JP3841739B2

JP3841739B2 - ねじ摩耗量検出装置

Info

Publication number: JP3841739B2
Application number: JP2002309679A
Authority: JP
Inventors: 正和森; 直樹谷
Original assignee: Seibu Electric and Machinery Co Ltd
Current assignee: Seibu Electric and Machinery Co Ltd
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2022-10-24
Also published as: JP2004144604A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は，例えば，流路を開閉するのに設けられた水門，扉体，ゲート，バルブ等の負荷体を上下移動させる電動バルブアクチュエータにおいて，負荷体を支持するスピンドルを上下移動させるステムナットに設けた雌ねじの摩耗量を検出するねじ摩耗量検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，水路，浄水場，発電所，河川等の流体が流れる流路には，流路を開閉して流量を制御するためのゲート，水門，バルブ等の負荷体が設けられ，該負荷体を作動するため電動バルブアクチュエータが使用されている。バルブを駆動するための電動バルブアクチュエータは，コントローラを用いて制御する中央情報システム化に向かうと共に，弁開閉の制御のうち簡単な一部の制御を行うことができるコントローラを設けたものが知られている（例えば，特許文献１参照）。
【０００３】
従来，弁駆動用アクチュエータ装置におけるねじ摩耗量検出装置として，基準ねじを設けて使用するねじとのギャップを検出し，それによって雌ねじの摩耗量を検出していた。或いは，ねじ摩耗量検出装置として，ねじの負荷トルクカーブを検出し，ねじのギヤップの増加によるトルクの変化から雌ねじの摩耗量を計算して求めていた。該雌ねじ摩耗量検出装置は，ハウジングに回転可能に取り付けられたスリーブ，該スリーブにスプライン嵌合した雌ねじ部材，該雌ねじ部材に噛合し且つ軸方向に移動可能な雄ねじ付きスピンドル，該スピンドルの負荷がかからない状態で前記スピンドルに回転可能に取り付けられ且つ前記雌ねじ部材と一体に回転すると共に前記雌ねじ部材の摩耗量に対応する軸方向の移動に従って軸方向下向きに移動可能なモデル雌ねじ，該モデル雌ねじの外周に形成された環状溝に嵌入するベアリングを取り付け且つ前記ハウジングに固定されたガイドピンに案内されて前記モデル雌ねじの軸方向の移動に対応して軸方向にのみ移動できる移動ブロック，及び前記雌ねじ部材の雌ねじの摩耗量に対応する前記移動ブロックの移動距離を検出する差動変圧器でなる移動量センサーから構成されているものである（例えば，特許文献２参照）。
【０００４】
また，弁装置において，ステムナット摩耗量によるガタの量を検出する異常診断装置が知られている。該異常診断装置は，電動弁の閉作動時におけるハンマーブローから，ランニングトルクが発生するまでの時間を計測し，これに，電動弁が健全な状態にあるときに，予め基礎データとして計測しておいた弁棒の移動速度を乗ずることによりロッキングナット部分及びステムナットに生じるガタの量を検知する。また，ステムナットの摩耗量は，ステムナットネジ山幅の３０％以内と規定されるので，これを超えた場合は，異常と判断する。また，該異常診断装置は，ロッキングナットの緩みは，急激に進行するのに対し，ステムナット摩耗は，長い時間をかけて徐々に進行するという特徴を持っているので，データを積み重ね，傾向管理を行うことによって両者の相違を区別するものである（例えば，特許文献３参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１０７２５４号公報（第２，３頁，第６図）
【特許文献２】
実公平８−９６０３号公報（第１頁，第２図）
【特許文献３】
