JP5067979B2

JP5067979B2 - 軸受の診断装置

Info

Publication number: JP5067979B2
Application number: JP2010125804A
Authority: JP
Inventors: 博幸西田
Original assignee: Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Priority date: 2010-06-01
Filing date: 2010-06-01
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2030-06-01
Also published as: JP2011252753A

Description

この発明は、例えばエレベータ巻上機などの回転設備に含まれる軸受等に発生する異常を、回転設備に予期せぬ回転速度の変化が生じた場合にも、精度良く検出することができる診断装置に関するものである。

従来の診断装置においては、軸受から発生する音や振動などを各種センサで検出し、検出した信号から不要な周波数帯域を各種フィルタで取り除いて、フィルタ処理後の信号をエンベローブ処理してＦＦＴ解析を行って周波数スペクトルを算出し、軸受の回転数と寸法諸元から求まる周期性と比較する各種装置が知られている。軸受の回転速度が変化しなければ、軸受の回転数と寸法諸元から求まる周期性を得ることで診断を行うことが可能であるが、エレベータの巻上機のように不規則に加速減速が生じる場合や、負荷に変化が生じる場合など軸受の回転速度に変化が生じる場合には、回転速度の変化によって周期性が異なってくるため、一定の回転速度をもとに判定基準を設定していると、診断精度が低下する恐れがある（例えば、特許文献１または２参照）。

特開２００６−１５３８５５号公報特開２００７−３０４０３１号公報

従来の異常診断装置では、フィルタ処理部を設けることで、取得した振動データから不要な周波数帯域の信号を取り除く処理を行っており、一般的に用いられているハイパスフィルタ（高域通過濾波器）、ローパスフィルタ（低域通過濾波器）、バンドパスフィルタ（帯域通過濾波器）は、取得した振動データから不要な周波数帯域を取り除くことができるが、異常の特徴を含む周波数帯域だけ精度よく抽出するわけでなく、異常の特徴とともに他の成分を含んだ振動データとなる。
また、回転検出器で軸受の回転速度を検出することで、取得した振動波形データに対する軸受の回転周波数の変動による振動周波数変動の影響を打ち消して、異常の検出精度を高めているが、振動センサ以外に別途回転検出器が必要であるため、システムの構成が複雑で高価になる。
また、増幅度切替回路を設けることで回転速度に応じて振動波形の振幅を増幅させて異常の検出制度を高めているが、回転速度が極端に遅いと異常によって発生する振動エネルギーが微弱となり、ノイズ成分との分別が困難になるため、異常の誤検出を引き起こす要因となりかねない。

この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、回転設備の軸受部の異常の検出において、異常の程度が小さな状態でも軸受の回転速度に予期せぬ変化が生じる場合に、軸受の異常を精度よく検出できる軸受の診断装置を得ることを目的とする。

この発明は、回転設備に含まれる軸受部の異常を検出する軸受の診断装置において、上記回転設備の軸受部から発生する振動の加速度を検出して加速度に比例する振幅の振動信号を出力するセンサと、上記センサからの振動信号を増幅する増幅部と、増幅された振動信号を所定の一定の周期でサンプリングしてのデジタルの振動信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、デジタルの振動信号をウェーブレット変換して複数の周波数帯域の時間軸波形を抽出するウェーブレット変換処理部と、上記抽出された時間軸波形のうちから異常の特徴を含む周波数帯域の時間軸波形を抽出する異常特徴周波数抽出部と、上記抽出された時間軸波形のうちから上記軸受部の回転数に関わる周波数帯域の時間軸波形を抽出するとともに該時間軸波形から回転数情報を求める回転情報抽出部と、上記異常特徴周波数抽出部で抽出した時間軸波形を上記回転数情報抽出部で求めた回転数情報を用いて速度補正を行う速度補正処理部と、上記速度補正処理部で速度補正処理を行った異常の特徴を含む時間軸波形に対してＦＦＴ解析を実施して得られる周波数スペクトルから軸受の構造と回転数に起因する周波数の振幅値を算出する周波数分析部と、軸受の構造と回転数に起因する周波数毎の判定基準値を格納する判定基準格納部と、上記周波数分析部で算出した周波数の振幅値と上記判定基準格納部から出力した判定基準値とを比較する比較演算部と、上記比較演算部での比較結果に基づく判定結果を表示する判定結果表示部と、を備えていることを特徴とする軸受の診断装置等にある。

