーム歯車等の減速歯車列により減速してドライブスリーブに伝達し、該ドライブスリーブに内嵌されたステムナットを回転させる構造となっている。そして、仕切弁であればステムナットと螺合するステムを往復動作させて弁を開閉することになる。ステムの材料にはステンレス鋼や特殊鋼等の鉄鋼系材料が用いられ、ステムの外周面には雄ねじが形成されている。他方、この雄ねじと螺合するステムナットには、摺動面のかじりを防止するため、黄銅系材料が多く用いられている。このことによりステムの雄ねじとステムナットの雌ねじは円滑な摺動が可能となる。

しかし、長期間にわたり電動弁駆動装置を運転すると、鉄鋼系材料を用いたステムの雄ねじの摺動面は摩耗しないが、相対的に軟らかい黄銅系材料からなるステムナットの雌ねじの摺動面は多かれ少なかれ摩耗することは避けられない。摩耗の進行程度は電動弁駆動装置が設置された環境条件や保守管理の状況により異なるが、ステムナットの雌ねじの摺動面の摩耗が進行すると、最悪の場合には雌ねじのねじ山が脱落してステムナットとしての機能を喪失することもあり得る。

したがって、重要な弁を駆動する電動弁駆動装置に対しては、ステムナットの雌ねじの摩耗を検出してステムナットとしての機能を喪失する前に交換するなどの措置が必要になり、特許文献１〜３にはステムナットの摩耗検出方法に関する技術が開示されている。

特許文献１には、ステムナットの摺動面に摩耗が生じると、ステムナットが始動してからステムが始動するまでの遅れ時間が長くなる点に着目し、ステムナットの摩耗量を検出する方法が開示されている。具体的には、弁リフトセンサ、振動加速度センサ及び時間センサを用いてウォームホイールの回転開始衝撃音からステムの移動開始までの時間を算定して摩耗検出を行うものである。

特許文献２にも特許文献１と同様、電動弁駆動装置に標準的に備えられるハンマーブロー機構に着目し、ステムナットの摩耗量を検出する方法が開示されている。具体的には、変位検出センサ、振動検出センサ及び時間センサを用いて、ウォームホイールとドライブスリーブとの衝接によるハンマーブロー発生からステムの移動開始までの時間を算定して摩耗検出を行うものである。

特許文献３にも特許文献２と同様、電動弁駆動装置のハンマーブロー機構に着目し、ステムナットの摩耗量を検出する方法が開示されている。具体的には、トルク検出センサと時間センサを用い、ハンマーブローによる衝撃トルクの発生からステムの移動開始時のトルク増加までの時間を算定して摩耗検出を行うものである。

特開Ｈ０２−３０７０３３号公報特開Ｈ０９−００５０６４号公報特開２００２−１３０５３１号公報

しかし、特許文献１の発明では、弁リフトセンサおよび振動加速度センサが必須となるが、これらのセンサは電動弁駆動装置に標準装備されていないため、別途手配して装着する必要がある。そのため、時間と費用を費やさねばならない課題がある。

また、特許文献２の発明でも、変位検出センサおよび振動検出センサが必須であり、特許文献１の発明と同様な課題がある。

また、特許文献３の発明では、トルク検出センサが必須となるが、標準的な電動弁駆動装置では機械的なトルク制限機構は備えているものの、トルク信号を出力できるトルク検出センサは備えられていない。したがって、標準的な電動弁駆動装置では、トルク検出センサを別途手配して装着する必要があり、時間と費用を費やさねばならない課題がある。

このような事情から、変位検出センサや振動検出センサ、トルク検出センサを必要とすることなく、電動弁駆動装置のステムナットの摩耗状態を検知して管理したいという要望は強い。そこで、本発明はこれらのセンサを必要とすることなく、モータに供給される電流を検出する電流センサを用いるだけで、電動弁駆動装置のステムナットの摩耗量を算出する摩耗検出方法を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、モータの回転を減速歯車列により減速してドライブスリーブに伝達し、前記ドライブスリーブに内嵌されたステムナットの回転により前記ステムナットと螺合するステムを往復動作させる電動弁駆動装置において、前記モータに供給される電流を検出する電流センサと、前記ステムナットの摩耗量を算出して記録する摩耗検出器とを備え、前記ステムの動作を逆方向に始動させる際、前記ドライブスリーブの回転開始時（Ａ）のモータ電流に関して第１の設定値を記憶部に登録し、前記ステムの動作開始時（Ｂ）のモータ電流に関して第２の設定値を記憶部に登録し、第１の設定値は無負荷電流の平均値に対してハンマーブロー発生時の測定電流から予め定めた値とし、第２の設定値はハンマーブロー発生後の電流の平均値から所定量増加した値とし、前記ステムの動作開始時（Ｂ）から第２の設定値に達した時（Ｃ）までの遅れ時間（ΔＴ）を、電動弁駆動装置の機種とサイズごとに把握しておき、モータ電流が第２の設定値に達した時（Ｃ）から遅れ時間（ΔＴ）を差し引いてステムの動作開始時（Ｂ）とし、ドライブスリーブの回転開始時（Ａ）からステムの動作開始時（Ｂ）までの時間によりステムナットの摩耗量を算出することを特徴とする電動弁駆動装置の摩耗検出方法である。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、前記摩耗検出器は演算部とタイマーと記憶部とを備え、前記ステムナットの摩耗率を算出してタイムスタンプとともに前記記憶部に記録し、電動弁駆動装置の累積運転時間と摩耗率から回帰分析を行って許容摩耗限界値に達する時期を予測することを特徴とするものである。

