JPS63297813A - ころがり軸受異常診断装置 - 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〕 この発明は回転機械の軸受として多用されているころが
υ軸受の異常を１機械の運転中に精度良く診断するため
の装置に関する。

〔従来の技術〕

この種の装置として、ピエゾ素子を用いて振動加速度を
検出し、その自乗平均平方根値（以下８ＭＳ値という）
または尖頭値（以下ピーク値という）を評価の尺度とす
るものが既に市販されている。

はピーク値のみの表示では精度のよい診断は出来ない。

診断精度を上げるには、波形処理等によって欠陥の種類
を弁別し、別に定めた欠陥の種類毎の判定レベルにより
診断するのが正統でかつ信頼性も高いが、相当容量の情
報処理装置を必要とする関係上、高級技術者の介在を見
ねばならず、また可搬型とすることが困難なため、現場
における診断には不適当である。診断精度を上げる他の
方法として、欠陥種類の相違、すなわち波形の相違によ
る補正を行った振動レベルを表示して、このレベル表示
のみにて診断する方法が考えられるが。

現場における診断には向くものの補正の量を決定するた
めのノウハウが必要であり、かつそのノウハウも理論的
に明確なものではなく、対症療法的な経験則に基づくも
のであるため、汎用的な装置としての実現は見ていない
。

そこで、これらの従来技術の有する欠点を除去して。

（イ）波形分析をする必要がなく、従って大容量の情報
処理装置を具備せずに済み、その結果として可搬性のあ
る装置を提供すること。

（ロ）　計器の指示する値のみで良否の判断ができ。

従って初級技術者でも診断が可能な装置を提供すること
。

（ハ）欠陥の種類によらずに精度の良い診断を行ない得
る装置を提供すること。

を主たる目的とし、この目的を達成するため、数多くの
この種の診断データから波形による評価レベルの相違を
考慮した。新しい診断尺度を導入することを特徴とした
ころがり軸受異常診断装置が既に提案されている（特公
昭６ｌ−５７４９１）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、このころがり軸受異常診断装置は、ころがシ軸
受から生じる１）ｃＨｚ以上１０ｋＨｚ以下の固体音を
表わす高周波振動波形を包絡線検波した包絡線波形７）
　ＲＭＳ値Ｖｒｍｓとピーク値ＶｐｅａｋとがらＱ値ｅ
計算し、このＱ値を異常診断の尺度として用いているた
めに。

（１）ころがり軸受の損傷の種類によって振動周波数が
定まった値をとるが、この周波数情報を異常診断に加味
していない （２）ころがり軸受の損傷部位が、内輪か外輪か転動体
かが分らない という問題点があった。

本発明は、前記の従来装置の問題点を解決して。

（１）波形分析を併用して異常診断の精度向上が図れる （２）専門の知識や分析操作を必要とせず釦、異常診断
装置の表示回路を見るだけで初心者でも、対象のころが
り軸受の損傷の程度や損傷の部位が分かるようになる ころがり軸受異常診断装置を提供することを目的として
いる。

〔問題点を解決するための手段〕

前期の問題点を解決するために１本発明は、とろが９軸
受に設置され、ころがり軸受より発生する固体音を加速
度信号の形で電気信号に変換し出力する加速度検出器と
１診断に必要な周波数帯のみを前記電気信号成分より取
り出すフィルタと。

このフィルタを通過した波形の包絡線の波形を得る包絡
線検波回路と、との包絡線検波回路より出力される包絡
線波形の自乗平均　平方根値を得る自乗平均平方根値算
出回路と、前記包絡線波形の尖頭値を得る尖頭値算出回
路と、前記自乗平均平方根値および尖頭値より。

ｐｅａｋ Ｑ＝　ＶｒｍｓｘＶｐｅａｋｘ（ａ　ｌ　　　　−５ｌ
　＋ｂ　〕ｒｍｓ 但しＶｒｍｓ　　；自乗平均平方根値 Ｖｐｅａｋ　；尖頭値 ａ、ｂ　　；定数 を演算するＱ値計算回路と、前記包絡線検波回路より出
力される包絡線波形の周波数スペクトルを得る周波数分
析回路と対象ころがり軸受の幾伺学的形状ところがり軸
受の内輪の回転数とからころがり軸受の内輪や外輪や転
動体などの〜軸受部品の損傷に起因する発生振動数を計
算する振動数計算回路と、前記計算振動数と周波数スペ
クトルを対比させ該当振動数成分を抽出する抽出回路と
、前記計算振動数と振動数成分と共に前記Ｑ値を表示す
る表示回路を備え、前記Ｑ値をころがり軸受の異常診断
尺度に用いると共に振動数成分の有無によってころがり
軸受の損傷部位の診断を行うころがり軸受異常診断装置
とするものとする。

