JP2018159622A - 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異常検知が難しい。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 an abnormality 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。摩擦部材は、回転軸の変位量の増大に応じて回転軸との接触面積が増大するような形状を有する。 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. The friction member has a shape such that the contact area with the rotation shaft increases as the displacement amount of the rotation shaft increases.
好ましくは、摩擦部材における回転軸との接触面積は、回転軸の変位量の増大に応じて段階的に増大する。 Preferably, the contact area of the friction member with the rotating shaft increases stepwise as the displacement amount of the rotating shaft increases.
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、摩擦部材における軸受荷重の方向に直交する断面積は、回転軸からの距離が長くなるにつれて段階的に増大する。 Preferably, the cross-sectional area perpendicular to the direction of the bearing load in the friction member increases stepwise as the distance from the rotating shaft increases.
好ましくは、回転軸の軸線を含み、かつ軸受荷重の方向に平行な平面で切ったときの摩擦部材の断面において、摩擦部材における回転軸に対向する表面は階段状である。 Preferably, in the cross section of the friction member when it is cut by a plane including the axis of the rotation shaft and parallel to the direction of the bearing load, the surface of the friction member facing the rotation shaft is stepped.
好ましくは、状態監視装置は、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.
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し、特徴量と第1しきい値よりも大きい第2しきい値との比較結果に基づいて回転軸の変位量を判定する。 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, and the feature amount and the first threshold value are determined. The amount of displacement of the rotating shaft is determined based on a comparison result with a larger second threshold value.
もしくは、演算処理装置は、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、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。演算処理装置は、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。演算処理装置は、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後の第3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しきい値よりも大きい第3しきい値を決定し、第3しきい値に対応する予め定められた変位量を記憶する。演算処理装置は、第3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3しきい値よりも小さい状態から大きい状態に遷移した場合に、回転軸が予め定められた変位量だけ変位したと判定する。 Alternatively, the arithmetic processing unit determines the first threshold value based on the feature amount obtained from the state monitoring sensor during the first operation period, and the first operation in which the feature amount transitions to a state 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 period. The arithmetic processing unit determines that an abnormality has occurred in the bearing when the feature amount obtained from the state monitoring sensor after the second operation period transits from a state smaller than the second threshold value to a larger state. The arithmetic processing unit is larger than the second threshold value based on the feature value obtained from the state monitoring sensor in the third operation period after the feature value transits from a state smaller than the second threshold value to a larger state. A third threshold value is determined, and a predetermined amount of displacement corresponding to the third threshold value is stored. The arithmetic processing unit displaces the rotation axis by a predetermined displacement amount when the feature amount obtained from the state monitoring sensor after the third operation period transitions from a state smaller than the third threshold value to a larger state. It is determined that
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。摩擦部材は、回転軸の変位量の増大に応じて回転軸との接触面積が増大するような形状を有する。状態監視方法は、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ステップと、特徴量と第1しきい値よりも大きい第2しきい値との比較結果に基づいて回転軸の変位量を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 friction member has a shape such that the contact area with the rotation shaft increases as the displacement amount of the rotation shaft increases. The state monitoring method includes a step of determining that an abnormality has occurred in the bearing when the feature amount obtained from the state monitoring sensor transitions from a state smaller than a first threshold value to a larger state, Determining a displacement amount of the rotating shaft based on a comparison result with a second threshold value larger than the threshold value.
