JP6639266B2 - Abnormality diagnosis device and abnormality diagnosis method - Google Patents
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Description
この発明は、軸受装置の異常診断装置及び軸受装置の異常診断方法に関する。 The present invention relates to a bearing device abnormality diagnosis device and a bearing device abnormality diagnosis method.
特開2013−185507号公報(特許文献1)は、風力発電装置に設けられる機器の異常について適切に診断できる状態監視システム(CMS:Condition Monitoring System)を開示する。この状態監視システムにおいては、主軸軸受に固定された加速度センサにより測定された振動データの実効値を用いて、主軸軸受に損傷が発生しているか否かが診断される。 Japanese Patent Laying-Open No. 2013-185507 (Patent Document 1) discloses a condition monitoring system (CMS: Condition Monitoring System) that can appropriately diagnose an abnormality of a device provided in a wind power generator. In this state monitoring system, it is diagnosed whether or not the main shaft bearing is damaged by using an effective value of vibration data measured by an acceleration sensor fixed to the main shaft bearing.
振動データの実効値は、振動データの波形の振幅の二乗平均の平方根(RMS:Root Mean Square)として規定される。実効値は、振動データの波形にどの程度の大きさの振幅が含まれるかの目安となる指標値といえる。 The effective value of the vibration data is defined as a root mean square (RMS) of the amplitude of the waveform of the vibration data. The effective value can be said to be an index value that is a measure of the magnitude of the amplitude included in the waveform of the vibration data.
軸受装置に損傷が生じた場合、損傷に起因した振動が新たに発生したり、正常時には発生していた振動が異常時には発生しなくなったりする場合がある。このように振動データの波形の振幅は、正常時と異常時とで異なる状態となり得る。そのため、振動データの実効値を用いて、振動データから軸受装置の異常を検出する場合がある。 When the bearing device is damaged, vibrations due to the damage may be newly generated, or the vibrations that have been generated in a normal state may not be generated in an abnormal state. As described above, the amplitude of the waveform of the vibration data may be different between a normal state and an abnormal state. Therefore, an abnormality of the bearing device may be detected from the vibration data using the effective value of the vibration data.
実効値の算出にあたっては、一般的に、加速度の振動データにおける振幅の二乗平均を算出するときに損傷に起因しない振動の振幅も用いられる。損傷に起因しない振動の振幅は、損傷の有無によってはほとんど変化しない。したがって、損傷の有無による実効値の変化は、損傷に起因する振動の振幅の変化にほとんど依存している。 In calculating the effective value, generally, when calculating the root mean square of the amplitude in the acceleration vibration data, the amplitude of the vibration that is not caused by damage is also used. The amplitude of vibration not caused by damage hardly changes depending on the presence or absence of damage. Therefore, the change in the effective value due to the presence or absence of the damage almost depends on the change in the amplitude of the vibration caused by the damage.
風力発電装置の主軸軸受のように低速(たとえば100rpm程度)で回転する軸受装置において損傷が生じた場合、損傷に起因した加速度の変化は、高速で回転する軸受装置よりも小さい場合が多く、損傷に起因しない加速度の変化と区別することが困難になる。その結果、損傷の有無によっては実効値がほとんど変化しなくなる。そのため、低速で回転する軸受装置の異常診断を加速度の振動データの実効値を用いて行うと、誤診断が生じる可能性がある。 When damage occurs in a bearing device that rotates at a low speed (for example, about 100 rpm) such as a main shaft bearing of a wind power generator, a change in acceleration caused by the damage is often smaller than that in a bearing device that rotates at a high speed. It is difficult to distinguish from a change in acceleration that is not caused by the above. As a result, the effective value hardly changes depending on the presence or absence of damage. Therefore, if the abnormality diagnosis of the bearing device rotating at a low speed is performed using the effective value of the acceleration vibration data, an erroneous diagnosis may occur.
この発明の主たる目的は、加速度の振動データを用いて軸受装置の異常診断の精度を向上させることができる異常診断装置および異常診断方法を提供することである。 A main object of the present invention is to provide an abnormality diagnosis device and an abnormality diagnosis method that can improve the accuracy of abnormality diagnosis of a bearing device by using acceleration vibration data.
この発明に係る異常診断装置は、軸受装置の加速度の振動データに基づき軸受装置の損傷を検出する。異常診断装置は、フィルタと、診断部とを備える。フィルタは、振動データから所定の周波数帯に属する振動波形を抽出するように構成される。診断部は、振動波形の振幅であって基準値を超える第1振幅と、第1振幅が生じた時刻から所定時間経過後における振動波形の第2振幅との比から算出した評価値が判定値を超えた場合に、軸受装置に損傷が生じたと診断するように構成される。 An abnormality diagnosis device according to the present invention detects damage to a bearing device based on vibration data of acceleration of the bearing device. The abnormality diagnosis device includes a filter and a diagnosis unit. The filter is configured to extract a vibration waveform belonging to a predetermined frequency band from the vibration data. The diagnosis unit determines the evaluation value calculated from the ratio between the first amplitude that is the amplitude of the vibration waveform, which exceeds the reference value, and the second amplitude of the vibration waveform after a lapse of a predetermined time from the time when the first amplitude occurs. Is configured to diagnose that the bearing device has been damaged when the pressure exceeds the threshold value.
