JP4117500B2

JP4117500B2 - 異常診断装置及びこれを有する転がり軸受装置並びに異常診断方法

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Publication number: JP4117500B2
Application number: JP2007033797A
Authority: JP
Inventors: 泰之武藤; 孝範宮坂; 淳太郎佐原
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2007-02-14
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2024-03-16
Also published as: JP2007192828A

Description

本発明は、例えば鉄道車両用の車軸やギアボックス或いは発電用風車等に用いられる回転部品の異常を診断する異常診断装置及びこれを有する転がり軸受装置並びに異常診断方法に関する。

従来、鉄道車両や発電用風車等の回転部品は、一定期間使用した後に、軸受装置やその他の部品について損傷や磨耗等の欠陥の有無が検査される。この検査は、装置全体を定期的に分解することにより行われ、回転部品にできた損傷や磨耗は、検査担当者が目視により発見するようにしている。そして、検査で発見される主な欠陥としては、軸受装置の場合、異物の噛み込み等によって生ずる圧痕、転がり疲れによる剥離、その他の磨耗等、歯車の場合には歯部の欠損や磨耗等、車輪の場合にはフラット等の磨耗があり、新品にはない凹凸や磨耗等があれば、新品に交換し再度装置に組みつけられる。

また、従来の回転部品として、図１４に示すセンサモジュールを有する軸受装置１００は、転がり軸受１０１の外輪１０２の外周面にモジュール穴１０３が形成され、モジュール穴１０３に速度センサ、温度センサ、加速度センサを内装したモジュール１０４が挿入固定されている。そして、モジュール１０４内の各センサが発生した検出信号は、通信チャネルを通じて、転がり軸受１０１が設置される貨車や客車を牽引する機関車内の遠隔処理ユニットに送信される。
また、速度については、回転する車輪によって生じたパルスに基づくジャーナルの瞬間的な速度を検出することにより、その速度と、同様の条件で動作する他の軸受の速度との比較を行い、軸受組立体によって経験された全周期履歴の保存記録を行う。
また、温度については、単純なレベル検出により、同様の条件で動作する他の軸受の温度との比較を行う。
更に、振動については、所定の時間間隔に亘るエネルギーレベルの単純なＲＭＳ測定を行い、そのエネルギーレベルと、処理ユニットに記憶された過去のエネルギーレベルとを比較し、同様の条件で動作する他の軸受のエネルギーレベルの比較を行う（例えば、特許文献１参照）。

また、図１５に示す転がり軸受装置の異常検出装置１１０は、複列円すいころ軸受１１１の外輪１１２の下端部に、センサ取付孔１１３が形成され、センサ取付孔１１３に、回転速度センサ１１４と、温度センサ１１５と、加速度センサ１１６と、を有するセンサユニット１１７が挿入されている。（例えば、特許文献２参照。）。

更に、図１６に示すセンサ付回転静止部材１２０は、複列円すいころ軸受１２１の外輪１２２の下端部にセンサ取付孔１２３が形成され、回転速度センサ１２４、温度センサ１２５と、を有するセンサユニット１２６がセンサ取付孔１２３に設けられた隔壁状ケース１２７に挿入されている（例えば、特許文献３参照。）。

また、図１７に示された従来の軸受の異常検知装置１３０は、軸受１３１の機械振動を電気的振動に変換して出力するピックアップ１３２と、ピックアップ１３２の出力を増幅する自動利得制御増幅器１３３と、増幅器１３３の出力から駆動系や他の機械系から生ずるノイズを除去する１〜１５ｋＨｚのバンドパスフィルタ１３４と、バントパスフィルタ１３４の出力の実効値を演算し自動利得制御増幅器１３３の利得制御端子に供給する実効値演算器１３５と、バンドパスフィルタ１３４の出力を入力する包絡線回路１３６と、包絡線回路１３６の出力を入力する実効値演算器１３７と、実効値演算器１３７の出力を入力しその値が所定値を超えたときにランプや接点出力で警報を出す警報回路１３８と、を備えた構成を有する（例えば、特許文献４参照。）。

また、図１８に示された従来の軸受の異常診断装置１４０は、転がり軸受１４１の近傍に配されるマイクロホン１４２と、増幅器１４３と、電子機器１４４と、スピーカ１４５と、モニタ１４６と、を備えた構成を有する。電子機器１４４は、演算処理装置であり、変換機としてのトランスジューサ１４７と、記録部としてのＨＤＤ１４８と、演算処理部としての異常診断部１４９と、アナログ変換出力部１５０とを備える（例えば、特許文献５参照。）。

また、図１９に示された従来の軸受の異常診断装置１６０では、センサ１６１が出力した電気的な信号波形が、アナログ・デジタル変換器１６２によってデジタルファイル化された後、波形処理部１６３に送られ、波形処理部１６３で、エンベロープ処理が行われてエンベロープスペクトルが得られる。また、波形処理部１６３では、抽出工程において、軸受構成部品の特定の周波数成分である、内輪傷成分、外輪傷成分、転動体傷成分が、所定の式を用いてエンベロープスペクトルにより抽出される。演算部１６４では、演算工程が行われ、判定部１６５では、比較工程が行われ、判定結果が出力回路１６６から出力され、スピーカ１６７やモニターに１６８より検査員に報知される（例えば特許文献６参照。）。

また、図２０に示されるように、転がり軸受の各部材で発生する異常振動周波数は、軸受回転速度と、軸受部品の形状寸法から幾何的に求められ、これを用いた信号処理方法が種々知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
特表２００１−５００５９７号公報（第１０−１６頁、第１図）特開２００２−２９５４６４号公報（第４−５頁、第１図）特開２００２−２４２９２８号広報（第４−５頁、第１図）特開平２−２０５７２７号公報（第２−３頁、第１図）特開２０００−１４６７６２号公報（第４−６頁、第１図）特開２００１−０２１４５３号公報（第５−６頁、第１図）転がり軸受の異常の検出および予知について "潤滑"、第２３巻、第３号（１９７８）ｐｐ．１８３〜１８７

