JP2016061752A

JP2016061752A - 判定診断装置

Info

Publication number: JP2016061752A
Application number: JP2014192186A
Authority: JP
Inventors: 修吉松; Osamu Yoshimatsu; 宮坂　孝範; Takanori Miyasaka; 孝範宮坂
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2014-09-22
Filing date: 2014-09-22
Publication date: 2016-04-25

Abstract

【課題】低速回転で使用される大型の軸受等の回転体の状態を、装置の分解等が必要なく、しかも高い信頼性で診断することのできる判定診断装置を得る。
【解決手段】判定診断装置は、回転体の発生する振動を予め設定した回転数分連続して検出して電気信号として出力する検出装置と、前記電気信号を周波数スペクトルデータに変換する波形処理装置と、前記回転体の回転数を検出する回転数検出装置と、前記回転体の異常に起因した特定の周波数成分値を算出し基準値として記憶する基準値記憶装置と、前記予め設定した回転数内において分割した複数の区間を対象に、前記周波数スペクトルデータ上の前記基準値に対応する箇所に設定した閾値を超えたピークが表出しているか否かを判定する比較判定装置と、設定した閾値を超えたピークの出現頻度によって前記回転体の状態の診断を行う診断装置と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転体の発生する音又は振動に基づいた電気信号を波形処理によって周波数スペクトルデータに変換し、当該周波数スペクトルデータを評価することで、回転体の状態の診断を行う判定診断装置に関する。

従来、例えば鉄鋼用の圧延機等の大型の装置に用いられる軸受では、軸受部品の摩耗や破損による不都合の発生を防止するために、定期的に分解目視検査を実施するようにしている。この分解目視検査は、装置の一定期間の使用後に、軸受を装置から取り外して分解し、各軸受構成部品に対して、熟練した専門の検査担当者が、目視によって、摩耗の度合いや傷の有無を確認するものである。新品の軸受にはない凹凸や摩耗などの異常が検出されれば、新品に交換した後に、再度、組み立てを実施する。

ところが、上述した分解検査は、装置から軸受を取り外す分解作業や、検査済みの軸受を再度装置に組み込み直す組込作業に多大な労力がかかり、装置の維持コストの大幅な増大を招くという問題があった。また、検査時の分解作業や組み込み作業時に、誤って軸受部品等に打痕をつけて、検査自体が部品交換を増やす原因となる虞もあった。更には、検査担当者の熟練度によっては、欠陥の見落としや、不要な部品交換の実施等の不備が発生する虞もあった。

そこで、このような大型装置に用いられる軸受の摩耗や破損による異常の有無を、上述した分解目視検査によらずに、小型軸受の異常診断等で普及している判定診断装置を応用することが検討されている。この判定診断装置は、軸受から発生する音又は振動を検出して出力される電気信号を波形処理によって周波数スペクトルデータに変換し、得られたスペクトルデータのスペクトル強度を各周波数毎に平均化する周波数平均化処理を実施し、その周波数平均化処理後のスペクトルデータに基づいて前記軸受の異常診断を行なうものである（例えば特許文献１参照）。

このような判定診断装置によって大型の軸受の異常診断が可能になるならば、定期的な軸受の分解作業や組み込み作業が不要になり、更に、検査作業の操作で誤って軸受を破損させるような不都合も回避することができる。更に検査担当者の熟練度によって検査の信頼性が左右されるといったことも無くなり、無駄な部品交換を無くして、装置の維持コストの低減を図ることが可能になる。

また近年、再生可能エネルギーとして着目されている風力発電の風車用軸受では、風車が高所又は洋上に設置されたりすることが多く、軸受の分解作業や組み込み作業が極めて困難であったり、非常に手間がかかることから、かかる作業を定期的に実施するのを回避するためにも、軸受の分解等を要しない判定診断装置が待望されている。

特開２００６−１５３８５５号公報

しかし、前述した風車や鉄鋼用の圧延機等の大型の装置に用いられる軸受に対して、前述した従来の判定診断装置で異常の有無の診断を実施する場合、平均化処理（積算平均）の元となるデータを集めるために同じ測定を繰り返し行なうことが必要となる。ところが実際の計測では、測定条件が厳密には同一でないことにより、平均化処理をすることで却って検出信号とノイズとの区別がつかなくなってしまうことも考えられ、実際に摩耗や破損等の欠陥による異常があっても、異常と見なされずに、見落とされてしまう虞がある。

