JP2019027860A - 回転機械設備の異常診断システム及び異常診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転機械設備の異常を適切に診断することができる回転機械設備の異常診断システム及び異常診断方法を提供すること。【解決手段】回転機械設備の異常診断システムは、軸受の振動及び回転数を検出する検出装置と、それぞれ異なる複数の回転数における振動のピーク成分を用いて、軸受の異常を診断する診断装置と、を備える。診断装置は、それぞれ異なる複数の回転数ｒ１，ｒ２における回転数比ｒ１／ｒ２と、それぞれ異なる複数の回転数ｒ１，ｒ２におけるピーク成分の周波数比ｆ１／ｆ２とが一致した場合に異常判定する。【選択図】図７

Description

本発明は、回転機械設備の異常診断システム及び異常診断方法に関する。

近年、地球温暖化の原因となる炭酸ガスを発生させないクリーンエネルギソースとして、風力発電が急速に普及しつつある。

風力発電機では、風の力によるロータの回転運動を発電機の動力源とし、ロータが取り付けられる主軸を回転可能に支持する主軸受や発電機軸受が重要な構成部品となっている。このような回転機械設備において、回転機械設備の構成部材の回転に伴う異常を診断する技術として、振動の周波数スペクトルの周波数成分を回転速度で除算して振動次数毎の実測振動レベルを求め、診断対象装置の異常の有無を診断する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１０−７１７３８号公報

上記従来技術で示される周波数スペクトルの周波数成分には、センサの設置対象物等の固有振動数成分や電源周波数成分が含まれる。このため、診断対象装置の損傷に起因する周波数とセンサの設置対象物等の固有振動数や電源周波数との差が小さい場合には、診断対象装置の異常を誤診断する可能性がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、回転機械設備の異常を適切に診断することができる回転機械設備の異常診断システム及び異常診断方法を提供すること、を目的としている。

上記の目的を達成するため、本発明の一態様に係る回転機械設備の異常診断システムは、軸受を有する回転機械設備の異常診断システムであって、前記軸受の振動及び回転数を検出する検出装置と、それぞれ異なる複数の前記回転数における前記振動のピーク成分を用いて、前記軸受の異常を診断する診断装置と、を備える。

これにより、異常診断対象である回転機構の回転数（回転速度）に依存しないピーク成分と、回転機構が損傷しているために回転機構の回転数（回転速度）に比例して変化するピーク成分とを識別することができる。このため、回転機械設備における回転機構の軸受の損傷の有無を適切に診断することができる。

回転機械設備の異常診断システムの望ましい態様として、前記診断装置は、それぞれ異なる複数の前記回転数における回転数比と、それぞれ異なる複数の前記回転数における前記ピーク成分の周波数比とが一致した場合に異常判定することが好ましい。

これにより、異常診断対象である回転機構の回転数（回転速度）に依存しないピーク成分を、回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを示す特定ピーク成分として誤検出することを防ぐことができる。

回転機械設備の異常診断システムの望ましい態様として、前記診断装置は、第１回転数において前記軸受が特定の損傷状態であることを示す第１ピーク成分を抽出し、且つ、前記第１回転数とは異なる第２回転数において前記軸受が特定の損傷状態であることを示す第２ピーク成分を抽出し、前記第１回転数と前記第２回転数との回転数比と、前記第１ピーク成分の周波数と前記第２ピーク成分の周波数との周波数比とが一致した場合に、前記軸受が特定の損傷状態であると診断することが好ましい。

これにより、異常診断対象である回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを診断することができる。

本発明の一態様に係る回転機械設備の異常診断方法は、軸受を有する回転機械設備の異常診断方法であって、それぞれ異なる複数の回転数において振動のピーク成分を抽出する第１ステップと、それぞれ異なる複数の前記回転数毎に、前記ピーク成分のうち、前記軸受が特定の損傷状態であることを示す特定ピーク成分があるか否かを判定する第２ステップと、前記第２ステップにおいて、それぞれ異なる複数の前記回転数で前記特定ピーク成分がある場合に、複数の前記回転数の回転数比と、前記特定ピーク成分の周波数比とが一致するか否かを判定する第３ステップと、を有する。

これにより、異常診断対象である回転機構の回転数（回転速度）に依存しないピーク成分と、軸受が損傷しているために回転機構の回転数（回転速度）に比例して変化するピーク成分とを識別することができる。また、異常診断対象である回転機構の軸受の損傷状態を識別することができる。

回転機械設備の異常診断方法の望ましい態様として、前記第２ステップにおいて、それぞれ異なる複数の前記回転数の何れかにおいて前記特定ピーク成分がない場合に、前記軸受に損傷がないと診断することが好ましい。

