JP4819028B2 - ポンプの軸受診断装置及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、ポンプのケーシング内に配置されて主軸を支持する軸受の診断装置及びその方法に関する。

従来、ポンプの主軸の支持に使用される無注水軸受等の軸受の磨耗や破損の発生を診断する方法としては、熱電対を備える温度センサで軸受の温度を検出し、検出した温度により磨耗や破損の発生を診断する方法が知られている。また、振動センサで軸受に発生する振動を検出し、検出した振動により軸受の磨耗等の発生を診断する方法も知られている。さらに、特許文献１には、主軸と軸受の隙間に空気を導入し、空気の流量と差圧（空気の供給圧とポンプケーシング内の吐出圧の差圧）に基づいて軸受の摩耗等を診断する方法が開示されている。

しかし、温度センサを使用する診断方法には、熱電対の断線が生じやすく、断線が生じると診断が不可能となる問題がある。また、振動センサを使用する診断方法には、先行待機型立軸ポンプのエアロック運転状態のような振動が発生している状態では摩耗等の正確な判定は困難となる問題がある。特許文献１の診断方法を実行するには、空気の圧力と流量に加えて吐出圧の検出が必要である。また、特許文献１の診断方法を実行するには、ある程度の時間にわたって軸受の隙間に空気を供給するために、比較的容量の大きい圧力容器が必要であり、この圧力容器に圧縮空気を供給するために比較的大型のコンプレッサを使用する必要がある。

特許第３９３３５８６号公報

本発明はポンプの主軸を支持する軸受における異常発生を正確かつ簡易に判定することができる、軸受診断装置及びその方法を提供することを課題としている。

本発明の第１の態様は、ポンプのケーシング内に配置されて主軸を支持する軸受の診断装置であって、前記ポンプのケーシング外に配置された圧力容器と、前記圧力容器内に圧縮空気を供給する空気供給源と、前記圧力容器を前記軸受と前記主軸との隙間に連通させる空気供給管路と、前記空気供給管路に配置された開閉可能な遮断弁と、前記遮断弁よりも前記軸受側の前記空気供給管路に配置されたオリフィスと、前記圧力容器内の空気圧を検出する第１の圧力計と、前記遮断弁と前記オリフィスとの間の前記空気供給管路内の空気圧である供給圧を検出する第２の圧力計と、前記オリフィスと前記隙間との間の前記空気供給管路内の空気圧である背圧を検出する第３の圧力計と、前記第１の圧力計の検出圧力がゲージ圧で３kgf/cm ² 以上の測定開始圧力に上昇するまで前記空気供給源から前記圧力容器に圧縮空気を供給させ、前記第１の圧力計の検出圧力が前記測定開始圧力に達すると、前記空気供給源から前記圧力容器への圧縮空気の供給を停止すると共に、前記遮断弁を閉弁状態から開弁状態に切り換えて前記圧力容器から前記空気供給管路を介して前記隙間に空気を供給し、前記第２及び第３の圧力計による前記供給圧及び前記背圧の測定を予め定められた時間間隔で繰り返す計測制御部と、前記計測制御部によって測定された前記背圧と前記供給圧とに基づいて前記隙間の寸法である隙間量を推定し、前記推定した隙間量に基づいて前記軸受の異常を判定する判定部とを備える、ポンプの軸受診断装置を提供する。

具体的には、前記判定部は、前記供給圧と前記背圧との比である差圧比と前記隙間量との関係を予め記憶し、この予め記憶した関係と、前記計測制御部によって測定された前記供給圧及び前記背圧から算出した差圧比とに基づいて前記隙間量を推定する。

空気供給管路を介して圧力容器内の空気を軸受と主軸の隙間からポンプケーシング内に開放し、空気供給管に設けられたオリフィス前後の供給圧と背圧とに基づいて軸受の隙間量を推定し、それに基づいて軸受の異常を判定する。従って、センサないし検出機器としては、少なくとも第１から第３の圧力計があればよく、温度センサと振動センサは使用しないので、正確な判定が可能となる。詳細には、温度センサとして熱電対を使用すると断線による異常信号の発生や故障の可能性が高いが、圧力計を使用するので、その可能性が低い。また、エアロック運転状態前後の振動の影響を受けない点でも、異常判定の精度が高い。

圧力容器内の空気を測定開始圧力まで昇圧した後は、遮断弁が開弁すると圧力容器内の圧力は単にポンプケーシング内に開放されることで減圧される。言い換えれば、圧力容器から軸受と主軸の隙間への空気供給圧について、煩雑な制御は必要なく、空気流量の制御も必要ない。また、遮断弁を開弁後、比較的短時間の供給圧と背圧を測定できれば高精度で隙間量を推定できるので、圧力容器は比較的小容量のもので足り、空気供給源としてのコンプレッサ等は比較的小型なものを使用できる。これらの点と、センサないし検出機器としては、少なくとも第１から第３の圧力計があればよく、温度センサ、振動センサ、流量計等は必要ない点で、簡易に軸受の異常を判定できる。

