(57)【要約】  軸受等の機械要素の内部に発生する亀裂・磨耗等の発生状況を可及的速やかに的確に診断し得る機械要素の性能劣化・診断システムを提供する。  機械要素で発生する弾性波を表すＡＥ波形信号を生成するＡＥセンサ（１）と、前記機械要素で発生する振動を表す加速度信号を生成する振動センサ（２）と、前記ＡＥ波形信号の所定の信号処理を行うＡＥ信号処理系（６）と、前記加速度信号の信号処理を行う振動信号処理系（７）とを有するとともに、ＡＥ信号処理系（６）が、ＡＥ計測モードから振動計測モードへの切替えを行うためのパラメータとして前記ＡＥ波形信号に基づく所定の数値を生成する切替パラメータ生成部（６ａ）を備えた信号処理部（３）と、初期においてはＡＥ信号処理系（６）の処理結果を選択するとともに、計測時間の経過に伴い前記数値が増加から減少に転じた後に振動信号処理系（７）の処理結果を選択するように制御する制御手段（１０）とを有する。
2017150049.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械要素の内部で発生する状態変化を検出して、前記機械要素の性能劣化を検出・診断する機械要素の性能劣化・診断方法であって、
前記機械要素の内部で発生する弾性波を表すＡＥ波形信号の、時系列に発生する複数個を利用するＡＥ法により前記状態変化を検出するとともに、前記ＡＥ波形信号に基づく所定の数値パラメータが継時的に増加から減少に転じた後、前記機械要素の内部に発生する振動に基づく加速度信号を利用する振動法により前記状態変化を検出するよう計測モードの切替えを行うことを特徴とする機械要素の性能劣化・診断方法。
【請求項２】
前記数値パラメータは、単位時間に発生する前記ＡＥ波形信号の平均振幅に基づくことを特徴とする請求項１に記載する機械要素の性能劣化・診断方法。
【請求項３】
前記数値パラメータは、単位時間において傾斜角が基準値となる前記ＡＥ波形信号の個数であり、
前記傾斜角は、前記ＡＥ波形信号において最初に所定の閾値に達した時点と最大振幅値を与える時点との間で表される立ち上り時間を分母とし、前記最大振幅値を与える時点における前記ＡＥ波形信号の振幅である最大振幅を分子とした分数に基づくものであることを特徴とする請求項１に記載する機械要素の性能劣化・診断方法。
【請求項４】
前記機械要素の亀裂を反映する第１の基準値と、前記機械要素の磨耗を反映し、前記第１の基準値よりも小さい第２の基準値との２種類を前記基準値として利用するとともに、単位時間において前記傾斜角が前記第１の基準値となる前記ＡＥ波形信号の個数と、前記第２の基準値となる前記ＡＥ波形信号の個数とをそれぞれ検出し、前記第１の基準値となる前記ＡＥ波形信号もしくは前記第２の基準値となる前記ＡＥ波形信号のいずれか一方の前記個数を、前記計測モード切替を行う数値パラメータとして利用することを特徴とする請求項３に記載する機械要素の性能劣化・診断方法。
【請求項５】
前記機械要素の亀裂を反映する第１の基準値と、前記機械要素の磨耗を反映し、前記第１の基準値よりも小さい第２の基準値との２種類を前記基準値として利用するとともに、単位時間において前記傾斜角が前記第１の基準値となる前記ＡＥ波形信号の個数と前記第２の基準値となる前記ＡＥ波形信号の個数との合計の個数を検出し、前記合計の個数を、前記計測モードの切替を行う数値パラメータとして利用することを特徴とする請求項３に記載する機械要素の性能劣化・診断方法。
【請求項６】
前記数値パラメータは、単位時間に発生する前記ＡＥ波形信号の個数であることを特徴とする請求項１に記載する機械要素の性能劣化・診断方法。
【請求項７】
複数のＡＥセンサで、前記機械要素の複数の計測点の状態変化を計測する場合において、
基準信号発生器で基準信号を発生させ、前記各ＡＥセンサが検出した前記基準信号の振幅が同じになるように調整する感度補正量を予め検出するとともに、前記感度補正量に基づき前記各ＡＥセンサで実測したＡＥ波形信号を補正することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載する機械要素の性能劣化・診断方法。
【請求項８】
前記状態変化を計測するための最適な計測位置と前記ＡＥセンサの設置位置が離れている場合において、
前記ＡＥセンサにおける前記計測位置からの距離に対する前記ＡＥ波形信号の振幅を表す振幅特性に基づき、前記実測位置から前記計測位置に至る前記距離に対する前記ＡＥ波形信号の減衰量を求め、該減衰量に基づき、実測したＡＥ波形信号を補正することを特徴とする請求項７に記載する機械要素の性能劣化・診断方法。