この発明によれば、軸受装置の異常診断において、第1振幅と、第1振幅が生じた時刻から所定時間経過後における振動波形の第2振幅との比から算出した値を異常診断の評価値として用いることにより、正常時と異常時とで振動の時間波形形状が異なることに着目した異常診断が可能となる。その結果、軸受装置の異常診断の精度を向上させることができる。 According to the present invention, in the abnormality diagnosis of the bearing device, a value calculated from a ratio between the first amplitude and the second amplitude of the vibration waveform after a lapse of a predetermined time from the time when the first amplitude has occurred is an evaluation value of the abnormality diagnosis. As a result, it is possible to perform an abnormality diagnosis focusing on the fact that the time waveform shapes of the vibrations are different between the normal state and the abnormal state. As a result, the accuracy of the abnormality diagnosis of the bearing device can be improved.
以下、図面を参照しつつ、実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、同一又は対応する要素には同一の符号を付して、それらについての詳細な説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding elements have the same reference characters allotted, and detailed description thereof will not be repeated.
[実施の形態1]
図1は、風力発電装置1の構成を概略的に示した図である。図1に示されるように、風力発電装置1は、主軸10と、主軸軸受20と、ブレード30と、増速機40と、発電機50と、加速度センサ70と、データ処理装置80とを備える。主軸軸受20、増速機40、発電機50、加速度センサ70、およびデータ処理装置80は、ナセル90に格納される。ナセル90は、タワー100によって支持される。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a configuration of the
主軸10は、ナセル90内において増速機40の入力軸に接続される。主軸10は、主軸軸受20によって回転自在に支持される。主軸10は、風力を受けたブレード30により発生する回転トルクを増速機40の入力軸へ伝達する。ブレード30は、主軸10の先端に設けられ、風力を回転トルクに変換して主軸10に伝達する。
The
主軸軸受20は、転がり軸受を含んで構成され、たとえば、自動調芯ころ軸受、円すいころ軸受、円筒ころ軸受、および玉軸受などを含む。これらの軸受は、単列のものでも複列のものでもよい。 The main shaft bearing 20 is configured to include a rolling bearing, and includes, for example, a self-aligning roller bearing, a tapered roller bearing, a cylindrical roller bearing, a ball bearing, and the like. These bearings may be single-row or double-row.
加速度センサ70は、主軸の主軸軸受20に配置され、主軸軸受20に発生する振動を測定する。
The
増速機40は、主軸10と発電機50との間に設けられ、主軸10の回転速度を増速して発電機50へ出力する。一例として、増速機40は、遊星ギヤや中間軸、高速軸等を含む歯車増速機構によって構成される。なお、特に図示しないが、この増速機40内にも、複数の軸を回転自在に支持する複数の軸受が設けられている。発電機50は、増速機40の出力軸に接続され、増速機40から受ける回転トルクによって回転し発電する。発電機50は、たとえば、誘導発電機を含んで構成される。なお、この発電機50内にも、ロータを回転自在に支持する軸受が設けられている。
The
データ処理装置80は、ナセル90の内部に設けられ、加速度センサ70が測定した主軸軸受20の振動データを受ける。データ処理装置80は、加速度センサ70から受けた振動データを用いて、主軸軸受20に損傷が発生したか否かの異常診断を行なう。図示はしていないが、加速度センサ70とデータ処理装置80とは、有線ケーブルで接続されており、データの通信が可能に構成される。加速度センサ70とデータ処理装置80との通信は、無線通信で行なわれてもよい。データ処理装置80は、本発明の異常診断装置に相当する。
The
データ処理装置80は、加速度センサ70から受けた振動データに基づいて、主軸軸受20に損傷が発生したか否かを診断する。図2は、データ処理装置80によって行なわれる異常診断の処理を示すフローチャートである。図2に示されるように、データ処理装置80は、ステップ(以下ではステップを単にSと記載する。)S1において、加速度センサ70から受けた振動データに基づいて、主軸軸受20に損傷が発生したか否かを診断するための評価値Vを算出し、処理をS2に進める。データ処理装置80は、S2において、評価値Vが異常値か否かを判定する。評価値Vが判定値Vd以下である場合(S2においてNO)、データ処理装置80は、評価値Vが正常な値であるとして処理を終了する。評価値Vが判定値Vdより大きい場合(S2においてYES)、データ処理装置80は、評価値Vが異常な値であるとしてS3において主軸軸受20に異常が発生したことをユーザに報知する。報知の方法としては、たとえば、音声、ランプの点灯、あるいはメッセージの送信のような、聴覚的あるいは視覚的な方法を挙げることができる。判定値Vdは、実機実験あるいはシミュレーションにより適宜決定することができる。
The
主軸軸受20に異常が発生した場合、異常に起因した振動の振幅が振動データに現われる場合がある。このような振動データの波形の振幅の大きさの違いに着目して、正常時の振動データと異常時の振動データとを区別するための評価値Vとして、実効値を用いることが知られている。実効値は、振動データの波形における振幅の二乗平均の平方根として規定される。実効値は、振動データの波形にどの程度の大きさの振幅が含まれるかの目安となる指標値といえる。 When an abnormality occurs in the main shaft bearing 20, the amplitude of the vibration caused by the abnormality may appear in the vibration data. It is known that an effective value is used as an evaluation value V for distinguishing between vibration data in a normal state and vibration data in an abnormal state by focusing on the difference in amplitude of the waveform of such vibration data. I have. The effective value is defined as the root mean square of the amplitude in the waveform of the vibration data. The effective value can be said to be an index value that is a measure of the magnitude of the amplitude included in the waveform of the vibration data.
