JP6963456B2 - 歯車診断装置及び歯車診断方法 - Google Patents

Description

本開示は、入力軸に入力された回転を歯車を用いて増速又は減速して出力軸に伝達する動力伝達機構に含まれる歯車の状態を診断するための歯車診断装置及び歯車診断方法に関する。

船舶等に用いられる減速機や増速機等の歯車を用いた動力伝達機構は、構成部材がケーシング内に収められているため、外部から構成部材の目視が難しい。そこで特許文献１では、動力伝達機構に含まれる歯車について振動の振幅を測定し、その測定結果から算出される確率密度関数の値が基準値に達しているか否かに基づいて、異常の有無や異常の発生箇所を特定することが記載されている。

特開２００５−９１１０３号公報

上記特許文献１では、歯車の振動を評価するために、歯車回転軸を支持する軸受上に設置された加速度センサや、歯車回転軸をモニタリングする光学センサのような非接触センサが用いられており、また、これらの測定結果から高度な演算処理によって確率密度関数を算出することで、異常の有無や発生箇所を特定している。特に、このような異常診断をリアルタイムに実施する場合には、演算装置に高度な処理能力が求められることから、装置のコストや規模が増大するおそれがある。

そこで、このような歯車の異常診断を簡易的な構成で実現することが求められているが、その場合、歯車の振動の振幅特性は、診断対象である歯車の出力特性（回転数やトルクなど）に依存することを考慮する必要がある。例えば、歯車の回転数が高い場合と低い場合とでは、歯車に潜在する異常が振動の振幅にもたらす寄与度が異なる。

本発明の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、簡易な装置構成で、歯車に生じる異常を精度よく診断可能な歯車診断装置及び歯車診断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歯車診断装置は上記課題を解決するために、入力軸に入力された回転を歯車を用いて増速又は減速して出力軸に伝達する動力伝達機構に含まれる前記歯車の状態を診断するための歯車診断装置であって、前記歯車の振動の振幅に基づく診断パラメータを検出する診断パラメータ検出部と、前記歯車の出力特性に対応する参照パラメータを検出する参照パラメータ検出部と、前記参照パラメータに対応する前記診断パラメータの基準値を規定する基準データを記憶する記憶部と、前記診断パラメータ検出部で検出された前記診断パラメータの実測値と、前記参照パラメータ検出部で検出された前記参照パラメータに対応する前記診断パラメータの前記基準値との偏差又は 比が閾値を超えた場合、前記歯車に異常があると判断する判断部と、を備える。

上記（１）の構成によれば、診断対象である歯車の出力特性に対応する参照パラメータを取得し、記憶部に予め記憶された基準データからその値に対応する基準値を取得する。そして、実測値として検出された診断パラメータと当該基準値との偏差又は比を閾値と比較することで歯車の異常を判断する。これにより、出力特性を考慮した歯車の異常判断が可能となり、簡易な構成で精度のよい診断ができる。

（２）幾つかの実施形態では上記（１）の構成において、前記診断パラメータは、前記振動の振幅の最大値、実効値及び波高率の少なくとも一つを含む。

上記（２）の構成によれば、診断パラメータとして振動の振幅の最大値、実効値及び波高率の少なくとも一つを含むことで、上記効果が好適に得られる。

（３）幾つかの実施形態では上記（１）又は（２）の構成において、前記出力特性は前記歯車の回転数及び回転トルクの少なくとも一方を含む。

上記（３）の構成によれば、歯車の出力特性として回転数及び回転トルクの少なくとも一方を採用することで、上記効果が好適に得られる。

（４）幾つかの実施形態では上記（１）から（３）のいずれか一構成において、前記判断部は、前記診断パラメータ検出部で検出された前記診断パラメータの実測値と、前記参照パラメータ検出部で検出された前記参照パラメータに対応する前記診断パラメータの前記基準値との偏差又は比の経時的変化を推定することにより、前記歯車の寿命を判断する。