しかしながら、上記機械装置全体を分解して、担当者が目視で検査する方法では、装置全体の分解に多大な時間とコストがかかり、さらに組立て直しにも多くの時間を必要とすることがある。特に、発電用風車の場合、オフショアで使用される場合が多く、台数も多い場合がある。そのため、現在では、保全担当者が現地に出向き、個々の風車の回転部品検査を行っていることが多く、この場合、多大な時間とコストがかかり、メンテナンス性において効率が悪いことがある。

また、限られた時間内で多数の部品を目視で検査するため、欠陥を見落とす可能性がある。また、欠陥の程度の判断にも個人差があり、実質的に欠陥がなくても部品交換が行われることもあるため、無駄なコストがかかることにも成り得る。さらに、組立て直しを行うときに、検査前には無かった打痕を回転部品につけてしまう等、検査自体が部品の欠陥の新たな原因を生むこともある。

また、機械装置によっては、回転部品に異常が生じても部品の交換に手間を要するため、直ちに装置を停止させることができないことがある。この場合、損傷の程度がどの程度かを確認するために、振動計等を用いて正常時の振動値と比較したり、熟練者による聴感により、その程度を推定し、部品の交換時期を定めている。しかしながら、機械装置の振動は、回転部品以外からの振動源から発生する振動の方が大きいため、損傷の程度の識別までは困難である。このため、効率的な部品交換ができないことがあった。

また、特許文献１〜６及び非特許文献１においては、温度センサや振動センサを用いて外部から回転部品の異常を診断する手法が知られているが、これらの文献では、例えば、振動センサからの検出信号を分析して異常診断する際の処理負担に対して対策が為されておらず、処理回路等のハードウェアが大きくなったり、ソフトウェアの負荷が大きくなることがあった。

本発明は、上記課題を解決するために為されたものであり、装置の分解や組立てに掛かる手間を軽減しながら、その装置の回転部品の異常の有無、部位の特定及び損傷の程度を診断可能であると共に、診断にかかる時間及びコストを低減できる異常診断装置及びこれを有する転がり軸受装置並びに異常診断方法を提供することを目的とする。

本発明の目的は、以下の構成によって達成される。
（１）機械装置に組み込まれた状態で、該機械装置の軸受箱に対して相対的に回転する転がり軸受の外輪の異常を診断する異常診断装置であって、
前記転がり軸受又は前記軸受箱に固定される、振動センサ、超音波センサ、ＡＥセンサのうちの少なくとも一つのセンサと、
前記センサにより検出された信号の波形を、前記機械装置に組み込まれた前記軸受箱を打撃法により加振することで得られた波形データの山と谷に基づいて、前記軸受箱の複数の固有振動数に対応する複数の周波数帯域に分割して抽出するフィルタ処理部と、
前記フィルタ処理部から転送されたフィルタ処理後の波形を演算処理する演算処理部と、
前記抽出された周波数帯域毎に、前記転がり軸受の回転速度信号に基づいて算出した前記外輪の損傷に起因する理論周波数と前記演算処理部で演算処理された実測データに含まれる周波数成分とを比較する比較部と、
前記比較部での比較結果に基づき、異常の有無あるいは損傷の程度を診断する異常判定部と、
を備え、
前記異常判定部は、前記抽出された周波数帯域の全てにおいて、前記外輪の損傷に起因する理論周波数と前記実測データに含まれる周波数成分とが一致する場合に、前記外輪の損傷が大きいと判断し、特定の前記抽出された周波数帯域のみにおいて、前記外輪の損傷に起因する理論周波数と前記実測データに含まれる周波数成分とが一致する場合に、前記外輪の損傷が小さいと判断することを特徴とする異常診断装置。
（２）機械装置に組み込まれた状態で、該機械装置の軸受箱に対して相対的に回転する転がり軸受の外輪の異常を診断する異常診断装置であって、
前記転がり軸受又は前記軸受箱に固定される、振動センサ、超音波センサ、ＡＥセンサのうちの少なくとも一つのセンサと、
前記センサにより検出された信号の波形を、前記機械装置に組み込まれた軸受箱を打撃法により加振することで得られた波形データの山と谷に基づいて、前記軸受箱の複数の固有振動数に対応する複数の周波数帯域に分割して抽出するフィルタ処理部と、
前記フィルタ処理部から転送されたフィルタ処理後の波形の振動実効値又は波高率を算出する演算処理部と、
前記抽出された周波数帯域毎に、正常な前記転がり軸受の振動実効値又は波高率の正常値と、前記演算処理部で算出された振動実効値又は波高率とを比較する比較部と、
前記比較部での比較結果に基づき、異常の有無あるいは損傷の程度を診断する異常判定部と、
を備え、
前記異常判定部は、前記抽出された周波数帯域の全てにおいて、前記算出された振動実効値又は波高率の前記正常値に対する比が大きい場合に、前記外輪の損傷が大きいと判断し、特定の前記抽出された周波数帯域のみにおいて、前記算出された振動実効値又は波高率の前記正常値に対する比が大きい場合に、前記外輪の損傷が小さいと判断することを特徴とする異常診断装置。
（３）前記機械装置は鉄道車両の台車であり、鉄道車両用転がり軸受装置に使用されることを特徴とする（１）又は（２）に記載の異常診断装置。
（４）機械装置に組み込まれた状態で、該機械装置の軸受箱に対して相対的に回転する転がり軸受の外輪の異常を診断する異常診断方法であって、
前記転がり軸受又は前記軸受箱に固定される、振動センサ、超音波センサ、ＡＥセンサのうちの少なくとも一つのセンサにより検出された信号の波形を、前記機械装置に組み込まれた前記軸受箱を打撃法により加振することで得られた波形データの山と谷に基づいて、前記軸受箱の複数の固有振動数に対応する複数の周波数帯域に分割して抽出するフィルタ処理工程と、
前記フィルタ処理工程にて抽出されたフィルタ処理後の波形を演算処理する演算処理工程と、
前記抽出された周波数帯域毎に、前記転がり軸受の回転速度信号に基づいて算出した前記外輪の損傷に起因する理論周波数と前記演算処理部で演算処理された実測データに含まれる周波数成分とを比較する比較工程と、
前記比較工程での比較結果に基づき、異常の有無あるいは損傷の程度を診断する異常判定工程と、
を備え、
前記異常判定工程は、前記抽出された周波数帯域の全てにおいて、前記外輪の損傷に起因する理論周波数と前記実測データに含まれる周波数成分とが一致する場合に、前記外輪の損傷が大きいと判断し、特定の前記抽出された周波数帯域のみにおいて、前記外輪の損傷に起因する理論周波数と前記実測データに含まれる周波数成分とが一致する場合に、前記外輪の損傷が小さいと判断することを特徴とする異常診断方法。
（５）機械装置に組み込まれた状態で、該機械装置の軸受箱に対して相対的に回転する転がり軸受の外輪の異常を診断する異常診断方法であって、
前記転がり軸受又は前記軸受箱に固定される、振動センサ、超音波センサ、ＡＥセンサのうちの少なくとも一つのセンサにより検出された信号の波形を、前記機械装置に組み込まれた前記軸受箱を打撃法により加振することで得られた波形データの山と谷に基づいて、前記軸受箱の複数の固有振動数に対応する複数の周波数帯域に分割して抽出するフィルタ処理工程と、
前記フィルタ処理部から転送されたフィルタ処理後の波形の振動実効値又は波高率を算出する演算処理工程と、
前記抽出された周波数帯域毎に、正常な前記転がり軸受の振動実効値又は波高率の正常値と、前記演算処理部で算出された振動実効値又は波高率とを比較する比較工程と、
前記比較工程での比較結果に基づき、異常の有無あるいは損傷の程度を診断する異常判定工程と、
を備え、
前記異常判定工程は、前記抽出された周波数帯域の全てにおいて、前記算出された振動実効値又は波高率の前記正常値に対する比が大きい場合に、前記外輪の損傷が大きいと判断し、特定の前記抽出された周波数帯域のみにおいて、前記算出された振動実効値又は波高率の前記正常値に対する比が大きい場合に、前記外輪の損傷が小さいと判断することを特徴とする異常診断方法。
（６）前記機械装置は鉄道車両の台車であり、鉄道車両用転がり軸受装置に使用されることを特徴とする（４）又は（５）に記載の異常診断方法。

