JP6995969B1

JP6995969B1 - 回転機器の診断装置

Info

Publication number: JP6995969B1
Application number: JP2020212690A
Authority: JP
Inventors: 直毅山森; 雅司 ▲高▼橋; 好宏藤本; 仁森田; 巨壹陳; 利樹武内; 一浩三木
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2022-01-17
Anticipated expiration: 2040-12-22
Also published as: JP2022098982A

Abstract

【課題】簡単に回転機器の軸受けの状態を把握することができるようにする。
【解決手段】回転機器の診断装置は、設備に設置された回転機器において、回転機器が回転しているときの振動を検出する振動検出装置と、振動検出装置が検出した振動を解析する振動解析装置と、振動解析装置が解析した周波数と、周波数に対応した振動の振幅とを表示する表示装置と、を備え、振動解析装置は、回転機器が第１回転数で回転しているときの周波数である第１周波数と第１周波数に対応する振幅である第１振幅とを含む波形を解析可能あり、回転機器が第２回転数で回転しているときの周波数である第２周波数と第２周波数に対応する振幅である第２振幅とを含む波形を解析可能であり、且つ、第１振幅と第２振幅との差を小さくするスケーリングを行い、表示装置は、スケーリングを行った波形を表示する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転機器の診断装置に関する。

水処理設備には攪拌機、ポンプおよび脱水機等の多くの回転機器が使用されている。上水設備、下水処理設備および工場等における排水処理設備において、回転機器の軸受けの状態を正確に把握することは重要である。
特許文献１は、被試験装置に設置されたセンサで測定した物理量によって転がり軸受の状態監視を行なう状態監視方法であって、センサによって測定した測定波形のデータに対して高速フーリエ変換を少なくとも１回実行して、変換後波形を生成するステップと、変換後波形の少なくとも３か所のピークを中心とした、少なくとも３つの特徴量算出範囲における変換後波形の部分波形から第１特徴量を算出するステップと、第１特徴量を用いて、転がり軸受の異常を検出するステップとを備えている。

特開２０１９－４５４７２号公報

特許文献１では、測定波形のデータのピークのうち、３つの特徴量を見ることによって転がり軸受けの異常を検出することができる。しかし、複数の回転機器の使用状況によっては、転がり軸受けの状態を判断することが困難なときがあった。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、使用状況が異なっても、複数の回転機器の軸受けの状態を容易に把握することができる回転機器の診断装置を提供することを目的とする。

本発明に係る回転機器の診断装置は、設備に設置された回転機器において、前記回転機器が回転しているときの軸受の状態を診断するために前記回転機器の振動を検出する振動検出装置と、前記振動検出装置が検出した振動を解析する振動解析装置と、前記振動解析装置が解析した周波数と、前記周波数に対応した前記振動の振幅とを表示する表示装置と、を備え、前記回転機器は、第１機器と前記第１機器とは異なる第２機器とを含み、前記第１機器と前記第２機器とは仕様が同一であり、前記振動検出装置は、前記第１機器が第１回転数で回転しているときの第１振動情報を検出し、前記第２機器が前記第１回転数とは異なる第２回転数で回転しているときの第２振動情報を検出し、前記振動解析装置は、前記第１振動情報から第１加速度波形を作成し、前記第２振動情報から第２加速度波形を作成し、前記第１加速度波形に含まれる振幅を定数倍して当該第１加速度波形の実効値で除算し、前記第２加速度波形に含まれる振幅を定数倍して当該第２加速度波形の実効値で除算するスケーリング処理を行って、前記第１加速度波形及び前記第２加速度波形のスケールを調整し、当該調整後の前記第１加速度波形に含まれる第１振幅と、当該調整後の前記第２加速度波形に含まれる第２振幅との差を小さくし、前記スケーリング処理の前又は後の前記第１加速度波形に対してハイパスフィルタにより周波数カットの処理を行い、前記スケーリング処理の前又は後の前記第２加速度波形に対してハイパスフィルタにより周波数カットの処理を行い、前記スケーリング処理と前記ハイパスフィルタの処理とを行った後の前記第１加速度波形に対して絶対値整流の処理とエンベロープ処理と高速フーリエ変換とを行うことで、周波数と周波数に対応した振幅であって前記軸受の故障判断用の閾値と比較するための振幅とで表される第１解析波形を求め、前記スケーリング処理と前記ハイパスフィルタの処理とを行った後の前記第２加速度波形に対して絶対値整流の処理とエンベロープ処理と高速フーリエ変換を行うことで、周波数と周波数に対応した振幅であって前記軸受の故障判断用の閾値と比較するための振幅とで表される第２解析波形を求め、前記表示装置は、前記第１解析波形及び前記第２解析波形をそれぞれ表示する。