測定開始圧力をこのように設定すると、背圧も臨界圧力以上となるので、軸受の隙間を通過する空気の流速は音速となる。その結果、軸受が水没していても高速の空気流によって水が瞬間的に吹き飛ばされる（軸受と主軸の隙間に夾雑物、砂、塵等が存在する場合も水と共に瞬間的に吹き飛ばされる）。従って、測定開始圧力をこのように設定すると、軸受が水没しているか否か及び夾雑物等の有無にかかわらず、高精度で隙間の量を測定でき、より高精度での異常判定が可能である。

本発明の第２の態様は、ポンプのケーシング内に配置されて主軸を支持する軸受の診断方法であって、圧力容器内の空気圧を検出する第１の圧力計の検出圧力がゲージ圧で３kgf/cm ² 以上の測定開始圧力に上昇するまで、空気供給源から前記圧力容器に圧縮空気を供給し、前記第１の圧力計の検出圧力が前記測定開始圧力に達すると、前記空気供給源から前記圧力容器への圧縮空気の供給を停止すると共に、前記圧力容器から前記軸受と前記主軸の隙間にオリフィスを途中に配置した空気供給管路を介して空気を供給し、前記空気供給管の前記オリフィスよりも前記圧力容器側に配置された第２の圧力計による供給圧の測定と、前記空気供給管の前記オリフィスよりも前記隙間側に配置された第３の圧力計による背圧の測定を予め定められた時間間隔で繰り返し、前記測定された供給圧及び背圧に基づいて前記隙間の寸法である隙間量を推定し、前記推定した量隙間に基づいて前記軸受の異常を判定する、ポンプの軸受診断方法を提供する。

本発明にかかるポンプの軸受診断装置及びその方法によれば、空気供給管路を介して圧力容器内の空気を軸受と主軸の隙間からポンプケーシング内に開放し、空気供給管に設けられたオリフィス前後の供給圧と背圧とに基づいて軸受の隙間量を推定し、それに基づいて軸受の異常を判定する。そのため、軸受の異常を正確かつ簡易に判定できる。また、供給開始圧力をゲージ圧で０．８９３kgf/cm²以上（より好ましくは０．８９３kgf/cm²と軸受に作用する水頭圧Ｈ（kgf/cm²）の和以上、すなわち０．８９３kgf/cm²＋Ｈ（kgf/cm²）以上、さらに好ましくは３kgf/cm²以上）に設定することで、軸受が水没している否か、及び隙間に夾雑物等が存在するか否かの影響を排除でき、より高精度での隙間量の推定とそれに基づくより高精度での異常の判定が可能となる。

図１から図３は、本発明の実施形態にかかる軸受診断装置１を備える先行待機型立軸ポンプ（以下、単に立軸ポンプという）２を示す。後述する空気孔１７ａ、空気注入配管２１Ａ〜２１Ｃ、圧縮空気供給系２５、制御盤２６、及び端末２７が軸受診断装置１を構成している。

立軸ポンプ２は、図示しない流入側管路から排水ポンプ場の吸水槽３内に流入する雨水等の水を下流側に排水するためのものであり、鉛直方向に延びるケーシング４を備えている。ケーシング４は、直管状の揚水管４ａ，４ｂ、揚水管４ｂの下端に連結されたインペラケーシング４ｃ，４ｄ、インペラケーシング４ｄの下端に連結された吸込ベル４ｅ、揚水管４ａの上端に連結されて鉛直方向から水平方向に湾曲した吐出ケーシング４ｆを備えている。吐出ケーシング４ｆには仕切弁５を設けた吐出管６が連結されている。インペラケーシング４ｄ内にインペラ７が配設されている

インペラ７が下端に固定されている主軸８は、鉛直方向に延びてケーシング４の外部に突出している。９は主軸８のスラスト軸受、１０は軸封装置である。主軸８の上端側は概略的に示すモータ又は内燃機関、減速機構等からなるポンプ駆動機構１１に連結されている。

図１において、１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃは主軸８のラジアル軸受として機能する水中軸受としての無注水軸受である。図２及び図３を併せて参照すると、１個の無注水軸受１３Ａは揚水管４ｂの内面から突出するリブ１４Ａに取り付けられ、２個の無注水軸受１３Ｂ，１３Ｃはインペラケーシング４ｃの内面から突出するリブ１４Ｂに取り付けられている。

３個の無注水軸受（以下、軸受という）１３Ａ〜１３Ｂは同様構造を有するので、軸受１３Ａについて説明する。軸受１３Ａは両端開口の軸受ホルダ１５を備え、この軸受ホルダ１５がリブ１４Ａに固定されている。軸受ホルダ１５内には、主軸８の軸線方向に配列された２個の摺動体（本実施形態ではセラミックからなる）１６Ａ，１６Ｂを保持した軸受ケーシング１７が収容されている。摺動体１６Ａ，１６Ｂは主軸８の軸線方向に間隔をあけて配置されているので、軸受ケーシング１７内には摺動体１６Ａ，１６Ｂ間に円筒状の空気室１８が形成されている。軸受ケーシング１７を貫通する空気孔１７ａが設けられており、この空気孔１７ａによって空気室１８が軸受１３Ａの外部と連通している。