この発明によれば、フィルタ処理部に時間一周波数の一種であるウェーブレット変換処理部を設けることで、取得した軸受の振動データから軸受異常の特徴を含む周波数帯域だけの振動波形を抽出することができるので、軸受の異常の特徴成分を顕著にした時間軸波形を得ることができ、異常の判定精度を高めることができる。

また、軸受の回転速度の検出に回転検出器を使用せずに、取得した振動波形データに含まれる軸受の回転周期の特徴を含む周波数帯域の振動波形をウェーブレット変換処理によって抽出して、この振動波形から回転速度情報を得るようにしたので回転速度情報を取得するため、回転検出器が不要となり装置のコストを下げることができる。

また、回転速度に対して下限基準を設定して、回転速度が下限基準以下となる場合には取得したデータを破棄して判定を実施せず、再計測する手段を設けたので、軸受の回転速度が極端に遅くなり軸受の異常によって発生する振動エネルギーが微小となることでノイズ成分との分別が難しくなる振動データの場合に誤判定が発生せず、軸受異常発生時の判定精度を高くすることができる。

この発明の実施の形態１に係る軸受の診断装置の構成を示すブロック図である。振動加速度信号をウェーブレット変換して周波数帯域が６．３ｋＨｚの時間軸波形である。この発明の実施の形態２に係る軸受の診断装置の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態３に係る軸受の診断装置の構成を示すブロック図である。振動加速度信号の一例である。図５に示す振動加速度信号をウェーブレット変換して周波数帯域が３５３．６Ｈｚの時間軸波形である。この発明の実施の形態４に係る軸受の診断装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の軸受の診断装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る軸受の診断装置の構成を示すブロック図である。
この発明の実施の形態１に係る軸受の診断装置は、図１に示すように、診断対象の軸受を含む回転設備１で軸受が回転する時に発生する振動加速度を計測する振動センサ２、振動センサ２で計測した振動加速度を増幅する増幅部３、回転設備１の診断対象である軸受の回転速度を検出する回転検出器４、回転検出器４が出力する回転パルスをサンプリングクロックとして取り込んで、増幅部３から出力されるアナログ信号である振動信号をデジタル信号である振動信号に変換するＡ／Ｄ変換部５、および、Ａ／Ｄ変換部５から出力されるデジタル信号の振動信号に対してウェーブレット変換を実施して複数の周波数帯域の時間軸波形を抽出し、各周波数の信号波形の実部と虚部の二乗平均処理を実施した複数の周波数帯域の時間軸波形を得るウェーブレット変換処理部６を備える。

また、この発明の実施の形態１に係る軸受の診断装置は、ウェーブレット変換処理部６で抽出した複数の周波数帯域の時間軸波形から、軸受異常の特徴が現れる周波数帯域の時間軸波形を抽出する異常特徴周波数抽出部７、異常特徴周波数抽出部７で抽出した時間軸波形に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）解析を実施して周波数スペクトルを算出する周波数分析部８、軸受の異常の特徴に応じて軸受の回転数と寸法諸元から求まる周波数毎に判定基準を格納する判定基準格納部９、周波数分析部８で算出した周波数スペクトルに対して判定基準を比較演算する比較演算部１０、および、比較演算結果を表示する判定結果表示部１１を備える。