〔作用〕

もので、対象軸受の近傍に設置された加速度検出器によ
って回転中の対象軸受から発生する固体音を検出する。

この固体音の波形を従来装置と同様な各種の計算回路に
よって演算してＱ値を求め。

一方周波数スベクトルを得る。対象軸受の幾何学的形状
と軸受内輪の回転数とから、計算回路によって内輪、外
輪、転動体などに起因する発生撮動数を計算し、前記の
周波数スペクトルと対比させて抽出回路によって該当振
動数成分を抽出し、これらの結果を表示回路に表示する
ようにしたので。

これを見るだけで初心者でも対象ころがり軸受の損傷の
程度や損傷の部位が分かるようになる。

〔実施例〕

本発明の実施例を第１図のブロック図で示す。

第２図は診断の対象となるころがり軸受３０を示す断面
図で、軸受部品として内輪３２、転動体３４゜外輪３６
からなり、（ａ）は玉軸受、（ｂ）は円筒ころ軸受を示
し、また３８は傷を示す。

第１図によって１本発明の構成と動作について説明する
。

加速度検出器２は、診断対象のころがり軸受３０に密着
させて、ころがり軸受３０から発生する固体音を振動加
速度０の形で電気信号として高周波応答特性の良好なピ
エゾ素子を用いて検出する。

この加速度検出器２で検出した電気信号には。

ころがυ軸受３０以外から生じる振動成分も含まれてい
るため、フィルタ４によって１ｋＨｚ以下と１ＱｋＨｚ
以上の振動成分を除去して、ころがり軸受３０の診断に
必要な軸受振動のみを取り出す。

第３図は本発明によるころがり軸受異常診断装置の動作
を説明するための各種波形図である。第３図（５）は１
代表的な例としてころがり軸受３０の外輪３６に傷３８
のある場合の加速度検出器２で検出した原波形を示すも
ので、横軸に時間（単位ｓ　ｉｏ−”秒Ｈ）Ｈｗｃ）、
縦軸に振動加速度ｐ）をとっである。第３図（均は、第
３区内の原波形の周波数スペクトルを示したもので、振
動の主成分が１．６３ｋＨｚであることが分る。

さて再び第１図に戻って、フィルタ４を通過した信号は
包絡線検波回路６に入力されここで振動周波数信号を検
波して第３図（ｑに示す包絡線信号による波形が得られ
、この波形をころがり軸受異常診断に使用する。

次にころがり軸受の損傷の程度を表わすＱ値を計算する
ため、自乗平均平方根値算出回路８（以下ＲＭＳ値算比
算出回路記す）に包絡線検波回路６から入力されて、こ
こで包路線波形の０．１秒間の実効値である１ＭＳ値：
　Ｖｒｍｓを算出する。また包絡線検波回路６から尖頭
値算出回路１０（以下ピーク値算出回路１０と記す）Ｋ
入力されて、ここで包路線波形の０．１秒間の最高値で
ある尖頭値（以下ピーク値と記す）　：　Ｖｐｅａｋを
算出する。これらのＲＭＳ値算比算出回路８−ク値算出
回路１０とには市販のＩＣ化された専用演算素子を用い
ている。

Ｑ値計算回路１２には、ＲＭＳ値算比算出回路８Ｖｒｍ
ｓが、ピーク値算出回路１０からＶｐｅａｋが入力され
１次式に従って診断尺度のＱ値の計算がなされる。

但しく１）式においてＶｒｍｓは包絡線波形の１ＭＳ値
、Ｖｐｅａｋは包絡線波形のＰｅａｋ　（ピーク）値、
　　ａ、ｂは定数である。

Ｑ値の計算結果が表示回路１８に表示される。ころがり
軸受３０の異常診断はこの表示されたＱ値と共に、別に
準備した判定基準を対比させ、良好。

注意、交換の３段階で評価する。

Ｑ値及び判定基準は多くの損傷したころがり軸受３０を
分解して、実験的に決定したもので、これらは特公昭６
１−５７４９１号公報に詳細内容が示されているものと
同じであり、その要旨を次に説明する。