上記（４）の構成によれば、当該偏差又は比の経時的変化を推定することで、歯車の寿命診断が可能となる。

（５）本発明の少なくとも一実施形態に係る歯車診断装置は上記課題を解決するために、入力軸に入力された回転を歯車を用いて増速又は減速して出力軸に伝達する動力伝達機構に含まれる前記歯車の状態を診断するための歯車診断装置であって、前記歯車の振動の振幅に基づく診断パラメータを検出する診断パラメータ検出部と、前記歯車の回転数、出力及びトルクの少なくとも一つを含む参照パラメータを検出する参照パラメータ検出部と、前記参照パラメータに対応する前記診断パラメータの基準値を規定する基準データを記憶する記憶部と、前記診断パラメータ検出部で検出された前記診断パラメータの実測値と、前記参照パラメータ検出部で検出された前記参照パラメータに対応する前記診断パラメータの前記基準値とを表示する表示部と、を備える。

上記（５）の構成によれば、診断対象である歯車の出力特性に対応する参照パラメータを取得し、記憶部に予め記憶された基準データからその値に対応する基準値を取得する。そして、実測値として検出された診断パラメータと当該基準値とを表示部に表示することにより、オペレータは表示部をモニタリングすることで歯車に異常があるか否かを視覚的に判断できる。これにより、出力特性を考慮した歯車の異常判断が可能となり、簡易な構成で精度のよい診断ができる。

（６）本発明の少なくとも一実施形態に係る歯車診断方法は上記課題を解決するために、入力軸に入力された回転を歯車を用いて増速又は減速して出力軸に伝達する動力伝達機構に含まれる前記歯車の状態を診断するための歯車診断方法であって、前記歯車の振動の振幅に基づく診断パラメータを検出する工程と、前記歯車の回転数、出力及びトルクの少なくとも一つを含む参照パラメータを検出する工程と、前記参照パラメータに対応する前記診断パラメータの基準値を規定する基準データを用いて、前記検出された参照パラメータに対応する前記診断パラメータの基準値を算出する工程と、前記診断パラメータ検出部で検出された前記診断パラメータの実測値と、前記参照パラメータ検出部で検出された前記参照パラメータに対応する前記診断パラメータの前記基準値との偏差又は比が閾値を超えた場合、前記歯車に異常があると判断する工程と、
を備える。

上記（６）の方法は、上述の歯車診断装置（上記各種態様を含む）によって好適に実施可能である。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、簡易な装置構成で、歯車に生じる異常を精度よく診断可能な歯車診断装置及び歯車診断方法を提供できる。

本発明の一実施形態に係る歯車診断装置の全体構成を示す模式図である。 図１のＣＰＵ部の内部構成を機能的に示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る歯車診断方法を工程毎に示すフローチャートである。 記憶部に記憶される基準データＲＤの一例である。 図３のステップＳ９における表示部の表示例である。 判断部で推定された診断パラメータの経時的変化に基づく波高率比の推定結果の一例である。

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、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。
また例えば、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歯車診断装置１の全体構成を示す模式図である。
歯車診断装置１は、入力軸（不図示）に入力された回転を複数の歯車を用いて増速又は減速して出力軸に伝達する動力伝達機構ＰＴにおける歯車Ｇの状態を検出する装置である。動力伝達機構ＰＴは、ケーシングＫと、ケーシングＫ内に収容された歯車Ｇ（歯車Ｇは図示しない他の歯車とケーシングＫ内で係合している）と、歯車Ｇを同軸にして且つ軸周りの相対回転を規制して支持する歯車回転軸Ｊと、歯車回転軸Ｊを軸線周りに回転可能にして両側で支持する軸受Ｂと、を備える。

