JP5035755B2

JP5035755B2 - 基準加振機

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Publication number: JP5035755B2
Application number: JP2008086922A
Authority: JP
Inventors: 厚手塚; 直陸大森; 洋司土谷
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2028-03-28
Also published as: EP2280264A4; CN101981426B; US8707755B2; CN101981426A; WO2009119303A1; JP2009236880A; EP2280264B1; US20110067494A1; EP2280264A1

Description

本発明は、回転機械のアンバランス計測装置に装着されて、アンバランス計測装置に再現性確認のための振動を与える基準加振機に関する。

例えば過給機などの高速回転機械の製造においては、製品の高速回転時のバランス性能を検査・修正するために、高速回転バランス試験を実施してアンバランス量を測定し、アンバランス修正を行う。アンバランス量の計測には、アンバランス計測装置が用いられる。

図３は、下記特許文献１に開示されたアンバランス計測装置３０の構成を示す図である。
このアンバランス計測装置３０は、過給機４１用の計測装置として構成されており、床面３１に固定されたベース３２の上面に複数のバネ要素３３が固定され丸棒３３の上部にて上板３４が固定及び支持されてなる振動台３５と、振動台３５の上にタービン車室取付板３６を介してボルト４４で固定されたタービン車室（製品取り付け用マウント）３７と、タービン車室取付板３６に取り付けられた加速度センサ３８と、過給機４１のコンプレッサインペラ４２の先端近傍に配置される回転検出器３９と、加速度センサ３８と回転検出器３９からの検出信号に基づいてアンバランス量と位置を演算する演算器４０とを備える。

上記のアンバランス計測装置３０によりアンバランス計測を行う場合、過給機４１をタービン車室３７に取り付けて、タービン車室３７に空気を導入して過給機４１のタービンインペラ４３を回転させることで、タービンインペラ４３、シャフト４４及びコンプレッサインペラ４２からなる過給機ロータを回転させ、アンバランス計測のための所定の回転速度に達したら、加速度センサ３８で加速度（振動）を検出するとともに回転検出器３９で回転角度を検出し、その検出信号に基づいて演算器４０により、アンバランス量と位置を演算する。

特開２００２−３９９０４号公報

アンバランス計測装置においては、回転機械製品のアンバランス量を一定の精度で安定して検出するために、計測装置の製造時はもちろんのこと、製造後においても適宜のタイミングで装置の校正を行う必要がある。例えば、アンバランス計測を実施する製品の種類に応じて製品取付け用マウント（図３ではタービン車室３７）を付け替える必要があり、この付け替え時における、マウント固定用ボルト（図３ではボルト４４）の締め付け具合などによって再現性に影響を与えることがあるので、アンバランス計測装置の再現性の確認及び校正を行う必要がある。

従来、アンバランス計測装置の再現性の確認及び校正を行う場合、基準回転体、例えば被計測体の振動特性の優れた選定した良品をマウントに取り付け、基準回転体を回転駆動させていた。しかしながら、基準回転体の劣化や環境条件による振動状態の変化やバラツキなどの理由で基準回転体の加振力の再現性が悪く、このため、基準回転体の加振力の再現性の悪さなのか、あるいは計測装置の再現性の悪さなのかが判断できず、アンバランス計測装置の再現性を適正に確認することが困難であるという問題があった。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、アンバランス計測装置の再現性の適正な確認を可能にする基準加振機を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明の基準加振機は、以下の技術的手段を採用する。
（１）本発明は、回転機械のアンバランス計測装置に装着されて該アンバランス計測装置に再現性確認のための振動を与える基準加振機であって、アンバランス計測装置において回転機械を取り付けるためのマウントに、前記回転機械と同等の取付け状態で取り付けられるように構成された加振機本体と、該加振機本体に固定され、該加振機本体に振動を与える振動発生器と、該振動発生器を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする。
ここで、「振動発生器」には、機械的回転を伴わず一方向に加振力を発生するものの他、機械的回転によって振動を発生するもの、例えば、高速スピンドルモータのような高精度の回転体にアンバランス錘をつけたものも含まれる。