３本の空気注入配管２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃは、それぞれ下端側が軸受１３Ａ〜１３Ｂの空気孔１７ａに接続され、上端側は立軸ポンプ２が設置されている吸水槽３の据付床３ａの上方に位置している。個々の空気注入配管２１Ａ〜２１Ｃの上端は、後述する圧縮空気供給系２５のホース３４を着脱可能に接続するためのコネクタを備える。

圧縮空気供給系２５と制御盤（計測制御部）２６は吸水槽３の据付床３ａ又はその付近に設置されており、後に詳述するように端末（判定部）２７は可搬型で制御盤２６に必要に応じて接続される。

図１及び図４を参照すると、圧縮空気供給系２５は、圧力タンク（圧力容器）３１と、この圧力タンク３１に圧縮空気を供給するためのコンプレッサ（空気供給源）３２を備える。コンプレッサ３２と圧力タンク３１を接続する管路には逆止弁Ｖ７が設けられている。また、圧力タンク３１は減圧のための手動のドレン弁Ｖ５を備える。さらに、圧力タンク３１内の空気圧を検出するタンク内圧力計（第１の圧力計）２２Ａが設けられている。

圧縮空気供給系２５は、一端が圧力タンク３１に接続された金属製の硬質な配管である空気供給管３３を備える。空気供給管３３の他端は可撓性を有する配管であるホース３４の一端に接続されている。ホース３４の他端にはコネクタが設けられており、このコネクタを空気注入配管２１Ａ〜２１Ｃのいずれかのコネクタに接続できる。図１では軸受１３Ａの空気注入配管２１Ａにホース３４が接続されている。ホース３４を空気注入配管２１Ａ〜２１Ｃのいずれかに接続することで、軸受１３Ａ〜１３Ｂのいずれかの空気室１８に、空気供給管３３、ホース３４、及び空気孔１７ａを介して圧縮空気を供給できる。図２及び図３を参照すると、空気室１８に供給された空気は、各摺動体１６Ａ，１６Ｂとスリーブ１９が取り付けられた主軸５の外周面との間の僅かな隙間を通って吐出ケーシング４ｆ内に流出する。

空気供給管３３には、圧力タンク３１側から順に、減圧弁Ｖ８、制御盤２６から入力される駆動信号により開閉可能な電磁弁（遮断弁）Ｖ１、上流側圧力計（第２の圧力計）２２Ｂが接続された分岐管路３６、オリフィス２３、下流側圧力計（第３の圧力計）２２Ｃが接続された分岐管３７、及び手動の大気開放弁Ｖ６が設けられている。

減圧弁Ｖ８は圧力タンク３１内の圧力を減圧して空気供給管３３に供給するレギュレータとして機能する。減圧弁Ｖ８は機械式又はPID制御型のいずれでもよい。電磁弁Ｖ１は圧力タンク３１から空気供給管３３へ圧縮空気を供給する状態と、圧縮空気の供給を停止する状態とを切り換える機能を有する。上流側圧力計２２Ｂは電磁弁Ｖ１とオリフィス２３との間（オリフィス２３より上流側）の空気供給管３３内の圧縮空気の空気圧（供給圧Ｐ_ｓ）を検出する。下流側圧力計２２Ｃはオリフィス２３と軸受１３Ａ〜１３Ｃの隙間との間（オリフィス２３より下流側）の空気供給管３３内の圧縮空気の空気圧（背圧Ｐ_ｎ）を検出する。

制御盤２６は、圧縮空気供給系２５のタンク内圧力計２２Ａ、上流側圧力計２２Ｂ、及び下流側圧力計２２Ｃから入力される検出信号、端末２７に記憶されたプログラムからの指令、端末２７から入力されるオペレータの指令等に基づいて、圧縮空気供給系２５のコンプレッサ３２や電磁弁１の動作を制御し、軸受１３Ａ〜１３Ｃの異常検出のための診断手順を実行する。

端末２７は、ノート型ＰＣ、各種の携帯情報端末等である。端末２７に要求される機能としては、軸受診断のためのプログラムを記憶及び実行可能であること、オペレータが制御盤にアクセスするためのインターフェースを提供すること、オペレータに対して診断結果等を視覚的に表示できること、制御盤２６と有線又は無線で通信可能であること等がある。

以下、図５を参照して、軸受１３Ａ〜１３Ｃの隙間（各摺動体１６Ａ，１６Ｂとスリーブ１９が取り付けられた主軸５の外周面との間の僅かな隙間）の寸法、すなわち隙間量ｃを測定ないし推定する原理を説明する。オリフィス２３と軸受１３Ａ〜１３Ｃの隙間とは、直列に接続された２つの絞りを構成する。オリフィス２３が入口絞りとして機能し、軸受１３Ａ〜１３Ｃの隙間が出口絞りとして機能する。圧力タンク３１により供給圧Ｐ_ｓの空気がオリフィス２３の供給圧室２３ａに供給されると、空気はオリフィス２３（入口絞り）から背圧室２３ｂを通って軸受１３Ａ〜１３Ｃの隙間を介して吐出ケーシング４ｆ（近似的に大気圧Ｐ_ａとみなせる。）に放出される。