次に、この発明の実施の形態１に係る軸受の診断装置の動作について説明する。
振動センサ２は、軸受を含む回転設備１の軸受上部にマグネットアタッチメントまたは両面テープなどにより固定される。振動センサ２は、回転設備１の回転部が軸受に対して通常の回転速度で回転中に、軸受の損傷等により発生するとともに軸受の寸法諸元と回転数に起因する周期で発生する振動を記録可能な時間に亘って計測する。
例えば、回転設備１の軸受の通常回転数が８回／秒とし、軸受等の損傷により発生する周期的な振動が回転数の２倍にあたる１秒間に１６回の周期で発生する場合には、回転速度が一定だとすると２秒間で３２回発生する周期振動を計測することができる。

回転検出器４は、軸受の損傷等により発生する衝撃振動が現れる周波数の２倍以上の速度のパルス信号として軸受の回転速度情報を出力する。例えば、軸受の回転数が８回／秒の条件で、衝撃振動が周波数３００Ｈｚの帯域に現れる場合には、この３００Ｈｚの２倍以上のサンプリング速度に相当する６００パルス／秒以上、例えば８００パルス／秒（１００パルス／回転）の速度でパルス信号を出力できるようしておく。

振動加速度を検出する振動センサ２は、検出する振動加速度を振動加速度の大きさに振幅が比例するアナログの振動信号に変換し、増幅部３は、振動センサ２から入力される振動信号を増幅する。Ａ／Ｄ変換部５は回転検出器４から入力されるパルス信号を外部サンプリングクロックとして取り込むとともに、増幅部３から入力される振動信号を外部サンプリングクロックでサンプリングしてデジタル信号である振動信号に変換する。回転設備１の回転数に同期したサンプリング周期を持ったデジタル信号に変換して、回転設備１から発生するデジタルの振動信号を得る。
例えば、軸受の通常時の回転数が８回／秒、１００パルス／回転の条件で２秒間計測した場合、１６００個のデジタルのデータを取得できたことになる。
また、この条件で２秒間計測して１２００個のデジタルのデータを取得できれば、２秒間に軸受が１２回転となり、軸受の回転数は６回／秒と通常回転速度８回／秒に比べて遅くなっている。この場合、計測データは１．５秒間のデータ（２秒×１２００／１６００）として補正して取り扱う。

ウェーブレット変換処理部６は、この振動波形データに対して、時間−周波数解析の一種であるウェーブレット変換を行い、周波数帯域毎の時間軸波形を算出する。ウェーブレット変換による各周波数帯の時間軸波形の実部と虚部をそれぞれ２乗し、２乗して得た値を加算し平方根を求め、図２に示すような各周波数帯の時問軸波形を得る。
異常特徴周波数抽出部７では、事前に軸受等の異常発生時に特徴が生じる周波数帯域を把握しておき、その周波数帯域の時間軸波形を抽出する。異常の特徴が複数の周波数帯域に現れる場合には、複数の周波数帯域の時間軸波形を抽出する。
軸受の異常の特徴となる衝撃の振動が周波数３００Ｈｚに現れる場合には、周波数３００Ｈｚの時間軸波形を抽出する。

周波数分析部８では、異常特徴周波数抽出部７で抽出した時間軸波形に対して、ＦＦＴ解析を実施して周波数スペクトルを出力する。この周波数スペクトルから軸受の寸法諸元、回転数に起因して発生する周期性に相当する周波数での振幅値を算出する。たとえば、軸受の通常時の回転数が８回／秒で、軸受等の損傷によって回転速度の２倍に相当する１秒間に１６回の周期で特徴が現れる場合には、周波数スペクトルの１６Ｈｚでの振幅値を算出する。

周波数分析部８で算出した振幅値は、比較演算部１０に入力される。また、判定基準格納部９に、軸受等の型式、回転数等の条件ごとに、軸受等の異常を判断するための判定基準値を予め格納しており、計測した軸受等の型式、回転数に応じて、判定基準値を比較演算部１０に入力される。
比較演算部１０は、周波数分析部８から入力された周波数スペクトルの振幅値と、判定基準格納部９から入力された判定基準値を比較し、周波数スペクトルの振幅値が判定基準値より大きな値の場合は軸受等に異常が発生している可能性があり、振幅値が判定基準値より小さな値の場合には軸受が健全と判断する。判定結果表示部１１では、比較演算部１０で判断された結果を表示する。

