JP5143543B2

JP5143543B2 - ポンプの軸受診断装置及びその方法

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Publication number: JP5143543B2
Application number: JP2007330483A
Authority: JP
Inventors: 祐治兼森; 和彦本崎
Original assignee: Torishima Pump Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Torishima Pump Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2007-08-30
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2027-12-21
Also published as: JP2009074530A

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、吸水槽に短時間かつ多量に流入する雨水に対処するために、種々の先行待機型立軸ポンプが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この先行待機型立軸ポンプは、降雨情報等に基づいて予め始動しておいて吸水槽への雨水流入と同時に排水を開始し、かつ吸水槽内の水位が低下しても運転状態を維持する。この先行待機型立軸ポンプではケーシング内に水が存在しない状態での運転（気中運転）を行う必要があるので、主軸を支持する軸受として無注水軸受を採用したものがある。

無注水軸受の磨耗や破損の発生を監視する方法としては、熱電対を備える温度センサを軸受に取り付け、温度センサにより検出された軸受温度により磨耗や破損の発生を間接的に監視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、この振動により軸受の磨耗等の発生を間接的に監視する方法も知られている。

しかし、温度センサを使用する監視方法では、熱電対の断線によって検出温度自体に異常が発生して磨耗や破損を正確に判定することが困難となること、温度センサの故障により検出自体が不可能となること等の問題がある。また、先行待機型立軸ポンプでは、ケーシング内の羽根車より下方の領域に空気だまりが形成され、羽根車より上方の領域には水柱が形成された運転状態（エアロック運転状態）があり、このエアロック運転状態及びその前後は空気の混入により激しい振動が発生する。従って、振動センサを使用する監視方法では、無注水軸受の磨耗や破損を正確に監視することができない。

本発明者は、軸受とポンプの主軸との間の隙間に供給される空気流量と、この隙間への空気供給圧とポンプの吐出圧との差圧に基づいてポンプの主軸を支持する軸受の監視方法を提案している（特許文献２参照）。この軸受監視方法は、差圧計と流量計を使用するので、温度センサを備える温度センサを軸受に取り付けた場合に懸念される断線による異常信号の発生や故障を回避できる。また、エアロック運転前後の振動の影響を受けることなく軸受の異常発生を正確に判定できる。

しかし、この特許文献２に記載の軸受監視方法は、隙間への空気供給圧とポンプの吐出圧との差圧の制御が必要であるため、隙間への空気供給圧の制御がやや煩雑となる傾向がある。

特開平１１−３１５７９５号公報（図１）特許第３９３３５８６号明細書

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設けられた開閉可能な遮断弁と、前記圧力容器内の空気圧を検出する第１の圧力計と、前記空気供給管路内の空気圧を検出する第２の圧力計と、前記空気供給管路に設けられて前記圧力容器から前記隙間に供給される空気の流量を検出する空気流量計と、前記第１の圧力計の検出圧力が予め定められた第１の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第１の圧力に達すると、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軸受と前記主軸の隙間に前記空気供給管路を介して空気を供給し、前記第２の圧力計の検出圧力が予め定められた第２の圧力からこの第２の圧力より低圧の予め定められた第３の圧力に低下するまでの時間である圧力低下時間を測定し、前記遮断弁を開弁状態に切り換えてから、前記第２の圧力計の検出圧力が前記第２の圧力より低圧の予め定められた第４の圧力に低下した時の前記空気流量計の検出流量を取得する計測制御部と、前記計測制御部によって測定された前記圧力低下時間と前記検出流量とに基づいて前記軸受の異常を判定する判定部とを備え、前記第２、第３、及び第４の圧力は臨界圧力以上である、ポンプの軸受診断装置を提供する。

遮断弁の開放により圧力容器内の空気（第１の圧力）を軸受と主軸の隙間を介してポンプケーシング内に開放し、空気供給管路内の空気圧が第２の圧力から第３の圧力まで低下するのに要する時間（圧力低下時間）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及び第２の圧力計があればよく、温度センサや振動センサは必要ないので、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、容器内圧力計を使用するので、その可能性が低い。また、振動の影響を受けない点でも、異常判定の精度が高い。さらに、圧力容器内の空気を第１の圧力まで昇圧した後は、遮断弁が開放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することにより減圧される。言い換えれば、圧力容器から軸受と主軸の隙間へ空気供給圧について、煩雑な制御が必要なく、簡易に軸受の異常を判定できる。