図3は、振動データの実効値の変化の一例を示す図である。図3において、時刻TR1までは主軸軸受20に損傷が生じている異常な状態である。時刻TR1から時刻TR2までの間に主軸軸受20が交換され、時刻TR2以降においては主軸軸受20は正常な状態である。図3に示されるように、時刻TR1以前において実効値が分布する範囲と、時刻TR2以降において実効値が分布する範囲とがほとんど同じである。そのため、正常時と異常時とを明確に区別することが困難である。 FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a change in the effective value of the vibration data. 3, until the time TR 1 is in an abnormal state damage the main shaft bearing 20 has occurred. Spindle bearing 20 during the period from the time TR 1 to time TR 2 is replaced, at time TR 2 after the spindle bearing 20 is a normal state. As shown in FIG. 3, the range in which the effective values are distributed at time TR 1 before, and a range in which the effective value are distributed at time TR 2 after almost identical. Therefore, it is difficult to clearly distinguish between the normal state and the abnormal state.
実効値の算出にあたっては、加速度の振動データにおける振幅の二乗平均を算出するときに、損傷に起因しない振動の振幅も用いられる。損傷に起因しない振動の振幅は、損傷の有無によってはほとんど変化しない。したがって、損傷の有無による実効値の変化は、損傷に起因する振動の振幅の変化にほとんど依存している。 In calculating the effective value, when calculating the root-mean-square of the amplitude in the acceleration vibration data, the amplitude of the vibration not caused by damage is also used. The amplitude of vibration not caused by damage hardly changes depending on the presence or absence of damage. Therefore, the change in the effective value due to the presence or absence of the damage almost depends on the change in the amplitude of the vibration caused by the damage.
風力発電装置1の主軸軸受20のように低速(たとえば100rpm程度)で回転する軸受装置において損傷が生じた場合、損傷に起因した加速度の変化は、高速で回転する軸受装置よりも小さい場合が多く、損傷に起因しない加速度の変化と区別することが困難になる。その結果、図3に示されるように、損傷の有無によっては実効値がほとんど変化しなくなる。そのため、主軸軸受20の異常診断を加速度の振動データの実効値を用いて行うと、誤診断が生じる可能性がある。
When damage occurs in a bearing device that rotates at a low speed (for example, about 100 rpm) such as the main shaft bearing 20 of the
そこで、実施の形態1においては、正常時と異常時とで、転動体と、保持器あるいは軌道輪(内輪または外輪)などとの衝突によって生じる振動に含まれる周波数成分が異なることに着目する。 Therefore, in the first embodiment, attention is paid to the fact that the frequency component included in the vibration generated by the collision between the rolling element and the retainer or the bearing ring (the inner ring or the outer ring) differs between the normal state and the abnormal state.
図4および5を用いて、正常時と異常時とで、転動体と、保持器あるいは軌道輪などとの衝突によって生じる振動に含まれる周波数成分が異なる理由について説明する。図4は、正常時の主軸軸受20の全体の構成を示す図である。図4(a)に示されるように、主軸軸受20は、内輪22と、外輪24と、保持器26と、複数の転動体28とを含む。
The reason why the frequency component included in the vibration generated by the collision between the rolling element and the cage or the bearing ring differs between the normal state and the abnormal state will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a diagram showing an entire configuration of the main shaft bearing 20 in a normal state. As shown in FIG. 4A, the main shaft bearing 20 includes an
図4(a)において、主軸10は矢印Dで示される方向に回転する。図4(a)に示されるように、主軸10には主軸10の回転軸と直交する矢印Nの方向にラジアル荷重がかかっている。矢印Gは、重力の方向を示す。外輪24の内周面上の点PAは、主軸10の回転軸の鉛直真上方向に位置する。外輪24の内周面上の点PBは、点PAの位置から回転方向Dに90度回転させた箇所に位置する。外輪24の内周面上の点PCは、主軸10の回転軸から鉛直真下方向に位置する。
In FIG. 4A, the
内輪22は、主軸10にはめ込まれて固定され、主軸10と一体となって矢印Dの方向に回転する。外輪24は、内輪22の外周側に配置されている。
The
保持器26には、転動体28を保持するための複数のポケットPktが等間隔に設けられている。保持器26は、ポケットPktに転動体28を保持した状態で内輪22の外周面と外輪24の内周面との間に配置される。内輪22の回転に伴って転動体28が内輪22の外周面に沿って回転すると、保持器26は転動体28とともに内輪22の外周面と外輪24の内周面との間を回転する。
The
転動体28は、保持器26のポケットPktに保持されながら、内輪22と外輪24との間を回転方向Dに回転する。図4(b),(c)に示されるように、転動体28と当該転動体28が保持される保持器26のポケットPktとの間には、転動体28がポケットPktの中で回転することができるように隙間(ポケットPkt隙間)が設けられている。通常、転動体28には、保持器26のポケットPkt、内輪22、および外輪24との間の摩擦を低減するためにグリースが塗布される。
The rolling
転動体28は、点PCから、点PAまで移動するとき、重力によりポケットPkt内で回転方向Dとは逆方向に寄っている。転動体28は保持器26と接触し、保持器26によって点PAまで押し上げられる。転動体28が点PAを通過するとき、転動体28はポケットPkt内で回転方向Dとは逆方向に寄っている(図4(b)参照)。
When the rolling
図4(b)に示される状態にある転動体28は、点PAを通過した後、点PBを通過するまでに、重力を受けてポケットPkt内を移動し、保持器26、内輪22、あるいは外輪24などと直接に衝突する(図4(c)参照)。転動体28と、保持器26、内輪22、あるいは外輪24などとが衝突したときに振動が発生する。
The rolling
図5は、異常時の主軸軸受20の全体の構成を示す図である。図5(a)においては、点PCの付近が転動体28によって削られて、損傷Iが生じている。主軸10の回転軸の鉛直真下方向にある点PCは、転動体28が点PCを通過するときのラジアル荷重が外輪24の内周面の他の箇所より大きくなり易い。転動体28が点PCを通過する度に点PCには大きな荷重がかかるため、点PCには損傷が生じ易い。
