JP6559824B1 - 接触振動検出装置及びそれを備える回転機械、並びに、接触振動検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転機械の接触振動を検出可能な接触振動検出装置を提供する。【解決手段】静止部１３への回転軸１２の接触に起因する接触振動を検出するための接触振動検出装置１００であって、回転中の回転軸１２の変位に基づいて、回転軸１２の回転波形を決定するための回転波形決定部１０１と、回転波形の実効値、及び、回転波形の位相角であるパラメータの変化を検出するためのパラメータ変化検出部１０２と、パラメータの変化の有無に基づいて接触振動の有無を判定するための接触振動判定部１０３とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、接触振動検出装置及びそれを備える回転機械、並びに、接触振動検出方法に関する。

ターボ、タービン、圧縮機等の回転機械では、回転軸が回転する。回転軸の回転中、回転軸が、シール部、油切り部等の静止側に接触することがあり、これにより、接触振動が生じる。また、回転軸の静止側への接触により接触部分の温度上昇が生じ、この結果、回転軸が曲がる。そして、回転軸が曲がることで不釣り合いの度合いが変化することがあり、この場合、接触振動がさらに増幅される。

このように、一度接触振動が発生すると、接触振動が徐々に大きくなる可能性がある。そこで、接触振動が検出された場合には、回転機械の適切な保守管理の観点から、回転機械の回転を停止させることが好ましい。これにより、接触振動の原因を停止状態で究明して、回転機械の長寿命化を図ることができる。

接触振動の検出技術として、特許文献１に記載の技術が知られている。特許文献１には、振動検出器によって回転機械の振動を検出することが記載されている（特に段落００１５参照）。この技術では、検出された振動に基づいて振動ベクトルを決定し、決定された振動ベクトルに基づいて接触振動の有無が判定されている（特に、段落００１６、００１７、００２１を参照）。

特開２００２−３７２４５２号公報

上記特許文献１に記載の技術では、回転軸の振動検出のため、振動検出器が使用されている。しかし、比較的小型な回転機械においては、振動検出器が備えられないことがある。そのため、この場合には、上記特許文献１に記載の技術では、接触振動の検出を行うことができない。また、振動検出器を備える回転機械においても、振動検出器を用いずに接触振動を検出できることで、振動検出器の省略等の利点が見込まれる。従って、接触検出器の有無にかかわらず接触振動を検出可能な技術が望まれている。

本発明は上記の課題に鑑みて為されたものであり、本発明の少なくとも一実施形態は、回転機械の接触振動を検出可能な接触振動検出装置及びそれを備える回転機械、並びに、接触振動検出方法を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る接触振動検出装置は、静止部への回転軸の接触に起因する接触振動を検出するための接触振動検出装置であって、回転中の前記回転軸の変位に基づいて、前記回転軸の回転波形を決定するための回転波形決定部と、前記回転波形の実効値、又は、前記回転波形の位相角のうちの少なくとも一方のパラメータの変化を検出するためのパラメータ変化検出部と、前記パラメータの前記変化の有無に基づいて前記接触振動の有無を判定するための接触振動判定部とを備えることを特徴とする。

上記（１）の構成によれば、例えば変位センサにより測定される変位に基づいて回転波形を決定し、決定された回転波形の上記パラメータの変化に基づくことで、回転軸の静止部への接触に起因する接触振動を検出できる。これにより、振動検出器によらず回転機械の接触振動を検出できる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記接触振動判定部は、前記パラメータの前記変化が所定期間継続して生じている場合に、前記接触振動が生じていると判定するように構成されたことを特徴とする。

上記（２）の構成によれば、実際には接触振動は生じていないにもかかわらず、何らかの理由によりたまたま上記パラメータが変化した場合に、接触振動が生じたとの誤判定を抑制できる。これにより、判定精度を高めることができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、前記回転軸には、前記回転波形における位相角の基準となるパルス波形を重畳させるためのパルス波形生成部が形成され、前記パラメータ変化検出部は、前記パルス波形に対する前記位相角の変化を検出することで、前記パラメータの前記変化を検出するように構成されたことを特徴とする。

上記（３）の構成によれば、静止部への接触により回転波形の位相角が変化しても、回転波形に重畳されるパルス波形の位置は不変であるため、基準信号としてのパルス波形に対する回転波形の位相角変化を算出することで、パラメータの変化を精度よく検出できる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、前記パルス波形生成部は、前記回転軸の外周面に、前記回転軸の周方向で等間隔に形成された２以上の切り欠き部を含むことを特徴とする。