【請求項９】
診断対象となる機械要素に装着して内部で発生する弾性波を表すＡＥ波形信号を生成するＡＥセンサと、
前記機械要素に装着して内部で発生する振動波に基づき加速度信号を生成する振動センサと、
前記ＡＥ波形信号を入力して所定の信号処理を行うことにより前記機械要素の内部で発生する状態変化を時系列に発生する複数個の前記ＡＥ波形信号に基づきＡＥ法により検出するＡＥ信号処理系と、前記加速度信号を入力して所定の信号処理を行うことにより前記状態変化を前記加速度信号に基づき振動法により検出する振動信号処理系とを有するとともに、前記ＡＥ信号処理系が前記ＡＥ法から前記振動法へ計測モードを切替えるための所定の数値パラメータを前記ＡＥ波形信号に基づき生成する切替パラメータ生成部を備えた信号処理部と、
初期においては前記ＡＥ信号処理系の前記ＡＥ法による処理結果を選択するとともに、前記数値パラメータが継時的に増加から減少に転じた後に前記振動法による処理結果を選択するように制御する制御手段とを有することを特徴とする機械要素の性能劣化・診断システム。
【請求項１０】
前記切替パラメータ生成部で生成する前記数値パラメータは、単位時間に発生する前記ＡＥ波形信号の平均振幅に基づくものであることを特徴とする請求項９に記載する機械要素の性能劣化・診断システム。
【請求項１１】
前記切替パラメータ生成部で生成する前記数値パラメータは、単位時間において傾斜角が基準値となる前記ＡＥ波形信号の個数であり、かつ前記傾斜角は、前記ＡＥ波形信号において最初に所定の閾値に達した時点と最大振幅値を与える時点との間で表される立ち上り時間を分母とし、前記最大振幅値を与える時点における前記ＡＥ波形信号の振幅である最大振幅を分子とした分数に基づく数値であることを特徴とする請求項９に記載する機械要素の性能劣化・診断システム。
【請求項１２】
前記基準値は、前記機械要素の亀裂を反映する第１の基準値と、前記機械要素の磨耗を反映し、前記第１の基準値よりも小さい第２の基準値との２種類であり、
前記ＡＥ信号処理系は、単位時間において前記傾斜角が前記第１の基準値となる前記ＡＥ波形信号の個数と、前記第２の基準値となる前記ＡＥ波形信号の個数とをそれぞれ検出し、前記第１の基準値となる前記ＡＥ波形信号もしくは前記第２の基準値となる前記ＡＥ波形信号のいずれか一方の前記個数を、前記計測モード切替を行う数値パラメータとして利用することを特徴とする請求項１１に記載する機械要素の性能劣化・診断システム。
【請求項１３】
前記基準値は前記機械要素の亀裂を反映する第１の基準値と、前記機械要素の磨耗を反映し、前記第１の基準値よりも小さい第２の基準値との２種類であり、
前記ＡＥ信号処理系は、単位時間において前記傾斜角が前記第１の基準値となる前記ＡＥ波形信号の個数と前記第２の基準値となる前記ＡＥ波形信号の個数との合計の個数を検出し、前記合計の個数を、前記計測モード切替を行う数値パラメータとして利用することを特徴とする請求項１１に記載する機械要素の性能劣化・診断システム。
【請求項１４】
前記数値パラメータは、単位時間に発生する前記ＡＥ波形信号の個数であることを特徴とする請求項９に記載する機械要素の性能劣化・診断システム。
【請求項１５】
前記ＡＥセンサは、前記機械要素の複数の計測点に分散して配設されており、
前記ＡＥ信号処理系は、前記ＡＥセンサの数に対応させてそれぞれ設けてあり、
前記制御手段は、基準信号発生器で発生させ、前記各ＡＥセンサで検出した基準信号の振幅が同じになるように予め検出しておいた感度補正量に基づき前記各ＡＥ信号処理系で処理される各ＡＥ波形信号の振幅を補正することを特徴とする請求項９〜請求項１４のいずれか一項に記載する機械要素の性能劣化・診断システム。
【請求項１６】
前記制御手段は、前記ＡＥセンサによる前記状態変化の最適な計測位置から実測位置に至る距離に対する前記ＡＥ波形信号の予め検出しておいた振幅特性に基づき前記距離に対する実測したＡＥ波形信号の減衰量を求め、該減衰量に基づき実測した前記ＡＥ波形信号の振幅を補正することを特徴とする請求項９〜請求項１５のいずれか一項に記載する機械要素の性能劣化・診断システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は機械要素の性能劣化・診断方法およびそのシステムに関し、例えば風力発電装置に用いる風車ナセルの軸受の性能劣化を診断する際に適用して有用なものである。
【背景技術】
【０００２】
