JP2012047639A - 回転体の異常診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸の亀裂の発生や進展に伴う弾性波信号を、減衰させることなく、高精度で受信することができる回転体の異常診断装置を提供する。
【解決手段】異常診断装置１０は、スピンドル４ａ，４ｂに発生する弾性波を検出する少なくとも１個以上のＡＥセンサ１２と、ＡＥセンサに有線接続され、ＡＥセンサ１２の信号に基づいて異常を診断する解析手段１６とを有する。スピンドル４ａ，４ｂにそれぞれには、外径、厚さ、及び材質の少なくともいずれかが異なる円環状の導波リング１４，１４が設けられる。ＡＥセンサ１２が設けられた流体貯留部１１には、スピンドル４ａ，４ｂにそれぞれに設けられた導波リング１４，１４の一部が浸漬された流体が充填される。解析手段１６は、導波リング１４，１４の外径、厚さ、及び材質によって変化するＡＥセンサ１２で検出された弾性波に基づいてスピンドル４ａ，４ｂの異常を解析する。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転体において発生する亀裂等の異常を診断する異常診断装置に関し、特に、回転体の亀裂の発生や進展に伴って発生する弾性波信号をアコースティックエミッション（ＡＥ）センサで検出する異常診断装置に関する。

従来より、鋼板などを圧延する圧延機には、鋼板を圧延する一対の圧延ローラにモーターから駆動力を伝達するために、ギアや回転軸が多数介在している（以下、ギア及び回転軸をまとめて「回転体」と呼ぶ。）。
各々のスピンドルを支持する軸受は、使用条件によっては、運転中に微細な磨耗粉等が発生し、磨耗粉が異物となって潤滑油に混入して焼き付き等の異常が発生したり、亀裂等の損傷が発生することがある。

このような異常や損傷の存在を検知する手段としては、加速度計等の振動センサで圧延機等の振動を計測する手段や、軸受の亀裂の発生や進展に伴って発生する弾性波（ＡＥ信号）をアコースティックエミッション（ＡＥ）センサで計測する手段が挙げられる。そして、これらの検知手段は軸受に取付けられることが多い。
しかしながら、圧延機における亀裂等の異常発生は、軸受だけでなく、スピンドルそのものに発生することがある。
この場合、従来の軸受に設けられたＡＥセンサは、スピンドルの亀裂発生や進展に伴って発生する弾性波（ＡＥ信号）を、軸受経由で受信することとなる。

しかし、軸受に取付けたＡＥセンサによって、軸受を介してスピンドルの異常を検出する方法では、スピンドルから発生する弾性波（ＡＥ信号）が減衰してしまうという問題がある。
このような問題を解決する方法として、例えば、特許文献１に記載の技術が開示されている。
図６は、特許文献１における異常診断装置を示す図である。図６に示すように、特許文献１に記載の異常診断装置は、回転体２００にＡＥセンサ２０１を直接設置し、このＡＥセンサ２０１が検知したＡＥ信号を、異常診断手段を備えた受信装置（図示せず）に無線で伝送する方法である。

特開平９−２６４１４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術においては、回転体に直接設置されたＡＥセンサが検知したＡＥ信号を異常診断手段に無線で伝送するため、無線で伝送した信号にノイズが含まれる。このノイズの発生によって、微弱なＡＥ信号をＡＥセンサが検出できない可能性があり、結果として異常診断の検出の精度の低下をもたらしていた。
また、ＡＥセンサや送信アンテナが回転体に設置されるため、ＡＥセンサや送信アンテナへの給電方法に課題が残されている。給電方法としては、例えば、スリップリングなどを用いることが挙げられる。しかし、このような給電方法によっても、ノイズの発生やスリップリングにおける接触不良などの問題が生じやすく、異常診断の検出の精度が低下する結果を招くことになる。なお、特許文献１には、このような問題を解決する手段については何ら開示されていない。
従って、本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転体の亀裂の発生や進展に伴う弾性波信号を、減衰させることなく受信することができる異常診断装置を提供することにある。