本発明の軸受診断装置は、圧力容器内の圧縮空気を軸受と主軸の隙間に供給できるので、本来の軸受診断機能のみでなく、軸受と主軸の隙間に存在する夾雑物、砂、塵等を除去する清掃機能や、気中運転時の軸受冷却機能を有する。

例えば、前記判定部は、前記圧力低下時間が予め定められた閾値を下回ると、前記軸受に異常が発生していると判定する。

前記第２、第３、及び第４の圧力は臨界圧力以上、特にゲージ圧で３kgf/cm²以上であることが好ましい。この場合、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予め定められた第１の圧力に上昇するまで、空気供給源から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第１の圧力に達すると、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空気供給管路を介して空気を供給し、前記空気供給管路の空気圧を検出する第２の圧力計の検出圧力が予め定められた第２の圧力から予め定められた第３の圧力に低下するまでに要する時間である圧力低下時間を測定し、前記遮断弁を開弁状態に切り換えてから、前記第１の圧力計の検出圧力が前記第２の圧力より低圧の予め定められた第４の圧力に低下した時の前記空気流量計の検出流量を取得し、前記圧力低下時間と前記検出流量とに基づいて前記軸受の異常を判定し、前記第２、第３、及び第４の圧力は臨界圧力以上である、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、圧力容器内の空気（第１の圧力）を軸受と主軸の隙間に空気供給管路を介して供給してポンプケーシング内に開放し、空気供給管路内の空気圧が第２の圧力から第３の圧力まで低下するのに要する圧力低下時間に基づいて軸受の異常を判定するので、軸受の異常を正確かつ簡易に判定できる。

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、端末２７、及び第２差圧検出用配管４０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１３Ａ〜１３Ｂは同様構造を有するので、無注水軸受１３Ａについて説明する。無注水軸受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セラミックからなる２個の摺動体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が無注水軸受７Ａの外部と連通している。

３本の空気注入配管２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃは、それぞれ下端側が無注水軸受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の第１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。第１差圧測定用配管２２は、一端がケーシング４内のインペラ７の吐出側である吐出ケーシング４ｆ内に連通し、他端が据付床３ａの上方に位置している。第１差圧測定用配管２２の他端側には、仕切弁Ｖ４と、第２ホース３９を着脱可能に接続するためのコネクタとを備える。

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）ＰＳ１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第１ホース３４の一端に接続されている。第１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では無注水軸受１３Ａの空気注入配管２１Ａに第１ホース３４が接続されている。第１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、無注水軸受１３Ａ〜１３Ｂのいずれかの空気室１８に、空気供給管３３、第１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及び摺動体１６Ａ，１６Ｂを構成するセラミック片間の隙間（以下、これらを併せて無注水軸受１３Ａ〜１３Ｂと主軸８との間の隙間という。）を通ってケーシング４内に流出し、吐出ケーシング４ｆへ排出される。

空気供給管３３には、圧力タンク３１側から順に、減圧弁Ｖ８、開閉可能な電磁弁（遮断弁）Ｖ１、圧力計（第２の圧力計）ＰＳ２が接続されて仕切弁Ｖ２が介設された分岐管路３６、空気流量計ＦＳ、温度計ＴＳが接続された分岐管３７、差圧計ＰＳ３が接続されて仕切弁Ｖ３が介設された分岐管路３８、及び大気圧開放弁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。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。圧力計ＰＳ２は空気供給管３３内の圧縮空気の空気圧を検出する。空気流量計ＦＳは圧力タンク３１から空気供給管３３及び第１ホース３４を介して無注水軸受１３Ａ〜１３Ｂと主軸８の隙間に供給される圧縮空気の流量を検出する。温度計ＴＳは空気供給管３３内の圧縮空気の温度を検出する。差圧計ＰＳ３には第２差圧測定用配管４０の一端が接続されており、この第２差圧測定用配管４０の他端は可撓性を有する配管である第２ホース３９に接続されている。第１差圧測定用配管２２、第２ホース３９、及び第２差圧測定用配管４０を介してケーシング４内の無注水軸受１３Ａ〜１３Ｂよりも下流側の領域の圧力が差圧計ＰＳ３に導入されている。差圧計３３は、この圧力と空気供給管３３内の圧縮空気の圧力（圧力タンク３１から無注水軸受１３Ａ〜１３Ｂと主軸８の隙間への圧縮空気の供給圧）の差圧を検出する。

