JP2018159621A - Condition monitoring device and condition monitoring method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、軸受の異常を検出する状態監視装置および状態監視方法に関する。 The present invention relates to a state monitoring device and a state monitoring method for detecting a bearing abnormality.
鉄道車両や発電用風車等の回転部品の異常を早期に発見し、メンテナンスするために、実稼動状態で回転部品の異常診断を行なう状態監視装置が知られている(特許文献1:特開2006−105956号公報)。このような状態監視装置によって、回転部品が組み込まれた装置を人手によって分解して確認しなくても、遠隔地からでも異常診断が可能となる。 A state monitoring device that diagnoses abnormalities of rotating parts in an actual operating state in order to detect and maintain abnormalities of rotating parts such as railway vehicles and wind turbines for power generation at an early stage is known (Patent Document 1: Japanese Patent Laid-Open No. 2006-2006). -105956). With such a state monitoring device, it is possible to diagnose an abnormality from a remote location without having to manually disassemble and check the device incorporating the rotating component.
軸受の状態監視装置は、加速度、速度、変位、音、AE(Acoustic Emission)を計測するセンサをハウジングやケースなどの固定部品に設置し状態監視をすることが多い。 Bearing state monitoring devices often monitor the state by installing sensors that measure acceleration, speed, displacement, sound, and AE (Acoustic Emission) on fixed parts such as housings and cases.
しかし、dn値(内径×回転速度)が20000以下となるような低速回転の場合には、従来の状態監視装置では検知が難しい。たとえば、加速度、速度および音を検出する場合は応答が小さいので異常検知が難しい。またAEを検出する場合は、損傷部以外からの信号、例えばクリープ、保持器と軌道輪の接触、転動体と保持器の接触などによる信号が外乱となって異常検知が難しい。よって、変位センサを用いることが考えられるが、変位センサでも、渦電流型は温度ドリフトが大きいため高精度な異常検知が難しく、高精度測定が可能なレーザー型や静電容量型は潤滑油や水などの環境の影響が大きいため、軸受の状態監視用には問題がある。 However, in the case of low speed rotation where the dn value (inner diameter × rotational speed) is 20000 or less, it is difficult to detect with the conventional state monitoring device. For example, when detecting acceleration, speed, and sound, it is difficult to detect abnormality because the response is small. Further, when detecting AE, a signal from a part other than the damaged part, for example, a signal due to creep, contact between the cage and the raceway, contact between the rolling element and the cage, etc. is disturbed and it is difficult to detect the abnormality. Therefore, it is conceivable to use a displacement sensor, but even with a displacement sensor, the eddy current type has a large temperature drift, making it difficult to detect abnormalities with high accuracy. There is a problem in monitoring the condition of the bearing because of the great influence of the environment such as water.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、潤滑油や水などの環境に影響されず、回転軸の変位を高精度に監視することができる状態監視装置および状態監視方法を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and the object thereof is a state in which the displacement of the rotating shaft can be monitored with high accuracy without being affected by the environment such as lubricating oil and water. A monitoring device and a state monitoring method are provided.
本開示は、固定輪がハウジングに固定された軸受の異常を検出する状態監視装置に関する。状態監視装置は、軸受によって支持される回転軸がハウジングに対して変位すると接触度合いが変化するように回転軸の周面に対向するように配置された摩擦部材と、摩擦部材に接触する状態監視センサとを備える。状態監視センサは、AEセンサまたは加速度センサである。 The present disclosure relates to a state monitoring device that detects an abnormality of a bearing in which a fixed ring is fixed to a housing. The state monitoring device includes a friction member disposed so as to face the peripheral surface of the rotation shaft so that the degree of contact changes when the rotation shaft supported by the bearing is displaced with respect to the housing, and the state monitoring contacting the friction member A sensor. The state monitoring sensor is an AE sensor or an acceleration sensor.
好ましくは、摩擦部材は、回転軸に対して、軸受に働く軸受荷重の作用する側に配置される。 Preferably, the friction member is arranged on a side where a bearing load acting on the bearing acts on the rotating shaft.
好ましくは、状態監視装置は、軸受のハウジングに摩擦部材および状態監視センサを固定するステーをさらに備える。 Preferably, the state monitoring device further includes a stay for fixing the friction member and the state monitoring sensor to the housing of the bearing.
より好ましくは、状態監視装置は、状態監視センサとステーとの間に配置された振動を遮断する防振材をさらに備える。 More preferably, the state monitoring device further includes a vibration isolating material that blocks vibrations disposed between the state monitoring sensor and the stay.
好ましくは、摩擦部材と回転軸との摩擦時に、回転軸1回転当たりの摩擦部材の摩耗量は、回転軸1回転当たりの軸受の摩耗量に比べ大きい。 Preferably, during friction between the friction member and the rotary shaft, the wear amount of the friction member per rotation of the rotary shaft is larger than the wear amount of the bearing per rotation of the rotary shaft.
好ましくは、状態監視装置は、状態監視センサの出力を受け、軸受に異常が生じたか否かを判定する演算処理装置をさらに備える。演算処理装置は、状態監視センサから得られた特徴量が第1しきい値より小さい状態から大きい状態に遷移した場合に、軸受に異常が発生したと判定する。 Preferably, the state monitoring device further includes an arithmetic processing unit that receives an output of the state monitoring sensor and determines whether or not an abnormality has occurred in the bearing. The arithmetic processing unit determines that an abnormality has occurred in the bearing when the feature amount obtained from the state monitoring sensor transitions from a state smaller than the first threshold value to a larger state.