上記（４）の構成によれば、切り欠き部の回転軸への形成を容易に行うことができる。また、回転軸の回転中のバランスを良くし、回転軸を安定して回転できる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（３）又は（４）の構成において、前記パラメータ変化検出部は、検出された前記パルス波形を分周することで基準パルス波形を決定するように構成され、前記パラメータ変化検出部は、前記基準パルス波形に対する前記位相角の変化を検出することで、前記パラメータの前記変化を検出するように構成されたことを特徴とする。

上記（５）の構成によれば、分周により、切り欠き部に対応する２以上のパルス波形から１つの基準パルス波形を決定できる。そのため、基準パルス波形に対する位相角を容易に算出できる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（５）の構成において、前記パラメータ変化検出部は、前記実効値及び前記位相角の変化を検出するように構成され、前記接触振動判定部は、前記実効値の変化、及び、前記位相角の変化を検出したときに、前記接触振動が生じていると判定するように構成されたことを特徴とする。

上記（６）の構成によれば、接触振動の検出精度を高めることができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（６）の構成において、前記接触振動検出装置は、前記接触振動の発生を検出したとき、使用者に対して前記接触振動の発生を通知するための通知部を備えることを特徴とする。

上記（７）の構成によれば、接触振動の検出を使用者に通知でき、これにより、使用者が回転機械の運転を停止する等、使用者に対して適切な行動をとることを促すことができる。

（８）本発明の少なくとも一実施形態に係る回転機械は、回転軸と、上記（１）〜（７）の何れか１に記載の接触振動検出装置とを備えることを特徴とする。

上記（８）の構成によれば、回転機械において生じた接触振動を検出して、回転機械の適切な保守管理を行うことができる。

（９）本発明の少なくとも一実施形態に係る接触振動検出方法は、静止部への回転軸の接触に起因する接触振動を検出する接触振動検出方法であって、回転中の前記回転軸の変位に基づいて、前記回転軸の回転波形を決定する回転波形決定ステップと、前記回転波形の実効値、又は、前記回転波形の位相角のうちの少なくとも一方のパラメータの変化を検出するパラメータ変化検出ステップと、前記パラメータの前記変化に基づいて前記接触振動の有無を判定する接触振動判定ステップとを含むことを特徴とする。

上記（９）の方法によれば、例えば変位センサにより測定される変位に基づいて回転波形を決定し、決定された回転波形の上記パラメータの変化に基づくことで、回転軸の静止部への接触に起因する接触振動を検出できる。これにより、振動検出器によらず回転機械の接触振動を検出できる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、回転機械の接触振動を検出可能な接触振動検出装置及びそれを備える回転機械、並びに、接触振動検出方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る接触振動検出装置を適用した回転機械を示すブロック図である。 回転軸に形成される切り欠き部を示す部であり、（ａ）は切り欠き部と変位センサとの相対的な位置関係を示す図であり、（ｂ）は回転軸における切り欠き部の形成位置を説明するための図である。 回転波形決定部により決定された回転軸の回転波形を示すグラフであり、時刻Ｔ_０における回転軸の回転波形である。 回転波形の分周により決定される基準パルス波形を示すグラフである。 回転波形決定部により決定された回転軸の回転波形を示すグラフであり、時刻Ｔ_１における回転軸の回転波形である。 回転波形決定部により決定された回転軸の回転波形を示すグラフであり、（ａ）は時刻Ｔ_０における回転軸の回転波形、（ｂ）は時刻Ｔ_２における回転軸の回転波形、（ｃ）は時刻Ｔ_３における回転軸の回転波形である。 本発明の一実施形態に係る接触振動検出装置において行われる接触振動検出方法を示すフローチャートである。 本発明の二実施形態に係る接触振動検出方法を示すフローチャートである。 本発明の三実施形態に係る接触振動検出方法を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、以下に実施形態として記載されている内容又は図面に記載されている内容は、あくまでも例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、任意に変更して実施することができる。また、各実施形態は、２つ以上を任意に組み合わせて実施することができる。さらに、各実施形態において、共通する部材については同じ符号を付すものとし、説明の簡略化のために重複する説明は省略する。

また、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る接触振動検出装置１００を適用した回転機械２００を示すブロック図である。回転機械２００は、回転機械本体部１０と、接触振動検出装置１００とを備える。これらのうち、回転機械本体部１０は、いずれも図示しないが、ターボ、タービン、圧縮機等により構成される。また、接触振動検出装置１００は、回転機械本体部１０において生じた、静止部１３への回転軸１２の接触に起因する接触振動を検出するためのものである。