下流側圧力計２２Ｃで検出される背圧Ｐ_ｎは、軸受１３Ａ〜１３Ｃの隙間の断面積（隙間量ｃ、軸受１３Ａ〜１３Ｃで支持される主軸８の直径Ｄにより、近似的にπＤｃで表される。）に応じて、以下の式（１）を満たす範囲で変化する。

従って、供給圧Ｐ_ｓと背圧Ｐ_ｎを測定すれば、以下に示すように隙間量ｃを算出できる。

まず、オリフィス２３を通過する空気の流速が亜音速域である場合、オリフィス２３を通過する空気の流量Ｑ_１について以下の式（２）が成立する。

また、軸受１３Ａ〜１３Ｃの隙間を通過する空気の流速が音速域である場合、隙間を通過する空気の流量Ｑ_２について以下の式（３）が成立する。

さらに、軸受１３Ａ〜１３Ｃの隙間を通過する空気の流速が亜音速である場合、隙間を通過する空気の流量Ｑ_３について以下の式（４）が成立する。

式（２）〜（４）において、ｋは空気の比熱比、Ｒは空気のガス定数、ｇは重力加速度、α_１はオリフィス２３の絞り係数、α_２は音速域での軸受の隙間の絞り係数、α_３は亜音速域での絞り係数、ｄ_１はオリフィスの直径、Ｄは主軸８の直径、γ_ｎは背圧室２３ａ内の空気の比重量、γ_ａは吐出ケーシング４ｆ内の空気の比重量、Ｔ_Ｓはオリフィス２３の供給圧室２３ａの空気温度、Ｔ_ｎはオリフィス２３の背圧室の空気温度である。

連続の式より以下の式（５）が成立する。

軸受１３Ａ〜１３Ｃの隙間を通過する空気の流速が音速域である場合には式（２）と式（３）、軸受１３Ａ〜１３Ｃの隙間を通過する空気の流速が亜音速である場合には式（２）と式（４）を代入し、数値計算を行うことで供給圧Ｐ_ｓ、背圧Ｐ_ｎ、及び隙間量ｃの関係が得られる。この数値計算において、比熱比ｋ、ガス定数Ｒ、重力加速度ｇ、比重量γ_ｎ、γ_ａは一般的に定まる定数である。絞り係数α_１〜α_３は実験的に求める必要がある。オリフィス２３の直径ｄ_１と主軸８の直径Ｄは設計値である。空気温度Ｔ_Ｓ、Ｔ_ｎは例えば常温に設定すればよい。

図６Ａ〜図６Ｃは数値計算によって得られた供給圧Ｐ_ｓ、背圧Ｐ_ｎ、及び隙間量ｃの関係の例を示す。具体的には、図６Ａ〜図６Ｃの横軸は隙間量ｃで縦軸は供給圧Ｐ_ｓに対する背圧Ｐ_ｎの比（差圧比Ｐ_ｎ／Ｐ_ｓ）であり、それぞれ供給圧Ｐ_ｓが１kg/cm²、２kg/cm²、３kg/cm²、５kg/cm²の場合について数値計算の結果を示している。また、図６Ａ〜図６Ｃは、それぞれオリフィス２３の直径ｄ_１が２２．７mm、１８．５mm、及び１３．１mmの場合である。

図６Ａ〜図６Ｃに示されているように、供給圧Ｐ_ｓが定まると差圧比Ｐ_ｎ／Ｐ_ｓと隙間量ｃとは一対一に対応する。従って、図６Ａ〜図６Ｃの関係を予め記憶しておけば、実際に測定した供給圧Ｐ_ｓと背圧Ｐ_ｎから隙間量ｃを算出できる。本実施形態では、端末２７が４種類の供給圧Ｐ_ｓ（１kg/cm²、２kg/cm²、３kg/cm²、５kg/cm²）について数値計算により得られた差圧比Ｐ_ｎ／Ｐ_ｓと隙間量ｃの関係を予め記憶している。

図６Ｃ（オリフィス２３の直径ｄ_１が１３．１mm）では隙間量ｃが０．６mm以下の領域の線形性が図６Ａ（オリフィス２３の直径ｄ_１が２２．７mm）及び図６Ｂ（オリフィス２３の直径ｄ_１が１８．５mm）よりも良好である。従って、オリフィス２３の直径ｄ_１が小さい程、狭い軸受隙間に対する測定精度が良好である。逆に、図６Ａでは隙間量ｃが１．５mm以上の領域でも図６Ｂ及び図６Ｃと比較して線形性が良好である。従って、オリフィス２３の直径ｄ_１が大きい程、大きな軸受隙間に対する測定精度が良好である。