前記の（１）式の意味について説明すると、ころがり軸
受３０のＶｒｍｓ　、Ｖｐｅａｋを測定して演算し、縦
軸に、■ｐ時 にプロットすると、　　　＝５の線の近傍にプロ７ｒｍ
ｓ トが集中する。

測定されたころがり軸受３０を分解点検した結果ｐｅａ
ｋ （１）まだ十分使用に耐えるものは’　■ｒｍｓ’　＝
５の線の近傍にプロットがあり、かつＶｒｍｓ　ｘＶｐ
ｅａｋの値は低い （２）かなり損傷はあるもののまだ便用に耐えるもの。

および破損がひどく使用に耐えないもの代ｙ−ｐｅ、ａ
ｋｒｍｓ ＝５の線の近傍にプロットがあっても、　ＶｒｍｓｘＶ
ｐｅａｋの値は高い ということが実験結果から判明した。従ってＶｒｍｓＸ
　Ｖｐｅ　ａｋの値によってころがり軸受３０の良否の
判定を行うことができる。

前記のことは、理論的に次のように説明できる。

２　Ｖｐｅａｋ ＶｒｍｓｘＶｐｅａｋ＝（Ｖｒｍｓ）　ｘ−−−−−−
山−・ｅ・−−−−・…（２）Ｖｒｍａ とおき、（２）式の右辺において、　（Ｖｒｍｓ）　　
の値はついて考えてみると、ころがり軸受３０に傷３８
やりねり、電食などの損傷があると、検出された波形は
大きくなるため、　　（Ｖｒｍａ）　　の値は大きくな
る。

Ｖｐｅａｋ これに対してＶｒｍｓの値は、ころがり軸受３０に傷３
８があると５より大きくなり、うねυ、電食などがある
場合には５より小さくなるが、　（Ｖｒｍｓ）　　の値
のほうが大きな変化を示すことと、損傷としてはうねり
中電食よりも傷３８の方が重大であることを考えれば、
　Ｖｒｍｓ　ｘＶｐｅａｋの値によってころがり軸受３
０の良否の判定を行うことができる。

Ｖｐｅａｋ 次に（１）式の右辺において−（ａｌ　Ｖｉｊ−−４）
　ｌ＋ｂ）の項について説明する。前記の説明によって
、　ＶｒｍｓｘＶｐｅａｋの値で一応のころがり軸受３
ｏの良否の判定値を補正して、（１）式に示すＱ値を算
出するのである。なおころがり軸受３０の種類によって
定数ａ、ｂの値を設定する。

以上の説明からも明らかなように、（１）弐によってＱ
値を演算し、その値を十分な確度でのころがり軸受３０
の良否判定の診断の尺度とすることが可能である。

一方、前記の包絡線検波回路６から周波数分析回路１４
に包絡線信号による波形が入力されて、これが周波数分
析されて周波数スペクトルが求められる。第３図ｑは第
３図（ｑの包絡線波形の周波数スペクトルを示したもの
で１図中の卓越した部分（７８，１５６，２１１，２３
３，３８９，４６７Ｈｚ）は、外輪３６の傷３８によっ
て生じた周波数スペクトルである。またこの周波数分析
回路１４は市販のＩＣ化されたデジタル回路のプロセッ
サを使用して１周波数分析を高速で処理している。

前記の周波数スペクトルは抽出回路１６１Ｃ入力され、
ころがり軸受３０の損傷部に起因したスペクトルを抽出
する。

対象軸受の周波数スペクトルであることを確定するため
、予め予想される発生周波数を計算で求め、その値と分
析した周波数スペクトルとを対比させて、該当するスペ
クトルのみを抽出する。

発生周波数の予想は、軸受定数設定回路２０に入力した
。対象ころがり軸受３０の軸受定数：ｄ／Ｄ（ただし第
２図（ａ）に示すようＫｄは転動体３４の直径、Ｄは転
動体ピッチ円直径〕、転動体３４の個数：Ｚ。

内輪３２の毎秒回転数：ｆｓ　（これは軸回転数に同じ
）を用いて、振動数計算回路２２によって計算され。

損傷の部位に従って次式で計算される。

（１）内輪軌道面に損傷がある場合の発生周波数ｆｉｆ
ｓ　　　　　ｄ ｆｉ＝Ｔ（１＋Ｔ５ａｙｓα）ｚ（Ｈｚ）曲・曲（３）
偉）外輪軌道面に損傷がある場合の発生周波数ｆ。

