JP2000171291A - 故障診断方法および故障診断器 - Google Patents

故障診断方法および故障診断器

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JP2000171291A JP10345118A JP34511898A JP2000171291A JP 2000171291 A JP2000171291 A JP 2000171291A JP 10345118 A JP10345118 A JP 10345118A JP 34511898 A JP34511898 A JP 34511898A JP 2000171291 A JP2000171291 A JP 2000171291A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 仕様の異なる多くの回転機械等の被検査物の
故障診断を被検査物の発する振動等を計測して行う 【解決手段】 被検査物が発する計測信号を検出し、得
られた計測信号波形の振幅確率密度関数をク゛ラム・チャーリー
(Gram-Charlier)級数で直交展開をして、ク゛ラム・チャーリー
(Gram-Charlier)級数を算出して機械の故障を診断す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する分野】本発明は、例えば、回転機械のベ
アリングや歯車などの摩耗系の故障診断と、回転質量が
不釣り合いなアンバランスや、二台の回転機械の軸心が
ずれたミスアライメントなどの構造系の故障を診断する
方法と機器に関する。
【0002】
【従来の技術】生産機械設備の突発停止は経済的損失が
極めて大きい。生産現場では突発停止を避けるため予防
保全が行われている。故障回避の予防保全として運転中
の機械設備が発する音や振動を計測して、機械設備の状
態を把握する方法がある。これを状態基準保全と言う。
ここでは、振動計測を例に状態基準保全の従来技術を説
明する。
【0003】機械設備の振動を計測して故障の有無を診
断する場合、計測した振動の大きさが基準の値を超えて
いるか否かで判定する。通常、判定基準値は二種類用意
される。値の小さい判定基準値を超えると注意領域で、
運転を継続するが監視を頻繁に行う。値の大きい判定基
準値を超えると危険領域であり、直ちに運転を停止させ
て修復が必要である。機械設備の状態が注意領域に達す
ると、平常状態から注意領域に変化した過去の傾向を示
した図表などから危険領域に達する時期を推定して、経
済効率の最も高い生産計画と保全計画を立案して、修復
を実施している。
【0004】企業にある生産機械設備はその目的に応じ
て回転数や消費電力(トルク)、負荷など仕様が異なり、
形状も大型・小型があり、振動の大きい機械や小さい機
械などと種々雑多な種類の機械設備が使われている。
【0005】故障の有無を診断するための判定基準値
は、これら機械設備に固有のものであり、平常状態の他
に故障状態の多くの事例データを蓄積して決定される。
状態基準保全の効果を発揮させるためには、最適な判定
基準値が必要である。故障が希なために故障時の事例デ
ータが得られないとか、対象機械設備の種類が多すぎて
判定基準を決定するまでに膨大な労力が必要である。あ
るいは、故障診断知識の豊富な保全技術者が不在なため
故障事例データが採取できない、などの理由で判定基準
値を決められずに状態基準保全を採用できない企業も多
い。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】状態基準保全は保全費
用を低く押さえられ経済的に優れた保全方法であるが、
前述のように状態基準保全を活用するためには最適な判
定基準が必要である。この判定基準を決められないで状
態基準保全を採用できない企業も多い。
【0007】本発明は、機械が発する振動波形等の計測
信号波形を正規化した振幅確率密度関数と正規分布との
差分に注目した診断方法を提案し、異なる多くの回転機
械設備に共通に使える判定基準値を提案し、これらの機
能を具備する故障診断器を提案しようとするものであ
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、平常状態の機
械等の被検査物が発する振動等の計測信号の振幅確率密
度関数は正規分布であり、故障や異常状態になると正規
分布から外れる事を基本原理としている。本発明は、機
械等の被検査物が発生する振動等の計測信号の大きさ
や、振動数成分等の計測信号成分の情報を利用しておら
ず、正規化した振幅確率密度関数が正規分布か否かの判
定を行っているので、機械等の回転数や消費電力、負
荷、構造の規模などの仕様に全く無関係になる。
【0009】即ち、 請求項1に記載の故障診断方法
は、被検査物が発する計測信号を検出し、得られた計測
信号波形の振幅確率密度関数をク゛ラム・チャーリー(Gram-Charl
ier)級数で直交展開をして、ク゛ラム・チャーリー(Gram-Charli
er)級数を算出して被検査物の故障を診断する。ここ
で、本発明における故障とは機械が既に作動しなくなっ
ている状態を指すのではなく、平常状態から外れている
状態を指す。
【0010】また、請求項2に記載の故障診断方法は、
被検査物が発する計測信号を検出し、得られた計測信号
波形の振幅確率密度関数をク゛ラム・チャーリー(Gram-Charlie
