CN113454363A - 异常探测系统及异常探测方法 - Google Patents

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福士雄祐
富山秀树
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Abstract

本发明一方案的异常探测系统(1)为用于探测减速机(10)的异常的异常探测系统(1)，包括：传感器(11_1～11_3)，其安装于减速机(10)的框体，用于检测减速机(10)的框体表面的振动；统计解析部(12)，其对由传感器(11_1～11_3)检测到的振动进行统计解析；频率解析部(14)，其对由传感器(11_1～11_3)检测到的振动进行频率解析；以及异常判定部(17)，其基于统计解析的结果和频率解析的结果进行减速机(10)的异常判定。

Description

异常探测系统及异常探测方法
技术领域
本发明涉及异常探测系统及异常探测方法，特别涉及用于探测工业机械使用的减速机的异常的异常探测系统及异常探测方法。
背景技术
作为用于制造塑料制品的工业机械，挤出机被广泛使用。例如，作为挤出机的一种，存在使用双轴螺杆对塑料原料进行混炼的双轴螺杆挤出机(参见专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-8677号公报
发明内容
发明要解决的课题
在作为工业机械的一种的挤出机中，使用将由电动机产生的动力向双轴螺杆的各螺杆传递的减速机。减速机将由电动机产生的动力转换为规定的转矩并向双轴螺杆传递。减速机内置有轴、轴承、齿轮等多种零部件。若减速机像这样内置有多种零部件且在各零部件的局部发生故障(发生损伤等)，则存在该零部件的故障导致减速机整体故障的可能。因此，需要能够准确探测减速机(零部件)的异常的异常探测系统。
鉴于上述课题，本发明的目的在于提供能够准确探测减速机的异常的异常探测系统及异常探测方法。
用于解决课题的手段
本发明一方案的异常探测系统用于探测减速机的异常，其包括：传感器，其安装于所述减速机的框体，用于检测所述减速机的框体表面的振动；统计解析部，其对由所述传感器检测到的振动进行统计解析；频率解析部，其对由所述传感器检测到的振动进行频率解析；以及异常判定部，其基于所述统计解析的结果和所述频率解析的结果，进行所述减速机的异常判定。
本发明一方案的异常探测方法用于探测减速机的异常，其包括下述工序：使用安装于所述减速机的框体的传感器，对所述减速机的框体表面的振动进行统计解析的工序；对由所述传感器检测到的振动进行频率解析的工序；以及基于所述统计解析的结果和所述频率解析的结果进行所述减速机的异常判定的工序。
发明的效果
根据本发明，能够提供能够准确探测减速机的异常的异常探测系统及异常探测方法。
附图说明
图1是用于说明实施方式的异常探测系统的框图。
图2是用于说明传感器的安装位置的立体图。
图3是用于说明传感器的安装位置的立体图。
图4是用于说明实施方式的异常探测系统的动作的流程图。
图5是示出由传感器检测到的振动波形的曲线图。
图6是用于说明使用由传感器检测到的振动的加速度进行统计处理的例子的曲线图。
图7是用于说明对由传感器检测到的振动进行频率解析的例子的曲线图。
图8是用于说明异常判定的曲线图。
图9是用于说明以频率解析求出的功率谱的一例的曲线图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。
图1是用于说明实施方式的异常探测系统的框图。本实施方式的异常探测系统1典型来说为用于探测挤出机(双轴螺杆挤出机)等工业机械中使用的减速机的异常的异常探测系统。如图1所示，本实施方式的异常探测系统1包括传感器11_1～11_3、统计解析部12、前处理部13、频率解析部14、峰值处理部15、异常判定部17及显示部18。需要说明的是，在图1中，作为一例示出具备3个传感器11_1～11_3的情况，但传感器的数量能够任意决定，为1个以上即可。另外，在本说明书中，也存在将传感器11_1～11_3统称为传感器11的情况。
传感器11安装于减速机10的框体，检测减速机10的框体表面的振动。图2、图3是用于说明传感器11的安装位置的立体图，示出将传感器11安装于减速机10的位置的一例。需要说明的是，在图2、图3中，将传感器11记为A1～A5、H1～H3、V1～V3，A、H、V表示由传感器检测的振动的方向。例如，传感器A1为检测A(Axis：轴)方向的振动的传感器，传感器H1为检测H(Horizontal：水平)方向的振动的传感器，传感器V1为检测V(Vertical：垂直)方向的振动的传感器。