風力発電装置の風車ナセルには大口径の軸受が用いられている。この軸受は高価であるため、予備品を確保していることはまれであり、損傷した場合には新たに作製している。この場合の納品には半年ほどを要する。したがって、高価で且つ作製に時間がかかる風車ナセルの主軸受等、大口径の軸受の劣化は特に、なるべく早期にその状態を適切に診断することが肝要となる。【０００３】
従来、風車ナセルの軸受の劣化診断は、主に振動法により行われていた。振動法とは、機械要素（例えば軸受）における計測部位の変位を歪みゲージ等のセンサで検出し、当該計測部位の加速度を検出して計測部位に作用する力に基づき劣化の程度を検出するものである（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−０４２８６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の振動法は、長年の実績があり、技術的にも利用しやすいが、初期段階の小さな劣化（亀裂、摩耗等）を的確に検出するのに難がある。ただ、一旦所定の加速度信号が検出された後は、その振幅がリニアに増加するので所望の劣化の診断を安定的且つ適格に行うことができる。【０００６】
一方、この種の劣化診断に適用される他の計測手法としてＡＥ（アコースティック・エミッション）により発生する弾性波に基づくＡＥ波形信号を利用したものが知られている。かかるＡＥ法では早い段階から劣化を確実に検出できる。しかしながら、劣化がある程度進行した後の診断においてはその検出が劣化の進行を正確に反映しない場合がある。【０００７】
そこで、風車ナセルの大口径の軸受の場合、２０年程度といわれているすべての期間において、早期に劣化の程度を的確に検出し、次の対策に資することができる劣化診断方法の出現が待望されている。【０００８】
なお、上述の如き劣化診断は、風力発電設備の風車ナセルの軸受に限らず、大型の機械の機械要素、例えば歯車等に対しても必要とされる。【０００９】
本発明は、上記従来技術の課題に鑑み、軸受等の機械要素の内部に発生する亀裂・磨耗等の発生状況を、機械寿命の全期間において可及的速やかに的確に診断し得る機械要素の性能劣化・診断方法およびそのシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成する第1の発明は、
１）機械要素の内部で発生する状態変化を検出して、前記機械要素の性能劣化を検出・診断する機械要素の性能劣化・診断方法であって、前記機械要素の内部で発生する弾性波を表すＡＥ波形信号の、時系列に発生する複数個を利用するＡＥ法により前記状態変化を検出するとともに、前記ＡＥ波形信号に基づく所定の数値パラメータが継時的に増加から減少に転じた後、前記機械要素の内部に発生する振動に基づく加速度信号を利用する振動法により前記状態変化を検出するよう計測モードの切替えを行うことを特徴とする機械要素の性能劣化・診断方法にある。【００１１】
かかる本発明によれば、初期においてはＡＥ波形信号を用いてＡＥ法により所定の劣化診断を行うことができるので、例えば軸受等の機械要素の亀裂、磨耗を早期に検出することができる。一方、ＡＥ波形信号に基づく劣化診断の精度の低下を、ＡＥ波形信号に基づく所定の数値パラメータが増加から減少に転じたことで的確に検出しているので、それ以降は加速度信号を用いる振動法により所定の劣化診断を行うことができる。この結果、劣化の進行に伴う継時的な所定の劣化診断をＡＥ法から振動法へと適切な時期に円滑に切替えて高精度に実行することができる。【００１２】
２）  本発明は、前記数値パラメータを、単位時間に発生する前記ＡＥ波形信号の平均振幅に基づくものとすることができる。この場合には、簡単な数値の処理でＡＥ法から振動法へと計測モードを簡易かつ円滑に切替えることができる。【００１３】
３）  本発明は、前記数値パラメータは、単位時間において傾斜角が基準値となる前記ＡＥ波形信号に含まれる基準値の個数であり、前記傾斜角は、前記ＡＥ波形信号において最初に所定の閾値に達した時点と最大振幅値を与える時点との間で表される立ち上り時間を分母とし、前記最大振幅値を与える時点における前記ＡＥ波形信号の振幅である最大振幅を分子とした分数に基づくものとすることができる。この場合には、単位時間当たりに発生する複数のＡＥ波形信号に含まれる特定の基準値の数を数値パラメータとして利用することができる。【００１４】
