摘要：通過分析電動(dòng)閥結(jié)構(gòu)和動(dòng)作原理，對(duì)電動(dòng)閥典型故障模式和故障特征進(jìn)行了研究，并利用模式識(shí)別技術(shù)對(duì)故障類型進(jìn)行智能辨識(shí)，分析實(shí)時(shí)故障，給出辨識(shí)結(jié)果，進(jìn)一步表征閥門的故障狀態(tài)，為電動(dòng)閥故障診斷和故障趨勢分析奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)閥；故障診斷；智能辨識(shí)

中圖分類號(hào)：TP15" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）22-0062-06

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

0" 引言

電動(dòng)閥狀態(tài)監(jiān)測的目的是判斷設(shè)備運(yùn)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(duì)設(shè)備性能正常與否作出判斷，只可以為進(jìn)一步的故障診斷提供必要的數(shù)據(jù)和信息[1]。電動(dòng)閥故障診斷的目的是判斷設(shè)備在運(yùn)行過程中隱含的故障，并評(píng)估設(shè)備的當(dāng)前性能狀態(tài)，跟蹤其劣化趨勢并作出預(yù)報(bào)。一般情況下，故障診斷不要求設(shè)備連續(xù)運(yùn)行，診斷通常是在離線狀態(tài)下進(jìn)行的。

1" 電動(dòng)閥概況、結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理

電動(dòng)閥門通過電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)閥門從而實(shí)現(xiàn)閥門的開關(guān)動(dòng)作，電動(dòng)閥門主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)部件及閥體等組成。電動(dòng)閘閥由于尺寸相對(duì)較小，制造工藝要求和設(shè)備造價(jià)相對(duì)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(dòng)閘閥為例，對(duì)電動(dòng)閥門故障特征和檢測方法進(jìn)行研究。

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

1.1" 電動(dòng)閘閥關(guān)行程動(dòng)作流程

電動(dòng)閘閥關(guān)閉時(shí)閥桿推力曲線如圖2所示，當(dāng)閥門關(guān)閉信號(hào)發(fā)出時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)，蝸桿開始轉(zhuǎn)動(dòng)，少量減輕了閥桿受力，直到錘擊效應(yīng)后閥桿螺母轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(dǎo)致閥桿壓縮迅速增加，這也導(dǎo)致扭矩開關(guān)打開并使電機(jī)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(dòng)閘閥開行程動(dòng)作流程

電動(dòng)閘閥開啟時(shí)閥桿推力曲線如圖3所示，當(dāng)閥門開啟信號(hào)發(fā)出時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)，蝸桿立即轉(zhuǎn)動(dòng)并減小其對(duì)蝸輪、驅(qū)動(dòng)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(dòng)套筒錘擊耳，驅(qū)動(dòng)套筒開始轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)一步帶動(dòng)閥桿螺母。當(dāng)閥桿螺母轉(zhuǎn)動(dòng)到閥桿的螺紋間隙時(shí)，閥桿上所有的壓縮力都將被釋放。

閥桿不會(huì)立即拉動(dòng)閥瓣，須先經(jīng)過T型塊的間隙。一旦過了這個(gè)間隙，閥桿就開始被向上拉，導(dǎo)致閥桿張力迅速增加，當(dāng)施加足夠的力時(shí)，閥瓣會(huì)被拉離閥座。

當(dāng)閥門開啟至指定限位時(shí)，開行程控制開關(guān)跳閘，電機(jī)停止。

2" 電動(dòng)閥典型故障模式特征分析

電動(dòng)閥運(yùn)行過程中故障多樣，有時(shí)甚至互相交錯(cuò)或疊加[3-5]，根據(jù)電動(dòng)閥門故障失效形式分類，電動(dòng)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(dòng)作值下漂；

8）開限位開關(guān)動(dòng)作值上漂；

9）關(guān)限位開關(guān)動(dòng)作值下漂；

10）關(guān)限位開關(guān)動(dòng)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(huì)造成機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)潤滑不良，磨損加劇，有可能導(dǎo)致傳動(dòng)機(jī)構(gòu)打滑或失效，閥門動(dòng)作超時(shí)或無法動(dòng)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(shí)間延長；

3）閥桿推力變大。

2.2" 力矩開關(guān)損壞

對(duì)于力矩控制停止的電動(dòng)頭，當(dāng)力矩開關(guān)損壞時(shí)觸點(diǎn)閉合，則操作電動(dòng)頭后無法停止，將導(dǎo)致電機(jī)燒毀，拉壞閥桿或閥桿連接器，損壞閥體密封面；當(dāng)力矩?fù)p壞時(shí)觸點(diǎn)斷開，則無法操作電動(dòng)頭。

故障模式特征參數(shù)：

1）全關(guān)或全開時(shí)電流、功率、推力非常大且持續(xù)；

2）力矩開關(guān)不動(dòng)作或復(fù)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(shí)，關(guān)力矩動(dòng)作，閥門關(guān)不到位；閥門落座力小，閥關(guān)不嚴(yán)，導(dǎo)致內(nèi)漏。