本発明の異常診断装置及び異常診断方法によれば、回転部品が組み込まれている装置を分解することなく実稼動状態で複数の部品の欠陥と損傷の程度を同時に検査することができる。また、機械部品の固有振動数に対応した周波数帯域を抽出するため、高感度で高ＳＮ比の測定が可能となる。この結果、検査時間ならびにコストの低減が図れると共に、機械装置の回転部品あるいは装置の安全性と信頼性を向上することができる。

以下、図面を参照して本発明の第１実施形態に係る回転部品の異常診断装置について詳細に説明する。
図１は、異常診断装置が適用される鉄道車両用の転がり軸受装置１０を示す。鉄道車両用の転がり軸受装置１０は、回転部品である鉄道車両車軸用の複列円すいころ軸受１１と、鉄道車両用台車の一部を構成する静止部材である軸受箱１２とを備える。

複列円すいころ軸受１１は、外周面に円すい外面状に傾斜した内輪軌道面１５，１５を有する一対の内輪１４，１４と、内周面に円すい内面状に傾斜した一対の外輪軌道面１７，１７を有する単一の外輪１６と、内輪１４，１４の内輪軌道面１５，１５と外輪１６の外輪軌道面１７，１７との間に複列で複数配置された転動体である円すいころ１８と、円すいころ１８を転動自在に保持する環状の打ち抜き保持器１９，１９と、一対のシール部材２０，２０とを備える。
軸受箱１２は、ハウジング２１と、ハウジング２１の先端部側に配置された前蓋２２と、その後端部側に配置された後蓋２３とを備える。

内輪１４，１４の間には、内輪間座２４が配置されている。内輪１４，１４、内輪間座２４には回転軸である車軸２５が圧入されており、外輪１６はハウジング２１と嵌合する。複列円すいころ軸受１１には、種々部材の重量等によるラジアル荷重と任意のアキシアル荷重とが負荷されており、外輪１６の上方部が負荷圏になっている。ここで、負荷圏とは、転動体に対して荷重が負荷される領域を指す。

車軸２５の先端部側に配置された一方のシール部材２０は、外輪１６の外側端部と前蓋２２との間に組み付けられ、後端部側に配置された他方のシール部材２０は、外輪１６の外側端部と後蓋２３との間に組み付けられている。

ハウジング２１は、鉄道車両用台車の側枠を構成しており、外輪１６の外周面を覆うように円環形状に形成されている。ハウジング２１の外周部には、複列円すいころ軸受１１の軸方向中央部に凹部２６が形成されている。凹部２６はその底部に平坦部２７を設け、平坦部２７に異常診断装置の一部を構成する異常検出用センサ３１を固定する。

異常検出用センサ３１は、振動センサや温度センサまたはＡＥ（acoustic emission）センサや超音波センサを一体に筐体内に収納固定した複合型センサである。なお、図１の異常検出用センサ３１は、振動センサ３２と温度センサ３３を備える。振動センサ３２は、圧電素子等の振動測定素子であり、複列円すいころ軸受１１の内外輪軌道面１５，１５，１７，１７の剥離や、歯車の欠損、車輪のフラット磨耗等を検出するのに用いられる。振動センサ３２は、加速度、速度或いは変位型等、振動を電気信号化できるものであればよく、ノイズが多いような機械装置に取付ける際には、絶縁型を使用する方がノイズの影響を受けることがないので好ましい。