４）  本発明は、前記機械要素の亀裂を反映する第１の基準値と、前記機械要素の磨耗を反映し、前記第１の基準値よりも小さい第２の基準値との２種類を前記基準値として利用するとともに、単位時間において前記傾斜角が前記第１の基準値となる前記ＡＥ波形信号の個数と、前記第２の基準値となる前記ＡＥ波形信号の個数とをそれぞれ検出し、前記第１の基準値となる前記ＡＥ波形信号もしくは前記第２の基準値となる前記ＡＥ波形信号のいずれか一方の前記個数を、前記計測モード切替を行う数値パラメータとして利用している。この場合には、第１もしくは第２の基準値の個数を個別に検出することで、亀裂が支配的な劣化であるか、または摩耗が支配的な劣化であるかという劣化の種類まで併せて特定することができる。【００１５】
５）  本発明は、前記機械要素の亀裂を反映する第１の基準値と、前記機械要素の磨耗を反映し、前記第１の基準値よりも小さい第２の基準値との２種類を前記基準値として利用するとともに、単位時間において前記傾斜角が前記第１の基準値となる前記ＡＥ波形信号の個数と前記第２の基準値となる前記ＡＥ波形信号の個数との合計の個数を検出し、前記合計の個数を、前記計測モードの切替を行う数値パラメータとして利用する。この場合には、亀裂が支配的な劣化と、摩耗が支配的な劣化とのそれぞれを特定してそれぞれの劣化の程度を同時に検出することができる。また、計測モードの切替えタイミングに利用しえる情報が多いので、劣化を早期かつ的確に検出することができる。【００１６】
６）  本発明は、前記数値パラメータが、単位時間に発生する前記ＡＥ波形信号の個数である。この場合、計測モードの切替えタイミングに利用しえる情報が多いので、劣化を早期かつ的確に検出することができる。【００１７】
７）  本発明は、複数のＡＥセンサで、前記機械要素の複数の計測点の状態変化を計測する場合において、基準信号発生器で基準信号を発生させ、前記各ＡＥセンサが検出した前記基準信号の振幅が同じになるように調整する感度補正量を予め検出するとともに、前記感度補正量に基づき前記各ＡＥセンサで実測したＡＥ波形信号を補正することができる。この場合には、複数のＡＥセンサの感度のばらつきを補正して高精度の劣化診断に資することができる。【００１８】
８）  本発明は、前記状態変化を計測するための最適な計測位置と前記ＡＥセンサの設置位置が離れている場合において、前記ＡＥセンサにおける前記計測位置からの距離に対する前記ＡＥ波形信号の振幅を表す振幅特性に基づき、前記実測位置から前記計測位置に至る前記距離に対する前記ＡＥ波形信号の減衰量を求め、該減衰量に基づき、実測したＡＥ波形信号を補正することができる。この場合には、障害物の存在等の制約により、最適な計測位置とＡＥ波形信号を実測するＡＥセンサの設置位置が離れている場合でもＡＥセンサを最適な計測位置に移動したのと等価な状態とすることができるので、高精度の計測を実現できる。【００１９】
第２の発明は、
９）診断対象となる機械要素に装着して内部で発生する弾性波を表すＡＥ波形信号を生成するＡＥセンサと、前記機械要素に装着して内部で発生する振動波に基づき加速度信号を生成する振動センサと、前記ＡＥ波形信号を入力して所定の信号処理を行うことにより前記機械要素の内部で発生する状態変化を時系列に発生する複数個の前記ＡＥ波形信号に基づきＡＥ法により検出するＡＥ信号処理系と、前記加速度信号を入力して所定の信号処理を行うことにより前記状態変化を前記加速度信号に基づき振動法により検出する振動信号処理系とを有するとともに、前記ＡＥ信号処理系が前記ＡＥ法から前記振動法へ計測モードを切替えるための所定の数値パラメータを前記ＡＥ波形信号に基づき生成する切替パラメータ生成部を備えた信号処理部と、初期においては前記ＡＥ信号処理系の前記ＡＥ法による処理結果を選択するとともに、前記数値パラメータが継時的に増加から減少に転じた後に前記振動法による処理結果を選択するように制御する制御手段とを有することを特徴とする機械要素の性能劣化・診断システムにある。【００２０】
かかる本発明によれば、初期においてはＡＥセンサが出力するＡＥ波形信号を用いてＡＥ法により所定の劣化診断を行う。この結果、例えば軸受等の機械要素の亀裂、磨耗を早期に検出することができる。一方、ＡＥ波形信号に基づく劣化診断の精度の低下を、切替パラメータ生成部でＡＥ波形信号に基づく所定の数値パラメータが増加から減少に転じたことを検出した場合には、その後に計測モードを切替え、切替後は、劣化の後期における診断精度が良好な振動センサを用いた振動法で所定の劣化診断を行う。この結果、劣化の進行に伴う継時的な所定の劣化診断をＡＥ法から振動法へと適切な時期に円滑に切替えて適切に実行することで高精度の劣化診断の結果を得ることができる。【００２１】
