JPS5847650B2 - ねじり振動を測定する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の分野） 本発明は振動を測定する方法に関し、特に、回転軸のね
じり振動を測定する方法に関する。

概説すると、本発明は、回転部材と共に動く複数の周方
向に間隔をおいて配置された被検出要素の通過を検知す
ることによって回転部材のねじり振動を測定し、そして
該ねじり振動を表わす真成分を含み且つ前記要素の不均
質性を表わす選ばれた偽成分が除去された電気信号を発
するための方法を提供する。

（先行技術の説明） 重さが数トンに達するような回転軸を有する大形機械で
は、軸の極めて小さなねじり振動によって軸の損傷を起
こすような応力が発生し、その結果、場合によっては軸
が破損するとともに機械が破壊してしまう。

このような危険性はねじり振動が０．０１°程度の小さ
なものであっても存在する，米国特許第３８８５４２０
号にはこのような小さな振動の検出を測定が可能な装置
が開示されている。

上記引用特許に開示された測定装置の一実施例は、軸と
共に回転する歯車と、この歯車の歯のプローブ近傍の通
過に応じて電気信号を発する磁気プローブと、検出回路
とを包含する。

検出回路はプローブからの信号を受けて、軸の瞬時およ
び平均角速度をそれぞれ表わす第１および第２パルス列
を生み出す。

検出回路はまた第１パルス列の各パルスの位置と第２パ
ルス列の対応パルスの位相とを比較する。

軸の角位置が均一増加する値から瞬間的に変化すると、
対応しあう両パルス間の位相関係に変化が生じ、そして
検出回路は刺ねしり振動の振幅と振動数とを表わす出力
信号を発する。

前記引用特許の装置は小さなねじり振動に対する感度が
高いが、ある振動数の振動の測定には使用できない。

特に、軸回転速度（軸速度）の倍数に等しい振動数で生
ずる振動の測定には利用できない。

これらの振動数では、出力信号は実際の軸振動を表わす
真成分から区別され得ない偽成分を含む。

これらの偽成分は、歯車の歯相互の不規則な間隔または
歯の金属学的組成の差のような歯車の不均質性｛こよっ
て生ずる。

（発明の概要） 本発明の主目的は軸回転速度の倍数である振動数で生ず
るねじり振動を明確に測定する追加的な能力を有する上
記の型のねじり振動測定装置を提供することである。

軸回転速度の倍数で生ずるねじり振動の測定は、次のよ
うな基本原理、すなわち、任意の時点において、回転部
材をこ取付けられた一要素の不均質性はその不均質性の
存する特定箇所に於でのみ検出可能であるが、しかし回
転部材のねじり振動は回転部材周囲の任意の位置で検出
され得るという原理の利用によって達成される。

通常使われる単一プローブに対して適当な位置に置かれ
た別のプローブと、別の検出回路とを利用することｋこ
より、選ばれた振動数の偽成分を振動測定装置の出力信
号から除去することができ、かくてこれらの振動数で生
ずる実際の振動の明確な測定が可能であるということが
判明した。

上記の偽成分の除去は、両検出回路によって生ずる出力
信号の偽成分の選ばれた振動数の位相差を１８００とす
るに適する角度だけ両プローブを相隔てることによって
達成される。

その後、これらの選ばれた振動数の偽成分は両出力信号
の電気的加算によって除去され得る。

（好ましい実施例の記載） 第１図は小さなねじり振動を測定し得る従来の装置を示
す。

この装置は回転部材１２の外周に配設された複数の周方
向に間隔をおいて配置された要素１０を有する。

代表的な場合、回転部材１２は大形の軸であり、また要
素１０は軸に同心的に取付けられた歯車の歯である。

代替的に、要素１０は軸とは光反射性が異なる複数の条
片でもよく、あるいは回転部材と共に動き得そして検知
可能な特性を有する他のいかなる種類の要素でもよい。

要素１０の通過を検知するため、要素に近接してプロー
ブ１４が設けられている。

代表的な場合、このプローブは金属性歯車の歯の通過を
検知し得る磁性ピックアップ、または光反射帯条の通過
を検知し得る光感応装置である。

プローブ１４は要素の検知された通過を表わす電気信号
を発し、この信号は検出回路１６に与えられる。

検出回路１６は上記の信号を受けると米国特許第３８８
５４２０号に述べられている方式で働き、出力信号を発
する（前述の様にこの方式は、被検出要素１０の通過を
ブローブ１４で検知して、検出回路１６内で回転軸の角
速度瞬時値に比例する周波数の第１パルス列を発生し、
また別途前記回転軸の角速度平均値に比例する周波数の
第２パルス列を発生し、この第１パルス列と第２パルス
列の対応パルスの位相差に比例した信号を出力信号とし
て発生する）。