ｆｓ　　　　　ｄ ”＝　　（１−ｐ淵）”　　　　　（”）””１４）（
３）転動体に損傷がある場合の発生周波数ｆｂｆｓ　　
Ｄ　　　　（１２２ ｆｂ＝−−−（１＋（−）　ｃｘｓ　ａ）Ｚ　　ＣＨｚ
＞凹曲（５）２ｄ　　　　ｌ） 但しく３）　、　（４＞　、　（５）式において、αは
転動体３４の接触角でありα＝ｏ’である。

例えば、第３図ＣＤ）は、ころがり軸受３０として。

単列深ミゾ形ラジアル玉軸受す６２０７を対象とし。

外輪軌道面に傷を発生した場合の周波数スベクトルを示
したものである。

＋６２０７においては、軸受定数ｄ／Ｄ　＝　０．２０
８で、転動体数は８個すなわちＺ＝８である。またこの
時の内輪回転数は１４７８ｒｐｍであった。

外輪軌道面に損傷がある場合の発生周波数ｆＯは（４）
式より ｆＯ＝　’　（’−”　）　（１−０，２０８ｘａｎ　
Ｏ’　）ｘ８　＝７８　（Ｈｚ）となる。第３図（Ｄ）
のスペクトルと７３Ｈｚとを対比させ該当するスペクト
ル成分を抽出すると、外輪軌道面に損傷があるという損
傷部位の診断ができる。

前記の軸受定数設定回路２０．振動数計算回路２２゜抽
出回路１６などは、ＲＡＭメモリと表示回路１８を駆動
するドライバを備えた市販のマイクロコンピュータで構
成している。

表示回路１８は、例えば液晶表示素子（ｌｉｑｕｉｄｃ
ｒｙｓｔａｌ　ｄｉｓｐｌａｙ　：　ＬＣＤ　）が備え
られており、前記のＱ値と、抽出回路１６で抽出された
各発生周波数ｆｉ、ｆｏ、ｆｂの周波数とその振動加速
度目のレベルが表示されている。

ころがり軸受の異常診断においては１表示された前記の
Ｑ値と各種の判定基準と対比して、対象ころがり軸受が
良好であるか、注意状態にあるか。

交換が必要な状態かを判定すると共に、　ｆｉ、ｆｏ、
ｆｂの有無を確認して異常診断を行うのである。

第４図は前記の特公昭６１−５７４９１号公報から引用
したもので、転動体３４の公転速度の指標であるＤｍｘ
Ｎに対してのＱ値の関係を示した判定図であって。

Ｄｍは転動体３４の公転直径（ｗｉｔ）、　Ｎは内輪３
２の毎分回転数（ｒｐｍ）であり、とのＤｍｘＮを横軸
にとり縦軸にＱ値をとってグラフとしたものである。第
４図においては、前記のＱ値の計算結果が入力され比較
され、実線Ａ、Ｂをそれぞれの境界線として、Ｑ値が境
界線Ａ以下は正常のもの（良好）、境界線Ａ。

Ｂの中間はやや損傷があるがまだ使用できるもの（注意
）、境界線Ｂ以上は交換が必要なもの（交換）と判定す
るようＫして、他の診断情報ｆｉ、ｆ。

ｆｂと共に表示回路１８に表示され、下記の条件によっ
て診断される。

（１）Ｑ値が良好でｆｉ、ｆｏ、ｆｂも無ければころが
り軸受は良好と診断。

（２）Ｑ値が良好でもｆｉ、ｆｏ、ｆｂの何れかが現わ
れた場合は注意と診断、その後の診断周期を短縮する。

（３）Ｑ値が注意あるいは交換の状態と判定されても、
ｆｉ、ｆｏ、ｆｂが何れも無ければ、グリース切れもし
くは均一な通常の摩耗が進展しているものと診断。

（４）一方前記の（３）の要因がなく、Ｑ値のみが高い
場合は、ころがり軸受は正常であるが、軸受以外の外乱
によるものと診断。

（５）前記の（２）より状態が悪化して、Ｑ値が注意あ
るいは交換と判定され、　ｆｉ、ｆｏ、ｆｂの何れかが
現われた場合、ｆｉならば内輪、ｆｏならば外輪、ｆｂ
ならば転動体というように損傷の部位が診断できる。

