JP2012068246A - 歯車噛み合い障害検出の側波帯エネルギー比率方法 - Google Patents

Abstract

【課題】歯車箱の劣化を評価する方法（５００）を提供すること。
【解決手段】歯車箱の劣化を評価する方法（５００）を開示する。歯車箱が動作した結果として生成された高調波周波数振幅（５０８）およびそれに関連する側波帯（５１０）に関するデータを動作中の歯車箱から得る（５０２、５０４）。第１の実施形態では、ある高調波に関連する側波帯信号（５１２）の和の振幅を該高調波の振幅（５０８）で割ることによって側波帯エネルギー比率（ＳＥＲ）を算出する。第２の実施形態では、隣接する高調波に関連する側波帯振幅（６１４）に基づいてＳＥＲを算出する。この比率を経時的に監視するかあるいは１つまたは複数の値と比較して（６１８）劣化を表示してもよい。
【選択図】図５

Description

本主題は、機械的構成部材の正常性の評価に関し、より具体的には、歯車箱内の歯車の正常な状態からの劣化を評価する方法に関する。

当技術分野で公知のように、歯車箱内の歯車セットは、時間の経過とともに正常な、多くの場合新品の状態から、歯車箱の故障または少なくとも非効率的な動作を生じさせる恐れがある異常な状態に劣化する可能性がある。差し迫った問題を早期に示すことのできる歯車箱状態監視システムを開発することが課題であってきた。この分野における従来の試みでは、噛み合い周波数および高調波自体は通常、歯車状態の指標として不十分であることが確認されている。また、風力タービンなどの可変速度機械は、荷重および速度が広範囲に変動することがあり、これにより、歯車噛み合い周波数分析がさらに複雑になる。

進行している劣化について歯車を監視しようとする従来の試みは、たとえば、噛み合い周波数および高調波振幅を抽出し、それらの傾向を分析することにあった。しかし、この方法は、発生し始めの障害に対する感度が比較的低いためうまく機能しないことが分かっている。これに関する１つの従来の試みが、「ROTATIONAL STATISTICAL VIBRATION ANALYSIS EMPLOYING SIDEBANDS AND/OR WEIGHTING」という名称の、Ｇａｍｅｓ等の米国特許第３７５８７５８号で教示されている。

米国特許第６，４８４，１０９号公報

機械の正常性を監視しようとする従来の試みに関連するこれらの公知の問題を考慮すると、感度が向上し、出力および速度の変動による影響が少なく、機械、特に歯車箱システムを含む機械の正常性を正確に評価する簡単な分析方法を提供する必要が依然としてある。

本発明の態様および利点は、一部が以下の説明に記載されており、あるいは以下の説明から明らかになり、あるいは本発明を実施することによって知ることができる。

本主題は、機械、特に歯車箱を含む機械の劣化を評価する方法に関する。動作中の機械において発生した側波帯振幅の和の、中心高調波周波数振幅に対する比率を求める計算を行う。次に、算出された比率を経時的に評価し、かつ／あるいは所定の値と比較する。

代替の実施形態では、隣接する高調波周波数の側波帯振幅に基づいて比率を算出する。第１の代替の実施形態では、隣接する高調波の中心高調波周波数振幅に対する側波帯の比率を使用してこの比率を算出する。第２の代替の実施形態では、隣接する高調波のみに関連する側波帯の振幅の比率を使用してこの比率を算出する。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照することによってよりよく理解されよう。添付の図面は、本明細書に組み込まれ、かつ本明細書の一部を構成しており、本発明の実施形態をその説明と一緒に例示し、本発明の原則を説明する働きをする。

当業者に対する本発明の最良の形態を含む、本発明の完全で有効な開示が、添付の図を参照する本明細書に記載されている。

正常な歯車噛み合いシステムを試験することによって得られた１次、２次、および３次振幅対周波数波形のグラフである。 損傷した歯車噛み合いシステムをから得られた１次、２次、および３次振幅対周波数波形のグラフである。 本技術に従って歯車箱の劣化について試験した際に早期に得られた試験結果のグラフである。 図３に示されているのと同じ試験からであるが、それよりも後で同試験において得られた試験結果のグラフである。 歯車箱の劣化について図３および４に示されている試験結果を評価するために本主題に従って実施されるステップのチャートである。 歯車箱の劣化について図３および４に示されている試験結果を評価するために本主題の他の実施形態に従って実施されるステップのチャートである。 本技術による機械正常性監視装置の概略図である。