この出力信号は端子２０に伝えられ、要素１０の検知さ
れた通過の変動を表わす。

この出力信号は回転部材１２に生ずるねじり振動の振動
数と振幅を表わす振動数と振幅を有する成分を含み、そ
して診断的な目的のため、あるいは破壊的な影響を及ぼ
すおそれのある振動を警報するため｛こ端子２０｛こお
いて監視され得る。

残念ながら、非常Ｇこ小さなねじり振動の測定を可能に
する上記装置の高感度はまた、プローブを通過する周方
向に間隔をおいて配置された要素のわずかな不均質性の
検知をも可能にしてしまう。

検出回路１６は、実際の振動Ｏこよって生ずるプローブ
からの電気信号の変化と、通過中の要素の不均質性によ
って生ずる変化とを区別することができない。

従って、検出回路出力信号は回転部材の実際のねじり振
動を表わす真成分だけでなく、要素の不均質性を表わす
偽成分をも包含する。

このように出力信号の真成分と偽成分とを区別できない
ことから生ずる問題をより良く理解する一助として一例
を考える。

代表例において回転部材１２は３ ６ ０ ０ ｒｐｍ
の回転速度で回転するタービン軸である。

要素１０は軸（こ取付けられた歯車の歯でさり、不均質
性を有する。

例えば、ｍＡがわずかな欠陥をもつことがあり、このた
めプロａ−ブは歯が完全である場合に比べてわずかに遅
れてｍＡの通過を検知する。

歯Ａは毎秒６０回プローブを通過するので、端子２０に
おける出力信号は、毎秒６０回の割合で生ずる回転部材
の角速度の変動を示す６０Ｈｚの偽戒分を含む。

他の偽成分も６０Ｈｚの倍数である調和振動数、すなわ
ち、１２０Ｈｚ ，１８０Ｈｚ ，２４０Ｈｚ−−一で
生ずる。

これらの偽戒分および歯車の歯における他のすべての不
均質性によって生ずる偽成分は、偽成分と同じ振動数で
回転部材に生ずる実際のねじり振動を表わす真成分から
区別され得ない。

従って、従来の装置は回転部材の回転速度の倍数である
振動数で生ずるねじり振動の測定には使用できない。

これらの振動数で生ずる成分を除去するためにフィルタ
作用を利用し得るが、このようなフィルタ作用はまた、
偽成分ばかりでなく、回転部材の回転速度の倍数に等し
い振動数で生ずるいかなる真成分をも除去してしまう。

要素Ｏこ近接して配設されそして第１プローブから所定
角度だけ離れた第２プローブと、第２検出回路とを有す
るねじり振動測定装置を作ることによって、真成分を除
去することなく選ばれた振動数の偽成分を除去し得ると
いうことがわかった。

このような装置は第２図に示されており、第２プローブ
１５と第２検出回路１７を含む。

これらはそれぞれ第１図の従来例に利用された型の第１
プローブ１４および第１検出回路１６と同じものである
。

第２プローブを備えることによりこの装置は回転部材の
ねじり振動と、通過する要素の不均質性とを区別できる
。

このような区別が可能であるのは、任意の時点において
、ねじり振動は回転部材周囲の任意の位置で検出され得
るが、回転部材に取付けられた要素の不均質性はその不
均質性の存する特定箇所に於でのみ検出可能であるから
である。

換言すれば、ねじり振動は両プローブにおいて同時に検
知されるが、不均質性は両プローブにおいて順次検知さ
れる。

不均質性の順次検知により、（第２プローブから電気信
号を受ける）第２検出回路は、第１検出回路からの出力
信号の偽成分とは位相の異なる偽取分を含む出力信号を
発する。

