CN110537082A - 振动检测装置及异常判定系统 - Google Patents

Abstract

传感器部(20)具有利用由旋转机械的旋转产生的振动波来进行振荡的振荡结构。提取部(21)提取传感器部(20)的谐振频率的振荡信号。放大部(22)对由提取部(21)提取出的振荡信号进行放大。A/D转换部(23)将放大后的振荡信号转换成数字信号。运算部(24)对表示转换成数字信号的振荡信号的时间变化的评价值进行计算。

Description

振动检测装置及异常判定系统

技术领域

本发明涉及对由旋转机械的旋转所产生的振动进行检测的振动检测装置及具备该振动检测装置的异常判定系统。

背景技术

以往，提出有一种基于由旋转机械的旋转所产生的振动的变化来判定旋转机械的异常的装置。

例如，记载于专利文献1的振动检查装置根据对利用传感器从转动部件检测到的振动的强度进行频率分析来得到的功率频谱，来求出与振动产生有关联的频率分量所对应的功率频谱并计算统计量。转动部件是具有旋转机构的旋转机械，传感器检测由转动部件的旋转产生的振动。统计量是功率频谱的均方根、算术平均值、最大值等，作为用于判断转动部件的好坏的评价值。

作为判定旋转机械的异常的方法，存在利用声发射(以下简称为AE)的方法。AE是在材料变形或破坏时储存在材料内部的弹性能量作为弹性波释放的现象。AE波具有从数kHz到数MHz的频率分量。例如，由于润滑油的减少等，旋转轴与轴承反复碰撞着旋转时，每次碰撞会在旋转机械上产生AE波。利用安装于旋转机械上的的AE传感器来检测由此产生的AE波。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开平6－58849号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

专利文献1中记载的振动检查装置对于由传感器检测到的振动波形进行包络处理和高速傅立叶变换(以下简称为FFT)。然而，包络处理和FFT是复杂的运算处理，因此需要高性能的运算装置。

并且，存在以下问题：由于包络处理和FFT需要较长的处理时间，因此进行上述运算处理的期间无法实时地检查旋转机械。

此外，由AE传感器检测到的AE信号一般是从μV到mV左右的微小的信号，并且包含有高频分量，因此难以与噪声进行区别。

因此，即使在利用了AE的异常判定中，也要对AE信号的波形进行包络处理和FFT，并从噪声中识别AE信号，存在与上述相同的问题。

本发明是用于解决上述问题，其目的是得到一种能用简单的运算处理计算用于评价旋转机械中产生的振动的评价值，并且能实时地检测旋转机械的振动的振动检测装置及异常判定系统。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明的振动检测装置包括传感器部、提取部、放大部、A/D转换部以及运算部。传感器部具有根据由旋转机械的旋转所产生的振动波来进行振荡的结构。提取部提取传感器部的谐振频率的振荡信号。放大部对由提取部提取出的振荡信号的振幅进行放大。A/D转换部将被放大部放大了振幅后得到的振荡信号转换成数字信号。运算部对表示由A/D转换部转换成数字信号后的振荡信号的时间变化的评价值进行计算。

发明效果

根据本发明，能根据传感器部的谐振频率的振荡信号，用简单的运算处理计算由旋转机械的旋转所产生的振动的评价值。并且，由于缩短计算评价值所需的时间，因此能实时地检测旋转机械的振动。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式1所涉及的异常判定系统的结构的框图。

图2是示出振动波的波形、振动波所包含的谐振频率分量、以及传感器部的振荡信号波形的图。

图3是表示传感器部的振荡信号波形的图。

图4是表示旋转机械的转速和振荡幅度的关系的图表。

图5是表示与旋转机械的转速的时间变化模式相对应的振荡幅度的随时间变化的图。

图6是表示本发明的实施方式2所涉及的振动检测装置的结构的框图。

图7是表示旋转机械的转速和多个悬臂的振荡幅度的关系的图表。

图8是表示传感器部中的振荡动作的概要的图。

具体实施方式

下面，为了更详细地说明本发明，根据附图，对用于实施本发明的方式进行说明。

实施方式1﹒

图1是示出本发明实施方式1所涉及的异常判定系统1的结构的框图。异常判定系统1是基于由旋转机械的旋转所产生的振动来判定旋转机械的异常的系统。旋转机械有电动机、减速机、切割机、泵及涡轮等。例如，若轴承磨损而发生异常，则由旋转机械的旋转所产生的振动出现变化。异常判定系统1基于相对于正常的旋转机械所产生的振动的变化来判定旋转机械的异常。此外，异常判定系统1具备振动检测装置2及异常判定部3作为构成要素。振动检测装置2具备传感器部20、提取部21、放大部22、A/D转换部23以及运算部24作为构成要素。