回転機械本体部１０は、ケーシング１１と、回転軸１２と、静止部１３と、変位センサ１４とを備える。ケーシング１１は、回転軸１２、静止部１３、変位センサ１４等を収容するものである。回転軸１２は、回転機械本体部１０が例えばターボの場合には、例えば船舶の排ガス等が有するエネルギによって回転されるものである。また、静止部１３は、いずれも図示しないが、例えばシール部、油切部等である。

さらに、変位センサ１４は、回転軸１２の回転中における回転軸１２の変位を測定するものである。変位センサ１４は、回転機械本体部１０において通常備えられる。変位センサ１４は、例えば渦電流方式のセンサにより構成される。変位センサ１４により測定された変位は、後記する回転波形決定部１０１に入力される。変位センサ１４は、本発明の一実施形態では１つのみ設けられている。

これらのうち、回転軸１２には、回転軸１２の回転に伴って生じる回転波形にパルス波形を重畳させるための切り欠き部１２ａ（パルス波形生成部）が形成される。この点を、図２を参照しながら説明する。

図２は、回転軸１２に形成される切り欠き部１２ａを示す部であり、（ａ）は切り欠き部１２ａと変位センサ１４との相対的な位置関係を示す図であり、（ｂ）は回転軸における切り欠き部１２ａの形成位置を説明するための図である。図２には、上記の変位センサ１４を併せて図示している。

図２（ａ）に示す回転軸１２は、回転中心線Ｌを回転中心として回転する。そして、回転軸１２の表面には、例えば断面矩形状の切り欠き部１２ａが形成される。この切り欠き部１２ａは、図２（ｂ）に示すように、回転軸１２の外周面に、回転軸１２の周方向に等間隔で形成される。また、２つの切り欠き部１２ａは、同じ大きさかつ同じ形状である。２つ（３つ以上でもよい）の切り欠き部１２ａが等間隔で形成されることで、切り欠き部１２ａの回転軸１２への形成を容易に行うことができる。また、回転軸１２の回転中のバランスを良くし、回転軸１２を安定して回転できる。

なお、詳細は後記するが、切り欠き部１２ａが形成されることで、回転軸１２の回転により決定される回転波形に対し、パルス波形が重畳される。

図１に戻って、接触振動検出装置１００は、回転波形決定部１０１と、パラメータ変化検出部１０２と、接触振動判定部１０３と、通知部１０４とを備える。これらのうち、パラメータ変化検出部１０２は、実効値算出部１０２ａと、位相角算出部１０２ｂと、分周部１０２ｃと、検出部１０２ｄと、パラメータデータベース１０２ｅとを備える。

回転波形決定部１０１は、回転中の回転軸１２の変位に基づいて、回転軸１２の回転波形を決定するためのものである。具体的な回転波形の形状を、一例として図３に示す。

図３は、回転波形決定部１０１により決定された回転軸１２の回転波形５０１を示すグラフであり、時刻Ｔ_０における回転軸１２の回転波形５０１である。変位センサ１４を用いた回転軸１２の変位はリアルタイムで測定され、測定された変位はリアルタイムで回転波形決定部１０１に送信される。そのため、例えば図３に示すような形状の回転波形５０１も、リアルタイムで決定される。

図３に示す回転波形においては、回転軸１２の回転に伴って生じる通常の回転波形５０１（最大振幅１）に加えて、０°≦位相角≦３６０°において２つのパルス波形５０２（最大振幅５）が生成している。これらのパルス波形５０２は、上記の図２を参照しながら説明した２つの切り欠き部１２ａに起因する。即ち、回転軸１２が回転すると、回転軸１２の外周面に等間隔で形成された切り欠き部１２ａの部分において回転軸１２の変位が大きく変化する。そのため、２つの切り欠き部１２ａに対応するパルス波形５０２が、位相角の差が１８０°となって通常の回転波形５０１に重畳される。

なお、パルス波形５０２は、詳細は後記するが、上記回転波形５０１における位相角の基準信号となる。即ち、静止部１３への回転軸１２に起因して回転波形５０１の位相角が変化しても、重畳されるパルス波形５０２の位置は不変である。そのため、基準信号としてのパルス波形５０２に対する回転波形５０１の位相角変化を算出することで、回転波形５０１の位相角変化を検出できる。

図１に戻って、パラメータ変化検出部１０２は、回転波形の実効値、及び、回転波形の位相角であるパラメータの変化を検出するためのものである。ただし、これらのパラメータは、何れか一方のみでもよい。パラメータ変化検出部１０２は、上記のように、実効値算出部１０２ａと、位相角算出部１０２ｂと、分周部１０２ｃと、検出部１０２ｄと、パラメータデータベース１０２ｅとを備える。