上記問題を解決するため、本発明の請求項１に係る回転体の異常診断装置は、回転体に発生する弾性波を検出する少なくとも１個以上の弾性波検出手段と、その弾性波検出手段に有線接続され、前記弾性波検出手段で検出された弾性波に基づいて前記回転体の異常を解析する解析手段とを有する回転体の異常診断装置であって、
複数の前記回転軸の外周面にそれぞれ設けられ、外径、厚さ、及び材質の少なくともいずれかが異なる円環状の導波リングと、
前記導波リングの一部が浸漬された流体が充填され、前記弾性波検出手段が設けられた流体貯留部とを有し、
前記解析手段は、前記導波リングの外径、厚さ、及び材質によって変化する前記弾性波検出手段で検出された弾性波に基づいて複数の前記回転体の異常を解析することを特徴としている。

本発明の請求項１に係る回転体の異常診断装置によれば、複数の回転軸（スピンドル）に、外径、厚さ、及び材質の少なくともいずれかが異なる導波リングがそれぞれ設けられ、各導波リングの外径、厚さ、及び材質によって変化する弾性波に基づいて各回転軸及びそれに関連するギアなどを含む回転体の異常を解析することができる。その結果、回転体の亀裂の発生や進展に伴う弾性波信号を、減衰させることなく受信することができる異常診断装置を提供することができる。

本発明に係る回転体の異常診断装置が設置される圧延装置の構成を示す概略図である。 本発明に係る異常診断装置の構成を示すブロック図である。 流体供給部の構成を示す概略図である。 本発明に係る回転体の異常診断装置の一実施形態における構成を示す概略図である。 本発明に係る回転体の異常診断装置の一実施形態において得られるＡＥ波を示すグラフである。 従来の異常診断装置を備えた圧延装置の構成を示す概略図である。

以下、本発明に係る回転体の異常診断装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る回転体の異常診断装置の一実施形態における構成を示す概略図である。また、図２は、本発明に係る回転体の異常診断装置の構成を示すブロック図である。また、図３は、流体供給部の構成を示す概略図である。また、図４は、本発明に係る回転体の異常診断装置の一実施形態における構成を示す概略図である。
図１に示すように、圧延機１は、モーター（電動機）８と、モーター８の駆動力をスピンドル４ａ，４ｂに伝達するピニオンギア６ａ，６ｂ、及び減速機７と、スピンドル４ａ，４ｂに連結され、鋼材（被圧延材）５０を挟んで圧延する一対の圧延ロール２ａ，２ｂとを有する。

スピンドル４ａ，４ｂは、圧延ロール２ａ，２ｂの回転軸５ａ，５ｂにそれぞれ連結されている。スピンドル４ａ，４ｂのそれぞれには、相互に噛み合わされたピニオンギア６ａ，６ｂが連結されている。ピニオンギア６ａには、減速機７を介して、モーター８の駆動力を伝達する回転軸９が連結されている。回転軸５ａ，５ｂの両端部、スピンドル４ａ，４ｂ、及び回転軸９には、これらをそれぞれ支持する複数の軸受３が設けられている。
すなわち、圧延機１においては、モーター８からの出力が、減速機７を介して伝達されたピニオンギア６ａ，６ｂで上下に分配されて、スピンドル４ａ，４ｂの駆動力として伝達される。駆動力が伝達されたスピンドル４ａ，４ｂは、回転軸５ａ，５ｂを介して、圧延ロール２ａ，２ｂを回転させて、鋼材５０を圧延する。

図２に示すように、異常診断装置１０は、弾性波検出手段１０ａ，１０ｂと、解析手段１６とを有する。また、解析手段１６は、制御手段１６ａと、記憶手段１６ｂとを有する。弾性波検出手段１０ａ，１０ｂは、流体供給部１１ａ，１１ｂの内部において維持された流体を介してそれぞれ設けられたＡＥセンサ１２ａ，１２ｂと、各ＡＥセンサ１２ａ，１２ｂに接続されたプリアンプ１３ａ，１３ｂとを有する。解析手段１６は、ＡＥ信号を解析する手段であり、プリアンプ１３ａ，１３ｂに接続されている。プリアンプ１３ａ，１３ｂと、解析手段１６とは有線で接続されている。このため、弾性波検出手段１０ａ，１０ｂで得られた弾性波をＡＥ信号として解析手段１６に送信する際、無線送信によるノイズ減衰が発生しない。
このように構成された異常診断装置１０は、ＡＥセンサ１２ａ、１２ｂの出力がプリアンプ１３ａ，１３ｂを経由して増幅され、解析手段１６でフーリエ変換等の信号処理がなされて、スピンドル４ａ，４ｂにおける異常が検出可能にされている。