本明細書および添付の図面全体にわたって参照符号が繰り返し使用されているが、これらは本発明の同じまたは類似の特徴または要素を表すことを意図する。

次に、本発明の実施形態を詳しく参照するが、実施形態の１つまたは複数の例が図示されている。各例は、本発明を説明するために提供され、本発明を制限するためのものではない。実際、当業者には、本発明の範囲または精神から逸脱すること無く本発明に様々な修正および変形を施せることが明らかになろう。たとえば、１つの実施形態の一部として図示または説明する特徴を他の実施形態に使用してさらに別の実施形態を実現することができる。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内であるそのような修正および変形を対象とするものである。

上記に指摘したように、本主題は、歯車箱における機械の正常性、特に歯車噛み合いの正常性を監視するように設計される。周波数ドメインでは、噛み合い周波数およびその高調波は一般に、歯車箱の劣化の指標としては不十分であることが分かっている。通常、噛み合いラインの周りの側波帯は、損傷が蓄積するにつれて現れ、相対振幅が増大し、したがって、側波帯を含めることによって、異常検出を改善することができる。

側波帯は、歯車噛み合い振動振幅を歯車欠陥によって振幅または周波数変調させることによって得ることができる。通常、このような変調は、軸速度および軸速度の高調波に関係付けられるが、他の原因に関係付けることもできる。このような要素は、中心噛み合い周波数からの特徴的な側波帯間隔を生成する。本主題によるアルゴリズムは、この情報を使用して特定の適切な側波帯を識別する。

風力タービンなどの可変速度および出力機械では、トルクに対するスペクトル線の振幅の依存度が極めて高くなることがある。本主題は、中心噛み合い周波数振幅に対する側波帯振幅の比率を算出することによって、トルクに対するこの感度を低下させ、歯車の正常性をより正確に示すのを可能にする。

本技術によれば、経時的に監視し１つまたは複数のアラームレベルと比較して機器のオペレータに指示または警告を与えるのを可能にする有用な歯車噛み合い状態指標として、側波帯エネルギー比率（ＳＥＲ）が用意されている。場合によっては、欠陥のあるシステムへの電力を遮断することのような自動保護処置を実行できるようにアラームレベルを設定することができる。

次に図１を参照すると、正常な歯車噛み合いシステムを試験することによって得られた１次、２次、および３次振幅対周波数波形のグラフが示されている。本説明では、図１および２で示されているような１次噛み合いライン、２次噛み合いライン、３次噛み合いラインなどを示すのに用語１次、２次、３次などが本明細書で使用されていることに留意されたい。図１に示されているように、正常な歯車噛み合いシステムの動作周波数表現に存在する側波帯は比較的小さく、あるいはまったく存在しない。

次に、図２を参照すると、損傷した歯車噛み合いシステムをから得られた１次、２次、および３次振幅対周波数波形のグラフが示されていることが分かる。図１および２の代表的な波形を比較すると明らかなように、損傷した歯車噛み合いシステムでは、正常なシステムよりも、１次、２次、および３次周波数における側波帯が高いかあるいは大きくなる。理解されるように、側波帯周波数は一般に、中心周波数の振幅または周波数変調の結果として形成される。歯車の劣化が進行すると、中心周波数の変調に寄与する不規則性が形成される。

次に、図３および４を参照すると、本技術に従って歯車箱の劣化について試験した際に早期に得られた試験結果（図３）およびそれよりも後で得られた試験結果（図４）のグラフが示されている。点線の卵形３００および４００で示された、１次、すなわち中心周波数を囲む領域は、試験の読み取り値を示している。図３に示されているように、試験の早期段階では、歯車の損傷がほとんど無く、したがって、側波帯は非常に低い。