FIG. 5 is a diagram showing the entire configuration of the main shaft bearing 20 at the time of abnormality. In FIG. 5A, the vicinity of the point PC is cut by the rolling
損傷Iが生じると、たとえば損傷Iが生じるときに転動体28によって外輪24の点PC付近の内周面から削りとられた剥離片、あるいは転動体28が損傷Iを通過するときに生じる摩耗粉のような異物Sが内輪22、外輪24、保持器26、および転動体28に付着する(図5(b)参照)。この状態で転動体28が点PAを通過して保持器26、内輪22、あるいは外輪24に衝突する場合、転動体28と、保持器26、内輪22、あるいは外輪24との間に異物Sが存在することが多い(図5(c)参照)。転動体28が保持器26、内輪22、あるいは外輪24などに衝突するときの衝撃が異物Sによって弱められる。そのため、転動体28がこれらに衝突したときに主軸軸受20に生じる振動に含まれる周波数成分は、正常時よりも異常時の方が低くなる。
When the damage I occurs, for example, a peeled piece scraped off from the inner peripheral surface near the point PC of the
図6および7を用いて、転動体28が保持器26、内輪22、あるいは外輪24などに衝突したときに生じる振動に含まれる周波数成分が正常時と異常時とでどのように異なるかを説明する。図6は、正常時の振動データの波形の模式図(a)と短時間フーリエ変換の結果の模式図(b)とを併せて示す図である。図7は、異常時の振動データの波形の模式図(a)と短時間フーリエ変換の結果の模式図(b)とを併せて示す図である。短時間フーリエ変換は、振動データを所定の時間間隔で区切って高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)を行なう。
6 and 7, how the frequency component included in the vibration generated when the rolling
図6(a)において、時刻TN1〜TN3の各々で転動体28と、保持器26、内輪22、あるいは外輪24などとの衝突が起きている。図7(a)において、時刻TD1〜TD3の各々で転動体28、保持器26、内輪22、あるいは外輪24などとの衝突が起きている。
6 (a), the rolling
図6(b)に示されるように、時刻TN1〜TN3の周波数成分は、周波数Fthを超えている。一方、図7(b)に示されるように、時刻TD1〜TD3の周波数成分は、周波数Fth未満となる。このように、転動体28が保持器26、内輪22、あるいは外輪24などに衝突したときに生じる振動に含まれる周波数成分は、正常時と異常時とで明確に区別することができる。
As shown in FIG. 6 (b), the frequency components of the
以下では、図8および9を用いて正常時と異常時とで実際に測定された振動データに含まれる周波数成分がどのように異なるかを説明する。図8は、正常時に測定された振動データの波形図(a)と、当該振動データに対して短時間フーリエ変換を行なった結果(b)とを併せて示した図である。図9は、異常時に測定された振動データの波形図(a)と、当該振動データに対して短時間フーリエ変換を行なった結果(b)とを併せて示した図である。図8(b)および図9(b)の各々は、40秒の振動データを0.1秒の間隔で区切って高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)を行なった結果を示す図である。 Hereinafter, how the frequency components included in the actually measured vibration data differ between the normal state and the abnormal state will be described with reference to FIGS. 8 and 9. FIG. 8 is a diagram showing a waveform diagram (a) of vibration data measured in a normal state and a result (b) of performing a short-time Fourier transform on the vibration data. FIG. 9 is a diagram showing a waveform diagram (a) of vibration data measured at the time of abnormality and a result (b) of performing a short-time Fourier transform on the vibration data. Each of FIG. 8B and FIG. 9B is a diagram showing a result of performing fast Fourier transform (FFT: Fast Fourier Transform) by dividing vibration data of 40 seconds at intervals of 0.1 second.
図8(b)および図9(b)において、横軸は時間、縦軸は周波数成分である。図8(b)および図9(b)においては、異常診断において着目すべき周波数帯を抽出するため、パワースペクトル密度が所定の閾値より大きい周波数成分をプロットしている。パワースペクトル密度は、FFTの結果であるスペクトルにおいて各周波数成分に対応する信号の強度に相当する。パワースペクトル密度が閾値以下である周波数成分は、転動体28と、保持器26、内輪22、および外輪24などとの衝突により生じた振動のものとは考え難いため、図8(b)および図9(b)においてはプロットしていない。
8B and 9B, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents frequency components. In FIG. 8B and FIG. 9B, frequency components whose power spectral density is larger than a predetermined threshold value are plotted in order to extract a frequency band to be focused on in abnormality diagnosis. The power spectrum density corresponds to the intensity of a signal corresponding to each frequency component in the spectrum resulting from the FFT. Since the frequency component whose power spectrum density is equal to or less than the threshold value is hardly considered to be the vibration component caused by the collision of the rolling
図8(b)および図9(b)を比較すると、振動データに含まれる周波数成分が5000Hzを超えている時刻は、正常時(図8(b))の方が異常時(図9(b))よりも多く、異常時においてはほとんど存在しない。一方、5000Hz以下の周波数成分は、正常時および異常時のいずれにおいてもほとんどの時刻において振動データに含まれている。 Comparing FIG. 8B and FIG. 9B, when the frequency component included in the vibration data exceeds 5000 Hz, the normal time (FIG. 8B) is abnormal (FIG. 9B). )), And almost nonexistent in abnormal times. On the other hand, the frequency component of 5000 Hz or less is included in the vibration data at most times in both the normal state and the abnormal state.
