JPS61137054A - 回転機械の損傷監視装置 - 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】 ［発明の技術分野］ 本発明は回転機械のすべり軸受内の軸受油膜中の異物混
入を検出し、軸受部における損傷およびその程度を早期
に検出し得る回転機械の損傷監視装置に関する。

［発明の技術的背景］ 蒸気タービンその他の重量回転機械の主軸受としては、
すべり軸受が多用されている。このすべり軸受は第２図
に例示するように、回転軸１を軸受メタル２を介して軸
受ケーシング３により支持するもので、回転軸１と軸受
メタル２の間には潤滑油が充填されて軸受油Ｈ４を期成
している。

このような構成のすべり軸受においては、軸受部に摩耗
や焼付は等の損傷が生ずると、回転機械の安全性がおび
やかされ、重大事故に発展するおそれがあるので軸受部
に損傷が生じた場合には、これを早期に検出し、必要な
対策を講する必要がある。

［背景技術の問題点］ 従来は、運転中の軸受部の状態を監視する適当な方法が
なく、運転中の軸受の振動、軸受メタルの温度あるいは
軸受部からのもどり油の温度の急変等を軸受部の損傷の
判断基準としていた。

しかしながら、このような判断基準は軸受部の損傷に阻
隔した現傘であり、実際には損傷がかなり進行しなけれ
ば発見することができないという不都合があった。

［発明の目的］ 本発明は背景技術における上述の如き不都合を除去すべ
くなされたもので、運転中における回転機械の軸受部の
損傷およびその程度を早期に発見し得る回転機械の損傷
監視装置を提供することを目的とする。

［発明の概要］ 上記目的を達成するため、本発明の回転機械の損傷監視
装置は回転機械のすべり輪受の軸受メタル側に絶縁体を
介して固定され、回転軸との間でＴｉＩ滑油を誘電体と
するコンデンサを構成する電極と、この電極と前記回転
軸の間の静電容量を検出する静電容量計と、前記回転軸
の位置変化を測定する変位測定器と、この変位測定器と
前記静電容量計の出力に基いて前記回転軸および電極の
間を流れる潤滑油の見かけの誘導率を測定し、この見か
けの誘導率の変化の様子から軸受の部の損傷を判別し、
軸受損傷信号を出力する損傷判別回路とを備えたことを
特徴とする。

［発明の実施例］ 以下、図面を参照してして本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の実施例の概略構成図であり、第３図は
第１図の■−■線に沿う横断面図である。

これらの図中、第２図におけると同一部材は同一の符号
で示されている。

軸受メタル２には１対の電極５．６がそれぞれ絶縁体７
．８を介して絶縁的に埋込まれている。

また、軸受メタル２の外側には２個の変位測定器９．１
０が固定されている。これらの変位測定器は回転軸１の
変位を測定するもので、回転軸１を中心としてその円周
方１＾」にほぼ９０’の間隔をおいて配置固定されてい
る。

電極５．６はリード線５ａ、５ｂを通して静電容量計１
１に接続されている。また、変位測定器９．１０の出力
はリード線９８．１０ａを通して増幅器１２に導かれ、
増幅された後、静電容量計１１からの出力と共に損傷判
別回路１３に導かれる。

この損傷判別回路１３はＣＰＵから構成されており、予
め設定されたプログラムに従って、静電容量計１１およ
び増幅器１２からの出力を演算し、その結果得られた軸
受損傷信号をＣＲＴディスプレイ１４、プリンター５、
Ｘ−Ｙレコーダに向けて出力する。

上記において電極５．６はそれぞれ回転軸１および軸受
メタル２との間でコンデンサを形成しており、それらの
間の静電容量を第４図のＣ１〜Ｃ４で表示すると、その
等価回路は第５図のようになる。

ここで、静電容量ｃ、ｃ４は電極５，６と軸受メタル２
との隙間およびそこに介挿された絶縁体７，８の誘導率
によって一義的に定まる。

一方、静電容量Ｃ％Ｃ３は電極５．６と回転軸１との間
隔およびそれらの間に介在する軸受油膜４の誘導率によ
って定まる。通常、潤滑油は良い絶縁体であり、それの
誘導率はほぼ一定値に保たれるが、これに金属粉等の異
物が混入すると、その見か（プの誘導率は大幅に変動す
る。