r)級数で直交展開をして、正規分布との差分を算出し
て被検査物の故障を診断する。
【0011】また、請求項3に記載の故障診断方法は、
被検査物が発する計測信号を検出し、得られた計測信号
波形をフーリエ級数に展開して周波数スペクトルを得る
とともに得られた周波数スペクトルを振幅軸から見た振
幅確率密度関数をク゛ラム・チャーリー(Gram-Charlier)級数で
直交展開をして、ク゛ラム・チャーリー(Gram-Charlier)級数を
算出して被検査物の故障を診断する。
【0012】また、請求項4に記載の故障診断方法は、
被検査物が発する計測信号を検出し、得られた計測信号
波形をフーリエ級数に展開して周波数スペクトルを得る
とともに得られた周波数スペクトルを振幅軸から見た振
幅確率密度関数をク゛ラム・チャーリー(Gram-Charlier)級数で
直交展開をして、正規分布との差分を算出して被検査物
の故障を診断する。
【0013】上記において、計測信号としては、振動の
他に、音響、音響放射(アコーステックエミッショ
ン)、電流変動または有効電力変動を用いることができ
る。
【0014】上記において、被検査物としては、一般的
な機械の他に、車両、航空機、建築物等も考えられる。
また、上記の故障診断方法を実施するための故障診断器
としては、被検査物に対する接触子を備えたものが考え
られる。
【0015】ここで、ク゛ラム・チャーリー(Gram-Charlier)の
級数展開式を使った手法を以下に詳述する。
【0016】
【数1】
【0017】
【数2】
【0018】
【数3】
【0019】
【数4】
【0020】
【数5】
【0021】
【数6】
【0022】
【数7】
【0023】
【数8】
【0024】
【数9】
【0025】
【数10】
【0026】このような展開で得られた級数をク゛ラム・チャー
リー(Gram-Charlier)級数という。ク゛ラム・チャーリー(Gram-Ch
arlier)級数にはそれぞれ故障や劣化の要素を含んでい
る。であるが、数学的にク゛ラム・チャーリー(Gram-Charlier)
級数は互いに直交関係にあり、含まれている故障や劣化
の要素は全く別個なものであると見なすことができる。
【0027】ク゛ラム・チャーリー(Gram-Charlier)級数は振幅
確率密度関数が正規分布の場合は、すべて零となる。故
障状態となり正規分布から外れると数値の絶対値が大き
くなる。従って、ク゛ラム・チャーリー(Gram-Charlier)級数の
値の判定基準値を決定すると故障の診断ができる。
【0028】
【数11】
【0029】
【数12】
【0030】差分δは振幅確率密度関数が正規分布の場
合は零となり、故障状態となり正規分布から外れると数
値は大きくなる。従って、差分δの判定基準値を決定す
ると故障の診断ができる。
【0031】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。図1はベアリングが平常状態
の振動加速度の波形であり、この波形のク゛ラム・チャーリー(Gr
am-Charlier)級数を求める。
【0032】
【数13】
【0033】
【数14】
【0034】
【数15】
【0035】求めた6次までのク゛ラム・チャーリー(Gram-Charl
ier)級数を(5)式に入れてク゛ラム・チャーリー(Gram-Charli
er)分布関数を求め、軌跡を図示したものが図2であ
る。図2の破線は平常なベアリングのク゛ラム・チャーリー(Gram
-Charlier)分布関数であり、実線は正規分布である。
(7)式によって算出した差分δは0.003と極めて小さ
な値であり、平常と判断できる。
【0036】次に欠陥のあるベアリングの振動加速度デ
ータを用いて判定を試みる。図3は欠陥のあるベアリン
グの振動加速度波形である。
【0037】
【数16】
【0038】ここで、(7)式に基づき差分δを算出する
と6.32である。判定基準値を2.5とすると、危険領域と
なる。
【0039】次に具体的な実施例について述べる。 (1)第1実施例 摩耗型故障の診断器 ベアリング異常、歯車異常、ベルト異常、リークなどの
摩耗型故障の診断をする。故障診断器の構成を図5に示
す。振動センサは圧電式である。20kHz〜50kHzの振動加
速度を計測する。マイクロコンピュータは次の演算処理
とデータの入出力処理を行う。診断結果はLCDに平常、
注意、危険を表示する。
【0040】
【数17】
【0041】
【数18】
【0042】
【数19】
【0043】
【数20】
【0044】
【数21】
【0045】
【数22】
【0046】(2)第2実施例 構造型故障の診断器 アンバランス、偏芯、ミスアライメント、軸曲がり、緩
み、クラック、ガタなどの構造型故障の診断をする。構
成は第1実施例と同じ。10Hz〜200Hzの周波数範囲の振
動速度を計測する。
【0047】 2ms毎に512個の時系列データχiを記憶
させる。
【0048】 時系列データχnにハニング窓で重み付
けをしてフーリエ変換をして、200本のパワースペクト
ルfiを求める。
【0049】
【数23】
【0050】
【数24】
【0051】
【数25】
【0052】
【数26】
【0053】
【数27】
【0054】(3)他の実施例 なお上述の第1及び第2実施例においては、本発明を振
動計測に基づいた故障診断器に適用する場合について述