圧縮空気供給系２５が備える弁のうち、仕切弁Ｖ２〜Ｖ４、ドレン弁Ｖ５、及び大気圧開放弁Ｖ６は手動で開閉され、電磁弁Ｖ１は制御盤２６から入力される駆動信号により開閉する。

制御盤２６は、圧縮空気供給系２５のタンク内圧力計ＰＳ１、圧力計ＰＳ２、差圧計ＰＳ３、空気流量計ＦＳ、及び温度計ＴＳ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の動作を制御して無注水軸受１３Ａ〜１３Ｃの異常検出のための診断手順を実行する。本実施形態において、診断手順は「軸受清掃」、「軸受診断１」、及び「軸受診断２」に大別される。

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、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の第１ホース３４を無注水軸受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、第１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。また、圧縮空気供給系２５の第２ホース３９を第１差圧測定用配管２２に接続する。

診断の対象となる無注水軸受１３Ａは気中に位置していることが望ましい。ケーシング４内の水位が無注水軸受１３Ａまで達している場合には、ケーシング４内の水を排水して少なくとも無注水軸受１３Ａの下方までケーシング４内の水位を低下させる必要がある。仕切弁５を閉弁した状態で圧縮空気供給系２５から空気注入配管２１Ａを介してケーシング４内に圧縮空気を供給すれば、吸込ベル４ｅの下端を介してケーシング４内の水を吸水槽３に排出してケーシング４内の水位を低下させることができる。

軸受清掃は、実際の軸受診断の前に圧縮空気を無注水軸受１３Ａ内に供給し、無注水軸受１３Ａと主軸８の隙間に存在する夾雑物、砂、塵等を除去する動作である。

図５を参照すると、仕切弁Ｖ４が開弁し、かつ電磁弁Ｖ１、仕切弁Ｖ２，Ｖ３、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Ｓ５−１）、オペレータにより端末２７に軸受清掃開始指令が入力される（ステップＳ５−２）。この軸受清掃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Ｓ５−３）。タンク内圧力計ＰＳ１の検出圧力が予め定められた閾値Ｐclean以上になるまでコンプレッサ３２は作動を継続する（ステップＳ５−４）。タンク内圧力計ＰＳ１の検出圧力が閾値Ｐclean以上となると、コンプレッサ３２が停止すると共に（ステップＳ５−５）、電磁弁Ｖ１が開弁する（ステップＳ５−６）。電磁弁Ｖ１が開弁すると、圧力タンク３１内の圧縮空気（圧力Ｐclean）が空気供給管３３、第１ホース３４、及び空気孔１７ａを介して無注水軸受１３Ａの空気室１８に送出される。この圧縮空気によって無注水軸受１３Ａの隙間から夾雑物、砂、塵等が排除される。電磁弁Ｖ１からの経過時間が予め定められた清掃時間Ｔcleanとなると、電磁弁Ｖ１が閉弁して軸受清掃が終了する（ステップＳ５−７，Ｓ５−８）。

軸受清掃に続いて、軸受診断１が実行される。軸受診断１は、無注水軸受１３Ａの摩耗や破損による主軸８との隙間の拡大を診断するための動作である。この軸受診断１は、空気圧制御の分野で知られているように容器に封入したある圧力の空気をオリフィスや機器を介して大気に開放した場合、減圧に要する時間はオリフィス等の隙間の寸法（有効断面積）に依存することを軸受診断に適用したものである。本実施形態では、圧力タンク３２に封入した空気を無注水軸受１３Ａの隙間を介して大気に開放した場合の一定圧力から他の圧力まで低下するのに要する時間を測定する。この時間が短い程、隙間が大きく、摩耗や破損が進行していることになる。また、本実施形態では、圧力タンク３２に封入した空気を無注水軸受１３Ａの隙間を介して大気に開放した場合の、ある圧力まで低下した際の隙間に供給される圧縮空気の流量を測定する。この流量が大きい程、隙間が大きく、摩耗や破損が進行していることになる。