传感器部20具有根据由旋转机械的旋转产生的振动波(以下记为AE波)来进行振荡的振荡结构。例如，传感器部20具有由压电材料形成的悬臂梁振荡结构的悬臂20a。悬臂20a接受AE波而进行振荡。此外，虽然示出悬臂、即悬臂梁振荡结构，但传感器部20的振荡结构也可以是根据由旋转机械的旋转所产生的振动进行振荡的双支撑梁的振荡结构。另外，传感器部20有与振动检测装置2一体的方式，还有传感器部20利用线束等分离的方式。

提取部21提取传感器部20的谐振频率的振荡信号。例如，提取部21利用提取悬臂20a的谐振频率的振荡信号的带通滤波器来实现。另外，提取部21并不限定于带通滤波器，可以是提取特定频率分量的滤波器。

放大部22对由提取部21提取出的振荡信号的振幅进行放大。例如，放大部22通过能调整放大量的放大电路来实现。放大部22将由提取部21提取出的振荡信号放大至适合后级的A/D转换部23的输入范围的信号振幅。例如，振荡信号被放大部22放大至收敛在A/D转换部23的输入范围内的最大信号振幅。

A/D转换部23将被放大部22放大了振幅的振荡信号转换成数字信号。例如，A/D转换部23利用预先决定的采样频率对振荡信号进行采样，根据采样得到的值来生成数字信号的振荡信号。

运算部24对表示由A/D转换部23转换成数字信号后的振荡信号的时间变化的评价值进行计算。表示振荡信号的时间变化的评价值是用于评价在旋转机械上产生的振动的评价值，例如有振荡信号的有效值、振荡信号的振幅量的累计值及振荡信号的振幅的平均值等。

振荡信号是正弦波，因此有效值是通过将信号振幅的最大值除以2的平方根来得到。振荡信号的振幅量的累计值是例如对旋转机械的动作期间、振幅量进行累计来得到。振荡信号的振幅的平均值例如是通过将旋转机械的动作期间内的振荡信号的振幅相加并取其平均值得到。由此，能以简单的运算处理根据振荡信号波形计算出每一个评价值。

异常判定部3基于由振动检测装置2算出的评价值来判定旋转机械的异常。例如，将通过振动检测装置2从正常的旋转机械算出的上述评价值设为正常值。异常判定部3在评价值明显偏离正常值的情况下，判定为旋转机械中发生异常。

另外，异常判定部3可以作为与振动检测装置2分开设置的装置来具备，也可以是振动检测装置2的构成要素之一。

接着，对传感器部20的动作进行说明。

图2是示出AE波形a、AE波所包含的谐振频率分量b、以及传感器部20的振荡信号波形c的图。图3是表示传感器部20的振荡信号波形c的图。

图2中，AE波形a是在旋转机械中产生的AE波的波形。谐振频率分量b是AE波所包含的谐振频率分量的波形。振荡信号波形c是由提取部21提取出的传感器部20的谐振频率的振荡信号的波形。

以往的异常判定中，针对于AE波形a进行包络处理，并且进行FFT，根据振动的产生周期来判定旋转机械的异常。如上所述，AE信号较为微小，因此即使根据由包络处理得到的波形来计算AE信号的平均值、有效值、计数率、总数等，受到噪声的影响也会很大，难以得到异常判定的精度。

传感器部20中，AE波所包含的谐振频率分量b成为连续触发，悬臂20a进行振荡。振荡信号波形c如图2所示是正弦波。

振动检测装置2中，提取传感器部20的谐振频率的振荡信号，并根据该波形计算振动的评价值。能利用振荡信号的有效值、振荡信号的振幅量的累计值及振荡信号的振幅的平均值等作为评价值。上述评价值的计算与包络处理及FFT这样的运算处理相比，在各级中以更短的处理时间完成，因此振动检测装置2能连续地实时检测旋转机械的振动。

此外，振荡信号波形c是正弦波，因此容易去除噪声。

例如，如图3所示，能使用使谐振频率的信号以外的信号衰减的带通滤波器来容易地去除振荡信号波形c上重叠的噪声d。

接着，对使用了传感器部20的旋转机械的异常判定进行说明。

在传感器部20中，即使旋转机械的转速变化，由该旋转产生的振动引起振荡的悬臂20a是相同的。此外，若旋转机械的转速变化，则振荡信号的振幅发生变化。即，传感器部20具有如下特征:虽然在旋转机械的转速与谐振频率之间没有相关关系，但在旋转机械的转速与振荡幅度之间存在相关关系。由此，不需要对旋转机械的每个转速设定传感器部20的谐振频率，此外即使旋转机械的动作转速发生各种变化也能进行异常判定。下面，对该异常判定进行说明。

