KR20010029053A - 모터 구동 밸브의 작동성 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모터 구동 밸브의 작동성 측정 방법에 관한 것이다. 이 발명은 스템과 디스크 및 시트를 포함하는 밸브와, 이 밸브를 개폐하는 모터 작동부와, 모터의 구동정지를 위한 제어수단을 포함하여 구성되는 모터 구동 밸브에서, 상기 모터의 입력값으로부터 토크, 파워 또는 RMS등을 변수를 도출하는 단계와, 상기 밸브 스템의 변위를 측정하는 단계와, 상기 모터의 토크 또는 그외 변수와 스템의 변위의 관계를 분석하는 단계와, 상기 밸브 디스크가 상기 밸브 시트에 시팅 될 때, 스템 변위에 대한 모터 토크 또는 그외 변수들의 미분값을 구하는 단계를 포함한다. 이에 더해 일정한 값을 가지는 밸브의 탄성계수와 상기 미분값을 이용하여 상기 밸브 스템과 스템 너트 사이의 마찰 계수를 구하여 스템에 작용하는 힘을 구하는 단계 또는 일정한 값을 가지는 밸브의 탄성계수와 상기 미분값을 이용하여 상기 밸브 스템과 스템 너트 사이의 윤활 상태를 측정하는 단계를 더 포함한다.

이러한 방법에 의하여 모터 구동 밸브의 윤활 상태 및 스템에 작용하는 힘을 더욱 정확하고 간편하게 측정할 수 있다.

Description

모터 구동 밸브의 작동성 측정 방법{Method for Determining Operability of Motor Operated Valves}

본 발명은 모터 구동 밸브의 작동성 측정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터 토크와 스템의 이동거리를 측정하여 모터 구동 밸브의 스템에 작용하는 힘과 밸브 스템과 스템 너트 사이의 윤활 상태를 구하여 밸브의 작동성을 측정하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 원자력 또는 그외 발전소 등에는 워터 또는 스팀라인의 정기적 개폐, 사고 또는 비상시의 안전하고 신속한 개폐를 위하여 모터 구동 밸브가 사용되어진다.

이러한 모터 구동 밸브에서는 리키지(leakage)의 유무와 윤활상태의 점검 등 안전성 평가를 위하여 밸브 스템에 작용하는 힘을 조사할 필요성이 생기게 된다. 즉, 밸브 스템에 작용하는 힘을 조사하여 밸브의 작동성을 측정하게 되는 것이다.

이와 같이 스템에 작용하는 힘을 알아보기 위하여 종래에는 스트레인 게이지등의 센서를 사용하여 직접 측정하는 방법이 이용되었으나, 이러한 방법은 주변 환경이나 작업자에 따라 게이지로 측정된 값이 변화하여 그 정확성을 신뢰하기 어려울 뿐 아니라 원거리 작업이 불가능하고 현장에서 직접 작업 하여야 하므로 방사선에의 노출 위험이 따르고, 측정기구도 1회용으로 번거롭고 비용도 많이드는 단점이 있는 것이다.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여 미국 특허 5,396,167 및 5,475,299 는 모터 파워를 이용하여 밸브의 작동성을 알아보는 방법을 제기하고 있는데, 모터 파워의 시간변화율을 이용하여 윤활 상태를 점검하도록 하는 방법이다. 그러나, 이러한 방법은 모터 파워의 시간 변화율과 마찰 계수 사이에는 그 상관관계의 민감도가 좋지 않아 정확성이 떨어지는 문제가 있는 것이다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점들을 해결하여 간편하면서도 정확하게 모터 구동 밸브의 작동성을 측정할 수 있는 방법을 제시하는 것을 그 목적으로 하고 있다.

상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 모터 구동 밸브의 작동성 측정 방법은 모터의 입력값으로부터 토크, 파워 또는 RMS등의 변수를 도출하는 단계와, 밸브 스템의 변위를 측정하는 단계와, 상기 모터의 토크 또는 그외 변수와 스템의 변위의 관계를 분석하는 단계와, 밸브 디스크가 밸브 시트에 시팅 될 때 스템 변위에 대한 모터 토크 또는 그외 변수의 미분값을 구하는 단계를 포함하며, 이에 더해 일정한 값을 가지는 밸브의 탄성계수와 상기 미분값을 이용하여 상기 밸브 스템과 스템 너트 사이의 마찰 계수를 구하고 그 값을 이용하여 스템에 작용하는 힘을 구하는 단계 또는 일정한 값을 가지는 밸브의 탄성계수와 상기 미분값을 이용하여 상기 밸브 스템과 스템 너트 사이의 윤활 상태를 측정하는 단계를 포함하여 구성된다.