試験おいてより後で得られた試験結果を表す図４に関しては、歯車が著しく損傷することによって、１次、すなわち歯車システムの中心周波数を囲む卵形領域４００で概略的に示されているようにより高い側波帯が生成されていることがわかる。

本主題によれば、歯車噛み合いの状態に対して感度が高い１つまたは複数の信号特徴に達するように歯車箱に対して加速度計または他のセンサの信号処理を実行する。具体的には、本技術によれば、歯車セットの劣化時に生じる種類の変化に対する感度を向上させる信号処理方法が開発されている。この方法は、監視対象となる機構によってもたらされる従来使用されていない因子、すなわち、歯車箱内の差し迫った問題を示す劣化の進行を考慮しているため、噛み合い周波数振幅のみを使用する方法よりも優れている。

本技術によれば、新しい手段、側波帯エネルギー比率（ＳＥＲ）が、従来監視されている変数、すなわち側波帯を考慮する分析方法として導入されるが、対象となる結果を改善する新しい方法で検査される。通常、このＳＥＲ方法を使用するアルゴリズムは、図５のフローチャート５００に示されているように働く。

ステップ５０２では、トランスデューサを用いて歯車箱の動作を監視することによって得られる波形を生成する。例示的な構成では、トランスデューサは加速度計であってよいが、たとえば速度トランスデューサや、軸受噛み合い周波数および高調波を検出することのできる任意の適切なセンサを含む他の装置を使用することができる。ステップ５０４で、波形に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実行して周波数スペクトルを生成する。

ステップ５０６で、歯車箱噛み合い周波数データを得て、ステップ５０８および５１０で、スペクトルを分析し、歯車噛み合い周波数ラインおよび高調波ライン振幅を抽出する。各周波数ラインの両側の側波帯、すなわち上側波帯と下側波帯を検出し、側波帯振幅を抽出する。しかし、各側波帯がその中心周波数に対して概ね対称的であるため、場合によっては下側波帯または上側波帯のみを加算したものを使用できることに留意されたい。ステップ５１２で、１次噛み合いラインについて側波帯振幅を加算する。１次噛み合いラインについて、間隔を置いて１次ロータ、２次ロータ、３次ロータなどに配置された側波帯を含むがこれらに限定されないいくつかの側波帯要素があってよいことを理解されたい。ステップ５１４で、次いで、選択された任意の数のこれらの側波帯の和を１次中心噛み合いラインの振幅で割る。この比率が１次噛み合いラインの側波帯エネルギー比率（ＳＥＲ）である。

ステップ５１６に示されているように、これと同じプロセスを２次および３次噛み合いラインの各々について繰り返し、１次噛み合いラインＳＥＲと一緒に、対象となる各噛み合いラインおよび高調波についての固有のＳＥＲを生成する。

次に、歯車箱の寿命の間ＳＥＲを算出し、ステップ５１８に示されているように、算出されたＳＥＲを所定の値と比較すること、および／または該ＳＥＲの経時的な傾向を分析することによって、歯車箱の劣化を評価することができる。すなわち、算出された値を所定の値と比較し、かつ／あるいは経時的に監視して、監視した値の変化率が増大しているかどうかを評価し、それによって、歯車箱が、さらに検査すべきであるか、あるいは場合によっては修理または交換すべきであるレベルまで劣化しているかどうかを判定することができる。

場合によっては、動作中の歯車箱に対して本ＳＥＲ分析方法を自動的に周期的に実施し、結果を１つまたは複数のレベルと比較し、それによって、様々なアラーム信号を生成して機械のオペレータに既存の状態を警告するか、あるいは場合によっては、機械を停止することなどの保護措置を自動的に実行することができる。

さらに本技術によれば、追加的な指標を含めるようにＳＥＲ分析方法を拡張することができる。たとえば、任意選択の一拡張形態では、側波帯エネルギー比率（ＳＥＲ）の比率を計算し、隣接する噛み合い高調波と比較することができる。たとえば、ＳＥＲ１次噛み合いライン／ＳＥＲ２次噛み合いラインの比率を算出し、次に傾向を分析すること、および／またはＳＥＲ１次噛み合いライン／ＳＥＲ２次噛み合いラインの比率を様々な所定のレベルと比較することが可能である。さらに、本説明では、中心周波数の１次噛み合い周波数、２次噛み合い周波数、および３次噛み合い周波数を使用しているが、より高次の噛み合い周波数および側波帯を含めることができる。