図６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、かつ仕切弁Ｖ２〜Ｖ４が開弁していることを確認した後（ステップＳ６−１）、オペレータＳ５−２により端末２７に軸受診断１開始指令が入力される（ステップＳ６−２）。この軸受診断１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Ｓ６−３）。タンク内圧力計ＰＳ１の検出圧力が予め定められた閾値（第１の圧力）Ｐ１になるまでコンプレッサ３２は作動を継続する（ステップＳ６−４）。タンク内圧力計ＰＳ１の検出圧力が閾値Ｐ１に達すると、コンプレッサ３２が停止すると共に（ステップＳ６−５）、電磁弁Ｖ１が開弁して軸受診断１が開始される（ステップＳ６−６）。電磁弁Ｖ１が開弁すると、圧力タンク３１内の圧縮空気（圧力Ｐ１）が空気供給管３３、第１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。

圧力計ＰＳ２により検出される空気供給管３３内の圧縮空気の空気圧、すなわち無注水軸受１３Ａに供給される圧縮空気の圧力が予め定められた閾値（第２の圧力）Ｐ２まで低下すると、制御盤２７による計時が開始される（ステップＳ６−７、Ｓ６−８）。圧力計ＰＳ２の検出圧力がさらに低下して予め定められた閾値（第４の圧力）Ｐ３に達すると（ステップＳ６−９）、制御盤２７はその時点の空気流量計ＦＳの検出流量、すなわち圧力計ＰＳの検出圧力が閾値Ｐ３に低下した時点の無注水軸受１３Ａに供給される圧縮空気の流量（瞬時値）を取得する（ステップＳ６−１０）。

圧力計ＰＳ２の検出圧力がさらに低下して予め定められた閾値（第３の圧力）Ｐ４に達すると（ステップＳ６−１１）、制御盤２７による計時が取得される（ステップＳ６−１２）。この計時終了により、制御盤２７は圧力計ＰＳ２の検出圧力が閾値ＰＳ２からＰＳ４に低下するまでに要した時間（圧力低下時間）を取得する。

その後、電磁弁Ｖ１が閉弁して、軸受診断１が終了する（ステップＳ６−１３）。圧力計ＰＳ２の検出圧力が閾値Ｐ３となった時点の空気量流量計ＦＳの検出流量と、圧力低下時間は端末２７に保存される。

軸受診断１に続いて軸受診断２が実行される。軸受診断２も、無注水軸受１３Ａの摩耗や破損により主軸８との隙間の拡大を診断するための動作であるが、診断の原理が軸受診断１と相違する。具体的には、軸受診断２は無注水軸受１３Ａと主軸８の隙間に圧縮空気を供給した際の、無注水軸受１３Ａの前後の空気圧の差圧と、隙間に供給される空気の流量との関係から軸受診断を行うものである。

図７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、かつ仕切弁Ｖ２〜Ｖ４が開弁していることを確認した後（ステップＳ７−１）、オペレータにより端末２７に軸受診断２開始指令が入力される（ステップＳ７−２）。この軸受診断２開始指令が入力されると、ステップＳ７−３〜Ｓ７−５の処理によりタンク内圧力計ＰＳ１の検出圧力が閾値Ｐ５となるように、コンプレッサ３２の動作が制御される。具体的には、ステップＳ７−３においてタンク内圧力計ＰＳ１の検出圧力が閾値Ｐ５未満であれば、ステップＳ７−４でコンプレッサ３２が作動する。タンク内圧力計ＰＳ１の検出圧力が閾値Ｐ５に達するまで、コンプレッサ３２は作動を継続する（ステップＳ７−３，Ｓ７−５）。タンク内圧力計ＰＳ１の検出圧力が閾値Ｐ５に達すると（ステップＳ７−５）、コンプレッサ３２が停止する（ステップＳ７−６）。また、電磁弁Ｖ１が開弁して制御盤２６による計時が開始され、軸受診断２が開始される（ステップＳ７−７）。