前記振動解析装置は、前記第１機器の前記軸受の状態と前記第２機器の前記軸受の状態とが同じ場合に、前記第１解析波形の周波数のスペクトル強度と前記第２解析波形の周波数のスペクトル強度とが同程度になるように、前記スケーリング処理を行う。

前記振動解析装置は、前記第１機器を定格回転数である前記第１回転数で回転させたときに前記振動検出装置により検出された前記第１振動情報から前記第１加速度波形を作成し、当該第１加速度波形に対して前記スケーリング処理を行って、前記第１解析波形を求め、前記第２機器を前記第１機器の定格回転数と異なる定格回転数である前記第２回転数で回転させたときに前記振動検出装置により検出された前記第２振動情報から前記第２加速度波形を作成し、当該第２加速度波形に対して前記スケーリング処理を行って、前記第２解析波形を求める。

本発明によれば、使用状況が異なっても、複数の回転機器の軸受の状態を容易に把握することができる。

回転機器の診断装置を備えた水処理設備を示す図である。第１機器が１７００ｒｐｍで回転しているときの加速度波形Ｊ１及び解析波形Ｗ１を示す図である。第２機器が９００ｒｐｍで回転しているときの加速度波形Ｊ２及び解析波形Ｗ２を示す図である。回転機器の診断装置の動作を示す図である。図２Ａの加速度波形Ｊ１においてスケーリング処理を行わなかった場合の解析波形Ｗ１１を示す図である。図２Ｂの加速度波形Ｊ２においてスケーリング処理を行わなかった場合の解析波形Ｗ１２を示す図である。

図１は、回転機器の診断装置１が設けられた水処理設備２を示す図である。
回転機器の診断装置１は、モータ、モータに連結されたポンプ、減速器などの回転機器の軸受けの状態を診断することができる。回転機器の診断装置１は、例えば、図１に示す水処理設備２等に設けられたシステムである。なお、回転機器の診断装置１は、水処理設備以外に設けられてもよく限定はされない。

まず、説明の便宜上、水処理設備２について説明する。
図１に示すように、水処理設備２は、水に関する処理をする設備であって、上水処理設備、下処理設備などである。例えば、水処理設備２が下処理設備である場合、水処理設備２は、取水処理場１１、第１沈殿処理場１２、反応処理場１３、第２沈殿処理場１４、放流処理場１５を備えている。

取水処理場１１、第１沈殿処理場１２、反応処理場１３、第２沈殿処理場１４、放流処理場１５のそれぞれは、回転機器２１～２６が設けられている。
図１に示すように、回転機器の診断装置１は、回転機器２１～２６が回転しているときの軸受けの状態を振動から診断する装置であって、振動検出装置３０と、振動解析装置３１とを備えている。振動検出装置３０は、水処理設備２などに設置された回転機器２１～２６において、回転機器２１～２６が回転しているときの軸受けの状態を含む機械の状態を診断するために、振動を検出する。