＜導波リング＞
図１及び図３に示すように、スピンドル４ａ，４ｂには、それぞれ、導波リング１４が設けられている。
導波リング１４は、円環状をなし、その内周面をスピンドル４ａ，４ｂの外周面に嵌合させて設けられる。なお、スピンドル４ａ，４ｂに設けられる各導波リング１４，１４は、外径、厚さ、及び材質の少なくともいずれかが異なるものが設置される。また、導波リング１４は、上下２分割構造とし、ネジ等でスピンドル４ａ，４ｂに固定する構造とすることにより、スピンドル４ａ，４ｂへの別体としての後付けが可能である。

＜流体貯留部＞
スピンドル４ａ，４ｂの下方には、流体を充填した流体貯留部１１ａ，１１ｂが設置されている。この流体貯留部１１ａ，１１ｂは、圧延機１の接地面に設けられた支持手段１５ａ，１５ｂ上に設置されている。流体貯留部１１ａ，１１ｂの形状は、例えば、開口部を有する無蓋有底の直方体形状である。流体貯留部１１ａ，１１ｂは、充填された流体が、前記開口部側に位置するスピンドル４ａ，４ｂに設けられた導波リング１４，１４の一部を浸漬するように設けられる。また、流体貯留部１１ａ，１１ｂには、スピンドル４ａ，４ｂに亀裂が発生したときに発生する弾性波（ＡＥ信号）を、前記流体を介して検出するためのＡＥセンサ１２ａ，１２ｂが設置されている。ここで、前記流体としては、スピンドル４ａ，４ｂの回転速度に応じた粘性や、耐熱性を有した液体状であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。

＜ＡＥセンサ＞
ＡＥセンサ１２ａは、例えば、流体貯留部１１ａ（１１ｂ）の外壁面に巻回された光ファイバである。具体的には、図３に示すように、ＡＥセンサ１２ａは、いわゆるマッハツェンダー型光ファイバ干渉計を基本とした構成となっている。本実施形態のＡＥセンサ１２ａとしては、例えば、特開２００５−３２１３７６号公報や特開２００７−１０６４６号公報に開示された弾性波検出装置を用いることが好ましい。具体的に、ＡＥセンサ１２ａは、単一波長光を出射する光源１０２と、第１カプラ（スプリッタ）１０４と、光アイソレータ（アイソレータ）１０３と、センサ用光ファイバ１０６と、参照光用光ファイバ１０５と、第２カプラ（結合手段）１０７と、第１光検出器（光検出手段）１０８と、第２光検出器（光検出手段）１０９と、差分回路（ＤＩＦＡ）１１０と、フィルタ（ＢＰＦ）１１１とを備えて構成される。

第１カプラ１０４は、光源１０２からの光を分岐する手段である。
光アイソレータ１０３は、光源１０２と第１カプラ１０４との間に配置され、第１カプラ１０４から光源１０２に戻る光を除去する手段である。
センサ用光ファイバ１０６は、流体供給部１１に配設され、第１カプラ１０４により分岐された一方の光を導光する手段である。
参照光用光ファイバ１０５は、センサ用光ファイバ１０６と同様に、第１カプラ１０４により分岐された他方の光を導光する手段である。参照光用光ファイバ１０５の長さと、センサ用光ファイバ１０６の長さとは同じく設定される。

