JP2020060389A

JP2020060389A - 電動バルブアクチュエータの異常診断方法および異常診断装置

Info

Publication number: JP2020060389A
Application number: JP2018190177A
Authority: JP
Inventors: 角田　智明; Tomoaki Tsunoda; 智明角田
Original assignee: Nippon Gear Co Ltd
Current assignee: Nippon Gear Co Ltd
Priority date: 2018-10-05
Filing date: 2018-10-05
Publication date: 2020-04-16

Abstract

【課題】電動バルブアクチュエータの回転部品の異常を、トルクセンサの出力信号に含まれる周波数成分を解析して診断することを課題とする。【解決手段】モータ２の回転を減速歯車列により減速し、スラストユニット４またはドライブスリーブに伝達してバルブ５を駆動する電動バルブアクチュエータ１であって、前記モータ２に連結されたウォーム軸に作用するスラストから負荷情報を検出するトルクセンサ７を備え、前記バルブ５の中間開度領域における前記トルクセンサ７の出力信号を検出し、前記出力信号に含まれる周波数成分を解析して回転部品の異常診断することで課題を解決する。【選択図】図１

Description

本発明は、火力発電所や石油化学工場等の各種プラントに使用される電動バルブアクチュエータの異常診断方法および異常診断装置に関する。

火力発電所や石油化学工場等のプラントでは、配管内を流れる水や蒸気など流体の流れを制御するため、数多くの電動バルブアクチュエータ（以下、単にバルブアクチュエータともいう。）が使用されている。このようなバルブアクチュエータは、いったん設置されると数十年間にわたって使用されるものも少なくない。調整弁用途などの例外はあるものの、多くの弁では開閉動作の頻度は少なく、数年間使用しただけでバルブアクチュエータを更新することはないからである。

しかしながら、バルブアクチュエータを長期間にわたって使用する場合、定期的に劣化程度や異常の有無を診断して健全性を確保する必要がある。このような事情から、バルブアクチュエータの異常診断方法について種々の提案がなされている。

バルブアクチュエータの異常診断に当たって、もっとも有益な情報の一つは、バルブアクチュエータの負荷情報である。バルブアクチュエータの異常事象の多くは、負荷情報の変動として現れることから、バルブアクチュエータにトルクセンサを恒常的または一時的に取り付け、そのトルクセンサの出力を定期的に監視・記録してバルブアクチュエータの劣化や異常を診断しているものがある（特許文献１参照）。

また、トルクセンサを取り付けることなく、モータの電圧値と電流値から負荷情報を算出し、トルク情報に替える異常診断方法が提案されている（特許文献２参照）。負荷情報は有効電力に関係するものであるから、モータの電圧値と電流値から算出した負荷情報に基づいて診断する方法である。

また、バルブアクチュエータの適所に加速度センサを取り付け、その加速度センサの出力に基づいて振動波形の周波数解析を行い、バルブアクチュエータや弁体の異常を検出しているものがある（特許文献３参照）。

特開２００２−１３０５３１号公報特開２００６−８３９２８号公報特開２００２−１７４５４９号公報

上述した特許文献１や特許文献２に開示された異常診断方法では、検出した負荷情報を時間領域において観察している。バルブアクチュエータはバルブを開閉動作するための装置であり、バルブの開閉動作に伴うトルク情報等は時間軸に沿って大きく変化することから、異常診断に当たってトルク情報等を時間領域において観察することは有益な診断方法と言える。

しかしながら、トルク情報等について時間領域で観察するだけでは、バルブアクチュエータに使用されている歯車や軸受等の回転部品の劣化や異常を診断するには不十分である。したがって、特許文献１や特許文献２に開示された診断方法では、回転部品の劣化や異常を診断するのは困難であった。

また、特許文献２の診断方法においては、モータの電圧値と電流値の双方を測定する必要があるが、モータへの供給電圧は多くの場合、２００Ｖ以上であり、高電圧の測定には感電や短絡事故が生じる危険性がある。

特許文献３に開示された発明は、振動センサをバルブアクチュエータに一時的に取り付け、振動波形について周波数解析を行って周波数領域で観察するものである。したがって、バルブアクチュエータの回転部品の劣化や異常を診断するのには適している。ただし、振動センサをバルブアクチュエータに取り付ける場合、機械振動を広い周波数帯域において減衰させずに測定するためには、振動センサを測定対象に対して機械的に強固に取り付ける必要がある。

