JP2008134115A - 異常診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】振動検出器を備えた軸受の異常診断装置において、振動検出器の異常を検出することを可能とすること。
【解決手段】振動検出器によって検出された振動信号に含まれる所定の周波数帯域のスペクトル強度の平均値が、軸受の回転速度から導かれる閾値よりも小さくなったときに、振動検出器の異常であると判定する振動検出器診断処理手段を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、鉄道車両、自動車等といった車両の車軸を支持するために用いられる車両用軸受等の傷等の異常を、軸受が発する振動を解析することによって診断する異常診断装置に関し、特に、振動を検出する振動検出器の異常を検出する機能を備えた異常診断装置に関する。

従来の異常診断技術としては特許文献１に示されているものがある。その構成は、被測定物から発生する音又は振動をセンサにより検出して電気信号へ変換し、Ａ／Ｄ変換を行い、その信号のエンベロープ（包絡線）を求めるエンベロープ処理をした後、高速フーリエ変換（FFT）を行い、周波数スペクトルの移動平均処理することにより平滑化した上でピークを検出し、そのピークに基づいて異常を診断するものである。
しかしながら、上記の振動を検出するセンサ（以下、「振動検出器」という。）が異常であれば、軸受が正常であるにもかかわらず振動検出器の出力は異常なものとなり、結果としては軸受が異常であると判定されてしまうことになる。逆に言えば、軸受の異常診断結果が異常なものであったとしても、それが軸受自体の異常なのか振動検出器の異常なのかが分からないため、判定結果をそのまま信用できないという問題がある。
特開2006−113002号公報

本発明は、かかる従来の異常診断装置における問題点に鑑み為されたものであり、振動検出器を備えた軸受の異常診断装置において、振動検出器の異常を検出することが可能な異常診断装置を提供することを目的とする。

本発明は、軸受の回転速度を検出するための回転検出器と、前記軸受の振動を検出するための振動検出器と、前記振動検出器から出力される振動信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器の出力信号と前記軸受の回転速度とを基に演算処理をして前記軸受の異常診断を行う軸受診断処理手段とを備えた、前記軸受の異常を診断する異常診断装置に関し、本発明の上記目的は、前記出力信号を処理して得られる値が、所定の振動検出器異常閾値よりも小さいときに、前記振動検出器の異常と診断する振動検出器診断処理手段を備えることによって達成される。

また、本発明の上記目的は、前記出力信号を処理して得られる値を、前記出力信号に含まれる所定の周波数帯域のスペクトル強度の平均値、或いは、前記出力信号の実効値とすることによって効果的に達成される。

さらに、本発明の上記目的は、前記所定の振動検出器異常閾値を前記軸受の回転速度から導くことによって、さらに効果的に達成される。

本発明に係る異常診断装置によれば、従来行われている異常診断処理において取得したデータに基づいて振動検出器の異常診断が可能となる。従って特別な装置を用意することなく振動検出器の異常診断が行えるため、軸受の異常診断の信頼性が向上する。

以下、図面を参照にしながら、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明に係る異常診断装置の第１実施形態を示すブロック図である。本実施形態において異常診断の対象となる軸受は、例えば鉄道車両の車軸を支持する車両用軸受装置内に配される転がり軸受である。同図において、軸受１は、車体側ハウジング等に内嵌された外輪１ａと、車軸に外嵌されて該車軸とともに回転する内輪１ｂと、外輪１ａと内輪１ｂとの間に転動自在に配設された複数の転動体（ボールまたはころ）１ｃとを備えている。
本発明に係る異常診断装置２は、このような鉄道車両等に使用される転がり軸受１を診断対象として、軸受の傷や剥離等による異常の発生およびその予兆を検知するものである。図１において、異常診断装置２は、軸受１から発生する振動及び軸受の回転速度を検出するための検出部１０と、該検出部１０からの出力に基づいて、軸受１の異常を診断する演算処理部２０とを備えている。
検出部１０は、軸受１から発生する振動を、電気信号である振動信号に変換する振動検出手段としての振動検出器１１ａ及び該振動検出器１１ａから出力される振動信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器１２ａ、並びに、軸受１の回転速度を電気信号である回転速度信号に変換する回転速度検出手段としての回転検出器１１ｂ及び該回転検出器１１ｂから出力される回転速度信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器１２ｂを備えている。
また、演算処理部２０は、検出部１０のＡ／Ｄ変換器１２ａ、１２ｂからの出力に基づいて、軸受１の異常を診断する機能を有しており、本実施形態では鉄道の制御系と接続され、軸受１の異常診断結果に応じた制御信号を制御系に出力するようにしている。鉄道車両の制御系では、車両走行中、演算処理部２０からフィードバックされる診断結果を常時監視し、軸受１の異常あるいはその予兆が検知された際には、速やかにしかるべき対処動作を実施する。