如图2、图3所示，减速机10的框体(壳体)为大致箱型。如图2所示，在减速机10的输入侧的面31、即从电动机(未图示)输入动力一侧的面31配置有输入轴21及轴承22。如图3所示，在减速机10的输出侧的面35、即向双轴螺杆(未图示)输出动力一侧的面35配置有输出轴25、26。另外，在减速机10的内部设有轴、齿轮等多种零部件。减速机10将从电动机(未图示)向输入轴21传递的动力转换为规定的转矩，并经由输出轴25、26将规定的转矩的动力向双轴螺杆(未图示)传递。
如图2、图3所示，各传感器分别在减速机10的框体的角部附近安装于构成该角部的3个面。由此，能够使用各传感器测定框体的角部附近的3个轴向的加速度。
具体来说，如图2、图3所示，传感器A1、H1、V1分别设置在减速机10的框体的角部41的附近。也就是说，传感器A1、H1、V1分别安装于构成角部41的3个面31、34(参照图3)、33。在角部41的附近，传感器A1检测A轴向的振动，传感器H1检测H轴向的振动，传感器V1检测V轴向的振动。
另外，传感器A2、H2、V2分别设置在减速机10的框体的角部42的附近。也就是说，传感器A2、H2、V2分别安装于构成角部42的3个面31、32、33。在角部42的附近，传感器A2检测A轴向的振动，传感器H2检测H轴向的振动，传感器V2检测V轴向的振动。
另外，传感器A3、H3、V3(参照图3)分别设置在减速机10的框体的角部43的附近。也就是说，传感器A3、H3、V3分别安装于构成角部43的3个面35、34、33。在角部43的附近，传感器A3检测A轴向的振动，传感器H3检测H轴向的振动，传感器V3检测V轴向的振动。
在减速机10的轴承22的附近设有传感器A4(参照图2)。由此，能够使用传感器A4检测轴承22附近的振动。另外，传感器A5(参照图2)、传感器H4(参照图3)设置在减速机10的下部。通过使用传感器A5、H4，从而能够检测减速机10的下部的振动。因此，能够求出减速机10的上部的振动与下部的振动的差量。另外，通过在减速机10的下部设置传感器A5、H4，从而能够计测在作为测定对象的减速机10的附近设定的其他机械的振动。由此，能够从减速机10的振动数据中减掉其他机械的振动数据。
在图2、图3所示的例子中，各传感器安装在减速机10的输入轴21侧的面31的上侧及减速机10的输出轴25、26侧的面35的上侧。换言之，在减速机10的框体的上侧的角部41、42、43安装多个传感器。减速机10的框体的上侧的振动比下侧大，因此通过在减速机10的框体的上侧安装多个传感器，从而能够获取大的振动数据。
需要说明的是，上述的传感器的配置为一例，传感器的配置能够对应于减速机10的形状、零部件的配置等适当变更。在决定传感器的配置时，例如针对减速机10实施模态解析，进行预测减速机10的固有振动频率和振动形状的解析。另外，针对减速机10进行锤击试验，以实验方法求出固有振动频率和振动形状，以检验模态解析的准确性。能够重复进行这样的模态解析和锤击试验，以决定传感器的配置。此外，也可以进行模拟减速机10的运行状态的振动解析来确定减速机10的振动部位、共振部位，以决定传感器的配置。
图1所示的统计解析部12对由传感器11_1～11_3检测到的振动进行统计解析。具体来说，统计解析部12使用由传感器11_1～11_3检测到的振动的加速度进行统计解析。在此，所谓统计解析是指使用振动的加速度数据以统计的方式进行解析的方法，例如，为求算由传感器11_1～11_3检测到的振动的加速度的大小的频数分布的方法。需要说明的是，统计解析的详细见后述。另外，在本实施方式中，除了振动的加速度以外，也可以使用速度、位移进行统计解析。在以下说明的频率解析中也相同。
前处理部13针对由传感器11_1～11_3检测到的振动数据实施前处理。例如，作为前处理，也可以进行将由传感器11_1～11_3检测到的振动数据中包含的噪声去除的处理。噪声的去除能够使用例如低通滤波器等过滤器来实施。另外，例如，作为前处理，也可以针对由传感器11_1～11_3检测到的振动数据进行包络线处理。
频率解析部14对由传感器11_1～11_3检测到的振动进行频率解析。具体来说，频率解析部14针对由前处理部13去除噪声后的振动数据进行频率解析。例如，频率解析部14生成由传感器11_1～11_3检测到的振动的、表示相对于频率的加速度的大小的功率谱。频率解析能够使用快速傅里叶变换(FFT：Fast Fourier transform)。另外，频率解析的详细见后述。