両検出回路によって生ずる対応偽成分相互間の位相差の
大きさは偽成分の振動数と両プローブの離間角度と（こ
依存する。

以下Ｏこ詳述するようＧこ、選ばれた振動数の対応偽成
分は位相が１８０°相異なるようにされ、そして離間角
度θの適当な選定により電気的加算によって除去される
。

第２図に示すよう昏こ、加算手段１８が本発明の好適実
施例に設けられて第１検出回路１６と第２検出回路１７
からの検出信号の平均をとる。

加算回路１８は端子２０へ向かう出力信号を発する。

この出力信号は選ばれた振動数の偽成分を含まない。

角度θと偽成分が除去される振動数との関係は第２図を
参照することＧこよって得られる。

角速度ω０で回転する部材１２に基準印Ｂをつけ、この
角度と重なるねじり振動をφ８（ｔ）とすれば、基準線
Ｒ（こ対するＢの瞬間的な角位置を次式で表わすことが
できる。

（１）φ（１）一ω ｔ＋φ８（ｔ） Ｏ もし回転部材１２に取付けられた要素１０が完全に均質
であれば、プローブ１４はｓｉｎφｃ（ｔ）の形の電気
信号を発する。

ただしφ８（ｔ）は要素１０の数（Ｎ） ｔｃよってφ
（ｔ）＆こ関係づけられる。

（２） φｃ（ｔ）＝Ｎφ（１） もし要素１０が完全０こ均質でなければ、角度φ（１）
はノイズ成分φｆ（ｔ）だけ変わり、そしてプローブ１
４によって生ずる電気信号はｓｉｎφｃ（ｔ）の形をと
る。

ただし、 （３）φ。

（ｔ）＝Ｎ（φ（１）＋φｆ（０〕しかし、ノイズ成分
は周期的であり、回転部材が１回転する毎に、すなわち
、φ（１）が２πだけ増加する毎【こ繰返して生ずる。

この周期性の故Ｇこ、φ（１）を引数（ａｒｇｕｍｅｎ
ｔ）としてφｆ（ｔ）をフーリエ級数で表わし得る。

（４）φｆ（１）一ΣＣＬ ｎＳｉｎ （ ｎφ（１）
十βｎ）１ ただしα。

とβ。の値はノイズ信号の特定の形（こよる。

方程式の組合せにより次式が得られる。方程式（５）は
プローブ１４から検出回路１６に与えられる電気信号を
表わす。

検出回路１６は振動数Ｎ，ｏｔこ同調された局部発振器
を有する位相ロック式ループを含む。

ただしｆは回転部材１２の平均回転速度である。

局部発振器（こよって生ずる信号はｓｉｎφｏｓｃ （
ｔ）によって表わされ得る。

ただし、（６） φ （ｔ）＝Ｎ２πｆｏ（ｔ）
＝Ｎω。

ｔＯＳｅ 検出回路１６からの出力信号はプローブ１４によって生
ずる信号の位相との差を表わす。

回転速度ｆ。

の整数倍に等しい振動数で生ずるねじり振動φ８（ｔ）
は次式で表わされる。

ｎ＝ｍとした場合の上式内の和｛こおける諸項は検出回
路１６によって生じた出力信号の次のような偽或分、す
なわち式（８）のねじり振動φ８（ｔ）を表わす真成分
と同じ振動数を有する偽成分を表わす次に角度θだけプ
ローブ１４から離れたプローブ１５によって生ずる電気
信号を考える。

この信号はプローブ１４による信号と同様であるが、φ
８（ｔ）以外のすべての或分が角度θだけ移相されてい
る。

φｓ（ｔ）が移相されていないのは、これによって表わ
されるねじり振動が両プローブによって同時に検知され
るからである。

プローブ１５によって生ずる信号は式（５）と同様の式
によって表わされる。

検出回路１７は振動数Ｎｆｏに同調された局部発振器を
有する位相ロック式ループを含むが、この局部発振器に
よって生ずる信号は検出回路１６の局部発振器による信
号によりＮθだけ位相がずれている。