振動検出装置３０は、例えば、測定部分の加速度を検出する加速度検出センサ、測定部分の速度を検出する速度検出センサ、測定部分の変位量を検出する変位検出センサなどである。即ち、振動検出装置３０は、測定部分の加速度、測定部分の速度、測定部分の変位量等によって、測定部分の振動を検出する。
例えば、振動検出装置３０は、回転機器２１～２６のそれぞれの筐体（測定部位）に固定された装置、又は、持ち運びが可能で回転機器２１～２６のそれぞれの筐体（測定部位）にセンサ部を当てることが可能な装置であって、振動情報（振動加速度、振動速度、振動変位）を計測する。

振動解析装置３１は、固定型コンピュータ、スマートフォン、タブレット、ノートパソコン等の携帯型コンピュータである。振動解析装置３１は、振動検出装置３０が測定した振動情報を有線又は無線によって取得し、取得した情報を不揮発性メモリ等から構成された記憶装置３２に記憶する。
振動解析装置３１は、振動検出装置３０が検出した振動情報、即ち、加速度信号をハイパスフィルタ（ＨＰＦ）により周波数カットを行った後、周波数カットした信号を絶対値整流を行って、エンベローブ処理（包絡線処理）を行い、エンベローブ処理を行ったデータ（信号）に対して、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行うことにより、図２Ａ、２Ｂに示すような解析波形Ｗ１、Ｗ２を演算する。

例えば、振動解析装置３１は、複数の回転機器２１～２６の軸受けの状態を判断するために、解析波形Ｗ１、Ｗ２を演算する場合、少なくとも２つの解析波形Ｗ１、Ｗ２の振幅のスケールの差が可能な限り小さくなるように、スケーリング処理（スケールの調整）を行う。
以下、振動解析装置３１が複数の回転機器２１～２６についての振動の解析を行う場合について詳しく説明する。説明の便宜上、１台目の回転機器のことを第１機器、２台目の回転機器のことを第２機器という。

例えば、振動解析装置３１は、第１機器が定格回転数の１７００ｒｐｍ（第１回転数）
で回転しているときの振動情報（第１振動情報）と、第２機器が定格回転数の９００ｒｐｍ（第２回転数）で回転しているときの振動情報（第２振動情報）とのそれぞれを、振動検出装置３０により取得する。
振動解析装置３１は、第１振動情報（第１加速度信号）をハイパスフィルタ（ＨＰＦ）により周波数カットを行うことで、図２Ａに示すような第１加速度波形Ｊ１を作成する。また、振動解析装置３１は、第２振動情報（第２加速度信号）をハイパスフィルタ（ＨＰＦ）により周波数カットを行うことで、図２Ｂに示すような第２加速度波形Ｊ２を作成する。

振動解析装置３１は、第１加速度波形Ｊ１を式（１）に適用することで、スケール調整後の第１加速度波形の第１振幅Ａ１（ｔ）を求め、第２加速度波形Ｊ２を式（２）に適用することで、スケール調整後の第２加速度波形の第２振幅Ａ２（ｔ）を求める。
第１振幅Ａ１（ｔ）＝第１加速度波形Ｊ１（ｔ）の振幅×定数Ｃ１÷Ｊ１のＲＭＳ・・・（１）
第２振幅Ａ２（ｔ）＝第２加速度波形Ｊ２（ｔ）の振幅×定数Ｃ２÷Ｊ２のＲＭＳ・・・（２）
ただし、
Ｊ１のＲＭＳ：第１加速度波形Ｊ１（ｔ）の実行値
Ｊ２のＲＭＳ：第２加速度波形Ｊ２（ｔ）の実行値
ここで、振動解析装置３１は、第１振幅Ａ１（ｔ）と、第２振幅Ａ２（ｔ）との差（偏差）が小さくなるような定数Ｃ１、Ｃ２を適用する。なお、上述した式（１）及び式（２）では、ＲＭＳ値（実行値）を用いているが、Ｊ１のＲＭＳ及びＪ２のＲＭＳを振幅最大値等の振幅パラメータでも代用してもよい。