峰值处理部15进行使由频率解析部14生成的功率谱清晰的处理、即，峰值增强的处理。例如，峰值处理部15将频率解析后的数据(功率谱)相加规定次数，之后进行除以规定的值的处理(平均化处理)，从而能够使峰值增强。
异常判定部17基于统计解析部12的解析结果及频率解析部14的解析结果(峰值处理部15的输出)进行减速机10的异常判定。具体来说，异常判定部17基于统计解析部12中的统计解析的结果来判定减速机10有无异常。例如，异常判定部17能够基于由传感器11_1～11_3检测到的振动的加速度的大小的频数分布来判定减速机10有无异常。
另外，异常判定部17能够基于由频率解析部14生成的功率谱来确定减速机10的异常的种类。减速机10的异常的种类是指各零部件的故障，例如为轴、轴承、齿轮等中的损伤、龟裂、磨损、腐蚀等。另外，也可以是油的异常。
例如，也可以预先在异常判定部17中保存将表示异常的功率谱与减速机10的异常的种类建立对应的异常判定用数据。异常判定部17能够通过将由频率解析部14生成的功率谱与预先保存的异常判定用数据进行比对来确定减速机10的异常的种类。例如，预先在异常判定部17中创建轴承有损伤的情况下的功率谱、齿轮有损伤的情况下的功率谱等与减速机10的异常的种类(零部件的异常的种类)对应的功率谱的数据库。然后，通过将由频率解析部14生成的功率谱与该数据库进行比对来确定减速机10的异常的种类。
另外，传感器11_1～11_3安装在减速机10的框体表面的多个部位(参照图2、图3)。异常判定部17也可以基于多个传感器11_1～11_3的统计解析结果及频率解析结果来确定减速机10的异常部位。例如，在由传感器11_3检测到的振动大于基准值的情况下，能够判定在传感器11_3的附近存在异常部位。
图1所示的显示部18显示异常判定部17中的判定结果。例如，显示部18能够使用液晶显示器等构成。用户能够通过确认显示部18上显示的消息来掌握减速机10的状态、即有无异常、异常的种类、异常部位。另外，也可以在显示部18上显示维护推荐消息。此外，也可以在显示部18上显示委托维修的画面。例如，用户能够通过按下在显示部18(触摸面板)上显示的维修委托按键，简单地委托制造商进行维修。另外，也可以在显示部18显示订购发生故障的零部件的画面。例如，用户能够通过按下在显示部18(触摸面板)上显示的订购按键而向制造商订购发生故障的零部件。
接下来，使用图4所示的流程图来说明本实施方式的异常探测系统的动作。以下使用具体例说明异常探测系统的动作。
首先，使减速机10常规运行(步骤S1)。接下来，使用减速机10中安装的传感器11_1～11_3获取常规运行中的减速机10的框体表面的振动数据(步骤S2)。图5是示出由传感器11_1～11_3检测到的振动波形的曲线图。需要说明的是，以下也将传感器11_1～11_3记为传感器A～C。
如图5所示，传感器A～C的振动数据为横轴为时间、纵轴为加速度的波形数据。也就是说，图5所示的振动数据示出减速机10的框体表面的振动的加速度的经时变化。就图5所示的振动数据而言，加速度越大，表示框体表面的振动的振幅越大。在图5所示的例子中，传感器A～C的波形中的传感器C的振动数据的加速度最大，这表示在安装有传感器C的位置处，振动的振幅很大。
接下来，统计解析部12使用由各传感器A～C检测到的振动的加速度进行统计解析(步骤S3)。图6是用于说明使用由传感器A～C检测到的振动的加速度进行统计处理的例子的曲线图。在图6所示的曲线图中，示出求出由传感器A～C检测到的振动的加速度的大小的频数分布的例子。图6所示的曲线图为直方图，横轴表示加速度的区间(级别)，纵轴表示各区间(级别)中的频数。
在图6所示的曲线图中，使加速度的各区间的宽度为0.1。由于图5所示的传感器A、B的振动数据的加速度为±1的范围，因此在图6所示的传感器A、B的曲线图中，频数分布的形状是陡峭的。另一方面，由于图5所示的传感器C的振动数据的加速度为±2的范围，因此，在图6所示的传感器C的曲线图中，频数分布的形状是平缓的。统计解析部12根据图6所示的结果求出方差值来作为各传感器A～C的振动数据的统计解析结果。在图6所示的例子中，由于在传感器A、B的曲线图中频数分布的形状陡峭，因此方差值为很小的值。另一方面，由于传感器C的曲线图的频数分布的形状平缓，因此方差值为很高的值。
