JP2017214862A - ディーゼルエンジンのすべり軸受の診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの分解、組み立て等の作業を経ずに診断することを可能とする。【解決手段】ディーゼルエンジンの回転軸２のすべり軸受１におけるラビング等の異常を診断する装置であって、回転軸２の回転数を検出する回転数検出センサと、ディーゼルエンジンの表面に取り付けられ、回転軸２の振動時の加速度を検出する加速度センサ１２と、該加速度センサ１２によって検出された振動の加速度を表す波形データをフーリエ変換することによって周波数領域の波形データに変換し、該周波数領域の波形データと回転軸２の回転数とを組み合わせた所定の信号処理により、該周波数領域の波形データ中の回転周波数間隔で発生する複数のピーク情報を抽出し、該ピーク情報から所定のピーク値を特性値とする演算装置により定量化して特性値を得、該特性値が所定のしきい値を超えたかどうかモニタリングし、特性値が当該しきい値を超えたとき、すべり軸受に異常が発生していると判断するモニタリング装置と、通報装置と、を備える。【選択図】図３２

Description

本発明は、ディーゼルエンジンのすべり軸受の診断装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、船舶や発電設備におけるディーゼルエンジンのすべり軸受に特有の軸受接触（ラビング）の兆候を検出するための診断解析手法の改良に関する。

すべり軸受は、タービンや送風機をはじめとする大型の重要回転設備や、圧縮機をはじめとする高速の回転設備や重要設備などの一般産業用途の他に、船舶や発電用のディーゼルエンジンの軸受にも用いられている。すべり軸受は油膜で囲まれて非接触で回転するため通常は損傷しないが、施工不良や羽根のアンバランスがカップリングのミスアライメント、オイルウィップなどによる異常振動により回転軸とすべり軸受が接触（ラビング）し、損傷する。該すべり軸受に何らかの異常が生じると、常時とは異なる振動や音が発生し、このような状態で駆動を継続すると場合によっては破損に至ることがある。また、ラビング異常が進行すると焼き付きが発生し、設備停止に至ることもある。

このような事態を回避するためのすべり軸受の診断技術として、従来、渦電流型変位センサによる軸振動や圧電型加速度センサによる軸受箱振動を利用した方法が提案されている。例えば、すべり軸受から発生する振動や音のような波形データに高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を施すことにより得られたスペクトルパターンと、あらかじめ設定された異常時のスペクトルパターンとを比較すれば、当該比較結果に基づいて当該すべり軸受を診断することが可能である。

また、すべり軸受等におけるラビング（回転部と静止部との接触）の有無を判定する手法として、例えば回転軸と軸受とが接触するときに発生する音響を検出して音響信号を取り出し、この音響信号を包絡線検波処理（エンベロープ処理）して包絡線検波後データを形成し、ケプストラム値と基準値との比較を行い、この判定結果からラビング判定を行うというものも提案されている（特許文献１参照）。すべり軸受の焼き付き損傷の初期段階であるラビング現象の発生を軽微な段階で早期に検出することができれば、焼き付き損傷を未然に防止することができる。

ところで、上述のようにすべり軸受の診断を行うにあたっては、当該すべり軸受に加速度センサを取り付けて診断するという手法が適宜利用されている。

特開平８−２６１８１７号公報

しかしながら、ディーゼルエンジンのすべり軸受に加速度センサを取り付けようとすると、エンジンをある程度分解し、すべり軸受に加速度センサを取り付けたうえでエンジンを組み立て直さなければならなくなり、このような作業をエンジンのユーザーサイドで行うとすれば、相応の手間を要するばかりでなく、エンジンメーカー側で動作保証できなくなるといった問題が生じる。

そこで、本発明は、エンジンの分解、組み立て等の作業を経ずに診断することを可能としたディーゼルエンジンのすべり軸受の診断装置を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく、本発明は、ディーゼルエンジンの回転軸のすべり軸受におけるラビング等の異常を診断する装置において、
前記回転軸の回転数を検出する回転数検出センサと、
前記ディーゼルエンジンの表面に取り付けられ、前記回転軸の振動時の加速度を検出する加速度センサと、
該加速度センサによって検出された振動の加速度を表す波形データをフーリエ変換することによって周波数領域の波形データに変換し、該周波数領域の波形データと前記回転軸の回転数とを組み合わせた所定の信号処理により、該周波数領域の波形データ中の回転周波数間隔で発生する複数のピーク情報を抽出し、該ピーク情報から所定のピーク値を特性値とする演算装置により特性値を得、該特性値が所定のしきい値を超えたかどうかモニタリングし、前記特性値が当該しきい値を超えたとき、前記すべり軸受に異常が発生していると判断するモニタリング装置と、
当該すべり軸受に異常が発生していると前記モニタリング装置が判断した際に当該判断結果を外部に出力する通報装置と、
を備えるというものである。

加速度センサをディーゼルエンジンの表面に外付けするこの診断装置によれば、エンジン内部に加速度センサを取り付ける必要がないことからエンジン内部に加速度センサを取り付ける場合に避けられないエンジン分解やエンジン改造をする必要がなくなる。したがって、従前は要することがあった手間やコストを抑えることが可能となるし、エンジンメーカーによる動作保証に影響を及ぼすことがない。