上述したように、振動解析装置３１は、第１加速度波形Ｊ１の振幅を調整した後、即ち、第１振幅Ａ１（ｔ）で表される第１加速度波形を演算した後は、第１振幅Ａ１（ｔ）で表される第１加速度波形に対して、絶対値整流の処理、エンベローブ処理（包絡線処理）を行った後、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行うことにより、図２Ａに示す解析波形Ｗ１を求める。

また、振動解析装置３１は、第２加速度波形Ｊ２の振幅を調整した後、即ち、第２振幅Ａ２（ｔ）で表される第２加速度波形を演算した後は、第２振幅Ａ２（ｔ）で表される第２加速度波形に対して、絶対値整流の処理、エンベローブ処理（包絡線処理）を行った後、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行うことにより、図２Ｂに示す解析波形Ｗ２を求める。
つまり、振動解析装置３１は、第１機器が第１回転数（例えば、１７００ｒｐｍ）で回転しているときの周波数である第１周波数と第１周波数に対応する振幅である第１振幅Ａ１（ｔ）とを含む波形を解析可能あり、第２機器が第２回転数で回転しているときの周波数である第２周波数と第２周波数に対応する第２振幅Ａ２（ｔ）とを含む波形を解析可能あり、第１振幅Ａ１（ｔ）及び第２振幅Ａ２（ｔ）は、補正情報（定数Ｃ１、Ｃ２）によって変更する。

さて、回転機器の診断装置１は、表示装置５０を備えている。表示装置５０は、例えば、水処理設備２を監視する監視センターに設置されたモニタ、持ち運びが可能なタブレット、スマートフォン、ノートパソコン等である。図２Ａ、図２Ｂに示すように、表示装置５０は、スケーリング処理後の解析波形Ｗ１、Ｗ２を表示する。なお、表示装置５０は、第１加速度波形Ｊ１及び第２加速度波形の周波数波形を表示する。

このように、表示装置５０に、解析波形Ｗ１、Ｗ２を表示することによって、第１機器及び第２機器が定格で回転しているときの軸受けの状態を把握することができる。例えば、解析波形Ｗ１、Ｗ２において、所定の周波数における振幅が閾値よりも大きいときは、軸受けが故障していると判断することができ、振幅が閾値よりも小さいときは、軸受けは故障しておらず正常であると判断することができる。

図３は、回転機器の診断装置１の動作を示す図である。図３に示すように、回転機器の診断装置１は、第１機器の第１振動情報（第１加速度信号）、第２機器の第２振動情報（第２加速度信号）を取得する（Ｓ１）。回転機器の診断装置１は、第１加速度信号及び第２加速度信号に対してハイパスフィルタ（ＨＰＦ）により周波数カットを行う（Ｓ２）。回転機器の診断装置１は、周波数カットを行った第１加速度信号（第１加速度波形Ｊ１）及び第２加速度信号（第２加速度波形Ｊ２）のスケーリング処理を行う（Ｓ３）。スケーリング処理では、第１加速度波形Ｊ１の第１振幅Ａ１（ｔ）と第２加速度波形Ｊ２の第２振幅Ａ２（ｔ）との差が小さくなるように、振幅の調整を行う。

スケーリング処理後は、スケーリング処理後の第１加速度波形Ｊ１及び第２加速度波形Ｊ２に対して、絶対値整流処理（Ｓ４）、エンベローブ処理（Ｓ５）、高速フーリエ変換処理（Ｓ６）を行って、解析波形Ｗ１、Ｗ２を演算し、解析波形Ｗ１、Ｗ２を表示装置５０に表示する（Ｓ７）。
なお、上述した実施形態では、スケーリングの際に、第１加速度波形Ｊ１及び第２加速度波形Ｊ２のＲＭＳ値が同値になるようにスケーリングし、軸受けの状態が同じであれば、解析波形Ｗ１、Ｗ２のスペクトル強度が同じような値になるようにしている。