本発明によれば、電動弁駆動装置にトルクセンサや振動センサを装着する必要がなく、モータに電流を供給する電源線に非接触の電流センサを装着するだけで、電動弁駆動装置のステムナットの摩耗量を算出することができる。したがって、従来技術に較べると作業の安全性が高く、作業時間および費用も大幅に低減できるという優れた効果を奏する。

本発明の構成を示すブロック図である。モータトルク値、モータ電流値、ステム変位の関係を示す波形図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る電動弁駆動装置１の摩耗検出方法の構成を示すブロック図である。モータ２の回転をウォーム歯車等の減速歯車列３により減速してドライブスリーブ４に伝達し、該ドライブスリーブ４に内嵌されたステムナット５を回転させる構造となっている。そして、仕切弁であればステムナット５と螺合するステム６を往復動作させて弁７を開閉することになる。

また、減速歯車列３の終段歯車であるウォームホイールとドライブスリーブ４との間には、ウォームホイールが反転始動する際、ドライブスリーブ４に対し周方向のハンマーブローが作用するように構成されている。この構成は従来技術と同じであり、周知技術であることから図示を省略している。

モータ２には、三相誘導モータが採用される場合が多い。堅牢で故障し難く、保守費用が安く済む利点があるためである。交流電源から三相誘導モータに電力を供給する電力線の１本には、非接触で電流を検出できる電流センサ８としての変流器（CT）が装着され、電流センサ８の出力信号は信号ケーブルにより摩耗検出器９に伝えられる。この実施例では電流センサ８として変流器を使用しているが、市販されているクランプ式の電流計であっても出力付きであれば使用することができる。

摩耗検出器９には、アナログデータをデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器１０と、計時機能を有するタイマー１１と、デジタルデータを記録する記憶部１２と、電流データや時間データ等を演算処理する演算部１３が備えられている。電流センサ８からは電流データがＡ／Ｄ変換器１０に入力される。

図２は、電動弁駆動装置により仕切弁を反転動作させた実施例のモータトルク値、モータ電流値、ステム変位の関係を示す波形図である。図２における横軸は時間軸であって、時間は左側から右側へと推移し、前記３つのデータの時間軸は同期した同一目盛で示している。破線で示すカーソル線（Ａ）は、ハンマーブローの発生時すなわちドライブスリーブの回転開始時であるとともに、後述する第１の設定値に対応する時点でもある。カーソル線（Ｂ）は、ステムの動作開始時を示している。また、カーソル線（Ｃ）は、後述する第２の設定値に対応する時点である。

他方、縦軸はトルク値、電流値、ステム変位の状態量を示すものであるが、これらのデータの状態変化を見易くするため、各データの目盛レンジは予め調整してある。すなわち、各データの絶対値に大きな意味はなく、各データの横軸に対する状態変化の推移に意味があるものである。

横軸に示した区間Ｉは、電動弁駆動装置によりステムを上昇させてから、いったん停止した後、下降動作を開始すべくモータを反転始動した後の区間である。この区間では、モータの回転は減速歯車列に伝達されるものの、ハンマーブロー発生前であることからモータにとって無負荷に近い状態である。したがって、トルク値および電流値はきわめて小さく、実務上は無負荷として取り扱うことができる。また、ドライブスリーブとステムナットは回転しないため、当然のことながら区間Ｉではステム変位に変化はない。

横軸に示した区間ＩＩは、ハンマーブロー発生後からステムが動作開始する時までの区間である。言い換えると、ドライブスリーブの回転開始時からステムの動作開始時までの時間である。この区間ＩＩの時間は、ステムナットの摩耗量に依存することになる。すなわち、ハンマーブローの発生によりドライブスリーブは回転し始めるが、その段階で当接していたステムナットの雌ねじ面と、ステムの雄ねじ面との接触が離れても、それらの雌ねじ面と雄ねじ面との間にはバックラッシ（すき間）が存在するため、ステムの動作は遅れ、その段階でステムが直ちに動作することはないからである。

