JPH07218334A - 軸受の異常診断方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 〔目的〕 ころがり軸受などの軸受に発生する傷などの
異常の発生の有無を簡単かつ高確度で診断可能な軸受の
診断方法及び診断装置を提供する。 〔構成〕 診断対象の軸受又はその近傍から検出した振
動の振幅確率分布と、前記検出した振動の最大振幅値に
等しい最大振幅値を有する三角波の振動確率分布との間
で累積確率値の差が最大になる振幅値を算定し、この算
定した振幅値で上記最大振幅値を除算した値を診断パラ
メータとして算定し、この算定した診断パラメータが予
め設定した判定基準値を越えた場合に診断対象の軸受に
異常が発生したと判定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種の機械設備に使用
される軸受の異常を診断するための方法及び装置に関す
るものであり、特に寸法や動作条件が異なる複数の軸受
について共通の判定基準値の設定を可能とする無次元の
診断パラメータを導入することにより、診断の簡易化と
正確化とを図った軸受の診断方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ころがり軸受などの軸受を許容値以上の
荷重条件下で長時間使用すると、軸受転走面にフレーキ
ングと称される傷が発生する。また、軸受の外部から鉄
扮などの異物が進入したり、あるいはその他の要因によ
っても、軸受転走面に傷が生じる。これらの傷は軸受の
円滑な回転を阻害して異音を発生させるだけでなく、許
容荷重の低下を招くことにより寿命の低下あるいは破損
による事故につながる恐れもある。

【０００３】従来、軸受の破損等による設備の突発故障
を予防するための典型的な方法として、一定時間が経過
するたびにころがり軸受を交換するという方法が採用さ
れてきた。この時間基準保全の概念を導入した設備診断
方法はかなり有効であることが実証されており、現在で
は軸受はこの方法による主要な診断対象と考えられてい
る。しかしながら、このような定期的な交換による予防
保全の方法は、軸受の品質のばらつきや、異物の混入と
いう予測し難い原因などを考慮すると、万全とはいえな
い。このため、定期的な交換の方法に併せて、あるいは
この方法に代えて、軸受が発生する振動を検出・分析し
て異常の発生を早期に発見しようとする方法が種々提案
されている。

【０００４】設備の運転中にこれに組み込まれたころが
り軸受自体の振動やころがり軸受を保持しているケース
などの振動を検出すると、このころがり軸受が正常であ
れば、図５（ア）に例示するように、ノイズ的な振動が
観測される。一方、ころがり軸受外輪の転走面（移動体
と接触する面）などにフレーキングなどの傷が発生して
いる状態では、同図（イ）に例示するように、衝撃的な
振動が検出される。ころがり軸受の異常診断は図５のよ
うに、正常のばあいと異常の場合とでは発生する振動の
特徴が異なることを利用して行われる。

【０００５】上記振動の検出と分析を利用した軸受の異
常判別装置として、例えば特開昭５５─１３８６１６号
公報に開示されたものがある。この異常判別装置による
時間領域における軸受の異常診断方法は、センサで検出
し、電気信号に変換してローパスフィルタを通過させた
振動信号や音響信号波形の振動振幅の実効値、包絡線関
数の大きさ、累積値、ピークの周期などの診断パラメー
タを予め設定した判定基準値と比較することにより行っ
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
異常診断方法では、正常時と異常発生時における振動振
幅の実効値などの診断パラメータの変化量が小さいた
め、その中間に判定基準値を設けることによって行う異
常の診断を高確度で行うことが困難であるという問題が
ある。

【０００７】更に、上記従来の方法においては、振動振
幅そのもの、すなわち有次元値を判定基準値あるいは指
標として用いているため、軸受の大きさや回転数が異な
る場合は、それぞれに応じて予め設定されている異なる
判定基準値と比較する必要があり、診断が複雑になると
いう欠点があった。また、複数の軸受を診断する場合
に、検出した振動の振幅などの値を診断中のものとは異
なる軸受について設定されている判定基準値と誤って比
較してしまうという誤処理も生じ、その結果異常の発生
を見逃してしまい、設備の突発故障を招いてしまうとい
うおそれもある。