好ましくは、状態監視装置は、状態監視センサの出力を受け、軸受に異常が生じたか否かを判定する演算処理装置をさらに備える。演算処理装置は、(i)第1運転期間において状態監視センサから得られた特徴量に基づいて第1しきい値を決定し、(ii)特徴量が第1しきい値より小さい状態に遷移した第1運転期間よりも後の第2運転期間において状態監視センサから得られた特徴量に基づいて、第2しきい値を決定し、(iii)第2運転期間の後に状態監視センサから得られた特徴量が第2しきい値より小さい状態から大きい状態に遷移した場合に、軸受に異常が発生したと判定する。 Preferably, the state monitoring device further includes an arithmetic processing unit that receives an output of the state monitoring sensor and determines whether or not an abnormality has occurred in the bearing. The arithmetic processing unit determines (i) a first threshold value based on the feature value obtained from the state monitoring sensor in the first operation period, and (ii) transitions to a state where the feature value is smaller than the first threshold value. The second threshold value is determined based on the feature amount obtained from the state monitoring sensor in the second operation period after the first operation period, and (iii) obtained from the state monitoring sensor after the second operation period. It is determined that an abnormality has occurred in the bearing when the obtained feature value transitions from a state smaller than the second threshold value to a larger state.
本開示の他の局面に係る方法は、状態監視装置によって固定輪がハウジングに固定された軸受の異常を検出する状態監視方法である。状態監視装置は、軸受によって支持される回転軸がハウジングに対して変位すると接触度合いが変化するように回転軸の周面に対向するように配置された摩擦部材と、摩擦部材に接触する状態監視センサとを備える。状態監視センサは、AEセンサまたは加速度センサである。状態監視方法は、(i)第1運転期間において状態監視センサから得られた特徴量に基づいて第1しきい値を決定するステップと、(ii)特徴量が第1しきい値より小さい状態に遷移した第1運転期間よりも後の第2運転期間において状態監視センサから得られた特徴量に基づいて、第2しきい値を決定するステップと、(iii)第2運転期間の後に状態監視センサから得られた特徴量が第2しきい値より小さい状態から大きい状態に遷移した場合に、軸受に異常が発生したと判定するステップとを備える。 A method according to another aspect of the present disclosure is a state monitoring method for detecting an abnormality of a bearing in which a stationary ring is fixed to a housing by a state monitoring device. The state monitoring device includes a friction member disposed so as to face the peripheral surface of the rotation shaft so that the degree of contact changes when the rotation shaft supported by the bearing is displaced with respect to the housing, and the state monitoring contacting the friction member A sensor. The state monitoring sensor is an AE sensor or an acceleration sensor. The state monitoring method includes: (i) a step of determining a first threshold value based on a feature amount obtained from the state monitoring sensor during the first operation period; and (ii) a state in which the feature amount is smaller than the first threshold value. A step of determining a second threshold value based on a feature quantity obtained from the state monitoring sensor in a second operation period after the first operation period transitioned to (iii) a state after the second operation period And determining that an abnormality has occurred in the bearing when the feature amount obtained from the monitoring sensor transitions from a state smaller than the second threshold value to a larger state.
本発明の状態監視装置であれば、低速運転の軸受について、潤滑油や水などの環境に影響されずに高精度な異常検知が可能となる。 With the state monitoring device of the present invention, it is possible to detect anomalies with high accuracy in a low-speed operation bearing without being affected by an environment such as lubricating oil or water.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
[風力発電装置全体の構成]
図1〜図2を参照して、本実施形態に係る状態監視装置を適用可能な装置の一例である風力発電装置の構成を説明する。なお、風力発電装置は、一例であり、鉄道車両やスピンドルなどの軸受にも本実施の形態に係る状態監視装置は適用可能である。
[Configuration of the entire wind power generator]
With reference to FIGS. 1-2, the structure of the wind power generator which is an example of the apparatus which can apply the state monitoring apparatus which concerns on this embodiment is demonstrated. The wind power generator is an example, and the state monitoring device according to the present embodiment can be applied to a bearing such as a railway vehicle or a spindle.
図1は、この発明の実施の形態に従う状態監視装置が適用される風力発電装置の構成を概略的に示した図である。図1を参照して、風力発電装置10は、回転軸20と、ハブ25と、ブレード30と、増速機40と、発電機50と、制御盤52と、送電線54とを備える。また、風力発電装置10は、主軸用軸受(以下、単に「軸受」と称する。)60と、データ処理装置80とをさらに備える。増速機40、発電機50、制御盤52、軸受60及びデータ処理装置80は、ナセル90に格納され、ナセル90は、タワー92によって支持される。
FIG. 1 schematically shows a configuration of a wind turbine generator to which a state monitoring device according to an embodiment of the present invention is applied. Referring to FIG. 1, the
回転軸20は、風力発電装置の主軸であり、軸受60によって回転自在に支持され、ナセル90内で増速機40の入力軸に接続される。そして、回転軸20は、風力を受けたブレード30により発生する回転トルクを増速機40の入力軸へ伝達する。ブレード30は、回転軸20の先端のハブ25に取り付けられており、風力を回転トルクに変換して回転軸20に伝達する。
The rotating
軸受60は、ナセル90内において固定され、回転軸20を回転自在に支持する。軸受60は、転がり軸受によって構成される。たとえば、図2、図3に示すように自動調芯ころ軸受を用いることができるが、円すいころ軸受、円筒ころ軸受、玉軸受等によって構成しても良い。なお、これらの軸受は、単列のものでも複列のものでもよい。
The
増速機40は、回転軸20と発電機50との間に設けられ、回転軸20の回転速度を増速して発電機50へ出力する。発電機50は、増速機40の出力軸に接続され、増速機40から受ける回転トルクによって発電する。
The
制御盤52は、インバータ(図示せず)等を含んで構成される。インバータは、発電機50による発電電力を系統の電圧及び周波数に変換し、系統に接続される送電線54へ出力する。
The
回転軸20を支持する軸受60からは、状態監視センサからの信号がデータ処理装置80に送信される。なお、ここでは軸受60からの信号を代表的に示したが、他の軸受からも併設される状態監視センサからの信号がデータ処理装置80に送信される。
A signal from the state monitoring sensor is transmitted to the
図2は、主軸を支持する軸受にかかる軸受荷重の向きを説明するための模式図である。図2を参照して、軸受60は、ハブ25側に設置された軸受60Aと、図1の増速機40側に設けられた軸受60Bとを含む。
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the direction of the bearing load applied to the bearing that supports the main shaft. Referring to FIG. 2, bearing 60 includes a
回転軸20の先端には、ブレード30およびハブ25に働く重力Gが作用する。このため、軸受60には軸受荷重FAが重力と同じ向きに作用する。一方、軸受60Aが支点となるので、重力Gが作用すると軸受60Bには軸受荷重FBが重力と逆向きに作用する。
The gravity G acting on the
このように、軸受には、使用される場所によって、軸受荷重が作用する向きが異なる場合がある。しかし、軸受が使用される場所が定まれば、軸受荷重が作用する向きはほとんど決まるので、軸受荷重が作用する向きは軸受を用いる設備の組立時には予めわかっている。 Thus, the direction in which the bearing load acts on the bearing may vary depending on the place where it is used. However, since the direction in which the bearing load acts is almost determined once the place where the bearing is used is determined, the direction in which the bearing load acts is known in advance when assembling the equipment using the bearing.