実効値算出部１０２ａは、回転波形の実効値を算出するためのものである。ここでいう回転波形とは、例えば上記の図３を参照しながら説明した回転波形５０１である。実効値の算出は、回転軸１２の回転が整定状態（即ち、回転軸１２の回転速度が一定）のときに取得された回転波形に基づいて行うことが好ましい。

回転波形の実効値Ｅは、以下の式（１）により算出できる。なお、上記のパルス波形の大きさは一定であるから、実効値Ｅの算出では、算出の簡略化のために、パルス波形の大きさ（面積）については考慮しない。

式（１）において、ｘ（ｔ）は時刻ｔを変数とする回転波形の関数、Ｔは回転波形の周期を表す。算出された実効値Ｅは、パラメータデータベース１０２ｅに記録される。

位相角算出部１０２ｂは、回転波形の位相角を算出するためのものである。ここでいう位相角とは、回転波形に重畳したパルス波形に対する位相角、即ち、パルス波形との位相角差である。ここでいう回転波形とは、例えば上記の図３を参照しながら説明した回転波形５０１であり、パルス波形とは、例えば上記の図３を参照しながら説明したパルス波形５０２である。位相角の算出は、回転軸１２の回転が整定状態（即ち、回転軸１２の回転速度が一定）のときに取得された回転波形及びパルス波形に基づいて行うことが好ましい。

ここで、静止部１３への接触により回転波形の位相角が変化しても、回転波形に重畳されるパルス波形の位置は不変である。そのため、基準信号としてのパルス波形に対する回転波形の位相角変化を算出することで、位相角（パラメータ）の変化を精度よく検出できる。

回転波形の位相角は、回転次数比分析及び高速フーリエ分析により算出できる。具体的には、複素関数Ｆ（ｔ）の位相角は、以下の式（２）により算出できる。

式（２）において、時間配列ｆ（ｘ）がフーリエ変換を行うデータ個数Ｎ個の配列で構成され、上式によりデータ個数０からＮ−１分だけの周波数ｔとなって、複素関数Ｆ（ｔ）の位相角は、複素数（ｅ）の実部虚部で求められる。算出された位相角は、パラメータデータベース１０２ｅに記録される。

上記のように、本発明の一実施形態では、基準信号としてのパルス波形に対する回転波形の位相角が算出される。ただし、算出の簡略化のために、２つのパルス波形を分周し、分周により得られた１つの基準パルス波形に対する回転波形の位相角を算出することが好ましい。以下、回転波形の分周及び基準パルス波形について、回転波形の分周を行うための分周部１０２ｃに触れつつ説明する。

分周部１０２ｃは、回転波形中に検出された上記パルス波形を分周することで基準パルス波形を決定するためのものである。分周となるパルス波形は、例えば上記の図３を参照しながら説明した２つのパルス波形５０２である。分周により、２つの切り欠き部１２ａに対応する２つのパルス波形から１つの基準パルス波形が決定される。基準パルス波形について、上記の図３に加えて、新たに図４を併せて参照しながら説明する。

図４は、回転波形の分周により決定される基準パルス波形５０３を示すグラフである。図４には、０°≦位相角≦３６０°において１つの基準パルス波形５０３（最大振幅５）が示されている。なお、基準パルス波形５０３の振幅と、上記のパルス波形５０２（図３参照）の振幅とは同じである。

上記図３に示すパルス波形５０２は、上記のように０°≦位相角≦３６０°において２つ存在する。そこで、分周部１０２ｃは、２つのパルス波形５０２を分周して、２つのパルス波形５０２を１つのパルス波形５０２に変換する。そして、変換により得られたパルス波形５０２が基準パルス波形５０３として決定される。なお、図４に示す例では、基準パルス波形５０３の位相角は２０°であることから、基準パルス波形５０３に対する回転波形５０１（図３参照）の位相角は、この２０°からどの程度ずれているかを示すものである。

分周により基準パルス波形５０３が決定されることで、切り欠き部１２ａに対応する２以上のパルス波形から１つの基準パルス波形を決定できる。そのため、基準パルス波形５０３に対する回転波形５０１（図３参照）の位相角を容易に算出できる。

図１に戻って、検出部１０２ｄは、上記の実効値算出部１０２ａにより算出された実効値、及び、上記の位相角算出部１０２ｂにより算出された位相角のそれぞれについて、それらの変化を検出するものである。具体的には、検出部１０２ｄは、現在の実効値及び位相角と、パラメータデータベース１０２ｅに記録された例えば１分前の実効値及び位相角とをそれぞれ比較する。そして、検出部１０２ｄは、実効値及び位相角のそれぞれについて変化が生じたか否かを判断するようになっている。この点を、上記の図３に加え、さらに図５を新たに参照しながら説明する。

