JP6815489B2 - 振動検出装置および異常判定システム - Google Patents

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Description

この発明は、回転機械の回転で発生した振動を検出する振動検出装置およびこれを備えた異常判定システムに関する。
従来から、回転機械の回転で発生した振動の変化に基づいて回転機械の異常を判定する装置が提案されている。
例えば、特許文献１に記載された振動検査装置は、センサによって転動部品から検出された振動の強度を周波数分析して得られたパワースペクトルから、振動発生に関与する周波数成分に対応するパワースペクトルを求めて統計量を算出する。転動部品は、回転機構を有する回転機械であり、センサは、転動部品の回転で発生した振動を検出する。統計量は、パワースペクトルの２乗平均値の平方根、算術平均値、最大値などであり、転動部品の良否を判断するための評価値とされる。
また、回転機械の異常を判定する方法として、アコースティックエミッション（以下、ＡＥと略す）を利用する方法がある。ＡＥは、材料が変形あるいは破壊する際に材料内部に蓄えられた弾性エネルギーが弾性波として放出される現象である。ＡＥ波は、数ｋＨｚから数ＭＨｚの周波数成分を有する。例えば、潤滑油の減少などで回転軸が軸受けに繰り返し衝突しながら回転すると、衝突の度に回転機械にＡＥ波が発生する。このように発生したＡＥ波は、回転機械に取り付けられたＡＥセンサによって検出される。
特開平６−５８８４９号公報
特許文献１に記載された振動検査装置では、センサにより検出された振動波形に対してエンベロープ処理と高速フーリエ変換（以下、ＦＦＴと略す）を行っている。
しかしながら、エンベロープ処理とＦＦＴは複雑な演算処理であることから、高性能な演算装置が必要であった。
さらに、エンベロープ処理とＦＦＴは比較的長い処理時間を要するため、これらの演算処理が行われている間は、リアルタイムに回転機械を検査できないという課題があった。
また、ＡＥセンサによって検出されるＡＥ信号は、一般に、μＶからｍＶ程度の微小な信号であり、さらに高周波成分が含まれるので、ノイズとの識別が困難であった。
このため、ＡＥを利用した異常判定においても、ＡＥ信号の波形に対してエンベロープ処理とＦＦＴを行ってノイズからＡＥ信号を識別しており、上記と同様の課題があった。
この発明は上記課題を解決するものであり、回転機械に発生した振動を評価するための評価値を簡易な演算処理で算出でき、さらに、回転機械の振動をリアルタイムに検出することができる振動検出装置および異常判定システムを得ることを目的とする。
この発明に係る振動検出装置は、ＡＥセンサ部、抽出部、増幅部、Ａ／Ｄ変換部および演算部を備える。ＡＥセンサ部は、回転機械の回転で発生したアコースティックエミッション波に共振周波数が含まれる場合に該共振周波数の成分によって発振して該発振による発振信号が正弦波になる構造を有する。抽出部は、正弦波の発振信号からＡＥセンサ部の共振周波数の発振信号を抽出する。増幅部は、抽出部によって抽出された発振信号の振幅を増幅する。Ａ／Ｄ変換部は、増幅部によって振幅が増幅された発振信号をデジタル信号に変換する。演算部は、Ａ／Ｄ変換部によってデジタル信号に変換された発振信号の時間的変化を表す評価値を算出する。
この発明によれば、センサ部の共振周波数の発振信号から、回転機械の回転で発生した振動の評価値を簡易な演算処理で算出することができる。さらに、評価値の算出に要する時間が短縮されるので、回転機械の振動をリアルタイムに検出することができる。
この発明の実施の形態１に係る異常判定システムの構成を示すブロック図である。 振動波の波形、振動波に含まれる共振周波数成分、およびセンサ部の発振信号波形を示す図である。 センサ部の発振信号波形を示す図である。 回転機械の回転数と発振振幅との関係を示すグラフである。 回転機械の回転数の時間変化パターンに応じた発振振幅の経時変化を示す図である。 この発明の実施の形態2に係る振動検出装置の構成を示すブロック図である。 回転機械の回転数と複数のカンチレバーの発振振幅との関係を示すグラフである。 センサ部における発振動作の概要を示す図である。