【０００８】従って、本発明の一つの目的は、正常時と
異常発生時の変化量が大きな新規な診断パラメータを導
入することにり、診断の確度を高めた異常診断方法及び
装置を提供することにある。本発明の他の目的は、軸受
の寸法、種類、あるいは回転数などの動作条件に依存す
ることなく、共通の無次元パラメータに基づき軸受の異
常の発生を容易かつ高確度で検出可能な方法と装置とを
提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、回転中の軸受
や軸受の近傍（ケースなど）から検出した振動の振幅確
率分布と、検出した振動の最大振幅値に等しい最大振幅
値を有する三角波の振動確率分布との間で累積確率値の
差が最大になる振幅値で最大振幅値を除算した値を診断
パラメータとして算定し、この算定した診断パラメータ
が予め設定した判定基準値を越えた場合には診断対象の
軸受に異常が発生したと判定するように構成されてい
る。なお、振動は、加速度の形態で検出してもよいし、
変位、速度あるいは歪みなど適宜な形態で検出してもよ
い。

【００１０】

【作用】まず、本発明で利用する振動振幅の確率分布関
数について簡単に説明する。振動振幅の確率分布関数
は、振動振幅とその振幅の振動の出現頻度との関係を示
す振幅密度分布を振幅値で積分したものであり、振動の
衝撃性を評価する手段として有効である。例えば、これ
らから振幅の最大値や実効値などを容易に求めることも
でき、これらの指標からころがり軸受などの軸受の傷発
生の有無の判定を行うことも可能である。しかしなが
ら、上記最大値や実効値など確率分布関数の横軸に当る
指標は加速度（ｍ／ｓ² ）、変位（μｍ）などの有次元
値である。このため、寸法、あるいは回転数などの動作
条件が異なる種々の軸受に同様な異常が発生した場合で
も、異なる振幅の振動が発生する点を考慮すると、種々
の軸受に発生した異常を共通の判定基準値に基づいて検
出することはできない。

【００１１】本発明においては、振動振幅の確率分布関
数の縦軸の値、すなわち累積確率の値を考慮し、有次元
の診断パラメータである振幅値そのものを使用する代わ
りに、振幅値の比という無次元の診断パラメータを使用
して判定を行うことにより、軸受の傷発生などの異常を
寸法や回転数の異なる種々の軸受に共通の判定基準値を
使用して検出することができる。本発明によって導入さ
れる上記診断パラメータは、正常時と異常発生時とで大
きな変化を示すことが実験的に確認された。

【００１２】具体的には次のような方法により診断を行
う。軸受が発生する振動を検出し、必要に応じて帯域制
限を施したのち、その振幅確率分布を求める。そして、
この振動信号と等しい最大振幅値の三角波の振幅確率分
布と、この振動信号の振幅確率分布との間で累積確率値
の差が最大となる点の振幅値を算定し、この算定した振
幅値で最大振幅値を除算した値を無次元の診断パラメー
タとして算定し、これが予め設定した無次元の判定基準
値を越えた場合には診断対象の軸受に傷の発生や異物の
付着あるいは両者が複合状態などに起因する異常が発生
したと判定する。

【００１３】

【実施例】以下、実施例に基づき本発明を詳細に説明す
る。図１は本発明の一実施例に係わるころがり軸受の診
断方法を適用する診断装置の概略を示すブロック図であ
る。図１において、１はころがり軸受の振動を検出する
振動センサ、２は振動信号を検出に適した適宜なレベル
まで増幅する振動アンプ、３は振動信号の不要な周波数
成分を除去するバンドパスフィルタ、４はアナログ信号
をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、５はデジタル
化された振動信号の振幅確率分布を求める振幅確率分布
演算部、６はころがり軸受の異常診断に必要な診断パラ
メータを抽出する診断パラメータ算出部、７は正常また
は異常の判定を行う判定部、８は診断結果や診断パラメ
ータを保存する記憶部、９は診断結果を表示する診断結
果表示部である。