ステムの動作遅れ時間はバックラッシ量に比例する。換言すると、ハンマーブローの発生によってドライブスリーブが回転し始めてから、ステムが動作開始するまでの時間を検知することができればバックラッシ量を知ることが可能となる。この知見は従来技術として実施されているが、本発明の特徴的な点はモータに供給される電流データから前記時間を検知できることにある。

ここで、ステムナットの雌ねじピッチは螺合するステムの雄ねじピッチと等しいことから、既設の電動弁駆動装置であっても、ステムの雄ねじピッチから摩耗検出対象となるステムナットのピッチを容易に知ることができる。本発明による摩耗検出方法により得られたバックラッシ量を算出できれば、ステムナットの雌ねじ山の残存厚さを把握することができる。したがって、電動弁駆動装置を分解点検することなく、ステムナットの交換が必要か否かを容易に判断することが可能となる。

なお、横軸に示した区間ＩＩＩは、ステムが下降動作中の時間であり、ステムは一定の速度で下降する。ただし、ステムが一定の速度で下降動作していても、その途中で弁が設置された配管ラインを流れる流体の圧力や流量等に変動があると、図２のトルクデータや電流データに示すように、一次的なピークが発生することはある。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態は、ドライブスリーブの回転開始時（Ａ）をモータの電流が第１の設定値に達した時として検出し、ステムの動作開始時（Ｂ）をモータの電流が第２の設定値に達した時として検出するものである。

図２に示すモータの電流データから明らかなように、ハンマーブローの発生により、ドライブスリーブが回転開始するため、モータの電流は急激に増大する。このことからドライブスリーブの回転開始時（Ａ）をモータの電流変化から容易に検出することができる。電動弁駆動装置の機種やサイズ、使用条件等が決定すると、モータの仕様も決定し、図２の横軸に示す区間Ｉにおける無負荷電流の平均値は、モータの個体差を別にすれば具体的に定まる。そこで、無負荷電流の平均値に対するハンマーブロー発生時の電流を予め測定しておき、その電流を第１の設定値として記憶部に登録する。たとえば無負荷電流の平均値から１０％増加した電流を第１の設定値として記憶部に登録する。このようにするとモータの電流が第１の設定値に達した時（Ａ）にハンマーブローが発生し、ドライブスリーブの回転が開始することになる。

他方、モータの電流変化からステムの動作開始時を検出するのは、ドライブスリーブの回転開始時を検出する場合に較べると難易度が高くなる。図２に示すモータの電流データから明らかなように、ステムの動作開始時（Ｂ）における電流の増加率は緩やかである。しかもステムの動作開始時に較べると、モータの電流増加時点（Ｃ）は遅延する。ただし、この遅延時間は、電動弁駆動装置の機種とサイズが決定すると、略一定の値となることが知られている。したがって、この遅延時間を織り込んだ上で、ステムの動作開始時（Ｂ）をモータの電流変化から定めることは可能である。たとえばハンマーブロー発生後の区間ＩＩの電流の平均値から１０％増加した電流を第２の設定値として記憶部に登録する。

以上説明したようにしてモータ電流に対し、第１の設定値と第２の設定値を記憶部に登録し、電流センサにより検出される実際の電流と比較すれば、ドライブスリーブの回転開始時（Ａ）をモータの電流が第１の設定値に達した時として検出し、ステムの動作開始時（Ｂ）をモータの電流が第２の設定値（Ｃ）に達した時とみなして検出することができる。なお、各設定値と実際の電流との比較は演算部で行われる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態は、ドライブスリーブの回転開始時（Ａ）をモータの電流増加率により検出し、ステムの動作開始時（Ｂ）をモータの電流増加率により検出した時(Ｃ)から、所定時間を差し引いた時として算出するものである。

図２に示すハンマーブロー発生時（Ａ）からステムナットの動作開始時（Ｂ）までの時間は、ステムナットの摩耗量が少なければ短いし、摩耗量が多ければ長くなる。ハンマーブロー発生時(Ａ)の検出は、第１の実施の形態で説明したと同様にしてモータの電流変化から可能である。ハンマーブロー発生時（Ａ）は、たとえば、予め実測したデータによりモータの電流が区間Ｉの無負荷電流の平均値から１０％増加した時点として記憶部に登録する。区間ＩＩではハンマーブローが発生することにより、電流は瞬間的に大きなピークを生じるものの、すぐに落ち着いた値となり、ステムが下降動作を開始するまで、一定の値となる。

図２に示す（Ｂ）はステムの動作開始時であり、ステムの動作開始時までステム変位は変化しない。ステムの動作開始時（Ｂ）の検出はトルク波形によれば検出可能である。すなわち、トルク波形がハンマーブロー発生後の一定値から概ね１０％増加した時と定義することで検出可能となる。しかし、電流波形から（Ｂ）を正確に検出することはできない。ステムの動作開始時（Ｂ）において、電流の値に変化はないからである。