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よい。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方向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60Aには軸受荷重FAが重力と同じ方向に作用する。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が重力と逆方向に作用する。
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方向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方向はほとんど決まるので、軸受荷重が作用する方向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, if the place where the bearing is used is determined, the direction in which the bearing load acts is almost determined, so 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方向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。摩擦部材146は、軸受160によって支持される回転軸20が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。摩擦部材146の形状については後述する。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。
[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。
The
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7、図8、図10参照)。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方向に変位する。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、摩擦部材146の一実施例(摩擦部材146a)を示す図である。図4(a)には、摩擦部材146aの平面図が示される。図4(b)には、回転軸20の軸線21および軸受荷重の方向に垂直な方向から見たときの摩擦部材146aの側面図が示される。図4(c)には、回転軸20の軸線21の方向から見たときの摩擦部材146aの側面図が示される。
FIG. 4 is a view showing an example (
図4を参照して、摩擦部材146aは、略円錐状であり、その側面が階段状になっている。言い換えると、摩擦部材146aは、円錐の頂上から端部に向かうにつれて、底面からの高さが段階的に低くなる。略円錐状である摩擦部材146aは、その軸方向が軸受荷重の方向に一致し、かつ頂上が回転軸20に対向するように配置される。
Referring to FIG. 4, the
図5は、摩擦部材146の別の実施例(摩擦部材146b)を示す図である。図5(a)には、摩擦部材146bの平面図が示される。図5(b)には、回転軸20の軸線21および軸受荷重の方向に垂直な方向から見たときの摩擦部材146bの側面図が示される。図5(c)には、回転軸20の軸線21の方向から見たときの摩擦部材146bの側面図が示される。
FIG. 5 is a view showing another embodiment of the friction member 146 (
図5を参照して、摩擦部材146bは、平面視矩形状であり、その長手方向の中央部が頂上となるように、中央部から短辺に向いて下り階段状に形成される。言い換えると、摩擦部材146bは、矩形状の底面を有し、その長手方向の中央部から短辺に向かうにつれて、底面からの高さが段階的に低くなる。摩擦部材146bは、底面に垂直な方向が軸受荷重の方向に一致し、頂上が回転軸20に対向するように配置される。
Referring to FIG. 5, the
回転軸20の軸線21を含み、かつ軸受荷重の方向に平行な面で切ったときの摩擦部材146a,146bの断面(図3参照)において、摩擦部材146a,146bにおける回転軸20に対向する表面は階段状である。各段における回転軸20に対向する面は、軸受荷重の方向に直交する。
A surface of the
なお、回転軸20の軸線21の方向から見たとき、図4に示す摩擦部材146aは階段状であるのに対し、図5に示す摩擦部材146bは矩形状である。そのため、図5に示す摩擦部材146bの方が、図4に示す摩擦部材146aに比べて省スペース化できる。
Note that, when viewed from the direction of the
ここで、摩擦部材146a,146bの頂上を含む段を1段目、その下の段を2段目、その下の段を3段目、・・・とする。回転軸20における摩擦部材146a,146bに対向する部分の周面は、回転軸20の軸線21に平行である。そのため、回転軸20との摩耗によって摩擦部材146aの1段目が削られ、回転軸20が摩擦部材146aの2段目に接触し始めると、摩擦部材146aと回転軸20との接触面積が不連続に増大する。摩擦部材146aの2段目が削られ、回転軸20が摩擦部材146aの3段目に接触し始めると、摩擦部材146aと回転軸20との接触面積が不連続に増大する。摩擦部材146bについても同様である。このように、摩擦部材146a,146bは、回転軸20の変位量の増大に応じて回転軸20との接触面積が段階的に増大するような形状を有する。
Here, the step including the tops of the
摩擦部材146a,146bと回転軸20との接触面積は、状態監視センサ145から得られた特徴量(AE波または振動加速度の振幅等)に相関する。そのため、摩擦部材146a,146bと回転軸20との接触面積が段階的に増大すると、状態監視センサ145から得られた特徴量(AE波または振動加速度の振幅等)も段階的に増大する。つまり、状態監視センサ145から得られた特徴量が段階的に増大するタイミングは、摩擦部材146a,146bにおいていずれかの段が摩耗により削り取られ、その次の段の摩耗が開始されたタイミングと一致する。
The contact area between the
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,B(またはA1,B1,B2)より小さい状態から大きい状態に遷移した場合に、摩擦部材146a,146bにおいて当該しきい値に対応する段の摩耗が開始されたタイミングであると判定する(図7、図8、図10参照)。演算処理装置81は、各しきい値に対応する回転軸20の変位量Mを予め記憶しており、状態監視センサ145から得られた特徴量としきい値とを比較することにより、回転軸20の変位量を判定する。演算処理装置81が記憶する変位量Mは、摩擦部材146a,146bと回転軸20との間の距離の初期値と、摩擦部材146a,146bにおける各段の高さとに基づいて、予め定められる。ここで、各段における回転軸20に対応する面を当該段の上面とするとき、摩擦部材146の各段の高さとは、当該段の下の段の上面に対する当該段の上面の高さを意味する。
When the characteristic amount obtained from the
図6は、摩擦部材146のさらに別の実施例(摩擦部材146c)を示す図である。図6を参照して、摩擦部材146cは、図4に示す摩擦部材146aと同様に、略円錐状であり、その側面が階段状(2段)になっている。摩擦部材146cにおいて、1段目の高さt1は0.04mmであり、1段目と2段目の高さの合計値t2は0.08mmである。