この発明の実施の形態１に係る軸受の診断装置は、フィルタ処理として時間−周波数変換の一種であるウェーブレット変換を取得した軸受の振動データに適用して軸受異常の特徴を含む周波数帯域だけの周波数スペクトルを抽出することができるので、軸受の異常の特徴成分が顕著になった時間軸波形を得ることができ、異常の判定精度を高めることができる。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２に係る軸受の診断装置の構成を示すブロック図である。
この発明の実施の形態２に係る軸受の診断装置は、この発明の実施の形態１に係る軸受の診断装置に速度補正処理部１２を追加したこととＡ／Ｄ変換部５をＡ／Ｄ変換部５Ｂに変更したことが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。
実施の形態１に係るＡ／Ｄ変換部５は、回転検出器４で検出した軸受の速度に関係するパルス信号を外部サンプリングクロックとして取り込み、Ａ／Ｄ変換時にこの外部サンプリングクロックでサンプリングすることにより回転数の変動を補正しているが、実施の形態２に係るＡ／Ｄ変換部５Ｂは、一定のサンプリングクロックでアナログの振動信号をサンプリングしてデジタルの振動信号に変換している。
速度補正処理部１２は、回転検出器４で検出した軸受の速度に関係するパルス信号を取り込み、取得した振動波形データに含まれる時間軸方向の速度の影響を補正する。

この発明の実施の形態２に係る軸受の診断装置は、回転速度の変動の影響を含んだままの振動信号をウェーブレット変換処理して周波数帯域毎の時間軸波形を求め、その時間軸波形から軸受等の異常の特徴を含む周波数帯域の時間軸波形を回転検出器４で検出した軸受の速度に関係するパルス信号により時間軸方向の速度の影響を補正するので、回転速度の変動時にも精度よく軸受等の異常を検出することができる。

実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３に係る軸受の診断装置の構成を示すブロック図である。
この発明の実施の形態３に係る軸受の診断装置は、この発明の実施の形態２に係る軸受の診断装置の回転検出器４を省略したことと回転情報抽出部１３を追加したことが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。
この発明の実施の形態２に係る速度補正処理部１２は、回転検出器４により検出した軸受の回転速度に関する情報に基づき、一定の回転速度の信号波形として取り扱えるにように取得した振動データを補正しているが、この発明の実施の形態３に係る速度補正処理部１２は、回転情報抽出部１３が計測した振動波形から抽出した回転速度情報に基づき、一定の回転速度の信号波形として取り扱えるにように取得した振動データを補正している。従って、回転検出器４が不要となり、装置のコストを軽減することができる。
また、振動センサ２は常設された計測環境でなく、各現場に持ち運んで計測を実施する場合に、回転検出器４の設置作業にかかる負担を軽減することができる。

振動を検出した振動センサ２から出力された振動信号を増幅部３で増幅し、増幅部３で増幅されたアナログの振動信号がＡ／Ｄ変換部５Ｂにより変換されたデジタルの振動信号の一例を図５に示す。このデジタルの振動信号がウェーブレット変換処理部６によりウェーブレット変換処理が施され、周波数帯域毎の時間軸波形が得られる。そして、周波数帯域毎の時間軸波形の実部と虚部をそれぞれ二乗し、二乗により得た値を加算して図６に示すような波形を得る。

回転情報抽出部１３は、回転設備１の回転速度に同期した周期成分が含まれる周波数帯域を、事前に計測した振動データから把握し、ウェーブレット変換処理部６で求められた周波数帯域毎の時間軸波形から、回転速度に同期した周波数成分が含まれる周波数帯域の時間軸波形を抽出する。
ウェーブレット変換処理部６で取得した時間軸波形から、事前に軸受の回転速度に同期した周波数成分が含まれる周波数帯域を把握しておき、図６に示すように回転周期毎に振幅が大きくなる周波数の時間軸波形を取得する。この時間軸波形から、回転周期毎の波形の振幅ピーク間の間隔を得ることで、軸受の１回転毎の周期を把握することが可能となる。