以下、この発明をより詳細に説明するため、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る異常判定システム１の構成を示すブロック図である。異常判定システム１は、回転機械の回転で発生した振動に基づいて回転機械の異常を判定するシステムである。回転機械には、モータ、減速機、切削器、ポンプおよびタービンなどがある。例えば、軸受けの摩耗が進行して異常が発生すると、回転機械の回転で発生する振動に変化が現れる。異常判定システム１は、正常な回転機械に発生した振動からの変化に基づいて回転機械の異常を判定する。また、異常判定システム１は、構成要素として、振動検出装置２および異常判定部３を備える。振動検出装置２は、構成要素として、センサ部２０、抽出部２１、増幅部２２、Ａ／Ｄ変換部２３および演算部２４を備える。
センサ部２０は、回転機械の回転で発生した振動波（以下、ＡＥ波と記載する）によって発振する発振構造を有する。例えば、センサ部２０は、圧電材料で形成された片持ち梁の発振構造のカンチレバー２０ａを有する。カンチレバー２０ａは、ＡＥ波を受けて発振する。また、カンチレバー、すなわち、片持ち梁の発振構造を示したが、センサ部２０の発振構造は、回転機械の回転で発生した振動によって発振する両持ち梁の発振構造であってもよい。上記発振構造による発振とは、後述する図２に示されるとおり正弦波出力を行うことである。このように正弦波出力するためには、上記発振構造は共振先鋭度の高い材料である必要がある。なお、センサ部２０は、振動検出装置２と一体の形態と、センサ部２０がハーネスなどで分離された形態がある。
抽出部２１は、センサ部２０の共振周波数の発振信号を抽出する。例えば、抽出部２１は、カンチレバー２０ａの共振周波数の発振信号を抽出するバンドパスフィルタによって実現される。なお、抽出部２１は、バンドパスフィルタに限定されるものではなく、特定の周波数成分を抽出するフィルタであればよい。
増幅部２２は、抽出部２１によって抽出された発振信号の振幅を増幅する。例えば、増幅部２２は、増幅量の調整が可能な増幅回路によって実現される。増幅部２２は、抽出部２１によって抽出された発振信号を、後段のＡ／Ｄ変換部２３の入力レンジに対して適切な信号振幅に増幅する。例えば、発振信号は、増幅部２２によって、Ａ／Ｄ変換部２３の入力レンジに収まる最大の信号振幅に増幅される。
Ａ／Ｄ変換部２３は、増幅部２２によって振幅が増幅された発振信号をデジタル信号に変換する。例えば、Ａ／Ｄ変換部２３は、予め決められたサンプリング周波数で発振信号をサンプリングし、サンプリングした値からデジタル信号の発振信号を生成する。
演算部２４は、Ａ／Ｄ変換部２３によってデジタル信号に変換された発振信号の時間的変化を表す評価値を算出する。発振信号の時間的変化を表す評価値は、回転機械に発生した振動を評価するための評価値であり、例えば、発振信号の実効値、発振信号の振幅量の積算値および発振信号の振幅の平均値などがある。
発振信号は正弦波であることから、実効値は信号振幅の最大値を２の平方根で除算して得られる。発振信号の振幅量の積算値は、例えば、回転機械の動作期間、振幅量を積算して得られる。発振信号の振幅の平均値は、例えば、発振信号の振幅を回転機械の動作期間分加算してその平均をとった値である。このように、いずれの評価値も発振信号波形から簡単な演算処理で算出することができる。
異常判定部３は、振動検出装置２によって算出された評価値に基づいて回転機械の異常を判定する。例えば、振動検出装置２によって正常な回転機械から算出された上記評価値を正常値とする。異常判定部３は、評価値が正常値から有意に変化した場合に、回転機械に異常が発生したと判定する。
なお、異常判定部３は、振動検出装置２とは別に設けられた装置として備えてもよく、振動検出装置２の構成要素の一つであってもよい。
次に、センサ部２０の動作について説明する。
図２は、ＡＥ波形ａ、ＡＥ波に含まれる共振周波数成分ｂ、およびセンサ部２０の発振信号波形ｃを示す図である。図３は、センサ部２０の発振信号波形ｃを示す図である。