이와 같은 방법으로 모터 구동 밸브의 작동성을 측정할 경우, 비교적 정확하게 측정할 수 있는 모터의 토크와 스템의 변위를 이용하여 밸브 스템에 작용하는 힘과 밸브 스템과 스템 너트 사이의 윤활 상태를 구하게 되므로, 밸브 작동성의 신뢰도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 작업이 간편하고 경제적이어서 수시로 반복 측정이 가능한 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 대상이 되는 모터 구동 밸브의 개략도

도 2는 본 발명의 증명을 위한 실험에 쓰이는 스프링 실험 장치의 개략도

도 3은 도 2의 실험 장치에 의한 실험의 결과를 나타낸 그래프

＜도면의 주요부분에 대한 부호 설명＞

1: 모터 2: 밸브 디스크

3: 피니언 5: 기어

7: 웜 9: 웜 기어

10: 밸브 11: 밸브 스템

12: 스템 나사 13: 드라이브 슬리브

15: 스템 너트 17: 제어 수단

19: 밸브 시트 20: 스프링 실험 장치

21, 23: 스프링 25: 실험 장치 스템

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 대상이 되는 모터 구동 밸브의 개략도를 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이 상기 모터 구동 밸브는 모터(1)와 구동부 및 밸브(10)로 구성되어진다.

상기 밸브(10)는 스템(11)과 상기 스템(11)의 하부에 형성된 밸브 디스크(2)와 상기 밸브 디스크(2)의 아래에 배치된 밸브 시트(19)를 포함하여 이루어진다.

상기 구동부는 동력을 전달하는 부분으로서, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 모터(1)의 동력을 전달하는 피니언(3) 및 기어(5)와, 상기 기어(5)와 함께 회전하여 동력의 방향을 변경해 주기 위한 웜(7) 및 웜기어(9)와, 상기 웜기어(9)에 의해 회전하는 드라이브 슬리브(13)와, 상기 드라이브 슬리브(13)에 고정되어 함께 회전하여 상기 스템(11)에 쓰러스트를 생성하는 스템 너트(15)와, 상기 스템(11)의 상부에 형성되고, 상기 스템 너트(15)와 결합하여 스템(11)을 승강시키는 스템 나사(12)와, 밸브의 개폐 완료시 모터의 구동을 멈추도록 작동하는 제어 수단(17)으로 구성된다. 여기에서 상기 피니언(3)과 기어(5)로는 보통 헬리컬 기어가 사용된다.

또한, 상기 모터 구동 밸브의 열림과 닫힘 즉, ON/OFF를 제어하기 위하여 두개의 스위치, 즉 리미트 스위치(도시되지 않음)와 토크 스위치(도시되지 않음)가 설치되는데, 상기 리미트 스위치는 일반적으로 밸브(10)를 열때 스템의 위치를 기준으로 작동되며, 상기 토크 스위치는 밸브(10)를 닫을 때 밸브 시트(19)에 무리한 힘이 가해지지 않도록 하기 위하여 스템(11)에 작용하는 힘을 기준으로 작동하게 된다.

상기한 바와 같이 구성된 모터 구동 밸브에서 동력원인 모터(1)가 회전하게 되면 모터(1)의 토크가 상기 피니언(3)과 기어(5)를 거쳐 상기 웜(7)에 전달되게 된다. 즉, 웜(7)의 회전이 웜 기어(9)로 전달되어 웜 기어(9)의 블럭이 상기 드라이브 슬리브(13)의 블럭과 마주치게 되면(이것을 해머 블로우 효과(hammer blow effect)라고 한다) 드라이브 슬리브(13)가 그것에 고정된 스템 너트(15)와 같이 회전하게 되어 스템(11)을 움직이게 된다. 그리고, 밸브(10)가 완전히 닫히게 되면 웜 기어(9)가 정지하게 되는데, 웜 기어(9)가 정지하면 이에 대한 반작용으로 웜(7)이 웜축을 따라 이동하여 스프링 팩(17)을 압축시키게 되고, 스프링(17)이 어느 정도 이상 압축되면 모터(1)의 구동을 정지시키게 된다.