本実施形態にかかる歯車診断装置１は、歯車Ｇの振動を取得するための加速度センサ２を備える。加速度センサ２は、動力伝達機構ＰＴが有する軸受Ｂの一つに設置される。軸受Ｂには、歯車回転軸Ｊを介して歯車Ｇの振動が伝達されるため、軸受Ｂに設けられている加速度センサ２によって歯車Ｇの振動が検出される。動力伝達機構ＰＴが備える各歯車は、いずれも直接的又は他の歯車を介して間接的に噛み合わされており、それぞれに生じた振動が相互に伝達されるため、加速度センサ２の出力信号Ｖ１には、歯車Ｇ自身の振動の情報に加えて、歯車Ｇに直接的又は間接的に噛み合わされた他の歯車の振動の情報も含まれる。

また歯車診断装置１は、歯車回転軸Ｊの回転数を検出するための回転数センサ４と、を有する。歯車Ｇは歯車回転軸Ｊに対して固着された状態で回転するため、回転数センサ４は実質的に歯車Ｇの回転数を検出する。回転数センサ４は、測定した回転数を出力信号Ｖ２として出力する。

また歯車診断装置１は、歯車Ｇのトルクを検出するためのトルクセンサ５を有する。トルクセンサ５は、駆動側（ここでは、タービン、モータ等）と入力軸、もしくは出力軸間に設置され、測定したトルクを出力信号Ｖ３として出力する。

加速度センサ２、回転数センサ４及びトルクセンサ５の出力信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３は、ＣＰＵ部８に入力される。ＣＰＵ部８はマイクロプロセッサのような電子演算装置であり、不図示のメモリ等に予め記憶されたプログラムを実行することにより歯車診断方法を実行可能に構成される。またＣＰＵ部８はコンソールＣを備えており、オペレータはコンソールＣを操作することにより、ＣＰＵ部８に指令信号を適宜送れるようになっている。またＣＰＵ部８における演算結果は、例えばディスプレイ等である表示部１０に表示可能であり、ＣＰＵ部８の指令信号に応じて警報装置１２を作動させることで、オペレータにブザーのような音声で報知できるようになっている。

図２は図１のＣＰＵ部８の内部構成を機能的に示すブロック図である。ＣＰＵ部８は、診断パラメータＰＪを検出する診断パラメータ検出部１４と、参照パラメータＰＲを検出する参照パラメータ検出部１６と、歯車Ｇの異常を判断する判断部１８と、を備える。

加速度センサ２の出力信号Ｖ１は、増幅器２０によって増幅されたのち、診断パラメータ検出部１４に取り込まれる。診断パラメータ検出部１４は、このような加速度センサ２の出力信号Ｖ１を時間的に連続して測定することにより、歯車Ｇの振動を波形データとして取得する。

診断パラメータ検出部１４は、ピーク検出器２２、実効値検出器２４及び除算器２６を含む。ピーク検出器２２は、診断パラメータＰＪとして、歯車Ｇの振動に関する波形データからピーク値Ｐを検出する。実効値検出器２４は、診断パラメータＰＪとして、歯車Ｇの振動に関する波形データから実効値Ａを検出する。除算器２６は、診断パラメータＰＪとして、ピーク検出器２２で検出されたピーク値Ｐを、実効値検出器２４で検出された実効値Ａで除算することにより、波高率Ｐ／Ａを算出する。このように診断パラメータ検出部１４は、診断パラメータＰＪとして、三種類のパラメータ（ピーク値Ｐ、実効値Ａ及び波高率Ｐ／Ａ）を検出する。

参照パラメータ検出部１６は、回転数センサ４の出力信号Ｖ２に基づいて参照パラメータＰＲの検出を行う。参照パラメータＰＲは、診断対象である歯車Ｇの出力に関するパラメータであって、診断パラメータＰＪに影響を与えうるものである。
尚、本実施形態では、参照パラメータＰＲとして回転数センサ４で検出された回転数Ｒを採用する場合について述べるが、トルクセンサ５で検出されたトルクＴを採用してもよい。この場合、動力伝達機構ＰＴは歯車Ｇにてトルクを伝達するものであり、実トルクで監視することで歯車Ｇの異常の予兆を検知できる。