另外，前处理部13针对由传感器A～C检测到的振动数据实施前处理(步骤S4)。例如，进行使用低通滤波器将由传感器A～C检测到的振动数据中包含的噪声去除的处理。
接下来，频率解析部14针对由前处理部13去除噪声后的振动数据进行频率解析(步骤S5)。具体来说，频率解析部14生成由传感器A～C检测到的振动的、表示相对于频率的加速度的大小的功率谱。频率解析能够使用快速傅里叶变换(FFT)。
之后，峰值处理部15进行用于使由频率解析部14生成的功率谱清晰的峰值处理(步骤S6)。
图7是用于说明对由传感器检测到的振动进行频率解析的例子的曲线图。图7的上图示出由频率解析部14生成的功率谱，图7的下图示出由峰值处理部15进行峰值处理后的功率谱。需要说明的是，在图7中，作为代表例示出传感器C的功率谱。
频率解析部14通过针对前处理后(噪声去除后)的振动数据实施快速傅里叶变换(FFT)处理，从而生成图7的上图所示的表示相对于频率的加速度的大小的功率谱。另外，峰值处理部15进行将频率解析后的数据(功率谱)相加规定次数再除以规定的值的处理(平均化处理)。由此，如图7的下图所示，能够使峰值增强。
接下来，异常判定部17基于统计解析的结果(步骤S3)及频率解析的结果(步骤S4～S6)进行减速机10的异常判定(步骤S7)。具体来说，异常判定部17基于传感器A～C的振动数据的频数分布(参照图6)来判定减速机10有无异常。
图8是用于说明异常判定的曲线图。图8的横轴表示异常程度，纵轴表示监视(判定)值。监视(判定)值与根据图6中示出的频数分布求算的方差值对应。也就是说，在图8中示出方差值越高则异常程度越高的情况。具体来说，在图6中，传感器A、B的曲线图由于频数分布的形状陡峭，因此方差值为很小的值。由此，在图8所示的曲线图中，由于传感器A、B的方差值小，因此判定为传感器A、B的振动数据正常。另一方面，在图6中，传感器C的曲线图由于频数分布的形状平缓，因此方差值为很高的值。由此，在图8所示的曲线图中，由于传感器C的方差值增大，因此判定为传感器C的振动数据异常(异常等级4)。
另外，在图8所示的曲线图中，以频数分布的方差值为监视(判定)值，设定异常等级1～4。在图8所示的曲线图中，异常等级越高，则表示异常的程度越大。
例如，通过使用预先带有损伤的零部件构成减速机10，并使用该减速机10的振动数据求出频数分布的方差值，从而能够生成图8所示的曲线图。具体来说，使用损伤的程度为“小”、损伤的程度为“中”、损伤的程度为“大”的各零部件构成减速机10。然后，获取像这样构成的各减速机10的振动数据，求出各减速机10的加速度的频数分布的方差值。
也就是说，图8所示的横轴的异常程度与预先带有损伤的零部件的损伤的程度(小、中、大)对应，异常程度越高则损伤的程度越大。因此，在图8所示的曲线图中，异常程度越高则加速度的频数分布的方差值(监视(判定)值)越高。异常判定部17通过预先生成图8所示的曲线图(判定基准)，从而能够准确判定减速机10有无异常。
另外，异常判定部17能够基于频率解析的结果(步骤S4～S6)、即功率谱来确定减速机10的异常的种类。减速机10的异常的种类是指各零部件的故障，例如为轴、轴承、齿轮等中的损伤、龟裂、磨损、腐蚀等。另外，也可以是油的异常。
图9是用于说明以频率解析求出的功率谱的一例的曲线图，示出正常情况下的功率谱(图9的上图)和异常情况下的功率谱(图9的下图)。如图9所示，异常情况下的功率谱(图9的下图)与正常情况下的功率谱(图9的上图)相比，功率值为很高的值。特别是，在异常情况下的功率谱(图9的下图)中，特定频率处的功率值很高。在图9的下图所示的例子中，30Hz附近的功率值特别高。异常判定部17能够使用功率值高的特定频率来确定减速机10的异常的种类(也可以是异常部位。以下相同。)。
例如，预先在异常判定部17中保存将表示异常的功率谱与减速机10的异常的种类(也可以是异常部位)建立对应的异常判定用数据。也就是说，预先在异常判定部17中创建轴承有损伤的情况下的功率谱、齿轮有损伤的情况下的功率谱等与减速机10的异常的种类(零部件的异常的种类)对应的功率谱的数据库。另外，也可以在异常判定部17中保存将减速机10的异常的种类与在相应的异常情况下功率值变高的频率建立对应的表格。
异常判定部17能够通过将由频率解析部14生成的功率谱与预先保存的异常判定用数据进行比对来确定减速机10的异常的种类。具体来说，能够通过将功率值变高的特定频率与异常判定用数据进行比对来确定与该特定频率对应的异常的种类。