본 발명은 상기한 바와 같이 구성되고 작동하는 모터 구동 밸브에서 윤활상태나 밸브 스템에 작용하는 힘 등 그 작동성을 측정하는 방법으로서, 상기 모터(1)에 작용하는 토크를 측정하거나 그외 모터 파워나 RMS값등의 변수를 구하는 단계와, 상기 밸브 스템(11)의 변위를 측정하는 단계와, 상기 모터(1)의 토크 또는 그외 변수와 스템(11)의 변위의 관계를 분석하는 단계와, 상기 밸브(10)가 상기 밸브 시트(19)에 시팅 될 때 스템 변위(11)에 대한 모터(1) 토크 또는 그외 변수의 미분값을 구하는 단계를 포함하며, 이에 더해 일정한 값을 가지는 밸브(10)의 탄성계수와 상기 미분값을 이용하여 상기 밸브 스템(11)과 스템 너트(15) 사이의 마찰 계수를 구하여 스템에 작용하는 힘을 구하는 단계 또는 일정한 값을 가지는 밸브(10)의 탄성계수와 상기 미분값을 이용하여 상기 밸브 스템(11)과 스템 너트(15) 사이의 윤활 상태를 더 포함하여 구성된다

상기한 모터(1)의 토크나 밸브 스템(11)의 변위를 측정하기 위해서는 일반적으로 센서를 사용하여 측정할 수 있으나 더욱 정확하고 간편한 방법으로서 바람직하게는 본 발명자가 발명한 미국 특허 5,594,175 에 제시된 방법을 이용하여 구할 수가 있다. 즉, 모터 구동 밸브에서 모터의 토크는 모터(1)에 작용하는 전압과 전류를 측정하여 구하게 되고, 밸브 스템(11)의 변위는 기어의 진동을 이용하여 회전수를 측정하고 그 회전수를 가지고 이동 거리를 구하게 되는 것이다.

또한, 모터의 토크 이외에 모터 파워나 RMS등의 변수를 구할 때에도 모터의 토크와 같이 전류 및 전압을 측정하여 도출할 수 있다.

이와 같이 시간(t)의 함수로 측정된 모터(1)의 토크(T_motot)와 스템(11)의 변위(x)는 시간(t)항을 소거하여 그 관계를 도출할 수 있다. 이러한 모터 토크(T_motor)와 스템 변위(x)의 관계에서 밸브(10)의 시팅이 일어나는 동안, 즉 시팅 구간에서 모터 토크(T_motor)가 현저하게 증가하는 양상을 보이는데, 이 부분에서 모터 토크(T_motor)와 스템 변위(x) 사이의 관계식을 스템 변위(x)에 대하여 미분하면 그 기울기를 구할 수 있다. 또한, 스템 힘(F_stem)의 스템 변위(x)에 대한 미분값 즉, 밸브의 탄성계수(k)는 일정하다고 가정할 수 있는데, 특히 시팅 구간의 탄성계수(k_G)를 상기 모터 토크(T_motor)의 스템 변위(x)에 대한 미분값으로 나누어주면 스템 힘(F_stem)과 모터 토크(T_motor) 사이의 관계 계수(α)를 구할 수 있고, 따라서 모터 토크(T_motor)로 부터 스템 힘(F_stem)을 예측할 수 있는 것이다.

이하에서는 상기한 바의 과정에 의하여 모터 토크(T_motor)와 스템 변위(x)로 부터 스템 힘(F_stem)의 예측함이 타당한 이유를 자세히 설명한다.

모터 구동 밸브에서 기구학적인 관계상 스템(11)에 작용하는 힘(F_stem)과 모터(1)의 토크(T_motor)는 다음 식의 관계를 가진다.

( F_stem: 스템 힘, μ_stem: 스템과 스템 너트 사이의 마찰계수,

β: 스템의 나선각, 0.21 : 웜의 접선방향 힘과 축방향 힘의 비 (가정)

r_pinion: 피니언 반경, r_gear: 기어 반경

r_worm: 웜 반경, r_wormgear: 웜 기어 반경

r_stem: 스템 반경, T_motor: 모터 토크 )

식 (1)의 스템 힘(F_stem)과 모터 토크(T_motor)는 다음과 같이 간단한 수식으로 나타낼 수 있다.

상기 식 (2)를 스템 변위(x)에 대하여 미분하면,

상기 식(4)에서 스템 변위(x)와 모터 토크(T_motor)는 구할 수 있는 값이다.