またＣＰＵ部８は、メモリやハードディスク等から構成される記憶部２８にアクセスすることにより、記憶部２８に予め記憶された基準データＲＤを読み出し可能に構成されている。基準データＲＤは、参照パラメータＰＲに対応する診断パラメータＰＪの基準値を規定するデータであり、予め実験的、理論的またはシミュレーション的な手法で正常な歯車Ｇの振動の振幅に基づいた診断パラメータＰＪの基準値が、参照パラメータＰＲである回転数Ｒに対応付けて規定される（後述の図４を参照）。

判断部１８は、歯車Ｇに異常があるか否かの判断を実施する。具体的には、診断パラメータ検出部１４で検出された診断パラメータＰＪの実測値と、参照パラメータ検出部１６で検出された参照パラメータＰＲに対応する診断パラメータＰＪの基準値との偏差又は比が閾値を超えた場合、歯車Ｇに異常があると判断する。

続いて上記構成を有する歯車診断装置１の制御内容について説明する。図３は本発明の一実施形態に係る歯車診断方法を工程毎に示すフローチャートである。

まずＣＰＵ部８は動力伝達機構ＰＴを動作させた状態で測定を行うことにより、加速度センサ２の出力信号Ｖ１、及び、回転数センサ４の出力信号Ｖ２を取得する（ステップＳ１）。また、このときＣＰＵ部８は、一連の制御について実行回数をカウントするためのインクリメント変数ｎを初期値”０（ゼロ）”に設定する。

続いてＣＰＵ部８は、診断パラメータ検出部１４によって歯車Ｇの振動の振幅に基づく診断パラメータＰＪを検出する（ステップＳ２〜Ｓ４）。本実施形態では、診断パラメータ検出部１４は、診断パラメータＰＪとして歯車Ｇの振動の波形データに基づいてピーク値Ｐ、実効値Ａ及び波高率Ｐ／Ａの三種類のパラメータを検出する。具体的には加速度センサ２の出力信号Ｖ１に基づいて、ピーク検出器２２はピーク値Ｐを検出し（ステップＳ２）、実効値検出器２４は実効値Ａを検出し（ステップＳ３）、除算器２６は波高率Ｐ／Ａを算出する（ステップＳ４）。

またＣＰＵ部８は、参照パラメータ検出部１６によって参照パラメータＰＲを検出する（Ｓ５）。本実施形態では、参照パラメータ検出部１６は、参照パラメータＰＲとして、回転数センサ４の出力信号Ｖ２に基づいて回転数Ｒを検出する。

尚、ステップＳ２〜Ｓ４における診断パラメータＰＪの検出と、ステップＳ５における参照パラメータＰＲの検出は同時に行われ、これらの検出結果は互いに紐付けられて管理される。

続いて判断部１８は、記憶部２８にアクセスすることにより、記憶部２８に予め記憶された基準データＲＤから、ステップＳ５で検出された参照パラメータＰＲ（回転数）に対応する基準値を取得する（ステップＳ６）。ここで図４は記憶部２８に記憶される基準データＲＤの一例である。この例では、参照パラメータＰＲ（回転数Ｒ）の値毎に、正常な歯車Ｇで得られるであろう診断パラメータＰＪ（ピーク値Ｐ、実効値Ａ及び波高率Ｐ／Ａ）の基準値が規定されている。これらの基準値は、サンプルを用いた実測データを採用してもよいし、数値的なシミュレーション結果を採用してもよいし、理論的に算出された結果を採用してもよい。

ステップＳ６では、記憶部２８に記憶された基準データＲＤのなかから、ステップＳ５で検出された参照パラメータＰＲに対応する基準値が取得される。例えば、ステップＳ５で回転数Ｒとして５４ＲＰＭが検出された場合、図４に示される基準データＲＤから、５４ＲＰＭに対応するピーク値Ｐ（１．１０）、実効値Ａ（０．２７）及び波高率Ｐ／Ａ（４．０８）が取得される。