また、風車主軸や鉄鋼用の圧延機等の低速回転で使用される大型回転機械設備の場合、発生する衝撃振動が小さく、軸受が組み込まれるハウジングの剛性も高いため、軸受損傷が発生していたとしても振動による軸受異常診断手法が有効でないケースも想定される。

また例えば風車用の軸受では、主軸に取付けられたブレードに作用する風力の大きさが時々刻々と変化することで回転数などの運転条件が変動しやすく、衝撃振動の発生間隔が不定期となり，定常回転を前提とした軸受異常診断手法では、診断精度が著しく低下することも想定される。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、低速回転で使用される大型の軸受等の回転体の摩耗や破損等の異常の有無を、装置の分解等が必要なく、しかも高い信頼性で診断することのできる判定診断装置を提供することを目的とする。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
回転体の発生する振動を予め設定した回転数分連続して検出して電気信号として出力する検出装置と、
前記電気信号を波形処理することによって周波数スペクトルデータに変換する波形処理装置と、
前記回転体の回転数を検出して出力する回転数検出装置と、
前記回転数検出装置の出力する回転数に基いて前記回転体の異常に起因した特定の周波数成分値を算出し基準値として記憶する基準値記憶装置と、
前記予め設定した回転数内において分割した複数の区間を対象に、前記周波数スペクトルデータ上の前記基準値に対応する箇所に設定した閾値を超えたピークが表出しているか否かを判定する比較判定装置と、
前記比較判定装置の判定結果に基いて、設定した閾値を超えたピークの出現頻度によって前記回転体の状態の診断を行う診断装置と、
を備えた判定診断装置。

本発明の判定診断装置によれば、複数区間に亘って、エンベロープ分析による周波数スペクトルデータをそのまま用いて、設定した閾値を超えたピークの出現頻度によって、回転体の異常の有無・箇所を診断するので、診断結果について高い信頼性を保証することができる。また、低速回転で使用される大型の軸受等の回転体の異常の有無を、回転体の発生する振動から周波数分析によって診断できるため、手間のかかる装置の分解等が必要なく、異常診断に要する労力及びコストを削減することが可能になる。

本発明に係る判定診断装置の第１実施形態の概略構成を示すブロック図である。回転体の発生する振動信号の周波数スペクトルを示す波形図である。第１実施形態の判定診断装置による判定診断方法を示すフローチャートである。第２実施形態の判定診断装置による判定診断方法を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る判定診断装置について、図面に基づいて説明する。

＜第１実施形態＞
図１は本発明の第１実施形態の概略構成を示すブロック図、図２は回転体の発生する振動信号の周波数スペクトルを示す波形図、図３は判定診断方法を示すフローチャートである。

図１に示すように、判定診断装置１は、回転体３の発生する振動を検出する検出装置５と、検出装置５の出力する電気信号を増幅する増幅装置７と、増幅装置７で増幅された電気信号に対してフィルタ処理を実施するフィルタ処理装置９と、フィルタ処理装置９の出力する電気信号を波形処理することによって周波数スペクトルデータに変換する波形処理装置１１と、回転体３の回転数検出装置１３と、回転数検出装置の出力する回転数に基いて特定の周波数成分値を算出し基準値として記憶する基準値記憶装置１５と、予め設定した回転数内において分割した複数の区間を対象に、前記基準値に対応する箇所にピークが表出しているか否かを判定する比較判定装置１７と、比較判定装置の判定結果に基いて回転体の状態の診断を行う診断装置１９と、表示警告装置２１と、を備えた構成である。

回転体３は、本実施形態の場合、風車主軸や鉄鋼用の圧延機等の大型の装置に用いられる低速回転用の転がり軸受である。この回転体３は、装置のハウジングに設けられた外輪３ａ、回転軸に固定された内輪３ｂ、及び外輪と内輪間に設けられた転動体３ｃを有している。

検出装置５としては、振動を電気信号に変換する圧電型等公知の接触式及び非接触式の各種検出器を使用することができる。振動の検出形式も、加速度式、速度式、変位式等の適宜形式のものの採用が可能である。また、検出装置５は、回転体３自体に直接取り付けたり、あるいは回転体３が装着されるハウジング（不図示）等に取り付けることもできる。なお、振動を検出する検出装置としては、ほかにも、ＡＥセンサ、超音波センサ、ショックパルスセンサ、マイクロホン等、回転体３の振動に起因して発生する物理量を電気信号化できるものを用いることが出来る。