図２において、ＡＥ波形ａは、回転機械に発生したＡＥ波の波形である。共振周波数成分ｂは、ＡＥ波に含まれる共振周波数成分の波形である。発振信号波形ｃは、抽出部２１によって抽出されたセンサ部２０の共振周波数の発振信号の波形である。
従来の異常判定では、ＡＥ波形ａに対してエンベロープ処理を行い、さらに、ＦＦＴを行って振動の発生周期から回転機械の異常を判定していた。前述したように、ＡＥ信号は微小であるため、エンベロープ処理で得られた波形からＡＥ信号の平均値、実効値、計数率、総数などを算出しても、ノイズの影響を強く受けて異常判定の精度を得るのは困難である。
センサ部２０は、ＡＥ波に含まれる共振周波数ｂが連続トリガとなって、カンチレバー２０ａが発振する。発振信号波形ｃは、図２に示すように正弦波となる。
振動検出装置２では、センサ部２０の共振周波数の発振信号を抽出して、その波形から振動の評価値を算出する。評価値として、発振信号の実効値、発振信号の振幅量の積算値および発振信号の振幅の平均値などを利用することができる。これらの評価値の算出は、エンベロープ処理およびＦＦＴといった演算処理に比べて各段に短い処理時間で完了するので、振動検出装置２は、回転機械の振動の連続的リアルタイムな検出が可能である。
また、発振信号波形ｃは正弦波であることから、ノイズ除去が容易である。
例えば、図３に示すように、発振信号波形ｃに重畳しているノイズｄは、共振周波数の信号以外を減衰するバンドパスフィルタを用いて容易に除去することができる。
次に、センサ部２０を用いた回転機械の異常判定について説明する。
センサ部２０において、回転機械の回転速度が変化しても、この回転で発生した振動によって発振するカンチレバー２０ａは同じである。また、回転機械の回転数が変化すると発振信号の振幅が変化する。すなわち、センサ部２０は、回転機械の回転速度と共振周波数との間に相関関係はないが、回転機械の回転数と発振振幅との間には相関関係があるという特徴を有する。これにより、センサ部２０の共振周波数を、回転機械の回転速度ごとに設定する必要がなく、また、回転機械の動作回転数が様々に変化しても異常判定が可能である。以下、この異常判定について説明する。
図４は、回転機械の回転数と発振振幅との関係を示すグラフである。図５は、回転機械の回転数の時間変化パターンに応じた発振振幅の経時変化を示す図である。
図４に示すように、発振振幅は、回転機械の回転数の上昇により大きくなる。これは、回転数が上昇すると単位時間当たりのＡＥ波の発生回数が増加することに起因する。
すなわち、単位時間当たりのＡＥ波の発生回数が増加することで、センサ部２０を発振させる発振エネルギーが増加して発振信号の振幅が大きくなる。
また、潤滑油の減少などによって、回転機械の回転で発生する振動で回転機械に加わる衝撃が増加すると、回転機械に発生するＡＥ波の大きさが増加する。このため、回転機械がセンサ部２０に与える発振エネルギーも増加して発振信号の振幅が大きくなる。これにより、図４に破線で示すように、回転機械に発生する振動の増加に伴って、センサ部２０が発振を開始する回転数が低くなる。
例えば、図５の下段に示す回転数パターンで回転機械の回転が制御される場合に、センサ部２０は、回転機械の回転で発生した振動によって発振して、図５の上段に示すように回転数の増加に伴って発振振幅が大きくなる。
また、潤滑油の減少などの異常によって、回転機械の回転で発生する振動で回転機械に加わる衝撃が増加すると、図５の下段に示すように、センサ部２０が発振を開始する回転数が正常な回転機械よりも低くなる。さらに、回転機械に発生する発振エネルギーも増加するので、図５の上段に示すように正常な回転機械よりも発振振幅の変化が大きくなる。
従来の異常判定システムでは、複数のＡＥ信号に対してエンベロープ処理を行い、その後にＦＦＴを行って回転機械の回転数に一致する周波数成分を抽出していた。このため、動作回転数が様々に変化する回転機械では抽出すべき周波数成分を決定できず、異常判定システムの適用が困難であった。
これに対して、異常判定システム１では、回転機械の動作回転数が様々に変化すると、動作回転数の変化に伴って発振振幅が変化する。
すなわち、異常判定システム１では、回転機械の動作回転数が様々に変化しても、発振振幅の時間的変化を利用して異常判定を行うことができる。
