JP7364455B2 - 遠心脱水機の診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、遠心脱水機の診断方法に関する。

遠心脱水機は、ボウルとボウル内に設置されたスクリュー羽根との回転運動によってボウルに流入された汚泥を、遠心力を利用して固液分離する装置で、長時間の連続運転により内部に汚泥が堆積するとアンバランス状態となって振動が大きくなり、故障につながる虞があるため、例えば定期的に洗浄運転が行なわれる。

特許文献１には、遠心分離機における洗浄運転の周期及び同洗浄運転における低速洗浄運転の繰り返し回数を適切なものとする遠心分離機診断方法が提案されている。

当該遠心分離機診断方法は、流入された汚泥を回転運動によって固形物と液体とに分離する回転体を有する遠心分離機と、回転体の軸受に少なくとも１つ設置され、軸受における振動を検出して、振動波形を出力する振動センサと、遠心分離機の制御を行う制御装置とからなる遠心分離機診断システムにおいて、制御装置が、特定周波数の振動値を検出する第１の処理と、回転体の所定の周波数の振動値が、予め決められた設定値よりも大きいか否かを調べる第２の処理と、第２の処理において、回転体の所定の周波数の振動値が、予め決められた設定値よりも大きい場合、遠心分離機に、回転体内の堆積物を取り除くための運転である洗浄運転を行わせる第３の処理と、を有することを特徴とする。

特開２００１－平０９－１０７５９０号公報

しかし、上述した従来の遠心分離機診断方法は、周波数解析によりボウルの回転数に対応する特定周波数及びその高調波成分を求め、その値に基づいて洗浄運転の要否、その条件などを求めるものであったため、ボウルとボウル内に設置されたスクリュー羽根の回転数が異なる実際の運転状態を適切に反映したものではなく、異常の検出を含む正確な解析と診断という観点で更なる改良の余地があった。

本発明の目的は、上述した従来技術に鑑み、実際の運転状態を適切に反映した正確な解析を可能とする遠心脱水機の診断方法を提供する点にある。

上述の目的を達成するため、本発明による遠心脱水機の診断方法の第一の特徴構成は、ボウルとボウル内に設置されたスクリュー羽根との回転運動によってボウルに流入された汚泥を固液分離する遠心脱水機の診断方法であって、前記ボウルまたは前記スクリュー羽根の回転軸の何れかの軸受に取付けた振動センサにより、前記ボウルと前記スクリュー羽根の差速が一定に維持された状態で動作する遠心脱水機の振動データを時系列で収集するデータサンプリング処理と、収集された時系列の振動データを周波数解析して、前記ボウルと前記スクリュー羽根の其々の回転周期に対応する周波数特性を抽出する周波数解析処理と、少なくとも何れか一方の周波数特性に基づいて前記遠心脱水機の状態を診断する診断処理と、を実行する点にある。

データサンプリング処理で収集された振動データが、周波数解析処理で周波数解析されてボウルとスクリュー羽根の其々の回転周期に対応する周波数特性が抽出される。診断処理では、少なくとも何れか一方の周波数特性に基づいて遠心脱水機の状態が診断される。例えば、スクリュー羽根に関する異常の有無を評価する場合にはスクリュー羽根に関する周波数特性に着目することができ、ボウルに関する異常の有無を評価する場合にはボウルに関する周波数特性に着目することができる。ボウルとスクリュー羽根の其々の回転周期が変動すると適切な周波数特性を得ることが困難となるので、少なくとも遠心脱水機のボウルとスクリュー羽根の差速が一定状態にあるときにデータサンプリング処理が行なわれる。

同第二の特徴構成は、上述の第一の特徴構成に加えて、前記周波数解析処理の結果が記録され、前記診断処理は、前記ボウルと前記スクリュー羽根の何れか一方の回転周期に対応する周波数スペクトルと、過去の周波数スペクトルとの比較に基づいて前記遠心脱水機の状態を診断するように構成されている点にある。