前記加速度センサは、複数の前記すべり軸受と同数であってもよい。

前記加速度センサは、各々が、検出対象とする前記すべり軸受から等距離に配置されていてもよい。

前記加速度センサは、前記すべり軸受の径方向外側に形成された中実部材の表面に取り付けられていてもよい。

前記加速度センサは、前記回転軸の周面が鉛直方向下方から上方へ向けて回転する側に配置されていてもよい。

前記加速度センサは、前記ディーゼルエンジンの表面のうち、前記すべり軸受から直近となる位置に取り付けられていてもよい。

前記加速度センサは、前記すべり軸受の水平方向に配置されていてもよい。

前記中実部材は補強リブであり、前記すべり軸受と前記補強リブを結ぶ線の延長線上に前記加速度センサが配置されていてもよい。

前記加速度センサは、前記回転軸の軸方向に沿って等間隔に配置されていてもよい。

本発明によれば、エンジンの分解、組み立て等の作業を経ずに診断することが可能となる。

本発明の一実施形態を示す、すべり軸受の診断装置の概略構成図である。 回転数検出センサおよび加速度センサを利用して得られる加速度波形データの一例を示す図である。 図２の加速度波形データをフーリエ変換した周波数領域の波形データ（パワースペクトル）である。 加速度スペクトルから得られる（Ａ）ケプトラム、（Ｂ）自己相関、（Ｃ）相互相関の各特性値である。 相互相関に用いるテンプレートの例である。 特性値の経時変化の一例を示すグラフである。 本発明の検証に用いた供試メタルからなるすべり軸受の一例を示す（Ａ）平面図と（Ｂ）正面図である。 ギャップと加速度Ｏ／Ａ値の関係を示すグラフである。 回転数１２００［ｒｐｍ］における加速度スペクトルを示すグラフである。 回転数１２００［ｒｐｍ］におけるズーミングスペクトルを示すグラフである。 回転数１２００［ｒｐｍ］時の無次元兆候パラメータとギャップの関係を示すグラフである。 回転数１２００［ｒｐｍ］、ギャップ１／１００［ｍｍ］時の加速度波形および加速度スペクトルを示すグラフである。 回転数１２００［ｒｐｍ］、ギャップ１／１００［ｍｍ］時のズーミングスペクトルを示すグラフである。 回転数１２００［ｒｐｍ］、ギャップ１５／１００［ｍｍ］時の（Ａ）ケプストラム、（Ｂ）自己相関および（Ｃ）相互相関を示すグラフである。 回転数１２００［ｒｐｍ］、ギャップ３／１００［ｍｍ］時の（Ａ）ケプストラム、（Ｂ）自己相関および（Ｃ）相互相関を示すグラフである。 回転数１２００［ｒｐｍ］、ギャップ１／１００［ｍｍ］時の（Ａ）ケプストラム、（Ｂ）自己相関および（Ｃ）相互相関を示すグラフである。 回転数１２００［ｒｐｍ］、ギャップ０／１００［ｍｍ］時の（Ａ）ケプストラム、（Ｂ）自己相関および（Ｃ）相互相関を示すグラフである。 回転数１２００［ｒｐｍ］時の無次元兆候パラメータと出力比（異常時における出力レベルと正常時における出力レベルとの比）との関係を示す、ａ）ケフレンシーレベルと従来法の比較を表すグラフ、ｂ）各特性値の比較を表すグラフである。 回転数２８００［ｒｐｍ］時の無次元兆候パラメータと出力比（異常時における出力レベルと正常時における出力レベルとの比）との関係を示す、ａ）ケフレンシーレベルと従来法の比較を表すグラフ、ｂ）各特性値の比較を表すグラフである。 各ギャップ時におけるケフレンシートレンドとケプストラムとを示すグラフである。 正常時における加速度時間軸波形の一例（回転数79.6rpm）を示すグラフである。 正常時における加速度エンベロープスペクトルの一例（回転数79.6rpm）を示すグラフである。 正常時におけるケプストラム、自己相関および相互相関解析結果の一例を示す、（Ａ）回転周期ケフレンシー値トレンドと、所定時における（Ｂ）ケプストラム、（Ｃ）自己相関および（Ｄ）相互相関の図である。 軽微なラビング発生時（回転数85rpm）におけるケプストラム、自己相関および相互相関解析結果の一例を示す、（Ａ）回転周期ケフレンシー値トレンドと、所定時間における（Ｂ）ケプストラム、（Ｃ）自己相関および、（Ｄ）相互相関の図である。 軽微なラビング発生時における加速度時間軸波形の一例（回転数85rpm）を示すグラフである。 軽微なラビング発生時における加速度エンベロープスペクトルの一例（回転数85rpm）を示すグラフである。 しきい値の設定例を示すグラフである。 ディーゼルエンジンのすべり軸受を診断する装置の構成の概略を示すブロック図である。 ディーゼルエンジンのすべり軸受とその診断装置の一例を示す当該ディーゼルエンジンの内部の正面図である。 ディーゼルエンジンのすべり軸受とその診断装置の一例を示す当該ディーゼルエンジンの内部の側面図である。 ディーゼルエンジンのピストン、クロスヘッド等の構成例を示す正面図である。 ディーゼルエンジンのピストン、クロスヘッド等の構成例を示す側面図である。 ディーゼルエンジンのピストン、クロスヘッド等の構成例を示す平面図である。 ディーゼルエンジンの回転軸（クランクシャフト）の回転方向と加速センサの配置との関係について説明する図である。 回転軸と主メタル（すべり軸受）との間で作用する荷重が静荷重である場合のくさび膜圧力について説明する図である。 回転軸と主メタル（すべり軸受）との間で作用する荷重が変動荷重である場合の絞り膜圧力について説明する図である。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。以下では、まず、すべり軸受の診断装置およびこれによる診断方法について詳細に説明し、その後、ディーゼルエンジンのすべり軸受を診断する装置について説明する。