次に、供給圧Ｐｓ、背圧Ｐｎ、及びコンプレッサ３２から圧力タンク３１に充填する空気の空気圧（タンク圧力Ｐ_ｔ）の設定に関して説明する。空気がオリフィスやノズルを通過する際の流速が音速に達するときのオリフィス等の上流と下流の圧力比（臨界圧力比）は概ね０．５２８であることが知られている。従って、大気圧Ｐａを近似的に１kgf/cm²とし、吐出ケーシング６内の圧力が大気圧Ｐａとすると、図５において軸受１３Ａ〜１３Ｃの隙間を通過する空気が音速となるには、背圧Ｐ_ｎの最低圧力は絶対圧力で１．８９３kgf/cm²（＝１／０．５２８kgf/cm²）、ゲージ圧力で０．８９３kgf/cm²（１／０．５２８−１kgf/cm²）となる（臨界圧力Ｐ_ｃ）。式（１）から明らかなように、背圧Ｐ_ｎのゲージ圧力を０．８９３kgf/cm²以上とするには、供給圧Ｐ_ｓのゲージ圧力を０．８９３kgf/cm²以上に設定する必要があり、この供給圧Ｐ_ｓを実現するためにはタンク圧力Ｐ_ｔも０．８９３kgf/cm²以上に設定する必要がある。

図７は軸受１３Ａ〜１３Ｃの５種類の隙間量（ｃ＝０．３５mm、０．４９mm、０．８７mm、１．５１mm、２５mm）について、差圧比Ｐ_ｎ／Ｐ_ｓと臨界圧力Ｐｃに対する供給圧Ｐ_ｓの比Ｐ_ｓ／Ｐ_ｃの関係を示す（軸受内径は１７５mmである。）。この図７から比Ｐ_ｓ／Ｐ_ｃが１未満の場合、すなわち供給圧Ｐ_ｓが臨界圧力Ｐ_ｃ未満の場合には、差圧比Ｐ_ｎ／Ｐ_ｓと比Ｐ_ｓ／Ｐ_ｃが一対一に対応せず、実測した供給圧Ｐｓと背圧Ｐｎから正確に隙間量ｃを計算できないことが分かる。例えば、ｃ＝０．３５mmの場合、供給圧Ｐ_ｓが臨界圧力Ｐ_ｃ未満の領域では、軸受１３Ａ〜１３Ｃの水没深度が０（空気中）、５０cm、１００cmの場合で差圧比Ｐ_ｎ／Ｐ_ｓと比Ｐ_ｓ／Ｐ_ｃの関係が大きく異なり、供給圧Ｐｓと背圧Ｐｎから正確に隙間量ｃを計算できないことが分かる。一方、比Ｐ_ｓ／Ｐ_ｃが１以上の場合、すなわち供給圧Ｐ_ｓが臨界圧力Ｐ_ｃ以上の場合には、差圧比Ｐ_ｎ／Ｐ_ｓと比Ｐ_ｓ／Ｐ_ｃがほぼ一対一に対応しており、実測した供給圧Ｐ_ｓと背圧Ｐ_ｎから正確に隙間量ｃを計算であることが分かる。

供給圧Ｐ_ｓが臨界圧力Ｐ_ｃ以上であると正確に隙間量ｃを算出できる理由としては、供給圧Ｐ_ｓが臨界圧力Ｐ_ｃ未満であると背圧Ｐ_ｎも臨界圧力Ｐ_ｃ未満となり、軸受隙間を通過する空気と水が二相流的挙動を示すのに対し、供給圧Ｐ_ｓが臨界圧力Ｐ_ｃ以上であると背圧Ｐ_ｎも概ね臨界圧力Ｐ_ｃ以上となり、軸受隙間を通過する空気は一相流的挙動を示すことに起因すると推察される。

以上の理由より、供給圧Ｐ_ｓは臨界圧力Ｐ_ｃ（絶対圧力で１．８９３kgf/cm²、ゲージ圧力で０．８９３kgf/cm²）以上に設定する必要がある。軸受１３Ａ〜１３Ｃが水没している際の水頭圧や配管抵抗を考慮する必要があることと、図７において特に比Ｐ_ｓ／Ｐ_ｃが３以上の領域で差圧比Ｐ_ｎ／Ｐ_ｓと比Ｐ_ｓ／Ｐ_ｃの対応関係が良好であることから、より好ましくは供給圧Ｐ_Ｓを０．８９３kgf/cm²と軸受に作用する水頭圧Ｈ（kgf/cm²）の和以上、すなわち０．８９３kgf/cm²＋Ｈ（kgf/cm²）以上、さらに好ましくはゲージ圧力で３kgf/cm²以上に設定する。逆に言えば、供給圧Ｐ_ｓを臨界圧力Ｐ_ｃ（ゲージ圧力で０．８９３kgf/cm²）以上に設定すれば供給圧Ｐ_ｓと背圧Ｐ_ｎから高精度で隙間量ｃを算出でき、特に０．８９３kgf/cm²＋Ｈ（kgf/cm²）以上、さらにゲージ圧力で３kgf/cm²以上に設定すればより高精度で隙間量ｃを算出できる。