制御盤２６は、ステップＳ７−７〜Ｓ７−１３の処理により、予め定められた診断時間Ｔｄｉｇの間、タンク内圧力計ＰＳ１の検出圧力を閾値Ｐ５に維持しつつ、差圧計ＰＳ３の検出差圧と、空気流量計ＦＳの検出流量を取得する。具体的には、ステップＳ７−８において、差圧計ＰＳ３の検出差圧と、空気流量計ＦＳの検出流量を取得する。また、ステップＳ７−９でタンク内圧力計ＰＳ１の検出圧力が閾値ＰＳ５未満であれば、ステップＳ７−１０でコンプレッサ３２を作動させる。また、ステップＳ７−１１でタンク内圧力計ＰＳ１の検出圧力が閾値Ｐ５以上であれば、ステップＳ７−１２でコンプレッサ３２を停止する。これらの処理を繰り返しつつ、予め定められたサンプリングレートで差圧計ＰＳ３の検出差圧と、空気流量計ＦＳの検出流量を取得し、計時開始からの経過時間が診断時間Ｔdiagになると（ステップＳ７−１３）、電磁弁Ｖ１が閉弁し、計時を停止すると共に、コンプレッサ３２を停止し、軸受診断２が終了する（ステップＳ７−１４）。差圧計ＰＳ３の検出差圧と、空気流量計ＦＳの検出流量は端末２７に保存される。

無注水軸受１３Ａについて軸受清掃、軸受診断１、及び軸受診断２が終了した後、残りの無注水軸受１３Ｂ，１３Ｃについて軸受診断を実行しない場合には、仕切弁Ｖ４を閉弁する。また、ドレン弁Ｖ５と大気開放弁Ｖ６を開弁して圧力タンク３１と空気供給管３３内を減圧した後、ドレン弁Ｖ５と大気開放弁Ｖ６を閉弁する。

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。まず、軸受診断１に基づく異常判定について説明する。図８は圧力計ＰＳの検出圧力と時間経過の関係を模式的に示す。図８において、符号ａ１は無注水軸受１３Ａの隙間が設計値である場合、符号ａ２は隙間が摺動体１６Ａ，１６Ｂの交換を要する程度まで拡大している場合、ａ３は摺動体１６Ａ，１６Ｂが破損して隙間が大きく拡大している場合を示している。隙間の拡大に伴って圧力低下時間ｔ１〜ｔ３が短くなっている。従って、立軸ポンプ１の製造時に隙間が設計値である場合の圧力低下時間ｔ１等を予め測定し、端末２７に記憶しておき、この測定値に対して実際の軸受診断１で得られた圧力低下時間と比較することで、無注水軸受１３Ａの異常発生の有無及び／又は前記軸受の異常発生の兆候を判定できる。例えば、異常発生やその兆候に対応する圧力低下時間の閾値を予め定めて端末２７に記憶させておき、実際の軸受診断１で得られた圧力低下時間が閾値を下回ると、端末２７が無注水軸受１３Ａに異常発生又はその兆候があると判定することが考えられる。

図８において符号ｂ１〜ｂ３は、圧力計ＰＳの検出圧力が閾値Ｐ３に低下した時点を示す。端末２７は、前述の圧力低下時間に代えて又は圧力低下時間に加えて、このｂ１〜ｂ３に対応する空気流量計ＦＳの検出流量（瞬時値）に基づいて、無注水軸受１３Ａの異常判定を実行できる。ｂ１〜ｂ３に対応する空気流量計ＦＳの検出流量は、無注水軸受１３Ａの隙間が大きくなる程増加する傾向がある。従って、無注水軸受１３Ａの異常発生又はその兆候に対応する空気流量の閾値を予め定めて端末２７に記憶させておき、実際の軸受診断１で得られた検出圧力Ｐ３に対応する空気流量がこの閾値を上回ると、端末２７が無注水軸受１３Ａに異常発生又はその兆候があると判定することが考えられる。