また、上述した実施形態において、スケーリング処理と、周波数カットとの処理を逆にしてもよい。
回転機器の診断装置１は、設備に設置された回転機器２１～２６において、回転機器２１～２６が回転しているときの振動を検出する振動検出装置３０と、振動検出装置３０が検出した振動を解析する振動解析装置３１と、振動解析装置３１が解析した周波数と、周波数に対応した振動の振幅とを表示する表示装置５０と、を備え、振動解析装置３１は、回転機器２１～２６が第１回転数で回転しているときの周波数である第１周波数と第１周波数に対応する振幅である第１振幅とを含む波形を解析可能あり、回転機器２１～２６が第２回転数で回転しているときの周波数である第２周波数と第２周波数に対応する振幅である第２振幅とを含む波形を解析可能あり、且つ、第１振幅と第２振幅との差を小さくするスケーリングを行い、表示装置５０は、スケーリングを行った波形を表示する。

これによれば、例えば、図４Ａに示すように、所定の回転機器が第１回転数で回転しているときの第１加速度信号Ｊ１に対してスケーリング処理を行わなかった場合の解析波形Ｗ１１（第１周波数、第１振幅）と、図４Ｂに示すように、所定の回転機器が第２回転数で回転しているときの第２加速度信号Ｊ２に対してスケーリング処理を行わなかった場合の解析波形Ｗ１２（第２周波数、第２振幅）とを比べた場合、図４Ａの解析波形Ｗ１１の第１振幅の縦軸が８mm/ｓ^２であるのに対し、図４Ｂの解析波形Ｗ１２の第２振幅の縦軸が１mm/ｓ^２である。つまり、解析波形Ｗ１１の第１振幅のスケールの大きさと、解析波形Ｗ１２の第２振幅のスケールの大きさとに開きがあるため、軸受けが故障しているのか、正常であるのかがわかりにくい。

これに対して、図２Ａに示すように、所定の回転機器が第１回転数で回転しているときの第１加速度信号Ｊ１に対してスケーリング処理を行った場合の解析波形Ｗ１と、図２Ｂに示すように、所定の回転機器が第２回転数で回転しているときの第２加速度信号Ｊ２に対してスケーリング処理を行った場合の解析波形Ｗ２とを比べた場合、図２Ａの解析波形Ｗ１の第１振幅の縦軸が１２mm/ｓ^２であるのに対し、図２Ｂの解析波形Ｗ２の第２振幅の縦軸が７mm/ｓ^２である。つまり、第１振幅と第２振幅との差が小さくひらきがないため、振幅の大きさによって軸受けが故障しているのか正常であるのかを簡単に把握することができる。特に、第１機器と第２機器とが別々の場所に配置され且つ、同一の仕様である場合には、回転数が異なったとしても振幅によって軸受けの状態を簡単に把握することができる。

振動解析装置３１は、第１振幅と第２振幅と補正情報に基づいて、スケーリングする。これによれば、補正情報を用いることによって簡単にスケーリングを行うことができる。
回転機器２１～２６は、第１機器と第１機器とは異なる第２機器とを含み、振動解析装置３１は、第１機器が第１回転数で回転しているときの第１周波数と第１振幅とを含む波形を解析可能あり、第２機器が第２回転数で回転しているときの第２周波数と第２振幅とを含む波形を解析可能である。これによれば、第１機器が回転したときの波形と、第２機器が回転したときの波形の振幅が同じようにスケーリングされるため、第１機器と第２機器との両方の軸受けの状態を同じ振幅の大きさで把握することができる。

振動解析装置３１は、第１機器を定格回転数で回転させた場合の第１回転数における第１周波数及び第１振幅を含む波形を解析し、第２機器を定格回転数で回転させた場合の第
２回転数における第２周波数及び第２振幅を含む波形を解析する。これによれば、例えば、定格回転数が異なる第１機器と第２機器とがあったとしても、解析した波形の振幅を評価しやすく、軸受けの状態を簡単に把握することができる。

