JPH0663916B2 - 歯車の異常診断装置 - Google Patents

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」，
「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，…成
分の変化に注目してこれをディスプレー上に表示して観
察するか、あるいは歯車の噛合周波数（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
の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次記のような問
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くなる。

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
を算出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。しかも同じ回転数ではケー
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「１」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。図において、１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1cに収容されてい
る。またこの歯車装置１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1c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,1bに対する歯数設定部で
あり、ここで各歯車の歯数Z1,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を回転周波数検出部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Z2＝２５と計数部６の計数値とを比較して計
数値が歯数Z2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1b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１のケース1cから検出された振動波形
信号はハイパスフィルタ11により診断に不要な低周波数
成分を除去する。次に前記したトリガ信号Ｔを基準とし
た周期で、振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10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1
a,1b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。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ｒ
を算出する。すなわち、歯車1aの回転数を１０００rpm
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ｒ＝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Z1＝３６との間で演算して
歯車1aの噛合周波数ｍ１＝ｒ×Z1＝601.2Hz、およ
び噛合周波数ｍ１を基本波とする２倍〜８倍までの高
次噛合周波数ｍ２，ｍ３，…，ｍ８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ｍ１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
ｍ１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アンド幅を指定する周波数PO
1〜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、一例として各噛合次数の周波数を中心にそ
の−ｍ１×0.5〜＋ｍ１×0.5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、PO1＝0.5×ｍ１＝300.6Hz，PO2＝1.5×
ｍ１＝901.8Hz，…，PO9＝8.5×ｍ１＝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ｍ１〜ｍ８に対応するスペクトル成分の大きさＰ
（ｍ１）〜Ｐ（ｍ８）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PO1〜PO
9を基に、PO1〜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の数値に応じて歯車の状態を「正常」，「注
意」，「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１０００rpmでの異常摩耗歯
車（Zd＝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９００rpm,Zd＝31.4）、第６
図は第５図と同じ回転数で噛合周波数の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。

さらに、第１図において、ハイパスフィルタ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)したがって、歯車の異常摩耗診断に関して信頼性の
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ック線図、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、1b：相手側歯車、1c：
ケース、２：回転センサ、３：振動計、4a,4b：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：スタート指令部、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：スペクトル抽出部、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、Z1,Z2：歯車の歯
数、Ｔ：トリガ信号、ｒ：回転周波数、ｍ１〜ｍ
８：噛合次数の周波数、PO1〜PO9：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（ｍ１）〜Ｐ
（ｍ８）：スペクトル成分値、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 (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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。