第５図の回路におけるリード線５ａ、５ｂ間の静電容量
Ｃは Ｃ−１／（１／（Ｃ＋Ｃ２）＋１／（Ｃ３＋Ｃ））−・
・・（１） で示されるが、Ｃ２、Ｃ４は前述の如く設計値によって
一義的に定まる定数であるから、Ｃは潤滑油の見かけの
誘導率をε、電極５および６の面積を８１電極５，６と
回転軸１間の距離をｄとすると、 Ｃ＝ｆ＜ε、Ｓ、ｄ）　　　　・・・（２）で示される
。ここで面積Ｓは設計値により定まる定数とみなすこと
ができるが、静電容量Ｃはεによって変化するので、静
電容量計１１の出力の変化のみでは、回転軸１の位置が
変化したのか、軸受内の潤滑油の誘導率が変化したのか
を区別することかできない。

そこで、本発明においては回転軸１の位置の変化のみを
知るために、渦電流を利用した変位測定５９．１０を設
けている。これらの変位測定器は、図に示すように、軸
受内の潤滑油の誘導率の変化の影響を受けないように、
軸受部の外に設置されている。

なお、電極５．６は、軸受メタル２の下端より０°〜４
５°の場所に設置される。一般に、回転軸の回転速度が
大きくなるにつれて、油膜厚さが最小となる場所は、軸
受メタル２の下端から軸の回転方向にずれるが、通常の
回転機械の場合、油膜厚さが最小の場所は約０°〜４５
゛の範囲であり、従って、この範囲に電極を設置すれば
、最小油膜厚さの場所近傍での測定が可能になるからで
ある。この場所は最も損傷が発生し易い場所であり、ま
た、そこに電極を設置することにより、隙間が小さくな
るため、静電容ｆｆ１ｃ、ｃ３が大きくなり、静電容量
計１１の出力変化が大きくとれ、測定制度が向上する。

勿論回転機械の定常運転時における油膜厚さ最小の場所
が既知の場合は、そこに電極を設置することが望ましい
。

軸受部に損傷がなく、潤滑油中に異物が混入していない
場合は、静電容量計１１の出力は、第６図に示す如く、
時間に対して変化しないが、軸受部に損傷が発生し、潤
滑油中に摩耗粒子等の異物が混入すると、潤滑油と異物
とでは誘導率が異なるため、静電容量計１１の出力は第
７図に示す如く異物が軸受油膜の電極５．６と回転軸１
の間を通過することに対応して変動する。潤滑油中の異
物の濃度が大きい程、単位時間当りの静電容量計１１の
出力変動回数は大きくなり、また、出力変動Ｒも大きく
なる。

一方、静電容量計１１の出力変動は、回転軸１が振動し
ている場合にも起こるので、本発明においては変位測定
器９，１０から増幅器１２を経て送り出される信号と静
電容量計１１の出力とを比較することにより、回転軸の
振動と異物の混入を区別する。

第８図は、上述の概念に基づいて軸受の損傷および回転
軸の振動を判断するアルゴリズムの１例である。

ステップ１０１で、増幅器１２を経た変位測定器９．１
０の信号に基ずいて、軸受隙間ｄを計算する。この場合
、変位測定器の取付誤算を補正しておく。

ステップ１０２で、静電容量計１１の信号Ｃを入力する
。ここで、コンデンサを平板コンデンサとみなすと潤滑
油の誘導率εは、次式で表される。

ε＝Ｃ−ｄ／Ｓ　　　　　・・・（３）ステップ１０３
では、（３）式を用いて潤滑油の誘導率ε′を計算する
りこのε′は、静電容はＣ１隙闇ｄおよび電極の面積Ｓ
より逆に求めた値であるので、見かけの誘導率と称する
。

ステップ１０４で、潤滑油の、実際の誘導率εを入力す
る。潤滑油の誘導率εは、温度によって変化するので、
油温を測定して補正しておく。

ステップ１０５で、見かけの誘導率ε′と実際の誘導率
εとの差Δε＝１ε′−ε１を計算する。

潤滑油中に異物が混入していなければ、Δε＝０となる
が、軸部に損傷が発生し、摩耗粒子が潤滑油中に混入す
ると△ε≠０となる。このΔεは、潤滑油中の異物の濃
度に対応する値であり、潤滑油中に多くの異物が混入す
る程、△εは大きくなる。