特開２００２−１３０５３１号公報（第７頁，図６）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，従来のように，基準ねじを用いてギャップを検出するタイプのねじ摩耗量検出装置は，基準ねじを高精度に作製しなければならないと共に，該基準ねじを組み込むため複雑な構造を必要とし，コスト高になるという問題があった。又は，ねじの負荷トルクカーブを検出し，ねじのギヤップの増加によるトルクの変化から雌ねじの摩耗量を計算するねじ摩耗量検出装置は，雌ねじの摩耗をトルク波形で分析する場合に，正常時のトルク波形との間の相違が分かり難く，高精度に雌ねじの摩耗を検出できないという問題があった。
【０００７】
また，従来のねじ摩耗量検出装置については，主駆動ねじの外にスプリングで張りを与えた副ねじを設け，主駆動ねじとの距離を検出してねじの摩耗量を検出するものであり，主駆動ねじと副ねじとの間の距離を測定するのが困難である上に，機械式では構造が複雑になり，各部材に高加工精度を要求され，また，電気式ではねじの摩耗粉が部材間にかみ込んで悪影響を受け易く，検出される精度に信頼性が持てないという問題がある。
【０００８】
また，上記の弁装置におけるステムナット摩耗量によるガタの量を検出する装置は，トルク曲線からギャップの空転量を推定して算出するものであり，即ち，出力速度は想定であり，正確なねじ摩耗量を検出できないものであり，また，トルクセンサ（歪みゲージ）は，ギヤケース内部に組み込む構成であり，簡単に組み込むことができず，現場での改造作業が困難である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は，水門，扉体，バルブ，ゲート等の負荷体を操作するスピンドルをステムナットによって上下運動可能に支持した電動バルブアクチュエータにおいて，雌ねじの摩耗量に対応するウォームの移動量を検出する位置センサとステムナットの回転を検出する回転センサとを，現場において電動バルブアクチュエータに簡単に組み込み，雌ねじの摩耗で発生するガタを直接的に高精度に検出できるねじ摩耗量検出装置を提供することである。
【００１０】
この発明は，流路を開閉するため配設されたバルブ等の負荷体が取り付けられてハウジングに上下移動可能に支持されたスピンドル，該スピンドルに設けられた雄ねじに螺合する雌ねじを備え且つ前記ハウジングに回転可能に支持されたステムナット，前記雌ねじを回転駆動して前記スピンドルを上下移動させるため，前記ステムナットに固定されたウォームホイールと前記ウォームホイールに噛み合って駆動手段からの回転が伝達されるウォームを有する伝達装置を有する電動バルブアクチュエータにおいて，前記ウォームの軸方向の移動量に従って得られたトルク曲線に基づいて前記雄ねじと前記雌ねじとの間のギャップ量を決定すると共に，決定された前記ギャップ量に対応する前記ステムナットの回転数を検出し，前記ステムナットの前記回転数に前記雌ねじのピッチを乗じる演算をして前記雌ねじの摩耗量を検出することを特徴とするねじ摩耗量検出装置に関する。
【００１１】
このねじ摩耗量検出装置では，前記トルク曲線は前記ウォームの軸方向の前記移動量を電気信号として取り出すことによって得られ，前記トルク曲線におけるトルク値の小さい領域を，前記雌ねじの摩耗で発生する前記雌ねじの空転であるとして前記雌ねじの前記ギャップ量として決定するものである。
【００１２】
また，前記ウォームの軸方向の前記移動量に従う前記電気信号は，リニヤポテンショメータ等の位置センサによって検出されるものである。前記位置センサは，例えば，前記ウォームを設けたウォーム軸の端部にロータシャフトを介して前記リニヤポテンショメータの検出端子を対向設置することによって前記ウォームに取り付けることができる。
【００１３】
また，前記ステムナットの前記回転数は，ロータリエンコーダ，ポテンショメータ等の回転センサによって検出するものである。前記回転センサは，例えば，前記ステムナットの外周に取り付けられた摺動接点に前記ポテンショメータの検出端子を摺動接させることによって前記ステムナットに取り付けることができる。