さらに他の実施形態では、隣接する高調波に関連する上側波帯振幅および／または下側波帯振幅の和の比率を、関連する噛み合い高調波振幅を含めることなく直接算出することができる。この他の実施形態は、図６に示されているフローチャート６００に例示されており、ＳＥＲ比率を算出するために使用される値を除いて図５に示されているフローチャート５００に概ね類似している。

この他の実施形態によれば、ステップ６０２で、トランスデューサを用いて歯車箱の動作を監視することによって得られる波形を図５のステップ５０２と同様に生成する。同様に、ステップ６０４、６０６、６１０、６１２、および６１８は、図５に示されている対応する５００番代のステップと同一である。

この実施形態の計算では噛み合いライン振幅が使用されないため、この実施形態には図５の実施形態のステップ５０８に相当するステップがないことに留意されたい。この実施形態ではステップ６１２の後にステップ６１６が続き、それによって、２次および３次噛み合いラインの側波帯振幅合計を求めるのに必要な処理ステップ６１６が繰り返され、図５の実施形態のステップ５１４と同様の比率計算を実行する新たなステップ６１４が実現されるが、この場合、隣接する高調波に関連する側波帯振幅の和の比率が算出される。図５に示されている実施形態と同様に、各周波数ラインの両側の側波帯、すなわち上側波帯および下側波帯を検出することができるが、この場合、各側波帯がその中心周波数に対して概ね対称的であるため、下側波帯または上側波帯のみの加算を使用することもできる。

歯車箱の寿命の間、側波帯振幅のみに基づくＳＥＲを算出し、図５の実施形態のステップ５１８で行った比較と同様に、ステップ６１８に示されているように、算出されたＳＥＲを所定の値と比較すること、および／または該ＳＥＲの経時的な傾向を分析することによって、歯車箱の劣化を評価することができる。

図７を参照すると分かるように、本技術による機械正常性監視装置７００の概略図が示されている。図示のように、機械７０２は、通常、動作時にある種の振動を発生させる任意の機械に相当するものであってよい。特定の実施形態では、この機械は歯車箱を含んでよく、発生する振動は、歯車箱内で歯車同士が噛み合うことによって生じる振動に相当するものであってよい。

機械と組み合わされたハウジング内に取り付けたり、機械のハウジングの外面上に取り付けたりすることのような様々な様式で機械７０２とセンサ７０４を組み合わせることができる。いずれの場合も、センサは、特定の周波数範囲の機械振動を示す信号を発生させることのできる利用可能なセンサから選択される。さらに特に、センサ７０４は、動作中の機械によって生成される高調波周波数および関連する側波帯周波数の振幅に相当する電気信号を生成するように構成することができる。本主題の例示的な実施形態では、センサ７０４は加速度計に相当してよい。

センサ７０４は、評価のための電気信号をプロセッサ７０６に供給するように構成されている。プロセッサ７０６は、電源７０８から動作電力を受けることができ、かつセンサ７０４からの信号を評価することによって得られた結果を示す出力をディスプレイ７１０上に表示することができる。プロセッサ７０６は、制御装置７１２を介して、オペレータの目的に応じて様々な評価を実行するように制御することができる。制御装置７１２は、手動制御装置または他の外部プロセッサを介して手動であるいは自動的に調整できるように構成することができる。

例示的な構成では、オペレータは、特定の高調波周波数および／またはそれに関連する側波帯を評価の対象として選択することができる。ディスプレイ７１０は、図１〜４に示されているような画像を表示するように構成することができ、あるいは単に、プロセッサ７０６によって実行された分析に基づいて相対的な歯車損傷レベルを示すＬＥＤディスプレイに相当するものであってよい。

追加の実施形態では、またさらに、様々な種類の歯車箱で実現される変調方式を検討することができる。たとえば、衛星歯車箱内の衛星歯車の通過、太陽歯車の回転、衛星歯車の回転、キャリアの回転、リング歯車の回転によって発生する変調を検討することができる。

