JPH02240536A - 歯車の異常診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、動力伝達用などとして使用する歯車装置を対
象に、歯車の摩耗程度を定量的に把握して「正常」８　
「異常」を診断する歯車の異常診断装置に関する。

〔従来の技術〕

歯車装置の診断方式として、歯車の異常に起因して発生
する異常振動を徴候パラメータとし、歯車装置のケース
に取付けた振動計を通じて検出した噛み合い振動波形を
信号処理し、その結果を解析して歯車装置の内部異常状
態を推定する診断方法が周知である。また、この診断に
おける信号処理方式としては、同期加算平均処理方式が
一般に採用されている。

この方式は、振動計で検出した歯車装置の噛み合′い振
動波形信号を整形した上で、歯車の回転軸から取出した
回転パルス（回転軸上に取付けたマークを光電式、ない
し電磁式ピックアップなどの回転センサで検出する）を
周期信号として前記振動波形信号を多数回加算平均化処
理し、振動波形信号から不規則成分である外乱ノイズ分
を取り除いて内部異常に起因する周期成分を抽出すると
ともに、さらにこの振動波形信号をフーリエ変換してそ
の周波数スペクトルに変換し、この周波数スペクトルを
解析して異常診断を行うものである。

ここで歯車が正常であれば噛み合い振動波形はほぼ正弦
波に近く、そのスペクトルは噛合周波数に対応した線ス
ペクトルとなる。これに対して歯車に異常が存在すると
、振動波形は回転周波数で振幅変調されスペクトルに側
帯波が現れるようになるので、これを指標として各種異
常が判定できる。

また、特に歯車の摩耗が進行すると振動波形は正弦波が
歪んで矩形波状となり、その結果周波数スペクトル上で
は噛合周波数の高調波（２倍、３倍、−、）の成分が現
れるようになることが知られている。したがって前記の
周波数スペクトルにつき、噛合周波数の２次、３次１．
１１．成分の変化に注目してこれをデイスプレー上に表
示して観察するか、あるいは歯車の噛合同波数（基本波
）に対応するスペクトル成分と高調波に対応するスペク
トル成分との比を演算することで歯車の摩耗程度を定量
的に表す指標が得られることになる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、前記した従来の診断方式では決起のような問
題点があり、このために実際の診断が困難となる場合が
しばしば発生する。すなわち、（１）歯車装置では、診
断対象となる歯車にのみ異常が発生する訳ではなく、こ
れと噛み合う相手側歯車にも発生し、かつこれらの異常
が相互に影響を及ぼしながら歯車装置に異常振動が発生
する。

したがって、従来方式のように被診断歯車の回転パルス
を基準とした周期で振動波形信号を取り込んで加算平均
化処理する従来方式では、互いに噛み合う歯車の歯数が
異なると、各回転ごとに相手側歯車との噛み合い位置が
変わるため、これが原因で各周期ごとに取り込む振動波
形、特に異常振動波形の位相が時間軸上で僅かずつずれ
る。このために、加算平均化処理により振動波形中の高
調波成分（振幅は小さい）が殆ど消滅してしまい、摩耗
診断に必要なスペクトル成分の抽出が不能となって異常
摩耗を的確に診断できなくなる。

（２）歯車装置の振動波形は、歯車装置のケースに取付
けた振動計で検出するようにしているが、ケースの剛性
によりケース振動波形が小さくなったり、大きくなった
りする他、噛合周波数の２倍成分、３倍成分の振動励振
力とケースの固有振動数とが一致して共振状態になると
、共振周波数に対応したスペクトル成分が異常に大きく
現れるため、歯車が正常摩耗の範囲であるにもかかわら
ず、異常摩耗と誤認されるおそれがある。特に前述のよ
うに噛合周波数のスペクトル成分と高調波に対応するス
ペクトル成分との比を演算して摩耗の程度を定量的に把
握する場合には、共振周波数のスペクトル成分が異常に
大きな値となるため演算結果の数値が摩耗の程度を正し
く表す指標とならな（なる。