【００１４】
また，前記ウォームホイールは前記ステムナットの外周側に一体的に固定され，前記ホィールは前記ハウジングに回転可能に支持されているものである。
【００１５】
このねじ摩耗量検出装置は，上記のように構成されているので，例えば，リニヤポテンショメータ等の位置センサと，ロータリエンコーダ等の回転センサとの簡単な構造によって，アクチュエータとなるウォームの移動量に従って決定できるトルク曲線と，ステムナットの雌ねじの回転数とを同時に検出することによって，雌ねじの摩耗量を直接的に高精度に検出することができる。
【００１６】
また，このねじ摩耗量検出装置は，既存の電動バルブアクチュエータにも簡単に取り付けることができ，即ち，ウォームの端部にリニヤポテンショメータ等の位置センサを取り付けることによってウォームの移動量を検出でき，また，ステムナットにロータリエンコーダ，ポテンショメータ等の回転センサを取り付けることによってステムナットの雌ねじの回転数を検出することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下，図面を参照して，この発明による電動バルブアクチュエータにおけるねじ摩耗量検出装置の実施例を説明する。このねじ摩耗量検出装置を組み込んだ電動バルブアクチュエータは，図１に示すように，例えば，水路，浄水場等の流路に配置され，該流路での流体の流れを制御するためゲート，水門，扉体，バルブ等の負荷体であるバルブ５を備えたスピンドル１を上下駆動させるものであり，モータや手動ハンドル等の駆動装置からの回転を伝達するウォームギヤを含む伝達装置２４を通じてステムナット２の雌ねじ１１を回転駆動し，雌ねじ１１に螺合する雄ねじ１０を備えたスピンドル１を上下移動させるものである。
【００１８】
電動バルブアクチュエータは，例えば，河川，運河等の土手に基礎として築かれたスラブ上には，１本又は複数のスピンドル１の上下運動を案内する減速機等が組み込まれた伝達装置２４を有し，ハウジング３内には，図示していないが，バルブ開度計ケース，バルブコントロールケース，スイッチケース等が収容されている。また，電動バルブアクチュエータにおけるスピンドル１と噛み合う後述の雌ねじ１１の摩耗量を，電動バルブアクチュエータにおけるねじ摩耗量検出装置からの電気信号によって，水路，浄水場，水門等の現場に赴くことなく遠隔監視室で検出することができるように構成されている。
【００１９】
このねじ摩耗量検出装置が組み込まれた電動バルブアクチュエータは，ギヤケース等のハウジング３内を，下端部にゲート，バルブ等の負荷体であるバルブ５が取り付けられたスピンドル１が上下方向に往復移動可能に取り付けられている。ハウジング３は，複数のハウジング部材から成り，ステムナット２を回転可能に支持するため，フランジ部２５や支持段部２６を設けている。ハウジング３のフランジ部２５や支持段部２６には，スラスト軸受等の軸受２１が介在され，ハウジング３に軸受２１を介してステムナット本体２０が回転可能に配設されている。ステムナット本体２０の嵌合部１９には，ステムナット２がスプラインやキーによって固定されている。また，ステムナット本体２０の外周部にはウォームギヤを構成するウォームホィール８がスプライン，キー，圧入等によって固定されている。従って，電動バルブアクチュエータは，ウォームホィール８，ステムナット本体２０及びステムナット２が駆動装置から伝達装置２４を通じて回転されるウォーム９によって一体構造で回転される構造に構成されている。
【００２０】
電動バルブアクチュエータは，水路，浄水場等の流路（図示せず）に接続したハウジング３に固定された流路管１６，流路管１６の流路４を開閉するため配設されたバルブ５が取り付けられ且つハウジング３に上下移動可能に支持されたスピンドル１，スピンドル１に設けられた雄ねじ１０に螺合する雌ねじ１１を備え且つハウジング３に回転可能に支持されたステムナット２，及び雌ねじ１１を回転駆動してスピンドル１を上下移動させるためステムナット２に駆動装置であるモータ１２からの回転を伝達する伝達装置２４を有する。伝達装置２４は，ステムナット２の外周側に一体的に固定され且つハウジング３に回転可能に支持されたウォームホィール８，及びウォームホィール８に螺合し且つハウジング３に回転可能に支持されたウォーム９から構成されたウォームギヤを有する。電動バルブアクチュエータでは，上記の構成によって，ステムナット２が回転することに応じて，雌ねじ１１が回転し，雌ねじ１１の回転によって雄ねじ１０が雌ねじ１１に沿って上下移動し，スピンドル１が上下移動することになる。