軸受荷重が作用する方向に対して軸受の外輪に負荷域が発生する。軸受の内輪や転動体は回転しているので均一に摩耗することが期待されるが、軸受の外輪は固定されているので、負荷域となる部分でより多く摩耗が進行する。その結果、回転軸は軸受荷重の向きに変位することが考えらえる。 A load region is generated in the outer ring of the bearing with respect to the direction in which the bearing load acts. Since the inner ring and rolling elements of the bearing are rotating, it is expected to wear evenly. However, since the outer ring of the bearing is fixed, the wear proceeds more in the load region. As a result, it can be considered that the rotating shaft is displaced in the direction of the bearing load.
以下の実施の形態では、回転軸の変位を検出することができる状態監視装置について詳しく説明する。この状態監視装置は、軸受に対して軸受荷重が作用する側(負荷域側)に回転軸よりも摩耗しやすい摩擦部材を配置し、この摩擦部材に発生するAEまたは振動に基づいて軸受の回転軸の変位を検出する。 In the following embodiments, a state monitoring device capable of detecting the displacement of the rotating shaft will be described in detail. In this state monitoring device, a friction member that is more likely to be worn than the rotating shaft is disposed on the bearing load acting side (load region side) with respect to the bearing, and the rotation of the bearing is based on AE or vibration generated in the friction member. Detect shaft displacement.
[実施の形態1]
図3は、実施の形態1の状態監視装置の構成を示す図である。図3を参照して、実施の形態1の状態監視装置100は、軸受160の摩耗等の状態を監視するものであって、摩擦部材146と、摩擦部材146に接触する状態監視センサ145とを備える。
[Embodiment 1]
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of the state monitoring apparatus according to the first embodiment. Referring to FIG. 3,
軸受160は、回転軸20とハウジング120および軸受押さえ121に囲まれている。ハウジング120は、図示しないが、ナセルなどに固定されている。軸受160は、内輪131と、外輪132と、複数の転動体133(たとえばたる形のころ)とを含む。内輪131はその外周面に複数の転動体133と接触している転走面を有しており、外輪132はその内周面に複数の転動体133と接触している転走面を有している。
The bearing 160 is surrounded by the rotating
内輪131はその転走面よりも内側において回転軸20と嵌め合わされており、外輪132はその転走面よりも外側においてハウジング120と嵌め合わされている。内輪131と回転軸20とは、一体として回転可能に設けられている。軸受160は、固定輪である外輪132がハウジング120に固定されている。摩擦部材146は、軸受160によって支持される回転軸20がハウジング120に対して軸受荷重方向に変位すると接触度合いが変化するように回転軸20の周面に対向するように配置されている。状態監視センサ145は、AEセンサまたは加速度センサである。また、軸受160は、図2の軸受60Aに相当する。
The
摩擦部材146は、回転軸20に対して、軸受160に働く軸受荷重FAの作用する側(外輪の負荷域側)に配置される。
The
摩擦部材146は、摩耗し易くAEや振動加速度が発生し易い材質が好ましい。また、摩擦部材146は、相手材(回転軸20)を損傷させにくい材質がより好ましい。また、軸受160の摩耗を検出するためには、摩擦部材146は、摩擦部材146と回転軸20との摩擦時に、回転軸20の1回転当たりの摩擦部材146の摩耗量が、回転軸20の1回転当たりの軸受160(内輪、外輪、転動体)の摩耗量に比べ大きいものを選択する。たとえば、摩擦部材146として、カーボン材、樹脂、各種強化材を複合した樹脂、銅合金、アルミニウム合金、チタン合金、金属焼結体、金属粉末の圧縮成形体、樹脂粉末の圧縮成形体を使用することができる。
The
状態監視装置100は、ステー141と、防振材143と、防振材カバー142と、演算処理装置81とをさらに備える。ステー141は、軸受60のハウジング120および軸受押さえ121に、摩擦部材146および状態監視センサ145を固定する。防振材143は、状態監視センサ145とステー141との間に配置され、ステー141からセンサに伝わるAEおよび振動を遮断し、または減衰させる。演算処理装置81は、状態監視センサ145の出力を受け、軸受に異常が生じたか否かを判定する。演算処理装置81は、状態監視センサ145から得られた特徴量がしきい値Aより小さい状態から大きい状態に遷移した場合に、軸受160に異常が発生したと判定する(図4、図5、図7参照)。演算処理装置81は、たとえば、図1のデータ処理装置80の内部に設置することができる。なお、データ処理装置80から遠隔地でデータを受信するコンピュータを演算処理装置81として用いても良い。
The
上記に説明したように、状態監視装置100は、回転軸20の変位を検知する装置である。このため、摩擦部材146は、回転軸20に接触または近接させて設置される。摩擦部材146には、AEセンサまたは加速度センサである状態監視センサ145が接着される。ステー141は、状態監視センサ145をハウジング120または軸受押さえ121に固定する。摩擦部材146は、回転軸20の変位に伴い、摩耗が進行する位置に設置する。
As described above, the
軸受160は、稼働時間が長くなると、転動体133や内輪131、外輪132が摩耗する。これらの摩耗が生じると、軸受荷重によって、回転軸20は、軸受荷重が作用する向きに変位する。すなわち、回転軸20の変位は、軸受160の内輪131と外輪132間の距離が変化することに伴い生じる。
As the operating time of the bearing 160 becomes longer, the rolling element 133, the
回転軸20が変位すると、摩擦部材146が摩耗してAEや振動加速度が発生し、摩擦部材146に直接接着した状態監視センサ145により高感度に回転軸20に変位が生じたことを検知できる。この変位の検知によって、軸受160に摩耗等による損傷が生じたことを高感度に検知可能である。
When the
また、状態監視装置100は、状態監視センサ145とステー141との間に振動を遮断するための防振材143と、防振材カバー142とを備える。防振材143により、ステー141を介して状態監視センサ145に伝達されるAEおよび振動加速度を遮断できる。このため、軸受160や他の部分において発生しているAEおよび振動が状態監視センサ145において検出されにくくなる。このため、摩擦部材146から発生するAEや振動加速度をより高感度に測定できる。