周波数解析処理で求められたボウルとスクリュー羽根の何れか一方の回転周期に対応する周波数スペクトルと、過去の周波数スペクトルとの比較に基づいて、例えば経時的な状態変動であるのか突発的な状態変動であるのか、その程度はどの程度であるのか、などに基づいて遠心脱水機の状態を適切に診断することができる。

同第三の特徴構成は、上述の第一の特徴構成に加えて、前記診断処理は、前記ボウルと前記スクリュー羽根の其々の回転周期に対応する周波数スペクトルの比較に基づいて前記遠心脱水機の状態を診断するように構成されている点にある。

ボウルとスクリュー羽根の其々の回転周期に対応する周波数スペクトルの強度の比率や差分などの比較により、何れの振動の程度がどの程度大きいのかを客観的に評価でき、それにより状態の変動がボウルとスクリュー羽根の何れに原因するものであるのかなどの評価ができるようになる。

同第四の特徴構成は、上述の第一の特徴構成に加えて、前記周波数解析処理の結果が記録され、前記ボウルと前記スクリュー羽根の其々の回転周期に対応する周波数スペクトルの比率と、過去の周波数スペクトルの比率との比較に基づいて前記遠心脱水機の状態を診断するように構成されている点にある。

ボウルとスクリュー羽根の其々の回転周期に対応する周波数スペクトルの比率と、過去の周波数スペクトルの比率との比較に基づいて、例えば双方が経時的な状態変動であるのか何れか一方が突発的な状態変動であるのか、その程度はどの程度であるのか、などに基づいて遠心脱水機の状態を適切に診断することができる。

以上説明した通り、本発明によれば、実際の運転状態を適切に反映した正確な解析を可能とする遠心脱水機の診断方法を提供することができるようになった。

（ａ）は遠心脱水機の正面図、（ｂ）は遠心脱水機の要部の説明図 遠心脱水機の要部と診断方法の説明図 （ａ）は広域周波数特性図、（ｂ）は特徴周波数の近傍の周波数特性図 特徴周波数の周波数スペクトルと異常現象の相関の説明図

以下に、本発明による遠心脱水機の診断方法を説明する。
図１（ａ），（ｂ）に示すように、遠心脱水機１は、ボウル２とボウル２内に設置されたスクリュー羽根３との回転運動によってボウル２に流入された汚泥を遠心力を利用して固液分離する装置である。

ボウル２とスクリュー羽根３は、４本の脚部４で支持されたフレーム７と上ケーシング８との間に形成された空間に左右の軸受部５（５Ａ，５Ｂ），６（６Ａ，６Ｂ）によって回転自在に支持されている。

左側の脚部４の間に取付けられた駆動用電動機Ｍ１とボウル回転軸の一端側に配したプーリーがベルトＢ１で連結されて、軸受部５Ａで軸支されるボウル２が回転駆動され、右側の脚部４の間に取付けられた差速用電動機Ｍ２と差速装置Ｄの回転軸に備えたプーリーがベルトＢ２で連結されて軸受部５Ｂで軸支されるスクリュー羽根３が回転駆動される。スクリュー羽根３の他端はボウル２の一端に設けた軸受６Ａで軸支され、ボウル３の他端は軸受６Ｂを介してスクリュー羽根３の回転軸で支持されている。差速装置Ｄの出力軸とスクリュー羽根３の回転軸が連結されており、ボウル２とスクリュー羽根３との間の差速が設定される。

例えば、ボウル２が３０００ｒｐｍで回転し、スクリュー羽根３がボウル２の回転方向と同方向でボウル２の回転数より僅かに遅い回転数で回転する。
このとき、左側の汚泥投入部１０から投入された原汚泥はボウル２内で遠心脱水されて、固形分が周方向に移動してスクリュー羽根３により軸心方向に搬送されて反対側の脱水ケーキ排出口１２から脱水ケーキとして排出され、分離液は汚泥投入部１０近傍の分離液排出口１１から排水される。