【００２１】
電動バルブアクチュエータにおいて，流路管１６には，バルブ５が嵌合するバルブ嵌入部１８が形成されており，バルブ５がバルブ嵌入部１８に嵌合することによって流路４が閉鎖され，図示のように，バルブ５が上昇した位置では流路４は開放状態になる。ハウジング３には，流路４の水等の流体が伝動装置２４や雌ねじ１１へ侵入しないようにシールするため，スピンドル１が挿通するリング状のグランドパッキン１５がハウジング３の支持段部２３に配設され，グランドパッキン１５が押さえ部材２２でハウジング３に固定されている。
【００２２】
このねじ摩耗量検出装置が適用された電動バルブアクチュエータは，図１〜図３に示すように，流路４を開閉するため配設されたバルブ５が取り付けられ且つ上下移動可能にハウジング３に支持されたスピンドル１，スピンドル１に設けられた雄ねじ１０に螺合する雌ねじ１１を備え且つハウジング３に回転可能に支持されたステムナット２，及び雌ねじ１１を回転駆動してスピンドル１を上下移動させるため，ステムナット２に固定されたウォームホイール８とウォームホイール８に噛み合ってモータ１２の回転が伝達されるウォーム９とから成るウォームギヤを備えた伝達装置２４を有している。また，この電動バルブアクチュエータは，手動ハンドル３９によってスピンドル１を上下移動させることができる。その場合には，手動ハンドル３９を手動で回転させると，手動ハンドル３９に設けたハンドルボス４０が回転し，ハンドルボス４０の回転がクラッチ２７を通じてスプライン４２でスリーブ４１に回転が伝達され，スリーブ４１の回転によってステムナット２の雌ねじ１１が回転し，それによって雌ねじ１１と噛み合う雄ねじ１０を持つスピンドル１が上下移動し，スピンドル１に固定したバルブ５が流路４を開閉する。
【００２３】
この電動バルブアクチュエータは，コントローラの指令でモータ１２によって自動的にバルブ５を開閉制御したり，また，現場において手動ハンドル３９の手動による回転によって，上記の伝達系を通じて，バルブ５を手動で開閉できるものである。この電動バルブアクチュエータは，ウォーム９を設けたウォーム軸２９の一端側に歯車伝達系を通じてモータ１２が取り付けられ，ウォーム軸２９の他端側にウォーム９の移動量を検出する位置センサであるリニヤポテンショメータ６が取り付けられている。電動バルブアクチュエータは，流路４の状況，バルブ５の開閉状態等の種々の情報がコントロールユニット３０によって処理され，バルブ５を取り付けたスピンドル１のトルクはトルクスイッチ２８で検出され，バルブ５の開閉状態はリミットスイッチ３１で検出され，また，バルブ５の開度は開度計１７で表示される。
【００２４】
このねじ摩耗量検出装置は，特に，ウォーム９の軸方向の移動量に従って得られたトルク曲線に基づいて雄ねじ１０と雌ねじ１１との間のギャップ量を決定すると共に，決定されたギャップ量に対応するステムナット２の回転数を検出し，ステムナット２の回転数に雌ねじ１１のピッチを乗じる演算をして雌ねじ１１の摩耗量を検出することを特徴としている。また，ステムナット２の回転数は，ステムナット２の外周側に取り付けられたロータリエンコーダ，ポテンショメータ等の回転センサ７によって検出される。回転センサ７は，ステムナット２に固定された摺動接点１３にポテンショメータの検出端子１４を対向させることによってステムナット２に簡単に取り付けることができる。更に，ウォーム９の軸方向の移動量に従う電気信号は，図４に示されている位置センサであるリニヤポテンショメータ６によって検出される。上記のことを数式で表すと，次のとおりである。ねじ摩耗量をΔＡとし，雌ねじ１１のピッチをＰとし，雌ねじ１１の摩耗による雌ねじ１１と雄ねじ１０との間のギャップ量に対応する雌ねじ１１が固定されたステムナット２の回転数を回転角αで表すと，次式になる。