FIG. 6 is a view showing still another embodiment (
図7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7のデータは、図2の軸受60Aのように、軸受荷重の方向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
摩擦部材形状:図6に示す形状
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146cを回転軸20と接触させずに、その相対距離(摩擦部材146cと回転軸20との距離の初期値)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7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の軸受荷重の方向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. 7 is a diagram illustrating measurement data of the state monitoring apparatus according to the first embodiment. The data of FIG. 7 simulates the case where the direction of the bearing load is vertically downward like the
<Measurement conditions>
Device configuration: Configuration shown in FIG. 3 Friction member shape: Shape shown in FIG. 6 Friction member material: Carbon material state detection sensor: AE (Envelope-processed time waveform is 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 the first embodiment, the
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146c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 obtained by plotting values calculated for a data length of 15 seconds at intervals of 10 minutes, 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。摩擦部材146cを回転軸20と接触させずに近接させる場合、摩擦部材146c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146c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。ここでは、当該距離は0.06mmに設定されている。
Wear of the bearing 160 proceeds from about 2 hours of operation time, and the displacement X1 of the
回転軸20の変位X1が0.06mmに達すると、摩擦部材146cの1段目と回転軸20とが接触し、実効値E1が増大する。このときの実効値E1は、摩擦部材146cと回転軸20との接触面積の大きさに応じた値となる。当該接触面積は、摩擦部材146cの1段目における軸受荷重の方向に直交する断面積に略等しい。
When the displacement X1 of the
実施の形態1では、運転開始初期の摩擦部材146cが回転軸20に接触していない状態の初期期間(第1しきい値生成期間T1)で得られる実効値E1に基づいて、しきい値Aが決定される。しきい値Aは、摩擦部材146cの1段目と回転軸20との接触開始による実効値E1の増大を検出するために、実効値E1と比較される値である。たとえば、初期期間(第1しきい値生成期間T1)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。運転開始直後の摩擦部材146c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Aを生成する期間として適している。
In the first embodiment, the threshold A is based on the effective value E1 obtained in the initial period (first threshold generation period T1) in which the
回転軸20の変位X1が0.06mmから0.1mmになるまでの間、回転軸20は、摩擦部材146cの1段目のみに接触しながら変位し続ける。この間、摩擦部材146cと回転軸20との接触面積に変動がない。そのため、実効値E1は、当該接触面積に応じた値で安定する。
Until the displacement X1 of the
回転軸20の変位X1が1.00mmに達すると、回転軸20は、摩擦部材146cの2段目と接触し始め、実効値E1が増大する。このときの実効値E1は、摩擦部材146cの2段目と回転軸20との接触面積の大きさに応じた値となる。当該接触面積は、摩擦部材146cにおける2段目の軸受荷重の方向に直交する断面積に略等しい。
When the displacement X1 of the
本実施の形態では、回転軸20の変位X1が0.06mmから0.1mmになるまでの実効値E1が安定している期間(第2しきい値生成期間T2)で得られる実効値E1に基づいて、しきい値Bが決定される。しきい値Bは、摩擦部材146cの2段目と回転軸20との接触開始による実効値E1の増大を検出するために、実効値E1と比較される値である。
In the present embodiment, the effective value E1 obtained in the period during which the effective value E1 until the displacement X1 of the
しきい値Bは、回転軸20が摩擦部材146cの1段目に接触しているときの実効値E1と、回転軸20が摩擦部材146cの2段目に接触しているときに実効値E1との間の値に決定されることが好ましい。回転軸20が摩擦部材146cの1段目に接触しているときの回転軸20と摩擦部材146cとの接触面積をSaとし、回転軸20が摩擦部材146cの2段目に接触しているときの回転軸20と摩擦部材146cとの接触面積をSbとする。このとき、回転軸20が摩擦部材146cの1段目に接触しているときの実効値E1と、回転軸20が摩擦部材146cの2段目に接触しているときに実効値E1との比は、SaとSbとの比と略等しい。そのため、回転軸20が摩擦部材146cの1段目に接触しているときの実効値E1に基づき、回転軸20が摩擦部材146cの2段目に接触しているときに実効値E1を推定し、当該推定値を考慮してしきい値Bを決定することができる。したがって、回転軸20が摩擦部材146cの1段目に接触して実効値E1が安定して出力される期間は、しきい値Bを生成する期間として適している。しきい値Bは、たとえば、当該期間の実効値E1の平均値と、SaとSbとの比とに基づいて決定される。SaとSbとの比は、たとえば、摩擦部材146cの1段目における軸受荷重の方向に直交する断面積と、摩擦部材146cの2段目における軸受荷重の方向に直交する断面積との比と略同じである。
The threshold value B is an effective value E1 when the