これにより、何れか一方の回転数において異常診断対象である回転機構の回転数（回転速度）に依存しないピーク成分を、軸受が特定の損傷状態であることを示す特定ピーク成分として誤検出した場合でも、他方の回転数において回転機構の回転数（回転速度）に依存しないピーク成分を、軸受が特定の損傷状態であることを示す特定ピーク成分として検出しなかった場合には、当該ピーク成分は、軸受が特定の損傷状態であることを示す特定ピーク成分として検出されない。

回転機械設備の異常診断方法の望ましい態様として、前記第３ステップにおいて、それぞれ異なる複数の前記回転数の回転数比と、前記特定ピーク成分の周波数比とが一致する場合に、前記回転機構が特定の損傷状態であると診断することが好ましい。

これにより、異常診断対象である回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを診断することができる。

回転機械設備の異常診断方法の望ましい態様として、前記第３ステップにおいて、それぞれ異なる複数の前記回転数の回転数比と、前記特定ピーク成分の周波数比とが一致しない場合に、前記軸受に損傷がないと診断することが好ましい。

これにより、異なる回転数において回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを示すピーク成分を検出した場合でも、回転数比と、回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを示すピーク成分として検出されたピーク成分の周波数比とが一致していなければ、当該ピーク成分は、回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを示す特定ピーク成分として検出されない。

本発明によれば、回転機械設備の異常を適切に診断することができる回転機械設備の異常診断システム及び異常診断方法を提供することができる。

図１は、実施形態に係る回転機械設備の異常診断システムの全体構成の一例を示す概略構成図である。 図２は、風力発電機の概略構造図である。 図３は、実施形態に係る回転機械設備の異常診断システムにおける診断装置の一例を示す図である。 図４は、エンベロープ処理後の周波数特性の一例を示す図である。 図５は、回転機構の軸受に損傷がない場合の周波数スペクトルの一例を示す図である。 図６は、回転機構の軸受に損傷がある場合の周波数スペクトルの一例を示す図である。 図７は、実施形態に係る回転機械設備の異常診断手順の一例を示す図である。 図８は、第１取得データ情報の一例を示す図である。 図９は、第２取得データ情報の一例を示す図である。

以下、発明を実施するための形態（以下、実施形態という）につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の実施形態により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

図１は、実施形態に係る回転機械設備の異常診断システムの全体構成の一例を示す概略構成図である。本実施形態では、風力発電機１００を回転機械設備の一例として例示する。

実施形態に係る風力発電機（回転機械設備）１００の異常診断システム１は、例えば数百に及ぶ複数の風力発電機１００が広大な敷地や洋上に設置された集合型風力発電所において、各風力発電機１００に設けられた検出装置１０と、例えば集合型風力発電所内又は外部の管理施設に設けられた診断装置２０とを備える。

図２は、風力発電機の概略構造図である。風力発電機１００は、検出装置１０と、ロータ３０と、増速機５０と、発電機６０と、を備える。検出装置１０、増速機５０、及び発電機６０は、ナセル７０に格納されている。増速機５０及び発電機６０は、タワー８０によって支持された土台（フレーム）９０に載置されている。

ロータ３０は、ハブ３１と、ハブ３１に複数枚設けられたブレード３２とを備える。ハブ３１は、主軸４０を介して増速機５０と接続され、主軸受４１によって回転可能に支持される。主軸４０は、ブレード３２が風力を受けることによってロータ３０が回転した際に発生する回転トルクを増速機５０に伝達する。

増速機５０は、主軸４０と発電機６０との間に設けられている。増速機５０は、例えば、ギヤボックス内に設けられた遊星ギヤや中間軸、高速軸等を含む歯車増速機構によって構成される。

増速機５０は、主軸４０の回転速度を増速し、発電機軸受６２によって回転可能に支持された発電機軸６１を介して、増速された回転トルクを発電機６０に出力する。なお、特に図示しないが、この増速機５０内には、複数の軸を回転自在に支持する複数の軸受が設けられている。また、増速機５０のギヤボックス内には、歯車増速機構を油浴潤滑するための潤滑油が貯留されている。

発電機６０は、発電機軸６１を介して増速機５０から受ける回転トルクによって発電する。発電機６０は、例えば、誘導発電機又は同期発電機によって構成される。なお、図２に示す例では、発電機軸受６２を唯一記載したが、複数の発電機軸受６２によって発電機軸６１を回転自在に支持する構成であっても良い。また、発電機６０が可変速運転可能な同期発電機である場合には、増速機５０を有さない構成であっても良い。

主軸受４１、発電機軸受６１等を含む各軸受は、例えば、自動調芯ころ軸受や円錐ころ軸受、円筒ころ軸受、玉軸受等の単列又は複列の転がり軸受によって構成される。なお、これらの各軸受の種類や構成によって本発明が限定されるものではない。

