JP2013024771A - 振動計及び振動計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接触式の振動計において、発電機やタービン等の回転部の振動と、摩擦による接触子の自励振動とを同時に計測できる振動計及び自励振動に伴う誤差を補正することができる振動計測装置を提供することを目的としている。
【解決手段】振動計１は、被計測物体であるタービン発電機のタービン軸１０に接触させる接触子２と、振動計測手段である振動検出部３と、接触子２の振動を伝達し、その先端に振動検出部３のマグネット８が取り付けられた伝達棒４と、伝達棒４を保護する保護管５と、接触子２に押圧力を加える板ばね６と、伝達棒４に貼付された変位計測手段である歪みゲージ７とから構成されている。これにより、タービン発電機のタービン軸の振動と接触子の摩擦による自励振動とを同時に計測することができる
【選択図】図１

Description

本発明は、特に、被計測対象が工作機械や発電機、タービン等の回転部の振動を計測する接触式の振動計と振動計の接触子と回転部との摩擦による自励振動に伴う誤差を補正することができる振動計測装置に関するものである。

従来、構造物や可動機構を有する工作機械等の健全性を評価する手法として、振動計測により評価することが行われている。これらの振動による検査には、大きく分けて接触式振動計（ムービングコイルやサーボ等による加速度、速度センサ）と非接触式振動計（光や音波のドップラ効果を利用するもの）が利用される。接触式振動計は、構造が簡単で小型で安価にでき設置面積も小さくてすむという特徴があり、また、非接触式振動計は、離れた場所から高精度に計測できるという特徴がある。特に、非接触式振動計は、橋梁等の構造物にセンサを設置することが困難な高所、狭所での計測に威力を発揮する。しかしながら、振動計は、振動計自身の振動や振動計と被計測対象との設置場所が異なるとそれぞれの基準となる面での振動が雑音となる。このため、高精度な振動計測を行うためには、これらの対策が必要となる。

この対策として、例えば、特許文献１に示す従来の非接触式振動計においては、構造物の振動特性の非接触計測による同定方法において、非接触式振動計で、構造物の振動方向の振動を計測する際に、非接触式振動計に接触式振動計を取り付けて振動方向の振動を同時測定し、非接触式振動計で計測された時系列振動データをスペクトル演算して求めた周波数特性から接触式振動計で計測された時系列振動データをスペクトル演算して求めた周波数特性を減じることにより、非接触式振動計の振動の影響を取り除いた構造物の振動の周波数特性を得ることができる。

また、例えば、特許文献２に示す従来の光学式振動計においては、被計測物体に物体光を出射して被計測物体の振動を計測するもので、加速度ピックアップと、積分器と、作動アンプとを備え、光学式振動計自体の物体光の出射光軸方向の振動を加速度ピックアップによって計測し、この加速度ピックアップの出力信号を積分器によって速度信号に変換し、この速度信号を作動アンプで光学式振動計の出力信号から差し引くようにして同出力信号を補正する構成としている。光学式振動計自身が振動していても、従来光学式振動計自身が振動することで雑音として出力されていた振動成分を抑制することができ、被計測物体の振動を精度よく計測することができる。

これに対して、発電機やタービンには特に高い信頼性が求められており、これらのロータの振動を計測し、事前にその不具合を検出することは、安定して運転する上で重要である。その振動量は、プラントによって異なるが０．１ｍｍ以下であり、０．２ｍｍ〜０．３ｍｍの振動であれば発電機等は自動的に停止するように設計されている。そのため、原子力等の大型の発電機では、振動計に非常に高い精度が要求されるとともにその実績が重視され、また、ロータとケーシングとの接触や軸受に過大な荷重がかかることを防ぐために発電機及びタービン軸の各軸に取付けることが可能な接触式振動計が利用されている。この接触式振動計では、例えば、タービンが起動してから６００ｒｐｍ以上における回転軸の振動を検出する。