図２は、本実施形態における振動による軸受の異常診断処理の例を示すフローチャートである。
異常診断装置２内の演算処理部２０は、検出部１０のＡ／Ｄ変換器１２ｂから回転速度信号を取得し（ステップＳ１）、検出部１０のＡ／Ｄ変換器１２ａから振幅補正後の振動データを取得し（ステップＳ２）、該振動データを高速フーリエ変換（ＦＦＴ）して周波数解析し、得られたパワースペクトルに含まれるピークとなる周波数と、軸受諸元（転動体１ｃの数や直径等）及び軸受１の回転速度から得られる特徴周波数とを比較し、軸受１の剥離等の異常を検出する。

詳しくは、ステップＳ３〜ステップＳ１５に示すように、先ず、演算処理部２０は、上記ステップＳ２で取得した振動データから不要な周波数帯域の信号を取り除くフィルタ処理をした後（ステップＳ３）、抽出された所定の周波数帯域の信号のエンベロープ（包絡線波形）を検波するエンベロープ処理を実施する（ステップＳ４）。そして、エンベロープ処理により得られたエンベロープの周波数解析を実施する（ステップＳ５）。
そして、周波数解析によって得られたパワースペクトルから、異常とみなす各傷成分の周波数帯域において、ピークとなる周波数（スペクトル強度）を抽出する（ステップＳ６）。
そして、その他の周波数帯域のスペクトル強度の平均値を計算するとともに（ステップＳ７）、ステップＳ１で取得した回転速度から振動検出器異常閾値を計算する（ステップＳ８）。
次に、ステップＳ７で求めたスペクトルの平均値と、ステップＳ８で求めた閾値とを比較し、平均値が閾値よりも小さいときは（ステップＳ９の“ＮＯ”）、振動検出器の異常と判定し（ステップＳ１０）、その旨を示す情報をモニタ等に表示する（ステップＳ１５）。また、その診断結果に応じた制御信号を鉄道車両の制御系に出力するようにしてもよい。

一方、ステップＳ９において、平均値が閾値以上であれば（ステップＳ９の“ＹＥＳ”）、振動検出器は正常であるので、スペクトルの平均値に基づいて基準値を算出し（ステップＳ１１）、この基準値と、異常とみなす特徴周波数におけるスペクトルのピーク値とを比較する（ステップＳ１２）。
ここで、異常とみなす特徴周波数について説明する。
軸受１に傷等の欠陥が生じた場合の振動周波数は、軸受１の構成要素（各部材）によって異なるが、異常とみなす各構成要素の周波数帯域は、車軸とともに回転する内輪１ｂの回転周波数ｆｒを基に求めることが可能である。
下記の表１は、軸受１の構成要素となる各部材の欠陥、具体的には、傷と、各部材（図１中の内輪１ｂ、外輪１ａ及び転動体１ｃ、及び図示されない保持器）で発生する異常振動周波数（エンベロープ処理後の周波数）との関係を示している。

そして、前記ステップＳ１２においては、ステップＳ１１で設定した基準値と各傷成分の特徴周波数（Ｚｆｉ，Ｚｆｃ，２ｆｂ，ｆｃ）におけるスペクトルのピーク値とを比較する。
そして、各特徴周波数（Ｚｆｉ，Ｚｆｃ，２ｆｂ，ｆｃ）におけるスペクトルのピーク値が全て基準値以下であれば、軸受１は異常なしと判定する（ステップＳ１４）。一方、各特徴周波数（Ｚｆｉ，Ｚｆｃ，２ｆｂ，ｆｃ）におけるスペクトルのピーク値のいずれかが基準値を超えている場合には、軸受１に異常ありと判断し、当該特徴周波数を基に異常部位を特定し（ステップＳ１３）、その旨を示す情報をモニタ等に表示する（ステップＳ１５）。

なお、上記ステップＳ７においてその他の帯域のスペクトルの平均値を計算しているが、これに限らず実効値等を用いても良い。
また、振動検出器の異常診断処理において、上記ステップＳ８で振動検出器異常閾値を軸受の回転速度から計算で求めているが、振動検出器が故障した場合、スペクトル平均値又は実効値は小さな値となるため、振動検出器異常閾値を軸受の回転速度から求めるのではなく固定値としてもよい。
また、軸受回転速度をＡＤ変換により求めたが、この限りでなく、例えば、回転パルスを演算処理部のインプットキャプチャ入力端子へ入力させてもよい。

［第２実施形態］
図３は、本発明に係る異常診断装置の第２実施形態を示すブロック図である。なお、同図において、第１実施形態と同一の構成部には同一の符号を付して、その説明を簡略化または省略する。
同図において、本実施形態に係る異常診断装置２Ａは、軸受１から発生する温度、振動および軸受１の回転状態を検出するための検出部１０Ａと、該検出部１０Ａからの出力に基づいて、軸受１の異常を診断する演算処理部２０Ａとを備えている。すなわち、上述した第１実施形態では、軸受１及び振動検出器１１ａの異常を判定するパラメータとして振動データと回転速度データを用いていたが、本実施形態においては、さらに温度データを加えて、軸受１及び振動検出器１１ａの異常を判定するようになっている。
検出部１０Ａは、振動検出器１１ａ、および該振動検出器１１ａから出力される振動信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器１２ａ、軸受１の回転状態を電気信号である回転速度信号に変換する回転速度検出手段としての回転検出器１１ｂと、回転検出器１１ｂから出力される回転速度信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器１２ｂ、及び軸受１の温度状態を電気信号である温度信号に変換する温度検出手段としての温度検出器１１ｃと、該温度検出器１１ｃから出力される温度信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器１２ｃとを備えている。
また、演算処理部２０Ａは、上記構成からなる各検出部１０ＡのＡ／Ｄ変換器１２ａ，１２ｂ，１２ｃから出力される量子化データに基づいて、軸受１の異常を診断する機能を有している。なお、本実施形態における演算処理部２０Ａは、上述した第１実施形態と同様、鉄道の制御系と接続され、軸受１の異常診断結果に応じた制御信号を制御系に出力するようにしている。