この発明の実施の形態３に係る軸受の診断装置は、回転情報抽出部１３で把握した軸受の１回転毎の周期情報を速度補正処理部１２が取り込み、異常特徴周波数抽出部７で抽出した軸受異常の特徴が含まれる時間軸波形に対して、回転速度による変動に応じて時間軸方向に補正を施すことで、軸受異常の特徴が含まれる時間軸波形から速度変化による周期変動の影響を取り除いて、一定の回転速度の時間軸波形として取り扱うことができる。この結果、回転検出器４を使用しない構成で、軸受の回転速度による影響を受けない時間軸波形を得ることができる。

実施の形態４．
図７は、この発明の実施の形態４に係る軸受の診断装置の構成を示すブロック図である。
この発明の実施の形態４に係る軸受の診断装置は、この発明の実施の形態３に係る軸受の診断装置に積分処理部１４、第２Ａ／Ｄ変換部１５、第２ウェーブレット変換処理部１６を追加したことが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。

積分処理部１４は、増幅部３で増幅された振動加速度信号を積分処理して振動速度信号に変換する。
第２Ａ／Ｄ変換部１５は、振動速度信号を一定のサンプリングクロックでデジタルの振動速度信号に変換する。
第２ウェーブレット変換処理部１６は、デジタルの振動速度信号をウェーブレット変換し、回転数に同期する周期性を含む周波数帯域の時間軸波形を抽出する。
回転情報抽出部１３は、軸受の回転に同期する周期性を含む周波数帯域の時間軸波形から軸受の回転情報を抽出する。

この発明の実施の形態４に係る軸受の診断装置は、振動加速度信号から異常の特徴を抽出する処理とは別に、積分処理部１４を設けて増幅した振動波形に対して積分処理を実施し振動速度を求めるようにし、振動速度の波形から回転速度情報を求めことにより、振動加速度に比べて回転速度情報を精度よく求めることができる。
なお実施の形態３に対して実施の形態４では積分処理部１４を追加することになるが、市販の増幅器には積分処理機能を備えたものがあり、計測時の機器構成に変更が生じないので、本装置を持ち運んでの計測作業でも負担を大きくすること無く、回転速度の検出精度を高めることができる。

なお、軸受の回転速度の変化が時間軸波形に及ぼす影響を少なくするために回転数情報を用いて時間軸波形を時間軸方向に補正を行った後に、回転速度の変化に応じて振幅の大きさを補正する振幅補正処理部を備えても良い。

また、軸受の回転速度に対して下限速度の設定手段を設けて、軸受の回転速度が遅すぎて下限速度以外に下がった場合は、取得した振動データを破棄して判定処理を実行せず、再度振動計測から実行しても良い。

また、判定結果表示部１１は、軸受の異常判定結果の表示とあわせて、振動計測時の軸受の最高および最低の回転速度を表示しても良い。

１回転設備、２振動センサ、３増幅部、４回転検出器、５、５ＢＡ／Ｄ変換部、６ウェーブレット変換処理部、７異常特徴周波数抽出部、８周波数分析部、９判定基準格納部、１０比較演算部、１１判定結果表示部、１２速度補正処理部、１３回転情報抽出部、１４積分処理部、１５第２Ａ／Ｄ変換部、１６第２ウェーブレット変換処理部。

