JP2017026421A - 軸受異常診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】現状の記憶容量の記録装置を使用しても軸受の振動情報の長時間記録が可能な軸受異常診断装置を提供する。
【解決手段】信号処理部４の一機能である振動・回転情報記録部４１は、軸受２１に取り付けた振動センサ２の検知出力である振動情報を、低い記録周波数でも意味を成す実効値で常時記録し、振動情報の実効値が所定の閾値を超えた場合には、そのことをトリガとして、振動情報そのままの記録を開始するとともに、振動解析部４３に振動解析を開始させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、鉄道車両等の機械設備に設けられた軸受の異常を診断する軸受異常診断装置に関する。

従来の軸受異常診断装置には、軸受に取り付けられた振動センサによって該軸受の振動を検知し、その検知出力である振動情報を記録するようにしたものがある。なお、軸受の振動を検知する振動センサとしては、例えば特許文献１に記載されたものがある。

特開２００７−２７０８８５号公報

しかしながら、上述した従来の軸受異常診断装置においては、振動センサの検知出力である振動情報をそのまま記録するようにしているが、高い記録周波数で振動情報を記録する必要があるため、記録装置の記憶容量の関係上長時間の記録が困難であるという課題がある。すなわち、振動情報を短周期で記録する必要があることから、必然的にデータ量が多くなるため、長時間の記録ができない。なお、この課題は、記憶容量の大きな記録装置を使用することで解決は可能であるが、記録装置は記憶容量が大きくなるほど高額になるため、軸受異常診断装置自体の価格を上げてしまうという新たな課題が生じる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、現状の記憶容量の記録装置を使用しても軸受の振動情報の長時間記録が可能な軸受異常診断装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 軸受に設けられる振動センサと、
前記振動センサの検知出力である振動情報を記録する振動情報記録部と、
前記振動情報に基づき振動解析を行う振動解析部と、
前記振動解析の結果に基づき前記軸受の異常の有無を判定する異常判定部と、を備え、
前記振動情報記録部は、前記振動情報の実効値を常時記録し、前記実効値が所定の閾値を超えたことをトリガとして、前記振動情報そのままの記録を開始するとともに、前記振動解析部に前記振動解析を開始させる、軸受異常診断装置。

（２） 前記振動情報の実効値の記録周波数は、前記振動情報そのままの記録周波数よりも低い、上記（１）に記載の軸受異常診断装置。

本発明によれば、振動センサの検知出力である振動情報を、低い記録周波数でも意味を成す実効値で記録するので、現状の記憶容量の記録装置でも軸受の振動情報の長時間記録が可能な軸受異常診断装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る軸受異常診断装置の概略構成を示すブロック図である。 図１の軸受異常診断装置の信号処理部の機能構成を示すブロック図である。 図２の信号処理部の振動・回転情報記録部に記録される振動情報の実効値の記録波形の一例を示す図である。 図２の信号処理部の動作を説明するためのフロー図である。

以下、本発明の一実施形態に係る軸受異常診断装置について図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る軸受異常診断装置１の概略構成を示すブロック図である。同図において、本実施形態に係る軸受異常診断装置１は、鉄道車両等の機械設備２０に設けられた軸受２１から発生する振動を検知するための振動センサ２と、機械設備２０の回転軸２２の回転速度を検知するための回転速度センサ３と、振動センサ２の検知出力である軸受２１の振動情報と回転速度センサ３の検知出力である機械設備２０の回転軸２２の回転速度情報とから軸受２１の異常の状態を判定するための信号処理部４と、液晶モニタ等のディスプレイやライトやブザー等の警報機（いずれも不図示）を有し、信号処理部４による異常診断結果を視覚表示し、また軸受２１の異常を判定した場合にはライトやブザー等の警報機を動作させて異常を通知する出力部５と、を備える。

図１に示すように、機械設備２０に設けられた軸受２１は、機械設備２０の回転軸２２に外嵌される内輪２３と、ハウジング等に内嵌される外輪２４と、内輪２３及び外輪２４との間で転動可能に配置された複数の転動体２５と、転動体２５を転動自在に保持する不図示の保持器とを有する。軸受２１には、上述した振動センサ２と回転速度センサ３が取り付けられる。振動センサ２は、ボルト固定、接着、ボルト固定と接着、或いはモールド材による埋め込み等によってハウジングの外輪２４近傍に固定される。

振動センサ２には、例えば加速度センサ、ＡＥ（Acoustic Emission）センサ、超音波センサ、ショックパルスセンサ等が用いられる。また、加速度、速度、歪み、応力、変位等を検出することで、等価的に振動を検知して電気信号に変換することができるものも適宜使用することができる。なお、振動センサ２を、周辺ノイズが多いことが予想される車軸等に取り付ける際には、絶縁型を使用する方が周辺ノイズの影響を抑制できて好適である。さらに、振動センサ２に圧電素子等の振動検出素子を使用する場合は、この素子を樹脂で一体成型する構成とすることで、耐水性、耐衝撃性を持たせることができる。