ΔＡ＝Ｐ×（α／３６０）
【００２５】
図４に示すように，位置センサであるリニヤポテンショメータ６は，ハウジング３に固定されたケース３２とケース３２に固定されたカバー３３内に収容されている。リニヤポテンショメータ６は，カバー３３とケース３２に固定されたプレート３７とによって支持され，その端部にはジョイント３４が取り付けられている。ジョイント３４に設けた軸受３６によって回転可能に支持されたロータシャフト３５は，ウォーム９のウォーム軸２９の端面に当接している。従って，ウォーム９の移動量は，負荷スライド可能に取り付けられたロータシャフト３５とジョイント３４とを介してリニヤポテンショメータ６の検出端子３８に伝達される。リニヤポテンショメータ６の検出端子３８の移動量は，電気信号として出力され，コントローラにウォーム９の移動量の情報として入力される。
【００２６】
このねじ摩耗量検出装置において，トルク曲線を図５に示す。図５において，上側のグラフはトルク曲線ＴＣであり，横軸が時間ｔの経過を示し，縦軸がトルク値Ｔを示している。また，下側のグラフはステムナット２即ち雌ねじ１１の回転数αであり，横軸が時間ｔの経過を示し，縦軸が雌ねじ１１の回転数即ち回転角αを示している。トルク曲線ＴＣは，ウォーム９の軸方向の移動量を電気信号として取り出すことによって得られる。トルク曲線ＴＣから判断すると，トルク曲線ＴＣにおけるトルク値Ｔの小さい領域Ｓは，雌ねじ１１の摩耗によって発生する雌ねじ１１の空転であるとして雌ねじ１１のギャップ量として決定する。
【００２７】
このねじ摩耗量検出装置について，詳しくは，トルク曲線ＴＣでは，モータ１２が駆動し始めてウォーム９が回転駆動するが，クラッチ２７の作動ラグ，歯車伝達系のバックラシュ等における動力伝達系のタイムラグが存在する。そこで，トルク曲線ＴＣにおけるトルク値Ｔの小さい領域Ｓは，雌ねじ１１のゆるみ始めに瞬時にトルク値Ｔが上昇する点の時間ｔ1 を検出すると共に，バルブ５即ちスピンドル１のゆるみ始めに瞬時にトルク値Ｔが上昇する点の時間ｔ２を検出し，ｔ1 とｔ2 との間の期間と決定する。そこで，ｔ1 とｔ2 との間の期間のトルク値Ｔの小さい領域Ｓに対応する雌ねじ１１の回転数即ち回転角αを検出すればよいことになる。
【００２８】
次に，図６を参照して，このねじ摩耗量検出装置におけるこの発明によるねじ摩耗量検出装置を説明するためのバルブの開トルク及びステムナットの回転センサのパルス周波数について説明する。図６のグラフでは，横軸は時間ｔを示しており，また，縦軸は，グラフＧＡはバルブ５の開トルクを示し，また，グラフＧＢはステムナット２の回転数に対するパルス周波数を示している。グラフＧＡにおいて，０〜ｔ0 の期間はトルクばね緩和時期であり，ｔ0 〜ｔ1 の期間はウォーム９の空転時期である。ｔ1 はクラッチ２７の衝撃トルク（ハンマーグロトルク）の時点即ち雌ねじ１１のゆるみ始めの時点であり，ｔ2 はバルブ引き抜きトルクが負荷される時点即ちスピンドル１のゆるみ始めの時点である。従って，ｔ1 〜ｔ2 の期間は雌ねじ１１と雄ねじ１０との間のガタ即ち雌ねじ１１とスピンドル１との間のガタであり，雌ねじ１１の摩耗によって発生するガタ期間である。従って，この電動バルブアクチュエータでは，雌ねじ１１の摩耗量分即ちギャップ量が吸収された時点でバルブ５が開放方向に移動し，開度計１７が開度が示すことになる。また，グラフＧＢにおいて，ｔ1 の時点でパルスをカウント開始ＯＮし，ｔ2 の時点でパルスをカウント終了ＯＦＦし，その間のパルスを計測することによって，ステムナット２の回転数即ち回転角αを計測するようにコントローラは設定されている。
【００２９】
【発明の効果】
