(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械設備の振動を測定して異常を診断する機械設備の異常診断方法であって、
測定した振動信号を絶対値処理するステップと、
前記絶対値処理した振動信号を包絡線処理するステップと、
前記包絡線処理した振動信号の振幅平均値を除去するステップと、
前記振幅平均値を除去した振動信号の振幅パラメータを算出するステップと、
前記算出した振幅パラメータと予め設定した許容値とを比較して、算出した振幅パラメータの方が許容値より大きい場合に、機械設備に異常が発生していると診断するステップとを有することを特徴とする機械設備の異常診断方法。
【請求項２】
機械設備の振動を測定して異常を診断する機械設備の異常診断方法であって、
測定した振動信号を絶対値処理するステップと、
前記絶対値処理した振動信号の振幅平均値を除去するステップと、
前記振幅平均値を除去した振動信号の振幅パラメータを算出するステップと、
前記算出した振幅パラメータと予め設定した許容値とを比較して、算出した振幅パラメータの方が許容値より大きい場合に、機械設備に異常が発生していると診断するステップとを有することを特徴とする機械設備の異常診断方法。
【請求項３】
測定した振動信号から高周波振動信号を抽出し、その高周波振動信号について前記各ステップを実行することを特徴とする請求項１又は２に記載の機械設備の異常診断方法。
【請求項４】
前記振幅パラメータとして、絶対値平均値或いは最大値を利用することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の機械設備の異常診断方法。
【請求項５】
当該機械設備は、機械要素たる軸受であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の機械設備の異常診断方法。
【請求項６】
機械設備の振動を測定して異常を診断する機械設備の異常診断装置であって、
測定した振動信号を絶対値処理する手段と、
前記絶対値処理した振動信号を包絡線処理する手段と、
前記包絡線処理した振動信号の振幅平均値を除去する手段と、
前記振幅平均値を除去した振動信号の振幅パラメータを算出する手段と、
前記算出した振幅パラメータと予め設定した許容値とを比較して、算出した振幅パラメータの方が許容値より大きい場合に、機械設備に異常が発生していると診断する手段とを備えることを特徴とする機械設備の異常診断装置。
【請求項７】
機械設備の振動を測定して異常を診断する機械設備の異常診断装置であって、
測定した振動信号を絶対値処理する手段と、
前記絶対値処理した振動信号の振幅平均値を除去する手段と、
前記振幅平均値を除去した振動信号の振幅パラメータを算出する手段と、
前記算出した振幅パラメータと予め設定した許容値とを比較して、算出した振幅パラメータの方が許容値より大きい場合に、機械設備に異常が発生していると診断する手段とを備えることを特徴とする機械設備の異常診断装置。
【請求項８】
機械設備の振動を測定して異常を診断するためのプログラムであって、
測定した振動信号を絶対値処理する処理と、
前記絶対値処理した振動信号を包絡線処理する処理と、
前記包絡線処理した振動信号の振幅平均値を除去する処理と、
前記振幅平均値を除去した振動信号の振幅パラメータを算出する処理と、
前記算出した振幅パラメータと予め設定した許容値とを比較して、算出した振幅パラメータの方が許容値より大きい場合に、機械設備に異常が発生していると診断する処理とをコンピュータに実行させるためのプログラム。
【請求項９】
機械設備の振動を測定して異常を診断するためのプログラムであって、
測定した振動信号を絶対値処理する処理と、
前記絶対値処理した振動信号の振幅平均値を除去する処理と、
前記振幅平均値を除去した振動信号の振幅パラメータを算出する処理と、
前記算出した振幅パラメータと予め設定した許容値とを比較して、算出した振幅パラメータの方が許容値より大きい場合に、機械設備に異常が発生していると診断する処理とをコンピュータに実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械設備から発生する高周波振動を利用して、その異常程度を診断する機械設備の異常診断方法、装置及びプログラムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
機械設備において、軸受等の機械要素に傷や欠損が生じると、正常時に比較して、おおよそ１ｋＨｚ以上の高周波振動の振幅が増大することが知られている。そこで、軸受ブロック等の固有振動成分をキャリアとし、軸受損傷等に起因する振幅変調成分を抽出して、その振幅値を解析・評価することが行われている。
【０００３】