上記の本発明の構成によれば、加振機本体に固定された振動発生器により加振するので、従来の、被計測体である回転機械製品と同等の基準回転体と異なり、加振力の再現性が良い。これにより、正確な加振力で再現性確認のための振動をアンバランス計測装置に与えることができるので、加振力のバラツキを排除し、アンバランス計測装置の再現性を適正に確認することができる。

（２）また、上記（１）の基準加振機において、前記振動発生器は一方向の加振力を発生する一方向加振機であることを特徴とする。

上記の構成によれば、振動発生器として機械的回転を伴わない一方向加振機を用いることで、安定した振動を与えることができる。

（３）また、上記（２）の基準加振機において、前記一方向加振機は、慣性マスが振動する反力で加振力を発生する慣性型加振機であることを特徴とする。

上記の構成によれば、慣性型加振機を使用することで安定した正弦波状の加振力をアンバランス計測装置のマウントに与えることができる。これにより、回転機械製品が発生する振動に非常に似た振動を正確にアンバランス計測装置に与えることができる。

（４）また、上記（２）又は（３）の基準加振機において、前記加振機本体と前記一方向加振機の間に力センサが配置されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、振動発生器が発生する加振力を力センサで計測してマウントへの真の加振力を計測することで、振動発生器の加振力のバラツキも補正することができる。

（５）また、上記（１）〜（４）のいずれかの基準加振機において、２つの振動発生器が互いの加振方向が直交するように前記加振機本体に固定されており、前記制御装置は、加振力のリサージュ円を描くように前記２つの振動発生器を制御する、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、２つの慣性型加振機により加振力のリサージュ円を描くことで、実際の回転機械製品が発生する回転加振力と同様の加振力を模擬することができる。これにより、より正確な加振力の模擬が可能となるため、アンバランス計測装置の再現性について、より詳細な確認をすることができる。

上述しように、本発明によれば、アンバランス計測装置の再現性を適正に確認することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の第１実施形態にかかる基準加振機１０の概略構成図である。図１では、アンバランス計測装置１に取り付けられ固定された状態の基準加振機１０が示されている。

まず、アンバランス計測装置１の構成について説明する。
アンバランス計測装置１は、床面などに固定されたベース２と、ベース２上に固定されバネとして機能する棒状の複数のバネ部材３と、支柱の上部にて固定及び支持されたマウント４と、マウント４に取り付けられた振動センサ５と、図示しない回転検出器と、アンバランス量及び位置を演算する演算器１７とを備える。

バネ部材３の本数及びバネ定数は、バネ部材３の材質（硬さ）やアンバランス計測を行う周波数（回転数）に応じて適切な数及び値に設定される。
マウント４は、回転機械製品（例えば、過給機）を装着できるように構成されている。図１では、マウント４には基準加振機１０が装着されているが、アンバランス計測を行う際には回転機械製品が装着される。

振動センサ５は、従来のアンバランス計測において用いられていたのと同様に、振動を検出できる各種センサであればよく、例えば、加速度センサ、速度センサ、変位センサを単独で、あるいは組み合わせて用いてよい。
上記の回転検出器は、図示していないが、アンバランス計測を行う際に、マウント４に装着された回転機械の回転軸の近傍に配置され、その回転軸の基準位置からの回転角を検出する。

演算器１７は、振動センサ５及び回転検出器からの検出信号に基づいてアンバランス量及び位置を演算する。この点は、従来と同様であるが、演算器１７は、さらに力センサ１６の検出信号及び振動センサ５からの検出信号に基づいてマウント４の機械インピーダンスを演算する。なお、この点の詳細については後述する。

次に、基準加振機１０の構成について説明する。

図１において、基準加振機１０は、加振機本体１１と、振動発生器１２と、制御装置１３とを備える。
加振機本体１１は、振動を模擬しようとする回転機械のマウント取付け部と同一形状の取付け部１１ａを有している。また、加振機本体１１をマウント４に取り付けるための固定手段（図示せず）は、回転機械をマウント４に取り付けるための固定手段と共通である。これにより、加振機本体１１は、アンバランス計測装置１のマウント４に、回転機械と同等の取付け状態で取り付けられるように構成されている。