供給圧Ｐ_ｓを臨界圧力Ｐ_ｃ（好ましくはゲージ圧力で３kgf/cm²以上）とするためには、タンク圧力Ｐ_ｔは、少なくとも臨界圧力Ｐ_ｃ（好ましくはゲージ圧力で３kgf/cm²）以上まで昇圧させる必要がある。さらに、上流側圧力計２２Ｂ及び下流側圧力計２２Ｃで供給圧Ｐ_Ｓ及び背圧Ｐ_ｎを測定中、供給圧Ｐ_ｓと背圧Ｐ_ｎが共に臨界圧力Ｐ_ｃ（好ましくはゲージ圧力で３kgf/cm²以上）を維持することが好ましいので、タンク圧力Ｐ_ｔを十分に昇圧させる必要がある。そこで、本実施形態では測定開始圧力Ｐ_ｓｔｒを５kgf/cm²に設定し、後に詳述するようにタンク圧力Ｐ_ｔが測定開始圧力Ｐ_ｓｔｒに達した後に供給圧Ｐ_Ｓ及び背圧Ｐ_ｎの測定を開始する。このように測定開始圧力Ｐ_ｓｔｒを十分高く設定することで、供給圧Ｐ_Ｓ及び背圧Ｐ_ｎを測定中、供給圧Ｐ_ｓと背圧Ｐ_ｎを共に臨界圧力Ｐ_ｃ（好ましくはゲージ圧力で３kgf/cm²以上）を維持している。

以下、診断手順について具体的に説明する。まず、オペレータは端末２７を立軸ポンプ１が設置された吸水槽３に持参し、制御盤２６と端末２７の通信を確立する。また、圧縮空気供給系２５のホース３４を軸受１３Ａ〜１３Ｃのいずれかに対応する空気注入配管２１Ａ〜２１Ｃに接続する。以下の説明では、図１に示すように、ホース３４を無注水軸受１３Ａの空気注入配管２１Ａに接続したものとする。診断の対象となる無注水軸受１３Ａは気中に位置している必要はなく、水没していてもよい。

図８を参照すると、電磁弁Ｖ１、ドレン弁Ｖ５、大気開放弁Ｖ６が閉弁していることを確認した後（ステップＳ８−１）、オペレータにより端末２７に軸受診断開始指令が入力される（ステップＳ８−２）。この軸受診断開始指令が入力されると、コンプレッサ３２が作動する（ステップＳ８−３）。タンク内圧力計２２Ａの検出圧力、すなわちタンク内圧力Ｐ_ｔが測定開始圧力Ｐ_ｓｔｒになるまでコンプレッサ３２は作動を継続する（ステップＳ８−４）。タンク内圧力Ｐ_ｔが測定開始圧力Ｐ_ｓｔｒに達すると、コンプレッサ３２が停止すると共に（ステップＳ８−５）、電磁弁Ｖ１が開弁して軸受診断が開始される（ステップＳ８−６）。電磁弁Ｖ１が開弁すると、圧力タンク３１内の圧縮空気（測定開始圧力Ｐ_ｓｔｒ）が空気供給管３３、ホース３４、及び空気孔１７ａを介して無注水軸受１３Ａの隙間（空気室１８）に送出される。

測定開始圧力Ｐ_ｓｔｒを前述のように十分高圧に設定しているため、供給圧Ｐ_ｓと背圧Ｐ_ｎは臨界圧力Ｐ_ｃ以上であり、軸受１３Ａの隙間を通過する空気の流速は音速となる。その結果、軸受１３Ａが水没していても高速の空気流によって水が瞬間的に吹き飛ばされる（軸受と主軸の隙間に夾雑物、砂、塵等が存在する場合も水と共に瞬間的に吹き飛ばされる）。従って、軸受１３Ａが水没しているか否か及び夾雑物等の有無にかかわらず、高精度で隙間の量を測定できる。

制御盤２６は、予め定められた時間間隔で上流側圧力計２２Ｂ及び下流側圧力計２２Ｃによる供給圧Ｐ_Ｓ及び背圧Ｐ_ｎを測定し予め定められた所定時間の間継続し、測定した供給圧Ｐ_Ｓ及び背圧Ｐ_ｎは端末２７に記憶される（ステップＳ８−７〜Ｓ８−９）。時間経過に伴い端末２７に複数組の供給圧Ｐ_Ｓ及び背圧Ｐ_ｎが記憶されていく。圧力タンク３１内の圧縮空気は軸受１３Ａの隙間から吐出ケーシング４ｆ内に放出されるので、図９に示すように供給圧Ｐ_Ｓ及び背圧Ｐ_ｎは時間経過と共に低下する。計時開始から予め定められた所定時間が経過すると、電磁弁Ｖ１が閉弁して軸受診断１が終了する（ステップＳ８−９，Ｓ８−１０）。