回転速度センサ３は、軸受２１の内輪２３に取り付けられる不図示のエンコーダと、外輪２４に取り付けられる不図示の磁石及び磁気検出素子とで構成され、エンコーダの形状と回転速度に応じたパルス信号を回転速度情報として出力する。

信号処理部４は、不図示のＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、Ａ／Ｄ変換器、増幅器、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、メモリやハードディスク等の記憶装置等により構成される。ＲＯＭには機械設備２０に設けられた軸受２１の異常を診断するためのプログラムが保持されている。信号処理部４は、当該プログラムに従い、機械設備２０の軸受２１に取り付けられた振動センサ２及び回転速度センサ３の検知出力の解析及び判定を行うことにより、軸受２１の異常診断を行う。

図２は、軸受異常診断装置１の信号処理部４の機能構成を示すブロック図である。同図において、信号処理部４は、振動・回転情報記録部（振動情報記録部）４１、フィルタ処理部４２、振動解析部４３、回転解析部４４、比較判定部（異常判定部）４５及び内部データ保存部４６より構成される。振動・回転情報記録部４１は、振動センサ２の検知出力である軸受２１の振動情報及び回転速度センサ３の検知出力である機械設備２０の回転軸２２の回転速度情報を一時的に蓄積すると共に、情報の種類に応じて振動解析部４３、回転解析部４４の何れかに情報を振り分ける収集および分配機能を有している。各種情報は、振動・回転情報記録部４１に送られる以前に、不図示のＡ／Ｄ変換器によりデジタル信号に変換され、不図示の増幅器によって増幅された後に振動・回転情報記録部４１に送られる。なお、Ａ／Ｄ変換と増幅は順序が逆であっても構わない。

振動・回転情報記録部４１は、振動センサ２の検知出力である振動情報については、その実効値を常時記録するとともに所定の閾値と比較する。振動情報の実効値が所定の閾値を超えた場合には、該閾値を超えたことをトリガとして、振動情報そのまま（いわゆる、生波形）の記録を開始するとともに、振動情報を振動解析部４３に供給して振動解析を開始させる。振動センサ２の検知出力である振動情報の実効値は、記録周波数が低くても意味を成すため、振動・回転情報記録部４１はその実効値を記録し、該実効値が所定の閾値を超えたときから振動情報そのものの記録を開始する。振動情報の実効値を記録するときの記録周波数は、例えば１Ｈｚ程度である。

図３は、振動・回転情報記録部４１に記録される振動情報の実効値の記録波形の一例を示す図である。同図において、横軸は時間を示し、縦軸は振動情報の実効値を示す。振動情報の実効値の記録波形は、軸受２１が正常なときはＷ１で示す波形となり、軸受２１に異常が生じたときはＷ２で示す波形となる。振動・回転情報記録部４１では、振動情報の実効値に対して所定の閾値が設定されるため、振動情報の実効値が当該閾値を超えると、その時点から振動情報そのもの（いわゆる、生波形）の記録が開始されるとともに、振動解析が開始される。このように、通常は振動情報の実効値を記録し、該実効値が所定の閾値を超えたときから、振動情報そのものを記録するようにしたことで、従来と同じ記憶容量の記録装置を用いても長時間の記録が可能となり、また軸受２１の異常を早期に検知することが可能となる。

図２において、フィルタ処理部４２は、軸受２１の固有振動数に基づいて、振動情報からその固有振動数に対応する所定の周波数帯域のみを抽出し、不要な周波数帯域を除去する。この固有振動数は、軸受２１を被測定物として、打撃法により加振し、被測定物に取付けた振動センサ２からの振動情報を周波数分析することにより容易に求めることができる。なお、被測定物が軸受２１の場合には、内輪２３、外輪２４、転動体２５、保持器（不図示）等のいずれかに起因する固有振動数が与えられる。一般的に、機械部品の固有振動数は複数存在し、また固有振動数での振幅レベルは高くなるため測定の感度がよい。

振動解析部４３は、振動センサ２からの振動情報を基に、軸受２１に発生している振動の周波数分析を行う。具体的には、振動解析部４３は、振動情報の周波数スペクトルを算出するＦＦＴ（Fast Fourier Transform）計算部であり、ＦＦＴのアルゴリズムに基づいて、振動の周波数スペクトルを算出する。算出された周波数スペクトルは、比較判定部４５に供給される。また、振動解析部４３は、ＦＦＴを行う前処理として、絶対値処理やエンベロープ処理を行い、診断に必要な周波数成分のみに変換してもよい。振動解析部４３は、必要に応じて、エンベロープ処理後のエンベロープデータも併せて比較判定部４５に供給する。

回転解析部４４は、回転速度センサ３からの回転速度情報を基に、内輪２３、即ち回転軸２２の回転速度を算出し、算出した回転速度を比較判定部４５に供給する。回転解析部４４は、回転速度センサ３のエンコーダの形状に応じた所定の変換関数又は変換テーブルを有しており、該関数又は該テーブルに従って、パルス信号から内輪２３及び回転軸２２の回転速度を算出する。