Claims

回転設備に含まれる軸受部の異常を検出する軸受の診断装置において、
上記回転設備の軸受部から発生する振動の加速度を検出して加速度に比例する振幅の振動信号を出力するセンサと、
上記センサからの振動信号を増幅する増幅部と、
増幅された振動信号を所定の一定の周期でサンプリングしてのデジタルの振動信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、
デジタルの振動信号をウェーブレット変換して複数の周波数帯域の時間軸波形を抽出するウェーブレット変換処理部と、
上記抽出された時間軸波形のうちから異常の特徴を含む周波数帯域の時間軸波形を抽出する異常特徴周波数抽出部と、
上記抽出された時間軸波形のうちから上記軸受部の回転数に関わる周波数帯域の時間軸波形を抽出するとともに該時間軸波形から回転数情報を求める回転情報抽出部と、
上記異常特徴周波数抽出部で抽出した時間軸波形を上記回転数情報抽出部で求めた回転数情報を用いて速度補正を行う速度補正処理部と、
上記速度補正処理部で速度補正処理を行った異常の特徴を含む時間軸波形に対してＦＦＴ解析を実施して得られる周波数スペクトルから軸受の構造と回転数に起因する周波数の振幅値を算出する周波数分析部と、
軸受の構造と回転数に起因する周波数毎の判定基準値を格納する判定基準格納部と、
上記周波数分析部で算出した周波数の振幅値と上記判定基準格納部から出力した判定基準値とを比較する比較演算部と、
上記比較演算部での比較結果に基づく判定結果を表示する判定結果表示部と、
を備えていることを特徴とする軸受の診断装置。
回転設備に含まれる軸受部の異常を検出する軸受の診断装置において、
上記回転設備の軸受部から発生する振動の加速度を検出して加速度に比例する振幅の振動加速度信号を出力するセンサと、
上記センサからの振動加速度信号を増幅する増幅部と、
上記増幅部からの振動加速度信号を積分処理して振動速度信号を生成する積分処理部と、
増幅された振動加速度信号を所定の一定の周期でサンプリングしてデジタルの振動加速度信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、
上記振動速度信号を所定の一定の周期でサンプリングしてデジタルの振動速度信号に変換する第２Ａ／Ｄ変換部と、
上記デジタルの振動加速度信号をウェーブレット変換して複数の周波数帯域の時間軸波形を抽出するウェーブレット変換処理部と、
上記デジタルの振動速度信号をウェーブレット変換して複数の周波数帯域の時間軸波形を抽出する第２ウェーブレット変換処理部と、
上記ウェーブレット変換処理部で抽出された時間軸波形のうちから異常の特徴を含む周波数帯域の時間軸波形を抽出する異常特徴周波数抽出部と、
上記第２ウェーブレット変換処理部で抽出された時間軸波形のうちから上記軸受部の回転数に関わる周波数帯域の時間軸波形を抽出するとともに該時間軸波形から回転数情報を求める回転情報抽出部と、
上記異常特徴周波数抽出部で抽出した時間軸波形を上記回転数情報抽出部で求めた回転数情報を用いて速度補正を行う速度補正処理部と、
上記速度補正処理部で速度補正処理を行った異常の特徴を含む時間軸波形に対してＦＦＴ解析を実施して得られる周波数スペクトルから軸受の構造と回転数に起因する周波数の振幅値を算出する周波数分析部と、
軸受の構造と回転数に起因する周波数毎の判定基準値を格納する判定基準格納部と、
上記周波数分析部で算出した周波数の振幅値と上記判定基準格納部から出力した判定基準値とを比較する比較演算部と、
上記比較演算部での比較結果に基づく判定結果を表示する判定結果表示部と、
を備えていることを特徴とする軸受の診断装置。
軸受の回転速度の変化に応じて時間軸側に及ぼす影響の補正を行った振動波形に対して、回転速度の変化に応じて振幅の大きさを補正する振幅補正処理部を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の軸受の診断装置。
軸受の回転速度に対して下限速度の設定手段を設けて、軸受の回転速度が遅すぎて下限速度以外に下がった場合は、取得した振動データを破棄して判定処理を実行せず、再度振動計測から実行することを特徴とする請求項１または２に記載の軸受の診断装置。
判定結果表示部は、軸受の異常判定結果の表示とあわせて、振動計測時の軸受の最高および最低の回転速度を表示する手段を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の軸受の診断装置。