図4(c)および図5(c)に示したような転動体28と、保持器26、内輪22、あるいは外輪24などとの衝突は、主軸10の回転に伴って所定の時間間隔で繰り返し発生する。当該衝突によって生じる振動は、異常時においては5000Hz以下の周波数帯で発生する。正常時においては当該振動は5000Hzを超える周波数帯においても発生する。したがって、転動体28と、保持器26、内輪22、あるいは外輪24などとの衝突によって発生する振動は、5000Hz以下の周波数帯においては異常時の方が減衰しにくい。すなわち、5000Hz以下の周波数帯において転動体28と、保持器26、内輪22、あるいは外輪24などとの衝突によって生じる振動の減衰率は、異常時の方が正常時よりも小さい。
The collision between the rolling
そこで、実施の形態1においては、振動データから500〜5000Hzの振動波形を抽出し、当該振動波形において基準値を超える第1振幅と、第1振幅が発生した時刻から所定の時間経過後の第2振幅との比が閾値を超える回数を異常診断の評価値として用いる。第1振幅と、第1振幅が発生した時刻から所定の時間経過後の第2振幅との比から算出した値を評価値として用いることにより、正常時と異常時とで振動の時間波形形状が異なることに着目した異常診断が可能となる。その結果、主軸軸受20の異常診断の精度を向上させることができる。 Therefore, in the first embodiment, a vibration waveform of 500 to 5000 Hz is extracted from the vibration data, and a first amplitude exceeding a reference value in the vibration waveform and a first amplitude exceeding a reference value after a lapse of a predetermined time from the time when the first amplitude occurs. The number of times that the ratio with the two amplitudes exceeds the threshold value is used as an evaluation value for abnormality diagnosis. By using, as an evaluation value, a value calculated from a ratio between the first amplitude and the second amplitude after a lapse of a predetermined time from the time when the first amplitude occurs, the time waveform shape of the vibration between the normal time and the abnormal time can be changed. An abnormality diagnosis focusing on the difference can be made. As a result, the accuracy of the abnormality diagnosis of the main shaft bearing 20 can be improved.
図10は、異常診断を行なうデータ処理装置80の機能構成を説明するための機能ブロック図である。図10に示されるように、データ処理装置80は、フィルタ81と、診断部83と、報知部84とを含む。フィルタ81には、加速度センサ70によって測定された振動データが入力される。フィルタ81は、加速度センサ70からリアルタイムに振動データを受けてもよいし、不図示のメモリに保存された振動データを当該メモリから読み込んでもよい。
FIG. 10 is a functional block diagram for describing a functional configuration of
フィルタ81は、振動データから500〜5000Hzの振動波形Wvを抽出し、診断部83へ出力する。フィルタ81は、たとえばバンドパスフィルタを含む。
The
診断部83は、CPU(Central Processing Unit)のようなコンピュータ、および異常診断に必要なデータを保存する揮発性メモリおよび不揮発性メモリを含む。診断部83は、振動波形Wvを受けて、主軸軸受20に損傷が生じたか否かの異常診断を行なう。診断部83は、主軸軸受20に異常が発生したと判定した場合には、報知部84を制御して主軸軸受20に異常が発生したことをユーザに報知する。
The
診断部83は、異常診断において、振動波形Wv(500〜5000Hz)において基準値Eを超える第1振幅を抽出する。振動波形Wvから基準値Eを超える振幅を抽出する理由は、転動体28が保持器26、内輪22、あるいは外輪24などに衝突した時刻を特定するためである。転動体28がこれらに衝突するときに生じる加速度の変化は、当該衝突による衝撃のため、振動データの波形においては相対的に大きく現われる。そのため、振動波形Wvから基準値Eを超える振幅を抽出することにより、転動体28が保持器26、内輪22、あるいは外輪24などに衝突した時刻を特定することができる。その結果、転動体28がこれらに衝突したこととはほとんど無関係な振幅を評価値の算出から除外することができる。
The
第1振幅を抽出するときの基準値Eは、転動体28が保持器26、内輪22、あるいは外輪24などに衝突したこととは無関係に生じる振幅がほとんど上回ることのない値であることが望ましい。基準値Eは、実機実験あるいはシミュレーションにより適宜決定することができ、たとえば振動波形Wvの実効値の5倍程度とすることができる。
The reference value E at the time of extracting the first amplitude is desirably a value that hardly exceeds the amplitude generated regardless of the collision of the rolling
図11は、正常時における振動波形Wvを示す図である。図11に示される振動波形Wvは、図10のフィルタ81が図8(a)に示される振動データから抽出した波形である。図11に示されるように、基準値Eを超える第1振幅PAkは、時刻TAk(k=1〜N)において発生している。
FIG. 11 is a diagram illustrating a vibration waveform Wv in a normal state. The vibration waveform Wv shown in FIG. 11 is a waveform extracted by the
図12は、図11に示される振動波形Wvの時刻TAk付近を拡大して示す図である。図12に示されるように、第1振幅PAkが発生した時刻TAkから時間ΔT経過後の時刻TBkにおいて第2振幅PBkが発生している。実施の形態1における異常診断においては、第1振幅PAkと第2振幅PBkとの比が閾値Rthを超えた回数が、異常が発生したか否かの評価値として用いられる。 Figure 12 is a diagram showing an enlarged vicinity of time TA k of the vibration waveform Wv shown in Figure 11. As shown in FIG. 12, the second amplitude PB k occurs at a time TB k after a lapse of time ΔT from the time TA k at which the first amplitude PA k occurs. In the abnormality diagnosis according to the first embodiment, the number of times that the ratio of first amplitude PA k to second amplitude PB k exceeds threshold value Rth is used as an evaluation value of whether an abnormality has occurred.