【００１４】本実施例では、図示しないころがり軸受あ
るいは同じく図示しないころがり軸受を保持するケース
などの振動が振動センサ１によって電気信号に変換さ
れ、振動アンプ２によって後段の処理に最適な電圧レベ
ルになるように増幅される。さらに、この振動信号はバ
ンドパスフィルタ３を通過せしめられる。このバンドパ
スフィルタ３は、振動信号に含まれるころがり軸受の傷
などに起因する異常情報とは無関係の設備の回転周波数
の数倍以下程度の低周波信号を除去したり、次段のＡ／
Ｄ変換の際のエリアジングの防止のためにサンプリング
周波数の１／２以上の高周波信号を遮断したりするため
のものである。このバンドパスフィルタ３を通過した振
動信号は、Ａ／Ｄ変換器４によりデジタル信号に変換さ
れる。従って、後段の処理はデジタル信号処理となる。
なおＡ／Ｄ変換（サンプリング）は通常１ｋＨｚあるい
はそれ以上の高いサンプリング周波数で行う。

【００１５】次に、デジタル化された振動信号の振幅確
率分布が振幅確率分布演算部５において算定される。ま
ず、サンプリング周期で順次出現する離散的な振動信号
の振幅が、複数に分割された振幅範囲のどこに出現した
かが判定され、各振幅範囲ごとの振動信号の出現回数が
計数される。この振幅の分割数は、３２、６４など適宜
な値でよく、必要に応じてＡ／Ｄ変換時の量子化ステッ
プ数（分解能）、例えば２５６まで細分可能である。こ
の計数が、統計的なばらつきを軽減するのに十分な程度
の時間にわたって行われ、規格化された出現頻度のヒス
トグラム、すなわち振動振幅の密度関数が作成される。
この振動振幅の密度関数を振動値について積分すること
により、振動確率分布が算定される。

【００１６】振動信号に含まれるノイズ成分の影響を軽
減するために、上記振動振幅の密度関数やこれに基づき
算定した振動確率分布が数回ないし数百回程度にわたっ
て算定し、平均化することが望ましい。また、平均化す
る各回毎のデータのピーク値にもばらつきがあるので、
＋側および−側のピーク値は各回のそれぞれのピーク値
の平均値とすることによりピーク値としての精度も向上
する。なお通常、＋側および−側のピーク値の絶対値に
は大差はない。

【００１７】次に、図２を参照しながら、診断パラメー
タ算出部６におけるころがり軸受の異常診断用のパラメ
ータの算出方法を説明する。まず、振幅確率分布演算部
５で求めた振幅確率分布曲線を曲線のようなものとす
る。この振幅確率分布曲線の形状は、積分前の振幅密
度分布曲線が振幅値ゼロのまわりにほぼ対象な形状の単
峰曲線であることを示唆している。次に、振幅確率分布
曲線の＋側ピークと−側ピークを結ぶ直線を引く。
この直線は、この振動と同一の最大振幅を有する三角
波の振幅確率分布曲線に他ならない。なお、積分前の三
角波の振幅密度はどの振幅についても等しくなる。

【００１８】振幅確率分布曲線と直線との縦軸方向
への距離が最大、すなわち累積確率の差が最大となる振
幅値ｘで、＋側ピーク値か−側ピーク値のいずれか絶対
値の大きいピーク値ｙを除算した値を診断パラメータＡ
とする。この診断パラメータＡは、検出した振動の振幅
確率分布とこの振動と同一の最大振幅を有する三角波の
累積確率値の差が最大となる振幅値と最大振幅値との比
を表している。

【００１９】このように、診断パラメータＡは無次元パ
ラメータであるが、このような無次元パラメータはころ
がり軸受の寸法や回転数などの運転条件にあまり左右さ
れないと考えられる。従って、この診断パラメータをこ
ろがり軸受の異常診断の判定に用いれば、寸法、あるい
は回転数などの動作条件によらない一律あるいは共通の
判定基準が設定できる。なお、検出される振動が正弦波
であればＡ≒1.3 となり、ランダムノイズであればＡ≒
2.3 となる。

【００２０】診断パラメータ算出部６において算出され
た診断パラメータＡは判定部７において予め設定された
判定基準値と比較され、この判定基準値を越えた場合に
はころがり軸受に傷が発生したと判定される。判定基準
値としては、ランダムノイズのときの診断パラメータＡ
の値（約 2.3）の２倍から３倍程度までの値が望まし
く、したがって判定基準値は５ないしは７程度にとるこ
とが望ましい。診断パラメータや診断結果は記憶部８に
依存されると共に、診断結果は診断結果表示部９に表示
される。