図8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。なお、図8には、図6に示す摩擦部材146cを用いたときのフローチャートが示される。
FIG. 8 is a flowchart for explaining the abnormality determination process executed by the arithmetic processing unit in the first embodiment. FIG. 8 shows a flowchart when the
図3,図6〜図8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(第1しきい値生成期間T1)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。演算処理装置81は、しきい値Aに対応する回転軸20の変位量M1として、摩擦部材146と回転軸20との距離の初期値(たとえば、0.06mm)を記憶する。
3 and 6 to 8, first, in step S1, 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(S3でNO)、再びステップS3の処理が実行される。一方、E>Aであれば(S3でYES)、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、回転軸20が変位量M1(摩擦部材146と回転軸20との距離の初期値)だけ変位したと判定し、必要に応じて記録や報知を行なう。
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、運転開始時からの回転軸20の変位量(軸受の磨耗による内輪と外輪の隙間の変化量)がM1(たとえば、0.06mm)に達したことを正確に検知できる。
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. Further, in the first embodiment, it is accurately detected that the amount of displacement of the
次に、ステップS5において、演算処理装置81は、特徴量の変化ΔEが判定値K1よりも小さくなったか否かを判断する。図7において、E1の値がしきい値Aを超えた後落ち着いてから、しきい値Bを生成することが好ましいからである。
Next, in step S5, the
ΔE<K1が成立しない間は(S5でNO)、再びステップS5に処理が戻される。一方、ΔE<K1が成立した場合(S5でYES)、ステップS6に処理が進められる。 While ΔE <K1 is not satisfied (NO in S5), the process returns to step S5 again. On the other hand, if ΔE <K1 is satisfied (YES in S5), the process proceeds to step S6.
ステップS6では、演算処理装置81は、第2しきい値生成期間T2における状態監視センサ145からの出力信号をサンプリングして、しきい値B生成用のデータを得る。そして、ステップS7において、演算処理装置81は、第2しきい値生成期間T2に得られたデータの平均値を算出し、算出した平均値に基づいてしきい値Bを決定する。たとえば、摩擦部材146cの一段目における軸受荷重の方向に直交する断面積をSc、摩擦部材146cの二段目における軸受荷重の方向に直交する断面積をSdとするとき、0.5×(1+Sd/Sc)×平均値をしきい値Bとすることができる。なお、この第2しきい値生成期間T2は、ΔE<K1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。演算処理装置81は、しきい値Bに対応する回転軸20の変位量M2として、しきい値Aに対応する回転軸20の変位量M1と摩擦部材146cの1段目の高さt1(図6参照)=0.04mmとの合計値(たとえば0.10mm)を記憶する。
In step S6, the
そして、ステップS8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Bよりも大きいか否かを判断する。E>Bでなければ(S8でNO)、再びステップS8の処理が実行される。一方、E>Bであれば(S8でYES)、ステップS9に処理が進められる。ステップS9では、演算処理装置81は、しきい値Bに対応する変位量M2だけ回転軸20が変位したと判定し、必要に応じて記録や報知を行ない、ステップS10で処理を終了する。
In step S8, the
以上説明したように、状態監視装置100は、軸受160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た摩擦部材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、回転軸20の変位量の増大に応じて回転軸20との接触面積が増大するような形状を有する。状態監視センサ145から出力される特徴量は、摩擦部材146と回転軸20との接触面積に応じて変動する。そのため、上記の構成によれば、状態監視センサ145から出力される特徴量を監視することにより、回転軸20の変位量を判定することができる。
As described above, the
演算処理装置81は、(i)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し、(ii)特徴量としきい値Aよりも大きいしきい値Bとの比較結果に基づいて回転軸20の変位量を判定する。具体的には、演算処理装置81は、しきい値Bに対応する予め定められた変位量M2を記憶し、特徴量がしきい値Bよりも小さい状態から大きい状態に遷移した場合に、回転軸20が変位量M2だけ変位したと判定する。これにより、運転開始時からの回転軸20の変位量(軸受の磨耗による内輪と外輪の隙間の変化量)を正確に検知できる。
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9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9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. 9 is a diagram illustrating a configuration of a state monitoring apparatus according to a modification of the first embodiment. Referring to FIG. 9,
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10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10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9に示す構成
摩擦部材形状:図6に示す形状
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10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の軸受荷重の方向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. 10 is a diagram illustrating measurement data of the state monitoring device according to the modification of the first embodiment. The data in FIG. 10 is obtained under the following measurement conditions.