しかし、既設のバルブアクチュエータにおいては、塗膜や錆、塵埃等の存在により、振動センサを強固に取り付けるのはけっして容易でない。特に、高所や狭隘なスペースに設置されたバルブアクチュエータの場合、作業性が悪く、振動センサをバルブアクチュエータの適所に確実に取り付けるのは難しいという問題がある。

本発明は上述した事情に照らし、バルブアクチュエータの回転部品の劣化や異常を、バルブアクチュエータに恒常的または一時的に備えられたトルクセンサの出力信号を解析することにより診断することを課題とする。

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、スラストユニットまたはドライブスリーブに伝達してバルブを駆動する電動バルブアクチュエータであって、前記モータに連結されたウォーム軸に作用するスラストから負荷情報を検出するトルクセンサを備え、前記バルブの中間開度領域における前記トルクセンサの出力信号を検出し、前記出力信号に含まれる周波数成分を解析して回転部品の異常診断することを特徴とする電動バルブアクチュエータの異常診断方法である。

請求項２の発明は、請求項１記載の電動バルブアクチュエータの異常診断方法において、前記周波数成分の中から前記回転部品に起因する特定周波数を抽出し、正常時のスペクトルと比較するものである。

請求項３の発明は、請求項１または２記載の電動バルブアクチュエータの異常診断方法において、所定期間が経過するごとに、前記回転部品の異常診断をするものである。

請求項４の発明は、電動バルブアクチュエータのウォーム軸に作用するスラストから負荷情報を検出するトルクセンサと、前記トルクセンサの出力信号の周波数帯域を制限するフィルタと、前記フィルタの出力信号を変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器の出力信号をフーリエ変換する周波数解析部と、前記周波数解析部で解析された結果を記憶する記憶部と、回転部品に起因する特定周波数抽出部とを有し、前記回転部品の異常診断することを特徴とする電動バルブアクチュエータの異常診断装置である。

本発明によれば、バルブアクチュエータに備えられたトルクセンサの出力信号を解析することで回転部品の異常診断を行うことができる。したがって、異常診断のために振動センサをバルブアクチュエータに取り付ける必要がなく、異常診断のための準備作業を短時間で行うことができる。また、感電や短絡事故が生じる可能性のある高電圧を測定する必要がないため、異常診断作業に際して高い安全性を確保できる。

本発明の概略構成を示すブロック図である。電動バルブアクチュエータのトルク信号の一例を示す波形図である。正常状態でのトルク信号をフーリエ変換したスペクトル図である。劣化が進行した状態でのトルク信号をフーリエ変換したスペクトル図である。

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に示すバルブアクチュエータ１は従来から広く用いられているものであり、その主要部は、モータ２と、このモータ２の回転を減速する減速歯車列等を内蔵したバルブアクチュエータ本体３とで構成されている。

減速歯車列は一対のウォーム歯車のみから構成されるものと、ウォーム歯車の前段においてモータの回転を減速するヘリカルギアを加えて構成されるものがある。減速歯車列により減速されたモータ２の回転は、スラストユニット４またはドライブスリーブに伝達され、バルブ５を駆動するようになっている。

モータ２は、その軸がバルブ５のステム６と直交する姿勢でバルブアクチュエータ本体３の側面に取り付けられている。多くの場合、モータ２には耐久性など信頼性に優れる三相誘導モータが用いられる。

バルブアクチュエータ本体３の内部には、ウォーム軸（図示省略）に作用するスラストからバルブの負荷情報であるトルクを検出するトルクセンサ７が備えられている。バルブアクチュエータに備えられるトルクセンサ７には、ウォーム軸に作用するスラストにより皿バネを圧縮し、その圧縮変位からトルクを検知するものと、ウォーム軸に作用するスラストをスラスト受板に貼付された歪ゲージの応力変化から検知するものがある。本発明に好適なトルクセンサ７は後者、すなわちスラスト受板に貼付された歪ゲージの応力変化からトルクを検知するものである。なお、トルクセンサ７の出力信号は端子台やコネクタから、外部へ取り出すことができるようになっている。