本発明は上記の点にかんがみなされたものであり、従来
方式の難点を解消し、外乱の影響を殆ど受けることなく
歯車の異常摩耗を的確に診断できるようにした歯車の異
常診断装置を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段〕 上記課題を解決するために、本発明の異常診断装置にお
いては、回転パルスを検出する被診断歯車、およびこれ
と噛ガ合う相手側歯車の双方の回転に同期した平均化周
期のトリガイ３号を得るトリガ信号発生手段と、前記の
周波数スペクトルから被診断歯車の噛合同波数およびそ
の高次周波数に対応したスペクトル成分の値、および各
噛合次数に対応するパーシャルオーバーオール値を抽出
し、かつこれら数値を演算して歯車の異常程度を求める
解析手段とを有し、該解析手段により得たデータを別に
設定した判定基準値と比較して歯車の異常判定を行うよ
うに構成するものとする。

ここで、前記のトリガ信号発生手段は、被診断歯車と噛
み合う相手側歯車に対する歯数設定部と、診断開始指令
に基づいて被診断歯車の回転パルスを計数する回転パル
ス計数部と、その計数値が相手側歯車の歯車数に達する
ごとにトリガ信号を出力する分周トリガ発生部とからな
る。

また、前記の解析手段は、被診断歯車に対する歯数設定
部と、該歯車の回転周波数検出部と、歯数設定値と回転
周波数を基に被診断歯車の噛合周波数、およびその高次
周波数を求める噛合次数検出部と、前記の各噛合次数周
波数に対応したパーシャルオーバーオールバンド幅を設
定するパー　シャルオーバーオール設定部と、周波数ス
ペクトルから各噛合次数の周波数に対応するスペクトル
成分、およびパーシャルオーバーオール値を抽出するス
ペクトル抽出部、パーシャルオーバーオール値抽出部と
、前記スペクトル抽出部、パーシャルオーバーオール値
抽出部で得た各数値を所定の演算式で演算して異常程度
数を夏山する異常程度数演算部とからなる。

〔作用〕

上記の構成により、まずトリガ信号発生手段からは、回
転パルスを取り出す被診断歯車と相手側歯車とが同じ噛
み合い位置になる毎にトリガ信号が出力される。つまり
トリガ信号が被診断歯車と相手側歯車の双方の回転に同
期することになる。

したがって各取り込み周期ごとに、振動計で連続的に検
出した振動波形信号から常に位相的なずれのない振動波
形信号のみを取り込んで加算平均化処理することができ
、これにより摩耗診断に必要な振動波形、つまり歯車装
置内部のかみ合い状態を的確に表す周波数スペクトルが
得られる。

また、解析手段では、噛合周波数およびその高次周波数
に対応するスペクトル成分とパーシャルオーバーオール
値との比率を演算して歯車の異常程度数を求めるように
しており、これにより歯車装置のケースとの共振による
影響を殆ど受けることがなるなる。なお、パーシャルオ
ーバーオールバンド幅は、噛合周波数およびその高次周
波数について各周波数を中心とした一定の帯域幅に設定
されている。

すなわち、歯車の摩耗診断についての各種実験考察を通
じて発明者が得た知見によれば、歯車の摩耗進行状況に
より振動波形には噛合周波数の８倍程度までの高調波成
分が発生すること、また診断を行う振動波形の信号処理
の過程にパーシャルオーバーオール値を導入し、噛合周
波数およびその高次周波数に対応したスペクトル成分と
パーシャルオーバーオール値との比率を所定の演算式で
求めると、その比率の値が摩耗の進行に伴って大きな値
となることを見い出した。しかも同し回転数ではケース
との共振が噛合周波数の特定な整数倍成分との間でのみ
生じ、かつ歯車装置のケースと共振した場合でも、共振
周波数に対応する前記演算比率の値は「ｌ」に近づくだ
けであることが判明した。したがって、噛合周波数に対
して１〜８次程度までの次数に対応するスペクトル成分
。

およびパーシャルオーバーオール値を抽出してその比率
を演算し、この値を異常程度数として摩耗の程度を表す
指標とすることにより、ケースとの共振の影響を殆ど受
けることなく、歯車の異常摩耗を定量的に正しく把握し
て診断できる。

〔実施例〕

第１図は本発明実施例の構成を示すブロック線図である
０図において、ｌは診断対象の歯車装置であり、互いに
噛み合う歯車１ａと歯車１ｂとがケースｌｃに収容され
ている。またこの歯車装置ｌに対しては一方の歯車１ａ
を被診断歯車としてこの回転軸上に光電式、電磁式ピッ
クアップとしての回転センサ２を対向設置して歯車１ａ
から回転パルスを検出する。また、ケースｌｃには振動
計３が取付けてあり、歯車装置１に発生する噛み合い振
動波形を検出するようにしている。なお、具体的な数値
例として前記歯車１ａの歯数を３６枚、歯車１ｂの歯数
を２５枚とする。