図２に示すように、汚泥投入部１０から流入した汚泥は、スクリュー羽根３の中空部に導入された後にスクリュー羽根３の周面に形成された孔部３ｈからボウル２の内部に吐き出された後にボウル３の内部で遠心脱水される。

当該遠心脱水機１を長時間使用すると、ボウル２の内部やスクリュー羽根３に汚泥が堆積して固化して円滑に脱水することが困難になり、或いはスクリュー羽根３が摩耗して脱水性能が低下する虞がある。そのような場合には、原汚泥に代えて清浄な水を汚泥投入部１０から注入して遠心脱水機１を駆動する洗浄運転が行なわれる。

しかし、機械内部の状態を確認するためには遠心脱水機１を分解して内部を目視確認する以外に手立てが無く、非常に煩雑な作業が要求される。
本発明では、遠心脱水機１を分解することなく異常であるか否かを診断可能な遠心脱水機の診断方法が提供される。

以下詳述する。
本発明による遠心脱水機１の診断方法は、遠心脱水機１に取付けた振動センサＳ１，Ｓ２により、動作中の遠心脱水機１の振動データを時系列で収集するデータサンプリング処理と、収集された時系列の振動データを周波数解析して、ボウル２とスクリュー羽根３の其々の回転周期に対応する周波数特性を抽出する周波数解析処理と、少なくとも何れか一方の周波数特性に基づいて遠心脱水機１の状態を診断する診断処理と、を実行するように構成されている。

データサンプリング処理のためにデータ収集装置２０が設けられ、周波数解析処理のために周波数解析装置３０が設けられ、診断処理のために診断装置４０が設けられている。また、サンプリングされたデータ、周波数解析結果などを記憶するために記憶装置５０が設けられている。これらの各装置は、汎用のパーソナルコンピュータなどで構成することも可能で、データ収集プログラム、周波数解析プログラム、診断プログラムなどのアプリケーションプログラムを予めインストールすることにより実現できる。

振動センサＳ１，Ｓ２として、加速度センサが好適に用いられる。例えば軸受５Ａ，５Ｂの其々に軸心方向の振動を検出する加速度センサ、上下方向の振動を検出する加速度センサ、軸心方向と直交する水平方向の振動を検出する加速度センサの３つの振動センサを其々の軸受５Ａ，５Ｂに取り付けて、各出力を検出するように構成することができる。振動センサの設置位置はこれらの部位に限定されず、軸受６Ａ，６Ｂなど他の部位に取り付けることも可能である。

データサンプリング処理で収集された振動データが、周波数解析処理で周波数解析されてボウル２とスクリュー羽根３の其々の回転周期に対応する特徴周波数の周波数スペクトルを含む周波数特性が抽出される。診断処理では、少なくとも何れか一方の周波数特性に基づいて遠心脱水機の状態が診断される。例えば、スクリュー羽根３に関する異常の有無を評価する場合にはスクリュー羽根３に関する周波数特性に着目することができ、ボウルに関する異常の有無を評価する場合にはボウルに関する周波数特性に着目することができる。周波数解析演算として高速フーリエ変換が好適に用いられる。

図３（ａ）には、軸受部５Ａに取り付けた上下方向の振動を検出する加速度センサで収集された振動データを高速フーリエ変換した結果である周波数特性が示され、図３（ｂ）には、ボウル２とスクリュー羽根３の其々の回転周期に対応する特徴周波数の近傍の特性が示されている。この例では、ボウル２の回転数を２９０９ｒｐｍ、スクリュー羽根３の回転数を２９００ｒｐｍとしている。図３（ｂ）より、ボウル２の特徴周波数は、約４８．４８Ｈｚ（＝２９０９／６０）でピークを示し、スクリュー羽根３の特徴周波数は、約４８．３３Ｈｚでピークを示していることが判る。また、図３（ａ）から、４８．４８Ｈｚ及び４８．３３Ｈｚの周波数成分の高調波領域でもピークが表れていることが確認できる。