図５は、回転波形決定部１０１により決定された回転軸１２の回転波形５０１を示すグラフであり、時刻Ｔ_１における回転軸１２の回転波形５０１である。ここでいう時刻Ｔ_１は、上記の図３に示す回転波形５０１の時刻Ｔ_０に対し、例えば１分後の時刻である。図３及び図５においては、パルス波形５０２の位相角及び振幅は同じである。しかし、通常の回転波形５０１の位相角は同じであるが、回転波形５０１の最大振幅が、図３に示す振幅（最大振幅１）と比べて、大きくなっている（最大振幅３）。従って、振幅から算出される実効値が、具体的な値の説明は省略するが、図３に示す回転波形の時刻Ｔ_０から、図４に示す回転波形の時刻Ｔ_１の間で変化が生じている。そのため、この場合には、上記の検出部１０２ｄは、実効値の変化を検出することになる。

図６は、回転波形決定部１０１により決定された回転軸１２の回転波形５０１を示すグラフであり、（ａ）は時刻Ｔ_０における回転軸１２の回転波形５０１、（ｂ）は時刻Ｔ_２における回転軸１２の回転波形５０１、（ｃ）は時刻Ｔ_３における回転軸１２の回転波形５０１である。これらのグラフのうち、図６（ａ）に示す回転波形５０１は、縦軸のスケールが異なること以外は、上記の図３に示す回転波形５０１と同じものである。また、時刻Ｔ_２は、時刻Ｔ_０から例えば２分経過後の時刻、時刻Ｔ_３は、時刻Ｔ_０から例えば３分経過後の時刻である。

図６（ａ）〜（ｃ）においては、パルス波形５０２の位相角及び振幅は同じである。しかし、回転波形５０１の腹の位置が、図６（ａ）〜（ｃ）で変化している。具体的には、時刻Ｔ_０における回転波形５０１を示す図６（ａ）では、回転波形５０１に含まれる腹の位相角のうち最も小さい角度が９０°である。従って、図６では図示しない基準パルス波形５０３（図４参照、位相角２０°）に対する位相角（位相角の差）は、７０°である。また、時刻Ｔ_２における回転波形５０１を示す図６（ｂ）では、腹の位相角のうち最も小さい角度が６７．５°である。従って、基準パルス波形５０３に対する位相角は４７．５°である。さらに、時刻Ｔ_３における回転波形５０１を示す図６（ｃ）では、腹の位相角のうち最も小さい角度が４５°である。従って、基準パルス波形５０３に対する位相角は２５°である。

これらのように、時刻Ｔ_０、Ｔ_２、Ｔ_３において、基準パルス波形５０３に対する回転波形５０１の位相角が変化している。そのため、この場合には、上記の検出部１０２ｄは、位相角の変化を検出することになる。

図１に戻って、パラメータデータベース１０２ｅは、上記の実効値算出部１０２ａにより算出された実効値、及び、上記の位相角算出部１０２ｂにより算出された位相角のそれぞれが記録されるものである。上記のように、実効値及び位相角は、それぞれ例えば１分毎に算出されることから、パラメータデータベース１０２ｅへの記録も、１分毎に行われる。

接触振動判定部１０３は、上記の検出部１０２ｄにより検出された実効値及び位相角（パラメータ）の変化の有無に基づいて上記接触振動の有無を判定するためのものである。具体的には、本発明の一実施形態では、接触振動判定部１０３は、実効値に変化が生じ、かつ、位相角に変化が生じた場合には、回転軸１２に接触振動が生じたと判定するようになっている。ただし、詳細は後記するが、いずれか一方の変化が生じたときに回転軸１２に接触振動が生じたと判定するようにしてもよい。

通常、回転速度が整定し、回転軸１２が安定しているとき、実効値及び位相角はいずれも変化しない。しかし、例えば実効値についていえば、何らかの原因により静止部１３への回転軸１２の接触が生じると、接触振動が生じる。また、接触部分では摩擦に起因する熱が発生し、温度が上昇する。この結果、回転軸１２が曲がり、回転軸１２が不安定となるため、接触振動が大きくなる。そして、これを繰り返すことで、回転軸１２の不安定性に起因して、回転波形に変化が生じる。この結果、回転波形から算出される実効値が変化（例えば増加）する。そこで、接触振動判定部１０３は、実効値の変化に基づいて接触振動の有無を判定している。