Further, the
図4は、実施の形態1の状態監視装置の測定データを示す図である。図4のデータは、図2の軸受60Aのように、軸受荷重の向きが鉛直下向きの場合を模擬したものであり、以下の測定条件において得られるものである。
<測定条件>
装置構成:図3に示す構成
摩擦部材材質:カーボン材
状態検知センサ:AE(エンベロープ処理した時間波形を電圧出力)
軸受:自動調心ころ軸受(内径560mm、外径820mm、幅195mm)
回転軸の変位:最大0.1mmまで、比較のために別の変位計で観測
回転速度:20回転/分(1回転の時間3秒)
サンプリング速度:100kHz
データ長さ:15秒
測定間隔:10分
実施の形態1では、運転開始時に摩擦部材146を回転軸20と接触させずに、その相対距離を0.06mmにして設置した。正常状態の軸受160が運転の途中で回転軸20の変位が増加し始める状態を再現するために、一定回転速度運転の途中で荷重を徐々に増加させるようにした。図4中には、変位X1、実効値E1、変動係数C1が示されている。変位X1は、回転軸20の軸受荷重の向きを正とする変位を示す。実効値E1は、データ長さ15秒に含まれる状態監視センサ145の出力のサンプリング値の各々を二乗した値の平均値の平方根である。また、変動係数C1は、上記サンプリング値の標準偏差を算術平均で割ったものであり、相対的なばらつきを表す。
FIG. 4 is a diagram illustrating measurement data of the state monitoring apparatus according to the first embodiment. The data in FIG. 4 simulates the case where the direction of the bearing load is vertically downward like the
<Measurement conditions>
Apparatus configuration: Configuration shown in FIG. 3 Friction member material: Carbon material state detection sensor: AE (envelope processed time waveform voltage output)
Bearing: Spherical roller bearing (inner diameter 560mm, outer diameter 820mm, width 195mm)
Displacement of rotating shaft: Up to 0.1 mm, observed with another displacement meter for comparison Rotating speed: 20 rev / min (Time of one
Sampling rate: 100 kHz
Data length: 15 seconds Measurement interval: 10 minutes In
実効値E1および変動係数C1のプロットは、データ長さ15秒間で算出した値を10分間隔でプロットしたものであり、回転軸20の変位X1は摩擦部材146近傍で、比較のために他の変位計を用いて測定した瞬時値である。
The plot of the effective value E1 and the coefficient of variation C1 is a plot of values calculated at a data length of 15 seconds at 10-minute intervals, and the displacement X1 of the
軸受160は運転時間2時間前後から摩耗が進行し、回転軸20の変位X1が徐々に増大する。実施の形態1では、運転開始初期の摩擦部材146が回転軸20に接触していない状態の初期期間で得られる実効値E1に基づいて、しきい値Aを決定する。たとえば、初期期間の平均値や標準偏差を考慮し、しきい値Aを決定することができる。
Wear of the bearing 160 proceeds from about 2 hours of operation time, and the displacement X1 of the
摩擦部材146を回転軸20と接触させずに近接させる場合、摩擦部材146と回転軸20が接触したら異常とみなせるように、設置の際に摩擦部材146と回転軸20との距離を正確に把握し、その距離を異常として検出する軸受の内輪と外輪間隙間の変化量に合わせる。運転開始直後の摩擦部材146は回転軸と接触していないため摩耗しない。この摩耗のない期間は、軸受に異常はなくAEや振動加速度のレベルおよびその変動が小さいため、異常検知のためのしきい値を生成する期間として適している。
When the
図5は、実施の形態1において、演算処理装置が実行する異常判定処理を説明するためのフローチャートである。図3〜図5を参照して、まず、ステップS1において、演算処理装置81は、運転初期期間における状態監視センサ145の出力信号をサンプリングして、初期値データを得る。そして、ステップS2において、演算処理装置81は、初期期間に得られた初期値データの平均値、標準偏差σ等を算出し、これらに基づいてしきい値Aを決定する。たとえば、平均値+3σをしきい値Aとすることができる。なお、この初期期間は、通常は軸受の摩耗により回転軸に変位が発生しない期間とし、適宜実験的に予め定めておくことができる。
FIG. 5 is a flowchart for explaining an abnormality determination process executed by the arithmetic processing unit in the first embodiment. 3 to 5, first, in step S <b> 1, the
そして、ステップS3において、演算処理装置81は、以降の実効値Eを監視して、実効値Eがしきい値Aよりも大きいか否かを判断する。E>Aでなければ再びステップS3の処理が実行される一方、E>Aであれば、ステップS4に処理が進められる。ステップS4では、演算処理装置81は、軸受160に異常が発生したと判定し、必要に応じて記録や報知を行ない、ステップS5で処理を終了する。
In step S <b> 3, the
このようにしきい値Aを定めることにより、バックグラウンドノイズによって軸受の異常発生を誤検出してしまうことを避けることができる。また、実施の形態1では、運転開始時からの軸受の回転軸20の変位(軸受の磨耗による内輪と外輪の隙間の変化量)が初期の隙間0.06mm分以上に増加したことが正確に検知できる。
By defining the threshold value A in this way, it is possible to avoid erroneously detecting the occurrence of a bearing abnormality due to background noise. In the first embodiment, the displacement of the
[実施の形態1の変形例]
実施の形態1の変形例では、転がり軸受に代えてすべり軸受に同様の検出処理を実行した例を説明する。
[Modification of Embodiment 1]
In the modification of the first embodiment, an example will be described in which a similar detection process is performed on a sliding bearing instead of a rolling bearing.