つまり、遠心脱水機１は、ボウル２とスクリュー羽根３の其々の回転周期に対
応する周波数特性が表れていることが確認できる。其々の振動周波数をボウル特徴周波数と、スクリュー羽根特徴周波数と呼ぶと、ボウル特徴周波数及びその高調波のスペクトル強度からボウルに起因する劣化や汚れが生じていると判断でき、スクリュー羽根特徴周波数及びその高調波のスペクトル強度からスクリュー羽根に起因する劣化や汚れが生じていると判断できる。

図４には、ボウル特徴周波数ｆｂ、及び、スクリュー羽根特徴周波数ｆｓと、それらの高調波や１／２周波数の周波数スペクトルの値と、その値に関連付けて現れる異常現象の関係が示されている。

例えば、ボウル特徴周波数ｆｂの周波数スペクトル値（ピーク高さまたはピーク面積）が大きくなると、摩耗、減肉が発生し、或いは汚泥が固着していると診断できる。例えば、ボウル特徴周波数ｆｂ、１／２周波数、高調波の周波数スペクトル値が大きくなると、ミスアライメントが生じていると診断でき、ボウル特徴周波数ｆｂ、高調波の周波数スペクトル値が大きくなると、経年劣化（摩耗）が進行していると診断できる。

例えば、スクリュー羽根特徴周波数ｆｓの周波数スペクトル値が大きくなると、欠け、摩耗、減肉が発生し、或いは汚泥が固着していると診断できる。例えば、スクリュー羽根特徴周波数ｆｓ、１／２周波数、高調波の周波数スペクトル値が大きくなると、ミスアライメントが生じていると診断でき、スクリュー羽根特徴周波数ｆｓ、高調波の周波数スペクトル値が大きくなると、経年劣化（摩耗）が進行していると診断できる。この場合、各周波数周波数スペクトルの初期値、オーバーホール直後の初期値を基準にしてどの程度劣化等が進行しているかを判断する指標を設定しておくことが好ましい。例えば、２０％上昇すると清浄運転時期であると判断し、５０％上昇するとオーバーホール時期に到達したと判断し、８０％上昇すると直ちに部品交換する必要があると判断するような指標である。

上述した周波数解析処理の結果は記憶装置５０に累積記憶され、上述した診断処理は、ボウル２とスクリュー羽根３の何れか一方の回転周期に対応する特徴周波数の周波数スペクトルと、過去の周波数スペクトルとの比較に基づいて遠心脱水機１の状態を診断するように構成されていることが好ましい。

周波数解析処理で求められたボウル２とスクリュー羽根３の何れか一方の回転周期に対応する周波数スペクトルと、過去の周波数スペクトルとの比較に基づいて、例えば経時的な状態変動であるのか突発的な状態変動であるのか、その程度はどの程度であるのか、などに基づいて遠心脱水機の状態を適切に診断することができる。

なお、過去の周波数スペクトルとは、過去の１点の周波数スペクトルであっても過去の累積記録された周波数スペクトルであってもよく、周波数スペクトルの比較とは、周波数スペクトル値の差分、比率またはそれらの経時変化など周波数スペクトルの変化を捉えることができる方法であればよい。

さらに、上述した診断処理は、ボウル２とスクリュー羽根３の其々の回転周期に対応する特徴周波数の周波数スペクトルの比率に基づいて遠心脱水機の状態を診断するように構成されていることが好ましい。

ボウル２とスクリュー羽根３の其々の回転周期に対応する周波数スペクトルの比率により、何れの振動の程度がどの程度大きいのかを客観的に評価でき、それにより状態の変動がボウル２とスクリュー羽根３の何れに原因するものであるのかなどの評価ができるようになる。