次に前記の回転センサ２．振動計３で検出した回転パル
ス、振動波形の信号処理、解析を行う回路構成について
説明する。まず、図示回路構成のうち振動波形信号を所
定の周期で取り込むためのトリガ信号発生手段について
述べると、４ａ、　４ｂは前記歯車１ａ、　ｌｂに対す
る歯数設定部であり、ここで各歯車の歯数Ｚｌ、　Ｚ２
を設定する。５は回転パルス入力部であり、前記の回転
センサ２で検出したパルス信号を取り込んで計数部６と
回転周波数検出部７に分配する。また、計数部６は、ス
タート指令部８へ与えたスタート指令により回転パルス
入力部５から送られてきたパルスを計数し、その計数値
を分周トリガ発生部９に送る。一方、分周トリガ発生部
９は歯数設定部４ｂで設定した歯数２２＝２５と計数部
６の計数値とを比較して計数値が歯数２２と一致する毎
にトリガ信号Ｔを出力する。

このトリガ信号Ｔは波形平均部１０に与えるとともに、
一方では計数部６のリセット信号に用いて計数値をリセ
ットする。

これにより、分周トリガ発生部９からは、回転パルスを
検出する歯車１ａと、歯車１ａに噛み合う相手側歯車１
ｂとの噛み合い位置が一致する毎にトリガ信号Ｔが出力
される。つまり、このトリガ信号Ｔは歯車１ａと１ｂの
双方の回転に同期したトリガ信号となる。

次に解析手段のフローについて述べる。まず、振動計３
を介して歯車装置ｌのケースｌｃがら検出された振動波
形信号はバイパスフィルタ１１により診断に不要な低周
波数成分を除去する０次に前記したトリガ信号Ｔを基準
とした周期で、撮動波形信号を平均回数設定部１２で設
定した回数に達するまで繰り返し波形平均部ｌＯに取り
込んで加算平均化処理する。この場合に、トリガ信号Ｔ
は歯車１ａｌｂの双方の回転に同期して出力されるので
、各周期ごとに波形平均部１０に取り込まれる振動波形
は位相差がなく、したがって異常摩耗に起因した振動波
形の高調波成分が加算平均化処理によって消滅すること
はない、なお、平均化処理した振動波形の例を第２図に
示す０次に平均化処理済みの振動波形信号はフーリエ変
換部１３に入力され、ここで第３図ないし第６図に例示
するような周波数スペクトル（各図の周波数スペクトル
についてはその内容を後述する）に変換される。

一方、先記した回転周波数検出部７では、パルス信号を
一定時間計数してその数値から歯車１ａの回転周波数ｆ
ｒを算出する。すなわち、歯車１ａの回転数を１０００
　ｒａｐとして１００秒間計数すると計数値は１６６６
回であり、その回転周波数ｆｒ−１６，７Ｈｚとなる。

また、回転周波数の信号は噛合次数検出部１４に送られ
、歯数設定部４ａより与えられた歯車１ａの歯数Ｚｌ＝
３６との間で演算して歯車ｌａの噛合周波数ｆｍｌ　＝
　ｆｒＸ　Ｚｌ−６０１，２Ｈｚ、および噛合周波数ｆ
ｍｌを基本波とする２倍〜８倍までの高次噛合周波数ｆ
　ｅｘ　２　＋　ｆ　ａ　３　＋・−、ｆｍ８を計算し
、その結果をスペクトル抽出部１５に送る。一方、噛合
次数検出部１４から噛合周波数ｆｍｌを取出して次段の
パーシャルオーバーオール設定部１６ａに送り、ここで
噛合周波数ｆｍｌを基に前記した各噛合次数の周波数に
対応したパーシャルオーバーオールのバンド幅を指定す
る周波数Ｐｏｔ〜ＰＯ９を計算する。

なお、パーシャルオーバーオールのバンド幅は、−例と
して各噛合次数の周波数を中心にその−ｆｓＩＸ０．５
〜＋ｆ＋＊ＩＸ０．５の範囲に定め、各噛合次数に対応
したバンド幅の始点、終点に相当する指標周波数として
、ＰＯＬ　＝０．５Ｘｆｓｌ　＝３００．６８２゜ＰＯ
２＝１．５Ｘｆｌ　　＝９０１．８Ｈｚ、−、ＰＯ９＝
８．５Ｘｆｍｌ　＝５１１０．２Ｈｚを計算し、その結
果をパーシャルオーバーオール値抽出部１６ｂに送る。