特開２００４−１８４３７７号公報 特開平１０−２７４５５７号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２による非接触式振動計では、発電機やタービン等の装置に直接取り付けて、その回転部の振動を計測するといった場合には、被計測装置の限られたスペースに直接設置することが困難であり、装置も高価になるという問題点があった。また、発電機やタービンのロータ等の回転体に直接接触させる接触式振動計では、接触面の潤滑不足やロータ表面の傷などにより、ロータと振動計の接触子との静摩擦力と動摩擦力との差が大きくなると、自励振動が発生する。このため、振動計で計測される振動量は、本来の計測対象であるロータの振動だけでなく、振動計自身で発生する自励振動を含むものとなる。この自励振動発生の有無と量が分かれば、ロータ自身の振動か潤滑不足等の間接的な要因であるかを推定することができ、ロータ自身の振動量を正確に計測することができるので保守性が容易となるが、従来は、この自励振動を検出する手段がなく、ロータ自身の振動ではなく、間接的の要因による誤差を過って不具合と判断してしまうという問題点があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、接触式の振動計において、発電機やタービン等の回転部の振動と、摩擦による接触子の自励振動とを同時に計測できる振動計及び自励振動に伴う誤差を補正することができる振動計測装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の振動計は、被計測物体の測定面に接触子を接触させて、前記被計測物体の振動を計測する振動計測手段と、前記被計測物体の測定面と平行方向における前記接触子の変位を計測する変位計測手段と、を備えたことを特徴とするものである。

また、請求項４に記載の振動計測装置は、前記振動計と、前記変位計測手段の計測信号に基づいて、前記振動計測手段の出力信号を補正し前記被計測物体の測定面に対して垂直方向の振動を算出する補正処理手段と、を備えたことを特徴とするものである。

本発明の振動計によれば、被計測物体の振動を計測する振動計測手段と被計測物体の測定面と平行方向における接触子の変位を計測する変位計測手段とを設けることによって、発電タービン等の回転部の振動と摩擦による接触子の自励振動とを同時に計測することができる効果を奏する。

また、本発明の振動計測装置によれば、被計測物体の振動と接触子の変位とにより、被計測物体の測定面の垂直方向における振動情報を算出することができる効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る振動計の概略を示す側面図である。 本発明の実施の形態１に係る振動計の振動検出部の内部構造を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態１に係る振動計の動作時の状態を示す側面図である。 本発明の実施の形態２に係る振動計の概略を示す側面図である。 本発明の実施の形態２に係る振動計の動作時の状態を示す側面図である。 本発明の実施の形態３に係る振動計測装置の全体構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３に係る振動計測装置における補正の原理を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態に係る振動計及び振動計測装置について、図１〜図７を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る振動計の概略を示す側面図であり、図２は、実施の形態１に係る振動計の振動検出部の内部構造を示す概略断面図であり、図３は、実施の形態１に係る振動計の動作時の状態を示す側面図である。

図１に示すように、振動計１は、被計測物体であるタービン発電機のタービン軸（ロータ）１０に接触させる接触子２と、振動計測手段である振動検出部３と、接触子２の振動を伝達し、その先端に振動検出部３のマグネット８が取り付けられた伝達棒４と、伝達棒４を保護する保護管５と、接触子２に押圧力を加える板ばね６と、伝達棒４に貼付された変位計測手段である歪みゲージ７とから構成され、支持体１１に固定されている。図２は、振動検出部３の断面を示すもので、伝達棒４の先端部に取り付けられたマグネット８と、コイル９とで構成されている。

次に、実施の形態１に係る振動計の動作について図１から図３を用いて説明する。ここでは、被計測物体が回転体である例として、タービン発電機のタービン軸の振動を計測する場合について説明する。タービン軸１０には、接触子２との滑りをよくするため潤滑油が塗布されている。タービン軸１０に対して接触子２は垂直方向の振動を検出するように取り付けられている。タービン軸１０の振動は、接触子２により伝達棒４を介して、伝達棒４の先端に取り付けられたマグネット８に伝達され、マグネット８が垂直に振動することにより、振動検出部３のコイル９に磁束の変化が発生し、接触子２の振動の振幅と速度に比例した電気信号Ｖが出力される。

接触子２の磨耗や潤滑油の供給量不足等によって、接触子２とタービン軸１０表面との間に大きな摩擦が生じた場合には、タービン軸１０の回転によって、図３に示すように接触子２には、タービン軸１０との摩擦による水平方向に大きな自励振動が発生する。この場合には、上述の振動検出部３によるタービン軸１０の振動の計測では、正確な垂直方向の振動を計測したことにはならない。すなわち、摩擦により接触子２が水平方向に自励振動する場合には、振動計１の接触子２は、傾斜した状態でのタービン軸１０の振動の計測を行うことになる。

自励振動により接触子２が水平方向の変位を受けて伝達棒４が撓むことにより、伝達棒４に貼り付けられた歪みゲージ７は、この撓み応力を受け、この応力に比例した計測信号を出力する。歪みゲージ７から得られる出力を検出することで、伝達棒４の撓み角θを求めることができ、接触子２の自励振動による平行方向における変位の大きさＸを算出することができる。ここで、予め、計測時の振動計１の設置条件における歪みゲージ７の出力と接触子２の撓み角θとの関係を求めて置く。