温度センサ３３は、サーミスタ温度測定素子や白金測温抵抗体や熱電対等の非接触タイプの温度測定素子である。温度センサとしては、雰囲気温度が規定値を超えると、バイメタルの接点が離れたり、接点が溶断したりすることで導通しなくなる温度フューズを用いても良い。その場合、装置の温度が規定値を超えたとき、温度フューズの導通が遮断されることによって温度異常が検出される。

また、異常検出用センサ３１は、軸受の非回転側軌道輪に嵌合している軸受箱のラジアル荷重の負荷圏領域に取付けている。このため、例えば、軸受軌道面に損傷が発生した場合、その損傷部を転動体が通過する際に生じる衝突力は無負荷圏よりも負荷圏の方が大きく、軸受負荷圏の方が感度良く異常振動を検出することができる。

図２は、異常検出用センサ３１の振動センサ３２を用いた異常診断装置の信号処理系統図を示す。振動センサ３２が発生した振動信号は、信号伝送手段３４を介して増幅後にフィルタ部３５に転送される。フィルタ部３５は、固有振動数記憶部３６に記憶された、回転部品である複列円すいころ軸受１１、静止部材である軸受箱１２、異常検出用センサ３１のいずれかの固有振動数に基づいて、振動信号からその固有振動数に対応する所定の周波数帯域のみを抽出する。

この固有振動数は、回転部品である複列円すいころ軸受１１や歯車や車輪、静止部材である軸受箱１２、異常検出用センサ３１のいずれかを被測定物として、打撃法により加振し、被測定物に取付けた振動検出器又は打撃により発生した音響を周波数分析することにより容易に求めることができる。一般的に、機械部品の固有振動数は複数存在し、また固有振動数での振幅レベルは高くなるため測定の感度がよい。

その後、エンベロープ処理部３７では、フィルタ部３５にて抽出された所定の周波数帯域に対して、波形の絶対値を検波する絶対値検波処理が行われる。さらに、周波数分析部３８で波形の周波数の分析処理が行われ、実測値データが比較照合部３９へ転送される。

一方、理論周波数計算部４１において、回転速度情報４０に基づき算出された、軸受の剥離、歯車の欠損、車輪のフラット等、回転部品の損傷に起因した周波数成分の計算値データが比較照合部３９に転送される。そして、比較照合部３９で実測値データと計算値データとが比較照合され、異常判定部４２にて振動異常の有無、異常部位の特定が行われ、結果出力部４３で振動異常の有無、特定部位の出力が行われ、アラーム出力することもできる。結果出力部４３への情報転送は、有線や無線で行われる。

本実施形態は、振動信号から固有振動数に対応する所定の周波数帯域のみを抽出・分析することで、回転部品の異常診断ができることに着目したものである。
具体的に、本出願人は外径２０８ｍｍ、内径１３０ｍｍ、幅１５２ｍｍ、ころ数２５の複列円すいころ軸受を用いて、内輪を２００ｍｉｎ^−１で回転させながら、軸受箱を打撃法によって加振して図３に示されるような軸受箱の固有振動数の測定結果を得た。なお、複列円すいころ軸受には３０ｋＮのラジアル荷重が作用しており、振動検出器は軸受箱負荷圏位置に固定して測定した。この結果から、図３に示された波形データは、図４に示した正常な複列円すいころ軸受の振動周波数の結果とほぼ一致することが見られ、これにより、固有振動数に対応する所定の周波数帯域のみを抽出・分析することで異常の有無の診断ができることを見出した。

なお、この方法では、例えば、電動機等から検出した回転速度情報と回転要素部品の設計諸元に基づけば、周波数成分の計算と比較照合を容易に行うことができる。また、固有振動数の記憶又は増幅後の振動信号の処理は、各種データ処理と演算を行うもので、例えば、コンピュータ或いは専用マイクロチップ等によっても構成が可能である。さらに、検出した信号をメモリ等の保存手段に格納後に、演算処理を行うようにしても良い。

さらに、比較照合部３９が行う振動信号を基にした異常診断の処理方法としては以下に示す方法を用いても良い。

（１）エンベロープデータの実効値を基準値として用いる方法
本方法では、図２０の式を基に、異常時に発生する周波数成分を求める。そして、エンベロープデータの実効値を算出し、この実効値から比較用の基準値を求める。そして、基準値以上の周波数成分を算出し、異常時に発生する周波数成分との比較を行う。以下、図５を参照しながら説明を行う。

まず、異常検出用センサ３１に収納された振動センサ３２を介して軸受の振動を検出する（ステップS101）。検出された信号は、所定の増幅率で増幅され、Ａ／Ｄ変換器によりデジタル信号に変換され（ステップS102）、所定の周波数帯域のみを抽出するフィルタ処理が行なわれる(ステップS103)。フィルタ処理後のデジタル信号にエンベロープ処理を施し（ステップS104）、エンベロープ処理後のデジタル信号の周波数スペクトルを求める（ステップS105）。

次に、実測値データのデジタル信号の実効値を計算し（ステップS106）、さらに実効値を基にして、異常診断に用いられる基準値を算出する（ステップS107）。ここで、実効値は、エンベロープ処理後の周波数スペクトルの自乗平均の平方根として求められたものである。基準値は、実効値を基に、以下の式（１）または（２）に基づき算出される。
（基準値）＝（実効値）＋α ・・・（１）
（基準値）＝（実効値）×β ・・・（２）
α，β：データの種類によって可変な所定の値