また、例えば位相角についていえば、静止部１３への接触に起因して上記のように回転軸１２が不安定になっても、当該不安定さを打ち消すような別の接触が生じることで、上記実効値の変化（即ち振幅の変化）が極めて小さくなる可能性がある。この場合、実効値はほとんど変わらない。しかし、静止部１３への回転軸１２の接触により、回転軸１２の円周上の１箇所の接触部分が局所加熱されるため、回転軸１２が熱曲がりを起こす。この結果、十分にアンバランスが除去された回転軸１２に熱曲がりによるアンバランスが相俟って、それが振動として発生する。そして、接触によるアンバランスは時間と共に円周上を移動することから、回転波形の位相角がずれていく。そこで、接触振動判定部１０３は、位相角の変化に基づいて接触振動の有無を判定している。

そして、本発明の一実施形態では、接触振動判定部１０３は、実効値の変化、及び、位相角の変化を検出したときに、接触振動が生じていると判定するように構成されている。このようにすることで、接触振動の検出精度を高めることができる。

また、本発明の一実施形態では、接触振動判定部１０３は、上記実効値及び上記位相角（パラメータ）の変化が所定期間継続している場合に、上記接触振動が生じていると判定するように構成されている。ここでいう所定期間には、例えば上記のように所定時間毎（例えば１分毎）に実効値及び位相角が算出されている場合には、例えば１００回連続して変化が生じた場合が含まれる。また、例えば、回転波形の決定とともに実効値及び位相角の算出がリアルタイムで行われている場合には、例えば１時間４０分連続して変化が生じた場合が含まれる。

このようにすることで、実際には接触振動は生じていないにもかかわらず、何らかの理由によりたまたまパラメータ（実効値及び位相角）が変化した場合に、接触振動が生じたとの誤判定を抑制できる。これにより、判定精度を高めることができる。

通知部１０４は、接触振動判定部１０３によって接触振動の発生を検出したとき、使用者に対して接触振動の発生を通知するためのものである。通知部１０４により、接触振動の検出を使用者に通知でき、これにより、使用者が回転機械２００の運転を停止する等、使用者に対して適切な行動をとることを促すことができる。通知部１０４は、例えば、図示しないランプを点灯させたり、図示しないモニタ画面に表示させたりすることで、使用者への通知を行う。

以上の構成の接触振動検出装置１００によれば、例えば変位センサ１４により測定される変位に基づいて回転波形を決定し、決定された回転波形の上記パラメータ（実効値及び位相角）の変化に基づくことで、回転軸１２の静止部１３への接触に起因する接触振動を検出できる。これにより、振動検出器によらず回転機械２００（より具体的には回転機械本体部１０）の接触振動を検出できる。なお、本発明の一実施形態は、振動検出器の具備を排除するものではない。

特に、例えば図１に示すような、回転軸１２及び接触振動検出装置１００を備える回転機械２００によれば、回転機械２００において生じた接触振動を検出して、回転機械２００の適切な保守管理を行うことができる。

なお、上記の接触振動検出装置１００は、いずれも図示しないが、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、Ｉ／Ｆ（ＩｎｔｅｒＦａｃｅ）、制御回路等を備え、ＲＯＭに格納されている所定の制御プログラムがＣＰＵによって実行されることにより具現化される。

図７は、本発明の一実施形態に係る接触振動検出装置１００において行われる接触振動検出方法を示すフローチャートである。図７に示す接触振動検出方法は、上記の静止部１３への回転軸１２の接触に起因する接触振動を検出するものである。この接触振動検出方法は、例えば上記の図１に示す接触振動検出装置１００によって実行可能である。そこで、以下の説明においては、上記の図１を併せて参照しながら図７の説明を行う。

回転軸１２の回転開始後、回転軸１２の回転速度が一定となり、回転軸１２が回転整定する（ステップＳ１）。また、変位センサ１４により、回転軸１２の回転開始時から、回転軸１２の変位が測定されている（ステップＳ２）。変位の測定は、回転軸１２の回転整定中、リアルタイムで行われる。そして、回転波形決定部１０１は、回転中の回転軸１２の変位に基づいて、回転軸１２の回転波形を決定する（ステップＳ３、回転波形決定ステップ）。これにより、例えば時刻Ｔ_０での変位に基づいて決定した場合には、上記の図３に示した回転波形５０１及びパルス波形５０２が決定される。

次いで、実効値算出部１０２ａは、決定された回転波形の実効値を算出する（ステップＳ４）。具体的な算出方法は、上記の接触振動検出装置１００において説明した方法を適用することができる。算出された実効値は、パラメータデータベース１０２ｅに記録される。そして、検出部１０２ｄは、パラメータデータベース１０２ｅに記録された実効値同士を比較して、回転波形の実効値に変化があるか否かを判定する（ステップＳ５、パラメータ変化検出ステップ）。ここでいう実効値の変化とは、例えば上記の図３及び図５を参照しながら説明した変化である。