フィルタ８は、トルクセンサ７で検出されたトルク信号に含まれる不必要な高周波成分をカットするとともに、サンプリング時に発生する可能性のあるエイリアシング誤差を防止するためのもので、ローパスフィルタが用いられる。本実施例では、カットオフ周波数約３９０Ｈｚのローパスフィルタを通してＡ／Ｄ変換器に接続し、１ｍｓでサンプリングを行っている。

Ａ／Ｄ変換器９は、アナログ信号をデジタル信号に変換するもので周知技術に属する。具体的には周波数解析手段であるアナライザに標準装備されているもので足りる。

周波数解析部10は、デジタルデータとしてのトルク信号を高速フーリエ変換(FFT：Fast Fourier Transform)し、周波数スペクトルとしてのデータを得るものである。

記憶部11は、ＦＦＴにより得られた周波数スペクトルのデータを、データ取得日時を付して記憶するもので不揮発性メモリが用いられる。

特定周波数抽出部12は、回転部品に劣化や異常が生じると回転に伴って特定の周波数スペクトルが大きくなることに着目したもので、回転部品の部材緒元に基づいて算出することができる。たとえば、ころがり軸受についての特定周波数は以下のようにして求めることができる。

表１は、ころがり軸受の内輪、外輪、転動体の転走面の各１箇所にスポット傷が存在する場合の特定周波数の算出式を示したものである。ここで、fi は内輪に傷がある場合の特定周波数(Hz)、fo は外輪に傷がある場合の特定周波数(Hz)、fb は転動体に傷がある場合の特定周波数(Hz)である。また、fr は内輪(軸)の回転周波数(Hz)、Ｄは軸受のピッチ円直径(mm)、ｄは転動体の直径(mm)、αは接触角(度)、ｚは転動体の数を示している。

異常の有無の判断は、特定周波数におけるスペクトルの大きさで評価する。特定周波数のスペクトルが認められないか、認められても他の周波数スペクトルの大きさと較べて多少大きい程度であれば正常と判断する。一方、特定周波数のスペクトルが認められ、かつ他の周波数スペクトルと較べて明らかに大きい場合には異常と判断する。

特定周波数のスペクトルの大きさの判断を行うに当たっては、経時的なデータを較べるのが有効である。たとえば、２年ごとに異常診断を行い、記憶部に記憶されている前回（２年前）、前々回（４年前）のデータと比較して特定周波数のスペクトルの大きさの経時的な観察を行うことが有効である。

つぎに、本発明による異常診断結果を具体例に基づいて説明する。図２は、供試バルブとしての玉型弁を閉動作した際に得られるトルク信号の生データの一例である。縦軸はトルク値を、横軸は時間を表している。バルブアクチュエータは、ハンマーブロー機構を標準的に備えていることから、ハンマーブロー発生時(t1)までは略無負荷に近いトルク値となる。

ハンマーブローが生じるとトルク値は若干増加するが、きわめて低いトルク値のまま推移する。つぎにハンマーブロー機構による動作が終了し、ステムが閉方向に移動開始(t2)するとトルク値は急激に増加する。もっとも、トルク値は急激に増加するものの、次第に安定した状態(t3)に落ち着く。

この安定した状態でのトルク値は、弁体がトルクシートする時の値に較べれば、けっして大きな値ではない。モータの負荷としては軽負荷状態にすぎないことから、モータの回転数やトルク値は安定している。この領域は中間開度領域と呼称される。

ここで、中間開度領域全体としてのトルク値を時間軸に沿って観察すると、トルク値は全体として安定しているものの、一定の周期で変動していることが分かる。しかし、図２に示す時間領域のデータからは回転部品の異常に関し、有意な情報を得ることはできない。

バルブアクチュエータにトルクセンサを備える主たる目的は、バルブアクチュエータに過負荷が作用したことを検知し、バルブアクチュエータやその他の機器を保護することにある。したがって、従来はトルク値を時間軸に沿って監視するだけで足りていた。

しかし、本発明の発明者は、バルブアクチュエータの回転部品の異常診断について検討する過程において、図２に示すトルク値の周期変動に着目した。一見したところ有意な情報は得られないと考えられていたトルク信号であっても、適切なフィルタ処理をすることにより、回転部品の異常診断について有意な情報が含まれているとの知見を得るに至った。