例えば、回転機械の一連の動作期間における、発振振幅の平均値または振幅量の積算値を評価値として正常な回転機械で得られた評価値と比較することで、回転機械に発生した異常に起因した振動の変化を特定することができる。
以上のように、実施の形態１に係る振動検出装置２において、センサ部２０は、回転機械の回転で発生した振動波によって発振する発振構造を有する。抽出部２１は、センサ部２０の共振周波数の発振信号を抽出する。増幅部２２は、抽出部２１によって抽出された発振信号の振幅を増幅する。Ａ／Ｄ変換部２３は、増幅部２２によって振幅が増幅された発振信号をデジタル信号に変換する。演算部２４は、Ａ／Ｄ変換部２３によってデジタル信号に変換された発振信号の時間的変化を表す評価値を算出する。
特に、演算部２４は、発振信号の実効値、発振信号の振幅量の積算値および発振信号の振幅の平均値のうちの少なくとも一つを算出する。
このように、センサ部２０の共振周波数の発振信号から上記振動を評価するための評価値を簡易な演算処理で算出することができる。さらに、上記評価値の算出に要する時間が短縮されるので、回転機械の振動をリアルタイムに検出することができる。
実施の形態１に係る振動検出装置２において、センサ部２０は、回転機械の回転数の上昇に伴って発振振幅が増加し、回転機械の回転速度とは無関係の共振周波数で発振する。このため、動作回転数が様々に変化する回転機械における異常判定が可能であり、センサ部２０の共振周波数を回転機械の回転速度ごとに設定する必要がない。
実施の形態１に係る異常判定システム１は、振動検出装置２および異常判定部３を備える。振動検出装置２が、センサ部２０の共振周波数の発振信号から振動の評価値を簡易な演算処理で算出することができる。さらに、上記評価値の算出に要する時間が短縮されるので、回転機械の振動をリアルタイムに検出することができる。
実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２に係る振動検出装置２Ａの構成を示すブロック図である。図６において、図１と同一構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
振動検出装置２Ａは、センサ部２０、抽出部２１、増幅部２２、平滑部２５および比較部２６を備える。平滑部２５は、増幅部２２によって増幅された正弦波信号を全波整流、あるいは半波整流してコンデンサにより平滑化（直流化）する。比較部２６は、システム内部または外部から比較対象の基準信号を入力して平滑部２５の出力信号と比較し、基準信号よりも高いレベルか低いレベルかを判定する。この判定結果は、回転機械に発生する振動の評価基準として比較部２６から出力される。
このように、振動検出装置２Ａは、Ａ／Ｄ変換部２３および演算部２４で行われる演算処理が不要であるため、マイコンを用いない簡易な構成で実現することができる。
また、比較部２６から出力される上記判定結果は、回転機械に発生する振動の評価基準となるため、振動検出装置２Ａを安価な異常判定システムとして利用することができる。
また、センサ部２０は、共振周波数が異なる複数のカンチレバーを備える構成であってもよい。複数のカンチレバーを備えることにより、振動の検出範囲が拡大する。
図７は、回転機械の回転数と複数のカンチレバーの発振振幅との関係を示すグラフであり、センサ部２０が第１〜第３のカンチレバー２０ａを備えた場合を示している。
図７において、第１のカンチレバー２０ａにおける発振振幅と回転数との関係をＡ１、第２のカンチレバー２０ａにおける発振振幅と回転数との関係をＡ２、第３のカンチレバー２０ａにおける発振振幅と回転数との関係をＡ３としている。
回転機械の回転数に対して発振振幅が増加している範囲であるＢ１が、１つのカンチレバー２０ａで振動を検出できる範囲である。センサ部２０が、第１〜第３のカンチレバー２０ａを備えることで、それぞれのカンチレバーで検出可能な範囲が重なる。このため、図７に示すように、第１〜第３のカンチレバー２０ａを備えるセンサ部２０の検出範囲はＢ２となって、Ｂ１よりも検出範囲が拡大される。
