電動閥智能診斷研究

0引言

電動閥狀態(tài)監(jiān)測的目的是判斷設(shè)備運行的狀態(tài)是否正常,但監(jiān)測系統(tǒng)的診斷功能十分有限,只能對設(shè)備性能正常與否作出判斷,只可以為進一步的故障診斷提供必要的數(shù)據(jù)和信息^[1]。電動閥故障診斷的目的是判斷設(shè)備在運行過程中隱含的故障,并評估設(shè)備的當前性能狀態(tài),跟蹤其劣化趨勢并作出預報。一般情況下,故障診斷不要求設(shè)備連續(xù)運行,診斷通常是在離線狀態(tài)下進行的。

1電動閥概況、結(jié)構(gòu)及運行原理

電動閥門通過電動執(zhí)行機構(gòu)來驅(qū)動閥門從而實現(xiàn)閥門的開關(guān)動作,電動閥門主要由驅(qū)動電機、傳動部件及閥體等組成。電動閘閥由于尺寸相對較小,制造工藝要求和設(shè)備造價相對較低,在核電站大口徑管道中使用較為普遍^[2] 。本文以常見的電動閘閥為例,對電動閥門故障特征和檢測方法進行研究。

如圖1所示,典型電動閘閥主要由頂部驅(qū)動電機產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)作用力,依靠閥體內(nèi)的閥桿螺母傳動,將旋轉(zhuǎn)動作轉(zhuǎn)換為閥桿的上下直線運動。電動閘閥使用一個閘門似的閥瓣或閘板去隔斷流體,閥桿帶動閘板上下移動,使閘板離開或嵌入閥座,從而實現(xiàn)對流體通道的開啟和閘斷。

1.1電動閘閥關(guān)行程動作流程

電動閘閥關(guān)閉時閥桿推力曲線如圖2所示,當閥門關(guān)閉信號發(fā)出時,電機啟動,蝸桿開始轉(zhuǎn)動,少量減輕了閥桿受力,直到錘擊效應后閥桿螺母轉(zhuǎn)動并釋放閥桿張力。

閥桿螺母通過螺紋間隙期間,閥桿受力為0。一旦走完螺紋間隙,閥桿螺母就開始向下推動閥桿。閥桿透過T型槽閥瓣并穿過盤根,最后將閥瓣楔入閥座中。

楔形閥瓣導致閥桿壓縮迅速增加,這也導致扭矩開關(guān)打開并使電機跳閘,隨著慣性推力將產(chǎn)生最大推力,然后稍微下降到最終推力值。

1.2電動閘閥開行程動作流程

電動閘閥開啟時閥桿推力曲線如圖3所示,當閥門開啟信號發(fā)出時,電機啟動,蝸桿立即轉(zhuǎn)動并減小其對蝸輪、驅(qū)動套筒和閥桿螺母施加的扭矩。由于閥桿和閥桿螺母的摩擦力(閥桿自鎖),大部分的閥桿受力仍被保留。

待蝸輪撞擊驅(qū)動套筒錘擊耳,驅(qū)動套筒開始轉(zhuǎn)動,進一步帶動閥桿螺母。當閥桿螺母轉(zhuǎn)動到閥桿的螺紋間隙時,閥桿上所有的壓縮力都將被釋放。

閥桿不會立即拉動閥瓣,須先經(jīng)過T型塊的間隙。一旦過了這個間隙,閥桿就開始被向上拉,導致閥桿張力迅速增加,當施加足夠的力時,閥瓣會被拉離閥座。

當閥門開啟至指定限位時,開行程控制開關(guān)跳閘,電機停止。

2電動閥典型故障模式特征分析

電動閥運行過程中故障多樣,有時甚至互相交錯或疊加^[3—5],根據(jù)電動閥門故障失效形式分類,電動閥主要故障模式分為如下13種:

1)潤滑油老化、變質(zhì)、不足;

2)力矩開關(guān)損壞;

3)關(guān)力矩開關(guān)定值下漂;

4)關(guān)力矩開關(guān)定值上漂;

5)開力矩開關(guān)定值下漂;

6)開力矩開關(guān)定值上漂;

7)開限位開關(guān)動作值下漂;

8)開限位開關(guān)動作值上漂;

9)關(guān)限位開關(guān)動作值下漂;

10)關(guān)限位開關(guān)動作值上漂;

11)閥桿清潔度低;

12)盤根填料函壓蓋螺絲力矩大;