図6は、実施の形態1の変形例の状態監視装置の構成を示す図である。図6を参照して、状態監視装置101は、摩擦部材146と、摩擦部材146に接触する状態監視センサ145とを備える。摩擦部材146は、すべり軸受である軸受160Aによって支持される回転軸20が変位すると接触度合いが変化するように回転軸20の周面に対向するように配置されている。状態監視センサ145は、AEセンサまたは加速度センサである。
FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of a state monitoring apparatus according to a modification of the first embodiment. Referring to FIG. 6,
軸受160Aは、回転軸20とハウジング220および軸受押さえ221に囲まれている。軸受160Aは、バックメタル一体型の構造であり、バックメタルの内側に摺動部材が配置され、そのさらに内側に回転軸20が貫通している。また軸受160Aは、外側においてハウジング220と嵌め合わされている。バックメタルの内側に配置された摺動部材は、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene, PTFE)等の樹脂材料を使用することができる。また、摺動部材として、金属粉を主成分とする多孔質焼結体を用いても良い。である。摺動部材の気孔に油を含浸しているため、動作中は油が軸受内部で循環して潤滑の役目を果たす。
The bearing 160 </ b> A is surrounded by the
摩擦部材146は、回転軸20に対して、軸受160Aに働く軸受荷重FAの作用する側(バックメタルの負荷域側)に配置される。摩擦部材146、防振材143、防振材カバー142、ステー141については、実施の形態1と同様であるので説明は繰り返さない。
The
図7は、実施の形態1の変形例の状態監視装置の測定データを示す図である。図7のデータは、以下の測定条件において得られるものである。
<測定条件>
装置構成:図6に示す構成
摩擦部材材質:カーボン材
状態検知センサ:AE(エンベロープ処理した時間波形を電圧出力)
軸受材質:PTFE複合材(内径100mm、幅50mm)
荷重:50kN
回転速度:20回転/分(1回転の時間3秒)
サンプリング速度:100kHz
データ長さ:15秒
測定間隔:15時間(hour)
図7中には、変位X2、実効値E2、変動係数C2が示されている。変位X2は、回転軸20の軸受荷重の向きを正とする変位を示す。実効値E2は、データ長さ15秒に含まれる状態監視センサ145の出力のサンプリング値の各々を二乗した値の平均値の平方根である。また、変動係数C2は、上記サンプリング値の標準偏差を算術平均で割ったものであり、相対的なばらつきを表す。
FIG. 7 is a diagram illustrating measurement data of the state monitoring device according to the modification of the first embodiment. The data in FIG. 7 is obtained under the following measurement conditions.
<Measurement conditions>
Device configuration: Configuration shown in FIG. 6 Friction member material: Carbon material state detection sensor: AE (Envelope-processed time waveform is voltage output)
Bearing material: PTFE composite material (inner diameter 100mm, width 50mm)
Load: 50kN
Rotation speed: 20 rotations / minute (one
Sampling rate: 100 kHz
Data length: 15 seconds Measurement interval: 15 hours (hour)
FIG. 7 shows the displacement X2, the effective value E2, and the variation coefficient C2. The displacement X2 indicates a displacement in which the direction of the bearing load of the
実効値E2および変動係数C2のプロットは、データ長さ15秒間で算出した値を15時間(hour)間隔でプロットしたものであり、回転軸20の変位X2は摩擦部材146近傍で、比較のために他の変位計を用いて測定した瞬時値である。正常状態の軸受が運転の途中で内外輪間の変位が増加し始める状態を再現するために、一定回転速度運転の途中で荷重を徐々に増加させるようにした。
The plot of the effective value E2 and the coefficient of variation C2 is obtained by plotting values calculated for a data length of 15 seconds at 15-hour intervals, and the displacement X2 of the
軸受160Aは運転時間270時間(hour)前後から摩耗が急増し、回転軸20の変位X2が徐々に増大する。実施の形態1の変形例では、運転開始初期の摩擦部材146が回転軸20に接触していない状態の初期期間で得られる実効値E2に基づいて、しきい値Aを決定する。たとえば、初期期間の平均値や標準偏差を考慮し、しきい値Aを決定することができる。
In the
なお、しきい値Aの算出処理および異常判定処理については、図5のフローチャートの処理と同様であるので説明は繰り返さない。 Note that threshold A calculation processing and abnormality determination processing are the same as the processing of the flowchart of FIG. 5, and therefore description thereof will not be repeated.
このように、すべり軸受に対しても、同様な状態監視装置を実現できる。
[実施の形態2]
実施の形態1では、運転開始直後の摩擦部材146は回転軸20と接触していないため摩耗しない。しかし、回転軸20と摩擦部材146との間が空きすぎると、回転軸20が変位を開始してからしばらくしなければ摩擦部材146は回転軸20と接触しないので、軸受の異常検出が遅れてしまう可能性がある。したがって、回転軸20と摩擦部材146との隙間をどのように設定するかが難しかった。
In this way, a similar state monitoring device can be realized for the sliding bearing.