前記の診断結果によって、良好の場合はそのまま運転を
継続し、注意であれば診断周期を短縮し。

交換の場合はその損傷の部位によって、可能の場合は軸
受部品を交換し、あるいはころがり軸受自体を交換する
などの処置をとることができ、ころがり軸受の破損によ
る当該回転機械の重大な事故を未然に防止することがで
きる。

〔発明の効果〕

本発明は、Ｑ値によってころがり軸受の異常診断をする
ことに加えて、対象軸受の損傷部位別の発生振動数を計
算しこれを波形の周波数スペクトルと対比させて抽出し
て表示回路に表示するようにし、しかも分析、計算の操
作はマイクロコンピュータによる自動化を図ったので、
専門の知識や分析操作を必要とせず、初心者でも対象の
ころがり軸受の損傷の程度や損傷の部位が容易に診断で
きるようになった。

また対象軸受の近傍での測定が困難で離れた位置から検
出しなければならず、対象軸受からの振動が大巾に減衰
する場合においても１周波数成分の有無によって損傷が
発生したか否かの判別が可能である。

前記の診断結果によって必要に応じて対象軸受の交換、
グリースの補給などの点検保守が適切かつ確実に行える
から、ころがり軸受の破損による当該回転機械の重大な
事故を未然に防止することができ、当該回転機械の信頼
性、稼動率を大巾に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すブロック図、第２図は診
断の対象となるころがり軸受の断面図で（ａ）は玉軸受
の断面図、（ｂ）は円筒ころ軸受の断面図。 第３図は本発明の装置の動作を説明するための各種波形
図で第３図（５）はころがり軸受の外輪に傷のある場合
の加速度検出器で検出した原波形を示す図、第３図（Ｂ
）は第３区内の原波形の周波数スペクトルを示す図、第
３図（ｑは第３図（５）の原波形の包絡線波形を示す図
、第３図０は第３図Ｃ）の包絡線波形の周波数スペクト
ルを示す図、第４図はＱ値の判定図である。 ２・・・加速度検出器、４・・・フィルタ、６・・・包
絡線検波回路、８・・・自乗平均平方根値算出回路（Ｒ
ＭＳ値算出回路）、１０・・・尖頭値算出回路（ピーク
値算出回路）、１２・・・Ｑ値計算回路、１４・・・周
波数分析回路、１６・・・抽出回路、１８・・・表示回
路、２２・・・振動数計算回路、３０・・・ころがり軸
受。 第　１　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ころがり軸受に設置され、ころがり軸受より発生す
   る固体音を加速度信号の形で電気信号に変換し出力する
   加速度検出器と、診断に必要な周波数帯のみを前記電気
   信号成分より取り出すフィルタと、このフィルタを通過
   した波形の包絡線の波形を得る包絡線検波回路と、この
   包絡線検波回路より出力される包絡線波形の自乗平均平
   方根値を得る自乗平均平方根値算出回路と、前記包絡線
   波形の尖頭値を得る尖頭値算出回路と、前記自乗平均平
   方根値および尖頭値より、 Ｑ＝Ｖｒｍｓ×Ｖｐｅａｋ×〔ａ｜（Ｖｐｅａｋ／Ｖｒ
   ｍｓ）−５｜＋ｂ〕但しＶｒｍｓ；自乗平均平方根値 Ｖｐｅａｋ；尖頭値 ａ、ｂ；定数 を演算するＱ値計算回路と、前記包絡線検波回路より出
   力される包絡線波形の周波数スペクトルを得る周波数分
   析回路と、対象ころがり軸受の幾何学的形状ところがり
   軸受の内輪の回転数とからころがり軸受の内輪や外輪や
   転動体などの軸受部品の損傷に起因する発生振動数を計
   算する振動数計算回路と、前記計算振動数と周波数スペ
   クトルを対比させ該当振動数成分を抽出する抽出回路と
   、前記計算振動数と振動数成分と共に前記Ｑ値を表示す
   る表示回路とを備え、前記Ｑ値をころがり軸受の異常診
   断尺度に用いると共に振動数成分の有無によってころが
   り軸受の損傷部位の診断を行うことを特徴とするころが
   り軸受異常診断装置。