１０)  本発明は、前記切替パラメータ生成部で生成する前記数値パラメータは、単位時間に発生する前記ＡＥ波形信号の平均振幅に基づくものとした。この場合には、簡単な数値の処理でＡＥ法から振動法へと計測モードを簡易かつ円滑に切替えることができる。【００２２】
１１）  本発明は、前記切替パラメータ生成部で生成する前記数値パラメータは、単位時間において傾斜角が基準値となる前記ＡＥ波形信号の個数であり、かつ前記傾斜角は、前記ＡＥ波形信号において最初に所定の閾値に達した時点と最大振幅値を与える時点との間で表される立ち上り時間を分母とし、前記最大振幅値を与える時点における前記ＡＥ波形信号の振幅である最大振幅を分子とした分数に基づく数値とした。この場合には、ＡＥ波形信号の最大振幅値に基づく数値パラメータを利用する場合よりも、より早期に劣化を検出することができる。【００２３】
１２）  本発明は、前記基準値は前記機械要素の亀裂を反映する第１の基準値、又は、前記機械要素の磨耗を反映し、前記第１の基準値よりも小さい第２の基準値との２種類であり、前記ＡＥ信号処理系は、単位時間において前記傾斜角が前記第１の基準値となる前記ＡＥ波形信号の個数と、前記第２の基準値となる前記ＡＥ波形信号の個数とをそれぞれ検出し、前記第１の基準値となる前記ＡＥ波形信号もしくは前記第２の基準値となる前記ＡＥ波形信号のいずれか一方の前記個数を、前記計測モード切替を行う数値パラメータとして利用している。この場合には、第１もしくは第２の基準値の個数を個別に検出することで、亀裂が支配的な劣化であるか、または摩耗が支配的な劣化であるかという劣化の種類までを併せて特定することができる。【００２４】
１３）  本発明は、前記基準値は、前記機械要素の亀裂を反映する第１の基準値と、前記機械要素の磨耗を反映し、前記第１の基準値よりも小さい第２の基準値との２種類であり、前記ＡＥ信号処理系は、単位時間において前記傾斜角が前記第１の基準値となる前記ＡＥ波形信号の個数と前記第２の基準値となる前記ＡＥ波形信号の個数との合計の個数を検出し、前記合計の個数を、前記計測モード切替を行う数値パラメータとして利用する。この場合には、亀裂が支配的な劣化と、摩耗が支配的な劣化とをそれぞれを特定してそれぞれの劣化の程度を同時に検出することができる。さらに、計測モードの切替えタイミングをより的確に検出することができる。【００２５】
１４）  本発明は、前記数値パラメータは、単位時間に発生する前記ＡＥ波形信号の個数である。この場合、この場合、計測モードの切替えタイミングに利用しえる情報が多いので、劣化を早期かつ的確に検出することができる。【００２６】
１５）  本発明は、前記ＡＥセンサは、前記機械要素の複数の計測点に分散して配設されており、前記ＡＥ信号処理系は、前記ＡＥセンサの数に対応させてそれぞれ設けてあり、前記制御手段は、基準信号発生器で発生させ、前記各ＡＥセンサで検出した基準信号の振幅が同じになるように予め検出しておいた感度補正量に基づき前記各ＡＥ信号処理系で処理される各ＡＥ波形信号の振幅を補正している。この場合には、複数のＡＥセンサの感度のばらつきを補正して高精度の劣化診断に資することができる。【００２７】
１６）  本発明は、前記制御手段は、前記ＡＥセンサによる前記状態変化の最適な計測位置から実測位置に至る距離に対する前記ＡＥ波形信号の予め検出しておいた振幅特性に基づき前記距離に対する実測したＡＥ波形信号の減衰量を求め、該減衰量に基づき実測した前記ＡＥ波形信号の振幅を補正している。この場合には、障害物の存在等の制約により、計測位置と前記ＡＥ波形信号を検出するＡＥセンサの設置位置が離れている場合でもＡＥセンサを計測位置に移動して正規の計測位置で計測した場合と等価な状態とすることができるので、高精度の計測を実現できる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、ＡＥ波形信号に基づく所定の数値を計測モードの切替えパラメータとして用いているので、初期段階における劣化を迅速かつ的確に検出し得るＡＥ波形信号に基づく劣化診断から、損傷に至る後期段階における劣化を的確に検出し得る振動法に基づく劣化診断に、適切かつ円滑に移行させることができる。この結果、例えば風力発電設備における風車の軸受等、予備軸受の準備に長期間を要し、また故障に伴う風車の停止、修理等に多額の費用が発生する場合において、予備部品の準備期間や故障に伴う損害を可及的に低減し得る適切な時期に、より適切な診断結果を提供し得る。また、計測モードの切替えに使用する数値パラメータを工夫することで磨耗と亀裂の峻別等、当該診断のより良好な質的向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る機械要素の性能劣化・診断システムのブロック図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態における処理手順を示すフローチャートである。