図１〜図６に、すべり軸受の診断方法および診断装置の実施形態を示す。すべり軸受１は、タービンをはじめとする大型の重要回転設備や、圧縮機をはじめとする高速の回転設備などにおいて適用可能な、回転軸２の軸受装置である。本発明にかかるすべり軸受１の診断装置１０は、回転数検出センサ１１と、加速度センサ１２と、モニタリング装置１３と、通報装置１４を備えている。以下においてはまずこの診断装置１０の構成について説明する（図１、図２等参照）。

回転数検出センサ１１は、回転軸２の回転数を検出するためのセンサである。例えば本実施形態では、回転軸２の表面に設けられて該回転軸２とともに回転する例えば反射テープからなる被検出部材１１ｂと、該被検出部材１１ｂを介して回転軸２の回転パルスを検出するパルス検出器１１ａとでこの回転数検出センサ１１を構成している（図１参照）。パルス検出器１１ａにより検出されたデータは、モニタリング装置１３へと送信される。実機における回転軸２は、回転数が制御されているものの、実際には電圧変動などの影響を受けて回転数が変動していることが多い。このような回転数検出センサ１１によれば、回転軸２の回転数が刻一刻と変動している場合にもパルスを利用して回転数を精度よく検出することが可能である。または、船舶エンジンなどに装備されている回転計の出力電圧から回転数を検出することも可能である。

加速度センサ１２は、ラビング現象などが生じたときの振動に基づき回転軸２の振動時の加速度を検出するためのセンサである。例えば本実施形態ではピエゾ素子を有する圧電型の加速度センサを用いる。当該加速度センサ１２をすべり軸受１の軸受箱や、すべり軸受１を含むエンジンの筐体などに取り付け、当該軸受箱等の振動に基づき加速度を検出することとしている（図１参照）。この加速度センサ１２による検出データは、モニタリング装置１３へと送信される。

モニタリング装置１３は、上述の回転数検出センサ１１からの送信データおよび加速度センサ１２からの送信データに基づきすべり軸受１の診断を行い、尚かつ異常が発生していると判断した際にはその結果を通報装置１４に送信する装置である。具体的には、本実施形態のモニタリング装置１３は、加速度センサ１２によって検出された振動の加速度を表す波形データをフーリエ変換することによって周波数領域のパワースペクトルに変換し、該スペクトルにおける軸の回転周波数間隔で発生する複数のピーク情報を、該軸の回転周波数情報と組み合わせた所定の信号処理を実施することで定量化し、特性値を得、得られた該特性値が所定のしきい値を超えたかどうかモニタリングし、前記特性値が当該しきい値を超えたとき、すべり軸受１に異常が発生していると判断する。また、本実施形態のモニタリング装置１３には、演算処理装置（例えばパーソナルコンピュータ）が接続されている。

通報装置１４は、すべり軸受１に異常が発生しているとモニタリング装置１３が判断した際に当該判断結果を出力し、ユーザや関係者らに通報するための装置である。通報装置１４は、例えば光を点滅させたり、警報音を鳴動させたりすることによって外部に通報するものでもよいし、演算処理装置１５の画面を利用して関係者らに通報するもの等であってもよい。

続いて、このような診断装置１０を用いたすべり軸受１の診断方法およびその原理等について説明する（図４等参照）。

上述した診断装置１０の回転数検出センサ１１および加速度センサ１２を利用すれば、従来と同様、時間が横軸の加速度波形データを検出することができる（図２参照）。当該すべり軸受１に異常が発生している場合、当該異常により発生する振動の加速度がよほど大きければ別だが、例えば軽微なラビングが生じているときの当該加速度波形データ中での加速度振幅の変化は微小であり、この波形データのみから異常の有無を検出することはきわめて困難である。

ここで、本実施形態では、この加速度波形データをフーリエ変換して周波数分析し、周波数領域の波形データを得る（図３参照）。これにより、周波数が横軸のパワースペクトルが得られる。

該スペクトルにおける軸の回転周波数間隔で発生する複数のピーク情報を、該軸の回転周波数情報と組み合わせた所定の信号処理を実施することで定量化し、特性値を得る。

該特性値のより具体的な検出方法として、該周波数領域のスペクトルの対数スペクトルを計算し、該対数スペクトルを逆フーリエ変換（ケプストラム演算）し、当該ケプストラム演算後の波形データから得られるケフレンシー値を用いる（図４（Ａ）参照）。ケフレンシーは、軸の回転周期の倍数の位置でピークを有するため、複数のピークを加算して特性値にしてもよい。