次に、軸受診断２に基づく異常判定について説明する。図９は差圧計ＰＳ３により検出される差圧と空気流量計ＦＳにより検出される空気流量の関係を模式的に示す。符号ｃ１は無注水軸受１３Ａの隙間が設計値である場合、符号ｃ２は隙間が摺動体１６Ａ，１６Ｂの交換を要する程度まで拡大している場合、ｃ３は摺動体１６Ａ，１６Ｂが破損して隙間が大きく拡大している場合を示している。隙間の拡大に伴って同一の差圧に対する空気流流が増加する傾向がある。具体的には、ある差圧ｄｐに対する空気流量はｃ１，ｃ２，ｃ３の順で大きい。従って、立軸ポンプ１の製造時に隙間が設定値の場合の１又は複数の差圧に対する空気流量を予め測定し、端末２７に記憶しておき、この測定値に対して実際の軸受診断２で得られた同一差圧に対する空気流量を比較することで、無注水軸受１３Ａの異常発生の有無及び／又は前記軸受の異常発生の兆候を判定できる。例えば、特定の差圧に対して異常発生やその兆候に対応する空気流量の閾値を予め定めて端末２７に記憶させておき、実際の軸受診断２で得られた当該差圧に対する空気流量が閾値を上回ると、端末２７が無注水軸受１３Ａに異常発生又はその兆候があると判定することが考えられる。

図１０に概念的に示すように、端末２７は複数回実行した軸受診断１，２のそれぞれについて無注水軸受１３Ａの隙間量を推定し、推定した隙間量に基づいて隙間量の今後の推移を最小自乗法等の統計的に手段で求めてもよい。図１０において、符号ｄは推定した隙間量の推移を模式的に示している。また、端末２７は隙間量の閾値ＴＨを予め記憶しておき、この閾値ＴＨと推定した隙間量の推移ｄに基づいて、無注水軸受１３Ａに異常発生又はその兆候があると判定してもよい。

軸受診断１，２（図６，図７）の際に、適切なタイミングで温度計ＴＳで検出された空気供給管３３中の圧縮空気の温度を制御盤２６が取得し、この取得した検出温度に基づいて、端末２７が軸受診断１における圧力低下時間と検出流量や、軸受診断２における検出差圧や検出流量を補正してもよい。この温度補正を行うことにより、より高精度で無注水軸受１３Ａの異常発生又はその兆候をより高精度で判定できる。

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。図６及び図８を参照すると、軸受診断１では、圧力タンク３１への圧縮空気の充填圧を規定する閾値Ｐ１を十分高圧に設定し、圧力計ＰＳ２と空気流量計ＦＳにより圧力と流量の測定中は無注水軸受１３Ａ〜１３Ｃへの空気の供給圧の大気圧Ｐ_ａに対する比が臨界圧力比以上になるように設定することが好ましい。無注水軸受１３Ａ〜１３Ｃの隙間を通過する空気の流速が音速なると、無注水軸受１３Ａ〜１３Ｃ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）ので、無注水軸受１３Ａ〜１３Ｃ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、軸受診断１に基づく異常判定が可能である。

大気圧Ｐ_ａ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、無注水軸受１３Ａ〜１３Ｃの隙間を通過する空気が音速となるには、無注水軸受１３Ａ〜１３Ｃへの空気の供給圧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）。

図１１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、無次元化した供給圧と臨界圧力に対する供給圧の比との関係を示す（軸受内径は１７５mmである。）。この図１１から臨界圧力に対する比が１未満の場合、すなわち供給圧が臨界圧力未満の場合には、供給圧と比とが一対一に対応せず、軸受診断１に基づく異常判定ができないことが分かる。例えば、ｃ＝０．３５mmの場合、供給圧が臨界圧力Ｐ_ｃ未満の領域では、無注水軸受１３Ａ〜１３Ｃの水没深度が０（空気中）、５０cm、１００cmの場合で無次元化した供給圧と臨界圧力に対する供給圧の比の関係が大きく異なり、軸受診断１に基づく異常判定の精度が確保できないことが分かる。一方、臨界圧力Ｐ_ｃに対する比が１以上の場合、すなわち供給圧が臨界圧力Ｐ_ｃ以上の場合には、無次元化した供給圧と臨界圧力に対する供給圧の比がほぼ一対一に対応しており、無注水軸受１３Ａ〜１３Ｂが水没しているか否かにかかわらず軸受診断１に基づく異常判定が可能であることが分かる。