図13は、異常時における振動波形Wvを示す図である。図13に示される振動波形Wvは、図10のフィルタ81が図9(a)に示される振動データから抽出した波形である。図13に示されるように、基準値Eを超える第1振幅PAkは、時刻TAk(k=1〜M)において発生している。
FIG. 13 is a diagram illustrating a vibration waveform Wv at the time of abnormality. The vibration waveform Wv shown in FIG. 13 is a waveform extracted by the
図14は、図13に示される振動波形Wvの時刻TAk付近を拡大して示す図である。図14に示されるように、第1振幅PAkが発生した時刻TAkから時間ΔT経過後の時刻TBkにおいて第2振幅PBkが発生している。図14においても図12と同様に、第1振幅PAkと第2振幅PBkとの比が閾値Rthを超えた回数が、異常が発生したか否かの評価値として用いられる。 Figure 14 is a diagram showing an enlarged vicinity of time TA k of the vibration waveform Wv shown in Figure 13. As shown in FIG. 14, the second amplitude PB k occurs at a time TB k after a lapse of time ΔT from the time TA k at which the first amplitude PA k occurs. In FIG. 14, as in FIG. 12, the number of times that the ratio between the first amplitude PA k and the second amplitude PB k exceeds the threshold value Rth is used as an evaluation value of whether an abnormality has occurred.
転動体28が保持器26、内輪22、あるいは外輪24などに衝突したとき(時刻TAk)に生じた振動の減衰率は、当該振動のほとんどが500〜5000Hzで発生する異常時の方が正常時よりも小さくなる。したがって、第1振幅PAkと第2振幅PBkとの比は、異常時の方が正常時よりも大きくなる。
When the rolling
図15は、第1振幅PAkと第2振幅PBkとの比が閾値Rthを超えた回数の変化を示す図である。図15において、時刻TR11までは主軸軸受20に損傷が生じている異常な状態である。時刻TR11から時刻TR12までの間に主軸軸受20が交換され、時刻TR12以降においては主軸軸受20は正常な状態である。たとえば値Ldを判定値Vdとして、評価値Vが判定値Vdを超える場合を異常と判定し、評価値Vが判定値Vd以下の場合を正常と判定することで、正常時と異常時とを区別することができる。その結果、異常診断の精度を比較例よりも向上させることができる。 FIG. 15 is a diagram illustrating a change in the number of times the ratio between the first amplitude PA k and the second amplitude PB k exceeds the threshold value Rth . 15, until the time TR 11 is an abnormal state damage the main shaft bearing 20 has occurred. Spindle bearing 20 during the period from the time TR 11 to the time TR 12 are exchanged, at time TR 12 after the main shaft bearing 20 is a normal state. For example a value L d as a determination value V d, the case where the evaluation value V exceeds the determination value V d is determined to be abnormal, that evaluation value V is determined as normal if less than or equal to the determination value V d, and the normal An abnormal time can be distinguished. As a result, the accuracy of the abnormality diagnosis can be improved as compared with the comparative example.