増幅装置７は、検出装置５の発する電気信号のレベルを増幅する。

フィルタ処理装置９は、増幅装置７が出力する電気信号に対して、例えば１ｋＨｚ以上の周波数成分をカットするフィルタ処理を実施して、１ｋＨｚ以下の周波数成分のみの電気信号を出力し、波形処理装置１１に送信する。なお、カットする周波数成分は、必ずしも１ｋＨｚ以上である必要はなく、診断対象となる回転体の設置状況等に応じて適宜設定する。

波形処理装置１１は、フィルタ処理装置９を通過した電気信号に対して、エンベロープＦＦＴ分析などの波形処理を施して、回転体３の振動状態を示す周波数スペクトルデータを得る。図２（ａ）〜（ｆ）は、かかるエンベロープＦＦＴ分析された周波数スペクトルの波形図の例を示す。

回転数検出装置１３は、例えば軸受を支持するハウジング側に設けられたセンサーと、回転する側に設けられたエンコーダとから構成されている。回転軸（内輪）の回転に応じてエンコーダから出力される磁力変化等をセンサーが感知して、回転体の回転数を計測する。

基準値記憶装置１５は、下記表１に示す式によって算出される特定部位の異常時に発生する周波数成分値を基準値として記憶する。表1中の、内輪回転周波数ｆｒは、回転数検出装置１３から出力される回転数から得られる値であり、かかるｆｒに基いて回転体の諸元より各基準値Ｚｆｉ、Ｚｆｃ、２ｆｂ、ｆｃの値は算出することができる。

比較判定装置１７は、波形処理装置１１が求めた周波数スペクトルデータ上の上記基準値の対応箇所に設定した閾値を超えたピークが表出するか否かの比較照合処理を行なう。図２において、例えば縦線で示す位置の周波数成分値（周波数値）は、回転体３としての転がり軸受において、外輪３ａ固定で、内輪３ｂを回転させた時に、特定部位である外輪３ａの損傷に起因して発生する周波数成分値、およびその整数倍の高次成分値である。図示していないが、内輪３ｂに損傷がある場合、転動体３ｃに損傷がある場合等によって、比較照合処理を行なう対象周波数成分値が異なってくる。

診断装置１９は、比較判定装置１７による判定結果に基いて回転体３の状態、即ち、特定部位に対する異常の有無や損傷があった場合の進行度などの診断を行う。本実施形態においては、複数回の比較照合結果において、設定した閾値を超えたピークの出現頻度によって回転体３の状態の診断を行う。

表示警告装置２１は、測定データ及び診断結果、警告等を表示する。

引続いて、測定データの判定診断方法について、図２の波形図、図３のフローチャートに基いて説明する。なお、以下の説明では、回転体３を構成している内輪３ｂが軸に固定され、この軸が２０ｍｉｎ^−１で定速回転している軸受の状態を判定診断する場合について説明を進める。また判定診断は、測定データのうち軸回転５回転分（＝１５秒間）を対象に行なう。

ステップ１００で、まず収録した振動加速度波形の内、最初の１．５秒間（＝軸０．５回転分）の区間を対象にエンベロープＦＦＴ分析を実施する。実施結果の波形図を図２（ａ）に示す。図中の縦線の位置、即ち、基準値記憶装置に記憶されている外輪損傷に起因して発生する場合の周波数成分値、およびその整数倍の周波数成分値である基準値を表す位置には、1次ピーク、２次ピーク、３次ピークが現れている。なお、このエンベロープＦＦＴ分析を実施する区間は、軸０．５回転に代えて、軸２回転、軸１回転、軸１／３回転等々、適宜変更可能である。

次いで、ステップ２００で、分析後規定時間に達しているか否かを判定する。規定時間は、本実施形態の場合上述した１５秒間である。最初の区間のエンベロープＦＦＴ分析後の時間は１．５秒間しか経過しておらずこの規定時間に達していないので、再びステップ１００に戻る。以後、次の１．５秒間毎の振動加速度波形区間を対象に同様の処理を繰り返す。２番目の区間、３番目の区間、４番目の区間、５番目の区間、６番目の区間のエンベロープＦＦＴ分析結果が図２（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）にそれぞれ図示されている（７番目の区間以降は省略）。１５秒間の振動加速度波形（＝１０区間分）の解析結果を得ると、エンベロープＦＦＴ分析後の時間が１５秒間を経過するため、ステップ３００へ進む。