またさらに、周波数解析処理の結果が記憶装置５０に累積記録され、ボウル２とスクリュー羽根３の其々の回転周期に対応する周波数スペクトルの比率と、過去の周波数スペクトルの比率との比較に基づいて遠心脱水機１の状態を診断するように構成されていることが好ましい。

ボウル２とスクリュー羽根３の其々の回転周期に対応する周波数スペクトルの比率と、過去の周波数スペクトルの比率との比較に基づいて、例えば双方が経時的な状態変動であるのか何れか一方が突発的な状態変動であるのか、その程度はどの程度であるのか、などに基づいて遠心脱水機の状態を適切に診断することができる。

なお、上述したデータサンプリング処理は、遠心脱水機１のボウル２とスクリュー羽根３の差速を一定に維持した状態で実行される必要がある。ボウル２とスクリュー羽根３の其々の回転周期が変動すると適切な周波数特性を得ることが困難となるので、少なくとも遠心脱水機のボウルとスクリュー羽根の差速が一定状態にあるときにデータサンプリング処理が行なわれる必要があるためである。

上述した実施形態では、振動センサを軸受５Ａ，５Ｂの其々に３つずつ取り付けているが、診断に用いる振動センサとしては、少なくとも１つ取り付ければよい。

上述した実施形態において、其々の振動センサで収集された振動データ間の比率の経時変化に基づいて遠心脱水機の状態を診断するように構成されていてもよい。

上述した実施形態では、周波数スペクトル値を比較の対象としているが、比較の対象としては、ピークの半値幅などのピークの形状的特徴を捉えた値を用いてもよい。

上述した実施形態は何れも本発明の一例であり、該記載により本発明の技術的範囲が限定されるものではなく、診断のための具体的指標などなどは本発明の作用効果が奏される範囲で適宜設定可能であることはいうまでもない。

１：遠心脱水機
２：ボウル
３：スクリュー羽根
４：脚部
５（５Ａ，５Ｂ）：軸受部
６（６Ａ，６Ｂ）：軸受部
７：フレーム
８：上ケーシング
１０：汚泥投入部

Claims (4)

1. ボウルとボウル内に設置されたスクリュー羽根との回転運動によってボウルに流入された汚泥を固液分離する遠心脱水機の診断方法であって、
   前記ボウルまたは前記スクリュー羽根の回転軸の何れかの軸受に取付けた振動センサにより、前記ボウルと前記スクリュー羽根の差速が一定に維持された状態で動作する遠心脱水機の振動データを時系列で収集するデータサンプリング処理と、
   収集された時系列の振動データを周波数解析して、前記ボウルと前記スクリュー羽根の其々の回転周期に対応する周波数特性を抽出する周波数解析処理と、
   少なくとも何れか一方の周波数特性に基づいて前記遠心脱水機の状態を診断する診断処理と、
   を実行する遠心脱水機の診断方法。
2. 前記周波数解析処理の結果が記録され、前記診断処理は、前記ボウルと前記スクリュー羽根の何れか一方の回転周期に対応する周波数スペクトルと、過去の周波数スペクトルとの比較に基づいて前記遠心脱水機の状態を診断するように構成されている請求項１記載の遠心脱水機の診断方法。
3. 前記診断処理は、前記ボウルと前記スクリュー羽根の其々の回転周期に対応する周波数スペクトルの比較に基づいて前記遠心脱水機の状態を診断するように構成されている請求項１記載の遠心脱水機の診断方法。
4. 前記周波数解析処理の結果が記録され、前記ボウルと前記スクリュー羽根の其々の回転周期に対応する周波数スペクトルの比率と、過去の周波数スペクトルの比率との比較に基づいて前記遠心脱水機の状態を診断するように構成されている請求項１記載の遠心脱水機の診断方法。
   

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