一方、図２０に示す表に基づき、軸受の異常時に起因して発生する（理論）周波数を求め（ステップS108）、求めた周波数に対応する各部材の異常周波数成分のレベル、即ち、内輪傷成分Si（Zfi），外輪傷成分So（Zfc）、転動体傷成分Sb(2fb)及び保持器成分Sc(fc)を抽出し（ステップS109）、ステップS107で計算された基準値との比較を行う（ステップS110）。そして、全ての成分の値が、基準値より小さい場合には、軸受に異常は発生していないと判断し（ステップS112）、いずれかの成分が基準値以上である場合には、該当箇所に異常が発生していると判断する（ステップS111）。

（２）スペクトルのピークを求め、ピーク周波数と異常周波数とを比較する方法
本方法では、図２０の式を基に、異常時に発生する周波数成分を求める。そして、周波数分析部３８が求めた周波数スペクトルの中で所定数または基準値以上のピークについて、異常が発生する周波数成分に該当するかどうかを照合する。

（３）基本周波数と特定の高調波を用いる方法
本方法では、異常周波数成分の基本周波数である１次の値、基本周波数の倍の周波数を持つ２次の値、基本周波数の４倍の周波数を持つ４次の値について、ピークの周波数と異常時に発生する周波数とが一致しているかどうかを比較し、少なくとも２つの周波数において、異常有りと判断された場合には、最終的に異常有りと判断する。

（４）異常診断と共に損傷の大きさを推定する方法
本方法では、エンベロープ処理後の周波数スペクトルを用い、大きなピークの周波数において外輪に損傷が発生していることを確認し、この周波数におけるピークの値と周波数スペクトル全体の平均値である基準レベルとを比較することにより、異常を起こしている外輪における損傷の大きさを推定する。

（５）基本周波数の自然数倍の高調波成分とのレベル差を基準値とする方法
本方法では、異常周波数成分の基本周波数である１次のレベルに対して、基本周波数の２，３，４，・・・ｎ倍の周波数を持つ２，３，４，・・・ｎ次のレベルが基準値以上となっている個数をカウントし、所定個数以上基準値を超えている場合に、異常が発生していると判断する。具体的には、１次のレベルに対し、ｎ次の値が｛（１次のレベル）−（ｎ−１）・ａ｝（ｄＢ）以上である場合に、カウントを行う。ここでａは、任意の値である。

（６）周波数帯域毎の実効値を用いる方法
本方法では、異常に起因する周波数のピークレベルそのものの値ではなく、異常に起因する周波数を含む周波数帯の実効値を用いて、異常診断を行う。具体的には、異常に起因する周波数を含む周波数帯の実効値とは、周波数帯のレベルの自乗平均またはパーシャルオーバオールである。ここで、自乗平均及びパーシャルオーバオールは、予め定められた式により得られる。オーバオールは、特定の指定区間の総和を意味する。

第１実施形態の異常診断装置によれば、回転部品、静止部材、センサのいずれかの固有振動数が正常品の回転部品の振動周波数とほぼ一致することに着目し、フィルタ処理により固有振動数に対応する周波数帯域のみを振動信号から抽出して、エンベロープ処理、周波数分析を行い、異常診断を行っている。これにより、振動信号のうち診断する周波数帯域を特定できるため、ノイズによる影響を回避できると共に、異常検知のための信号処理回路等のハードウェアをコンパクトにでき、ソフトウェアの負荷も軽減することができる。また、振幅レベルの高い帯域での分析が可能となり、高感度で高ＳＮ比の測定が可能となる。

ここで、正常及び外輪軌道面に傷がある前述した複列円すいころ軸受（外径２０８ｍｍ、内径１３０ｍｍ、幅１５２ｍｍ、ころ数２５）を軸受箱に組み込み、内輪回転速度２００ｍｉｎ^−１で回転させ、軸受箱のラジアル方向の振動をエンベロープ分析及び周波数分析することで異常の診断を行った。図６は、正常品及び外輪傷品の振動をフィルタ処理せずにエンベロープ分析及び周波数分析した結果を示し、図７は、正常品及び外輪傷品の振動を１〜３ｋＨｚの帯域でフィルタ処理後にエンベロープ分析及び周波数分析した結果を示す。

本実施例では、正常と異常の判別をする基準として、図中にラインを引いた基準値（rms＋３dB）を用いることにより、高精度な診断が可能であった。即ち、この基準値を越える周波数成分を抽出後、内輪傷成分Si(Zfi)、外輪傷成分So(Zfc)、転動体傷成分Sb(2fb)及び保持器成分Sc(fc)と比較し、その一致度から異常の有無と部位の特定を行うものであり、図６においては、顕著なピークは出現していないが、図７においては、外輪傷品について、その傷に起因した周波数成分と一致した成分が顕著に出現している。

これにより、図７（ｂ）については、軸受の外輪に傷があると判定することができる。また、本試験で用いた外輪傷品の傷の大きさが小さいため１〜３kHzの周波数帯域のフィルタ処理後にエンベロープ分析及び周波数分析を行わないと傷成分が顕著に出現しないこともわかる。なお、前述した基準値（rms＋３dB）は、運転状態やアプリケーションに応じて任意に設定・変更が可能であるが、診断精度を考慮すると、rms＋２dB〜rms＋６dBが好ましい。
また、ここでは、実効値を取り上げたが、移動平均などの平均値や波高率（＝ピークレベル／平均値）を用いてもよい。

次に、図８を参照して、第２実施形態に係る異常診断装置について説明する。なお、第２実施形態の異常診断装置では、振動センサから振動信号を基に、異常の有無、異常部位の特定に加えて、損傷の程度を診断するためのもので、信号処理部以外の構成及び作用は第１実施形態のものとほぼ同様である。このため、既に説明した部材と同様な構成及び作用を有する部材については、図中同一符号または相当符号を付すことにより、説明を簡略或いは省略する。