<Measurement conditions>
Device configuration: Configuration shown in FIG. 9 Friction member shape: Shape 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. 10 shows the displacement X2, the effective value E2, and the variation coefficient C2. The displacement X2 indicates a displacement in which the bearing load direction 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(第1しきい値生成期間T1)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(第1しきい値生成期間T1)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
さらに、実効値E2がしきい値Aを超えて安定した期間(第2しきい値生成期間T2)で得られる実効値E2に基づいて、しきい値Bを決定する。たとえば、この期間(第2しきい値生成期間T2)の平均値と、摩擦部材146cの一段目の断面積Scと、摩擦部材146cの二段目の断面積Sdとに基づいて、しきい値Bを決定することができる。
Further, the threshold value B is determined based on the effective value E2 obtained in a period during which the effective value E2 exceeds the threshold value A and is stable (second threshold value generation period T2). For example, based on the average value of this period (second threshold value generation period T2), the first-stage cross-sectional area Sc of the
なお、しきい値A,Bの算出処理および異常判定処理については、図8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 value A and B calculation processing and abnormality determination processing are the same as the processing in the flowchart of FIG.
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、運転開始直後から摩擦部材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11は、摩擦部材146のさらに別の実施例(摩擦部材146d)を示す図である。図11を参照して、摩擦部材146dは、図4に示す摩擦部材146aと同様に、略円錐状であり、その側面が階段状(3段)になっている。摩擦部材146dの1段目の高さt3は0.06mmであり、摩擦部材146cの1段目と2段目との高さの合計値t4は0.10mmである。
FIG. 11 is a view showing still another example of the friction member 146 (
図12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12のデータは、図12に示す形状の摩擦部材146dを用いた点を除いて、図7と同様の測定条件で得られるものである。さらに、運転開始当初から摩擦部材146dを回転軸20と接触させる点において、実施の形態2は実施の形態1と異なる。図12中には、変位X3、実効値E3、変動係数C3が示されている。変位X3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E3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C3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. 12 is a diagram illustrating measurement data of the state monitoring apparatus according to the second embodiment. The data in FIG. 12 is obtained under the same measurement conditions as in FIG. 7 except that the
図12に示すように、運転期間は、運転開始初期の予備運転期間T0と、その後の第1しきい値生成期間T1と、第2しきい値生成期間T2とを含む。 As shown in FIG. 12, the operation period includes a preliminary operation period T0 at the beginning of operation, a first threshold value generation period T1, and a second threshold value generation period T2.
運転開始当初に摩擦部材146d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146d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T0では、運転開始直後には摩擦部材146d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146dの摩耗進行は停滞する第1しきい値生成期間T1に移行する。第1しきい値生成期間T1への移行を判定するために、予備運転期間T0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Zを決定する。そして、特徴量がしきい値Zより低下したことに基づいて、予備運転期間T0から第1しきい値生成期間T1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T0)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 the stagnation (preliminary operation period T0) 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(第1しきい値生成期間T1)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A1を生成する期間として適している。 On the other hand, during the period in which the wear is stagnant (first threshold value generation period T1), the bearing has no abnormality and the level and fluctuation of AE and vibration acceleration are small. Suitable as a period.
図12では、運転時間2時間(hour)から回転軸20の変位X3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A1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タイミングを正確に検知できる。
In FIG. 12, the displacement X3 of the
回転軸20の変位X3が0.06mmになるまでの間、回転軸20は、摩擦部材146dの1段目のみに接触しながら変位し続ける。この間、摩擦部材146dと回転軸20との接触面積に変動がない。そのため、実効値E3は、当該接触面積に応じた値で安定する。
Until the displacement X3 of the
回転軸20の変位X3が0.06mmに達すると、回転軸20は、摩擦部材146dの2段目と接触し始め、実効値E3がさらに増大する。このときの実効値E3は、摩擦部材146dの2段目と回転軸20との接触面積の大きさに応じた値となる。当該接触面積は、摩擦部材146dの2段目における、軸受荷重の方向に直交する断面積に略等しい。
When the displacement X3 of the