続いて判断部１８は、ステップＳ４で検出された診断パラメータＰＪと、ステップＳ６で取得された基準値との比を算出し（ステップＳ６）、当該比が閾値を超えるか否かを判定することにより、歯車Ｇに異常があるか否かを判断する（ステップＳ７）。ここで閾値は、例えば、その値が歯車Ｇの正常な運用に支障をきたす程度の比として設定される。

尚、本実施形態ではステップＳ６において診断パラメータＰＪと基準値との比に基づいて歯車Ｇの異常を判断する場合を述べるが、これに代えて、診断パラメータＰＪと基準値との偏差に基づいて歯車Ｇの異常を判断してもよい。

判断部１８で比が閾値を超えた場合、判断部１８は歯車Ｇに異常があると判断する。この場合、ＣＰＵ部８は、警報装置１２を作動させることでオペレータに異常の存在を報知する（ステップＳ８）。

また表示部１０には、歯車Ｇの異常の有無に関わらず、判断部１８における判断結果や、各パラメータの検出状況の表示が行われる（ステップＳ９）。ここで図５は、図３のステップＳ９における表示部１０の表示例である。この例では、（ａ）ステップＳ２で診断パラメータＰＪとして検出されたピーク値Ｐ、（ｂ）ステップＳ３で診断パラメータＰＪとして検出された実効値Ａ、（ｃ）ステップＳ４で診断パラメータＰＪとして検出された波高率Ｐ／Ａ、（ｄ）ステップＳ５で参照パラメータＰＲとして検出された回転数Ｒ、及び、（ｅ）診断パラメータＰＪの基準値に対する波高率比が、それぞれ時間の経過とともに変化する様子がそれぞれ波形データとして示されている。また（ｆ）には、波高率比の閾値（＝３）に対する充足度を視覚的に示すメータ表示２９と、波高率比が閾値に到達することで異常と判断された場合に点灯表示するためのインジケータ３０が示されている。オペレータは、このような表示部１０を参照することにより、判断部１８における判断結果や、各パラメータの検出状況の現状やトレンドを容易に把握可能になっている。

また判断部１８では、参照パラメータ検出部１６で検出された参照パラメータＰＲに対応する基準データＲＤに基づいて、診断パラメータ検出部１４で検出された診断パラメータＰＪの経時的変化を推定することにより、歯車Ｇの寿命を評価してもよい。ここで図６は判断部１８で推定された診断パラメータＰＪの経時的変化に基づく波高率比の推定結果の一例である。図６では、実線で現時点ｔ０までの波高率比の測定結果が示されており、破線で現時点ｔ０以降の波高率比の推移の推定結果が示されている。また図６には、歯車Ｇに異常を判定するための閾値（＝３）が点線で示されており、当該閾値に波高率比が到達する時刻ｔ１が寿命として推定されている。これにより、時刻ｔ０からｔ１までが歯車Ｇの余寿命となる。このように推定された余寿命もまた、表示部１０に上記結果とともに表示されてもよい。

ＣＰＵ部８は、以上の制御が完了すると、インクリメント変数ｎをカウントアップし（ステップＳ１０）、処理をステップＳ１に戻し、一連の制御を繰り返し実行する。

尚、上記実施形態では判断部１８において自動的に歯車Ｇの異常を判断する場合について説明したが、判断部１８では具体的な異常判断を行わず、診断パラメータ検出部１４で検出された診断パラメータＰＪ（ピーク値Ｐ、実効値Ａ及び波高率Ｐ／Ａ）、参照パラメータ検出部１６で検出された参照パラメータＰＲ（回転数）、並びに、診断パラメータＰＪと基準値との比を、直接、表示部１０に表示するようにしてもよい。この場合、歯車Ｇに異常があるか否かの判断は、表示部１０の表示内容を認識したオペレータによって行われることとなる。