検出装置１０は、データ収集部１１、振動センサ１２、及び回転数センサ１３を備える。

振動センサ１２は、例えば、加速度センサ、速度センサ、変位センサ等であり、風力発電機１００において発生する振動を検出する。

風力発電機１００において発生する振動は、主軸４０や発電機軸６１等の回転数（回転速度）に依存して発生する振動に加え、例えば、風力発電機１００が風圧を受けることで発生する、風力発電機１００の各構成部材の固有振動を含んでいることが考えられる。また、振動センサ１２が検出する振動の周波数は、電源周波数等の主軸４０や発電機軸６１等の回転数（回転速度）に依存しない周波数成分を含んでいることが考えられる。

図２に示す例では、振動センサ１２を唯一設けた構成を例示したが、例えば、発電機６０の筐体に複数設けても良いし、増速機５０の筐体やナセル７０内の主軸受４１の近傍等、軸受の摩耗や変形等の損傷によって発生する異常振動を検出し易い部位にそれぞれ設けるようにしても良い。振動センサ１２の数や取り付け位置等によって本発明が限定されるものではない。

回転数センサ１３は、例えば、近接センサやロータリーエンコーダやレゾルバ等の回転センサであり、例えば、主軸４０や発電機６０の回転数（回転速度）を検出する。図２に示す例では、発電機６０を異常診断対象とし、発電機６０の回転数（回転速度）を検出する回転数センサ１３を唯一設けた構成を例示している。なお、異常診断対象となる回転機構は発電機６０に限るものではなく、例えば、主軸４０や増速機５０のギヤボックス内の各部材を異常診断対象とした態様であっても良い。異常診断対象となる回転機構及び回転数センサ１３の数や種類、取り付け位置等によって本発明が限定されるものではない。

データ収集部１１は、振動センサ１２によって検出された振動及び回転数センサ１３によって検出された回転数を収集する。検出装置１０は、ネットワーク２００を介して、データ収集部１１によって収集された振動及び回転数を診断装置２０に出力する（図１参照）。ネットワーク２００は、例えばインターネット回線であっても良いし、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）であっても良い。さらには、集合型風力発電所内の各風力発電機１００がＬＡＮで接続され、診断装置２０が設けられた外部の管理施設のＬＡＮとの間でＶＰＮ（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｐｒｉｖａｔｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ）を構築した態様であっても良い。

図３は、実施形態に係る回転機械設備の異常診断システムにおける診断装置の一例を示す図である。図３に示すように、診断装置２０は、例えば、ＰＣ等の一般的な情報処理端末であり、処理部２１、記憶部２２、通信部２３、入力部２４、及び表示部２５を備え、各部がバス２６を介してデータを送受信可能なように構成される。

処理部２１は、所定のメモリを介して各部間のデータの受け渡しを行うと共に、診断装置２０全体の制御を行う構成部であり、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）が所定のメモリに格納されたプログラムを実行することによって実現される。

記憶部２２は、処理部２１からのデータを記憶したり、処理部２１が記憶したデータを読み出したりする構成部であり、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）やＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の不揮発性記憶装置によって実現される。

通信部２３は、各風力発電機１００の検出装置１０と通信を行う構成部であり、例えば、ＮＩＣ（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｃａｒｄ）等によって実現される。

入力部２４は、オペレータがデータや指示を入力する構成部であり、例えば、キーボードやマウス、タッチパネル等によって実現される。

表示部２５は、処理部２１からの指示によりデータを表示する構成部であり、例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）等によって実現される。

診断装置２０は、記憶部２２に格納された異常診断処理プログラムによって動作し、この異常診断処理プログラムによって、実施形態に係る異常診断処理が実現される。

診断装置２０は、集合型風力発電所内に設置された各風力発電機１００における振動及び回転数が入力され、振動及び回転数に基づき、風力発電機（回転機械設備）１００の異常診断を行う。

診断装置２０は、振動センサ１２によって検出された振動の周波数解析を行う。具体的には、診断装置２０は、例えば、アナログの振動値をＡＤ変換したデジタルデータをエンベロープ（包絡線）処理し、このエンベロープ処理後のデータをフーリエ変換により周波数解析する。なお、振動の周波数解析手法により本発明が限定されるものではない。

また、診断装置２０は、回転数センサ１３によって検出された回転数から、異常診断対象となる回転機構（ここでは、発電機６０）の回転周波数を算出する。

図４は、エンベロープ処理後の周波数特性の一例を示す図である。図４に示す例において、縦軸は振動値を示し、横軸は周波数を示している。図４に示す例では、回転機構（ここでは、発電機６０）の軸受に損傷がある場合の異なる２つの回転数における振動の周波数特性を例示している。