また、特性値として、次のような加速度スペクトルの自己相関の値を用いることが可能である（図４（Ｂ）参照）。すなわち、サンプリング周波数Z[Hz]（本実施形態では51200[Hz]）でN個(本実施形態では524288個)の加速度データを収集した場合、波数領域の加速度スペクトルは、Z/N[Hz]からZ[Hz]までのN個の周波数領域に分解できる。但し、一般に有効な周波数領域は、Z[Hz]の1/2以下である。そこで、該スペクトルを長さN'までのデータ列（ベクトル）をXで表す。このXに対し、上述の数式１のような自己相関を計算し、ｍが0からN'-1まで計算する。軽微なラビングが発生している場合、軸の回転数間隔で複数のピークが存在するため、Rxx(m)のｍ（周波数換算ではｍ＊Z/N[Hz]）が回転周期の倍数に対応する値となるときに大きなピークとして現れる。倍数ゼロ以外のピーク、例えば１番目のピーク値を特性値とすることができる。

この処理における加速度スペクトルの周波数領域を有効周波数の1000[Hz]〜20000[Hz]の中から以下のように限定している。回転周波数間隔でピークを持つ矩形波（図５参照）を準備する。本実施形態では、ピーク幅が軸の回転周期の1/10の長さで、10個のピークをもつ矩形波を用意し、この矩形波と加速度スペクトルの数式２の相互相関の値が最大となるｍの値を求める。矩形波の平均データ長さｗをもとめる。周波数（ｍ＋ｗ）×Z/N[Hz]の値R[Hz]が、該矩形波と最も相関の高くなる加速度スペクトルの中心周波数である。本例ではこの値R[Hz]の±1000[Hz]の範囲を指定している。尚、この計算の際に、範囲の最小値が有効周波数の最小値（本例では1000[Hz]）を下回る場合は、1000[Hz]〜3000[Hz]を指定している。また、有効範囲の上限（本例では20000[Hz]）を超える場合は、18000[Hz]〜20000[Hz]としている。

但し、前記の周波数の決定に使う前記矩形波の代わりにガウス分布等の他の波形を用いることもできる。また、ピーク幅や長さは上記に限定されるものではない。

また、自己相関の演算に使用する加速度スペクトルの周波数の特定は、加速度スペクトルから、使用者らがその範囲を決定することも可能である。

また、前記の特性値である自己相関のピーク値は、ベースライン（図４（Ｂ）参照）の影響を受ける場合があり、ベースライン分を差し引く事、またはピーク値をベースラインの平均値で割る事が望ましい。本例では、基本周波数の0.7-0.8周期の部分をベースとしてその平均値で差し引いている。

また、自己相関は、軸の回転周期の倍数の位置でピークを有するため、複数のピークを加算して特性値にしてもよい。

（ｍは０からＮ’−１）

更に、特性値として、次のような加速度スペクトルの相互相関を用いる事が可能である（図４（Ｃ）参照）。すなわち、軸の回転周期間隔で矩形やガウス分布等の所定のピークをもつ人工的なスペクトル（テンプレート波形と呼ぶ）Yと、前記の加速度スペクトルXとの相互相関により特性値を得ることも可能である。テンプレート波形のYのデータ長さとしては、加速度スペクトルXと同じか、より短い波形から構成できる。Y波形の長さをMとし、Mが加速度スペクトルXの長さN'より短い場合は、Xと同じ長さになるようにゼロを加えて、上述の数式２で計算する。軽微なラビングが発生している場合、軸の回転数間隔で複数のピークが存在するため、Rxｙ(m)のｍが回転周期の倍数に対応する値のときに大きなピークとして現れる。但し、数式２のままの計算では最初に得られるピークの先頭位置が軸の回転周波数よりずれ、その後のピーク位置も同等分ずれる場合がある。そこで、Rxy(m)において、m=0からｍが回転周波数になる間にRxyが最大となるｍを求め、そのｍをｍ＝０とすることで、このずれ分を補正する事が可能である。

（ｍは０からＭ−１）

この時、本実施形態では、相互相関を計算する加速度スペクトルの周波数およびベースラインによるピークの補正は、前記自己相関の場合と同じ方法を採用している。

また、相互相関を求めるテンプレートは、軸の回転周波数の1/10の幅を持ち、加速度スペクトルの指定した範囲に対し、軸の回転周波数の2.5周期分短いものを使用した。

但し、テンプレートは、軸の回転周波数間隔でピークをもつものであれば、矩形波に限定されるものではない。また、ピークの幅や長さも、本実施形態に限定されるものではない。また、相互相関は、軸の回転周期の倍数の位置でピークを有するため、複数のピークを加算して特性値にしてもよい。