なお、センサ部２０が共振周波数が異なる複数のカンチレバー２０ａを備える場合は、図８に示すように、複数のカンチレバー２０ａのそれぞれに対応した共振周波数の発振信号波形ｃ１〜ｃ３が得られる。
以上のように、実施の形態２に係る振動検出装置２Ａは、Ａ／Ｄ変換部２３および演算部２４の代わりに、平滑部２５と比較部２６を備える。これにより、マイコンを用いない簡易な構成で振動検出装置２Ａおよび異常判定システムを実現することができる
なお、本発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
この発明に係る振動検出装置は、回転機械に発生した振動の評価値を簡易な演算処理で算出でき、さらに、回転機械の振動をリアルタイムに検出することができるので、様々な回転機械の異常判定システムに利用可能である。
１ 異常判定システム、２，２Ａ 振動検出装置、３ 異常判定部、２０ センサ部、２０ａ カンチレバー、２１ 抽出部、２２ 増幅部、２３ Ａ／Ｄ変換部、２４ 演算部、２５ 平滑部、２６ 比較部。

Claims (5)

  1. 回転機械の回転で発生したアコースティックエミッション波に共振周波数が含まれる場合に該共振周波数成分によって発振して該発振による発振信号が正弦波になる発振構造を有したＡＥセンサ部と、
    前記ＡＥセンサ部の前記発振信号からノイズを除去して前記ＡＥセンサ部の共振周波数の発振信号を抽出する抽出部と、
    前記抽出部によって抽出された前記発振信号の振幅を増幅する増幅部と、
    前記増幅部によって振幅が増幅された前記発振信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、
    前記Ａ／Ｄ変換部によってデジタル信号に変換された前記発振信号の時間的変化を表す評価値を算出する演算部と
    を備えたことを特徴とする振動検出装置。
  2. 前記演算部は、前記発振信号の実効値、前記発振信号の振幅量の積算値および前記発振信号の振幅の平均値のうちの少なくとも一つを算出すること
    を特徴とする請求項１記載の振動検出装置。
  3. 回転機械の回転で発生したアコースティックエミッション波に共振周波数が含まれる場合に該共振周波数成分によって発振して該発振による発振信号が正弦波になる発振構造を有したＡＥセンサ部と、
    前記ＡＥセンサ部の前記発振信号からノイズを除去して前記ＡＥセンサ部の共振周波数の発振信号を抽出する抽出部と、
    前記抽出部によって抽出された前記発振信号の振幅を増幅する増幅部と、
    前記増幅部によって振幅が増幅された前記発振信号を平滑化する平滑部と、
    前記平滑部の出力信号と基準信号とを比較して信号レベルを判定する比較部と
    を備えたことを特徴とする振動検出装置。
  4. 前記ＡＥセンサ部は、前記回転機械の回転数の上昇に伴う単位時間当たりの前記アコースティックエミッション波の発生回数の増加に伴って発振振幅が増加し、前記回転機械の回転速度とは無関係の共振周波数で発振すること
    を特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の振動検出装置。
  5. 回転機械の回転で発生したアコースティックエミッション波に共振周波数が含まれる場合に該共振周波数成分によって発振して該発振による発振信号が正弦波になる発振構造を有したＡＥセンサ部と、
    前記ＡＥセンサ部の前記発振信号からノイズを除去して前記ＡＥセンサ部の共振周波数の発振信号を抽出する抽出部と、
    前記抽出部によって抽出された前記発振信号の振幅を増幅する増幅部と、
    前記増幅部によって振幅が増幅された前記発振信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、
    前記Ａ／Ｄ変換部によってデジタル信号に変換された前記発振信号の時間的変化を表す評価値を算出する演算部と、
    前記演算部によって算出された前記評価値に基づいて、前記回転機械の異常を判定する異常判定部と
    を備えたことを特徴とする異常判定システム。
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