上述のように、機械部品の固有振動数は複数存在しており、軸受箱に嵌め合った軸受軌道面に傷などの損傷が発生すると転動体が傷の上を通過することによる衝撃振動が生じ、軸受箱の固有振動数が励振される。この固有振動数は、傷の大きさや回転速度などで伝達の仕方が異なる。即ち、大きい傷の場合には、加振源が大きいため軸受箱などの構造に基づく複数の固有振動数が励振される。一方、小さい傷の場合には、加振源が小さいため、大きい傷の場合に比べると励振される固有振動数が少ない。

このため、固有振動数記憶部３６は、打撃法によって加振した、回転部品、静止部材、センサのいずれかの固有振動数の測定結果を記憶し、フィルタ部４４は、固有振動数記憶部に記憶された測定結果の波形データの山と谷に基づき、振動センサに３２よって得られた振動信号を２〜７の特定周波数帯域に分割して抽出している。

エンベロープ処理部３７では、フィルタ部４４にて抽出された各周波数帯域に対して、波形の絶対値を検波する絶対値検波処理が行われる。さらに、周波数分析部３８で波形の周波数の分析処理が行われ、実測値データが比較照合部３９へ転送される。
そして、比較照合部３９で実測値データと理論周波数計算部４１にて算出された計算値データとが周波数帯域毎に比較照合される。異常判定部４５は、複列円すいころ軸受１１の異常の有無、異常部位の特定を行うと共に、各構成部品について各周波数帯域で損傷成分が発生しているかどうかを確認する。ここで、全周波数帯域において損傷成分が発生している場合には損傷が大きく、特定の周波数帯域のみに損傷成分が発生している場合には損傷が小さいと判断する。その後、結果出力部４３は振動異常の有無、異常部位の特定ならびに損傷の程度の出力を行う。

ここで、図３の固有振動数を得た複列円すいころ軸受において、軸受箱に外輪軌道面の傷が大きい軸受と小さい軸受を組込み回転させ、第２実施形態の損傷の程度の診断を行った。図９は、外輪軌道面の損傷が大きい軸受（以下、外輪大きず品とする。）の振動周波数分析の結果を示し、図１０は、外輪軌道面の損傷が小さい軸受（以下、外輪小きず品とする。）の振動周波数分析結果を示す。損傷の大きさの寸法比は約８である。

図３に示されるように１０ｋＨｚの周波数の範囲では軸受箱の固有振動数が複数存在しており、これを図９及び図１０における振動周波数分析結果と比較すると、軸受箱の固有振動数に対応する周波数帯域において振動レベルが高いことがわかる。また、図９と図１０を比較すると、傷の大きさによって軸受箱の固有振動数のレベルが異なることも確認される。

そこで、固有振動数記憶部３６に記憶された図３に示す軸受箱の固有振動数の測定結果に基づき、図９及び図１０の振動信号から０〜３ｋＨｚ、３〜４．２ｋＨｚ、４．２〜６ｋＨｚ、６〜８ｋＨｚ、８〜１０ｋＨｚの周波数帯域毎にフィルタ部４４で抽出し、各周波数帯域でエンベロープ処理、周波数分析を行った。図１１及び図１２は、それぞれ０〜３ｋＨｚ及び４．２〜６ｋＨｚの帯域での各周波数分析の結果の例である。外輪大きず品では、両方の帯域で外輪損傷成分が発生している一方、外輪小きず品では、０〜３ｋＨｚの周波数帯域において外輪損傷成分が発生しており、４．２〜６ｋＨｚの周波数帯域では外輪損傷成分が見られない。

また、表１に各周波数帯域での周波数分析結果において、外輪損傷成分の発生の有無をまとめた。この結果より、軸受箱の各固有振動数を含む周波数帯域において、外輪大きず品では、全ての周波数帯域で外輪損傷成分が発生しており、外輪小きず品では、０〜３ｋＨｚの周波数帯域でのみ外輪損傷成分が発生している。このため、全周波数帯域において外輪損傷成分が発生している場合には損傷が大きく、特定の周波数帯域のみに損傷成分が発生している場合には損傷が小さいことが確認される。

従って、第２実施形態によれば、軸受箱の固有振動数に対応した特定の周波数帯域のみを抽出し、各周波数帯域での周波数分析を行い、周波数帯域毎に損傷に起因した周波数成分の有無やレベルを確認することにより、実稼動状態で各構成部品の欠陥と損傷の程度を診断することができる。これにより、最適な部品の交換時期がわかり、効率的なメンテナンスが可能となる。

次に、本発明の第３実施形態に係る異常診断装置について説明する。なお、第３実施形態は、図１に示された鉄道車両用転がり軸受装置に対して、図１３に示された異常診断装置の信号処理系統が適用されるものである。
図１３は、異常検出用センサ３１の振動センサ３２、温度センサ３３を用いた信号処理系統図である。振動センサ３２が発生した振動信号及び温度センサ３３が発生した温度信号は、信号搬送手段３４を介して演算部５０に送られる。演算部５０は、回転部品、静止部材、センサのいずれかの複数の固有振動数に対応する特定周波数帯域毎に、振動信号を割振っており、図８に示されたフィルタ部４４の機能を含む。周波数帯域毎に割振られた振動信号及び温度信号は、コンパレータ５１に入力される。

コンパレータ５１では、演算部５０にて与えられた温度データと閾値設定部５２に保存されている予め設定された温度閾値とが比較される。同時に、演算部５０にて算出された振動データと閾値設定部５２に保存されている振動閾値とが周波数帯域毎に比較される。異常判定部５３は、コンパレータ５１の比較結果を受け取り、温度データ信号値が温度閾値を超えた場合には、温度異常判定信号を結果出力部５４へ出力する。結果出力部５４は、温度異常のアラームを出力する。アラームは有線や無線で転送されて作動する。