图4是表示旋转机械的转速和振荡幅度的关系的图表。图5是表示与旋转机械的转速的时间变化模式相对应的振荡幅度的随时间变化的图。

如图4所示，振荡幅度随着旋转机械的转速上升而变大。这是因转速上升会使每单位时间的AE波的产生次数增加所导致的。

即，由于每单位时间的AE波的产生次数增加，使传感器部20振荡的振荡能量增加，振荡信号的振幅变大

此外，由于润滑油减少等，由旋转机械的旋转所产生的振动施加在旋转机械上的冲击增加时，在旋转机械上产生的AE波的大小增加。因此，旋转机械提供给传感器部20的振荡能量也增加，振荡信号的振幅变大。由此，如图4中虚线所示，伴随在旋转机械中产生的振动的增加，传感器部20开始振荡的转速变低。

例如，以在图5的下半部分所示的转速模式控制旋转机械的旋转的情况下，传感器部20通过由旋转机械的旋转所产生的振动来进行振荡，如图5的上半部分所示，伴随转速的增加，振荡幅度变大。

此外，由于润滑油减少等异常，由旋转机械的旋转所产生的振动使施加于旋转机械的冲击增加时，如图5的下半部分所示，传感器部20开始振荡的转速变得比正常的旋转机械更低。并且，旋转机械所产生的振荡能量也增加，因此如图5的上半部分所示，振荡幅度的变化比正常的旋转机械更大。

现有的异常判定系统中，针对于多个AE信号进行包络处理，之后进行FFT，提取出与旋转机械的转速一致的频率分量。因此，动作转速发生各种变化的旋转机械所要提取的频率分量无法决定，难以适用异常判定系统。

对此，异常判定系统1中，若旋转机械的动作转速发生各种变化，则伴随动作转速的变化，振荡幅度发生变化。

即，异常判定系统1中，即使旋转机械的动作转速发生各种变化，也能利用振荡幅度的时间变化来进行异常判定。

例如，将旋转机械的一系列的动作期间中的振荡幅度的平均值或振幅量的累计值作为评价值与由正常的旋转机械获得的评价值进行比较，从而能对因旋转机械所产生的异常导致的振动的变化进行确定。

由此，在实施方式1的振动检测装置2中，传感器部20具有利用由旋转机械的旋转所产生的振动波来进行振荡的振荡结构。提取部21提取传感器部20的谐振频率的振荡信号。放大部22对由提取部21提取出的振荡信号的振幅进行放大。A/D转换部23将被放大部22放大了振幅的振荡信号转换成数字信号。运算部24对表示由A/D转换部23转换成数字信号的振荡信号的时间变化的评价值进行计算。

尤其是，运算部24计算振荡信号的有效值、振荡信号的振幅量的累计值及振荡信号的振幅的平均值中的至少一个。

由此，能根据传感器部20的谐振频率的振荡信号用简单的运算处理计算用于评价上述振动的评价值。并且，由于缩短计算上述评价值所需的时间，因此能实时地检测旋转机械的振动。

在实施方式1的振动检测装置2中，传感器部20中，伴随旋转机械的转速的上升而振荡幅度增加，以与旋转机械的转速无关的谐振频率进行振荡。因此，能进行动作转速发生各种变化的旋转机械的异常判定，无需针对旋转机械的每个转速设定传感器部20的谐振频率。

实施方式1的异常判定系统1具备振动检测装置2及异常判定部3。振动检测装置2能根据传感器部20的谐振频率的振荡信号用简单的运算处理计算振动的评价值。并且，由于缩短计算上述评价值所需的时间，因此能实时地检测旋转机械的振动。

实施方式2﹒

图6是示出本发明的实施方式2所涉及的振动检测装置2A的结构的框图。图6中，对与图1相同的构成要素标注相同标号，并省略说明。

振动检测装置2A具备传感器部20、提取部21、放大部22、滤波部25及比较部26。滤波部25对被放大部22放大的正弦波信号进行全波整流或半波整流，并利用电容器进行滤波(直流化)。比较部26从系统内部或外部输入比较对象的基准信号，并与滤波部25的输出信号进行比较，判定是比基准信号高的电平，还是比基准信号低的电平。该判定结果作为旋转机械所产生的振动的评价基准从比较部26输出。