図４に示す例では、エンベロープ処理後の周波数特性におけるピーク周波数が一定間隔で現れている。また、回転数が変動すると、これに比例してピーク周波数も変動する。

異常診断対象となる回転機構が発電機６０である場合、発電機６０の回転周波数をｆｒ、発電機軸受６１の転動体の個数をＺ、転動体の直径をＤｗ、転動体の公転ピッチ円直径をＰＣＤ、接触角をαとしたとき、発電機軸受６１の外輪の損傷周波数Ｚｆｃ、内輪の損傷周波数Ｚｆｉ、転動体の損傷周波数ｆｂ、保持器の損傷周波数ｆｃは、それぞれ下記（１）式、（２）式、（３）式、（４）式で表されるように、回転機構（ここでは、発電機６０）の回転周波数と比例関係にある。

Ｚｆｃ＝ｆｒ＊Ｚ／２＊（１＋Ｄｗ／ＰＣＤ＊ｃｏｓα） ・・・（１）

Ｚｆｉ＝ｆｒ＊Ｚ／２＊（１−Ｄｗ／ＰＣＤ＊ｃｏｓα） ・・・（２）

ｆｂ＝ｆｒ＊（１−（Ｄｗ／ＰＣＤ＊ｃｏｓα）^２）＊ＰＣＤ／Ｄｗ ・・・（３）

ｆｃ＝ｆｒ／２＊（１＋Ｄｗ／ＰＣＤ＊ｃｏｓα） ・・・（４）

図５は、回転機構の軸受に損傷がない場合の周波数スペクトルの一例を示す図である。図６は、回転機構の軸受に損傷がある場合の周波数スペクトルの一例を示す図である。図５、図６に示す例において、縦軸は振動レベルを示し、横軸は周波数を示している。図５、図６に示す例では、異なる２つの回転数ｒ１，ｒ２における振動の周波数スペクトルを例示している。

図５に示すように、回転機構の軸受に損傷がない場合には、異なる回転数ｒ１，ｒ２において同一周波数のピーク成分Ａ，Ｂが発生している。このピーク成分Ａ，Ｂは、例えば、風力発電機１００の各構成部材の固有振動や電源周波数等、回転機構の回転数（回転速度）に依存しない周波数成分である。

一方、図６に示すように、回転機構の軸受に損傷がある場合には、ピーク成分Ａ，Ｂの他に、異なる回転数ｒ１，ｒ２においてそれぞれ異なるピーク成分Ｃ，Ｄが発生する。この場合、回転数ｒ１、回転数ｒ１において発生するピーク成分の周波数ｆ１、回転数ｒ２、回転数ｒ２において発生するピーク成分の周波数ｆ２との間には、下記（５）式が成立する。

ｒ１／ｒ２＝ｆ１／ｆ２ ・・・（５）

本実施形態では、異なる回転数ｒ１，ｒ２において振動を検出し、異なる回転数ｒ１，ｒ２毎に、上記（１）式、（２）式、（３）式、（４）式が成立するピーク成分があるか否かを判定する。そして、上記（１）式、（２）式、（３）式、（４）式のうちの何れかを満たす場合、各回転数ｒ１，ｒ２において上記（５）式を満たす組み合わせが存在するか否かを判定する。以下、実施形態に係る回転機械設備の異常診断手順について説明する。

図７は、実施形態に係る回転機械設備の異常診断手順の一例を示す図である。なお、以下の手順で用いる回転機構の諸元データ（ここでは、発電機軸受６１の転動体の個数Ｚ、転動体の直径Ｄｗ、転動体の公転ピッチ円直径ＰＣＤ、接触角αを含む）、及び、上記（１）式、（２）式、（３）式、（４）式、（５）式は、予め記憶部２２に記憶されているものとする。

まず、診断装置２０は、検出装置１０から、振動センサ１２によって検出された振動と、回転数センサによって検出された第１回転数ｒ１とを取得して記憶部２２に記憶し（ステップＳ１０１）、取得した第１回転数ｒ１から第１回転周波数ｆｒ１を算出して記憶部２２に記憶する（ステップＳ１０２）。また、診断装置２０は、取得した振動のエンベロープ（包絡線）処理を行う（ステップＳ１０３）。

続いて、診断装置２０は、エンベロープ処理後の振動の周波数解析を行う（ステップＳ１０４）。また、診断装置２０は、周波数解析結果からピーク成分の周波数を抽出する（ステップＳ１０５）。そして、診断装置２０は、抽出したピーク成分の周波数を第１ピーク成分周波数ｆ１（ｆ１（１），ｆ１（２），ｆ１（３），・・・，ｆ１（ｎ））とし、第１回転数ｒ１及び第１回転周波数ｆｒ１と共に図８に示す第１取得データ情報として記憶部２２に格納する（ステップＳ１０６）。