따라서, dF_stem/dx가 일정한 값을 가져 상수로 놓을 수 있으므로 α를 구할 수 있게 되고, 그로 인해 마찰계수도 구할 수 있으므로 모터 토크(T_motor)로부터 스템 힘(F_stem)을 예측할 수 있게 된다. 특히 시팅 구간에서의 탄성계수를 k_G라고 표기한다면 다음 식 (5)와 같이 나타 낼 수 있다.

이와 같은 이유로 시팅 구간에서의 스템 힘(F_stem)의 스템 변위(x)에 대한 미분값(k_G)을 상기 모터 토크(T_motor)의 스템 변위(x)에 대한 미분값으로 나누어주면 스템 힘(F_stem)과 모터 토크(T_motor) 사이의 관계 계수(α)를 구할 수 있고, 따라서 모터 토크(T_motor)로부터 스템 힘(F_stem)을 예측할 수 있게 되는 것이다.

이하에서는 이러한 방법에 의한 작동성 측정 방법이 타당함을 실험의 결과를 통하여 증명하고자 한다.

다양한 밸브 시스템에 대한 실험을 위하여 도 2 와 같은 스프링 실험 장치(20)를 고안, 제작하였다. 도 2는 상기한 스프링 실험 장치(20)의 개략도로서 이 장치는 도시된 바와 같이 내부에 스프링(21, 23)을 구비하고, 밸브 스템과 같은 역할을 하는 스템(25)이 설치되어 있다. 상기 스프링(21, 23)은 그 탄성계수를 달리하여 실험할 수 있어, 다양한 탄성계수를 가지는 밸브 시스템을 대상으로 실험한 효과를 기대할 수 있는 것이다.

도 3은 상기 스프링 실험장치를 이용하여 A,B,C의 각각 다른 탄성계수에 대하여 모터 토크의 변위에 대한 변화율과 마찰 계수와의 관계를 측정한 결과를 나타낸 것이다.

일반적으로, 스템 힘(F_stem)의 시간변화율과 마찰계수의 관계, 또는 스템 힘(F_stem)과 마찰계수의 관계를 보면 스템 힘(F_stem)이 커질수록 마찰계수가 커지는 경향을 보이지만 이러한 경향은 항상 일정하게 나타나지 않고, 지금까지 발표된 많은 연구 결과들을 보아도 스템 힘(F_stem)의 크기와 변화율에 따라서 어떠한 경우는 마찰계수가 증가하고 어떠한 경우는 감소하여 그 변화 경향을 예측하기가 어렵다.

그러나, 도 3에 도시된 본 실험의 결과에서 알 수 있듯이 모터 토크(T_motor)의스템 변위(x)에 대한 변화율과 마찰계수의 관계를 보면, 스템 힘(F_stem)이나 스템 힘(F_stem)의 시간변화율에 따른 마찰계수의 관계와는 달리 확연한 상관 관계를 나타내고 있음을 알 수 있다.

즉, 상기와 같은 실험의 결과를 통하여 일정한 탄성계수를 갖는 밸브 시스템에서 탄성계수(k_G)를 상기 모터 토크(T_motor)의 스템 변위(x)에 대한 미분값으로 나누어주어 스템 힘(F_stem)과 모터 토크(T_motor) 사이의 관계 계수(α)를 구할 수 있고, 따라서 모터 토크(T_motor)로부터 스템 힘(F_stem)을 예측함이 타당한 것을 알 수 있다.

또한, 실제로 스템 힘(F_stem)과 모터 토크(T_motor)를 측정하여 비교해본 결과, 스템 힘(F_stem)과 어떠한 상수(α)를 곱한 모터 토크(T_motor)의 값이 매우 유사함을 알 수 있는데, 이것은 상기한 바와 같이 모터 토크(T_motor)로부터 스템 힘(F_stem)을 예측하는 것이 타당함을 확인하게 해주는 것이다.

한편, 상기한 바와 같이 모터 토크(T_motor)로부터 스템 힘(F_stem)을 예측함에 있어서, 밸브 시스템의 정확한 탄성계수를 알수 있는 경우에는 스템 힘(F_stem)을 구할 수가 있는데, 정확한 탄성계수를 알 수 없는 경우에는 모터 토크(T_motor)의 스템 변위(x)에 대한 변화율과 마찰계수 사이의 관계로써 모터 구동 밸브의 윤활상태의 변화양상을 알 수 있는 것이다. 또한 이와 같이 모터 구동 밸브의 윤활상태의 변화양상 만을 측정할 때에는 모터에 입력되는 전류와 전압을 사용하여 도출할 수 있는 모터 파워나 실효값(RMS value)을 이용하여 구할 수도 있다.