如图4的流程图所示，在异常判定部17判定为无异常的情况下(步骤S8：否)，再次重复进行步骤S2～S8的动作。另一方面，在异常判定部17判定为有异常的情况下(步骤S8：是)，将表示减速机10异常的消息显示在显示部18上。
需要说明的是，上述的统计解析(步骤S3)及频率解析(步骤S4～S6)可以是二者以任意顺序先后实施，也可以同时实施。
如上所述，在本实施方式中，使用安装于减速机的框体的传感器来检测减速机的框体表面的振动。然后，进行由传感器检测到的振动的统计解析和频率解析，并基于其解析结果进行减速机的异常判定。因此，能够提供能够准确探测减速机的异常的异常探测系统及异常探测方法。
即，在本实施方式的异常探测系统中，能够基于统计解析部12中的统计解析结果来判定减速机10有无异常。另外，能够基于由频率解析部14生成的功率谱来确定减速机10的异常的种类。另外，能够基于多个传感器11的统计解析结果及频率解析结果来确定减速机10的异常部位。像这样，在本实施方式的异常探测系统中，由于使用统计解析结果及频率解析结果进行减速机的异常判定，因此能够准确探测减速机的异常(有无异常、异常的种类、异常部位)。
以上，基于上述实施方式对本发明进行了说明，但本发明并非仅限定于上述实施方式的构成，当然包含本领域技术人员在本申请权利要求书的权利要求的发明的范围内能够实施的各种变形、修正、组合。
附图标记说明
1 异常探测系统
10 减速机
11_1、11_2、11_3 传感器
12 统计解析部
13 前处理部
14 频率解析部
15 峰值处理部
17 异常判定部
18 显示部
21 输入轴
22 轴承
25、26 输出轴

Claims (9)

1.一种异常探测系统，其用于探测减速机的异常，其中，
所述异常探测系统包括：
传感器，其安装于所述减速机的框体，用于检测所述减速机的框体表面的振动；
统计解析部，其对由所述传感器检测到的振动进行统计解析；
频率解析部，其对由所述传感器检测到的振动进行频率解析；以及
异常判定部，其基于所述统计解析的结果和所述频率解析的结果，进行所述减速机的异常判定。
2.根据权利要求1所述的异常探测系统，其中，
所述统计解析部使用由所述传感器检测到的振动的加速度进行统计解析，
所述异常判定部基于所述统计解析的结果来判定所述减速机有无异常。
3.根据权利要求1或2所述的异常探测系统，其中，
所述统计解析部求算由所述传感器检测到的振动的加速度的大小的频数分布，
所述异常判定部基于所求出的所述频数分布的方差来判定所述减速机有无异常。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的异常探测系统，其中，
所述频率解析部生成由所述传感器检测到的振动的功率谱，其中，该功率谱表示相对于频率的加速度的大小，
所述异常判定部基于所述功率谱来确定所述减速机的异常的种类。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的异常探测系统，其中，
预先在所述异常判定部中保存将表示异常的功率谱与所述减速机的异常的种类建立对应的异常判定用数据，
所述异常判定部通过将由所述频率解析部生成的所述功率谱与预先保存的所述异常判定用数据进行比对，从而确定所述减速机的异常的种类。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的异常探测系统，其中，
所述传感器安装在所述减速机的框体表面的多个部位，
所述异常判定部基于所述多个传感器的所述统计解析的结果及所述频率解析的结果来确定所述减速机的异常部位。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的异常探测系统，其中，
所述减速机的框体为大致箱型，
所述传感器在所述框体的角部附近分别安装在构成该角部的3个面上，
使用各所述传感器测定所述框体的所述角部附近的3个轴向的加速度。
8.根据权利要求7所述的异常探测系统，其中，
各所述传感器安装在所述减速机的输入轴侧的面的上侧及所述减速机的输出轴侧的面的上侧中的至少一方。
9.一种异常探测方法，其用于探测减速机的异常，其中，
所述异常探测方法包括下述工序：
使用安装于所述减速机的框体的传感器，对所述减速机的框体表面的振动进行统计解析的工序；
对由所述传感器检测到的振动进行频率解析的工序；以及
基于所述统计解析的结果和所述频率解析的结果进行所述减速机的异常判定的工序。
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