図８は、第１取得データ情報の一例を示す図である。図８に示す例では、ステップＳ１０５においてｎ個のピーク成分が抽出された例を示している。

続いて、診断装置２０は、上記（１）式、（２）式、（３）式、（４）式を用いて、下記（６）式、（７）式、（８）式、（９）式を満たす第１ピーク周波数ｆ１（ｆ１（１），ｆ１（２），ｆ１（３），・・・，ｆ１（ｎ））があるか否かを判定する（ステップＳ１０７）。なお、上記（１）式、（２）式、（３）式、（４）式にはそれぞれ回転周波数ｆｒに第１回転周波数ｆｒ１を代入する。

ｆ１（１〜ｎ）＝Ｚｆｃ１ ・・・（６）

ｆ１（１〜ｎ）＝Ｚｆｉ１ ・・・（７）

ｆ１（１〜ｎ）＝ｆｂ１ ・・・（８）

ｆ１（１〜ｎ）＝ｆｃ１ ・・・（９）

上記（６）式、（７）式、（８）式、（９）式を満たす第１ピーク周波数ｆ１（ｆ１（１），ｆ１（２），ｆ１（３），・・・，ｆ１（ｎ））がない場合には（ステップＳ１０７；Ｎｏ）、診断装置２０は、異常診断対象である回転機構の軸受に損傷がないと判定し（ステップＳ３０２）、当該判定結果を表示部２５に表示又は更新し（ステップＳ３０４）、ステップＳ１０１に戻る。

上記（６）式、（７）式、（８）式、（９）式を満たす第１ピーク周波数ｆ１（ｆ１（１），ｆ１（２），ｆ１（３），・・・，ｆ１（ｎ））がある場合には（ステップＳ１０７；Ｙｅｓ）、診断装置２０は、ステップＳ１０７における判定結果を第１損傷情報として記憶部２２に格納する（ステップＳ１０８）。

続いて、診断装置２０は、検出装置１０から、振動センサ１２によって検出された振動と、回転数センサによって検出された第２回転数ｒ２とを取得し（ステップＳ２０１）、取得した第２回転数ｒ２が所定係数ｋ（ｋ≠０）を乗じた第１回転数ｒ１よりも大きいか（ｒ２＞ｋｒ１）、又は、取得した第２回転数ｒ２が所定係数ｋを乗じた第１回転数ｒ１よりも小さいか（ｒ２＜ｋｒ１）を判定する（ステップＳ２１０）。ｒ２＞ｋｒ１又はｒ２＜ｋｒ１を満たす場合（ステップＳ２１０；Ｙｅｓ）、診断装置２０は、取得した第２回転数ｒ２から第２回転周波数ｆｒ２を算出して記憶部２２に記憶する（ステップＳ２０２）。ｒ２＞ｋｒ１又はｒ２＜ｋｒ１を満たさない場合（ステップＳ２１０；Ｎｏ）、ステップＳ２０１の処理に戻る。また、診断装置２０は、取得した振動のエンベロープ（包絡線）処理を行う（ステップＳ２０３）。

続いて、診断装置２０は、エンベロープ処理後の振動の周波数解析を行う（ステップＳ２０４）。また、診断装置２０は、周波数解析結果からピーク成分の周波数を抽出する（ステップＳ２０５）。そして、診断装置２０は、抽出したピーク成分の周波数を第２ピーク成分周波数ｆ２（ｆ２（１），ｆ２（２），ｆ２（３），・・・，ｆ２（ｎ））とし、第２回転数ｒ２及び第２回転周波数ｆｒ２と共に図９に示す第２取得データ情報として記憶部２２に格納する（ステップＳ２０６）。

図９は、第２取得データ情報の一例を示す図である。図９に示す例では、ステップＳ２０５においてｎ個のピーク成分が抽出された例を示している。

続いて、診断装置２０は、上記（１）式、（２）式、（３）式、（４）式を用いて、下記（１０）式、（１１）式、（１２）式、（１３）式を満たす第２ピーク周波数ｆ２（ｆ２（１），ｆ２（２），ｆ２（３），・・・，ｆ２（ｎ））があるか否かを判定する（ステップＳ２０７）。なお、上記（１）式、（２）式、（３）式、（４）式にはそれぞれ回転周波数ｆｒに第２回転周波数ｆｒ２を代入する。