図16は、実施の形態1において用いられる評価値Vを計算するサブルーチンの処理(図2のS1)を説明するためのフローチャートである。図16に示されるように、データ処理装置80は、S11において振動波形Wv(500〜5000Hz)から基準値Eを超える第1振幅PAk(k=1〜N)を抽出し、処理をS12に進める。データ処理装置80は、S12において第1振幅PAkが発生した時刻TAkから時間ΔT経過後の時刻TBkにおける第2振幅PBkを抽出して処理をS13に進める。データ処理装置80は、S13において第1振幅PAkと第2振幅PBkとの比Rkを算出し、処理をS14に進める。データ処理装置80は、S14において比Rkが閾値Rthを超える回数Lを評価値Vとして算出して、図2に示される異常診断を行なうメインルーチンに処理を返す。データ処理装置80は、評価値Vが判定値Vdより大きい場合には、異常が発生した旨をユーザに報知する。閾値Rthは、シミュレーションあるいは実機実験によって適宜求めることができる。
FIG. 16 is a flowchart for explaining the processing (S1 in FIG. 2) of the subroutine for calculating the evaluation value V used in the first embodiment. As shown in FIG. 16, the
以上、実施の形態1によれば、主軸軸受20の異常診断において、500〜5000Hzの振動波形Wvにおける基準値E以上の第1振幅PAkと、第1振幅PAkが発生した時刻TAkから時間ΔT経過後における振動波形の第2振幅PBkとの比Rkが閾値Rthを超えた回数Lを評価値として用いることにより、正常時と異常時とで転動体28と、保持器26、内輪22、あるいは外輪24などとの衝突によって生じた振動の時間波形形状が異なることに着目した異常診断が可能となる。その結果、軸受装置の異常診断の精度を向上させることができる。
As described above, according to the first embodiment, in the abnormality diagnosis of the main shaft bearing 20, the first amplitude PA k equal to or more than the reference value E in the vibration waveform Wv of 500 to 5000 Hz and the time TA k at which the first amplitude PA k occurs. By using, as an evaluation value, the number L of times that the ratio R k of the vibration waveform to the second amplitude PB k after the time ΔT has exceeded the threshold value Rth , the rolling
[実施の形態2]
実施の形態1においては、異常が発生したか否かの評価値として、第1振幅と、第1振幅が発生した時刻から所定の時間経過後における振動波形の第2振幅との比が閾値を超えた回数を評価値として用いる場合について説明した。異常が発生したか否かの評価値は、第1振幅と、第1振幅が発生した時刻から所定の時間経過後における振動波形の第2振幅との比から算出した値であればどのようなものでもよい。実施の形態2においては、第1振幅と第2振幅との比が閾値を超える場合の発生頻度を異常が発生したか否かの評価値として用いる場合について説明する。
[Embodiment 2]
In the first embodiment, the ratio between the first amplitude and the second amplitude of the vibration waveform after a lapse of a predetermined time from the time when the first amplitude occurs is set as a threshold as an evaluation value of whether or not an abnormality has occurred. The case where the exceeded number is used as the evaluation value has been described. What is the evaluation value of whether or not an abnormality has occurred, as long as it is a value calculated from the ratio between the first amplitude and the second amplitude of the vibration waveform after a predetermined time has elapsed from the time when the first amplitude occurred. It may be something. In the second embodiment, a case will be described in which the frequency of occurrence when the ratio between the first amplitude and the second amplitude exceeds a threshold is used as an evaluation value of whether an abnormality has occurred.
実施の形態2が実施の形態1と異なる点は、異常が発生したか否かの評価値として第1振幅と第2振幅との比が閾値を超える場合の発生頻度を用いる点である。実施の形態2においては、実施の形態1の図15および16がそれぞれ図17および18に置き換わる。それ以外の構成については実施の形態1と同様であるため、説明を繰り返さない。 The second embodiment differs from the first embodiment in that the frequency of occurrence when the ratio between the first amplitude and the second amplitude exceeds a threshold value is used as the evaluation value of whether or not an abnormality has occurred. In the second embodiment, FIGS. 15 and 16 of the first embodiment are replaced with FIGS. 17 and 18, respectively. Other configurations are the same as those of the first embodiment, and thus description thereof will not be repeated.
図17は、第1振幅PAkと第2振幅PBkとの比が閾値を超える場合の発生頻度の変化を示す図である。図17において、時刻TR21までは主軸軸受20に異常が生じている状態である。時刻TR21から時刻TR22までの間に主軸軸受20が交換され、時刻TR22以降においては主軸軸受20は正常な状態である。図17に示されるように、たとえば値Fdを判定値Vdとして、評価値Vが判定値Vdを超える場合を異常と判定し、評価値Vが判定値Vd以下の場合を正常と判定することで、正常時と異常時とを区別することができる。その結果、異常診断の精度を比較例よりも向上させることができる。
FIG. 17 is a diagram illustrating a change in the occurrence frequency when the ratio between the first amplitude PA k and the second amplitude PB k exceeds a threshold value. 17, until the time TR 21 is a state
図18は、実施の形態2において用いられる評価値Vを計算するサブルーチンの処理(図2のS1)を説明するためのフローチャートである。図18に示されるように、データ処理装置80は、S11において振動波形Wv(500〜5000Hz)から基準値Eを超える第1振幅PAk(k=1〜N)を抽出し、処理をS12に進める。データ処理装置80は、S12において第1振幅PAkが発生した時刻TAkから時間ΔT経過後の時刻TBkにおける第2振幅PBkを抽出して処理をS13に進める。データ処理装置80は、S13において第1振幅PAkと第2振幅PBkとの比Rkを算出し、処理をS24に進める。データ処理装置80は、S24において比Rkが閾値Rthを超える回数Lを算出して、処理をS25に進める。データ処理装置80は、S25において比Rkが閾値Rthを超える場合の発生頻度F=L/Nを算出して、図2に示される異常診断を行なうメインルーチンに処理を返す。データ処理装置80は、評価値Vが判定値Vdより大きい場合には、異常が発生した旨をユーザに報知する。
FIG. 18 is a flowchart for explaining the processing (S1 in FIG. 2) of the subroutine for calculating the evaluation value V used in the second embodiment. As shown in FIG. 18, the
以上、実施の形態2によれば、主軸軸受20の異常診断において、500〜5000Hzの振動波形Wvにおける基準値E以上の第1振幅PAkと、第1振幅PAkが発生した時刻TAkから時間ΔT経過後における振動波形の第2振幅PBkとの比Rkが閾値Rthを超える場合の発生頻度Fを評価値として用いることにより、正常時と異常時とで転動体28と、保持器26、内輪22、あるいは外輪24などとの衝突によって生じる振動の時間波形形状が異なることに着目した異常診断が可能となる。その結果、軸受装置の異常診断の精度を向上させることができる。