この発明によるねじ摩耗量検出装置は，上記のように構成されているので，ウォームに負荷されるトルク曲線とステムナット即ち雌ねじの回転数との情報のみで，雌ねじの摩耗量を直接的に，高精度に検出することができ，従来のような雌ねじの摩耗を検出するための基準ねじを不要にし，摩耗量測定手段が簡単に取り付けられ，構造そのものをシンプルにし，低コストに作製することができる。また，このねじ摩耗量検出装置は，例えば，ゲート，水門等の現場から離れた所，即ち，現場から遠く離れた遠隔操作盤において上記の情報を検出して中央制御装置へ送信でき，それによって，雌ねじの摩耗量を事前にキャッチし，所定の摩耗量以上になれば，雌ねじを備えたステムナットを交換し，雌ねじのねじ山の脱落によってスピンドルが落下するような事故を未然に防止でき，安全性を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるねじ摩耗量検出装置を組み込んだ電動バルブアクチュエータの一実施例を示す概略説明図である。
【図２】図１の電動バルブアクチュエータの要部を示す一部断面の説明図である。
【図３】図２の電動バルブアクチュエータの側断面図である。
【図４】この発明によるねじ摩耗量検出装置における位置センサの一実施例を示す概略説明図である。
【図５】この発明によるねじ摩耗量検出装置を説明するためのトルク曲線を示すグラフである。
【図６】この発明によるねじ摩耗量検出装置を説明するためのバルブの開トルク及びステムナットの回転センサのパルス周波数を示すグラフである。
【符号の説明】
１スピンドル
２ステムナット
３ハウジング
４流路
５バルブ（負荷体）
６リニヤポテンショメータ（位置センサ）
７回転センサ（ロータリエンコーダ，ポテンショメータ）
８ウォームホィール
９ウォーム
１０雄ねじ
１１雌ねじ
１３摺動接点
１４ポテンショメータの検出端子
２４伝達装置（ウォームギヤ）
２９ウォーム軸
３５ロータシャフト
３８検出端子

Claims

流路を開閉するため配設されたバルブ等の負荷体が取り付けられてハウジングに上下移動可能に支持されたスピンドル，該スピンドルに設けられた雄ねじに螺合する雌ねじを備え且つ前記ハウジングに回転可能に支持されたステムナット，前記雌ねじを回転駆動して前記スピンドルを上下移動させるため，前記ステムナットに固定されたウォームホイールと前記ウォームホイールに噛み合って駆動手段からの回転が伝達されるウォームを有する伝達装置を有する電動バルブアクチュエータにおいて，
前記ウォームの軸方向の移動量に従って得られたトルク曲線に基づいて前記雄ねじと前記雌ねじとの間のギャップ量を決定すると共に，決定された前記ギャップ量に対応する前記ステムナットの回転数を検出し，前記ステムナットの前記回転数に前記雌ねじのピッチを乗じる演算をして前記雌ねじの摩耗量を検出することを特徴とするねじ摩耗量検出装置。
前記トルク曲線は前記ウォームの軸方向の前記移動量を電気信号として取り出すことによって得られ，前記トルク曲線におけるトルク値の小さい領域を，前記雌ねじの摩耗で発生する前記雌ねじの空転であるとして前記雌ねじの前記ギャップ量として決定することを特徴とする請求項１又は２に記載のねじ摩耗量検出装置。
前記ウォームの軸方向の前記移動量に従う前記電気信号は，リニヤポテンショメータ等の位置センサによって検出されることを特徴とする請求項２に記載のねじ摩耗量検出装置。
前記位置センサは，前記ウォームを設けたウォーム軸の端部にロータシャフトを介して前記リニヤポテンショメータの検出端子を対向設置することによって前記ウォームに取り付けられていることを特徴とする請求項３に記載のねじ摩耗量検出装置。
前記ステムナットの前記回転数は，ロータリエンコーダ，ポテンショメータ等の回転センサによって検出することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のねじ摩耗量検出装置。
前記回転センサは，前記ステムナットの外周に取り付けられた摺動接点に前記ポテンショメータの検出端子を摺動接させることによって前記ステムナットに取り付けられていることを特徴とする請求項５に記載のねじ摩耗量検出装置。
前記ウォームホイールは前記ステムナットの外周側に一体的に固定され，前記ホィールは前記ハウジングに回転可能に支持されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のねじ摩耗量検出装置。