次に、端末２７で実行される無注水軸受１３Ａの異常判定について説明する。前述のように端末２７には４種類の供給圧Ｐ_ｓ（１kg/cm²、２kg/cm²、３kg/cm²、５kg/cm²）について数値計算により得られた差圧比Ｐ_ｎ／Ｐ_ｓと隙間量ｃの関係が記憶されている（図６Ａ〜図６Ｃ参照）。測定により得られた複数組の供給圧Ｐ_Ｓ及び背圧Ｐ_ｎのうち、供給圧Ｐ_Ｓが１kg/cm²、２kg/cm²、３kg/cm²、５kg/cm²である５組のデータを使用し、差圧比Ｐ_ｎ／Ｐ_ｓを算出する。算出した５個の差圧比Ｐ_ｎ／Ｐ_ｓについて、数値計算による差圧比Ｐ_ｎ／Ｐ_ｓと隙間量ｃから５個の隙間量ｃが得られる。５個の隙間量ｃの相加、相乗平均等として隙間量ｃの代表値を算出する。

端末２７には、軸受１３Ａの交換が必要であることを示す隙間ｃの閾値ｃ１と、軸受１３Ａが破損していることを示す隙間ｃの閾値ｃ２とが予め記憶されている。隙間量ｃの代表値が閾値ｃ１、ｃ２と比較される。端末２７は、隙間量ｃの代表値が閾値ｃ１以上であれば軸受１３Ａの交換が必要であると判定して、軸受交換要求を画面表示や音声でオペレータに報知する。また、隙間量ｃの代表値が閾値ｃ１以上であれば、軸受１３Ａが破損している可能性があると判定し、軸受破損警報を画面表示や音声でオペレータに対して発する。

本実施形態の軸受監視装置１では、空気供給管路３３を介して圧力タンク３１内の空気を軸受１３Ａ〜１３Ｃと主軸８の隙間から吐出ケーシング６内に開放し、空気供給管３３に設けられたオリフィス２３前後の供給圧Ｐ_ｓと背圧Ｐ_ｎとに基づいて軸受の隙間量ｃを推定し、それに基づいて軸受１３Ａ〜１３Ｃの異常を判定する。従って、センサないし検出機器としては、少なくとも３個の圧力計２２Ａ〜２２Ｃがあればよく、温度センサと振動センサは使用しないので、正確な判定が可能となる。詳細には、温度センサとして熱電対を使用すると断線による異常信号の発生や故障の可能性が高いが、圧力計を使用するので、その可能性が低い。また、エアロック運転状態前後の振動の影響を受けない点でも、異常判定の精度が高い。

圧力タンク３１内の空気を測定開始圧力Ｐ_ｓｔｒまで昇圧した後は、電磁弁Ｖ１が開弁すると圧力タンク３１内の圧力は単に吐出ケーシング６内に開放されることで減圧される。言い換えれば、圧力タンク３１から軸受と主軸の隙間への空気供給圧について、煩雑な制御は必要なく、空気流量の制御も必要ない。また、電磁弁Ｖ１を開弁後、比較的短時間の供給圧と背圧を測定できれば高精度で隙間量を推定できるので、圧力タンク３１は比較的小容量のもので足り、空気供給源としてのコンプレッサ３２は比較的の小型ものを使用できる。これらの点と、センサないし検出機器としては、少なくとも３つの圧力計２２Ａ〜２２Ｃがあればよく、温度センサ、振動センサ、流量計等は必要ない点で、簡易に軸受の異常を判定できる。

本実施形態の軸受診断装置は軸受冷却機能も有する。例えば無注水軸１３Ａが気中に位置している状態でポンプ駆動装置１１により主軸８が回転駆動されて気中運転している場合、圧縮空気供給系２５により無注水軸受１３Ａの隙間に圧縮空気を供給することにより、無注水軸受１３Ａを冷却して焼き付き等を防止できる。また、空気注入配管２１Ａ〜２１Ｃからホース３４を取り外し、コネクタから空気注入配管２１Ａ〜２１Ｃをガイドパイプとして内視鏡を挿入することで、無注水軸受１３Ａ〜１３Ｃの摩耗や破損の状態を視覚的に確認できる。

先行待機型立軸ポンプの無注水軸受を例に本発明を説明したが、本発明は他の立軸ポンプや横軸ポンプが備える水中軸受にも適用でき、無注水軸受以外の水中軸受にも適用可能である。また、診断対象の軸受はセラミック軸受に限定されない。さらに、圧縮空気供給系２５の構成は図１及び図３に図示されたものに限定されない。例えば、ポンプ駆動機構１１が原動機としてディーゼルエンジンを備える場合、コンプレッサ３２の代わりの空気供給源としてディーゼルエンジンが備えるエンジン起動用タンク内部の圧搾空気を使用してもよい。さらにまた、端末２７の前部又は一部の機能を制御盤２６に組み込んでもよく、逆に制御盤２６の機能の一部を端末２７に組み込んでもよい。