無注水軸受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１１において特に臨界圧力に対する供給圧の比が３以上の領域で供給圧と比との対応関係が良好であることから、供給圧をゲージ圧力で３kgf/cm²以上に設定することが好ましい。逆に言えば、供給圧を臨界圧力Ｐ_ｃ（ゲージ圧力で０．８９３kgf/cm²）以上に設定すれば、無注水軸受１３Ａ〜１３Ｂが水没しているか否かにかかわらず軸受診断１に基づく異常判定が可能であり、特にゲージ圧力で３kgf/cm²以上に設定すればより高精度での異常判定が可能である。軸受診断１の実行中の供給圧を臨界圧力Ｐ_ｃ以上（好ましくはゲージ圧力で３kgf/cm²以上）に維持するには、軸受診断開始のタイミングを規定する閾値Ｐ２、空気流量測定のタイミングを規定する閾値Ｐ３、及び計時終了のタイミングを規定する閾値Ｐ４が臨界圧力Ｐ_ｃ以上（好ましくはゲージ圧力で３kgf/cm²以上）となるように、圧力タンク３１への圧縮空気の充填圧を規定する閾値Ｐ１を十分高圧に設定すればよい。

本実施形態の軸受診断装置は軸受冷却機能を有する。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から第１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。清掃動作を説明するためのフローチャート。軸受診断１を説明するためのフローチャート。軸受診断２を説明するためのフローチャート。軸受診断１における圧力タンク内の圧力と時間の関係を示す模式的な線図。軸受診断２における空気流量と差圧の関係を示す模式的な線図。軸受診断１，２の結果から得られた軸受と隙間の推移の一例を示す模式的な線図。無次元化した供給圧と臨界圧力に対する供給圧の比との関係を示す線図。

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
２２第１差圧測定用配管
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
３６，３７，３８分岐管路
３９第２ホース
４０第２差圧検出用配管
Ｖ１電磁弁
Ｖ２〜Ｖ４仕切弁
Ｖ５ドレン弁
Ｖ６大気開放弁
Ｖ７逆止弁
Ｖ８減圧弁
ＰＳ１タンク内圧力計
ＰＳ２圧力計
ＰＳ３差圧計
ＦＳ空気流量計
ＴＳ温度計

Claims

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設けられた開閉可能な遮断弁と、
前記圧力容器内の空気圧を検出する第１の圧力計と、
前記空気供給管路内の空気圧を検出する第２の圧力計と、
前記空気供給管路に設けられて前記圧力容器から前記隙間に供給される空気の流量を検出する空気流量計と、
前記第１の圧力計の検出圧力が予め定められた第１の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第１の圧力に達すると、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軸受と前記主軸の隙間に前記空気供給管路を介して空気を供給し、前記第２の圧力計の検出圧力が予め定められた第２の圧力からこの第２の圧力より低圧の予め定められた第３の圧力に低下するまでの時間である圧力低下時間を測定し、前記遮断弁を開弁状態に切り換えてから、前記第２の圧力計の検出圧力が前記第２の圧力より低圧の予め定められた第４の圧力に低下した時の前記空気流量計の検出流量を取得する計測制御部と、
前記計測制御部によって測定された前記圧力低下時間と前記検出流量とに基づいて前記軸受の異常を判定する判定部とを備え、
前記第２、第３、及び第４の圧力は臨界圧力以上である、ポンプの軸受診断装置。
前記判定部は、前記圧力低下時間が予め定められた閾値を下回ると、前記軸受に異常が発生していると判定する、請求項１に記載の軸受診断装置。
前記第２、第３、及び第４の圧力はゲージ圧で３kgf/cm²以上である、請求項２に記載の軸受診断装置。
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予め定められた第１の圧力に上昇するまで、空気供給源から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第１の圧力に達すると、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空気供給管路を介して空気を供給し、
前記空気供給管路の空気圧を検出する第２の圧力計の検出圧力が予め定められた第２の圧力から予め定められた第３の圧力に低下するまでに要する時間である圧力低下時間を測定し、
前記遮断弁を開弁状態に切り換えてから、前記第２の圧力計の検出圧力が前記第２の圧力より低圧の予め定められた第４の圧力に低下した時の前記空気流量計の検出流量を取得し、
前記圧力低下時間と前記検出流量とに基づいて前記軸受の異常を判定し、
前記第２、第３、及び第４の圧力は臨界圧力以上である、ポンプの軸受診断方法。