従来から、この高周波振動の振幅変化を利用して、機械設備や機械要素の異常程度を診断する方法が行われている。非特許文献１には、振動波形を絶対値処理した後の波形（絶対値処理波形）の平均値（絶対値平均値）等を用いて軸受の異常程度を診断することが開示されている。また、特許文献１には、振動値の３乗のピーク値（最大値）を用いて軸受の異常程度を診断することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−３３７４５０号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】豊田利夫著「回転機械診断の進め方」（日本プラントメンテナンス協会  １９９１年初版発行、ｐ.２３２〜ｐ.２３４及びp.２４７〜p.２４８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、前記従来の方法においては以下のような問題点があった。すなわち、非特許文献１の異常診断方法においては、高周波振動（キャリア）の絶対値処理した振動に関して、振幅オフセット（ＤＣ）＋振幅変調成分（ＡＣ）波形、すなわち振幅オフセットを含んだ波形から、そのまま絶対値平均値等の振幅パラメータを算出している。しかし、軸受損傷等の異常が発生すれば、振幅オフセットに相当する成分はあまり変化せず、振幅変調成分に相当する周期的衝撃振動の振幅のみが大きく増大する。したがって、あまり変化しない振動成分である振幅オフセットも評価に含めることで、異常診断能力の低下が懸念される。
【０００７】
また、特許文献１の軸受異常診断方法においては、平均値に比べて元々ばらつきの大きいピーク値を利用している上に、振幅値を３乗することにより、さらにばらつきが大きくなって、診断結果の安定性が保てないという欠点があった。
【０００８】
本発明は、前記従来の方法の欠点を補うためになされたものであり、機械設備の異常の程度を精度良く診断できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の機械設備の異常診断方法は、機械設備の振動を測定して異常を診断する機械設備の異常診断方法であって、測定した振動信号を絶対値処理するステップと、前記絶対値処理した振動信号を包絡線処理するステップと、前記包絡線処理した振動信号の振幅平均値を除去するステップと、前記振幅平均値を除去した振動信号の振幅パラメータを算出するステップと、前記算出した振幅パラメータと予め設定した許容値とを比較して、算出した振幅パラメータの方が許容値より大きい場合に、機械設備に異常が発生していると診断するステップとを有することを特徴とする。
本発明の機械設備の異常診断方法は、機械設備の振動を測定して異常を診断する機械設備の異常診断方法であって、測定した振動信号を絶対値処理するステップと、前記絶対値処理した振動信号の振幅平均値を除去するステップと、前記振幅平均値を除去した振動信号の振幅パラメータを算出するステップと、前記算出した振幅パラメータと予め設定した許容値とを比較して、算出した振幅パラメータの方が許容値より大きい場合に、機械設備に異常が発生していると診断するステップとを有することを特徴とする。
また、本発明の機械設備の異常診断方法の他の特徴とするところは、測定した振動信号から高周波振動信号を抽出し、その高周波振動信号について前記各ステップを実行する点にある。
また、本発明の機械設備の異常診断方法の他の特徴とするところは、前記振幅パラメータとして、絶対値平均値或いは最大値を利用する点にある。
また、本発明の機械設備の異常診断方法の他の特徴とするところは、当該機械設備は、機械要素たる軸受である点にある。
本発明の機械設備の異常診断装置は、機械設備の振動を測定して異常を診断する機械設備の異常診断装置であって、測定した振動信号を絶対値処理する手段と、前記絶対値処理した振動信号を包絡線処理する手段と、前記包絡線処理した振動信号の振幅平均値を除去する手段と、前記振幅平均値を除去した振動信号の振幅パラメータを算出する手段と、前記算出した振幅パラメータと予め設定した許容値とを比較して、算出した振幅パラメータの方が許容値より大きい場合に、機械設備に異常が発生していると診断する手段とを備えることを特徴とする。
本発明の機械設備の異常診断装置は、機械設備の振動を測定して異常を診断する機械設備の異常診断装置であって、測定した振動信号を絶対値処理する手段と、前記絶対値処理した振動信号の振幅平均値を除去する手段と、前記振幅平均値を除去した振動信号の振幅パラメータを算出する手段と、前記算出した振幅パラメータと予め設定した許容値とを比較して、算出した振幅パラメータの方が許容値より大きい場合に、機械設備に異常が発生していると診断する手段とを備えることを特徴とする。