また、振動信号値が振動閾値を超えた場合、異常判定部５３は振動異常判定信号を結果出力部５４へ出力する。結果出力部５４は、振動異常のアラームを出力する。アラームは有線や無線で転送されて作動する。このとき、閾値設定部５２に保存される温度閾値及び振動閾値、異常判定部５３において出力される温度・振動異常判定信号は、任意の時間内における実効値やピーク値を用いてもよい。

本実施形態では、演算部５０は前述した軸受箱１２の各固有振動数を含む周波数帯域毎の振動実効値又は波高率を算出する。コンパレータ５１は、正常な軸受（以下、正常品と称す。）の振動実効値又は波高率の正常値を閾値として、算出された各周波数帯域における演算結果と比較する。異常判定部５３は比較結果に基づき、異常の有無あるいは損傷の程度を判定する。具体的に、全周波数帯域において算出された実効値又は波高率の正常値に対する比が大きい場合には損傷が大きいと判断し、特定の周波数帯域のみで算出された実効値又は波高率が大きい場合には損傷が小さいと判断する。

ここで、第１及び第２実施形態で用いた複列円すいころ軸受１１及び測定条件を用いて、軸受箱１２の固有振動数に対応する各周波数帯域における正常品の振動実効値（正常値）に対する外輪大きず品と外輪小きず品の振動実効値の比を表２に示した。

この結果により、軸受箱の各固有振動数を含む周波数帯域での振動実効値において、正常品に対する外輪大きず品の実効値の比は、何れの周波数帯域においても約１０倍以上に大きいが、外輪小きず品では、０〜３ｋＨｚ帯域のみで約５倍大きく、それ以外の周波数帯域では正常品のレベルとほとんど変わらない。このため、全周波数帯域において振動実効値が正常品に対して大きい場合には、損傷がかなり進行しており、特定の周波数帯域のみ発生している場合には、損傷が初期段階であることがわかる。従って、回転部品の異常の有無に加え、損傷の程度も判別することができる。

また、本実施形態では、回転部品の回転状態に伴う振動と温度が同時に検出されている。これにより、軸受焼付き異常が発生した時には温度で検知でき、軸受軌道面の剥離、歯車の欠損、車輪のフラット磨耗等の異常が発生した場合には、振動で検知することができる。従って、部品が組み込まれている装置を分解することなく実稼動状態で複数の部品の欠陥と損傷の程度を同時に検査することができる。
なお、図１３に示された本実施形態の信号処理系統は、第１実施形態の（１）〜（６）の信号処理によって比較照合が行われてもよい。

なお、本発明に係る異常診断装置は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良等が可能である。本実施形態では、鉄道車両用の転がり軸受装置に異常診断装置が適用されたが、減速機用の転がり軸受装置に異常診断装置が適用されてもよい。また、本実施形態では、固有振動数は予め固有振動数記憶部に記憶させておいたが、打撃法によって得られた測定結果を直接フィルタ部に取り込むようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、振動センサによって検出され、フィルタ処理部にてフィルタ処理された振動信号を、ヘッドホンまたはスピーカに入力することにより異常の有無を音で確認する聴感判定を行うようにしてもよい。

本発明の第１実施形態の転がり軸受装置の断面図である。本発明の第１実施形態に係る異常診断装置の信号処理系統図である。軸受箱の固有振動数の測定結果を示す図である。正常な転がり軸受の振動周波数の分析結果を示す図である。本発明の第１実施形態における異常診断の処理フローを示すフローチャートである。フィルタ処理なしのエンベロープ分析結果を示す図であり、（ａ）は正常品の分析結果であり、（ｂ）は外輪傷品の分析結果である。１〜３ｋＨｚのフィルタ処理後のエンベロープ分析結果を示す図であり、（ａ）は正常品の分析結果で、（ｂ）は外輪傷品の分析結果である。本発明の第２実施形態に係る異常診断装置の信号処理系統図である。外輪の損傷が大きい軸受の振動周波数の分析結果を示す図である。外輪の損傷が小さい軸受の振動周波数の分析結果を示す図である。０〜３ｋＨｚの周波数帯域のエンベロープ分析結果を示す図であり、（ａ）は外輪の損傷が大きい軸受の分析結果で、（ｂ）は外輪の損傷が小さい軸受の分析結果である。４．２〜６ｋＨｚの周波数帯域のエンベロープ分析結果を示す図であり、（ａ）は外輪の損傷が大きい軸受の分析結果で、（ｂ）は外輪の損傷が小さい軸受の分析結果である。本発明の第３実施形態に係る異常診断装置の信号処理系統図である。従来の軸受装置の断面図である。従来の他の軸受装置の断面図である。従来の更に他の軸受装置の断面図である。従来の異常検知装置のブロック図である。従来の他の異常診断装置のブロック図である。従来の更に他の異常診断装置のブロック図である。軸受の各部材の欠陥と各部材で発生する異常振動周波数の関係を示す関係式である。

符号の説明

１０転がり軸受装置
１１複列円すいころ軸受（回転部品）
１２軸受箱（静止部材）
１４内輪
１６外輪
１８円すいころ（転動体）
２５車軸（回転軸）
２７平坦部
３１異常検出用センサ（センサ）
３２振動センサ
３３温度センサ
３５，４４フィルタ部（フィルタ処理部）
３６固有振動数記憶部
３７エンベロープ処理部
３８周波数分析部
３９比較照合部
４１理論周波数計算部
４２，４５，５３異常判定部
４３，５４結果出力部
５０演算部
５１コンパレータ（比較部）
５２閾値設定部