なお、上述した実施形態では、第１機器が１７００ｒｐｍ、第２機器が９００ｒｐｍで回転しているときの加速度波形について説明したが、第１機器及び第２機器の回転数は限定されず、どのようなものであってもよい。
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及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１：診断装置
２：水処理設備
１１：取水処理場
１２：第１沈殿処理場
１３：反応処理場
１４：第２沈殿処理場
１５：放流処理場
２１～２６：回転機器
３０：振動検出装置
３１：振動解析装置
３２：記憶装置
５０：表示装置
Ａ１：第１振幅
Ａ２：第２振幅
Ｃ１：定数
Ｃ２：定数
Ｊ１：第１加速度波形
Ｊ２：第２加速度波形
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ１１、Ｗ１２：解析波形

Claims

設備に設置された回転機器において、前記回転機器が回転しているときの軸受の状態を診断するために前記回転機器の振動を検出する振動検出装置と、
前記振動検出装置が検出した振動を解析する振動解析装置と、
前記振動解析装置が解析した周波数と、前記周波数に対応した前記振動の振幅とを表示する表示装置と、を備え、
前記回転機器は、第１機器と前記第１機器とは異なる第２機器とを含み、
前記第１機器と前記第２機器とは、仕様が同一であり、
前記振動検出装置は、
前記第１機器が第１回転数で回転しているときの第１振動情報を検出し、
前記第２機器が前記第１回転数とは異なる第２回転数で回転しているときの第２振動情報を検出し、
前記振動解析装置は、
前記第１振動情報から第１加速度波形を作成し、
前記第２振動情報から第２加速度波形を作成し、
前記第１加速度波形に含まれる振幅を定数倍して当該第１加速度波形の実効値で除算し、前記第２加速度波形に含まれる振幅を定数倍して当該第２加速度波形の実効値で除算するスケーリング処理を行って、前記第１加速度波形及び前記第２加速度波形のスケールを調整し、当該調整後の前記第１加速度波形に含まれる第１振幅と、当該調整後の前記第２加速度波形に含まれる第２振幅との差を小さくし、
前記スケーリング処理の前又は後の前記第１加速度波形に対してハイパスフィルタにより周波数カットの処理を行い、
前記スケーリング処理の前又は後の前記第２加速度波形に対してハイパスフィルタにより周波数カットの処理を行い、
前記スケーリング処理と前記ハイパスフィルタの処理とを行った後の前記第１加速度波形に対して絶対値整流の処理とエンベロープ処理と高速フーリエ変換とを行うことで、周波数と周波数に対応した振幅であって前記軸受の故障判断用の閾値と比較するための振幅とで表される第１解析波形を求め、
前記スケーリング処理と前記ハイパスフィルタの処理とを行った後の前記第２加速度波形に対して絶対値整流の処理とエンベロープ処理と高速フーリエ変換を行うことで、周波数と周波数に対応した振幅であって前記軸受の故障判断用の閾値と比較するための振幅とで表される第２解析波形を求め、
前記表示装置は、前記第１解析波形及び前記第２解析波形をそれぞれ表示する回転機器の診断装置。
前記振動解析装置は、前記第１機器の前記軸受の状態と前記第２機器の前記軸受の状態とが同じ場合に、前記第１解析波形の周波数のスペクトル強度と前記第２解析波形の周波数のスペクトル強度とが同程度になるように、前記スケーリング処理を行う請求項１に記載の回転機器の診断装置。
前記振動解析装置は、
前記第１機器を定格回転数である前記第１回転数で回転させたときに、前記振動検出装置により検出された前記第１振動情報から前記第１加速度波形を作成して、当該第１加速度波形に対して前記スケーリング処理を行って、前記第１解析波形を求め、
前記第２機器を前記第１機器の定格回転数と異なる定格回転数である前記第２回転数で回転させたときに、前記振動検出装置により検出された前記第２振動情報から前記第２加速度波形を作成して、当該第２加速度波形に対して前記スケーリング処理を行って、前記第２解析波形を求める請求項１又は２に記載の回転機器の診断装置。