ｆ２（１〜ｎ）＝Ｚｆｃ２ ・・・（１０）

ｆ２（１〜ｎ）＝Ｚｆｉ２ ・・・（１１）

ｆ２（１〜ｎ）＝ｆｂ２ ・・・（１２）

ｆ２（１〜ｎ）＝ｆｃ２ ・・・（１３）

上記（１０）式、（１１）式、（１２）式、（１３）式を満たす第２ピーク周波数ｆ２（ｆ２（１），ｆ２（２），ｆ２（３），・・・，ｆ２（ｎ））がない場合には（ステップＳ２０７；Ｎｏ）、診断装置２０は、異常診断対象である回転機構の軸受に損傷がないと判定し（ステップＳ３０２）、当該判定結果を表示部２５に表示又は更新し（ステップＳ３０４）、ステップＳ１０１に戻る。

上記（１０）式、（１１）式、（１２）式、（１３）式を満たす第２ピーク周波数ｆ２（ｆ２（１），ｆ２（２），ｆ２（３），・・・，ｆ２（ｎ））がある場合には（ステップＳ２０７；Ｙｅｓ）、診断装置２０は、ステップＳ２０７における判定結果を第２損傷情報として記憶部２２に格納する（ステップＳ２０８）。

続いて、診断装置２０は、第１損傷情報と第２損傷情報とを比較し、上記（５）式を用いて、下記（１４）式、（１５）式、（１６）式、（１７）式の何れかを満たすか否かを判定する（ステップＳ３０１）。

ｒ１／ｒ２＝Ｚｆｃ１／Ｚｆｃ２ ・・・（１４）

ｒ１／ｒ２＝Ｚｆｉ１／Ｚｆｉ２ ・・・（１５）

ｒ１／ｒ２＝ｆｂ１／ｆｂ２ ・・・（１６）

ｒ１／ｒ２＝ｆｃ１／ｆｃ２ ・・・（１７）

上記（１４）式、（１５）式、（１６）式、（１７）式の何れも満たさない場合には（ステップＳ３０１；Ｎｏ）、診断装置２０は、異常診断対象である回転機構の軸受に損傷がないと判定し（ステップＳ３０２）、当該判定結果を表示部２５に表示又は更新し（ステップＳ３０４）、ステップＳ１０１に戻る。

上記（１４）式、（１５）式、（１６）式、（１７）式の何れかを満たす場合には（ステップＳ３０１；Ｙｅｓ）、診断装置２０は、異常診断対象である回転機構の軸受に損傷があると判定し（ステップＳ３０３）、当該判定結果を表示部２５に表示又は更新し（ステップＳ３０４）、ステップＳ１０１に戻る。このとき、上記（１４）式を満たす場合には、発電機軸受６１の外輪に損傷があるとし、上記（１５）式を満たす場合には、発電機軸受６１の内輪に損傷があるとし、上記（１６）式を満たす場合には、発電機軸受６１の転動体に損傷があるとし、上記（１７）式を満たす場合には、発電機軸受６１の保持器に損傷があるとする。このように、本実施形態では、異常診断対象である回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを診断することができる。

本実施形態では、上述したように、異なる回転数において振動を取得し、異なる回転数毎に、上記（１）式、（２）式、（３）式、（４）式が成立するピーク成分、すなわち、異常診断対象である回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを示す特定ピーク成分があるか否かを判定する。そして、上記（１）式、（２）式、（３）式、（４）式のうちの何れかを満たす場合、すなわち、回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを示す特定ピーク成分がある場合、各回転数において上記（５）式を満たす組み合わせが存在するか否か、すなわち、回転数比と、回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを示す特定ピーク成分として検出されたピーク成分の周波数比とが一致するか否かを判定する。

このような処理とすることで、何れか一方の回転数において異常診断対象である回転機構の回転数（回転速度）に依存しないピーク成分を、回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを示す特定ピーク成分として誤検出した場合でも、他方の回転数において回転機構の回転数（回転速度）に依存しないピーク成分を、回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを示す特定ピーク成分として検出しなかった場合には、当該ピーク成分は、回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを示す特定ピーク成分として検出されない。また、異なる回転数において回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを示す特定ピーク成分を検出した場合でも、回転数比と、回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを示す特定ピーク成分として検出されたピーク成分の周波数比とが一致していなければ、当該ピーク成分は、回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを示す特定ピーク成分として検出されない。

このように、本実施形態では、異常診断対象である回転機構の回転数（回転速度）に依存しないピーク成分を、回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを示す特定ピーク成分として誤検出することが抑制される。これにより、異常診断対象である回転機構（ここでは、発電機６０）の軸受の損傷の有無を適切に診断することができる。