Claims

機械装置に組み込まれた状態で、該機械装置の軸受箱に対して相対的に回転する転がり軸受の外輪の異常を診断する異常診断装置であって、
前記転がり軸受又は前記軸受箱に固定される、振動センサ、超音波センサ、ＡＥセンサのうちの少なくとも一つのセンサと、
前記センサにより検出された信号の波形を、前記機械装置に組み込まれた軸受箱を打撃法により加振することで得られた波形データの山と谷に基づいて、前記軸受箱の複数の固有振動数に対応する複数の周波数帯域に分割して抽出するフィルタ処理部と、
前記フィルタ処理部から転送されたフィルタ処理後の波形を演算処理する演算処理部と、
前記抽出された周波数帯域毎に、前記転がり軸受の回転速度信号に基づいて算出した前記外輪の損傷に起因する理論周波数と前記演算処理部で演算処理された実測データに含まれる周波数成分とを比較する比較部と、
前記比較部での比較結果に基づき、異常の有無あるいは損傷の程度を診断する異常判定部と、
を備え、
前記異常判定部は、前記抽出された周波数帯域の全てにおいて、前記外輪の損傷に起因する理論周波数と前記実測データに含まれる周波数成分とが一致する場合に、前記外輪の損傷が大きいと判断し、特定の前記抽出された周波数帯域のみにおいて、前記外輪の損傷に起因する理論周波数と前記実測データに含まれる周波数成分とが一致する場合に、前記外輪の損傷が小さいと判断することを特徴とする異常診断装置。
機械装置に組み込まれた状態で、該機械装置の軸受箱に対して相対的に回転する転がり軸受の外輪の異常を診断する異常診断装置であって、
前記転がり軸受又は前記軸受箱に固定される、振動センサ、超音波センサ、ＡＥセンサのうちの少なくとも一つのセンサと、
前記センサにより検出された信号の波形を、前記機械装置に組み込まれた前記軸受箱を打撃法により加振することで得られた波形データの山と谷に基づいて、前記軸受箱の複数の固有振動数に対応する複数の周波数帯域に分割して抽出するフィルタ処理部と、
前記フィルタ処理部から転送されたフィルタ処理後の波形の振動実効値又は波高率を算出する演算処理部と、
前記抽出された周波数帯域毎に、正常な前記転がり軸受の振動実効値又は波高率の正常値と、前記演算処理部で算出された振動実効値又は波高率とを比較する比較部と、
前記比較部での比較結果に基づき、異常の有無あるいは損傷の程度を診断する異常判定部と、
を備え、
前記異常判定部は、前記抽出された周波数帯域の全てにおいて、前記算出された振動実効値又は波高率の前記正常値に対する比が大きい場合に、前記外輪の損傷が大きいと判断し、特定の前記抽出された周波数帯域のみにおいて、前記算出された振動実効値又は波高率の前記正常値に対する比が大きい場合に、前記外輪の損傷が小さいと判断することを特徴とする異常診断装置。
前記機械装置は鉄道車両の台車であり、鉄道車両用転がり軸受装置に使用されることを特徴とする請求項１又は２に記載の異常診断装置。
機械装置に組み込まれた状態で、該機械装置の軸受箱に対して相対的に回転する転がり軸受の外輪の異常を診断する異常診断方法であって、
前記転がり軸受又は前記軸受箱に固定される、振動センサ、超音波センサ、ＡＥセンサのうちの少なくとも一つのセンサにより検出された信号の波形を、前記機械装置に組み込まれた前記軸受箱を打撃法により加振することで得られた波形データの山と谷に基づいて、前記軸受箱の複数の固有振動数に対応する複数の周波数帯域に分割して抽出するフィルタ処理工程と、
前記フィルタ処理工程にて抽出されたフィルタ処理後の波形を演算処理する演算処理工程と、
前記抽出された周波数帯域毎に、前記転がり軸受の回転速度信号に基づいて算出した前記外輪の損傷に起因する理論周波数と前記演算処理部で演算処理された実測データに含まれる周波数成分とを比較する比較工程と、
前記比較工程での比較結果に基づき、異常の有無あるいは損傷の程度を診断する異常判定工程と、
を備え、
前記異常判定工程は、前記抽出された周波数帯域の全てにおいて、前記外輪の損傷に起因する理論周波数と前記実測データに含まれる周波数成分とが一致する場合に、前記外輪の損傷が大きいと判断し、特定の前記抽出された周波数帯域のみにおいて、前記外輪の損傷に起因する理論周波数と前記実測データに含まれる周波数成分とが一致する場合に、前記外輪の損傷が小さいと判断することを特徴とする異常診断方法。
機械装置に組み込まれた状態で、該機械装置の軸受箱に対して相対的に回転する転がり軸受の外輪の異常を診断する異常診断方法であって、
前記転がり軸受又は前記軸受箱に固定される、振動センサ、超音波センサ、ＡＥセンサのうちの少なくとも一つのセンサにより検出された信号の波形を、前記機械装置に組み込まれた前記軸受箱を打撃法により加振することで得られた波形データの山と谷に基づいて、前記軸受箱の複数の固有振動数に対応する複数の周波数帯域に分割して抽出するフィルタ処理工程と、
前記フィルタ処理部から転送されたフィルタ処理後の波形の振動実効値又は波高率を算出する演算処理工程と、
前記抽出された周波数帯域毎に、正常な前記転がり軸受の振動実効値又は波高率の正常値と、前記演算処理部で算出された振動実効値又は波高率とを比較する比較工程と、
前記比較工程での比較結果に基づき、異常の有無あるいは損傷の程度を診断する異常判定工程と、
を備え、
前記異常判定工程は、前記抽出された周波数帯域の全てにおいて、前記算出された振動実効値又は波高率の前記正常値に対する比が大きい場合に、前記外輪の損傷が大きいと判断し、特定の前記抽出された周波数帯域のみにおいて、前記算出された振動実効値又は波高率の前記正常値に対する比が大きい場合に、前記外輪の損傷が小さいと判断することを特徴とする異常診断方法。
前記機械装置は鉄道車両の台車であり、鉄道車両用転がり軸受装置に使用されることを特徴とする請求項４又は５に記載の異常診断方法。