JPH0777488A - 摩擦力の計測装置 - Google Patents

摩擦力の計測装置

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JPH0777488A
JPH0777488A JP24623293A JP24623293A JPH0777488A JP H0777488 A JPH0777488 A JP H0777488A JP 24623293 A JP24623293 A JP 24623293A JP 24623293 A JP24623293 A JP 24623293A JP H0777488 A JPH0777488 A JP H0777488A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 可動部の動作中の状態を検出して可動部と封
止部との摩擦力を精度良く求めることを目的とする。 【構成】 圧力検出部13が検出するダイヤフラム6を
動かすためのエア圧と、変位検出部5が検出するバルブ
ステム3の時間的位置変化とにより、摩擦力計測部15
は、バルブステム3とグランドパッキン4との間の摩擦
力を計測する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、可動部の運動方程式
が動作状態に依存する摩擦力を含む機械装置の、可動部
における摩擦力を計測する摩擦力の計測装置に関する。
【0002】
【従来の技術】液体や気体などの流量プロセスの流量の
調節部には調節弁が用いられる。図2は、この調節弁の
構成を示す断面図である。同図において、1はバルブプ
ラグ、2はバルブプラグのガイドリング、3はバルブプ
ラグに接続されているバルブステム、4バルブステム3
を挾み込んでリークを防ぐグランドパッキン、5はバル
ブステム3の上下位置を検出する変位検出部(位置検出
手段)、6はバルブステム3に接続されているダイヤフ
ラム、7はダイヤフラム6を格納するダイヤフラムケー
ス、8はダイヤフラムケース7のダイヤフラム6上の部
屋にエアを送り込むためのエア供給口、9はダイヤフラ
ム6を押上げるバネ、10はこの調節弁の入り口、11
はこの調節弁の出口である。
【0003】この調節弁は、バルブプラグ1とバルブス
テム3の可動部が、封止部であるグランドパッキン4に
より気密性を有した状態で保持され、ダイヤフラム6と
ダイヤフラムケース7となどからなる駆動部により駆動
されるものである。そして、グランドパッキン4とバル
ブステム3との間には摩擦力が存在し、バルブステム3
を含む可動部は、この摩擦力の要素を含む運動方程式に
従って動作するものである。
【0004】ここで、この調節弁の動作について簡単に
説明する。エア供給口8よりエアを送り込んでダイヤフ
ラム6を押し下げると、バルブステム3も同時に押し下
げられ、このバルブステム3の先端に接続されているバ
ルブプラグ1も下がる。これにより、流路が狭められる
ことになり、入り口10より入り出口11より出ていく
流体の量が減少する。一方、エア供給口8より送り込む
エアの圧力を下げると、ダイヤフラム6はバネ9により
押上げられ、バルブステム3の先端に接続されているバ
ルブプラグ1は上がる。これにより、流路は広がり、入
り口10より入り出口11より出ていく流体の量は増加
する。
【0005】ところで、この調節弁において、グランド
パッキン4の劣化により、制御している流体がこの部分
よりリークすることがある。特に、制御する流体が気体
の場合は、グランドパッキン4が劣化してくると、グラ
ンドパッキン4とバルブステム3との間より流体が漏れ
てしまう。従って、このグランドパッキン4の劣化を前
もって検出し、リークが発生する前に交換をする必要が
ある。
【0006】このグランドパッキン4の状態検出は、従
来では、例えば特開平4−1199275公報に記載さ
れているように、変位検出部5が検出するバルブステム
3の位置と、エア供給口8に供給されるエア圧との関係
によりなされる。すなわち、以下に示すように状態検出
を行い、異常などを判断している。まず、予め、グラン
ドパッキン4が正常である状態におけるバルブステム3
の位置とエア供給口8に供給しているエア圧との関係を
予め閾値として登録しておく。そして、この調節弁のあ
る調節動作開始時のバルブステム3の位置とエア供給口
8に供給されるエア圧との関係が、上述した予め登録さ
れている所定の閾値を越えた段階で、グランドパッキン
4が劣化したと判断するか,もしくは何らかの異常が発
生したと判断する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従来は以上のように構
成されていたので、可動部である調節弁のバルブステム