さらに回転軸20が変位し、回転軸20の変位X3が0.10mmに達すると、回転軸20は、摩擦部材146dの3段目と接触し始め、実効値E3がさらに増大する。このときの実効値E3は、摩擦部材146dの3段目と回転軸20との接触面積の大きさに応じた値となる。当該接触面積は、摩擦部材146cの3段目における、軸受荷重の方向に直交する断面積に略等しい。
When the
本実施の形態では、回転軸20が変位し始めた後、変位X3が0.06mmになるまでの期間(第2しきい値生成期間T2)で得られる実効値E3に基づいて、しきい値B1,B2が決定される。しきい値B1は、摩擦部材146dの2段目と回転軸20との接触開始による実効値E3の増大を検出するために、実効値E3と比較される値である。しきい値B2は、摩擦部材146dの3段目と回転軸20との接触開始による実効値E3の増大を検出するために、実効値E3と比較される値である。
In the present embodiment, the threshold value is based on the effective value E3 obtained in the period (second threshold value generation period T2) until the displacement X3 becomes 0.06 mm after the
しきい値B1は、実施の形態1のしきい値Bと同様に、たとえば、第2しきい値生成期間T2の実効値E1の平均値と、摩擦部材146dの1段目と2段目との断面積の比とに基づいて決定される。
The threshold value B1 is, for example, the average value of the effective value E1 of the second threshold value generation period T2, the first level and the second level of the
しきい値B2は、回転軸20が摩擦部材146dの2段目に接触しているときの実効値E3と、回転軸20が摩擦部材146dの3段目に接触しているときに実効値E3との間の値に決定されることが好ましい。回転軸20が摩擦部材146dの1段目に接触しているときの回転軸20と摩擦部材146dとの接触面積をSeとする。回転軸20が摩擦部材146dの2段目に接触しているときの回転軸20と摩擦部材146dとの接触面積をSfとする。回転軸20が摩擦部材146dの3段目に接触しているときの回転軸20と摩擦部材146dとの接触面積をSgとする。このとき、回転軸20が摩擦部材146dの1段目に接触しているときの実効値E3と、回転軸20が摩擦部材146cの2段目に接触しているときに実効値E3との比は、SeとSfとの比と略等しい。さらに、回転軸20が摩擦部材146dの1段目に接触しているときの実効値E3と、回転軸20が摩擦部材146dの3段目に接触しているときに実効値E3との比は、SeとSgとの比と略等しい。そのため、回転軸20が摩擦部材146dの1段目に接触しているときの実効値E3に基づき、回転軸20が摩擦部材146dの2段目に接触しているときに実効値E3と、回転軸20が摩擦部材146dの3段目に接触しているときに実効値E3とを推定できる。そして、当該推定値を考慮してしきい値B2を決定することができる。したがって、回転軸20が摩擦部材146dの1段目に接触しているとき実効値E1が安定して出力される期間は、しきい値B2を生成する期間として適している。しきい値B2は、たとえば当該期間の実効値E1の平均値と、SeとSfとSgとの比に基づいて決定される。SeとSfとSgとの比は、摩擦部材146dの1〜3段目の各々における軸受荷重の方向に直交する断面積の比と略同じである。
The threshold value B2 is an effective value E3 when the rotating
図13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の前半を説明するためのフローチャートである。図14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の後半を説明するためのフローチャートである。なお、図13および図14には、図11に示す摩擦部材146dを用いたときのフローチャートが示される。
FIG. 13 is a flowchart for explaining the first half of the abnormality determination process executed by the arithmetic processing unit in the second embodiment. FIG. 14 is a flowchart for explaining the second half of the abnormality determination process executed by the arithmetic processing unit in the second embodiment. 13 and 14 show a flowchart when the
図3、図11〜図13、図14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T0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Z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Z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20に変位が発生しない期間であり、かつ摩擦部材146dが回転軸20に当接しており摩擦部材146dにAEが発生する期間である。
3, 11 to 13, and 14, 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の実効値Eがしきい値Zより小さくなるか否かを判断する。E<Zが成立しない間は(S13でNO)、図12において予備運転期間T0が終了しておらず、しきい値A1を決定するための第1しきい値生成期間T1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<Z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K0よりも小さくなったか否かを判断する。図12において、E3の値が低下した後落ち着いてから、しきい値A1を生成することが好ましいからである。
If E <Z is satisfied in step S13 (YES in S13), the
ΔE<K0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<K0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 <K0 is not satisfied (NO in S14), the process returns to step S13 again. On the other hand, if ΔE <K0 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、第1しきい値生成期間T1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A1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、第1しきい値生成期間T1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A1を決定する。たとえば、平均値+3σをしきい値A1とすることができる。なお、この第1しきい値生成期間T1は、E<ZかつΔE<K0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A1よりも大きいか否かを判断する。E>A1でなければ再びステップS17の処理が実行される一方、E>A1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う。
In step S17, the
次に、ステップS19において、演算処理装置81は、特徴量の変化ΔEが判定値K1よりも小さくなったか否かを判断する。図12において、E3の値がしきい値A1を超えた後落ち着いてから、しきい値B1、B2を生成することが好ましいからである。
Next, in step S19, the
ΔE<K1が成立しない間は(S19でNO)、再びステップS19に処理が戻される。一方、ΔE<K1が成立した場合(S19でYES)、ステップS20に処理が進められる。 While ΔE <K1 is not satisfied (NO in S19), the process is returned to step S19 again. On the other hand, if ΔE <K1 is established (YES in S19), the process proceeds to step S20.