なお、上述した図７に示す異常診断処理における異常診断精度を高めるためには、ステップＳ１０１において取得される第１回転数ｒ１と、ステップＳ２０１において取得される第２回転数ｒ２との差が大きい方が望ましく、例えば、ステップＳ２１０における所定係数ｋが２以上（ｋ≧２）であるか、又は１／２以下（ｋ≦１／２）であることが好ましい。

また、例えば、発電機６０が極数切替によって多速運転が可能な誘導発電機である場合、ステップＳ２１０に代えて、ステップＳ１０８とステップＳ２０１との間に、極数切替判定ステップを設けた態様であっても良い。

また、例えば、発電機６０が可変速運転が可能な同期発電機である場合、ステップＳ２１０に代えて、第１回転数ｒ１を検出するための第１閾値と、第２回転数ｒ２を検出するための第２閾値とを設け、ステップＳ１０１の後に、第１回転数検出ステップを設け、ステップＳ２０１の後に、第２回転数検出ステップを設けた態様であっても良い。

また、振動を取得する際の回転数は２つに限るものではなく、例えば、３以上の異なる回転数における振動を取得して異常診断を行う態様であっても良い。

また、ステップＳ１０５及びステップＳ２０５においてピーク成分周波数を抽出する際、ピーク値が所定の閾値以上であるピーク成分の周波数のみ抽出する態様であっても良い。これにより、ステップＳ１０７、ステップＳ２０７、ステップＳ３０１における処理が必要以上に重くなることを抑制することができる。この場合、閾値は必ずしも一定である必要はなく、例えば、周波数に応じて増減する態様であっても良い。

なお、本実施形態では、風力発電機１００の発電機６０を異常診断対象とする回転機構として例示したが、異常診断対象とする回転機構はこれに限るものではなく、上述したように、例えば、主軸４０や増速機５０のギヤボックス内の軸受を異常診断対象とした態様であっても良いし、風力発電機１００以外の回転機械設備における各種軸受を異常診断対象とした態様であっても良い。

また、異常診断対象である回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを示す特定ピーク成分として検出対象とすることができるピーク成分は、本実施形態において例示した軸受の外輪、内輪、転動体、及び保持器の損傷によって発生するピーク成分に限るものではない。

以上説明したように、実施形態に係る回転機械設備の異常診断システム１及び異常診断方法では、それぞれ異なる複数の回転数ｒ１，ｒ２における振動のピーク成分を用いて、異常診断対象である回転機構の異常を診断する。

これにより、異常診断対象である回転機構の回転数（回転速度）に依存しないピーク成分と、回転機構の軸受が損傷しているために回転機構の回転数（回転速度）に比例して変化するピーク成分とを識別することができる。このため、回転機械設備における回転機構の軸受の損傷の有無を適切に診断することができる。

具体的には、それぞれ異なる複数の回転数ｒ１，ｒ２における回転数比ｒ１／ｒ２と、それぞれ異なる複数の回転数ｒ１，ｒ２におけるピーク成分の周波数比ｆ１／ｆ２とが一致した場合に（ｒ１／ｒ２＝ｆ１／ｆ２）異常判定する。

これにより、異常診断対象である回転機構の回転数（回転速度）に依存しないピーク成分を、回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを示す特定ピーク成分として誤検出することを防ぐことができる。

また、第１回転数ｒ１において回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを示す第１ピーク成分を検出し、且つ、第１回転数ｒ１とは異なる第２回転数ｒ２において回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを示す第２ピーク成分を検出し、第１回転数ｒ１と第２回転数ｒ２との回転数比ｒ１／ｒ２と、第１ピーク成分の周波数ｆ１と第２ピーク成分の周波数ｆ２との周波数比ｆ１／ｆ２とが一致した場合に（ｒ１／ｒ２＝ｆ１／ｆ２）、回転機構の軸受が特定の損傷状態であると診断する。

これにより、異常診断対象である回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを診断することができる。

また、実施形態に係る回転機械設備の異常診断方法では、それぞれ異なる複数の回転数ｒ１，ｒ２において振動のピーク成分を抽出し、複数の回転数ｒ１，ｒ２毎に、異常診断対象の回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを示す特定ピーク成分があるか否かを判定する。そして、それぞれ異なる複数の回転数ｒ１，ｒ２で特定ピーク成分がある場合に、複数の回転数ｒ１，ｒ２の回転数比ｒ１／ｒ２と、特定ピーク成分の周波数比ｆ１／ｆ２とが一致するか否かを判定する。

これにより、異常診断対象である回転機構の回転数（回転速度）に依存しないピーク成分と、回転機構の軸受が損傷しているために回転機構の回転数（回転速度）に比例して変化するピーク成分とを識別することができる。また、異常診断対象である回転機構の軸受の損傷状態を識別することができる。