【００２１】図３に、正常なころがり軸受と外輪転走面
に傷のある異常なころがり軸受について、本発明の方法
により検出した振動に基づいて算出した診断パラメータ
の変化の様子を示す。図３において、黒丸（●）は円筒
ころ軸受 N204(内径：20ｍｍ）で回転数が 900 rpm の
場合、白丸（○) は同じく円筒ころ軸受 N204 で回転数
が 1,200 rpmの場合、黒四角（■）は円筒ころ軸受 N20
7 （内径： 35 ｍｍ）で回転数が 900 rpm の場合のデ
ータを示す。このときのバンドパスフィルタの遮断周波
数は低域側が200 Ｈｚ、高域側が５kHz であり、サンプ
リング周波数は12.8 kHzである。また、振幅分解能に相
当する確率分布横軸の分割点数は 256点であり、平均化
回数は 32 回である。

【００２２】図３から明らかなように、ころがり軸受の
回転数が変化しても、また異なる内径のころがり軸受で
も、多少のばらつきはあるものの、正常と異常の判定は
例えば７という共通の判定基準値によって行うことがで
きる。

【００２３】一方、図４に比較例として、図３の場合と
同一のころがり軸受について図３の場合と同一の条件で
検出、処理した従来方法の診断パラメータに相当する振
動の実効値の変化の様子を示す。図４から明らかなよう
に、ころがり軸受の回転数や内径が変わると、同じ正常
状態あるいは同じ異常状態であっても値は大きくばらつ
き、正常と異常の判定はころがり軸受の内径や回転数ご
とに設定する必要がある。図３と図４を比較すれば明ら
かなように本発明の方法によれば、ころがり軸受の寸法
や回転数が異なっても共通の判定基準により異常の診断
が可能になる。また、異なる種類のころがり軸受につい
ても本発明の方法は適用可能である。

【００２４】さらに、図３と図４の比較から明らかなよ
うに、正常状態での診断パラメータ（これをαとする）
と、異常状態での診断パラメータ（これをβとする）と
の比率（これをγ＝β／αとする）が本発明の場合の方
が大きく、この点でも判定の確度を向上できるという利
点もある。すなわち、図３では、最低のγは黒丸印の場
合であり、この場合、α≒4.5 、β≒12、γ≒2.7 とな
る。一方、図４では、最低のγは白丸印の場合であり、
この場合、α≒10^ー1、β≒ 2×10^ー1、γ≒２にとなる。
すなわち、本発明によって導入される診断パラメータ
は、寸法や回転数が同一の軸受を診断対象とする場合で
も、診断の確度を向上できるという効果が奏される。

【００２５】以上、診断対象の軸受がころがり軸受の場
合を例にとって本発明を説明した。しかしながら、すべ
り軸受など動作時に振動を発生する他の軸受にも本発明
を適用できる。

【００２６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の診
断方法及び装置によれば、正常時と異常発生時とで大き
な変化を生じる診断パラメータを導入しているため、診
断の確度が向上するという効果が奏される。

【００２７】また、本発明の診断方法及び装置によれ
ば、無次元の診断パラメータを導入しているため、各種
の軸受、特にころがり軸受の異常診断を行う場合に、こ
ろがり軸受の種類や寸法、あるいは回転数など動作条件
の違いに応じて異なる判定基準を設定する必要がなくな
る。このため、診断作業の効率化が達成される。

【００２８】さらに、本発明によれば、従来のように判
定基準値の切り換えのミスもなくなるため、いわゆる誤
診を冒す危険も大幅に低減され、異常の見落としに起因
する突発故障が回避でき、設備の信頼性を向上させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わるころがり軸受の診断
方法を適用する診断装置の構成の概略を示すブロック図
である。

【図２】上記実施例の診断方法に使用する診断パラメー
タの概念を説明するための概念図である。

【図３】上記実施例の診断方法に従って、寸法と回転数
の異なる３種類のころがり軸受について算定された正常
時と異常発生時の診断パラメータを示す実験データであ
る。

【図４】図３と同一の３種類のころがり軸受について従
来の方法に従って算定された正常時と異常発生時の判定
基準である振動実効値を示す実験データである。

【図５】ころがり軸受の回転時に検出される典型的な振
動波形の変化の一例（ア：正常時、イ：異常発生時）を
説明ための実験データである。

【符号の説明】

１ 振動センサ ２ 振動アンプ ３ バンドパスフィルタ ４ Ａ／Ｄ変換器 ５ 振幅確率分布演算部 ６ 診断パラメータ算出部 ７ 判定部 ８ 記憶部 ９ 診断結果表示部