13)盤根填料函壓蓋螺絲力矩小。

2.1潤滑油老化、變質(zhì)、不足

潤滑油老化、變質(zhì)、不足故障模式會造成機械傳動機構(gòu)潤滑不良,磨損加劇,有可能導致傳動機構(gòu)打滑或失效,閥門動作超時或無法動作。

故障模式特征參數(shù):

1)三相電流、有功功率變大;

2)開關(guān)時間延長;

3)閥桿推力變大。

2.2力矩開關(guān)損壞

對于力矩控制停止的電動頭,當力矩開關(guān)損壞時觸點閉合,則操作電動頭后無法停止,將導致電機燒毀,拉壞閥桿或閥桿連接器,損壞閥體密封面;當力矩損壞時觸點斷開,則無法操作電動頭。

故障模式特征參數(shù):

1)全關(guān)或全開時電流、功率、推力非常大且持續(xù);

2)力矩開關(guān)不動作或復位。

2.3關(guān)力矩開關(guān)定值下漂

關(guān)閥過程中摩擦力稍大時,關(guān)力矩動作,閥門關(guān)不到位;閥門落座力小,閥關(guān)不嚴,導致內(nèi)漏。

故障模式特征參數(shù):

1)關(guān)力矩開關(guān)動作電流和有功功率變小;

2)落座力變小;

3)關(guān)閥時間變短。

2.4關(guān)力矩開關(guān)定值上漂

落座力過大,損壞密封面,極易導致內(nèi)漏;損壞閥桿及電動頭。

故障模式特征參數(shù):

1)關(guān)力矩開關(guān)動作電流和有功功率變大;

2)落座力變大;

3)關(guān)閥時間變長。

2.5開力矩開關(guān)定值下漂

開閥過程中開力矩開關(guān)極易動作,動作后無法打開閥門。

故障模式特征參數(shù):

1)開力矩開關(guān)動作電流和有功功率變小;

2)開力矩開關(guān)動作時閥桿受到的拉力變小;

3)開閥時間變短。

2.6開力矩開關(guān)定值上漂

對于開力矩控制的電動頭,極易損壞閥桿、上密封面及電動頭。

故障模式特征參數(shù):

1)開力矩開關(guān)動作電流和有功功率變大;

2)開力矩開關(guān)動作時閥桿受到的拉力變大;

3)開閥時間變長。

2.7開限位開關(guān)動作值下漂

對于開行程控制的閥門,閥門實際開度不夠,造成節(jié)流。

故障模式特征參數(shù):

1)閥門行程變小;

2)開關(guān)時間縮短。

2.8開限位開關(guān)動作值上漂

對于開行程控制的閥門,開限位失效,閥門受力矩保護控制。

故障模式特征參數(shù):

1)閥門行程變大;

2)開關(guān)時間延長。

2.9關(guān)限位開關(guān)動作值下漂

對于關(guān)限位控制的閥門,導致關(guān)閥不到位。故障模式特征參數(shù):

1)閥門行程變小;

2)開關(guān)時間縮短。

2.10關(guān)限位開關(guān)動作值上漂

對于關(guān)行程控制的閥門,極易造成關(guān)行程失效,關(guān)閥僅受關(guān)力矩開關(guān)控制。

故障模式特征參數(shù):

1)閥門行程變大;

2)開關(guān)時間延長。

2.11閥桿清潔度低

開關(guān)不順暢,容易磨損盤根。故障模式特征參數(shù):

1)三相電流、有功功率變大;

2)摩擦力變大。

2.12盤根填料函壓蓋螺絲力矩大

閥桿摩擦力大,系統(tǒng)溫度升高時,盤根鼓脹,抱緊閥桿,容易造成開關(guān)力矩誤動。

故障模式特征參數(shù):

1)三相電流、有功功率變大;

2)摩擦力變大。

2.13盤根填料函壓蓋螺絲力矩小

閥桿摩擦力小,系統(tǒng)溫度降低時,盤根冷縮,容易造成閥桿盤根漏液。

故障模式特征參數(shù):

1)三相電流、有功功率變小;

2)摩擦力變小。

3電動閥智能診斷

3.1關(guān)鍵參數(shù)的提取

3.1.1電流

先監(jiān)測三相真實電流Ia、Ib、Ic,根據(jù)閥門的初始位置及動作方向,判斷真實電流開始變化的點和變化結(jié)束的點,一般可以獲取6個特殊點:

1)C0關(guān)閥電機啟動點:真實電流一開始持續(xù)無變化,判斷真實電流持續(xù)激增的啟始點為電機啟動點。

2)C1關(guān)閥電流峰值:從C0到C15區(qū)間內(nèi),獲取真實電流的最大值,作為關(guān)閥電流峰值。

3)C15關(guān)閥電機電流停止點:真實電流一開始持續(xù)變化中,判斷真實電流持續(xù)無變化的啟始點為電機電流停止點。

4)O0開閥電機啟動點:真實電流一開始持續(xù)無變化,判斷真實電流持續(xù)激增的啟始點為電機啟動點。

5)O1開閥電流峰值:從O0到O17區(qū)間內(nèi),獲取真實電流的最大值,作為開閥電流峰值。

6)O17開閥電機電流停止點:真實電流一開始持續(xù)變化中,判斷真實電流持續(xù)無變化的啟始點為電機電流停止點。

3.1.2推力/扭矩

需要在采集的推力/扭矩曲線上標記以下特殊點:

1)C3閥桿受力零點:關(guān)閥電機轉(zhuǎn)動后,應力變化點發(fā)生錘擊效應后,閥桿推力趨于穩(wěn)定,選擇穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)中間位置為C3。

2)C3A閥桿受力零點起始點:按照C3的取法,推力穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)開始點為C3A。

3)C3B閥桿受力零點終點:按照C3的取法,推力穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)結(jié)束點為C3B。

4)C4關(guān)行程摩擦力開始點:C3B之后,閥門運行過程中,推力穩(wěn)定,取該區(qū)域起始穩(wěn)定點作為C4。

5)C5關(guān)行程摩擦力結(jié)束點:C3B之后,閥門運行過程中,推力穩(wěn)定,取該區(qū)域結(jié)束穩(wěn)定點作為C5。

6)C10流體截斷力:閥門因管道壓力沖擊,受到額外的力。在運行過程中,推力平穩(wěn)后,出現(xiàn)力的變化處作為C10。

7)C11閥瓣閥座接觸點:閥桿不再有位移,推力陡然增加的起點作為C11。

8)C16最大推力值:閥門關(guān)閉后,扭矩值和彈簧壓縮量會在C16達到最大,一般C16應標記在關(guān)閥結(jié)束后,閥桿推力曲線凹槽上的底部位置。

9)C17最終推力值:表示閥門關(guān)閉后閥桿上最終受到的推力值,C17幾乎等于C16,若會輕微回彈則C17小于C16。應將閥門關(guān)閉后受力平穩(wěn)區(qū)間標記 為C17。

10)O2無效運動區(qū)域:電機啟動后,閥桿尚未開始移動的這段時間。O2應標記于O1和O3的中間。

11)O3錘擊效應:閥桿推力曲線上顯示為陡峭的向上斜坡起始點作為O3,三相電流有效電流略有增加,但閥桿尚未開始移動。

12)O3A受力零點起始點:推力斜坡增加后,會短暫維持一段時間,該處短暫維持的時間開始作為O3A。

13)O3B受力零點終點:推力斜坡增加后,會短暫維持一段時間,該處短暫維持的時間結(jié)束作為O3B。

14)O4閥桿受力零點:推力斜坡增加后,會短暫維持一段時間,該處短暫維持的時間中心作為O4。

15)O4A閥桿壓力完全釋放:閥桿完全釋放(O4)不久后,閥桿開始移動,推力曲線出現(xiàn)小幅度的上升。然后維持一段時間,拉動閥瓣后,出現(xiàn)一個急劇

上升的波峰。O4A標記于小幅度上升結(jié)束溫度點。

16)O5閥瓣被拉起:閥桿完全釋放(O4)不久后,閥桿開始移動,推力曲線出現(xiàn)小幅度的上升。然后維持一段時間,拉動閥瓣后,出現(xiàn)一個急劇上升的波峰。O5標記于開始急劇上升時該點。

17)O9閥瓣拔出時的最大拉力:閥桿開始動作之后不久,此時處于閥瓣拔出的最大拉力,稱為離座效應。T型槽被拉起,推力急劇上升的峰值作為O9。

18)O10閥瓣拔出后的拉力:將閥門開行程推力曲線峰值作為O10。

19)O13開行程平均摩擦力起始點:閥瓣拔出后到電機電流切斷前閥桿所受負載。在推力曲線上進行標記,將推力曲線趨于平穩(wěn)的開始點作為O13。

20)O14開行程平均摩擦力終點:閥瓣拔出后到電機電流切斷前閥桿所受負載。在推力曲線上進行標記,將靠近電流切斷前,推力曲線趨于平穩(wěn)的結(jié)束點作為O14。