本実施形態では、このようにして軸の回転周波数間隔でのピークの値を定量化して得られる特性値の時系列データを得たら、該特性値が所定しきい値を超えたかどうかモニタリングする。一般に、この特性値は、当該すべり軸受１においてラビングなどの異常が生じると顕著に増加する傾向がある（図６中の二点鎖線参照）。これに対し、本実施形態では、この特性値に対してあらかじめ所定のしきい値を設定しておき、経時変化する特性値Ｌが当該しきい値を超えた時点ですべり軸受１に異常が発生していると判断する。一例として、本実施形態では、ケフレンシートレンドレベルの正常時平均値＋３σ（標準偏差）を超えた場合にすべり軸受１に異常（接触）が発生していると判断することとして、当該値を所定のしきい値としている。いうまでもないが、以上のごときしきい値についての考え方は、特性値として加速度スペクトルの自己相関の値を用いた場合（図４（Ｂ）参照）、特性値として加速度スペクトルの相互相関を用いた場合（図４（Ｃ）参照）についても同様である。

ここで、図２７に示す具体例に基づき、しきい値についてさらに説明しておく。図２７中、正常な状態である(1)の領域において、実データから計算により求められるケフレンシートレンドレベルの平均値は0.0343、標準偏差σは0.0071である。この場合、平均値＋３σは、0.0556となる（図２７中においてしきい値を表す破線を参照）。

あるいは、上記の別例として、ケフレンシートレンドレベルの平均値の２倍を所定のしきい値とすることもできる。こうした場合、平均値＋３σよりもやや大きな値となる場合があるが、実用上の問題はない。

以上のような軸の回転周波数間隔でのピークの値を定量化して得られる特性値の解析によれば、スペクトル中に埋もれている周期性を検出し、基本周波数（もしくは基本周期の逆数）を求めることができる。これによれば、軽微なラビング等であっても精度よく検出、その兆候を早期に見出すことが可能となる。しかも、本実施形態では、従来用いられている加速度センサをそのまま利用しての異常診断を可能としている。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば上述の実施形態では、本発明にかかるすべり軸受１が、大型の重要回転設備や、圧縮機をはじめとする高速の回転設備などにおいて適用可能なものであると説明したが、この場合の適用分野ないし範囲には、石油化学、原子力発電所、石油精製、鉄鋼などのプラントにおける回転機器のすべり軸受が含まれることはいうまでもない。また、これらの他に、従来検出の困難であった、船舶のディーゼルエンジンやディーゼル発電機等のピストン運動や爆発による振動や音響ノイズのある軸受にも適用可能である。

例えばディーゼル発電機に使用されている４ストロークサイクルの場合、正常時においてもディーゼル機関では爆発により２回転に１回の周波数変調を受けた振動が発生する。ラビングが発生すると振動波形は、主軸の偏心による接触圧力の強弱により、回転周波数の規則性で周波数変調を受ける。周波数変調を受けると振動加速度スペクトルに回転周期の側帯波が発生する。つまり、ケフレンシーの発生周期により爆発による信号とラビングによる信号は分離可能である。

また、大型船舶のディーゼルエンジンに用いられる２ストロークサイクルの場合は、ラビング時と同様、１回転に１回のケフレンシーがシリンダーヘッド部に発生するが、クロスヘッドピン軸受２６とクランクピン軸受２７（図２９、図３０参照。なお、図３０では、複数のピストン２３、クロスヘッドピン軸受２６、クランクピン軸受２７等のうちの一部のみを図示している。）で爆発の振動を吸収する構造上の影響と大型による距離減衰の影響からと考えられるが、正常時には軸受部に爆発振動の影響を受けていないことを確認した。つまり、ディーゼル発電機と同様、回転周期のケフレンシーに着目することで、ラビング異常を検出することが可能である。

続いて、以下に、ディーゼルエンジン２０のすべり軸受（以下、主メタルともいう）１を診断する診断装置１０について説明する。なお、図３１〜図３３における符号２３はディーゼルエンジン２０のピストン、符号２４はクロスヘッド、符号２５はメタルキャップをそれぞれ示す。

この診断装置１０は、ディーゼルエンジン２０の表面に外付けした加速度センサ１２によって回転軸２の振動時の加速度を検出し、診断する（図２８等参照）。加速度センサ１２の個数は特に限定されないが、本実施形態では、ディーゼルエンジン２０の主メタル１が複数である場合に、該主メタル１と同数の加速度センサ１２を用いて診断する。なお、一般的なディーゼルエンジンであれば、気筒数＋１個の数の主メタル１が設けられている。もちろん、診断対象となる主メタル１がすべての主メタル１のうちの一部である場合は、すべての主メタル１の個数よりも少ない加速度センサ１２を用いて診断することもできる。

なお、回転軸２とは、具体的にはディーゼルエンジン２０の主軸たるクランクシャフトであるが（図２９、図３０参照）、その他、カムシャフトといった軸なども回転軸２に該当しうる。

加速度センサ１２の設置位置は、ディーゼルエンジン２０の表面であって診断が可能な位置であれば特に限定されないが、例えば、主メタル１の径方向外側に形成された中実部材の表面に取り付けられていれば、当該中実部材から伝わる振動の加速度をより精度よく検出しやすいという点で好適である。ここでいう中実部材とは、ディーゼルエンジン２０のクランクケース、オイルパン、補強リブ２２といった、振動を伝達可能な筐体の一部などの各種部材をいう。

また、加速度センサ１２が、ディーゼルエンジン２０の表面のうち主メタル１から直近となる位置に取り付けられていれば、診断対象たる主メタル１からもっとも近い位置でより精度よく振動を検出することができる。