図４は、振動データと温度データとに基づいて、軸受１を異常診断する処理例を示すフローチャートである。本実施形態に係る演算処理部２０Ａは、図２に示した振動解析処理に加えて、温度の状態も診断することにより、軸受の各種の異常を一層高精度に検出できるようになっている。
演算処理部２０Ａは、まず温度データ取得回数の値Ｍを初期値（Ｍ＝０）にセットするとともに（ステップＳ２１）、温度異常を判定するための閾値の設定を行う。この閾値は、実測または理論計算に基づいて選定され、例えばオペレータによって予め設定されている（ステップＳ２２）。

続いて、図２に示したフローチャートにしたがって、振動検出器１１ａ及び軸受１の異常診断処理を実施する（ステップＳ２３）。

次に、温度検出器１１ｃで検出した軸受１の温度データをＡ／Ｄ変換器１１ｃを介して取得する（ステップＳ２４）。そして、取得した温度データを移動平均処理することにより、Ａ／Ｄ変換時に重畳したノイズの影響を低減させる。移動平均処理した温度データはメモリ等に保存しておく（ステップＳ２５）。その後、温度データ取得回数の値Ｍをインクリメント（Ｍ＝Ｍ＋１）し（ステップＳ２６）、ステップＳ２４に戻って、ステップＳ２６までの処理を繰り返す。そして、ステップＳ２７において、規定回数（本例ではＭ＝９回）繰り返したと判定した場合は、移動平均処理後の温度データの値と温度異常の閾値とを比較する（ステップＳ２８）。そして、温度データの値が閾値以下であれば、軸受１に異常なしと判定する（ステップＳ２９）。
一方、温度データの値が温度異常の閾値を超えていれば、軸受１に異常ありと判断し（ステップＳ３０）、その診断結果に応じた制御信号を鉄道車両の制御系に出力するとともに、例えばその旨を示す情報をモニタ等に表示する（ステップＳ３１）。したがって、軸受１の振動もしくは温度の異常が検出された場合には、当該制御信号が鉄道車両の制御系に出力されるとともに、診断結果が表示される。

なお、上述した実施の形態においては、鉄道車両用の軸受を診断対象とした場合を例として説明したが、鉄道車両用の軸受に限らず、自動車や船舶など、乗物全般に使用される軸受を診断対象とすることができる。

本発明の第１実施形態に係る異常診断装置を示すブロック図である。 第１実施形態における軸受の異常診断処理の例を説明するためのフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る異常診断装置を示すブロック図である。 第２実施形態における振動および温度による軸受の異常診断処理の例を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１ 軸受
２，２Ａ 異常診断装置
１０，１０Ａ 検出部
１１ａ 振動検出手段（振動検出器）
１１ｂ 回転速度検出手段（回転検出器）
１１ｃ 温度検出手段（温度検出器）
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ Ａ／Ｄ変換器
２０，２０Ａ 演算処理部

Claims (6)

1. 軸受の回転速度を検出するための回転検出器と、
   前記軸受の振動を検出するための振動検出器と、
   前記振動検出器から出力される振動信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、
   前記Ａ／Ｄ変換器の出力信号と前記軸受の回転速度とを基に演算処理をして前記軸受の異常診断を行う軸受診断処理手段とを備えた、前記軸受の異常を診断する異常診断装置において、
   前記出力信号を処理して得られる値が、所定の振動検出器異常閾値よりも小さいときに、前記振動検出器の異常と診断する振動検出器診断処理手段を備えたことを特徴とする異常診断装置。
2. 前記出力信号を処理して得られる値が、前記出力信号に含まれる所定の周波数帯域のスペクトル強度の平均値であることを特徴とする請求項１に記載の異常診断装置。
3. 前記出力信号を処理して得られる値が、前記出力信号の実効値であることを特徴とする請求項１に記載の異常診断装置。
4. 前記所定の振動検出器異常閾値が前記軸受の回転速度から導かれるものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の異常診断装置。
5. 前記所定の振動検出器異常閾値が予め設定した固定値であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の異常診断装置。
6. さらに前記軸受の温度を検出する温度検出器を備え、検出された温度が所定の閾値を超えたときに、前記軸受診断処理手段が前記軸受の異常と診断することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の異常診断装置。

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