以上説明したように本発明の少なくとも一実施形態によれば、診断対象である歯車Ｇの出力特性に対応する参照パラメータＰＲを取得し、記憶部２８に予め記憶された基準データＲＤからその値に対応する基準値を取得する。そして、実測値として検出された診断パラメータＰＲと当該基準値との偏差又は比を閾値と比較することで歯車Ｇの異常を判断する。これにより、出力特性を考慮した歯車Ｇの異常判断が可能となり、簡易な構成で精度のよい診断ができる。

本開示は、入力軸に入力された回転を歯車を用いて増速又は減速して出力軸に伝達する動力伝達機構に含まれる歯車の状態を診断するための歯車診断装置及び歯車診断方法に利用可能である。

１ 歯車診断装置
２ 加速度センサ
４ 回転数センサ
５ トルクセンサ
８ ＣＰＵ部
１０ 表示部
１２ 警報装置
１４ 診断パラメータ検出部
１６ 参照パラメータ検出部
１８ 判断部
２０ 増幅器
２２ ピーク検出器
２４ 実効値検出器
２６ 除算器
２８ 記憶部
２９ メータ表示
３０ インジケータ
Ｂ 軸受
Ｃ コンソール
Ｇ 歯車
Ｊ 歯車回転軸
Ｋ ケーシング

Claims (5)

1. 入力軸に入力された回転を歯車を用いて増速又は減速して出力軸に伝達する動力伝達機構に含まれる前記歯車の状態を診断するための歯車診断装置であって、
   前記歯車の振動の振幅に基づく診断パラメータを検出する診断パラメータ検出部と、
   前記歯車の回転トルクを示す参照パラメータを検出する参照パラメータ検出部と、
   前記参照パラメータに対応する前記診断パラメータの基準値を規定する基準データを記憶する記憶部と、
   前記診断パラメータ検出部で検出された前記診断パラメータの実測値と、
   前記参照パラメータ検出部で検出された前記参照パラメータに対応する前記診断パラメータの前記基準値との偏差又は比が閾値を超えた場合、前記歯車に異常があると判断する判断部と、
   を備える、歯車診断装置。
2. 前記診断パラメータは、前記振動の振幅の最大値、実効値及び波高率の少なくとも一つを含む、請求項１に記載の歯車診断装置。
3. 前記判断部は、前記診断パラメータ検出部で検出された前記診断パラメータの実測値と、前記参照パラメータ検出部で検出された前記参照パラメータに対応する前記診断パラメータの前記基準値との偏差又は比の経時的変化を推定することにより、前記歯車の寿命を判断する、請求項１又は２に記載の歯車診断装置。
4. 入力軸に入力された回転を歯車を用いて増速又は減速して出力軸に伝達する動力伝達機構に含まれる前記歯車の状態を診断するための歯車診断装置であって、
   前記歯車の振動の振幅に基づく診断パラメータを検出する診断パラメータ検出部と、
   前記歯車の回転トルクを示す参照パラメータを検出する参照パラメータ検出部と、
   前記参照パラメータに対応する前記診断パラメータの基準値を規定する基準データを記憶する記憶部と、
   前記診断パラメータ検出部で検出された前記診断パラメータの実測値と、前記参照パラメータ検出部で検出された前記参照パラメータに対応する前記診断パラメータの前記基準値とを表示する表示部と、
   を備える、歯車診断装置。
5. 入力軸に入力された回転を歯車を用いて増速又は減速して出力軸に伝達する動力伝達機構に含まれる前記歯車の状態を診断するための歯車診断方法であって、
   前記歯車の振動の振幅に基づく診断パラメータを検出する工程と、
   前記歯車の回転トルクを示す参照パラメータを検出する工程と、
   前記参照パラメータに対応する前記診断パラメータの基準値を規定する基準データを用いて、前記検出された参照パラメータに対応する前記診断パラメータの基準値を算出する工程と、
   前記診断パラメータ検出部で検出された前記診断パラメータの実測値と、前記参照パラメータ検出部で検出された前記参照パラメータに対応する前記診断パラメータの前記基準値との偏差又は比が閾値を超えた場合、前記歯車に異常があると判断する工程と、
   を備える、歯車診断方法。

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