【図３】図３Ａ及び図３Ｂは、ＡＥセンサと振動センサにより劣化を検出した場合のＡＥ波形信号および加速度信号に基づく数値パラメータの特性を示す図で、図３Ａが短期で劣化した場合の特性図、図３Ｂが寿命期間（例えば２０年）の全期間における特性図である。
【図４】図４Ａ及び図４Ｂは、ＡＥ法の原理を説明する図で、図４ＡはＡＥ波形信号の波形図、図４Ｂはそのヒットを概念的に示す模式図である。
【図５】図５Ａ〜図５Ｃは、ＡＥ波形信号の振幅を利用した劣化診断実験の結果を示す図で、図５Ａは単位時間に発生する複数のＡＥ波形信号の平均振幅（ｄＢ）を継時的に示す特性図、図５Ｂはこの際、単位時間当たりに発生するＡＥ波形信号の態様を示す模式図、図５Ｃは振幅を横軸に採り、単位時間に発生するＡＥ波形信号の個数を縦軸に採った特性図である。
【図６】図６Ａ及び図６Ｂは、上記本実施形態における数値パラメータの一例の基礎となる基準値を説明するための特定のＡＥ振動波形の図で、図６Ａが磨耗による劣化を検出する場合の波形図、図６Ｂが亀裂による劣化検出する場合の波形図である。
【図７】図７は、ＡＥ波形信号の傾斜角を利用した劣化診断実験の結果を示す特性図である。
【図８】図８は、診断対象としての軸受の多点にＡＥセンサを配設した場合の軸受の横断面図である。
【図９】図９は、複数（４個）のＡＥセンサの感度を揃える際の態様を示す模式図である。
【図１０】図１０は、ＡＥセンサの感度とＡＥセンサの設置位置との関係を示す特性図である。
【図１１】図１１Ａ及び図１１Ｂは、ＡＥセンサの設置位置と計測位置が離れている場合の感度補正の態様を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
なお、以下に示す各実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。以下の実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができるとともに、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。
【００３１】
＜性能劣化・診断システム＞
図１は本発明の実施形態に係る機械要素の性能劣化・診断システムのブロック図である。図１に示すように、ＡＥセンサ１は、診断対象となる機械要素の劣化（亀裂、摩耗等、以下同じ）に起因して前記機械要素の内部で発生する弾性波を検出し、これを表すＡＥ波形信号を生成する。この種のＡＥ波形信号を利用する劣化診断法をＡＥ法という。振動センサ２は、前記劣化に起因して前記機械要素の内部で発生する振動波を検出し、これを表す加速度信号を生成する。この種の加速度信号を利用する劣化診断法を振動法という。ここで、機械要素としては、例えば風力発電設備の風車の主軸をナセルに回転可能に支持するための大口径（例えば、Φ＝２ｍ程度）の軸受を好適例として挙げることができる。他にも機械要素であれば基本的に本実施形態の診断対象となるが、特に予算等の関係で予備部品を用意しない場合や、製作に長期間を要する場合に、より顕著な効果を発揮し得る。
【００３２】
信号処理部３は、アンプ４を介して入力するＡＥ波形信号の所定の処理を行ってＡＥ法を実施するＡＥ信号処理系６と、アンプ５を介して入力する加速度信号の所定の処理を行って振動法の診断を実施する振動信号処理系７とを有している。ここで、ＡＥ信号処理系６はＡＥ波形信号を分析して診断対象の継時的な劣化の程度を検出し、その程度を表す診断結果を送出する。また、ＡＥ信号処理系６は切替パラメータ生成部６ａを有している。切替パラメータ生成部６ａは、ＡＥ波形信号に基づく所定の数値を、ＡＥ法から振動法への計測モード切替の数値パラメータとして生成する。この場合の数値パラメータは、ＡＥ波形信号に基づくものであれば良いので、ＡＥ波形信号の最大振幅値等、種々考えられる。「数値パラメータ」の具体例に関しては後に詳述する。振動信号処理系７は、加速度信号を分析して診断対象の継時的な劣化の程度を検出し、その程度を表す診断結果を送出する。
【００３３】