ステップS20では、演算処理装置81は、第2しきい値生成期間T2における状態監視センサ145からの出力信号をサンプリングして、しきい値B1、B2生成用のデータを得る。そして、ステップS21において、演算処理装置81は、第2しきい値生成期間T2に得られたデータの平均値を算出し、算出した平均値に基づいてしきい値B1、B2を決定する。たとえば、摩擦部材146dの一段目における軸受荷重の方向に直交する断面積をSh、摩擦部材146dの二段目における軸受荷重の方向に直交する断面積をSiとするとき、0.5×(1+Si/Sh)×平均値をしきい値B1とすることができる。さらに、摩擦部材146dの三段目における軸受荷重の方向に直交する断面積をSjとするとき、0.5×{(Si+Sj)/Sh}×平均値をしきい値B2とすることができる。なお、この第2しきい値生成期間T2は、ΔE<K1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 S20, the
演算処理装置81は、しきい値B1に対応する回転軸20の変位量M3として、摩擦部材146dの1段目の高さt3(図11参照)=0.06mmを記憶する。さらに、演算処理装置81は、しきい値B2に対応する回転軸20の変位量M4として、摩擦部材146dの1段目と2段目の高さの合計値t4(図11参照)=0.10mmを予め記憶している。
The
そして、ステップS22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B1よりも大きいか否かを判断する。E>B1でなければ再びステップS22の処理が実行される。一方、E>B1であれば、ステップS23に処理が進められる。ステップS23では、演算処理装置81は、回転軸20がしきい値B1に対応する変位量M3だけ変位したと判定し、必要に応じて記録や報知を行なう。
In step S22, the
次に、ステップS24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B2よりも大きいか否かを判断する。E>B2でなければ再びステップS24の処理が実行される。一方、E>B2であれば、ステップS25に処理が進められる。ステップS25では、演算処理装置81は、回転軸20がしきい値B2に対応する変位量M4だけ変位したと判定し、必要に応じて記録や報知を行ない、ステップS26で処理を終了する。
Next, in step S24, 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T0(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、しきい値Z(第1しきい値)を決定し、(ii)特徴量がしきい値Zより小さい状態に遷移した予備運転期間T0よりも後の第1しきい値生成期間T1(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、しきい値A1(第2しきい値)を決定し、(iii)第1しきい値生成期間T1の後に状態監視センサ145から得られた特徴量がしきい値A1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し、(iv)特徴量がしきい値A1より大きい状態に遷移した後の第2しきい値生成期間T2(第3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、しきい値B1,B2(第3しきい値)を決定し、(v)しきい値B1,B2にそれぞれ対応する予め定められた変位量M3,M4を記憶し、(vi)第2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しきい値B1,B2より小さい状態から大きい状態に遷移した場合に、回転軸20がM3,M4だけそれぞれ変位したと判定する(図12〜図14)。
As described above, the
このようにしきい値B1,B2を定めることにより、運転開始時からの回転軸20の変位量(軸受の磨耗による内輪と外輪の隙間の変化量)がM3(たとえば、0.60mm)に達したこと、または、M4(たとえば、0.10mm)に達したことを正確に検知できる。
By determining the threshold values B1 and B2 in this way, the amount of displacement of the
また、予備運転期間T0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。
In the preliminary operation period T0, 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9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. 9, the description thereof will not be repeated here.
図15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15のデータは、図12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. 15 is a diagram illustrating measurement data of the state monitoring device according to the modification of the second embodiment. The data in FIG. 15 is obtained under the same measurement conditions as the data in FIG.