第２カプラ１０７は、センサ用光ファイバ１０６及び参照光用光ファイバ１０５の一方端から他方端に向けて導光された光を重ね合わせる手段である。
第１光検出器１０８及び第２光検出器１０９は、この第２カプラ１０７により重ね合わされた光の強度を検出する手段である。
差分回路１１０は、第１光検出器１０８の検出信号及び第２光検出器１０９の検出信号の差分成分を抽出して差分信号を生成する手段である。

フィルタ１１１は、周波数が約５０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの信号を抽出して信号Ｓ１１１として処理手段１１２に出力する手段である。
なお、光源１０２と光アイソレータ１０３、光アイソレータ１０３と第１カプラ１０４、第１カプラ１０４と第２カプラ１０７、第２カプラ１０７と第１光検出器１０８、第２カプラ１０７と第２光検出器１０９のそれぞれは、光ファイバＦにより接続されている。

次に、各構成要素について更に詳細に説明する。
光源１０２は、特定波長のレーザ光を、光ファイバＦを介して光アイソレータ１０３に向けて出力する。この光源１０２としては、例えば、レーザダイオード等のレーザ装置が用いられる。例えば光源１０２は波長が１３１３．８ｎｍのレーザ光を出力する。
光アイソレータ１０３は、光源１０２から光ファイバＦを介して出力されたレーザ光を第１カプラ１０４に出力する。また、光アイソレータ１０３は、光源１０２と第１カプラ１０４との間に備えられ、第１カプラ１０４から光ファイバＦを介して光源１０２に戻る光を除去し、光源１０２の光出力を安定化させる。

第１カプラ１０４は、光アイソレータ１０３から出力されたレーザ光を分岐し、一方のレーザ光を参照光用光ファイバ１０５に出力し、他方のレーザ光をセンサ用光ファイバ１０６に出力する。そして参照光用光ファイバ１０５は、第１カプラ１０４で分岐されたレーザ光が一方端から入力され、第２カプラ１０７に接続された他方に向けて光を導光して第２カプラ１０７に出力する。

また、参照光用光ファイバ１０５は、例えば、シングルモードタイプのベアファイバをアクリルやＰＶＣ（Poly vinyl Chloride）で被覆したもの等が用いられる。
センサ用光ファイバ１０６は、第１カプラ１０４で分岐したレーザ光の他方が入力され、第２カプラ１０７に接続された他方端に向けて光を導光して第２カプラ１０７に出力する。また、センサ用光ファイバ１０６には、参照光用光ファイバ１０５と同じ構成（同じ周波数特性）のものが使用される。このセンサ用光ファイバ１０６は、例えば、流体供給部１１の外周面を巻回するように設置される。このとき、センサ用光ファイバ１０６と流体供給部１１の外周面との間には隙間ができるだけないことが好ましい。そこで、流体供給部１１の外周面は円柱形状に形成されることが好ましい。

第２カプラ１０７は、参照光用光ファイバ１０５及びセンサ用光ファイバ６の一方端から他方端に向けて導光された光を重ね合わせ、第１光検出器１０８及び第２光検出器１０９に出力する。そして参照光用光ファイバ１０５及びセンサ用光ファイバ１０６により導光されたレーザ光は、第２カプラ１０７で重ね合わされ、参照光用光ファイバ１０５及びセンサ用光ファイバ１０６の光路差によって干渉光が発生する。

また、本実施形態に係る第２カプラ１０７は、参照光用光ファイバ１０５及びセンサ用光ファイバ１０６の一方端から他方端に向けて導光された光を重ね合わせて干渉光を生成し、その干渉光を分岐させて第１の光、及び第１の光と位相が反転した第２の光を出力する。
第１光検出器１０８及び第２光検出器１０９は、第２カプラ１０７から出力される干渉光の強度を検出する。本実施形態では第１光検出器１０８は、第２カプラ１０７から出力された第１の光の強度を検出し、第２光検出器１０９は、第２カプラ１０７から出力された第２の光の強度を検出する。具体的には、第１光検出器１０８は、入射する第１の光の光強度に応じた電気信号Ｓ１０８を生成して差分回路１１０に出力する。