ステップ１０６で、Δεの許容値Δε０を入力し、ステ
ップ１０７で、ΔεがΔε０を越えているかどうかを判
断する。Δε≦Δε０であればステップ１０８で損傷の
初期であると判断し、ステップ１０９でＣＲＴディスプ
レイ１４およびプリンタ１５に信号を出力させる。ステ
ップ１０７で、Δε〉Δε０であれば、ステップ１１０
で損傷がかなり進行していると判断し、ステップ１１１
でＣＲＴディスプレイ１４およびプリンタ１５に向けて
警報信号を出力させる。

一方、ステップ１０５で、△ε＝０となった場合は、ス
テップ１１２で変位測定器９，１０の信号を増幅器１２
を経て入力し、軸受隙間ｄの変動の振幅Δｄを計算する
。

ステップ１１３では、Δｄ＝ｏであるかどうかを判断し
、△ｄ＝０であれば、ステップ１１４で正常運転状態で
あると判断し、ステップ１１５でＣＲＴディスプレイ１
４、ブリンク１５およびＸ−Ｙレコーダ１６に信号を出
力する。

また、ステップ１１３でΔｄ≠０であれば、ステップ１
１６で振幅の許容値Δｄｏを入力し、ステップ１１７で
回転軸の振動の大小を判断する。

すなわち、Δｄ≦Δｄ　であれば、ステップ１１８で軸
振動は小さいと判断し、ステップ１１ってＣＲＴディス
プレイ１４、プリンタ１５およびＸ−Ｙレコーダ１６に
信号を出力させる。Δｄ〉Δｄｏであれば、ステップ１
２０で軸振動が大きいと判断し、ステップ１２１でＣＲ
Ｔディスプレイ１４、プリンタ１５およびｘ−ｙレコー
ダ１６に警報を出力させる。

次に本発明の他の実施例を第９図を参照して説明する。

なお、同図中、第１図および第３図に示した実施例と同
一部分には同一符号を付して説明を省略する。

第９図に示す実施例においては、静電容量計１１．２０
を２組用い、４個の電極５，６．２１゜２２を軸受メタ
ル２の下端と上端に設置し、静電容量計１１．２０の信
号を損傷判別回路１３に入力する。

この場合、回転軸７を介して電極５．６および゛　　電
極２１．２２間に形成される各コンデンサの静電容ｆｆ
１ｃは、次式で表される。

Ｃ−ｆ（ε　、Ｃ２，χ、ｄ、Ｓ）− ε１ε２　Ｓ／ｄ ×（χ（ε　　−ε　）＋ε　）　　（４）但し、Ｃ１
：潤滑油の誘導率 Ｃ２：異物の誘導率 χ：異物の濃度 従って、軸受メタル２の下端と上端とで各コンデンサの
静電容ＭＣｕ、ＣＩを測定すれば、次式が成り立つ。

Ｃｕ＝ｆ（ε　、Ｃ２，χ、ｄｕ、Ｓ）・　（５）Ｃ１
＝ｆ　（ε　、Ｃ２，χ、ｄｌ、３）・・・（６）添字
ｕ、ｌは軸受メタルの上端および下端で測定した値を示
す。（５）式および（６）式における未知数は、異物の
誘導率ε２および異物のＦｆ：Ｊ度χであるから、（５
）式と（６）式を連立させることにより、これらの未知
数を求めることができる。

損傷が回転軸１側で発生すれば、摩耗粒子は鉄、クロム
系であるのに対して損傷が軸受メタル２側で発生すれば
、摩耗粒子はホワイトメタル系となり、両者では誘導率
が異なるので、あらかじめ両方の摩１６粒子のＭ導率が
わかっていれば、異物の誘導率ε２より損傷が回転軸側
で発生したのか、軸受メタル側で発生したのかを区別す
ること、ができる。ざらに異物の濃度χと組み合わせる
ことにより、両方の摩耗粒子の濃度を知ることができる
。