本発明のプログラムは、機械設備の振動を測定して異常を診断するためのプログラムであって、測定した振動信号を絶対値処理する処理と、前記絶対値処理した振動信号を包絡線処理する処理と、前記包絡線処理した振動信号の振幅平均値を除去する処理と、前記振幅平均値を除去した振動信号の振幅パラメータを算出する処理と、前記算出した振幅パラメータと予め設定した許容値とを比較して、算出した振幅パラメータの方が許容値より大きい場合に、機械設備に異常が発生していると診断する処理とをコンピュータに実行させる。
本発明のプログラムは、機械設備の振動を測定して異常を診断するためのプログラムであって、測定した振動信号を絶対値処理する処理と、前記絶対値処理した振動信号の振幅平均値を除去する処理と、前記振幅平均値を除去した振動信号の振幅パラメータを算出する処理と、前記算出した振幅パラメータと予め設定した許容値とを比較して、算出した振幅パラメータの方が許容値より大きい場合に、機械設備に異常が発生していると診断する処理とをコンピュータに実行させる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、異常初期のわずかな振幅変化も認識でき、ばらつきが小さく安定性のある機械設備の異常診断が可能となる。すなわち、センサの取付部位に制約がある場合や回転数が比較的遅いこと等によって異常振動の振幅が低いとき、従来の方法による閾値判定ではノイズによって過検知することがあるが、本発明はノイズ振幅に比べて閾値を高く設定できるため、過検知を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係る機械設備の異常診断装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】第２の実施形態に係る機械設備の異常診断装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】正常軸受から検出した高周波振動波形の一例を示す図である。
【図４】図３の高周波振動の絶対値処理波形の一例を示す図である。
【図５】図４の絶対値処理波形の包絡線波形の一例を示す図である。
【図６】異常軸受から検出した高周波振動波形の一例を示す図である。
【図７】図６の高周波振動の絶対値処理波形の一例を示す図である。
【図８】図７の絶対値処理波形の包絡線波形の一例を示す図である。
【図９】本発明の方法と従来技術の方法との異常判定能力比較の一例を示す図である。
【図１０】本発明の方法と従来技術の方法との異常判定能力比較の別の例を示す図である。
【図１１】図４の絶対値処理波形のＡＣ結合波形の一例を示す図である。
【図１２】図７の絶対値処理波形のＡＣ結合波形の一例を示す図である。
【図１３】本発明の方法と従来技術の方法との異常判定能力比較の別の例を示す図である。
【図１４】本発明の方法と従来技術の方法との異常判定能力比較の別の例を示す図である。
【図１５】実施例１のポンプと振動計測部位を示す図である。
【図１６】実施例４の鋼材圧延機と振動計測部位を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明では、高周波振動信号の振幅オフセットを除去した振幅変調成分のみ（ＡＣ結合波形）を利用して、高周波振動信号の振幅に関する評価を行う。すなわち、好ましくは高域通過フィルタ又は帯域通過フィルタを通すことにより得られた高周波振動信号（通常は振動加速度信号である）に対して絶対値処理を行った高周波振動信号（全波整流波形ともいう）を作成し、さらに包絡線処理を行った後に振幅オフセットを除去する。ここで抽出する高周波振動の周波数としては１ｋＨｚ以上、好ましくは１０ｋＨｚ以上であり、対象とする機機械設備により下限の周波数が異なる。
【００１３】
このようにして得られた高周波振動信号（ＡＣ結合包絡線波形）を用いて、（１）式で表される絶対値平均値（ＡＶＥ）、（２）式で表される最大値（ＰＥＡＫ）等の振幅パラメータを算出する。ここで、（１）式及び（２）式のそれぞれにおいて、中辺はアナログデータ演算に対応し、右辺はデジタルデータ演算に対応する。ｘ(ｔ)及びｘkは振動データ、|・|はデータの絶対値、Ｔ及びＮは演算区間、ｍａｘ[・]はデータ中の最大値を表す。算出された振幅パラメータを予め設定しておいた各々の振幅パラメータ毎の許容値と比較して、算出された振幅パラメータが許容値より大きい場合に、診断対象機械設備は異常と判定する。
【００１４】
【数１】
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【００１５】
以下、図面に基づき本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る機械設備の異常診断装置の概略構成を示すブロック図である。図１を参照して、機械設備の異常診断装置及びそれによる異常診断方法を説明する。