これにより、タービン発電機のタービン軸１０の垂直方向の振動を計測する振動検出部３とタービン軸１０の水平方向における摩擦に伴う自励振動よる接触子２の水平変位を計測する歪みゲージ７を伝達棒４に設けることによって、タービン軸１０の振動と摩擦による接触子２の自励振動による変位とを同時に計測することができる。歪みゲージ７の計測信号を用いることにより、振動計１の出力信号の補正に利用することができ、接触子２の摩擦による自励振動による影響を除いたタービン軸１０の垂直方向における正確な振動を
求めることもできる。

なお、歪みゲージ７を伝達棒４に貼り付ける位置は、特に限定されないが振動検出部３に近い方が感度の点から好ましい。

このように、実施の形態１に係る振動計では、接触子により被計測物体の振動を計測する振動検出部と、接触子の自励振動による平行方向の変位を計測する歪みゲージとを設けることによって、タービン発電機等の回転部の振動と接触子の摩擦による自励振動とを同時に計測することができるという顕著な効果がある。

実施の形態２．
図４は、実施の形態２に係る振動計の概略を示す側面図であり、図５は、実施の形態２に係る振動計の動作時の状態を示す側面図である。

図１に示す実施の形態１に係る振動計との違いは、歪みゲージの替わりに加速度センサ１２を接触子２に取り付けられている点である。他の構成要素は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

次に、実施の形態２に係る振動計の動作について、図５を用いて説明する。振動検出部３により、タービン軸１０の垂直方向の振動を検出する動作については、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

実施の形態１の場合と同様、接触子２の磨耗や潤滑油の供給量不足等によって、接触子２とタービン軸１０表面との間に大きな摩擦が生じた場合には、タービン軸１０の回転によって、振動計１には、水平方向に大きな自励振動が発生し、振動計１の接触子２は、傾斜した状態でタービン軸１０の振動を計測することになる。

図５に示すように、接触子２に取り付けられた加速度センサ１２は、３次元の変位量を検出することできるので、接触子２の自励振動の水平方向の変位の大きさＸを検出することができる。加速度センサは、直接変位を計測できるので、歪みゲージのように予め撓みと変位の関係を求めておく必要がなく、応答性や感度にも優れている。

なお、加速度センサ１２を接触子２に貼り付ける位置は、特に限定されないがタービン軸１０に近い方が感度の点から好ましい。

このように、実施の形態２に係る振動計では、接触子により被計測物体の振動を計測する振動検出部と、接触子の自励振動による平行方向の変位を計測する加速度センサとを設けることによって、実施の形態１と同様、タービン発電機等の回転部の振動と接触子の摩擦による自励振動とを同時に計測することができるという顕著な効果がある。

実施の形態３．
図６は、実施の形態３に係る振動計測装置の全体構成を示すブロック図であり、図７は、実施の形態３に係る振動計測装置における補正の原理を説明する図である。

図６に示すように、振動計測装置２０は、振動計１と、振動計１の出力信号と変位計測手段の計測信号から高周波雑音を除去するローパスフィルタ２１と変位計測手段の計測信号から得られた振動計の自励振動による周波数成分を除去するフィルタ２２とフィルタの出力を調整する積分補正回路２３と被計測物体の振動を算出する振動値検出回路２４及び出力レベルを調整するレベル出力変換回路２５からなる補正処理手段である補正処理ユニット２６とで構成されている。

実施の形態３の振動計測装置は、実施の形態１あるいは実施の形態２に示す接触子２の自励振動による水平方向の変位計測手段を有する振動計１を用いて、変位計測手段の計測信号に基づいて、振動計１の出力信号を補正し、被計測物体の測定面の垂直方向における振動を算出する補正処理手段により、被計測物体の正確な振動を導出するものである。

次に、実施の形態３に係る振動計測装置の動作について図６及び図７を用いて説明する。まず、図７を参照して、摩擦により生じた接触子２の水平方向の自励振動分の誤差を補正する原理を説明する。例として、図７（ａ）にモデルとなる歪みゲージを使用した振動計の要部を示す。図７（ｂ）に、この振動計の挙動を近似的にモデリングしたものを示す。接触子２の自励振動による垂直方向の振動成分を割り出し、振動計１により計測された振動と、この自励振動による垂直振動成分との差分をとることで、タービン軸１０の振動のみを算出することができる。