また、第２光検出器１０９は、入射する第２の光の光強度に応じた電気信号Ｓ１０９を生成して差分回路１１０に出力する。そして第１光検出器１０８及び第２光検出器１０９には、例えばフォトダイオードが用いられる。また第１光検出器１０８及び第２光検出器１０９で検出される信号の位相は反転している。
また、光源１０２により出力されたレーザ光は、光検出器１０８，１０９に検出されるまで光ファイバ内を伝播するため、光軸の調整や振動制御を行う必要がない。

差分回路（ＤＩＦＡ）１１０は、第１光検出器１０８の検出信号である信号Ｓ１０８と、第２光検出器１０９の検出信号である信号Ｓ１０９の差分成分を抽出して差分信号を生成する。差分成分を抽出することにより直流成分の除去やＳ／Ｎ（Signal to Noise ratio）比を大きくすることができる。また、差分回路１１０は、差分信号を検出用の信号Ｓ１１０としてフィルタ１１１に出力する。また、差分回路１１０は、位相の反転した信号Ｓ１０８と信号Ｓ１０９との差分信号を生成するので増幅機能を有する。

フィルタ１１１は、差分回路１１０から出力された信号Ｓ１１０から弾性波検出に必要な成分を抽出して信号Ｓ１１１としてプリアンプ２２ａ，２２ｂに出力する。そしてフィルタ１１１は、例えばバンドパスフィルタにより構成され、例えば信号Ｓ１１０から周波数が約５０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの信号を抽出して信号Ｓ１１１として処理手段１１２に出力する。

処理手段１１２は、例えばフィルタ１１１から出力された信号Ｓ１１１をアナログ信号からデジタル信号に変換して取り込む。この処理手段１１２は、例えばパーソナルコンピュータやデジタルオシロスコープ等により構成される。また、処理手段１１２は、取り込んだ信号Ｓ１１１から時間と周波数の情報を抽出し、当該情報からスピンドル４ａ，４ｂに発生する弾性波を検出する。

その後、処理手段１１２は、取り込んだ信号Ｓ１１１をプリアンプ２２ａ，２２ｂに出力する。プリアンプ２２ａ，２２ｂで増幅された信号Ｓ１１１は、プリアンプ２２ａ，２２ｂから解析手段１６に送信される（図３参照）。解析手段１６では、例えば取り込んだ信号Ｓ１１１にフィルタ処理、周波数変換処理、ウェーブレット変換処理等を施して、群速度分散や、特定周波数成分の経時変化が解析される。

ここでウェーブレット変換について説明する。ウェーブレット変換は、時間と周波数に依存した窓関数の形を変化させて、検出波形の全域から時間と周波数の情報を抽出する。すなわち、検出波形の各時間において時間−周波数変換を行い、周波数帯域毎の信号強度を時系列的に求める。これにより、特定の周波数における特定モードの波の到達時間の情報が得られ、例えば、音源位置を特定することができる。
このように、本実施形態によれば、流体供給部に巻回した光ファイバの伸縮によって回転体に生じた欠陥を検知するＡＥセンサを使用しているので、回転体に生じた欠陥をより高い精度で検知することができる。

＜異常診断方法＞
ここで、流体を介してスピンドル４ａ内部で発生した弾性波を検知して異常を診断する方法について具体的に説明する。
＜ＡＥ信号の判定＞
図５（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態において得られるＡＥ波を示すグラフ、すなわち、導波リングの外径、厚み、及び材質を変化させたときのＡＥセンサにおける弾性波の検出波形と周波数応答との関係を示すグラフである。図５（ａ）は、導波リングの材質をアルミニウムとし、外径が４０ｍｍφ、厚さを１０ｍｍとしたときの結果であり、図５（ｂ）は、導波リングの材質をプラスチックとし、外径が４５ｍｍφ、厚さを１０ｍｍとしたときの結果であり、図５（ｃ）は、導波リングの材質を鉄とし、外径が４０ｍｍφ、厚さを１０ｍｍとしたときの結果であり、図５（ｄ）は、導波リングの材質を鉄とし、外径が４５ｍｍφ、厚さを１５ｍｍとしたときの結果である。弾性波は、シャープペンシル芯圧折法によって発生させた擬似ＡＥ波を採用した。シャープペンシル芯圧折法は、ＡＥセンサの感度確認方法として従来より用いられる方法である。具体的には、外径２０ｍｍφのスピンドルの一部に外径６ｍｍφの段付き部を形成し、スピンドルの先端に１５ｋｇｆの荷重を取付けて回転させ、段付き部の先端にシャープペンシルの芯を圧折することによって擬似ＡＥ波を発生させる方法である。すなわち、図５（ａ）〜（ｄ）に示すグラフは、このようにして発生させた擬似ＡＥ信号（弾性波）を、導波リング及び流体を介してＡＥセンサで検出した波形と周波数応答関数との結果を示すものである。