加振機本体１１の質量及び重心位置は、振動を模擬しようとする回転機械の質量及び重心位置と同等となるように設定されていることが好ましい。これにより、回転機械の振動を忠実に模擬することができる。なお、加振機本体１１の形状において回転機械の形状を模擬しても良いが、振動の模擬の観点からは、それほど重要ではないため、図１の構成例では回転機械の形状を模擬していない。

振動発生器１２は、加振機本体１１に固定され、加振機本体１１に振動を与える。この振動発生器１２としては、電気磁気的エネルギーによって自ら駆動して、少なくともアンバランス計測回転数に対応する周波数で振動を発生できるものであれば、機械的回転を伴うものでも、そうでなくてもよい。

したがって、振動発生器１２は、高速スピンドルモータのような高精度の回転体にアンバランス錘を付けたものでもよいが、安定した振動を与える観点から、一方向の加振力（つまり直線的な加振力）を発生する一方向加振機であるのが好ましい。このような一方向加振機としては、電圧を力に変換して振動力を発生するピエゾ素子（圧電素子）や、慣性マスが振動する反力で加振力を発生する慣性型加振機を適用できる。

本実施形態において振動発生器１２は慣性型加振機である。慣性型加振機は、安定した正弦波状の加振力をアンバランス計測装置１のマウント４に与えることができるので、回転機械製品が発生する振動に非常に似た振動を正確にアンバランス計測装置１に与えることができる。

図１の構成例において、振動発生器１２（慣性型加振機）の加振方向は図中の矢印Ａ方向（水平方向）であり、振動センサ５も水平方向の振動を検出するようにマウント４の側面に取り付けられている。なお、必要に応じて、鉛直方向の振動を模擬及び検出できるように慣性型加振機及び振動センサ５を配置してもよい。

図１において、符号ａ１で示した線は、回転機械がマウント４に装着されたときの回転機械の回転軸の回転中心線である。また、符号ａ２で示した線は、振動発生器１２の加振方向の中心線である。
図１の構成例において、振動発生器１２は、その加振方向の中心線ａ２が、振動を模擬しようとする回転機械の上記回転中心線ａ１と垂直に交差するように配置されている。この構成により、回転機械の回転軸が発生する振動を忠実に模擬することができる。

振動発生器１２は、制御装置１３によって制御される。本実施形態において振動発生器１２は慣性型加振機であるため、制御装置１３は、正弦波オシレータ１４とアンプ１５を有し、振動発生器１２に正弦波信号を与えて、所望の振動数（周波数）となるように制御する。

図１の構成例において、加振機本体１１と振動発生器１２との間には力センサ１６が配置されている。力センサ１６としてはロードセルや圧電素子などを用いることができる。力センサ１６の検出信号は演算器１７に入力される。本発明の基準加振機１０において、力センサ１６は必須の構成要素ではないが、振動発生器１２が発生する加振力を力センサ１６で計測してマウント４への真の加振力を計測することで、振動発生器１２の加振力のバラツキも補正することができる。

上述した基準加振機１０を用いてアンバランス計測装置１の再現性の確認及び校正をするには、基準加振機１０をマウント４に装着し、制御装置１３による制御の下、アンバランス計測時の周波数となるように振動発生器１２の振動を制御し、力センサ１６で加振力を検出するとともに振動センサ５で振動を検出し、演算器１７でマウント４の機械インピーダンスＩを演算する。

ここで、マウント４の機械インピーダンスＩ（ω）は、振動発生器１２の加振力をＡ（ω）例えばＦｓｉｎωｔ、振動センサ５の出力をＢ（ω）例えばＡと位相差φを持つαｓｉｎ（ωｔ＋φ）としたとき、Ｉ（ω）＝Ｂ（ω）／Ａ（ω）で与えられる。したがって、計測したマウント４の機械インピーダンスＩが、その周波数での基準インピーダンスに対して一致しているか否か、あるいは許容できる誤差範囲内にあるか否かにより、再現性を確認することができる。