図７（ｂ）に示すように、タービン軸１０の振動Ｓ（ｔ）は、次式で表すことができる。
Ｓ（ｔ）＝Ｄ（ｔ）−Ｘ（ｔ）・ｓｉｎθ（ｔ） （１）
ただし、Ｄ（ｔ）は振動計１で計測された振動、Ｘ（ｔ）は接触子２の水平方向の自励振動、Ｌは歪みゲージ７から接触子２の先端までの長さ、θ（ｔ）は歪みゲージ７により求められた角度である。ここで、Ｘ（ｔ）＝Ｌ・ｔａｎθ（ｔ）であるので、その結果、求めるタービン軸１０の振動Ｓ（ｔ）は、
Ｓ（ｔ）＝Ｄ（ｔ）−Ｌ・ｔａｎθ（ｔ）・ｓｉｎθ（ｔ） （２）
または、
Ｓ（ｔ）＝Ｄ（ｔ）−Ｌ・ｓｉｎ²θ（ｔ）／ｃｏｓθ（ｔ） （３）
で表される。

これにより、歪みゲージ７から接触子２の自励振動による伝達棒４の撓みによる角度θ（ｔ）を求め、検出された水平方向の自励振動Ｘ（ｔ）から垂直方向の自励振動分Ｘ（ｔ）・ｓｉｎθ（ｔ）を算出することで、振動計１で計測された振動Ｄ（ｔ）からタービン軸１０の表面の潤滑油の供給量不足等によって生じた接触子２の垂直方向の自励振動分Ｌ・ｓｉｎ²θ（ｔ）／ｃｏｓθ（ｔ）を除去し、タービン軸１０の振動Ｓ（ｔ）のみを算出することができる。

続いて、図６を参照して、補正処理ユニット２６での処理の内容について説明する。振動計１から得られた振動の出力信号と接触子の変位の計測信号は、補正処理ユニット２６に入力される。補正処理ユニット２６では、まず、ローパスフィルタ２１で高周波雑音を除去した後、フィルタ２２により振動の出力信号から歪みゲージ７や加速度センサ１２で計測された自励振動変位による振動計１の固有振動周波数成分を除去する。その後、積分補正回路２３で調整、振動値検出回路２４にて被計測物体の振動を算出する。最後に、レベル出力変換回路２５にて、所定の出力レベルに調整して出力する。

接触式の振動計は、６００ｒｐｍから８，０００ｒｐｍの範囲で測定可能であり、タービン発電機のタービン軸の回転速度は、５０Ｈzでは３，０００ｒｐｍ、６０Ｈｚでは３，６００ｒｐｍであるので、その性能を充分満たしているので、振動計測装置をタービン発電機の振動計測に適用し、接触子の自励振動による雑音を除去することによって、タービン軸の振動からタービン発電機の異常診断に役立てることができる。

このように、実施の形態３に係る振動計測装置では、接触子により被計測物体の振動を計測する振動検出部と、接触子の自励振動による平行方向の変位を計測する歪みゲージとを設けた実施の形態１あるいは実施の形態２の振動計を用いて、タービン発電機等の回転
部の振動と摩擦による接触子の自励振動とを同時に計測し、接触子の自励振動分を補正する補正処理ユニットを設けたことにより、自励振動が生じてもタービン発電機等の回転部の振動を正確に計測することができるという顕著な効果がある。

なお、上記実施の形態では、計測対象となる被計測物体としてタービン発電機のタービン軸の振動を計測する例について説明したが、電動機等の回転軸の振動の他、回転体に限らず横に移動するベルトの振動を計測する場合に適用しても、同様の効果を奏し得る。

また、上記実施の形態では、測定面が水平方向であって接触子を垂直に設置する場合について説明したが、測定面が垂直方向であって接触子を水平に設置する場合であってもよい。

また、図において、同一符号は、同一または相当部分を示す。

１ 振動計
２ 接触子
３ 振動検出部
４ 伝達棒
７ 歪みゲージ
１２ 加速度センサ
２０ 振動計測装置
２６ 補正処理ユニット

Claims (4)

1. 被計測物体の測定面に接触子を接触させて、前記被計測物体の振動を計測する振動計測手段と、
   前記被計測物体の測定面と平行方向における前記接触子の変位を計測する変位計測手段と、
   を備えたことを特徴とする振動計。
2. 前記変位計測手段は、前記接触子の振動を前記振動計測手段に伝達する伝達棒に取り付けられた歪みゲージであることを特徴とする請求項１に記載の振動計。
3. 前記変位計測手段は、前記接触子に取り付けられた加速度センサであることを特徴とする請求項１に記載の振動計。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の振動計と、
   前記変位計測手段の計測信号に基づいて、前記振動計測手段の出力信号を補正し前記被計測物体の測定面に対して垂直方向の振動を算出する補正処理手段と、
   を備えたことを特徴とする振動計測装置。
   

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