이와 같이 모터 토크(T_motor)와 스템의 변위(x)로 부터 스템 힘(F_stem)을 구하는 본 발명의 모터 구동 밸브의 작동성 측정 방법은 측정 방법도 간편할 뿐 아니라 그 측정된 작동성의 신뢰도를 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명의 모터 구동 밸브의 작동성 측정에 따르면 밸브 스템에 작용하는 힘을 비교적 정확하게 구할 수가 있어 밸브 작동성 측정의 신뢰도를 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 모터 구동 밸브의 윤활 상태를 정확하게 점검할 수 있다.

또한 센서를 이용하여 직접 측정하지 않아도 되므로 간편하고 경제적일 뿐만 아니라 수시로 반복 측정이 가능하다는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (9)

1. 밸브 스템과 밸브 디스크와 밸브 시트를 포함하는 밸브와; 상기 밸브를 개폐하는 모터 작동부와; 모터의 구동 및 정지를 위한 제어수단을 포함하여 구성되는 모터 구동 밸브에서,

   상기 모터에 작용하는 토크를 측정하는 단계와;

   상기 밸브 스템의 변위를 측정하는 단계와;

   상기 모터의 토크와 스템의 변위의 관계를 분석하는 단계와;

   상기 밸브 디스크가 상기 밸브 시트에 시팅될 때, 스템 변위에 대한 모터 토크의 미분값을 구하는 단계와;

   일정한 값을 가지는 상기 밸브의 탄성계수와 상기 미분값을 사용하여 상기 밸브 스템과 스템 너트 사이의 마찰 계수를 구하여 스템에 작용하는 힘을 구하는 단계를 포함하는 모터 구동 밸브의 작동성 측정 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 모터에 작용하는 토크는 전류와 전압을 측정하여 구함을 특징으로 하는 모터 구동 밸브의 작동성 측정 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 스템의 변위는 기어의 진동을 이용하여 회전수를 구하고, 상기 회전수를 이용하여 이동거리를 측정함으로써 구하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 밸브의 작동성 측정 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 스템의 마찰 계수는 시팅 구간에서의 스템 힘의 스템 변위에 대한 미분값을 상기 모터 토크의 스템 변위에 대한 미분값으로 나눈 값을 사용하여 구함을 특징으로 하는 모터 구동 밸브의 작동성 측정 방법.
5. 밸브 스템과 밸브 디스크와 밸브 시트를 포함하는 밸브와; 상기 밸브를 개폐하는 모터 작동부와; 모터의 구동정지를 위한 제어 스위치를 포함하여 구성되는 모터 구동 밸브에서,

   상기 모터의 입력값으로부터 변수를 도출하는 단계와;

   상기 밸브 스템의 변위를 측정하는 단계와;

   상기 도출된 변수와 스템의 변위의 관계를 분석하는 단계와;

   상기 밸브 디스크가 상기 밸브 시트에 시팅될 때, 스템 변위에 대한 상기 도출된 변수의 미분값을 구하는 단계와;

   일정한 값을 가지는 상기 밸브의 탄성계수와 상기 미분값을 사용하여 상기 밸브 스템과 스템 너트 사이의 윤활 상태를 측정하는 단계를 포함하는 모터 구동 밸브의 작동성 측정 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 변수는 상기 모터에 입력되는 전류와 전압으로부터 도출되는 모터의 토크로 함을 특징으로 하는 모터 구동 밸브의 작동성 측정 방법.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 변수는 상기 모터에 입력되는 전류와 전압으로부터 도출되는 모터의 파워로 함을 특징으로 하는 모터 구동 밸브의 작동성 측정 방법.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 변수는 상기 모터에 입력되는 전류로부터 도출되는 실효값(RMS value)으로 함을 특징으로 하는 모터 구동 밸브의 작동성 측정 방법.
9. 제 5 항에 있어서, 상기 스템의 변위는 기어의 진동을 이용하여 회전수를 구하고, 상기 회전수를 이용하여 이동거리를 측정함으로써 구하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 밸브의 작동성 측정 방법.