本発明の実施形態にかかる軸受診断装置を備える先行待機型立軸ポンプを示す縦断面図。 図１のII部の拡大図。 図１のIII部の拡大図。 軸受診断装置の模式図。 オリフィスと軸受の隙間を示す模式図。 隙間量と差圧比（Ｐ_ｎ／Ｐ_ｓ）の関係を示す線図（オリフィス直径Ｄは２２．７mm）。 隙間量と差圧比（Ｐ_ｎ／Ｐ_ｓ）の関係を示す線図（オリフィス直径Ｄは１８．５mm）。 隙間量と差圧比（Ｐ_ｎ／Ｐ_ｓ）の関係を示す線図（オリフィス直径Ｄは１３．１mm）。 臨界圧力で無次元化した供給圧と差圧比の関係を示す線図。 軸受診断時の動作を説明するためのフローチャート。 供給圧及び背圧の時間経過に伴う低下を示す模式的な線図。

符号の説明

１ 軸受診断装置
２ 先行待機型立軸ポンプ
３ 吸水槽
３ａ 据付床
４ ケーシング
４ａ，４ｂ 揚水管
４ｃ，４ｄ インペラケーシング
４ｅ 吸込ベル
４ｆ 吐出ケーシング
５ 仕切弁
６ 吐出管
７ インペラ
８ 主軸
９ スラスト軸受
１０ 軸封装置
１１ ポンプ駆動機構
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ 無注水軸受
１４Ａ，１４Ｂ リブ
１５ 軸受ホルダ
１６Ａ，１６Ｂ 摺動体
１７ 軸受ケーシング
１７ａ 空気孔
１８ 空気室
１９ スリーブ
２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ 空気注入配管
２２Ａ タンク内圧力計
２２Ｂ 上流側圧力計
２２Ｃ 下流側圧力計
２３ オリフィス
２５ 圧縮空気供給系
２６ 制御盤
２７ 端末
３１ 圧力タンク
３２ コンプレッサ
３３ 空気供給管
３４ 第１ホース
３６，３７ 分岐管路
４０ 第２差圧検出用配管
Ｖ１ 電磁弁
Ｖ５ ドレン弁
Ｖ６ 大気開放弁
Ｖ７ 逆止弁
Ｖ８ 減圧弁

Claims (3)

1. ポンプのケーシング内に配置されて主軸を支持する軸受の診断装置であって、
   前記ポンプのケーシング外に配置された圧力容器と、
   前記圧力容器内に圧縮空気を供給する空気供給源と、
   前記圧力容器を前記軸受と前記主軸との隙間に連通させる空気供給管路と、
   前記空気供給管路に配置された開閉可能な遮断弁と、
   前記遮断弁よりも前記軸受側の前記空気供給管路に配置されたオリフィスと、
   前記圧力容器内の空気圧を検出する第１の圧力計と、
   前記遮断弁と前記オリフィスとの間の前記空気供給管路内の空気圧である供給圧を検出する第２の圧力計と、
   前記オリフィスと前記隙間との間の前記空気供給管路内の空気圧である背圧を検出する第３の圧力計と、
   前記第１の圧力計の検出圧力がゲージ圧で３kgf/cm ² 以上の測定開始圧力に上昇するまで前記空気供給源から前記圧力容器に圧縮空気を供給させ、前記第１の圧力計の検出圧力が前記測定開始圧力に達すると、前記空気供給源から前記圧力容器への圧縮空気の供給を停止すると共に、前記遮断弁を閉弁状態から開弁状態に切り換えて前記圧力容器から前記空気供給管路を介して前記隙間に空気を供給し、前記第２及び第３の圧力計による前記供給圧及び前記背圧の測定を予め定められた時間間隔で繰り返す計測制御部と、
   前記計測制御部によって測定された前記背圧と前記供給圧とに基づいて前記隙間の寸法である隙間量を推定し、前記推定した隙間量に基づいて前記軸受の異常を判定する判定部と
   を備える、ポンプの軸受診断装置。
2. 前記判定部は、前記供給圧と前記背圧との比である差圧比と前記隙間量との関係を予め記憶し、この予め記憶した関係と、前記計測制御部によって測定された前記供給圧及び前記背圧から算出した差圧比とに基づいて前記隙間量を推定する、請求項１に記載の軸受診断装置。
3. ポンプのケーシング内に配置されて主軸を支持する軸受の診断方法であって、
   圧力容器内の空気圧を検出する第１の圧力計の検出圧力がゲージ圧で３kgf/cm ² 以上の測定開始圧力に上昇するまで、空気供給源から前記圧力容器に圧縮空気を供給し、
   前記第１の圧力計の検出圧力が前記測定開始圧力に達すると、前記空気供給源から前記圧力容器への圧縮空気の供給を停止すると共に、前記圧力容器から前記軸受と前記主軸の隙間にオリフィスを途中に配置した空気供給管路を介して空気を供給し、
   前記空気供給管の前記オリフィスよりも前記圧力容器側に配置された第２の圧力計による供給圧の測定と、前記空気供給管の前記オリフィスよりも前記隙間側に配置された第３の圧力計による背圧の測定を予め定められた時間間隔で繰り返し、
   前記測定された供給圧及び背圧に基づいて前記隙間の寸法である隙間量を推定し、
   前記推定した量隙間に基づいて前記軸受の異常を判定する、ポンプの軸受診断方法。

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