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軸受又はその近傍から検出した振動の
   振幅確率分布と、前記検出した振動の最大振幅値に等し
   い最大振幅値を有する三角波の振動確率分布との間で累
   積確率値の差が最大になる振幅値を算定し、この算定し
   た振幅値で前記最大振幅値を除算した値を診断パラメー
   タとして算定し、この診断パラメータが予め設定した判
   定基準値を越えた場合には診断対象の軸受に異常が発生
   したと判定することを特徴とする軸受の異常診断方法。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記軸受はころがり軸受であり、前記判定基準値は寸法
   及び回転数のうち少なくとも一方が異なる複数のころが
   り軸受に対して同一の値が設定されることを特徴とする
   軸受の異常診断方法。
3. 【請求項３】軸受又はその近傍から振動を検出する処理
   と、 この検出した振動をデジタル信号に変換する処理と、 このディジタル信号に変換された振動の振幅確率分布を
   作成する処理と、 前記検出した振動の最大振幅値に等しい最大振幅値を有
   する三角波の振幅確率分布を作成する処理と、 前記作成した振動の振幅確率分布と三角波の振動確率分
   布との間の累積確率値の差が最大となる振幅値で前記最
   大振幅値を除算した値を診断パラメータとして算定し、
   この算定した診断パラメータが予め定めた判定基準値を
   越えた場合には診断対象の軸受に異常が発生したと判定
   する処理とを含むことを特徴とする軸受の異常診断方
   法。
4. 【請求項４】 請求項３において、 前記ディジタル信号に変換された振動の振幅確率分布の
   作成処理は、 複数の時間帯に検出された振動のそれぞれについて振幅
   密度分布又は振幅確率分布を作成する処理と、このよう
   にして作成した複数の振幅密度分布又は振幅確率分布に
   ついて平均化を行う処理を含むことを特徴とする軸受の
   異常診断方法。
5. 【請求項５】 請求項３又は４において、 前記診断対象の軸受はころがり軸受であり、前記判定基
   準値は寸法及び回転数のうち少なくとも一方が異なる複
   数のころがり軸受に対して同一の値が設定されることを
   特徴とする軸受の異常診断方法。
6. 【請求項６】軸受又はその近傍から検出した振動の振幅
   確率分布と、前記検出した振動の最大振幅値に等しい最
   大振幅値を有する三角波の振動確率分布との間で累積確
   率値の差が最大になる振幅値を算定し、この算定した振
   幅値で前記最大振幅値を除算した値を診断パラメータと
   して算定し、この算定した診断パラメータが予め設定し
   た判定基準値を越えた場合には診断対象の軸受に異常が
   発生したと判定する手段を備えたことを特徴とする軸受
   の異常診断装置。
7. 【請求項７】 請求項６において、 前記軸受はころがり軸受であり、前記判定基準値は寸法
   及び回転数のうち少なくとも一方が異なる複数のころが
   り軸受に対して同一の値が設定されることを特徴とする
   軸受の異常診断装置。
8. 【請求項８】軸受又はその近傍から振動を検出する振動
   検出手段と、 この検出した振動をデジタル信号に変換する手段と、 このディジタル信号に変換された振動の振幅確率分布を
   作成する手段と、 前記検出した振動の最大振幅値に等しい最大振幅値を有
   する三角波の振幅確率分布を作成する手段と、 前記作成した振動の振幅確率分布と三角波の振動確率分
   布との間の累積確率値の差が最大となる振幅値で前記最
   大振幅値を乗算した値を診断パラメータとして算定する
   手段と、 前記算定した診断パラメータと予め定めた判定基準値と
   を比較し、前記診断パラメータが前記判定基準値を越え
   た場合には診断対象の軸受に異常が発生したと判定する
   手段とを備えたことを特徴とする軸受の異常診断装置。
9. 【請求項９】 請求項８において、 前記軸受はころがり軸受であり、前記判定基準値は寸法
   及び回転数のうち少なくとも一方が異なる複数のころが
   り軸受に対して同一の値が設定されることを特徴とする
   軸受の異常診断装置。