次に、スペクトル抽出部１５では、先記したフーリエ変
換部１０で得た周波数スペクトルから前記の各噛合次数
周波数ｆｍｌｘｆｍ８に対応するスペクトル成分の大き
さＰ　（ｆ鋤ｌ）〜Ｐ　（ｆｍ８　）を抽出する。また
、パーシャルオーバーオール値抽出部１６ｂでは、前記
周波数Ｐｏｔ−ＰＯ９を基に、ＰＯＩ〜ＰＯ２゜ＰＯ２
〜ＰＯ３，−、−、ＰＯ８〜ＰＯ９に対応する各パーシ
ャルオーバーオール値Ｐ　（１−２）、　　Ｐ　（２−
３）。

Ｐ　（８−９）を演算により求めた上で、それぞれの値
を異常程度数演算部１７に送り、ここで次記の演算式に
より演算して異常程度数Ｚｄを算出する。

前記（１）式で求めた異常程度数Ｚｄの値は、次に異常
判定部１８に送られて別に定めた判定基準値１９と比較
し、異常程度数Ｚｄの数値に応して歯車の状態を「正常
」、「注意Ｊ＋　　ｒ異常」の３段階で判定し、その診
断結果を異常程度数Ｚｄとともに表示部２０に表示する
。なお、第１図における信号処理のフローで行う各種演
算は、実際にはコンピュータを用いて実行される。

ところで、上記した（１）式における各項の演算数値の
数値は、歯車が正常であれば０．３程度、異常摩耗では
その摩耗進行の具合で変化し、さらにケースとの共振状
態では１に近い値となる。したがって噛合次数を例えば
１〜８次までとし、各噛合次数に対応したスペクトル成
分値、パーシャルオーバーオール値を抽出して演算する
ことにより、正常、異常摩耗の状態を明確に区別して定
量的に把握できる。また、仮に１〜８次の中で特定の噛
合次数の周波数と歯車装置のケースとで共振した場合で
も、演算式中での共振周波数に対応する項の数値が１と
なるだけであって演算式（１）の全体で演算した値に与
える影響は少なく、これによりケースとの共振の影響を
殆ど受けることなく異常摩耗を的確に判定できる。

次に、上記による歯車診断例を第３図ないし第６図に示
す、まず、第３図は回転数１１００Ｏｒｐでの異常摩耗
歯車（Ｚａ−５０，７）についての周波数スペクトルを
表す、また第４図は同じ回転数での正常歯車（Ｚｄ−９
，８）についての周波数スペクトル、第５図は噛合周波
数の２倍成分と歯車装置のケースとが共振した場合の異
常摩耗歯車の周波数スペクトル（回転数９００　ｒｐｍ
、Ｚｄ＝　３１．４　）、第６図は第５図と同じ回転数
で噛合同波数の７倍成分とケースが共振した場合の正常
歯車の周波数スペクトル（Ｚｄ＝　２．６　）を示す。

なお、前記実施例では、噛合次数を１〜８次まで検出し
て異常程度数Ｚｄを求める例を示したが、この噛合次数
は実用面での診断精度に支障のない範囲で任意に設定す
ることができる。また、先記した（１）式の代わりに次
の演算式により異常程度数Ｚｄを求めても同様に歯車の
異常摩耗を診断できる。

Ｐ　　（８−９） さらに、第１図において、バイパスフィルタ１１は状況
によっては省略が可能であり、また歯車１ａの回転周波
数は、回転パルスを一定時間計数する代わりに、回転パ
ルスのパルス波形を周波数スペクトルに変換し、そのス
ペクトルから回転周波数を求めることも可能である。

〔発明の効果〕

本発明による歯車の異常診断装置は、以上述べたように
構成されているので、次記の効果を奏する。

（１）外乱の影響を殆ど受けることなく歯車の摩耗程度
を定量的に把握して自動的に「正常」、「異常」を診断
することができる。

（２）特に、回転パルスを取り出す被診断歯車、および
これと噛み合う相手側歯車の双方の回転に同期したトリ
ガ信号を基準に噛み合い振動波形を取り込んで加算平均
処理するようにしたので、互いに噛み合う歯車の歯数が
異なる場合でも、常に同じ噛み合い条件で振動波形を取
り込むことができ、これにより異常摩耗の解析に必要な
振動波形の高調波成分を消滅させずに抽出できる。