制御部１０は、初期においてはＡＥ信号処理系６で処理した診断結果が選択され、診断対象が寿命に近づく後半においては振動信号処理系７で処理した診断結果が選択されるように処理結果選択部８の選択機能を制御する。さらに詳言すると、制御部１０には切替パラメータ生成部６ａで生成された所定の数値パラメータに関する情報が入力されている。そこで、制御部１０では、診断処理の初期においてはＡＥ信号処理系６の処理結果を選択するとともに、時間の経過に伴い切替時期を表す数値パラメータが増加から減少に転じた後に振動信号処理系７の処理結果を選択するように処理結果選択部８を制御する。
【００３４】
判定部９は、処理結果選択部８を介して入力されたＡＥ信号処理系６または振動信号処理系７における診断結果に基づき劣化を表す数値が所定の損傷閾値を超えているか否かを判定し、超えている場合には、このことを告知するためのアラームを送出する。
【００３５】
＜性能劣化・診断手順＞
図２は上記性能劣化・診断システムにおける継時的な各処理を示すフローチャートである。図２に基づき図１に示す性能劣化・診断システムにおける信号処理の手順を説明する。計測開始後、まずＡＥ波形信号を計測するとともに所定の数値パラメータＳ１を生成する（ステップＳＴ１参照）。次に、ステップＳＴ１における所定の処理から所定時間（例えば1時間）経過後（ステップＳＴ２参照）、ＡＥ波形信号を再計測するとともに所定の数値パラメータＳ２を生成する（ステップＳＴ３参照）。その後、ステップＳＴ３で検出した数値パラメータＳ２からステップＳＴ１で検出した数値パラメータＳ１を減算する（ステップＳＴ４参照）。ステップＳＴ４での減算結果が正または等しい（負ではない）場合は、所定の数値パラメータが増加又は一定していると判断し、数値パラメ−タが所定の損傷閾値Ｔｈ１を超えているか否かを判定する（ステップＳＴ５参照）。ステップＳＴ５における判定の結果、数値パラメータがＡＥ法において予め設定しておいた損傷閾値Ｔｈ１以下の場合には、ステップＳＴ１〜ステップＳＴ５の処理を一定周期で繰り返す。一方、ステップＳＴ５における判定の結果、数値パラメータが損傷閾値Ｔｈ１を超えた場合には、劣化の進行が許容程度の損傷を超えていると判断し、このことを表すアラームを送出する。
【００３６】
ステップＳＴ４の判定結果で（Ｓ２−Ｓ１）＜０となった場合には、所定の数値パラメータが増加から減少に転じた、すなわち、変曲点を過ぎたと判断してその後、計測モードを切替える。かかる計測モードの切替えにより、加速度信号を利用する振動法による劣化診断に移行する。具体的には、まず加速度信号の計測を行い（ステップＳＴ６参照）、続いて加速度信号に基づく劣化判定を行う（ステップＳＴ７参照）。すなわち、例えば加速度信号のレベルと、振動法において予め設定しておいた損傷閾値Ｔｈ２とを比較する。この結果、加速度信号のレベルが損傷閾値Ｔｈ２以下の場合には、ステップＳＴ６およびステップＳＴ７の処理を一定周期で繰り返す。一方、ステップＳＴ７における判定の結果、レベルが損傷閾値Ｔｈ２を超えた場合には、劣化の進行が許容程度の損傷を超えていると判断し、このことを表すアラームを送出する。
【００３７】
このように本実施形態によれば、劣化診断の初期にはＡＥ法により劣化診断を行い、所定の数値パラメータが増加から減少に転じた後、すなわちＡＥ波形信号に基づく劣化診断の精度の低下が検出された後では、振動法による劣化診断に計測モードを切替えているので、劣化の進行に伴う継時的な劣化診断を計測対象である機械要素の全寿命期間において適格かつ高精度に実施し得る。
【００３８】
さらに詳言すると、図３Ａ及び図３ＢはＡＥセンサと振動センサにより劣化を検出した場合のＡＥ波形信号および加速度信号に基づく数値パラメータの特性を示す図で、図３Ａが短期で劣化した場合の特性図、図３Ｂが寿命期間（例えば２０年）の全期間における特性図である。図３Ａに実線で示すＡＥ法によるＡＥ波形信号に基づく数値パラメータ（例えば、ＡＥ波形信号の振幅）は、初期の期間からリニアに増加して、図の例では４年程度で所定の損傷閾値Ｔｈ１に達している。これに対し、図３Ａに一点鎖線で示す振動法による加速度信号に基づく数値パラメータ（例えば、加速度信号の振幅）は、初期の期間における立ち上りが極めて緩やかであり、図の場合では、５年程度の時間が経過した時点で、損傷閾値Ｔｈ２に達している。すなわち、図３Ａに示す場合は、ＡＥ法の場合が振動法の場合よりも１年程度、早期に部品の交換等が必要な損傷を検出することができる。この結果、ＡＥ波形信号に基づけば、早期に損傷を検出して交換部品の作製に所定の時間を要する場合であっても、損傷した機械部品（例えば軸受）の作製・交換等、充分な時間的余裕をもって適切な対策を講じることができる。一方、振動法の場合は急激に数値パラメータが増大するため、部品の交換にしても部品の準備が間に合わず、適切なメンテナンスが困難になる場合がある。例えば軸受の場合、潤滑状態が悪いと本来の設計寿命より早い時期に急激に悪化する場合があるが、この場合には振動法では対応できずＡＥ法が好適である。