べたが、本発明はこれに限らず、音響、音響放射(A
E:アコーステックエミッション)、歪み、電流変動、
有効電力変動等種々の計測信号に基づいた故障診断器に
適用することができる。
【0055】
【発明の効果】上述のように本発明によれば、機械等の
被検査物の発する振動等の計測信号を計測し、正規化さ
れた振幅確率密度関数が正規分布から外れる程度の値に
対する判定基準値を一つだけ決定することで、仕様の異
なる多くの回転機械等の被検査物の故障診断ができる故
障診断器を実現できた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の動作原理の説明に供する平常データ例
で、平常時のベアリングが発する振動加速度波形図であ
る。
【図2】平常時のベアリングが発する振動加速度波形デ
ータに基づいて求めたク゛ラム・チャーリー(Gram-Charlier)分
布関数の軌跡と正規分布の比較図である。
【図3】本発明の動作原理の説明に供する故障データ例
で、欠陥のあるベアリングが発する振動加速度波形図で
ある。
【図4】故障と断定できるベアリングが発する振動加速
度波形データに基づいて求めた差分関数の軌跡図であ
る。
【図5】本発明の故障診断器の構成図である。
【図6】本発明の故障診断器のブロック図である。 1…機械の発する振動を検出する振動センサ 2…10Hz以上の振動数成分を通過させるフィルタ 3…増幅器 4…振動加速度を振動速度に変換するための積分回路 5…200Hz以下の振動数成分を通過させるフィルタ 6…20kHz以上の振動数成分を通過させるフィルタ 7…50kHz以下の振動数成分を通過させるフィルタ 8…12ビットのA/D変換器 9…コントロールプログラムと演算処理プログラムを格
納するメモリ 10…A/Dデータや判定結果などを格納するメモリ 11…診断開始などを故障診断器を制御するためのボタ
ン 12…マイクロコンピュータ 13…判定結果を表示するための液晶表示器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 陳山 鵬 福岡県飯塚市川津680−4 九州工業大学 内 (72)発明者 小村 英智 東京都国分寺市東元町3−20−41 リオン 株式会社内 Fターム(参考) 2G024 AB01 AB08 AC01 AD01 AD34 AD50 BA21 BA22 CA13 EA01 FA04 2G047 AC05 AC08 BA05 GG10 GG12 GG33 2G064 AA05 AA13 AA14 AB01 AB02 AB16 AB22 BA02 BD18 CC03 CC29 CC42 CC43 CC54 DD29

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被検査物が発する計測信号を検出し、得
    られた計測信号波形の振幅確率密度関数をク゛ラム・チャーリー
    (Gram-Charlier)級数で直交展開をして、ク゛ラム・チャーリー
    (Gram-Charlier)級数を算出して被検査物の故障を診
    断することを特徴とした故障診断方法。
  2. 【請求項2】 被検査物が発する計測信号を検出し、得
    られた計測信号波形の振幅確率密度関数をク゛ラム・チャーリー
    (Gram-Charlier)級数で直交展開をして、正規分布と
    の差分を算出して被検査物の故障を診断することを特徴
    とする故障診断方法。
  3. 【請求項3】 被検査物が発する計測信号を検出し、得
    られた計測信号波形をフーリエ級数に展開して周波数ス
    ペクトルを得るとともに得られた周波数スペクトルを振
    幅軸から見た振幅確率密度関数をク゛ラム・チャーリー(Gram-Cha
    rlier)級数で直交展開をして、ク゛ラム・チャーリー(Gram-Char
    lier)級数を算出して被検査物の故障を診断することを
    特徴とする故障診断方法。
  4. 【請求項4】 被検査物が発する計測信号を検出し、得
    られた計測信号波形をフーリエ級数に展開して周波数ス
    ペクトルを得るとともに得られた周波数スペクトルを振
    幅軸から見た振幅確率密度関数をク゛ラム・チャーリー(Gram-Cha
    rlier)級数で直交展開をして、正規分布との差分を算
    出して被検査物の故障を診断することを特徴とする故障
    診断方法。
  5. 【請求項5】 請求項1乃至請求項4に記載の故障診断
    方法において、前記計測信号は振動であることを特徴と
    する故障診断方法。
  6. 【請求項6】 請求項1乃至請求項4に記載の故障診断
    方法において、前記計測信号は音響、音響放射(アコー
    ステックエミッション)、電流変動または有効電力変動
    であることを特徴とする故障診断方法。
  7. 【請求項7】 請求項1乃至請求項6に記載の故障診断
    方法において、前記被検査物は機械、車両、航空機、建
    築物のいずれかであることを特徴とする故障診断方法。
  8. 【請求項8】 請求項1乃至請求項7に記載の故障診断
    方法を実施するための故障診断器であって、被検査物に
    対する接触子を備えていることを特徴とする故障診断
    器。
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