[Embodiment 2]
In the first embodiment, the
実施の形態2では、運転開始直後は、摩擦部材146を回転軸20に接触させた状態とする状態監視方法を用いる。装置の構成は、図3で説明したものと同じである。
In the second embodiment, a state monitoring method is used in which the
図8は、実施の形態2の状態監視装置の測定データを示す図である。図8のデータは、図4と同様の測定条件で得られるものである。ただし、運転開始当初から、摩擦部材146を回転軸20と接触させる点が実施の形態2は実施の形態1と異なる。
FIG. 8 is a diagram illustrating measurement data of the state monitoring apparatus according to the second embodiment. The data in FIG. 8 is obtained under the same measurement conditions as in FIG. However, the second embodiment differs from the first embodiment in that the
図8に示すように、運転期間は、運転開始初期の予備運転期間T1と、その後のしきい値生成期間T2と、判定期間T3とを含む。 As shown in FIG. 8, the operation period includes a preliminary operation period T1 at the beginning of operation, a subsequent threshold generation period T2, and a determination period T3.
運転開始当初に摩擦部材146を回転軸20と接触させる場合、この接触力はステー141などの摩擦部材146を支えている部品の剛性によって決まる。したがって、予備運転期間T1では、運転開始直後には摩擦部材146は大きく摩耗するが、摩耗に伴って接触力が低下することで摩擦部材146の摩耗進行は停滞するしきい値生成期間T2に移行する。しきい値生成期間T2への移行を判定するために、予備運転期間T1の初期において、サンプリングしたAE,振動加速度などの特徴量のデータに基づいて、しきい値A1を決定する。そして、特徴量がしきい値A1より低下したことに基づいて、予備運転期間T1からしきい値生成期間T2に移行したと判定される。
When the
この停滞するまでの期間(予備運転期間T1)は、運転開始から数百回転から数万回転程度であり軸受に異常はないが、摩擦部材146が磨耗することに伴い、AEや振動加速度のレベルおよびその変動は大きい。
The period until this stagnation (preliminary operation period T1) is several hundred to several tens of thousands of rotations from the start of operation, and there is no abnormality in the bearing. However, as the
一方、摩耗が停滞している期間(しきい値生成期間T2)は、軸受に異常はなくAEや振動加速度のレベルおよび変動が小さいため、異常検知のためのしきい値A2を生成する期間として適している。 On the other hand, the period in which the wear is stagnant (threshold generation period T2) is a period for generating the threshold A2 for detecting an abnormality because there is no abnormality in the bearing and the level and fluctuation of AE and vibration acceleration are small. Is suitable.
図8では、運転時間2時間(hour)から回転軸の変位が徐々に増大する。実効値や変動係数が低く安定した運転時間1.5時間(hour)付近で、異常を検知するためのしきい値A2を生成することにより、軸受の内輪と外輪間の隙間が増加しはじめる時期を正確に検知できる。 In FIG. 8, the displacement of the rotating shaft gradually increases from the operation time of 2 hours (hour). The time when the clearance between the inner ring and the outer ring of the bearing begins to increase by generating a threshold value A2 for detecting anomalies at around 1.5 hours (hours) when the effective value and coefficient of variation are low and stable. Can be detected accurately.
実施の形態2で用いられる状態監視方法は、運転開始初期における測定データの特徴量(E3)に基づいてしきい値生成期間T2を決定する工程(S11〜S14)と、しきい値生成期間T2で軸受の異常を検知するためのしきい値A2を算出する工程(S15,S16)と、そのしきい値A2に基づいて軸受の異常を検知する工程(S17,S18)とを有することが特徴である。以下に、状態監視方法で実行される異常判定処理について説明する。 The state monitoring method used in the second embodiment includes a step (S11 to S14) of determining a threshold generation period T2 based on a characteristic amount (E3) of measurement data at the initial stage of operation, and a threshold generation period T2. And calculating a threshold value A2 for detecting a bearing abnormality (S15, S16), and detecting a bearing abnormality based on the threshold value A2 (S17, S18). It is. Hereinafter, the abnormality determination process executed by the state monitoring method will be described.
図9は、実施の形態2において、演算処理装置が実行する異常判定処理を説明するためのフローチャートである。図3、図8、図9を参照して、まず、ステップS11において、演算処理装置81は、運転初期期間(予備運転期間T1の初期)における状態監視センサ145の出力信号をサンプリングして、初期値データを得る。そして、ステップS12において、演算処理装置81は、初期期間に得られた初期値データを平均値、標準偏差σ等を算出し、これらに基づいてしきい値A1を決定する。たとえば、平均値−3σとか、平均値の1/10をしきい値Aとすることができる。なお、この初期期間は、通常は軸受の摩耗により回転軸に変位が発生しない期間であり、かつ摩擦部材146が回転軸20に当接しており摩擦部材146にAEが発生する期間である。
FIG. 9 is a flowchart for explaining an abnormality determination process executed by the arithmetic processing unit in the second embodiment. 3, 8, and 9, first, in step S <b> 11, the
ステップS13では、演算処理装置81は、状態監視センサ145から得られる特徴量Eがしきい値A1より小さくなるか否かを判断する。E<A1が成立しない間は(S13でNO)、図8において予備運転期間T1が終了しておらず、しきい値A2を決定するためのしきい値生成期間T2には遷移していないので、再びS13の処理が実行される。
In step S13, the
ステップS13において、E<A1が成立した場合(S13でYES)、演算処理装置81は、ステップS14において、特徴量の変化ΔEが判定値B1よりも小さくなったか否かを判断する。図8において、E3の値が低下した後落ち着いてから、しきい値A2を生成することが好ましいからである。
If E <A1 is established in step S13 (YES in S13), the
ΔE<B1が成立しない間は(S14でNO)、再びステップS13に処理が戻される。一方、ΔE<B1が成立した場合(S14でYES)、ステップS15に処理が進められる。 While ΔE <B1 is not satisfied (NO in S14), the process returns to step S13 again. On the other hand, if ΔE <B1 is satisfied (YES in S14), the process proceeds to step S15.