As described above, according to the second embodiment, in the abnormality diagnosis of the main shaft bearing 20, the first amplitude PA k equal to or larger than the reference value E in the vibration waveform Wv of 500 to 5000 Hz and the time TA k at which the first amplitude PA k occurs. By using, as an evaluation value, the frequency of occurrence F when the ratio R k of the vibration waveform to the second amplitude PB k after the lapse of the time ΔT exceeds the threshold value Rth , the rolling
図19は、比較例、実施の形態1、および実施の形態2のそれぞれの評価値についてt検定による有意差検定を行なった結果を示す図である。t検定は、或る標本のグループの平均値と他の標本のグループの平均値との間に有意な差があるか否かを判定する検定方法である。図19においては、主軸軸受20に損傷が生じている場合の評価値の平均値と、主軸軸受20に損傷が生じていない場合の評価値の平均値との間に有意な差があるか否かを判定した。標本数は、それぞれ21である。有意な差が認められるか否かの境界値であるt値は2.021である。t検定においては、検定結果がt値を超える場合に有意な差が認められる。 FIG. 19 is a diagram illustrating a result of performing a significant difference test by a t-test on each evaluation value of the comparative example, the first embodiment, and the second embodiment. The t-test is a test method for determining whether there is a significant difference between the average value of a certain sample group and the average value of another sample group. In FIG. 19, there is a significant difference between the average value of the evaluation values when the main shaft bearing 20 is damaged and the average value of the evaluation values when the main shaft bearing 20 is not damaged. Was determined. The number of samples is 21, respectively. The t value, which is a boundary value indicating whether a significant difference is recognized, is 2.021. In the t test, a significant difference is recognized when the test result exceeds the t value.
図19に示されるように、比較例においては、検定結果が0.274でt値より小さいため、有意な差が認められない。一方、実施の形態1および2においては、検定結果がそれぞれ2.09および6.01であり、いずれもt値を超えているため、有意な差が認められる。
As shown in FIG. 19, in the comparative example, since the test result is 0.274, which is smaller than the t value, no significant difference is recognized. On the other hand, in
有意差検定の結果から、実効値を評価値として用いる比較例よりも、実施の形態1および2の方が、主軸軸受20に異常が生じていない場合の評価値と、異常が生じた場合の評価値との間に差が生じ易いといえる。そのため、実施の形態1および2の方が、異常の発生が評価値の変化として現われ易い。したがって、実施の形態1および2によれば、異常診断の精度を比較例よりも向上させることができる。 From the results of the significant difference test, in the first and second embodiments, the evaluation value in the case where the spindle bearing 20 has no abnormality and the evaluation value in the case where the abnormality has occurred are compared with the comparative example using the effective value as the evaluation value. It can be said that a difference easily occurs with the evaluation value. Therefore, in the first and second embodiments, the occurrence of an abnormality is more likely to appear as a change in the evaluation value. Therefore, according to the first and second embodiments, the accuracy of abnormality diagnosis can be improved as compared with the comparative example.
今回開示された各実施の形態は、適宜組合わせて実施することも予定されている。今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiments disclosed this time are also expected to be implemented in appropriate combinations. The embodiments disclosed this time are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 風力発電装置、10 主軸、20 主軸軸受、22 内輪、24 外輪、26 保持器、28 転動体、30 ブレード、40 増速機、50 発電機、70 加速度センサ、80 データ処理装置、81 第1フィルタ、83 診断部、90 ナセル、100 タワー。
Claims (4)
前記振動データから所定の周波数帯に属する振動波形を抽出するように構成されるフィルタと、
前記振動波形の振幅であって基準値を超える第1振幅と、前記第1振幅が生じた時刻から所定時間経過後における前記振動波形の第2振幅との比から算出した評価値が判定値を超えた場合に、前記軸受装置に前記損傷が生じたと診断するように構成される診断部とを備える、異常診断装置。 An abnormality diagnosis device that detects damage to the bearing device based on vibration data of acceleration of the bearing device,
A filter configured to extract a vibration waveform belonging to a predetermined frequency band from the vibration data,
The evaluation value calculated from the ratio between the first amplitude exceeding the reference value, which is the amplitude of the vibration waveform, and the second amplitude of the vibration waveform after a lapse of a predetermined time from the time when the first amplitude has occurred is a determination value. A diagnosis unit configured to diagnose that the damage has occurred in the bearing device when the value exceeds the threshold value.
前記振動データから所定の周波数帯に属する振動波形を抽出するステップと、
前記振動波形の振幅であって基準値を超える第1振幅と、前記第1振幅が生じた時刻から所定時間経過後における前記振動波形の第2振幅との比から算出した評価値が判定値を超えた場合に、前記軸受装置に前記損傷が生じたと診断するステップとを含む、異常診断方法。 An abnormality diagnosis method for detecting damage to the bearing device based on vibration data of acceleration of the bearing device,
Extracting a vibration waveform belonging to a predetermined frequency band from the vibration data,
The evaluation value calculated from the ratio between the first amplitude exceeding the reference value, which is the amplitude of the vibration waveform, and the second amplitude of the vibration waveform after a lapse of a predetermined time from the time when the first amplitude has occurred is a determination value. Diagnosing that the damage has occurred in the bearing device when the value exceeds the threshold value.
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