【００１６】
入力部１には、診断対象機械設備であるポンプ等の機械設備の機械要素たる軸受部近傍で検出された振動信号が入力される。入力部１に入力された振動信号は、直流成分除去部２で直流成分が除去された後、増幅器３等で増幅される。
【００１７】
高周波振動抽出部４（帯域通過フィルタ）では、診断対象機械設備の軸受形式、振動検出位置等の仕様に応じた周波数制限が設けられており、高周波振動信号を抽出する。このとき、通過周波数の下限と上限を指定する帯域制限フィルタの代わりに、下限のみを指定する高域通過フィルタを用いても良い。また、振動信号自体の低周波成分が十分小さい場合には、高周波振動抽出部４は省略することも可能である。図３に通過周波数の下限が１０ｋＨｚで上限が４０ｋＨｚの帯域通過フィルタを通過した高周波振動波形を例示する。
【００１８】
絶対値処理部５では、高周波振動抽出部４で抽出した高周波振動信号を全波整流し、絶対値処理波形とする。図４に絶対値処理波形を例示する。包絡線処理部６（低域通過フィルタ等）では、診断対象機械設備の軸受寸法、回転数等の仕様に応じた周波数制限が設けられており、絶対値処理部５で絶対値処理した高周波振動信号を包絡線処理する。図５に周波数の上限が１ｋＨｚの低域通過フィルタを通過した包絡線処理した高周波振動波形（包絡線波形）を例示する。
【００１９】
振幅オフセット除去部７では、振幅平均値除去、低域除去フィルタ等により、包絡線処理部６で包絡線処理した高周波振動信号の振幅オフセットを除去してＡＣ結合包絡線波形を作成する。
【００２０】
振幅パラメータ算出部８では、振幅オフセット除去部７で作成したＡＣ結合包絡線波形に関して、（１）式の絶対値平均値（ＡＶＥ）や（２）式の最大値（ＰＥＡＫ）等の振幅パラメータを算出する。異常判定部１０では、振幅パラメータ算出部８で算出した振幅パラメータを、予め設定されて振幅許容値格納部９に格納された各振幅パラメータに関する許容値と比較し、算出された振幅パラメータが許容値より大きい場合、診断対象機械設備は異常と判定する。
【００２１】
なお、図３乃至図５はポンプの正常な円筒ころ軸受の軸受ブロックから検出・処理した振動加速度波形である。
【００２２】
（第２の実施形態）
図２は第２の実施形態に係る機械設備の異常診断装置の概略構成を示すブロック図である。図２を参照して、機械設備の異常診断装置及びそれによる異常診断方法を説明する。
【００２３】
入力部１Ａには、診断対象機械設備であるポンプ等の機械設備の機械要素たる軸受部近傍で検出された振動信号が入力される。入力部１Ａに入力された振動信号は、直流成分除去部２Ａで直流成分が除去された後、増幅器３Ａ等で増幅される。
【００２４】
高周波振動抽出部４Ａ（帯域通過フィルタ）では、診断対象機械設備の軸受形式、振動検出位置等の仕様に応じた周波数制限が設けられており、高周波振動信号を抽出する。このとき、通過周波数の下限と上限を指定する帯域制限フィルタの代わりに、下限のみを指定する高域通過フィルタを用いても良い。また、振動信号自体の低周波成分が十分小さい場合には、高周波振動抽出部４Ａは省略することも可能である。
【００２５】
絶対値処理部５Ａでは、高周波振動抽出部４Ａで抽出した高周波振動信号を全波整流し、絶対値処理波形とする。
【００２６】
振幅オフセット除去部６Ａでは、振幅平均値除去、低域除去フィルタ等により、絶対値処理部５Ａで生じる振幅オフセットを除去してＡＣ結合絶対値波形を作成する。
【００２７】
振幅パラメータ算出部７Ａでは、振幅オフセット除去部６Ａで作成したＡＣ結合絶対値波形に関して、（１）式の絶対値平均値（ＡＶＥ）や（２）式の最大値（ＰＥＡＫ）等の振幅パラメータを算出する。異常判定部９Ａでは、振幅パラメータ算出部７Ａで算出した振幅パラメータを、予め設定されて振幅許容値格納部８Ａに格納された各振幅パラメータに関する許容値と比較し、算出された振幅パラメータが許容値より大きい場合、診断対象機械設備は異常と判定する。
【実施例１】
【００２８】
図６乃至図８は、図３乃至図５を採取したポンプ減速機の円筒ころ軸受が損傷したときに、その軸受ブロックから検出・処理した振動加速度波形である。図１５に、実施例１のポンプと振動計測部位を示す。処理内容としては、図６は図３と同一、図７は図４と同一、図８は図５と同一である。図９は、本発明の方法により、振幅平均値を除去したＡＣ結合包絡線波形から（１）式を用いて求めた振幅パラメータの比、すなわち、本発明の方法による異常軸受と正常軸受の振動信号から算出した絶対値平均値（ＡＶＥ）の比と、従来技術の方法により、図８並びに図５の波形から求めた異常軸受と正常軸受の振動信号から算出した絶対値平均値（ＡＶＥ）の比を比較したものである。ここでは、許容値を４に設定していたため、本発明の方法では十分に異常判定が可能であるが、従来技術の方法では異常判定はできない。軸受はすぐにも交換が必要な状況であったが、従来技術の方法では交換の判定ができないのに対して、本発明の方法では確実に交換の判定ができる。このことから、本発明の方法を用いることによって、軸受損傷という異常を精度良く診断できることがわかる。
