電動閥智能診斷研究

摘要：通過分析電動閥結構和動作原理，對電動閥典型故障模式和故障特征進行了研究，并利用模式識別技術對故障類型進行智能辨識，分析實時故障，給出辨識結果，進一步表征閥門的故障狀態(tài)，為電動閥故障診斷和故障趨勢分析奠定了技術基礎。

關鍵詞：電動閥；故障診斷；智能辨識

中圖分類號：TP15" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）22-0062-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.22.016

0" 引言

電動閥狀態(tài)監(jiān)測的目的是判斷設備運行的狀態(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備在運行過程中隱含的故障，并評估設備的當前性能狀態(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、結構及運行原理

電動閥門通過電動執(zhí)行機構來驅動閥門從而實現(xiàn)閥門的開關動作，電動閥門主要由驅動電機、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動電機產(chǎn)生旋轉作用力，依靠閥體內的閥桿螺母傳動，將旋轉動作轉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" 電動閘閥關行程動作流程

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

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，蝸桿立即轉動并減小其對蝸輪、驅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。

待蝸輪撞擊驅動套筒錘擊耳，驅動套筒開始轉動，進一步帶動閥桿螺母。當閥桿螺母轉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、不足；

2）力矩開關損壞；

3）關力矩開關定值下漂；

4）關力矩開關定值上漂；

5）開力矩開關定值下漂；

6）開力矩開關定值上漂；

7）開限位開關動作值下漂；

8）開限位開關動作值上漂；

9）關限位開關動作值下漂；

10）關限位開關動作值上漂；

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、不足

潤滑油老化、變質、不足故障模式會造成機械傳動機構潤滑不良，磨損加劇，有可能導致傳動機構打滑或失效，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）開關時間延長；

3）閥桿推力變大。

2.2" 力矩開關損壞

對于力矩控制停止的電動頭，當力矩開關損壞時觸點閉合，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）全關或全開時電流、功率、推力非常大且持續(xù)；

2）力矩開關不動作或復位。

2.3" 關力矩開關定值下漂

關閥過程中摩擦力稍大時，關力矩動作，閥門關不到位；閥門落座力小，閥關不嚴，導致內漏。

故障模式特征參數(shù)：

1）關力矩開關動作電流和有功功率變?。?/p>

2）落座力變?。?/p>

3）關閥時間變短。

2.4" 關力矩開關定值上漂

落座力過大，損壞密封面，極易導致內漏；損壞閥桿及電動頭。

故障模式特征參數(shù)：

1）關力矩開關動作電流和有功功率變大；

2）落座力變大；

3）關閥時間變長。

2.5" 開力矩開關定值下漂

開閥過程中開力矩開關極易動作，動作后無法打開閥門。

故障模式特征參數(shù)：

1）開力矩開關動作電流和有功功率變?。?/p>

2）開力矩開關動作時閥桿受到的拉力變??；

3）開閥時間變短。

2.6" 開力矩開關定值上漂

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）開力矩開關動作電流和有功功率變大；

2）開力矩開關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?。?/p>

2）開關時間縮短。

2.8" 開限位開關動作值上漂

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）開關時間延長。

2.9" 關限位開關動作值下漂

對于關限位控制的閥門，導致關閥不到位。

故障模式特征參數(shù)：

1）閥門行程變??；

2）開關時間縮短。

2.10" 關限位開關動作值上漂

對于關行程控制的閥門，極易造成關行程失效，關閥僅受關力矩開關控制。

故障模式特征參數(shù)：

1）閥門行程變大；

2）開關時間延長。

2.11" 閥桿清潔度低

開關不順暢，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??；

2）摩擦力變小。

3" 電動閥智能診斷

3.1" 關鍵參數(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束的點，一般可以獲取6個特殊點：

1）C0關閥電機啟動點：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關閥電流峰值：從C0到C15區(qū)間內，獲取真實電流的最大值，作為關閥電流峰值。

3）C15關閥電機電流停止點：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，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：關閥電機轉動后，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)域內結束點為C3B。

4）C4關行程摩擦力開始點：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關行程摩擦力結束點：C3B之后，閥門運行過程中，推力穩(wěn)定，取該區(qū)域結束穩(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應標記在關閥結束后，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、限位開關反饋

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

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

2）C7關行程旁路開關斷開：旁路開關變化或關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：閥門關閉至設定位置時（約5%開度）熄滅，取該點為C8。

4）C9開行程旁路開關閉合：旁路開關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開行程旁路開關斷開：開行程信號復位點作為O12。

7）O15閥關指示燈熄滅：閥關信號復位作為O15。

8）O16開限位開關斷開：開限位開關的復位點作為O16。

3.2" 邏輯診斷公式

特殊點分析結束后，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）關閥電機運行時間：計算標記點C15與C0的時間差。

3）關閥啟動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果，如圖6所示。

4" 結束語

本文在分析電動閥結構和動作原理的基礎上，研究了電動閥故障特征和特征量提取方法，總結了電動閥故障特征量提取技術和智能診斷技術，為電動閥故障診斷和故障趨勢分析奠定了技術基礎。

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收稿日期：2024-06-26

作者簡介：李開賓（1992—），男，海南萬寧人，電氣可靠性工程師，研究方向：電動閥執(zhí)行機構故障診斷。