ステップS15では、演算処理装置81は、しきい値生成期間T2における状態監視センサ145の出力信号をサンプリングして、しきい値A2生成用のデータを得る。そして、ステップS16において、演算処理装置81は、しきい値生成期間T2に得られたデータの平均値、標準偏差σ等を算出し、これらに基づいてしきい値A2を決定する。たとえば、平均値+3σをしきい値A2とすることができる。なお、このしきい値生成期間T2は、E<A1かつΔE<B1が成立してから開始し、終了時点は適宜実験的に予め定めておくことができる。
In step S15, the
そして、ステップS17において、演算処理装置81は、以降の実効値Eを監視して、実効値Eがしきい値A2よりも大きいか否かを判断する。E>A2でなければ再びステップS17の処理が実行される一方、E>A2であれば、ステップS18に処理が進められる。ステップS18では、演算処理装置81は、軸受160に異常が発生したと判定し、必要に応じて記録や報知を行ない、ステップS19で処理を終了する。
In step S17, the
以上説明したように、状態監視装置100は、状態監視センサ145の出力を受け、軸受に異常が生じたか否かを判定する演算処理装置81を備える。演算処理装置81は、(i)予備運転期間T1(第1運転期間)の初期において状態監視センサ145から得られた特徴量に基づいて第1しきい値A1を決定し、(ii)特徴量が第1しきい値A1より小さい状態に遷移した予備運転期間T1よりも後のしきい値生成期間T2(第2運転期間)の初期において状態監視センサ145から得られた特徴量に基づいて、第2しきい値A2を決定し、(iii)しきい値生成期間T2の後に状態監視センサ145から得られた特徴量が第2しきい値A2より小さい状態から大きい状態に遷移した場合に、軸受160に異常が発生したと判定する(図8〜図10)。
As described above, the
実施の形態2の状態監視装置によれば、予備運転期間において、摩擦部材146が回転軸20に接触するかしないかぎりぎりのところまで磨耗しているので、運転開始からの経過時間2時間(hour)前後の摩耗が急増する現象を時間遅れ少なく直ちに捉えることができる。
According to the state monitoring apparatus of the second embodiment, since the
[実施の形態2の変形例]
実施の形態2の変形例では、転がり軸受に代えてすべり軸受に対して実施の形態2の検出処理と同様の処理を実行した例を説明する。すべり軸受と状態監視装置の構成については、図6で示しているので、ここでは説明を繰り返さない。
[Modification of Embodiment 2]
In the modification of the second embodiment, an example will be described in which the same processing as the detection processing of the second embodiment is performed on the sliding bearing instead of the rolling bearing. Since the configuration of the slide bearing and the state monitoring device is shown in FIG. 6, description thereof will not be repeated here.
図10は、実施の形態2の変形例の状態監視装置の測定データを示す図である。図10のデータは、図7のデータと同様の測定条件において得られるものである。 FIG. 10 is a diagram illustrating measurement data of the state monitoring device according to the modification of the second embodiment. The data in FIG. 10 is obtained under the same measurement conditions as the data in FIG.
図10中には、変位X4、実効値E4、変動係数C4が示されている。変位X4は、回転軸20の軸受荷重の向きを正とする変位を示す。実効値E4は、データ長さ15秒に含まれる状態監視センサ145の出力のサンプリング値の各々を二乗した値の平均値の平方根である。また、変動係数C4は、上記サンプリング値の標準偏差を算術平均で割ったものであり、相対的なばらつきを表す。
FIG. 10 shows a displacement X4, an effective value E4, and a variation coefficient C4. The displacement X4 indicates a displacement in which the bearing load direction of the
実効値E4および変動係数C4のプロットは、データ長さ15秒間で算出した値を15時間(hour)間隔でプロットしたものであり、回転軸20の変位X4は摩擦部材146近傍で、比較のために他の変位計を用いて測定した瞬時値である。
The plot of the effective value E4 and the variation coefficient C4 is obtained by plotting values calculated for a data length of 15 seconds at 15-hour intervals, and the displacement X4 of the
軸受160Aは運転時間270時間(hour)前後から摩耗が急増し、回転軸20の変位X4が徐々に増大する。実施の形態2の変形例では、予備運転期間T1において、摩擦部材146が回転軸20に接触するかしないかぎりぎりのところまで磨耗しているので、運転時間270時間(hour)前後の摩耗が急増する現象を時間遅れ少なく直ちに捉えることができる。
In the
なお、しきい値A2の算出処理および異常判定処理については、図9のフローチャートの処理と同様であるので説明は繰り返さない。 Note that threshold A2 calculation processing and abnormality determination processing are the same as the processing of the flowchart of FIG. 9, and thus description thereof will not be repeated.
このように、すべり軸受に対しても、同様な状態監視装置を実現できる。
以上のように本発明の実施の形態について説明を行ったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。
In this way, a similar state monitoring device can be realized for the sliding bearing.
Although the embodiment of the present invention has been described above, the above-described embodiment can be variously modified.
たとえば、図1等では、風力発電装置の軸受に適用した例を示したが、鉄道車両やスピンドルなどの軸受にも本実施の形態の状態監視装置を適用可能である。特に、すべり軸受は小型の機械に好適に使用される。 For example, in FIG. 1 and the like, an example in which the present invention is applied to a bearing of a wind power generator is shown, but the state monitoring apparatus of the present embodiment can also be applied to a bearing such as a railway vehicle or a spindle. In particular, the slide bearing is suitably used for a small machine.
また、軸受荷重が作用する方向が変化する可能性がある場合や、不定の場合には、複数の摩擦部材を異なる位置に設けるようにして、監視を行なってもよい。 In addition, when there is a possibility that the direction in which the bearing load acts may change or when the bearing load is indefinite, monitoring may be performed by providing a plurality of friction members at different positions.
また、測定データの特徴量として、AEの実効値の例を示したが、特徴量として他の物理量を使用しても良い。たとえば、特徴量として、AEや振動加速度等の一般的な実効値、最大値、最小値、尖度、歪度、変動係数(標準偏差/平均値)、標準偏差、分散、ピーク・トゥ・ピーク値などを使用することができる。 Moreover, although the example of the effective value of AE was shown as a feature-value of measurement data, you may use another physical quantity as a feature-value. For example, typical effective values such as AE and vibration acceleration, maximum value, minimum value, kurtosis, skewness, coefficient of variation (standard deviation / average value), standard deviation, variance, peak-to-peak A value etc. can be used.