ステップ３００では、エンベロープ分析結果スペクトルでの軸受損傷起因ピークの有無、および有の場合設定した閾値を超えているか否かを各分析区間ごとに比較判定装置１７によって判定する。図２（ａ）には、点線でかかる設定した閾値の例を図示している。

次いでステップ４００で、設定した閾値を超えたピークの出現頻度を診断装置１９で確認する。出現頻度が規定頻度以上の場合はステップ５００へと進み、回転体に異常ありと診断する。他方、出現頻度が規定頻度以下の場合はステップ６００へと進み、回転体に異常なしと診断する。また、図示していないが、出現頻度が規定頻度を下回っていても、規定頻度に近い場合は、「損傷が進行」といったような表示をして、注意を喚起することができる。

以上に説明したように、本実施形態の判定診断装置１では、複数区間に亘って、エンベロープ分析による周波数スペクトルデータをそのまま用いて、設定した閾値を超えたピークの出現頻度によって、回転体３の状態を診断するので、診断結果について高い信頼性を保証することができる。また、低速回転で使用される大型の軸受等の回転体３の状態を、回転体３の発生する振動から周波数分析によって診断できるため、手間のかかる装置の分解等が必要なく、状態診断に要する労力及びコストを削減することが可能になる。

＜変形例＞
第１実施形態では、診断対象となる複数の区間は、図２（ａ）〜（ｆ）のように、連続した区間となっている。しかし、図２（ｂ）（ｄ）（ｆ）の区間では、異常が原因と考えられるピークが何ら検出されていないので、これに代えて、図２（ａ）（ｃ）（ｅ）のようなとびとびの複数の区間を対象に、診断装置によって診断を行なうことも可能である。この場合は、診断装置による診断の際の規定頻度の値を、第１実施形態よりも大きく設定して、軸受の状態を診断する。

＜第２実施形態＞
次に、比較判定装置を第1実施形態の比較判定装置１７から変更した第２実施形態について、図４の判定診断方法を示すフローチャートに基いて説明する。本実施形態では、検出対象が微小衝撃振動であるため、エンベロープＦＦＴ分析結果の周波数スペクトルデータピーク振幅も小さくなることを考慮し、比較判定装置は検出ピーク周辺に出現するサイドバンドピークも検出対象に含んで軸受の状態を判断するようになっている。

ステップ１００〜３００までは上述した第1実施形態と同じである。しかし、ステップ３００のあとにステップ３５０が追加されている。

ステップ３５０では、エンベロープ分析結果の周波数スペクトルデータにサイドバンドピークが認められる場合（図２（ｅ）参照）、基準値に対応する周波数成分値のピーク値にサイドバンドピーク強度を含んでピーク強度として評価する。その後ステップ４００へと進むが、ステップ４００以降は第1実施形態と同じである。

本実施形態では、比較判定装置の判定に際して、基準値に対応する周波数成分値のピーク強度では設定した閾値に達しない場合でも、ピーク強度にサイドバンドピーク強度を含んで評価するため、閾値を超えたピーク強度の出現と判定されるので、微小衝撃振動であっても精確な診断が可能となる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。例えば、本発明の装置で診断する回転体は、低速回転で使用する転がり軸受に限らない。また、転がり軸受以外でも、低速回転で使用する各種の回転体の異常診断に使用可能なことは、言うまでもない。

１判定診断装置
３回転体
５検出装置
７増幅装置
９フィルタ処理装置
１１波形処理装置
１３回転数検出装置
１５基準値記憶装置
１７比較判定装置
１９診断装置

Claims

回転体の発生する振動を予め設定した回転数分連続して検出して電気信号として出力する検出装置と、
前記電気信号を波形処理することによって周波数スペクトルデータに変換する波形処理装置と、
前記回転体の回転数を検出して出力する回転数検出装置と、
前記回転数検出装置の出力する回転数に基いて前記回転体の異常に起因した特定の周波数成分値を算出し基準値として記憶する基準値記憶装置と、
前記予め設定した回転数内において分割した複数の区間を対象に、前記周波数スペクトルデータ上の前記基準値に対応する箇所に設定した閾値を超えたピークが表出しているか否かを判定する比較判定装置と、
前記比較判定装置の判定結果に基いて、設定した閾値を超えたピークの出現頻度によって前記回転体の状態の診断を行う診断装置と、
を備えた判定診断装置。