図２に示す電流波形とステム変位波形から明らかなように、ステム変位波形に較べると電流波形の変化には遅れが発生する。ここで、電流波形においてハンマーブロー発生後の電流の平均値から１０％増加した時（Ｃ）を定義すると、（Ｂ）から（Ｃ）までの遅れ時間はΔＴとなる。このΔＴの値は、電動弁駆動装置の機種やサイズが異なると同じ値にならないが、機種とサイズが同じであれば、略同一の値となる。電動弁駆動装置の主要部品は金属材料から構成されており、構成部品の寸法と質量が同じであれば、機能に必要な遅れ時間ΔＴは略同一となるからである。

そこで、電動弁駆動装置の機種とサイズごとに、予めΔＴを把握しておくことにより、トルクデータやステム変位のデータが無くても、電流データを把握するだけで（Ｂ）を検出することが可能となる。すなわち、電流センサで検出される電流データにおいて、たとえばハンマーブロー発生後の電流の平均値から１０％増加した時点（Ｃ）を定義して検出し、この検出時から遅れ時間ΔＴを差し引けば、ステム動作開始時（Ｂ）を算出することができる。

以上説明したように、予め電動弁駆動装置の機種とサイズごとに、遅れ時間ΔＴを把握しておくことにより、トルクセンサや振動センサを必要とすることなく、電流センサで検出されるモータの電流データからステムナットの摩耗状況を正確に把握することが可能となる。

なお、演算部では、モータの電流変化により検出されたドライブスリーブの回転開始時とステムの動作開始時との時間差から、ステムナットの摩耗量を算出する。また、ステムナットの半ピッチに対する摩耗量を摩耗率として算出し、そのときの時刻を示すタイムスタンプとともに記憶部に記録する。さらに、ステムナットの許容摩耗限界値を記憶部に登録しておき、電動弁駆動装置の累積運転時間と摩耗率から回帰分析を行って許容摩耗限界値に達する時期を予測する。このようにして本発明によれば、ステムナットの摩耗状況を診断し、適切に管理することが可能となる。

以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施をすることができる。例えば、上述した実施例では仕切弁を対象にして説明したが、仕切弁に限らずバルブステムが往復動作する弁であれば、他の形式の弁であっても適用できる。さらに、適用対象となる弁は新規に設置される場合だけでなく、既設の弁であってもよい。

また、ステムが下降始動する行程を例にして説明したが、ステムが上昇始動する行程であっても同様して適用できる。

本発明に係る電動弁駆動装置の摩耗検出方法は、各種プラントの配管等に設けられる電動弁駆動装置のステムナットの摩耗検出に適用することができる。

１電動弁駆動装置
２モータ
３減速歯車列
４ドライブスリーブ
５ステムナット
６ステム
８電流センサ
９摩耗検出器

Claims

モータの回転を減速歯車列により減速してドライブスリーブに伝達し、前記ドライブスリーブに内嵌されたステムナットの回転により前記ステムナットと螺合するステムを往復動作させる電動弁駆動装置において、
前記モータに供給される電流を検出する電流センサと、前記ステムナットの摩耗量を算出して記録する摩耗検出器とを備え、
前記ステムの動作を逆方向に始動させる際、前記ドライブスリーブの回転開始時（Ａ）のモータ電流に関して第１の設定値を記憶部に登録し、前記ステムの動作開始時（Ｂ）のモータ電流に関して第２の設定値を記憶部に登録し、
第１の設定値は無負荷電流の平均値に対してハンマーブロー発生時の測定電流から予め定めた値とし、第２の設定値はハンマーブロー発生後の電流の平均値から所定量増加した値とし、
前記ステムの動作開始時（Ｂ）から第２の設定値に達した時（Ｃ）までの遅れ時間（ΔＴ）を、電動弁駆動装置の機種とサイズごとに把握しておき、
モータ電流が第２の設定値に達した時（Ｃ）から遅れ時間（ΔＴ）を差し引いてステムの動作開始時（Ｂ）とし、
ドライブスリーブの回転開始時（Ａ）からステムの動作開始時（Ｂ）までの時間によりステムナットの摩耗量を算出することを特徴とする電動弁駆動装置の摩耗検出方法。
前記摩耗検出器は演算部とタイマーと記憶部とを備え、前記ステムナットの摩耗率を算出してタイムスタンプとともに前記記憶部に記録し、電動弁駆動装置の累積運転時間と摩耗率から回帰分析を行って許容摩耗限界値に達する時期を予測することを特徴とする請求項１に記載の電動弁駆動装置の摩耗検出方法。