一例として、本実施形態では、各々の主メタル１の位置に対応して形成されている補強リブ２２に各々の加速度センサ１２を取り付ける（図２９、図３０、図３３参照）。強度を確保するべくある程度の剛性を備えた構造の補強リブ２２は、振動を伝えやすい部材でもある。本実施形態では、当該ディーゼルエンジン２０の外壁２１上であって、尚かつ、主メタル１と該主メタル１に対応して構成されている補強リブ２２とを結ぶ線の延長線上となる位置に加速度センサ１２を取り付けることにより、軸方向の隣に位置する主メタル１が発する信号の影響を受けにくくしている（図３３等参照）。

また、本実施形態における加速度センサ１２は、主メタル１の水平方向に配置され、すべての主メタル１が同じ高さに位置するようになっている（図２９、図３１、図３２参照）。さらに、加速度センサ１２は、各々が、検出対象とする主メタル１から等距離に配置されている（図２９、図３０参照）。これにより、各加速度センサ１２と各主メタル１との振動伝搬距離を等しくすることで信号（振動）の距離減衰程度が等しくなり、各加速度センサ１２からの信号を等しく評価できるようになる。

さらに、本実施形態における加速度センサ１２は、回転軸（クランクシャフト）２の軸方向に沿って等間隔に配置されており、これにより、軸方向に等間隔に配置されている主メタル１に対応した配置となっている（図３０、図３２参照）。ただしこれは一例にすぎず、主メタル１の配置が等間隔になっていなければ加速度センサ１２の配置も等間隔である必要がないことはいうまでもない。

なお、上述したごとく加速度センサ１２を配置するにあたっては、回転軸２の右側および左側のいずれにも配置することができるが、より好ましいのは、回転軸２の周面が鉛直方向下方から上方へ向けて回転する側に配置されていることである（図３１参照）。例えば、回転軸２の回転方向が反時計回りであるなら、向かって右側に加速度センサ１２を配置することが好ましい（図３４参照）。これについて詳細に説明すると以下のとおりである。

回転軸２と主メタル１との間で作用する荷重が静荷重である場合、一定の「くさび膜圧力」（図３５参照）が作用する一方で、当該荷重が変動荷重である場合、軸心の振れ回り角速度に伴って「くさび膜圧力」が変化するだけでなく、軸心の半径方向の速度に伴って「絞り膜圧力」（図３６参照）が発生する。この点、ディーゼルエンジン２０の主メタル１には、静荷重だけでなく、シリンダ部の燃焼による変動荷重が大きく作用することから、回転軸２の周面が鉛直方向下方から上方へ向けて回転する側において、油膜が十分でなくなり金属接触の起こりうる範囲が生じ得る（「内燃機関の潤滑」、桜井俊男監修、幸書房、1.1節 染谷常雄著、“図1・4 ジャーナル軸受における油膜圧力発生の２形態”、“図1・24 ６シリンダディーゼルエンジン２０の軸受における軸心軌跡の計算例”等参照）。したがって、当該金属接触の起こりうる側に加速度センサ１２を配置して測定点を形成することが好適である。

上述したように、ディーゼルエンジン２０の表面（外壁２１など）に加速度センサ１２を外付けするこの診断装置１０によれば、当然ながら、エンジン内部に加速度センサ１２を取り付ける必要がない。したがって、エンジン内部に加速度センサを取り付ける場合に行わざるを得ないエンジン分解やエンジン改造をする必要と手間が省ける。

実験装置を製作し、上述したすべり軸受１の診断方法を検証するための実験を行った。以下、実施例として説明する。

実験装置においては、供試メタル（軸受合金としてのホワイトメタル）からなるすべり軸受１により、回転軸２の主軸を軸支した状態で、当該回転軸２を数種類の速度で回転させて行った（図７参照）。特に詳しく図示していないが、本実施例では、回転軸２の両端付近を支持軸受（転がり軸受）で軸支するとともに、モーターを利用して当該回転軸２を回転させた。

回転軸２の主軸の外径を１００［ｍｍ］とした。また、該回転軸２とすべり軸受（メタルケーシング）１の内周との間に形成される隙間（ギャップ）のうちの一方をＡ、他方をＢとして表した場合（図７（Ａ）参照）、トータルギャップ（ＡとＢとの和）を３０／１００［ｍｍ］に設定した（したがって隙間Ａ、隙間Ｂにおけるギャップが１５／１００［ｍｍ］のとき、回転軸２はすべり軸受１の中央に位置する）。さらに、押しボルトを利用した移動機構（ボルトの先端を移動対象にあてがい押して移動させる機構）によりすべり軸受１を回転軸２の中心軸とは垂直な方向に水平移動させ、ギャップＢを変化させた。このような実験装置を用い、回転軸２の回転速度を１２００［ｒｐｍ］、１８００［ｒｐｍ］、２８００［ｒｐｍ］として実験を行った。この結果、ラビングが発生すると加速度値の上昇が見られるが、軽微なラビングの場合には加速度Ｏ／Ａ値の差異は０．０１Ｇ程度でしかないので、加速度レベルでの評価は困難であると考えられた（図８参照）。なお、加速度Ｏ／Ａ値の単位のＧ（ジー）は振動加速度の単位で、１Ｇ＝９８００mm/s²＝９．８ｍ／ｓ²である。