【実施例２】
【００２９】
図１０は、本発明の方法により、振幅平均値を除去したＡＣ結合包絡線波形から（２）式を用いて求めた振幅パラメータの比、すなわち、本発明の方法による異常軸受と正常軸受の振動信号から算出した最大値（ＰＥＡＫ）の比と、従来技術の方法により、図７並びに図４の波形から求めた異常軸受と正常軸受の振動信号から算出した最大値（ＰＥＡＫ）の比を比較したものである。実施例１の場合と同様、許容値を４に設定していたため、本発明の方法では十分に異常判定が可能であるが、従来技術の方法では異常判定はできない。このことから、本発明の方法を用いることによって、軸受損傷という異常を精度良く診断できることがわかる。
【実施例３】
【００３０】
図１３は、本発明の方法により、異常軸受の絶対値処理波形である図７並びに正常軸受の絶対値処理波形である図４のそれぞれについて、振幅平均値を除去して、ＡＣ結合絶対値処理波形とした後の図１２並びに図１１の波形から、（１）式を用いて求めた振幅パラメータの比、すなわち、本発明の方法による異常軸受と正常軸受の振動信号から算出した絶対値平均値（ＡＶＥ）の比と、従来技術の方法により、異常軸受と正常軸受の振動信号から算出した絶対値平均値（ＡＶＥ）の比を比較したものである。許容値を４に設定していたため、本発明の方法では異常判定が可能であるが、従来技術の方法では異常判定はできない。このことから、本発明の方法を用いることによって、軸受損傷という異常を精度良く診断できることがわかる。
【実施例４】
【００３１】
図１４は、鋼材圧延機の軸受近傍の振動をおおよそ１か月に１度ずつ測定し、本発明の方法により算出した絶対値平均値（ＡＶＥ）と、従来技術の方法により算出した絶対値平均値（ＡＶＥ）の比（相対振幅値）を、軸受使用初期の正常時の振幅値をそれぞれＡＶＥ＝１として変化傾向をグラフ化したものである。図１６に、実施例４の鋼材圧延機と振動計測部位を示す。軸受は１２月上旬に交換され、致命的なフレーキングが発生していたことが確認された。許容値を３に設定していたため、本発明の方法では９月時点で異常判定が可能であったが、従来技術の方法ではかろうじて１１月に異常判定が可能であり、軸受交換の準備が間に合わない状況であった。このことから、本発明の方法を用いることによって、軸受損傷という異常を早期に発見できることがわかる。
【００３２】
なお、本発明を適用した機械設備の異常診断装置は、具体的にはＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたコンピュータシステムにより構成することができ、ＣＰＵがプログラムを実行することによって実現される。また、本発明を適用した機械設備の異常診断装置は、一つの装置から構成されても、複数の機器から構成されてもよい。
【００３３】
また、本発明の目的は、上述したように機械設備の異常診断を行う機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体を、システム或いは装置に供給することによっても達成される。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が上述した実施形態の機能を実現することになり、プログラムコード自体及びそのプログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。プログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ等を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、機械設備の修繕やその構成要素である機械部品の交換、機械設備運転中の点検等、保全活動を円滑に推進するために有用である。
【符号の説明】
【００３５】
１、１Ａ：入力部
２、２Ａ：直流成分除去部
３、３Ａ：増幅器
４、４Ａ：高周波振動抽出部
５、５Ａ：絶対値処理部
６：包絡線処理
７、６Ａ：振幅オフセット除去部
８、７Ａ：振幅パラメータ算出部
９、８Ａ：振幅許容値格納部
１０、９Ａ：異常判定部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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