すなわち、（１１）φ’ （ｔ）一Ｎω。

ｔ−ＮθＯＳＣ 検出回路１７からの出力信号はプローブ１５によって生
ずる電気信号の位相と局部発振器の発生信号の位相との
差を表わす。

加算回路１Ｂは両検出回路１６，１７からの出力信号を
電気的に平均して、端子２０に出現する出力信号を発す
る。

ｎの特定値のｎｍに対し、式（１３）内の和における諸
項をゼロにすることができる。

これらの特定値はｎｍθをπの奇数倍に等しくすること
によって定められる。

ただしｍは整数（ｏｔｔｔ２−−−’）である。

上記の特定値に対して和における対応項がゼロになるの
は次式が成立つからである。

式（１３）の最後の項が端子２０に出現する出力信号の
すべの偽成分を含むことに注意されたい。

ｎω。

はこれらの戒分の振動数であるから、プローブ１４，１
５を角度θだけ離すことによって除去される偽成分の特
定振動数は式（１５）を用いて決定される。

除去すべき偽成分の振動数をｆｍとすれば、次式が成立
つ。

除去される振動数と両プローブの離隔との関係は式（１
５）と式（１６）を組合わせることによって確定する８ ただし角度θの単位はラジアンである。

次に３６００ｒｐｍの速度で回転中のタービン軸の例を
再び考え、軸が振動数１ ２０Ｈｚの繰返しねじり振動
を受けていると仮定する。

第２図に示した装置を利用すると、これらのねじり振動
は、もし両プローブ１４，１５が９００すなわちＴラジ
アンの角度だけ離れていれば端子２０で明確に監視され
得る。

式（１７）からわかるように、Ｔラジアンの離間に対し
て、ｆｏの奇数倍数の２倍に等しい振動数の偽成分を除
去された信号が端子２０に現われる。

上例ではｆｏが６０Ｈｚであるから、振動数１２０Ｈｚ
，３６０Ｈｚ，６００Ｈｚ− 一一の偽成分除去され、
１２０Ｈｚの振動を表わす真成分が監視され得る。

以上の説明からわかるように、本発明を用いることによ
って、回転部材のねじり振動を測定する既存の装置と方
法の能力をかなり改良できる。

この改良は既存装置に複雑な改変を施す必要なしになさ
れ、そして単に、通常使用されるプローブから適当に離
れた第２プローブの追加と、既存装置によって発生する
種類の２つの信号の加算のみを必要とする。

以上、米国特許第３８８５４２０号に開示されているよ
うなねじり振動測定装置の能力を改良するための本発明
の特定適用例を開示したが、本発明はこのような用例に
限定されない。

本発明の装置と方法は本発明の範囲内において当業者が
容易に推考し得る任意の態様で使用し得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は回転部材のねじり振動を測定する代表的な従来
装置の概略図、第２図は回転部材のねじり振動を測定す
るための本発明の実施例の概略図である。 １０・・・・・・周方向に間隔をおいで配置された要素
、１２・・・・・・回転部材、１４，１５・・・・・・
プローブ、１６，１７・・・・・・検出回路、１８・・
・・・・加算回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 周方向に間隔をおいて配置された複数個の被検出要
   素を有する回転部材の回転軸のねじり振動瞬時値を、■
   前記回転部材の近くｌこ設置されたプローブで該被検出
   要素の通過を検出することｌこより得る、前記回転軸の
   角速度瞬時値に比例する周波数で第１の信号を発生する
   第１の手段と、■前記回転軸の角速度平均値Ｃこ比例す
   る周波数で第２の信号を発生する第２の手段と、■前記
   第１及び第２の信号を受ける様に接続され、これＧこ応
   答して両信号の間の位相差に比例する平均値を有する第
   ３の信号を発生する第３の手段とを有するねじり振動瞬
   時値測定装置を用いて測定する際に、この測定値より偽
   戒分を除去する方法において、該方法が、 （ａ） 前記測定装置を２台用意し、 （ｂ） 夫々の測定装置のプローブを関係式ｆ ＝
   −（２ｍ＋１）ｆｏ ｍ θ ただし、ｆｍ＝除去すべき偽成分の振動数ｆｏ＝前記回
   転部材の回転速度 ｍ 二整数０，１，２，・・・・・・・・・によって決
   定される角度θ（ラジアン）だけ周方向に相互に離して
   設置し、 （ｃ） 夫々の測定装置の第３の信号を電気的に加算
   する、 各段階からなることを特徴とする方法。 ２ 前記回転部材がタービン軸である特許請求の範範囲
   第１項記載の方法。 ３ 前記周方向に間隔をおいて配置された複数個の被検
   出要素が歯車の発明でありそして前記プローブが磁気ピ
   ックアップ装置である特許請求の範囲第１項記載の方法
   。 ４ 前記周方向に間隔をおいて配置された複数個の被検
   出要素が前記回転部材に設けた複数の帯条から成り、そ
   して前記プローブが前記回転部材と前記帯条との表面特
   性の差に応じて働く光学的ピックアップ手段である特許
   請求の範囲第１項記載の方法。