図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、導波リングの形状（厚み・外径・材質）の違いによって、検知した弾性波形の周波数応答が顕著に変化することがわかる。これは、導波リングの外径、厚み、材質の違いにより擬似ＡＥ信号（弾性波）の伝播特性が異なることを意味している。
この周波数特性の違いを利用して、２つの光ファイバセンサを直列に接続した構成によって、併設された２つの回転体の異常診断を１つの異常診断装置１０で行う。具体的には、図４に示すように、検査対象である２つの回転体４ａ，４ｂのそれぞれに厚みの異なる導波リング１４，１４を設置し、各導波リング１４，１４の一部が流体ｆに浸漬された流体貯留部１１ａ，１１ｂにそれぞれ設置されたＡＥセンサ１２，１２を解析手段１６に対して直列に接続する。このような構成において、検出波形は、１本の光ファイバ線Ｆで送信されることから、得られた検出波形がどちらの回転体に設けられたＡＥセンサから検知した信号であるかを判別する必要がある。

そこで、制御手段１６ａは、導波リングの外径、厚み、及び材質によって特定される弾性波形の周波数応答のサンプリング結果に関する情報が予め記憶されている記憶手段１６ｂのそのサンプリング結果に関する情報を参照して、導波リングの形状を特定し、どちらの回転体で検知した信号であるかを判別する。この判別は、例えば、図５（ａ）〜（ｄ）に示した、○で囲んだ部分の周波数ピークの違いを検知して行われる。

以上説明したように、本実施形態の構成によって、導波リングの外径、厚み、及び材質によって変化するＡＥ信号（弾性波）の伝播特性に基づいて、複数の回転体に設置した複数の光ファイバセンサのそのセンサが検知した信号であることを判別することが可能である。
その結果、各回転体の異常を解析することができ、回転体の亀裂の発生や進展に伴う弾性波信号を、減衰させることなく受信することができる異常診断装置を提供することができる。また、１本の通常の光ファイバ線上に複数個のＡＥセンサを構成することが可能となるので、ＡＥセンサの配線の設置時闇や費用を低滅することが可能である。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに、種々の変更、改良を行うことができる。例えば、上述の実施形態では、外径、厚さ、及び材質の異なる導波リングを、２本のスピンドル（回転軸）にそれぞれ設けたが、１本のスピンドルに、外径、厚さ、及び材質の異なる複数の導波リングを設けてもよい。

１ 圧延装置
２ａ，２ｂ 圧延ロール
３ 軸受
４ａ，４ｂ スピンドル（回転軸）
１０ 異常診断装置
１１ 流体貯留部
１２ ＡＥセンサ
１４ 導波リング

Claims (1)

1. 回転体に発生する弾性波を検出する少なくとも１個以上の弾性波検出手段と、その弾性波検出手段に有線接続され、前記弾性波検出手段で検出された弾性波に基づいて回転体の異常を解析する解析手段とを有する回転体の異常診断装置であって、
   複数の前記回転軸の外周面にそれぞれ設けられ、外径、厚さ、及び材質の少なくともいずれかが異なる円環状の導波リングと、
   前記導波リングの一部が浸漬された流体が充填され、前記弾性波検出手段が設けられた流体貯留部とを有し、
   前記解析手段は、前記導波リングの外径、厚さ、及び材質によって変化する前記弾性波検出手段で検出された弾性波に基づいて複数の前記回転体の異常を解析することを特徴とする回転体の異常診断装置。

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