由此，振动检测装置2A不需要由A/D转换部23及运算部24进行的运算处理，因此能利用不使用微机的简单的结构来实现。

此外，从比较部26输出的上述判定结果成为旋转机械所产生的振动的评价基准，因此能将振动检测装置2A作为廉价的异常判定系统来使用。

此外，传感器部20也可以是具备谐振频率不同的多个悬臂的结构。通过具备多个悬臂，从而扩大振动的检测范围。

图7是表示旋转机械的转速和多个悬臂的振荡幅度的关系的图表，示出了传感器部20具备第一～第三悬臂20a的情况。

在图7中，将第一悬臂20a的振荡幅度与转速的关系设为A1，将第二悬臂20a的振荡幅度与转速的关系设为A2，将第三悬臂20a的振荡幅度与转速的关系设为A3。

振荡幅度相对于旋转机械的转速增加的范围B1是1个悬臂20a能检测到振动的范围。传感器部20具备第一～第三悬臂20a，从而各个悬臂能够检测到的范围重叠。因此，如图7所示，具备第一～第三悬臂20a的传感器部20的检测范围是B2，与B1相比检测范围扩大。

另外，在传感器部20具备谐振频率不同的多个悬臂20a的情况下，如图8所示，能获得分别与多个悬臂20a对应的谐振频率的振荡信号波形c1～c3。

由此，实施方式2的振动检测装置2A具备滤波部25和比较部26来代替A/D转换部23和运算部24。由此，能以不使用微机的简单的结构来实现振动检测装置2A及异常判定系统。

此外，本发明在其发明范围内，能够自由组合各实施方式，或者将各实施方式的任意构成要素进行变形，或者也可以在各实施方式中省略任意的构成要素。

工业上的实用性

本发明的振动检测装置能以简单的运算处理计算旋转机械所产生的振动的评价值，并且能实时地检测旋转机械的振动，因此能用于各种旋转机械的异常判定系统。

标号说明

1 异常判定系统

2、2A 振动检测装置

3 异常判定部

20 传感器部

20a 悬臂

21 提取部

22 放大部

23 A/D转换部

24 运算部

25 滤波部

26 比较部。

Claims (5)

1.一种振动检测装置，其特征在于，包括：

传感器部，该传感器部具有根据由旋转机械的旋转所产生的振动波来进行振荡的振荡结构；

提取部，该提取部提取所述传感器部的谐振频率的振荡信号；

放大部，该放大部对由所述提取部提取出的所述振荡信号的振幅进行放大；

A/D转换部，该A/D转换部将被所述放大部放大振幅后得到的所述振荡信号转换成数字信号；以及

运算部，该运算部对表示由所述A/D转换部转换成数字信号后的所述振荡信号的时间变化的评价值进行计算。

2.如权利要求1所述的振动检测装置，其特征在于，

所述运算部对所述振荡信号的有效值、所述振荡信号的振幅量的累计值以及所述振荡信号的振幅的平均值中的至少一个进行计算。

3.一种振动检测装置，其特征在于，包括：

传感器部，该传感器部具有根据由旋转机械的旋转所产生的振动波来进行振荡的振荡结构；

提取部，该提取部提取所述传感器部的谐振频率的振荡信号；

放大部，该放大部对由所述提取部提取出的所述振荡信号的振幅进行放大；

滤波部，该滤波部对被所述放大部放大振幅后得到的所述振荡信号进行滤波；以及

比较部，该比较部将所述滤波部的输出信号与基准信号进行比较，来判定信号电平。

4.如权利要求1至3中任一项所述的振动检测装置，其特征在于，

所述传感器部中，振荡幅度伴随着所述旋转机械的转速上升而增加，以与所述旋转机械的转速无关的谐振频率进行振荡。

5.一种异常判定系统，其特征在于，包括：

传感器部，该传感器部具有根据由旋转机械的旋转所产生的振动波来进行振荡的振荡结构；

提取部，该提取部提取所述传感器部的谐振频率的振荡信号；

放大部，该放大部对由所述提取部提取出的所述振荡信号的振幅进行放大；

A/D转换部，该A/D转换部将被所述放大部放大振幅后得到的所述振荡信号转换成数字信号；

运算部，该运算部对表示由所述A/D转换部转换成数字信号后的所述振荡信号的时间变化的评价值进行计算；以及

异常判定部，该异常判定部基于由所述运算部算出的所述评价值，来判定所述旋转机械的异常。