の動作中の特性を無視しており、動作状態に依存する摩
擦力の特性を無視しており、可動部の正確な位置を検出
していないという問題があった。すなわち、可動部の動
作がヒステリシスのある2次遅れ系であるので、駆動部
であるダイヤフラムを動かすために供給するエア圧と可
動部であるバルブステムの位置との関係は、静的に検出
したのでは良好な精度を期待できない。また、調節弁な
どのエア圧により可動部を駆動させる装置では、可動部
の動作特性を表す運動方程式が動作状態に依存する摩擦
力の要素を含む場合、摩擦力が動作状態に依存しない場
合にのみ適用可能である従来の方法では、摩擦力の状態
を正しく検出することができないという問題があった。
【0008】ところで、グランドパッキン4としては制
御する流体が低圧常温状態のものである場合、テフロン
製などのものが使用される。しかし、制御する流体が高
圧高温状態のものの場合、グランドパッキン4としては
炭素繊維によるメッシュに微粒黒鉛を混入したものと耐
熱性潤滑油とを用いたものなどを使用することになる。
このように、潤滑油の揮発などによる減少が漏洩の直接
の原因となるほか、潤滑油が減少することがパッキンの
劣化を促進して漏洩を発生する原因となるなど、間接的
にも漏洩の原因となる。しかるに、従来の摩擦力計測で
検出可能である動作状態に依存しない摩擦力には、潤滑
油の状態が反映されていないのみならず、潤滑油の状態
が外乱の要素ともなり、パッキンの密封性能を知る上で
意味のある摩擦力の状態を検出することが不可能であっ
た。
【0009】この発明は、以上のような問題点を解消す
るためになされたものであり、可動部の動作中の状態を
検出することで可動部と封止部との摩擦力を精度良く求
めることを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】この発明の摩擦力の計測
装置は、可動部の位置を検出する位置検出手段と、駆動
手段の出力値を検出する駆動力検出手段と、位置検出手
段が検出する可動部の位置より求められる可動部の移動
速度と、駆動力検出手段が検出する駆動手段の出力値と
より、運動方程式を用いて可動部と封止部との摩擦力を
算出する演算手段とを有することを特徴とする。
【0011】
【作用】可動部が動いているとき、可動部の動作状態に
依存するこの可動部と封止部との摩擦力が計測される。
【0012】
【実施例】以下この発明の1実施例を図を参照して説明
する。図1は、この発明の摩擦力計測装置を調節弁の診
断装置として用いる場合の構成を示す構成図である。同
図において、12はエア供給口8にエアを供給する電空
変換部、13はダイヤフラムケース7に供給されるエア
の圧力を検出する圧力検出部(駆動力検出手段)、14
は変位検出部5が検出するバルブステム3の変位と圧力
検出部13が検出するダイヤフラム6に加わるエア圧力
とにより電空変換部12の動作を制御する制御部、15
は変位検出部5が検出するバルブステム3の変位と圧力
検出部13が検出するエア圧力とによりバルブステム3
とグランドパッキン4との摩擦力を算出する摩擦力計測
部(演算手段)であり、他は図2と同様である。
【0013】一般的に調節弁の動作不良は、可動部であ
るバルブステム3と封止部であるグランドパッキン4と
の摩擦力(クーロン摩擦力)の変化によって発生するの
で、この摩擦力の変化を動的に検出することで軽微な動
作不良の兆候を確実に検出できる。また、調節弁のリー
クはプラントにとって重大な問題であるが、調節弁のリ
ークは、グランドパッキン4の状態変化を原因とするこ
とが一般的であり、グランドパッキン4の状態が変化す
れば摩擦力が変化する。
【0014】この摩擦力の変化は、変位検出部5が検出
するバルブステム3の位置の時間変化である速度と、ダ
イヤフラム6を動かすエア供給口8から供給されるエア
圧とにより求めることが可能であり、これによりリーク
の危険性があることを検出できる。ここで、この調節弁
の運動方程式が動作状態に依存する摩擦力を要素として
含んでいれば、調節弁の運動の伝達の入出力検出値を用
い、摩擦力を求めることができる。調節弁では、以下の
式(1)に示すような運動方程式が与えられる。
【0015】 Asp=Kx+Fr(dx/dt)+md2x/dt2 ・・・(1) As ;ダイヤフラム面積 p ;ダイヤフラム空気圧力 K ;ダイヤフラムバネ定数 Fr ;摩擦力の関数 x ;バルブステム位置 m ;バルブステム質量 a1,a2 ;摩擦力を表す係数
【0016】ここで、式(1)において、摩擦力を示す
r は動作状態に依存する非線形な関数となるが、簡単
のためFr =a1dx/dt+a2(dx/dt>0の
時),=a1dx/dt−a2(dx/dt<0の時)と