21)O18最終推力值:開行程電機停止后,閥桿上所受到的推力值,將閥門開啟后受力平穩(wěn)的區(qū)間標記為O18。

22)O19閥門的倒密封:當閥門出現(xiàn)倒密封現(xiàn)象時,在閥門開行程結(jié)束后,閥桿推力曲線會出現(xiàn)一個非常陡峭的坡峰,取開始變化后的峰值推力作為O19。3.1.3力矩、限位開關(guān)反饋

通過開關(guān)回路電流或監(jiān)測控制回路中電壓升降 的形式直接反饋各種開關(guān)信號狀態(tài),然后標記以下特殊點:

1)C6閥關(guān)指示燈開啟:閥門關(guān)閉至設(shè)定位置時(約95%)開啟,取該點作為C6。

2)C7關(guān)行程旁路開關(guān)斷開:旁路開關(guān)變化或關(guān)行程線圈電流探測器電流變化,取該點為C7。

3)C8閥開指示燈熄滅:閥門關(guān)閉至設(shè)定位置時(約5%開度)熄滅,取該點為C8。

4)C9開行程旁路開關(guān)閉合:旁路開關(guān)變化或開行程線圈電流探測器電流變化,取該點為C9。

5)O11閥開指示燈開啟:閥門開行程不久后就會開啟,大約開度5%。

6)O12開行程旁路開關(guān)斷開:開行程信號復位點作為O12。

7)O15閥關(guān)指示燈熄滅:閥關(guān)信號復位作為O150

8)O16開限位開關(guān)斷開:開限位開關(guān)的復位點作為O16。

3.2邏輯診斷公式

特殊點分析結(jié)束后,需要根據(jù)標記點,計算出能反映閥門的性能參數(shù),如圖4所示。

1)開閥電機運行時間:計算標記點O17與O0的時間差。

2)關(guān)閥電機運行時間:計算標記點C15與C0的時間差。

3)關(guān)閥啟動Ia最大值:計算標記點C0到C4的真實電流Ia的最大值。

4)關(guān)閥啟動Ib最大值:計算標記點C0到C4的真實電流Ib的最大值。

5)關(guān)閥啟動Ic最大值:計算標記點C0到C4的真實電流Ic的最大值。

6)開閥啟動Ia最大值:計算標記點O0到O13的真 實電流Ia的最大值。

7)開閥啟動Ib最大值:計算標記點O0到O13的真實電流Ib的最大值。

8)開閥啟動Ic最大值:計算標記點O0到O13的真實電流Ic的最大值。

3.3故障邏輯判斷

對閥門進行特殊點標記分析和性能參數(shù)計算后,將該次測試數(shù)據(jù)與標準測試數(shù)據(jù)進行誤差對比,得到誤差對比值(圖5)并合理篩選后,對誤差值進行故障診斷;每一類故障有對應觸發(fā)時造成的故障影響和表征參數(shù),設(shè)置好每一類故障對應的故障參數(shù)及該故障參數(shù)的得分權(quán)重占比以及正常發(fā)生該故障時理論的誤差值范圍。

計算當前誤差值在該故障模式中的得分:遍歷每一類故障模式對應的故障參數(shù),先判斷當前數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)誤差值中是否包含該故障參數(shù),不包含直接得0分,不進行下面誤差值對比計算;包含則得此故障參數(shù)對應的權(quán)重分數(shù),再進行下面的誤差值對比計算;以當前誤差值和理論誤差值進行對比計

算,誤差值偏差越大,得分越低。

計算公式為:當前得分=權(quán)重得分×[100-(理論誤差值與當前誤差值的絕對差值)]/100;將每一項的故障參數(shù)的得分相加,即為當前故障模式在此次故障診斷中的得分;按得分的高低以及在總得分中的占比,輸出故障診斷的可行性分析結(jié)果,如圖6所示。

4結(jié)束語

本文在分析電動閥結(jié)構(gòu)和動作原理的基礎(chǔ)上,研究了電動閥故障特征和特征量提取方法,總結(jié)了電動閥故障特征量提取技術(shù)和智能診斷技術(shù),為電動閥故障診斷和故障趨勢分析奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

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