この判定の結果、回転波形の実効値に変化があると判定した場合には（ステップＳ５のＹｅｓ方向）、接触振動判定部１０３は、その変化が所定期間継続しているか否かを判定する（ステップＳ６）。ここでいう所定期間継続とは、上記の接触振動検出装置１００において説明した所定期間継続と同義である。そして、実効値変化が所定期間継続している場合には（ステップＳ６のＹｅｓ方向）、分周部１０２ｃは、上記実効値を算出した回転波形５０１に重畳されたパルス波形を分周し、基準パルス波形を決定する（ステップＳ７）。ここでいう基準パルス波形は、上記の図４を参照しながら説明した基準パルス波形５０３である。

なお、上記のステップＳ５において実効値に変化がないと判定した場合（ステップＳ５のＮｏ方向）、及び、上記のステップＳ６において変化が所定期間継続していないと判定された場合には（ステップＳ６のＮｏ方向）、フローが終了する。このとき、上記のパラメータデータベース１０２ｅに記録された実効値は消去される。

上記のステップＳ７において基準パルス波形が決定された後、位相角算出部１０２ｂは、基準パルス波形を決定した回転波形について、基準パルス波形に対する位相角を算出する（ステップＳ８）。具体的な算出方法は、上記の接触振動検出装置１００において説明した方法を適用することができる。算出された位相角は、パラメータデータベース１０２ｅに記録される。

そして、検出部１０２ｄは、パラメータデータベース１０２ｅに記録された位相角同士を比較して、基準パルス波形に対する位相角に変化があるか否かを判定する（ステップＳ９、パラメータ変化検出ステップ）。ここでいう位相角の変化とは、例えば上記の図６（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明した変化である。

この判定の結果、検出部１０２ｄが位相角に変化があると判定した場合には（ステップＳ９のＹｅｓ方向）、接触振動判定部１０３は、その変化が所定期間継続しているか否かを判定する（ステップＳ１０）。ここでいう所定期間継続とは、上記の接触振動検出装置１００において説明した所定期間継続と同義である。そして、その変化が所定期間継続している場合には（ステップＳ１０のＹｅｓ方向）、接触振動判定部１０３は、静止部１３への回転軸１２の接触に起因する接触振動が存在すると判定し、接触振動判定部１０３により接触振動が検出される（ステップＳ１１、接触振動判定ステップ）。

なお、上記のステップＳ９において位相角に変化がないと判定した場合（ステップＳ９のＮｏ方向）、及び、上記のステップＳ１１において変化が所定期間継続していないと判定された場合には（ステップＳ１１のＮｏ方向）、フローが終了する。このとき、上記のパラメータデータベース１０２ｅに記録された実効値及び位相角は消去される。

接触振動判定部１０３により接触振動が検出された後、通知部１０４は、例えばランプの点灯、ディスプレイへの表示等により、接触振動の検出を使用者に通知する（ステップＳ１２）。そして、フローは終了する。

以上の接触振動検出方法によれば、例えば変位センサ１４により測定される変位に基づいて回転波形を決定し、決定された回転波形の上記パラメータ（実効値及び位相角）の変化に基づくことで、回転軸１２の静止部１３への接触に起因する接触振動を検出できる。これにより、振動検出器によらず回転機械２００（より具体的には回転機械本体部１０）の接触振動を検出できる。

図８は、本発明の二実施形態に係る接触振動検出方法を示すフローチャートである。上記の図７に示した各ステップと同じステップについては、説明の簡略化のために重複する説明を省略する。

この図８に示すフローは、上記の図７に示すフローにおいて、実効値の変化のみに基づいて、接触振動の検出を行うものである。即ち、実効値の変化が所定期間継続して変化していると判定された場合（ステップＳ６のＹｅｓ方向）、接触振動判定部１０３は、静止部１３への回転軸１２の接触に起因する接触振動が存在すると判定し、接触振動判定部１０３により接触振動が検出される（ステップＳ１１、接触振動判定ステップ）。そして、上記の図７に示すフローと同様に、使用者に対する通知が行われ（ステップＳ１２）、フローが終了する。

上記のように、静止部１３への接触により回転軸１２が不安定になっても、当該不安定さを打ち消すような別の接触が生じることで、上記実効値の変化が極めて小さくなる可能性がある。しかし、回転軸１２の不安定さを完全に打ち消すことができるような別の接触が生じる可能性はそれほど高くない。そのため、静止部１３への回転軸１２の接触が生じれば、通常は、回転波形の実効値に変化が生じると考えられる。そして、実効値変化は、例えば上記の式（１）に示すように簡単な算出式により算出できため、実効値変化の検出は簡便である。従って、実効値のみにより接触振動の検出を行う図８のフローによれば、簡便な方法で接触振動を検出できる。