比較判定部４５は、軸受２１に起因した周波数成分と振動解析部４３による振動の実測スペクトルデータの周波数成分とを可変な許容幅を持って比較照合する。本実施形態では、比較判定部４５は、実測スペクトルデータから基準値（例えば、電圧レベル）を算出する一方、算出された回転速度と所定の関係式とを用いて軸受２１の傷に起因する周波数（振動発生周波数）を計算し、実測スペクトルデータから振動発生周波数に可変な許容幅を与えた範囲での電圧レベルを抽出して基準値と比較判定を行う。そして、比較判定結果に基づき軸受２１の異常の有無を判定する。なお、比較照合における可変な許容幅は、周波数成分が高調波であるほど大きくなるように設定してもよく、対象とする周波数帯域や回転速度に連動させれば、実回転速度の変化（鉄道車両における車輪の摩耗の影響による変化等）に対応することが可能となる。

比較判定部４５は、軸受２１の異常の有無の判定結果を内部データ保存部４６に供給するとともに、出力部５に供給する。内部データ保存部４６は、比較判定部４５から供給された軸受２１の異常の有無の判定結果を保存する。出力部５は、比較判定部４５から供給された軸受２１の異常の有無の判定結果を液晶モニタ等のディスプレイに表示する。また、出力部５は、軸受２１が異常と判定された場合には、ライトやブザー等の警報機を使って異常の通知を行う。

図４は、信号処理部４の動作を説明するためのフロー図である。同図において、信号処理部４の振動・回転情報記録部４１は、振動センサ２の検知出力である振動情報を取り込んで、その実効値を記録し、また回転速度センサ３の検知出力である回転速度情報を取り込んで記録する（ステップＳ１）。次いで、振動・回転情報記録部４１は、取り込んだ振動情報の実効値が所定の閾値を超えるかどうか判定し（ステップＳ２）、当該閾値を超えないと判定した場合（ステップＳ２で「ＮＯ」と判定した場合）、ステップＳ１の処理を再開する。これに対して、当該閾値を超えたと判定した場合（ステップＳ２で「ＹＥＳ」と判定した場合）、振動情報の実効値の記録から、振動情報そのもの（いわゆる、生波形）の記録に切り替えて、振動情報そのものの記録を開始する（ステップＳ３）。次いで、振動・回転情報記録部４１は、振動解析部４３に振動解析を開始させる指示を与えるとともに、回転解析部４４に回転解析を開始させる指示を与える（ステップＳ４）。

振動解析部４３は、振動・回転情報記録部４１からの指示に従い、振動情報を基に振動解析を行い、解析結果を比較判定部４５に供給する（ステップＳ５）。一方、回転解析部４４は、回転速度情報を基に回転解析を行う（ステップＳ６）。すなわち、回転解析部４４は、軸受２１の内輪２３の回転速度を算出する。そして、算出した回転速度を比較判定部４５に供給する。比較判定部４５は、振動解析部４３による解析結果と回転解析部４４による解析結果とを基に軸受２１の異常の有無を判定する（ステップＳ７）。そして、比較判定部４５は、軸受２１の異常の有無を判定した結果を内部データ保存部４６に供給するとともに出力部５に供給する（ステップＳ８）。比較判定部４５が軸受２１の異常の有無を判定した結果を保存及び出力した後、振動・回転情報記録部４１は、振動情報そのものの記録を一時的に停止し（ステップＳ９）、ステップＳ１の処理を再開する。

このように本実施形態に係る軸受異常診断装置１によれば、信号処理部４の一機能である振動・回転情報記録部４１は、軸受２１に取り付けた振動センサ２の検知出力である振動情報を、低い記録周波数でも意味を成す実効値で常時記録し、振動情報の実効値が所定の閾値を超えた場合には、そのことをトリガとして、振動情報そのままの記録を開始するとともに、振動解析部４３に振動解析を開始させるので、現状の記憶容量の記録装置でも軸受２１の振動情報の長時間記録が可能となり、また初期設定の区間外でも解析が実施可能となり、軸受２１の異常を早期に検知することが可能となる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適用可能である。

１ 軸受異常診断装置
２ 振動センサ
３ 回転速度センサ
４ 信号処理部
５ 出力部
２０ 機械設備
２１ 軸受
２２ 回転軸
２３ 内輪
２４ 外輪
２５ 転動体
４１ 振動・回転情報記録部
４２ フィルタ処理部
４３ 振動解析部
４４ 回転解析部
４５ 比較判定部
４６ 内部データ保存部

Claims (2)

1. 軸受に設けられる振動センサと、
   前記振動センサの検知出力である振動情報を記録する振動情報記録部と、
   前記振動情報に基づき振動解析を行う振動解析部と、
   前記振動解析の結果に基づき前記軸受の異常の有無を判定する異常判定部と、を備え、
   前記振動情報記録部は、前記振動情報の実効値を常時記録し、前記実効値が所定の閾値を超えたことをトリガとして、前記振動情報そのままの記録を開始するとともに、前記振動解析部に前記振動解析を開始させる、軸受異常診断装置。
2. 請求項１に記載の軸受異常診断装置であって、
   前記振動情報の実効値の記録周波数は、前記振動情報そのままの記録周波数よりも低い、軸受異常診断装置。

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