この説明では、最良の形態を含め本発明を開示し、かつ当業者が、任意の装置またはシステムを製造し使用すること、組み込まれた任意の方法を実行することを含め、本発明を実施することを可能にするために、例を使用している。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者に考えられる他の例を含んでよい。このような他の例は、特許請求の範囲の文字通りの文言と異ならない構造要素を含むか、あるいは特許請求の範囲の文字通りの文言とそれほど異ならない同等の構造要素を含む場合に、特許請求の範囲内であることを意図する。

３００ 側波帯を有する１次高調波の領域
４００ 側波帯を有する１次高調波の領域
７００ 正常性監視装置
７０２ 機械
７０４ センサ
７０６ プロセッサ
７０８ 電源
７１０ ディスプレイ
７１２ 制御装置

Claims (15)

1. 機械の劣化を評価する方法（５００）であって、
   動作中の機械において発生した側波帯振幅（５１２）の和の、中心高調波周波数振幅（５１０）に対する比率を算出する（５１４）ステップと、
   前記比率をある期間またはある比率の値の少なくとも一方に対して評価する（５１８）ステップと
   を含む方法。
2. 前記中心高調波周波数は第１の高調波歯車噛み合い周波数に相当する、請求項１記載の方法。
3. 前記中心高調波周波数は第２の高調波歯車噛み合い周波数に相当する、請求項１記載の方法。
4. 前記中心高調波周波数は第３の高調波歯車噛み合い周波数に相当する、請求項１記載の方法。
5. 比率中心高調波は第１の所定の高調波周波数であり、方法は、
   動作中の歯車箱において前記第１の所定の高調波周波数に隣接する高調波周波数で発生する中心高調波周波数振幅に対する側波帯振幅の和の比率を算出する（５１４）ステップと、
   前記第１の所定の高調波を使用して算出された比率を、前記第１の所定の高調波周波数に隣接する高調波周波数を使用して算出された比率で割ることによって第２の比率を算出する（５１６）ステップと、
   時間または値の少なくとも一方に対して前記第２の比率を評価する（５１８）ステップと
   をさらに含む、請求項１記載の方法。
6. 前記第１の所定の高調波周波数は、前記動作中のシステムの前記第１の高調波周波数に相当し、前記第１の所定の高調波周波数に隣接する前記高調波周波数は、前記動作中のシステムの前記第２の高調波周波数に相当する、請求項５記載の方法。
7. 前記第１の所定の高調波周波数は、前記動作中のシステムの前記第２の高調波周波数に相当し、前記第２の所定の高調波周波数に隣接する前記高調波周波数は、前記動作中のシステムの前記第３の高調波周波数に相当する、請求項５記載の方法。
8. センサ時間ベース波形を得る（５０２）ステップと、
   前記波形の高速フーリエ変換を計算する（５０４）ステップと
   をさらに含む、請求項１記載の方法。
9. 側波帯振幅の和は、中心高調波周波数の両側の側波帯の振幅の和を含む、請求項１記載の方法。
10. 前記比率を所定の期間にわたって監視するステップと、
    前記比率を所定の値と比較する（５１８）ステップと
    をさらに含む、請求項１記載の方法。
11. 前記比率を所定の期間にわたって監視するステップと、
    前記比率の変化率を所定の値と比較するステップと
    をさらに含む、請求項１記載の方法。
12. 機械（７０２）の劣化を評価するシステム（７００）であって、
    動作中の機械において発生した第１および第２の所定の隣接する噛み合い高調波に関連する側波帯振幅の和の比率を算出するための手段（７０６）と、
    前記比率をある期間またはある比率の値の少なくとも一方に対して評価するための手段（７０８）と、
    評価の結果を表示するための手段（７１０）と
    を備えるシステム。
13. 前記側波帯振幅の和は、前記第１および第２の噛み合い高調波に関連している、請求項１２記載のシステム。
14. 前記側波帯振幅の和は、前記第２および第３の噛み合い高調波に関連している、請求項１２記載のシステム。
15. 前記側波帯振幅の和は、関連する噛み合い高調波の両側の側波帯の和を含む、請求項１２記載のシステム。

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