図９は、本発明の三実施形態に係る接触振動検出方法を示すフローチャートである。上記の図７に示した各ステップと同じステップについては、説明の簡略化のために重複する説明を省略する。

この図９に示すフローは、上記の図７に示すフローにおいて、位相角の変化のみに基づいて、接触振動の検出を行うものである。即ち、回転波形決定部１０１により回転波形が決定された後（ステップＳ３）、分周部１０２ｃにより、パルス波形の分周及び基準パルス波形が決定される（ステップＳ７）。そして、上記の図７に示すフローと同様にして位相角を用いた接触振動の検出が行われ（ステップＳ７〜Ｓ１１）、使用者に対する通知が行われた後（ステップＳ１２）、フローが終了する。

上記のように、回転軸１２が静止部１３に接触すると、接触振動が発生する。これとともに、接触部分が熱を帯び、接触部分の温度が上昇する。この結果、回転軸１２が曲がり、回転軸１２が不安定となる。このため、位相角のみに基づいて接触振動の有無を判定することで、接触振動を検出できる。

１０ 回転機械本体部
１１ ケーシング
１２ 回転軸
１２ａ 切り欠き部
１３ 静止部
１４ 変位センサ
１００ 接触振動検出装置
１０１ 回転波形決定部
１０２ パラメータ変化検出部
１０２ａ 実効値算出部
１０２ｂ 位相角算出部
１０２ｃ 分周部
１０２ｄ 検出部
１０２ｅ パラメータデータベース
１０３ 接触振動判定部
１０４ 通知部
２００ 回転機械
５０１ 回転波形
５０２ パルス波形
５０３ 基準パルス波形

Claims (9)

1. 静止部への回転軸の接触に起因する接触振動を検出するための接触振動検出装置であって、
   回転中の前記回転軸の変位に基づいて、前記回転軸の回転波形を決定するための回転波形決定部と、
   前記回転波形の実効値、又は、前記回転波形の位相角のうちの少なくとも一方のパラメータの変化を検出するためのパラメータ変化検出部と、
   前記パラメータの前記変化の有無に基づいて前記接触振動の有無を判定するための接触振動判定部とを備える
   ことを特徴とする、接触振動検出装置。
2. 前記接触振動判定部は、前記パラメータの前記変化が所定期間継続して生じている場合に、前記接触振動が生じていると判定するように構成された
   ことを特徴とする、請求項１に記載の接触振動検出装置。
3. 前記回転軸には、前記回転波形における位相角の基準となるパルス波形を重畳させるためのパルス波形生成部が形成され、
   前記パラメータ変化検出部は、前記パルス波形に対する前記位相角の変化を検出することで、前記パラメータの前記変化を検出するように構成された
   ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の接触振動検出装置。
4. 前記パルス波形生成部は、前記回転軸の外周面に、前記回転軸の周方向で等間隔に形成された２以上の切り欠き部を含む
   ことを特徴とする、請求項３に記載の接触振動検出装置。
5. 前記パラメータ変化検出部は、検出された前記パルス波形を分周することで基準パルス波形を決定するように構成され、
   前記パラメータ変化検出部は、前記基準パルス波形に対する前記位相角の変化を検出することで、前記パラメータの前記変化を検出するように構成された
   ことを特徴とする、請求項３又は４に記載の接触振動検出装置。
6. 前記パラメータ変化検出部は、前記実効値及び前記位相角の変化を検出するように構成され、
   前記接触振動判定部は、前記実効値の変化、及び、前記位相角の変化を検出したときに、前記接触振動が生じていると判定するように構成された
   ことを特徴とする、請求項１〜５の何れか１項に記載の接触振動検出装置。
7. 前記接触振動検出装置は、前記接触振動の発生を検出したとき、使用者に対して前記接触振動の発生を通知するための通知部を備える
   ことを特徴とする、請求項１〜６の何れか１項に記載の接触振動検出装置。
8. 回転軸と、
   請求項１〜７の何れか１項に記載の接触振動検出装置と、を備える
   ことを特徴とする、回転機械。
9. 静止部への回転軸の接触に起因する接触振動を検出する接触振動検出方法であって、
   回転中の前記回転軸の変位に基づいて、前記回転軸の回転波形を決定する回転波形決定ステップと、
   前記回転波形の実効値、又は、前記回転波形の位相角のうちの少なくとも一方のパラメータの変化を検出するパラメータ変化検出ステップと、
   前記パラメータの前記変化に基づいて前記接触振動の有無を判定する接触振動判定ステップとを含む
   ことを特徴とする、接触振動検出方法。
   

Images