また、それぞれ異なる複数の回転数ｒ１，ｒ２の何れかにおいて特定ピーク成分がない場合には、回転機構の軸受に損傷がないと診断する。

これにより、何れか一方の回転数において異常診断対象である回転機構の回転数（回転速度）に依存しないピーク成分を、回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを示す特定ピーク成分として誤検出した場合でも、他方の回転数において回転機構の回転数（回転速度）に依存しないピーク成分を、回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを示す特定ピーク成分として検出しなかった場合には、当該ピーク成分は、回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを示す特定ピーク成分として検出されない。

また、それぞれ異なる複数の回転数ｒ１，ｒ２の回転数比ｒ１／ｒ２と、回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを示す特定ピーク成分の周波数比ｆ１／ｆ２とが一致する場合に、回転機構の軸受が特定の損傷状態であると診断する。

これにより、異常診断対象である回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを診断することができる。

また、それぞれ異なる複数の回転数ｒ１，ｒ２の回転数比ｒ１／ｒ２と、回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを示す特定ピーク成分の周波数比ｆ１／ｆ２とが一致しない場合に、回転機構の軸受に損傷がないと診断する。

これにより、異なる回転数において回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを示す特定ピーク成分を検出した場合でも、回転数比と、回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを示す特定ピーク成分として検出されたピーク成分の周波数比とが一致していなければ、当該ピーク成分は、回転機構の軸受が特定の損傷状態であることを示す特定ピーク成分として検出されない。

このように、本実施形態によれば、回転機械設備の異常を適切に診断することができる回転機械設備の異常診断システム及び異常診断方法が得られる。

１ 異常診断システム
１０ 検出装置
１１ データ収集部
１２ 振動センサ
１３ 運転状態センサ
２０ 診断装置
２１ 処理部
２２ 記憶部
２３ 通信部
２４ 入力部
２５ 表示部
２６ バス
３０ ロータ
３１ ハブ
３２ ブレード
４０ 主軸
４１ 主軸受
５０ 増速機
６０ 発電機
６１ 発電機軸
６２ 発電機軸受
７０ ナセル
８０ タワー
９０ 土台（フレーム）
１００ 風力発電機（回転機械設備）
２００ ネットワーク

Claims (7)

1. 軸受を有する回転機械設備の異常診断システムであって、
   前記軸受の振動及び回転数を検出する検出装置と、
   それぞれ異なる複数の前記回転数における前記振動のピーク成分を用いて、前記軸受の異常を診断する診断装置と、
   を備える
   回転機械設備の異常診断システム。
2. 前記診断装置は、
   それぞれ異なる複数の前記回転数における回転数比と、それぞれ異なる複数の前記回転数における前記ピーク成分の周波数比とが一致した場合に異常判定する
   請求項１に記載の回転機械設備の異常診断システム。
3. 前記診断装置は、
   第１回転数において前記軸受が特定の損傷状態であることを示す第１ピーク成分を抽出し、且つ、前記第１回転数とは異なる第２回転数において前記軸受が特定の損傷状態であることを示す第２ピーク成分を抽出し、前記第１回転数と前記第２回転数との回転数比と、前記第１ピーク成分の周波数と前記第２ピーク成分の周波数との周波数比とが一致した場合に、前記軸受が特定の損傷状態であると診断する
   請求項１に記載の回転機械設備の異常診断システム。
4. 軸受を有する回転機械設備の異常診断方法であって、
   それぞれ異なる複数の回転数において振動のピーク成分を抽出する第１ステップと、
   それぞれ異なる複数の前記回転数毎に、前記ピーク成分のうち、前記軸受が特定の損傷状態であることを示す特定ピーク成分があるか否かを判定する第２ステップと、
   前記第２ステップにおいて、それぞれ異なる複数の前記回転数で前記特定ピーク成分がある場合に、複数の前記回転数の回転数比と、前記特定ピーク成分の周波数比とが一致するか否かを判定する第３ステップと、
   を有する
   回転機械設備の異常診断方法。
5. 前記第２ステップにおいて、それぞれ異なる複数の前記回転数の何れかにおいて前記特定ピーク成分がない場合に、前記軸受に損傷がないと診断する
   請求項４に記載の回転機械設備の異常診断方法。
6. 前記第３ステップにおいて、それぞれ異なる複数の前記回転数の回転数比と、前記特定ピーク成分の周波数比とが一致する場合に、前記軸受が特定の損傷状態であると診断する
   請求項４に記載の回転機械設備の異常診断方法。
7. 前記第３ステップにおいて、それぞれ異なる複数の前記回転数の回転数比と、前記特定ピーク成分の周波数比とが一致しない場合に、前記軸受に損傷がないと診断する
   請求項４に記載の回転機械設備の異常診断方法。

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