なお、２組の電極を軸受メタル２の下端と上端に設置す
るのは、以下の理由による。

即ち、（５）式および（６）式において、ｄ　ＬＪ−ｄ
ｌであれば、Ｃｕ＝ＣＩとなり、（５）式と（６）式が
同一の式となってしまい、異物の誘導率ε２および濃度
χを求めることかで従ない。しかしながら、ｄＬＪ＝ｄ
ｌとなるのは、回転軸の中心が軸受の中心と一致した場
合、および電極の位置が、回転軸の中心と軸受の中心を
結ぶ線に対して軸対象となる場合である。前者は、通常
の回転数ではまず起こらな。また、電極を軸受メタル２
の下端と上端に設置した場合に、後者の条件を満たずの
は、回転軸の中心と軸受の中心を結ぶ線が水平になる場
合のみで、これも通常の回転数では起こらないからであ
る。

第１０図は、第９図の実施例における軸受の損傷および
回転軸の振動を判断するアルゴリズムである。第８図に
示したアルゴリズムにおけると同一部分には同一符号を
付して相違点のみを説明すると、本例では、ステップ１
０１および１０２で、軸受メタル２の下端と上端で測定
した結果を入力し、両者について処理を行なう。また、
ステップ２０１では、（５）式および（６）式より異物
の誘導率ε２および濃度χを計算し、さらにこれらのε
２とχから、回転軸側で発生した摩耗粒子と軸受メタル
側で発生した摩耗粒子の濃度を計算し、ステップ１０９
および１１１で、警報とともに各々の８１痕をＣＲＴデ
ィスプレイ１４およびプリンタ１５に出力させる。

［発明の効果］ 上述の如く、本発明の回転機械の損傷監視装置において
は、回転機械の運転中に、軸受に損傷が発生した場合こ
れを早期に発見することができ、また、場合によっては
損傷の程度やその部位も発見できるほか、回転軸と軸受
の隙間および回転軸の振動についての情報も得られるた
め、回転機械に常設しておくことにより、総合的な監視
装置としても利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の回転機械の実施例を示す説明図、第２
図はすべり軸受の縦断面図、第３図は第１図の■−■線
に沿う横断面図、第４図はその部分拡大説明図、第５図
はその等価回路図、第６図と第７図は本発明装置にける
静電容ω計の出力の変化の様子を示すグラフ、第８図は
第１図におけるアルゴリズムを例示するフローチャート
、第９図は本発明の他の実施例を示す説明図、第１０図
はそのアルゴリズムを例示するフローチャートである。 １・・・回転軸、２・・・軸受メタル、３・・・軸受ケ
ーシング、４・・・軸受油膜、５・・・絶縁体、５．６
・・・電極７．８・・・絶縁体。 代理人弁理士　　猪　股　　　清 第１図 第２図 ＣＩ　　　　　　　　　Ｃ３ ６存間 日きト間　　−一一一一一一一−− 第８図 第９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転機械のすべり軸受の軸受メタル側に絶縁体を介
   して固定され、回転軸との間で潤滑油を誘電体とするコ
   ンデンサを構成する電極と、この電極と前記回転軸の間
   の静電容量を検出する静電容量計と、前記回転軸の位置
   変化を測定する変位測定器と、この変位測定器と前記静
   電容量計の出力に基いて前記回転軸および電極の間を流
   れる潤滑油の見かけの誘導率を測定し、この見かけの誘
   導率の変化の様子から軸受部の損傷を判別し、軸受損傷
   信号を出力する損傷判別回路とを備えたことを特徴とす
   る回転機械の損傷監視装置。 ２、１対の電極が軸受メタル内に絶縁体を介して埋込ま
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   回転機械の損傷監視装置。 ３、２対の電極が回転軸の上方および下方に位置するよ
   う軸受メタル内に絶縁体を介して埋込まれており、各対
   の電極の間の静電容量信号がそれぞれ静電容量計に入力
   されるよう構成されていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の回転機械の損傷監視装置。 ４、変位測定器が渦電流を利用して回転軸の変位を検出
   する１対の変位測定器であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載の回転機械
   の損傷監視装置。 ５、１対の変位測定器が回転軸に対して、その円周方向
   にほぼ９０°の位置に配置されていることを特徴とする
   特許請求の範囲第４項記載の回転機械の損傷監視装置。 ６、変位測定器が軸受の外側に設けられていることを特
   徴とする特許請求の範囲第４項または第５項記載の回転
   機械の損傷監視装置。