故障模式特征參數(shù)：

1）關(guān)力矩開關(guān)動(dòng)作電流和有功功率變小；

2）落座力變小；

3）關(guān)閥時(shí)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(dǎo)致內(nèi)漏；損壞閥桿及電動(dòng)頭。

故障模式特征參數(shù)：

1）關(guān)力矩開關(guān)動(dòng)作電流和有功功率變大；

2）落座力變大；

3）關(guān)閥時(shí)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(dòng)作，動(dòng)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(dòng)作電流和有功功率變小；

2）開力矩開關(guān)動(dòng)作時(shí)閥桿受到的拉力變??；

3）開閥時(shí)間變短。

2.6" 開力矩開關(guān)定值上漂

對(duì)于開力矩控制的電動(dòng)頭，極易損壞閥桿、上密封面及電動(dòng)頭。

故障模式特征參數(shù)：

1）開力矩開關(guān)動(dòng)作電流和有功功率變大；

2）開力矩開關(guān)動(dòng)作時(shí)閥桿受到的拉力變大；

3）開閥時(shí)間變長。

2.7" 開限位開關(guān)動(dòng)作值下漂

對(duì)于開行程控制的閥門，閥門實(shí)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(shí)間縮短。

2.8" 開限位開關(guān)動(dòng)作值上漂

對(duì)于開行程控制的閥門，開限位失效，閥門受力矩保護(hù)控制。

故障模式特征參數(shù)：

1）閥門行程變大；

2）開關(guān)時(shí)間延長。

2.9" 關(guān)限位開關(guān)動(dòng)作值下漂

對(duì)于關(guān)限位控制的閥門，導(dǎo)致關(guān)閥不到位。

故障模式特征參數(shù)：

1）閥門行程變?。?/p>

2）開關(guān)時(shí)間縮短。

2.10" 關(guān)限位開關(guān)動(dòng)作值上漂

對(duì)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(shí)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(shí)，盤根鼓脹，抱緊閥桿，容易造成開關(guān)力矩誤動(dòng)。

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(shí)，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?。?/p>

2）摩擦力變小。

3" 電動(dòng)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(shí)電流Ia、Ib、Ic，根據(jù)閥門的初始位置及動(dòng)作方向，判斷真實(shí)電流開始變化的點(diǎn)和變化結(jié)束的點(diǎn)，一般可以獲取6個(gè)特殊點(diǎn)：

1）C0關(guān)閥電機(jī)啟動(dòng)點(diǎn)：真實(shí)電流一開始持續(xù)無變化，判斷真實(shí)電流持續(xù)激增的啟始點(diǎn)為電機(jī)啟動(dòng)點(diǎn)。

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

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

4）O0開閥電機(jī)啟動(dòng)點(diǎn)：真實(shí)電流一開始持續(xù)無變化，判斷真實(shí)電流持續(xù)激增的啟始點(diǎn)為電機(jī)啟動(dòng)點(diǎn)。

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

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

3.1.2" 推力/扭矩

需要在采集的推力/扭矩曲線上標(biāo)記以下特殊點(diǎn)：

1）C3閥桿受力零點(diǎn)：關(guān)閥電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后，應(yīng)力變化點(diǎn)發(fā)生錘擊效應(yīng)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(diǎn)起始點(diǎn)：按照C3的取法，推力穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)開始點(diǎn)為C3A。

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

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

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

6）C10流體截?cái)嗔Γ洪y門因管道壓力沖擊，受到額外的力。在運(yùn)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(diǎn)：閥桿不再有位移，推力陡然增加的起點(diǎn)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(huì)在C16達(dá)到最大，一般C16應(yīng)標(biāo)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(huì)輕微回彈則C17小于C16。應(yīng)將閥門關(guān)閉后受力平穩(wěn)區(qū)間標(biāo)記為C17。

10）O2無效運(yùn)動(dòng)區(qū)域：電機(jī)啟動(dòng)后，閥桿尚未開始移動(dòng)的這段時(shí)間。O2應(yīng)標(biāo)記于O1和O3的中間。

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

12）O3A受力零點(diǎn)起始點(diǎn)：推力斜坡增加后，會(huì)短暫維持一段時(shí)間，該處短暫維持的時(shí)間開始作為O3A。

13）O3B受力零點(diǎn)終點(diǎn)：推力斜坡增加后，會(huì)短暫維持一段時(shí)間，該處短暫維持的時(shí)間結(jié)束作為O3B。

14）O4閥桿受力零點(diǎn)：推力斜坡增加后，會(huì)短暫維持一段時(shí)間，該處短暫維持的時(shí)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(dòng)，推力曲線出現(xiàn)小幅度的上升。然后維持一段時(shí)間，拉動(dòng)閥瓣后，出現(xiàn)一個(gè)急劇上升的波峰。O4A標(biāo)記于小幅度上升結(jié)束溫度點(diǎn)。