次に、回転軸２の回転数が１２００［ｒｐｍ］である場合において、ギャップ１５／１００のとき、ギャップ３／１００のとき、ギャップ１／１００のとき（軽微なラビング状態）、ギャップ０／１００のとき（ラビング状態）のそれぞれについて加速度スペクトルを検出した（図９（Ａ）〜（Ｄ）参照）。さらに、それぞれの加速度スペクトルの一部を拡大してズーミングスペクトルを得た（図１０（Ａ）〜（Ｄ）参照）。

これら各スペクトル等の結果から、回転数が１２００［ｒｐｍ］である場合の加速度波形の形状変化を示す種々の無次元兆候パラメータとギャップとの関係を得た（図１１参照）。この結果から、ラビング発生により尖度と波高率、歪度の上昇が見られるが、軽微なラビングの場合にはこれらの変化が小さいことが確認された。なお、歪度β₁、尖度β₂、波高率ＣＦ（Crest Factor）、波形率ＳＦ（Shaped Factor）、変動率Ｃ.Ｖ（以上、無次元兆候パラメータ）、さらにはこれら無次元兆候パラメータに関係する標準偏差ｓ、ｋ次のモーメントμ_kのそれぞれは、以下の数式によって求めることができる。

［数７］
波高率ＣＦ＝最大値／実効値
［数８］
波形率ＳＦ＝実効値／平均値

ここで、本発明者らは、回転数１２００［ｒｐｍ］、ギャップ１／１００［ｍｍ］（軽微なラビング状態）のときの加速度波形と加速度スペクトルの各波形についても検討した（図１２参照）。この結果から、軽微なラビングの場合は、加速度スペクトルの上昇レベルが僅かであることが確認された。

さらに、本発明者は、回転数１２００［ｒｐｍ］、ギャップ１／１００［ｍｍ］（軽微なラビング状態）のときのズーミングスペクトルの波形についても検討した（図１３参照）。この結果から、ラビングが発生していると、加速度スペクトルが回転周波数によって変調されていることが確認された。

また、本発明者らは、回転数１２００［ｒｐｍ］、ギャップ１５／１００［ｍｍ］（接触していない状態）のときケプストラムの波形、自己相関波形および相互相関波形（図１４参照）、回転数１２００［ｒｐｍ］、ギャップ３／１００［ｍｍ］（接触していない状態）のときケプストラムの波形自己相関波形および相互相関波形（図１５参照）、回転数１２００［ｒｐｍ］、ギャップ１／１００［ｍｍ］（軽微なラビング状態）のときのケプストラムの波形自己相関波形および相互相関波形（図１６参照）、回転数１２００［ｒｐｍ］、ギャップ０／１００［ｍｍ］（ラビング発生状態）のときのケプストラムの波形自己相関波形および相互相関波形（図１７参照）のそれぞれについても検討した。回転軸２の回転数１２００［ｒｐｍ］としたことから、回転周波数は２０Ｈｚであり、したがって回転周期は５０［ｍｓ］である。軽微なラビング及びラビングが発生した状態下でのケプストラム波形におけるケフレンシー値、自己相関値および相互相関値において、回転周波数ｆｒ（本実施例の場合、２０Ｈｚ）に相当する部分にピーク確認された（図１６、図１７参照）。

続いて、発明者らは、回転数１２００［ｒｐｍ］のときの、異常時における出力レベルと正常時における出力レベルとの比を検討した（図１８参照）。軽微なラビング状態、ラビング（接触）発生状態のいずれにおいても、ケフレンシーレベル、自己相関および相互相関における出力比（異常時における出力レベル／正常時における出力レベル）が他のパラメータによる出力比（Ｏ／Ａ値の出力比など）と比べて大きくなることが確認された。同様に、回転数２８００［ｒｐｍ］のときの場合も、ケフレンシーレベルや自己相関、相互相関における出力比が、他の従来法に比較し、大きくなることが確認された（図１９参照）。

続いて、発明者らは、（Ａ）ギャップ２／１００（軽微なラビング状態）、（Ｂ、Ｃ）ギャップ０／１００（ラビング状態）、（Ｄ）ギャップ１５／１００（接触していない状態）のそれぞれについてケフレンシートレンドとケプストラムを検討した（図２０参照）。（Ａ）〜（Ｄ）の各状態のケフレンシートレンド（図２０（Ａ）〜（Ｄ）それぞれの上段参照）に示されるカーソル位置のケプストラムを図２０（Ａ）〜（Ｄ）の下段にそれぞれ示している。これらは、（Ａ）軽微なラビング状態からケーシングを回転軸に接近させて（Ｂ，Ｃ）ラビング状態を発生させた後、ケーシングを回転軸から離して（Ｄ）接触していない状態へと変化させた試験の結果である。回転軸の回転周期におけるケフレンシーのレベルが、回転軸とケーシングとの接触状態と相関を持って変化していることがわかる。以上から、ケプストラム演算後のケフレンシー値をモニタリングすることによって軽微なラビング状態を検出できることが確認された。自己相関解析、相互相関解析でも、同様の検出結果が得られている。