（３）また、歯車の異常程度を算出する演算式に、噛合
次数の周波数に加えて各噛合次数に対応するパーシャル
オーバーオール値を導入して解析するようにしたことに
より、歯車装置のケースとの共振の影響を殆ど受けるこ
となく、異常摩耗を正しく診断できる。

（４）シたがって、歯車の異常摩耗診断に関して信頬性
の高い異常診断装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の構成を示すブロンク線図、第２
図は異常摩耗歯車の振動波形を加算平均化処理した振動
波形図、第３図は第２図の周波数スペクトルを表す図、
第４図は正常歯車に対する周波数スペクトルを表す図、
第５図、第６図はそれぞれ歯車装置のケースと共振した
場合における異常摩耗歯車、正常歯車に対する周波数ス
ペクトルを表す図である。図において、 １：歯車装置、１ａ：被診断歯車、ｌｂ：相手側歯車、
１ｃ：ケース、２：回転センサ、３：振動計、４ａ、４
ｂ：歯数設定部、５：回転パルス入力部、６：計数部、
７：回転周波数検出部、８ニスタ一ト指令部、９：分周
トリガ発生部、１０：波形平均部、１３：フーリエ変換
部、１４：噛合次数検出部、１５・スヘクトル抽出部、
１６ａ：パーシャルオーバーオール設定部、１６ｂ：パ
ーシャルオーバーオール抽出部、１７：異常程度数演算
部、１８：異常判定部、１９：判定基準値、２０：診断
結果表示部、Ｚｌ、Ｚ２：歯車の歯数、Ｔ：トリガ信号
、ｆｒ：回転周波数、ｆｍｌ〜ｆｍ８　　：噛合次数の
周波数、ＰＯＩ〜Ｐ０９：パーシャルオーバーオールの
バンド幅を指定する周波数、Ｐ　（ｆｓ＋１　）〜Ｐ　
（ｆｒｍ８　）　　ニスベクトル成分値、Ｐ（１−２）
〜Ｐ　（８−９）　　：パーシャルオーバーオール値、
ｚｄ：異常程度数。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）歯車装置から取り込んだ振動波形を処理し、歯車の
   摩耗に起因する振動成分を抽出してその異常の程度を定
   量的に把握する歯車の異常診断装置であり、歯車装置の
   ケースに取付けた振動計より検出した振動波形信号を所
   定周期で取り込んで加算平均処理し、さらにフーリエ変
   換して得た周波数スペクトルを解析して異常診断を行う
   ものにおいて、回転パルスを取り出す被診断歯車、およ
   びこれと噛み合う相手側歯車の双方の回転に同期した平
   均化周期のトリガ信号を得るトリガ信号発生手段と、前
   記の周波数スペクトルから被診断歯車の噛合周波数およ
   びその高次周波数に対応したスペクトル成分の値、およ
   び各噛合次数の周波数に対応するパーシャルオーバーオ
   ール値を抽出し、かつこれら数値を基に歯車の異常程度
   を求める解析手段とを有し、該解析手段により得たデー
   タを別に設定した判定基準値と比較して歯車の異常判定
   を行うことを特徴とする歯車の異常診断装置。 ２）請求項１に記載の異常診断装置において、トリガ信
   号発生手段が、被診断歯車と噛み合う相手側歯車に対す
   る歯数設定部と、診断開始指令に基づいて被診断歯車の
   回転パルスを計数する回転パルス計数部と、その計数値
   が相手側歯車の歯車数に達するごとにトリガ信号を出力
   する分周トリガ発生部とからなることを特徴とする歯車
   の異常診断装置。 ３）請求項１に記載の異常診断装置において、解析手段
   が、被診断歯車に対する歯数設定部と、該歯車の回転周
   波数検出部と、歯数設定値と回転周波数を基に被診断歯
   車の噛合周波数、およびその高次周波数を算出する噛合
   次数検出部と、前記の各噛合次数周波数に対応したパー
   シャルオーバーオールバンド幅を設定するパーシャルオ
   ーバーオール設定部と、周波数スペクトルから各噛合次
   数の周波数に対応するスペクトル成分、およびパーシャ
   ルオーバーオール値を抽出するスペクトル抽出部、パー
   シャルオーバーオール値抽出部と、前記スペクトル抽出
   部、パーシャルオーバーオール値抽出部で得た各数値を
   所定の演算式で演算して異常程度数を算出する異常程度
   数演算部とからなることを特徴とする歯車の異常診断装
   置。