おく。なお、このモデルの有効な期間は、c>|dx/
dt|>0(cは定数)のときである。このように運動
方程式を表すと、式(1)におけるpとxを計測し、上
式の係数を最小2乗推定することで、バルブステム移動
の状態に依存する摩擦力の状態のの変化を求めることが
できる。そして、このa1 ,a2 の変化によりグランド
パッキン4の状態の変化を検出し、リークを防ぐことが
できる。また、式(1)を以下に示す式(2)のように
変形して用いてもよい。
【0017】 Y=a1X+a2λ ・・・(2) ただし Y=Asp−Kx−md2x/dt2 ;摩擦力 X=dx/dt ;バルブステム速
度 λ=λ1−λ2 λ1;dx/dt>0
を示す1,0の論理変数 λ2;dx/dt<0を示す1,0の論理変数
【0018】この場合には、x,p,λを変数とする最
小2乗法を適用できる。そしてこのようにすることで、
非線形要素を含む数式モデルでも線形な最小2乗推定の
式が適用できる。ここで、このように論理変数を導入し
ないならば、基本的にはdx/dt>0のケースとdx
/dt<0のケースの2つのデータの集合を取り扱うこ
とになり、最小2乗推定するa1,a2の値が2つ存在
するため、その関係を評価する必要があり、誤差の評価
なども2つのデータの集合に対して行われるなど、非常
に煩雑な処理が必要となる。
【0019】ところで、As(ダイアフラム面積),K
(ダイアフラムバネ定数),m(バルブステム質量)
は、調節弁においては設計定数であり予め設定してある
数値である。しかし、装置立ち上げ時などに、ダイヤフ
ラム6やバルブステム3の動作特性を測定することがで
きるので、これらの値を最小2乗推定により求め、これ
を用いることもできる。また、以上に示したような最小
2乗法では、逐次式の展開を用いれば、摩擦力計測部1
4の処理速度が低かったり記憶容量が小さかったりして
も、処理することが容易となる。
【0020】また、古いデータの重みが小さくなるよう
なフィルタを用いるならば、グランドパッキン4の磨耗
劣化に伴って変化するバルブステム3とグランドパッキ
ン4との間の摩擦力の変化を監視するための処理が容易
となる。そして、更に、拡大最小2乗法、一般化最小2
乗法などを適用するならば、計測の信頼性を向上させる
ことができる。
【0021】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、可動部の動作中の状態を検出してこの可動部と封止
部との摩擦力を精度良く求めることができるという効果
がある。これにより、封止部の劣化などの状態変化を正
確に検出することが可能となり、調節弁のグランドパッ
キンの劣化など、問題が発生してから交換したのでは遅
い場合があるものなどでも、問題が発生する前に部品の
交換および調節ができるので、事故の発生を未然に防ぐ
ことが可能となる。また、封止部に潤滑油などを用いる
場合、この減少を検出することが可能となり、潤滑油の
減少による調節弁からの流体の漏洩の可能性を検知する
ことができ、これを未然に防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の摩擦力計測装置を調節弁の診断装置
として用いる場合の構成を示す構成図である。
【図2】調節弁の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
3 バルブステム 4 グランドパッキン 5 変位検出手段 6 ダイヤフラム 7 ダイヤフラムケース 8 エア供給口 10 入り口 11 出口 12 電空変換部 13 圧力検出部 14 制御部 15 摩擦力計測部

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 可動部と、この可動部の運動方向を規定
    するように前記可動部を保持して前記可動部との接触部
    では気密性を有する封止部と、前記可動部を動作させる
    駆動手段とを有し、前記可動部が前記封止部との摩擦力
    の要素を含む運動方程式に従って動作する装置の、前記
    可動部と封止部との摩擦力を求める摩擦力の計測装置で
    あって、 前記可動部の位置を検出する位置検出手段と、 前記駆動手段の出力値を検出する駆動力検出手段と、 前記位置検出手段が検出する前記可動部の位置より求め
    られる前記可動部の移動速度と、前記駆動力検出手段が
    検出する前記駆動手段の出力値とより、前記運動方程式
    を用いて前記可動部と封止部との摩擦力を算出する演算
    手段とを有することを特徴とする摩擦力の計測装置。
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