なお、測定データの特徴量は、回転軸20の摩擦部材146との接触面における回転振れや表面粗さ分布による悪影響を避けるため、回転軸が少なくとも1回転以上のデータ長さで算出することが好ましい。また、特徴量を、バンドパスフィルタ処理後に算出したり、FFT処理で周波数領域に変換してから算出したりしてもよい。
Note that the feature amount of the measurement data can be calculated with a data length of at least one rotation of the rotating shaft in order to avoid adverse effects due to rotational runout and surface roughness distribution on the contact surface of the
さらに、軸受の異常を検知するためのしきい値は、しきい値生成期間全体で算出した特徴量に基づいて決定したり、まずしきい値生成期間を分割して複数の小期間で特徴量を算出し、再度その値を全体期間で特徴量を算出し、その特徴量に基づいて決定したりしてもよい。 Furthermore, the threshold value for detecting a bearing abnormality is determined based on the feature value calculated over the entire threshold value generation period, or the threshold value generation period is first divided into a plurality of feature values. May be calculated again, and the feature value may be calculated again over the entire period, and determined based on the feature value.
また、超高温、超低温、液体、真空雰囲気などの苛酷環境で使用する軸受の場合、センサを保護するために、長尺な摩擦部材146を用いたり、摩擦部材146とセンサの間をAEや振動加速度を伝達しやすい材質の長尺部品で接続したりして、軸受や摩擦部材146とセンサとの距離を大きく離してもよい。
In the case of a bearing used in a harsh environment such as ultra-high temperature, ultra-low temperature, liquid, or vacuum atmosphere, in order to protect the sensor, a
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims for patent, and is intended to include meanings equivalent to the scope of claims for patent and all modifications within the scope.
10 風力発電装置、20 回転軸、25 ハブ、30 ブレード、40 増速機、50 発電機、52 制御盤、54 送電線、60,60A,60B,160,160A 軸受、80 データ処理装置、81 演算処理装置、90 ナセル、92 タワー、100,101 状態監視装置、120,220 ハウジング、121,221 軸受押さえ、131 内輪、132 外輪、133 転動体、141 ステー、142 防振材カバー、143 防振材、145 状態監視センサ、146 摩擦部材。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記軸受によって支持される回転軸が前記ハウジングに対して変位すると接触度合いが変化するように前記回転軸の周面に対向するように配置された摩擦部材と、
前記摩擦部材に接触する状態監視センサとを備え、
前記状態監視センサは、AEセンサまたは加速度センサである、状態監視装置。 A state monitoring device for detecting an abnormality of a bearing in which a fixed ring is fixed to a housing,
A friction member arranged to face the peripheral surface of the rotating shaft so that the degree of contact changes when the rotating shaft supported by the bearing is displaced with respect to the housing;
A state monitoring sensor in contact with the friction member,
The state monitoring sensor is a state monitoring device which is an AE sensor or an acceleration sensor.
前記演算処理装置は、
第1運転期間において前記状態監視センサから得られた特徴量に基づいて第1しきい値を決定し、前記特徴量が前記第1しきい値より小さい状態に遷移した前記第1運転期間よりも後の第2運転期間において前記状態監視センサから得られた特徴量に基づいて、第2しきい値を決定し、
前記第2運転期間の後に前記状態監視センサから得られた特徴量が前記第2しきい値より小さい状態から大きい状態に遷移した場合に、前記軸受に異常が発生したと判定する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の状態監視装置。 An arithmetic processing unit that receives the output of the state monitoring sensor and determines whether or not an abnormality has occurred in the bearing;
The arithmetic processing unit includes:
The first threshold value is determined based on the feature amount obtained from the state monitoring sensor in the first operation period, and the feature amount is changed to a state smaller than the first threshold value than the first operation period. Based on the feature amount obtained from the state monitoring sensor in the subsequent second operation period, the second threshold value is determined,
2. It is determined that an abnormality has occurred in the bearing when the characteristic amount obtained from the state monitoring sensor transitions from a state smaller than the second threshold value to a larger state after the second operation period. The state monitoring apparatus of any one of -5.
前記状態監視装置は、
前記軸受によって支持される回転軸が前記ハウジングに対して変位すると接触度合いが変化するように前記回転軸の周面に対向するように配置された摩擦部材と、
前記摩擦部材に接触する状態監視センサとを備え、
前記状態監視センサは、AEセンサまたは加速度センサであり、
前記状態監視方法は、
第1運転期間において前記状態監視センサから得られた特徴量に基づいて第1しきい値を決定するステップと、
前記特徴量が前記第1しきい値より小さい状態に遷移した前記第1運転期間よりも後の第2運転期間において前記状態監視センサから得られた特徴量に基づいて、第2しきい値を決定するステップと、
前記第2運転期間の後に前記状態監視センサから得られた特徴量が前記第2しきい値より小さい状態から大きい状態に遷移した場合に、前記軸受に異常が発生したと判定するステップとを備える、状態監視方法。 A state monitoring method for detecting an abnormality of a bearing in which a fixed ring is fixed to a housing by a state monitoring device,
The state monitoring device
A friction member arranged to face the peripheral surface of the rotating shaft so that the degree of contact changes when the rotating shaft supported by the bearing is displaced with respect to the housing;
A state monitoring sensor in contact with the friction member,
The state monitoring sensor is an AE sensor or an acceleration sensor,
The state monitoring method includes:
Determining a first threshold value based on a feature amount obtained from the state monitoring sensor in a first operation period;
Based on the feature value obtained from the state monitoring sensor in the second operation period after the first operation period in which the feature value has transitioned to a state smaller than the first threshold value, the second threshold value is set. A step to determine;
Determining that an abnormality has occurred in the bearing when the characteristic amount obtained from the state monitoring sensor transitions from a state smaller than the second threshold value to a larger state after the second operation period. , Status monitoring method.
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