ここでもし、計測した機械インピーダンスＩが、基準インピーダンスと一致しない、あるいは許容できる誤差範囲内にない場合は、マウント４の固定具合を調整するなどして、機械インピーダンスＩが適正となるように校正を行う。

また、アンバランス計測時の周波数での機械インピーダンスＩを評価することに加え、製品の使用回転数全域について機械インピーダンスＩを求め、これを評価するようにしてもよい。

なお、基準加振機１０において力センサ１６を設置しない場合、振動発生器１２の加振力を検出することはできないが、この場合は、振動発生器１２の加振力を予め取得しておき、これを機械インピーダンスの演算時に用いることができる。

上述した本発明の実施形態によれば、以下の作用効果が得られる。
加振機本体１１に固定された振動発生器１２により加振するので、従来の、被計測体である回転機械製品と同等の基準回転体と異なり、加振力の再現性が良い。これにより、正確な加振力で再現性確認のための振動をアンバランス計測装置１に与えることができるので、加振力のバラツキを排除し、アンバランス計測装置１の再現性を適正に確認することができる。

振動発生器１２として機械的回転を伴わない一方向加振機を用いることで、安定した振動を与えることができる。特に、慣性型加振機を使用することで安定した正弦波状の加振力をアンバランス計測装置１のマウント４に与えることができる。これにより、回転機械製品が発生する振動に非常に似た振動を正確にアンバランス計測装置１に与えることができる。

振動発生器１２が発生する加振力を力センサ１６で計測してマウント４への真の加振力を計測することで、振動発生器１２の加振力のバラツキも補正することができる。

図２は、本発明の第２実施形態にかかる基準加振機１０の概略構成図である。
本実施形態において、２つの慣性型加振機１２ａ、１２ｂが互いの加振方向が直交するように加振機本体１１に固定されている。以下、説明の便宜上、一方の慣性型加振機１２ａを第１加振機１２ａといい、他方の慣性型加振機１２ｂを第２加振機１２ｂという。第１加振機１２ａは矢印Ａ方向（水平方向）の加振力を発生するように配置されている。第２加振機１２ｂは矢印Ｂ方向（鉛直方向）の加振力を発生するように配置されている。

第１加振機１２ａと加振機本体１１との間、及び、第２加振機１２ｂと加振機本体１１との間には、それぞれ力センサ１６ａ、１６ｂが配置されている。２つの力センサ１６ａ、１６ｂの検出信号は、演算器１７に入力される。

図２において、符号ａ１で示した線は、回転機械がマウント４に装着されたときの回転機械の回転軸の回転中心線である。符号ａ２で示した線は、第１加振機１２ａの加振方向の中心線である。符号ａ３で示した線は、第２加振機１２ｂの加振方向の中心線である。図２の構成例において、第１加振機１２ａは、その加振方向の中心線ａ２が、振動を模擬しようとする回転機械の上記回転中心線ａ１と垂直に交差するように配置されている。また、第２加振機１２ｂは、その加振方向の中心線ａ３が、振動を模擬しようとする回転機械の上記回転中心線ａ１と垂直に交差するように配置されている。この構成により、回転機械の回転軸が発生する振動を忠実に模擬することができる。

制御装置１３は、加振力のリサージュ円を描くように第１加振機１２ａ及び第２加振機１２ｂを制御する。具体的には、制御装置１３は、第１加振機１２ａを制御するための正弦波オシレータ１４ａ及びアンプ１５ａを有するとともに、第２加振機１２ｂを制御するための余弦波オシレータ１４ｂ及びアンプ１５ｂを有し、第１加振機１２ａに送る正弦波信号と第２加振機１２ｂに送る余弦波信号の振動力の位相差をπ／２または−π／２とすることにより、加振力のリサージュ円を描く。

また、アンバランス計測装置１のマウント４には、水平方向の振動を検出するための振動センサ５ａと、鉛直方向の振動を検出するための振動センサ５ｂが取り付けられている。２つの振動センサ５ａ、５ｂの検出信号は、演算器１７に入力される。