図３は、本発明によるトルク信号のＦＦＴ解析結果を示すものであり、バルブアクチュエータの回転部品に異常がない新品時の状態で得られたデータである。周波数が５０Ｈｚと１００Ｈｚの２箇所にピークが認められる。電源周波数が５０Ｈｚであることから、これら２つのピークは、回転部品の異常とは無関係のスペクトルとして扱うことができる。また、前記２箇所のピーク以外に顕著なスペクトルは認められないことから、回転部品に異常はないと判断することができる。

図４は、実際のプラントに取り付けられ、１０年以上稼働したバルブアクチュエータについて、内蔵されたウォーム軸を支持する軸受転動体の１箇所および外輪転走面の１箇所に損傷が認められた事例のＦＦＴ解析結果を示すデータである。周波数５０Ｈｚと１００Ｈｚの２箇所にピークが認められる点については、図３に示す新品時のデータと同じであり、これら２箇所のピークは回転部品の異常とは無関係のスペクトルとして扱うことができる。

図３と図４を比較すると、図３では認められなかった略１１Ｈｚと略１１０Ｈｚのスペクトルが、図４では明らかに認められる点で特徴的である。そこで、これら２箇所のスペクトルについて考察する。この事例における軸受諸元に関し、内輪(軸)の回転周波数ｆｒは０．９７Ｈｚ、軸受のピッチ円直径Ｄは８１ｍｍ、転動体の直径ｄは８．５ｍｍ、接触角αは１７度、転動体の数ｚは２４である。この軸受諸元の数値から転動体に傷がある場合の特定周波数ｆｂを表１に示した計算式から算出すると略１１０Ｈｚとなる。図４において認められたスペクトルのピーク略１１０Ｈｚは、転動体に傷があることに起因するものと判断できる。

また、外輪転走面に傷がある場合の特定周波数ｆｏを表１に示した計算式から算出すると略１１Ｈｚとなる。図４において認められたスペクトルのピーク略１１Ｈｚは、外輪転走面に傷があることに起因するものと判断できる。

この事例で示したように、本発明によればバルブの中間開度領域におけるトルク信号を検出し、前記トルク信号に含まれる周波数成分を解析して回転部品の異常を診断することができる。

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例に限定されるものではなく、種々の実施形態で適用することができる。例えば、上述した実施例では、供試バルブとして玉型弁を使用し、閉動作した場合の実施形態について説明したが、開動作する場合にも適用できる。また、供試バルブは玉型弁に限定されるものではなく、仕切弁など他の形式のバルブにも適用できる。さらに、トルクセンサはバルブアクチュエータに恒常的に取り付けられたものに限らず、測定に際して一時的に取り付けられたものであってもよい。

本発明に係る異常診断方法および異常診断装置は、各種プラントの配管等に設置された電動バルブアクチュエータの回転部品の劣化や異常診断に利用することができる。

１電動バルブアクチュエータ（バルブアクチュエータ）
２モータ
３アクチュエータ本体
４スラストユニット
５バルブ
７トルクセンサ
８フィルタ
９Ａ／Ｄ変換器
10 周波数解析部
11 記憶部
12 特定周波数抽出部

Claims

モータの回転を減速歯車列により減速し、スラストユニットまたはドライブスリーブに伝達してバルブを駆動する電動バルブアクチュエータであって、前記モータに連結されたウォーム軸に作用するスラストから負荷情報を検出するトルクセンサを備え、前記バルブの中間開度領域における前記トルクセンサの出力信号を検出し、前記出力信号に含まれる周波数成分を解析して回転部品の異常診断することを特徴とする電動バルブアクチュエータの異常診断方法。
前記周波数成分の中から前記回転部品に起因する特定周波数を抽出し、正常時のスペクトルと比較することを特徴とする請求項１記載の電動バルブアクチュエータの異常診断方法。
所定期間が経過するごとに、前記回転部品の異常診断することを特徴とする請求項１または２記載の電動バルブアクチュエータの異常診断方法。
電動バルブアクチュエータのウォーム軸に作用するスラストから負荷情報を検出するトルクセンサと、前記トルクセンサの出力信号の周波数帯域を制限するフィルタと、前記フィルタの出力信号を変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器の出力信号をフーリエ変換する周波数解析部と、前記周波数解析部で解析された結果を記憶する記憶部と、回転部品に起因する特定周波数抽出部とを有し、前記回転部品の異常診断することを特徴とする電動バルブアクチュエータの異常診断装置。