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

17）O9閥瓣拔出時(shí)的最大拉力：閥桿開始動(dòng)作之后不久，此時(shí)處于閥瓣拔出的最大拉力，稱為離座效應(yīng)。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(diǎn)：閥瓣拔出后到電機(jī)電流切斷前閥桿所受負(fù)載。在推力曲線上進(jìn)行標(biāo)記，將推力曲線趨于平穩(wěn)的開始點(diǎn)作為O13。

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

21）O18最終推力值：開行程電機(jī)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(biāo)記為O18。

22）O19閥門的倒密封：當(dāng)閥門出現(xiàn)倒密封現(xiàn)象時(shí)，在閥門開行程結(jié)束后，閥桿推力曲線會(huì)出現(xiàn)一個(gè)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(hào)狀態(tài)，然后標(biāo)記以下特殊點(diǎn)：

1）C6閥關(guān)指示燈開啟：閥門關(guān)閉至設(shè)定位置時(shí)（約95%）開啟，取該點(diǎn)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(diǎn)為C7。

3）C8閥開指示燈熄滅：閥門關(guān)閉至設(shè)定位置時(shí)（約5%開度）熄滅，取該點(diǎn)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(diǎn)為C9。

5）O11閥開指示燈開啟：閥門開行程不久后就會(huì)開啟，大約開度5%。

6）O12開行程旁路開關(guān)斷開：開行程信號(hào)復(fù)位點(diǎn)作為O12。

7）O15閥關(guān)指示燈熄滅：閥關(guān)信號(hào)復(fù)位作為O15。

8）O16開限位開關(guān)斷開：開限位開關(guān)的復(fù)位點(diǎn)作為O16。

3.2" 邏輯診斷公式

特殊點(diǎn)分析結(jié)束后，需要根據(jù)標(biāo)記點(diǎn)，計(jì)算出能反映閥門的性能參數(shù)，如圖4所示。

1）開閥電機(jī)運(yùn)行時(shí)間：計(jì)算標(biāo)記點(diǎn)O17與O0的時(shí)間差。

2）關(guān)閥電機(jī)運(yùn)行時(shí)間：計(jì)算標(biāo)記點(diǎn)C15與C0的時(shí)間差。

3）關(guān)閥啟動(dòng)Ia最大值：計(jì)算標(biāo)記點(diǎn)C0到C4的真實(shí)電流Ia的最大值。

4）關(guān)閥啟動(dòng)Ib最大值：計(jì)算標(biāo)記點(diǎn)C0到C4的真實(shí)電流Ib的最大值。

5）關(guān)閥啟動(dòng)Ic最大值：計(jì)算標(biāo)記點(diǎn)C0到C4的真實(shí)電流Ic的最大值。

6）開閥啟動(dòng)Ia最大值：計(jì)算標(biāo)記點(diǎn)O0到O13的真實(shí)電流Ia的最大值。

7）開閥啟動(dòng)Ib最大值：計(jì)算標(biāo)記點(diǎn)O0到O13的真實(shí)電流Ib的最大值。

8）開閥啟動(dòng)Ic最大值：計(jì)算標(biāo)記點(diǎn)O0到O13的真實(shí)電流Ic的最大值。

3.3" 故障邏輯判斷

對(duì)閥門進(jìn)行特殊點(diǎn)標(biāo)記分析和性能參數(shù)計(jì)算后，將該次測試數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差對(duì)比，得到誤差對(duì)比值（圖5）并合理篩選后，對(duì)誤差值進(jìn)行故障診斷；每一類故障有對(duì)應(yīng)觸發(fā)時(shí)造成的故障影響和表征參數(shù)，設(shè)置好每一類故障對(duì)應(yīng)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(shí)理論的誤差值范圍。

計(jì)算當(dāng)前誤差值在該故障模式中的得分：遍歷每一類故障模式對(duì)應(yīng)的故障參數(shù)，先判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行下面誤差值對(duì)比計(jì)算；包含則得此故障參數(shù)對(duì)應(yīng)的權(quán)重分?jǐn)?shù)，再進(jìn)行下面的誤差值對(duì)比計(jì)算；以當(dāng)前誤差值和理論誤差值進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，誤差值偏差越大，得分越低。

計(jì)算公式為：當(dāng)前得分=權(quán)重得分×[100-（理論誤差值與當(dāng)前誤差值的絕對(duì)差值）]/100；將每一項(xiàng)的故障參數(shù)的得分相加，即為當(dāng)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(dòng)閥結(jié)構(gòu)和動(dòng)作原理的基礎(chǔ)上，研究了電動(dòng)閥故障特征和特征量提取方法，總結(jié)了電動(dòng)閥故障特征量提取技術(shù)和智能診斷技術(shù)，為電動(dòng)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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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(dòng)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障診斷。