図15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. 15 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T0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Z,A1,B1,B2の算出処理および異常判定処理については、図13および図14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 value Z, A1, B1, and B2 calculation processing and abnormality determination processing are the same as the processing of the flowcharts of FIGS. 13 and 14, 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。
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
摩擦部材146における回転軸20との接触面積は、回転軸20の変位量の増大に応じて連続的に増大してもよい。この場合、回転軸20の変位量と状態監視センサ145から出力される特徴量との相関関係を示す情報を予め実験等で取得しておき、演算処理装置81は、当該情報を用いて、特徴量に応じて回転軸20の変位量を判定すればよい。
The contact area of the
さらに、摩擦部材146における回転軸20との接触面積は、回転軸20の変位量の増大に応じて連続的に増大してもよい。この場合、回転軸20の変位量と状態監視センサ145から出力される特徴量との相関関係を示す情報を予め実験等で取得しておき、演算処理装置81は、当該情報を用いて、特徴量に応じて回転軸20の変位量を判定すればよい。
Further, the contact area of the
さらに、軸受の異常を検知するためのしきい値Z,A,A1,B,B1,B2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。しきい値Z,A,A1,B,B1,B2は、実験等により予め定められていてもよい。この場合、図8のステップS1、S2,S6,S7と、図13および図14のステップS11,S12,S15,S16,S20,S21とを省略できる。 Further, the threshold values Z, A, A1, B, B1, and B2 for detecting the bearing abnormality are determined based on the feature amount calculated in the entire threshold generation period, or first, the threshold generation period. The feature amount may be calculated in a plurality of small periods, the value may be calculated again in the entire period, and the value may be determined based on the feature amount. The threshold values Z, A, A1, B, B1, and B2 may be determined in advance by experiments or the like. In this case, steps S1, S2, S6 and S7 in FIG. 8 and steps S11, S12, S15, S16, S20 and S21 in FIGS. 13 and 14 can be omitted.
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、状態監視センサ145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と状態監視センサ145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と状態監視センサ145との距離を大きく離してもよい。
Further, in the case of a bearing used in a harsh environment such as ultra-high temperature, ultra-low temperature, liquid, and vacuum atmosphere, in order to protect the
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、146,146a〜146d 摩擦部材。
DESCRIPTION OF
Claims (11)
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、
前記摩擦部材は、前記回転軸の変位量の増大に応じて前記回転軸との接触面積が増大するような形状を有する、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 an AE sensor or an acceleration sensor,
The state monitoring device, wherein the friction member has a shape such that a contact area with the rotation shaft increases in accordance with an increase in a displacement amount of the rotation shaft.
前記演算処理装置は、
前記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、前記軸受に異常が発生したと判定し、
前記特徴量と前記第1しきい値よりも大きい第2しきい値との比較結果に基づいて前記回転軸の変位量を判定する、請求項2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:
When the characteristic amount obtained from the state monitoring sensor transitions from a state smaller than a first threshold value to a larger state, it is determined that an abnormality has occurred in the bearing,
The state monitoring apparatus according to claim 2, wherein a displacement amount of the rotating shaft is determined based on a comparison result between the feature amount and a second threshold value that is larger than the first threshold value.
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し、
前記特徴量が前記第2しきい値より小さい状態から大きい状態に遷移した後の第3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、前記第2しきい値よりも大きい第3しきい値を決定し、
前記第3しきい値に対応する予め定められた変位量を記憶し、
前記第3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3しきい値よりも小さい状態から大きい状態に遷移した場合に、前記回転軸が前記予め定められた変位量だけ変位したと判定する、請求項2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,
When the characteristic amount obtained from the state monitoring sensor after the second operation period has changed from a state smaller than the second threshold value to a larger state, it is determined that an abnormality has occurred in the bearing,
Based on the feature amount obtained from the state monitoring sensor in the third operation period after the feature amount has transitioned from a state smaller than the second threshold value to a larger state, the feature amount is larger than the second threshold value. 3 Determine the threshold,
Storing a predetermined amount of displacement corresponding to the third threshold value;
When the characteristic amount obtained from the state monitoring sensor after the third operation period transits from a state smaller than the third threshold value to a larger state, the rotation shaft is displaced by the predetermined displacement amount. The state monitoring apparatus according to claim 2, wherein the state monitoring apparatus determines that it has been performed.
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、
前記摩擦部材は、前記回転軸の変位量の増大に応じて前記回転軸との接触面積が増大するような形状を有し、
前記状態監視方法は、
前記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、前記軸受に異常が発生したと判定するステップと、
前記特徴量と前記第1しきい値よりも大きい第2しきい値との比較結果に基づいて前記回転軸の変位量を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 friction member has a shape such that a contact area with the rotation shaft increases in accordance with an increase in a displacement amount of the rotation shaft,
The state monitoring method includes:
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 a first threshold value to a larger state;
Determining the amount of displacement of the rotating shaft based on a comparison result between the feature amount and a second threshold value greater than the first threshold value.
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