本実施形態のその他の構成については、上述した第１実施形態と同じであるので、説明を省略する。

上述した第２実施形態の基準加振機１０を用いてアンバランス計測装置１の再現性の確認及び校正をするには、基準加振機１０をマウント４に装着し、制御装置１３による制御の下、アンバランス計測時の周波数となるように第１加振機１２ａ及び第２加振機１２ｂを制御し、２つの力センサ１６ａ、１６ｂで加振力を検出するとともに２つの振動センサ５ａ、５ｂで振動を検出し、演算器１７でマウント４の水平方向の機械インピーダンスＩ１及び鉛直方向の機械インピーダンスＩ２を演算する。

ここで、水平方向の機械インピーダンスＩ１（ω）は、第１加振機１２ａの加振力をＡ１（ω）振動センサ５５ａの出力をＢ１（ω）としたとき、Ｉ１（ω）＝Ｂ１（ω）／Ａ１（ω）で与えられる。
鉛直方向の機械インピーダンスＩ２（ω）は、第２加振機１２ｂの加振力をＡ２（ω）、振動センサ５５ｂの出力をＢ２（ω）としたとき、Ｉ２（ω）＝Ｂ２（ω）／Ａ２（ω）で与えられる。
したがって、上記の機械インピーダンスＩ１、Ｉ２とこれらの位相差を用いて、アンバランス計測装置１の再現性を評価することができる。

本実施形態によれば、２つの慣性型加振機１２ａ、１２ｂにより加振力のリサージュ円を描くことで、実際の回転機械製品が発生する回転加振力と同様の加振力を模擬することができる。これにより、より正確な加振力の模擬が可能となるため、アンバランス計測装置１の再現性について、より詳細な確認をすることができる。本実施形態によって得られるその他の作用効果は、第１実施形態と同様である。

なお、上述した実施形態では、マウント４の付け替え（交換）を行ったときのアンバランス計測装置１の再現性確認や校正等のために本発明の基準加振機１０を用いたが、本発明はこれに限定されず、マウント４を付け替えずにそのまま使用するときでも、アンバランス計測装置１の再現性確認や校正等の調整作業に有効である。
加振に使用する周波数は一定の値だけでなく、被測定体の回転機械の回転数領域を漸増、漸減させて周波数の広範囲領域の振動再現性を評価しても良い。またインパルス信号、ピンクノイズ、ホワイトノイズを与え瞬時に機械インピーダンスを計測することも可能である。

上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の第１実施形態にかかる基準加振機の概略構成図である。本発明の第２実施形態にかかる基準加振機の概略構成図である。特許文献１に開示されたアンバランス計測装置の構成図である。

符号の説明

１アンバランス計測装置
２ベース
３バネ部材
４マウント
５、５ａ、５ｂ振動センサ
１０基準加振機
１１加振機本体
１１ａ取付け部
１２振動発生器
１２ａ第１加振機
１２ｂ第２加振機
１３制御装置
１４、１４ａ正弦波オシレータ
１４ｂ余弦波オシレータ
１５、１５ａ、１５ｂアンプ
１６力センサ
１７演算器

Claims

回転機械のアンバランス計測装置に装着されて該アンバランス計測装置に再現性確認のための振動を与える基準加振機であって、
アンバランス計測装置において回転機械を取り付けるためのマウントに、前記回転機械と同等の取付け状態で取り付けられるように構成された加振機本体と、
該加振機本体に固定され、該加振機本体に振動を与える振動発生器と、
該振動発生器を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする基準加振機。
前記振動発生器は一方向の加振力を発生する一方向加振機である、請求項１記載の基準加振機。
前記一方向加振機は、慣性マスが振動する反力で加振力を発生する慣性型加振機である請求項２記載の基準加振機。
前記加振機本体と前記一方向加振機の間に力センサが配置されている、請求項２又は３記載の基準加振機。
２つの振動発生器が互いの加振方向が直交するように前記加振機本体に固定されており、
前記制御装置は、加振力のリサージュ円を描くように前記２つの振動発生器を制御する、請求項１〜４のいずれか記載の基準加振機。