発明者らは、大型船舶ディーゼルエンジンにおける試運転における振動計測において、ケプストラム、自己相関、相互相関解析法の適用を試みた。

一般に、ディーゼルエンジンなどのディーゼル機関の場合には、正常運転時においても吸気弁や排気弁の開閉、燃焼爆発などの運転にともなう振幅変調を受けた振動が発生する（図２１参照）。この時の振動はそれぞれが回転周期毎に周期的に発生する為に、エンベロープスペクトルは回転周波数及びその高次成分の発生が発生する（図２２参照）。

一方、ケプストラム、自己相関、相互相関解析ではディーゼルエンジンにおいても運転時のノイズの影響も受けず、正常時には回転周期に相当する特性値のピークの発生は見られないか極めて小さい（図２３参照）。本試運転時の回転数を変化させている時の約８５ｒｐｍにおいて、主軸受（すべり軸受）に軽微なラビングが発生した。この時のケプストラム、自己相関、相互相関解析結果では、ラビングの発生を示す回転周期で、特性値ピークが存在することが確認された（図２４参照）。

この時の振動加速度波形においても振幅変調を受けた波形が得られており、正常時と判別が困難である（図２５参照）。エンベロープスペクトルにおいても正常時と同様、回転周波数及びその高次成分の発生が確認され、正常異常の差異が弁別困難である（図２６参照）。

以上の実施例１、実施例２の結果から、発明者らは以下の知見を得、あるいは確認した。
（１）すべり軸受の軽微なラビング時に、加速度スペクトル上に発生する軸の回転周波数間隔で発生する複数のピーク情報と軸の回転数から所定の方法で定量化した特性値おいて、異常／正常出力比（異常時における出力レベルと正常時における出力レベルとの比）が、他のパラメータにより解析した場合の出力比に比べて大きいことが確認された。したがって、この特性値を利用することにより、すべり軸受１の診断精度を向上させることが可能である。また、該特性値をモニタリングすることで、従来は困難あるいは不可能であった軽微なラビング状態を、圧電型加速度センサのみを使用して早期に検出することができる。
（２）従来運転時のノイズによりラビング異常の検出が困難な機器、とりわけディーゼルエンジンにおいても、運転時のノイズの影響を受けずに軽微なラビング現象を精度良く検出する事ができる。

本発明は、ディーゼルエンジンにおけるすべり軸受の診断に適用して好適である。

１…主メタル（すべり軸受）
２…回転軸
１０…診断装置
１１…回転数検出センサ
１２…加速度センサ
１３…モニタリング装置
１４…通報装置
１５…演算処理装置（演算装置）
２０…ディーゼルエンジン
２１…外壁
２２…補強リブ（中実部材）

Claims (9)

1. ディーゼルエンジンの回転軸のすべり軸受におけるラビング等の異常を診断する装置において、
   前記回転軸の回転数を検出する回転数検出センサと、
   前記ディーゼルエンジンの表面に取り付けられ、前記回転軸の振動時の加速度を検出する加速度センサと、
   該加速度センサによって検出された振動の加速度を表す波形データをフーリエ変換することによって周波数領域の波形データに変換し、該周波数領域の波形データと前記回転軸の回転数とを組み合わせた所定の信号処理により、該周波数領域の波形データ中の回転周波数間隔で発生する複数のピーク情報を抽出し、該ピーク情報から所定のピーク値を特性値とする演算装置により特性値を得、該特性値が所定のしきい値を超えたかどうかモニタリングし、前記特性値が当該しきい値を超えたとき、前記すべり軸受に異常が発生していると判断するモニタリング装置と、
   当該すべり軸受に異常が発生していると前記モニタリング装置が判断した際に当該判断結果を外部に出力する通報装置と、
   を備える、ディーゼルエンジンのすべり軸受の診断装置。
2. 前記加速度センサは、複数の前記すべり軸受と同数である、請求項１に記載のディーゼルエンジンのすべり軸受の診断装置。
3. 前記加速度センサは、各々が、検出対象とする前記すべり軸受から等距離に配置されている、請求項２に記載のディーゼルエンジンのすべり軸受の診断装置。
4. 前記加速度センサは、前記すべり軸受の径方向外側に形成された中実部材の表面に取り付けられている、請求項１から３のいずれか一項に記載のディーゼルエンジンのすべり軸受の診断装置。
5. 前記加速度センサは、前記回転軸の周面が鉛直方向下方から上方へ向けて回転する側に配置されている、請求項１から４のいずれか一項に記載のディーゼルエンジンのすべり軸受の診断装置。
6. 前記加速度センサは、前記ディーゼルエンジンの表面のうち、前記すべり軸受から直近となる位置に取り付けられている、請求項１から５のいずれか一項に記載のディーゼルエンジンのすべり軸受の診断装置。
7. 前記加速度センサは、前記すべり軸受の水平方向に配置されている、請求項６に記載のディーゼルエンジンのすべり軸受の診断装置。
8. 前記中実部材は補強リブであり、前記すべり軸受と前記補強リブを結ぶ線の延長線上に前記加速度センサが配置されている、請求項７に記載のディーゼルエンジンのすべり軸受の診断装置。
9. 前記加速度センサは、前記回転軸の軸方向に沿って等間隔に配置されている、請求項１から８のいずれか一項に記載のディーゼルエンジンのすべり軸受の診断装置。

Images