【００３９】
一方、図３Ｂに実線で示す、ＡＥ法におけるＡＥ波形信号に基づく数値パラメータは、ある程度劣化が進行した後には減少し、劣化の進行を正確には反映しなくなる場合が生起される。これはＡＥの発生原理に起因する。すなわち、ＡＥ法では、計測対象の材料の内部の欠陥（例えば非金属介在物）によって、例えば亀裂が発生した際に生じる弾性波が計測対象の内部を伝搬し、伝搬した状態をＡＥ波形信号により検出している。しかしながら、計測の初期に比べ計測対象の寿命期間の中期、後期ではＡＥ波形信号が弱まり、その検出感度が低下する場合があるからである。このため、計測期間が診断対象の全寿命期間等、長期（例えば、２０年）に亘る場合には、ＡＥ法では検出精度が劣化する。図３Ｂに実線で示す数値パラメータの低下特性はこのことを示している。
【００４０】
そこで、所定の数値パラメータが増加から減少に転じることでＡＥ波形信号による計測精度の劣化が検出された後には、その数値パラメータを図３Ｂ中に一点鎖線で示す振動法における加速度信号に基づく数値パラメータを利用して計測を行う。例えば軸受の場合、潤滑状態が良好な場合には振動法による加速度信号に基づく数値パラメータは設計寿命に近い劣化カーブの特性となる。この場合、ＡＥ波形信号に基づく数値パラメータは損傷開始から中期までの振動があまり大きくない段階での劣化進行の確認データとして有効に利用することができる。
【００４１】
＜数値パラメータ＞
ここで、ＡＥ法で用いる数値パラメータに関して説明しておく。図４ＡはＡＥ法で用いるＡＥ波形信号の波形を示す波形図である。ＡＥ法では、図４Ｂに示すように、通常、ＡＥ波形信号Ｓを包絡線検波して生成される一つの塊をヒットＨと定義し、そのヒットの個数や最大振幅値Ａｍａｘ、カウント数（図４Ａにおける閾値ＴｈとＡＥ波形信号Ｓとの交点Ｐの数）あるいはヒットＨの面積（図４Ｂにおける網点部分の面積）で表されるエネルギー等を利用して計測対象の状態の解析・評価を実施する。したがって、従来から利用されている上述の如き評価のための数値であれば、基本的に本実施形態における数値パラメータとして利用し得る。ここでは、１）ＡＥ波形信号Ｓの振幅に基づく数値パラメータ、および新たな知見に基づき採用した、２）傾斜角θ（後に詳述する）に基づく数値パラメータに関して説明する。なお、図４Ａに示すように、ＡＥ波形信号Ｓの閾値Ｔｈは、背景雑音ＮとＡＥ波形信号Ｓの信号成分とを区別するために背景雑音Ｎを超えるレベルに設定してある。また、図中のＴは、ＡＥ波形信号Ｓの最初の交点Ｐ１から最大振幅値Ａｍａｘになるまでの時間である立ち上がり時間、ＤＴは、一つのＡＥ波形信号Ｓ中で最初の交点Ｐ１から最後の交点Ｐｎに至るまでの時間である持続時間を示している。
【００４２】
１）最大振幅値Ａｍａｘに基づく数値パラメータ
これは継時的に発生する複数のＡＥ波形信号Ｓのそれぞれの振幅に基づき生成する数値パラメータで、最大振幅Ａｍａｘ自体を数値パラメータとして利用することもできるが、単位時間に発生する複数のＡＥ波形信号Ｓの平均振幅（ｄＢ）、すなわち各ＡＥ波形信号Ｓの最大振幅値の平均値（ｄＢ）を数値パラメータとすることもできる。
【００４３】
図５Ａ〜図５Ｃは、計測対象となる軸受に亀裂を発生させて実際に運転し、ＡＥ法により継時的な劣化の進行状況を調べた実測データを示す特性図である。図５Ａに示す棒グラフは、単位時間に発生する複数のＡＥ波形信号Ｓの平均振幅（ｄＢ）を示すものである。さらに詳言すると、図５Ｂに示すように、この場合には継時的に多数のＡＥ波形信号Ｓが発生するが、ここでＡＥ波形信号の振幅を数値パラメータとして利用すべく、単位時間Ｔｒに発生するＡＥ波形信号Ｓの平均振幅Ａｖを検出している。図５Ａの特性は、例えば１時間後の単位時間Ｔｒに発生するＡＥ波形信号Ｓの平均振幅Ａｖが５０ｄＢ程度であったものが、５時間後には平均振幅Ａｖが８０ｄＢ程度に変化していることを示している。これは、図５Ｃに示すように、振幅を横軸に採り、単位時間Ｔｒに発生するＡＥ波形信号の個数を縦軸に採った特性図においては、１時間後は図中にＮ１で示す正規分布特性となるのに対し、５時間後にはＮ２で示す正規分布特性となることを意味している。すなわち、１時間後には振幅５０ｄＢのＡＥ波形信号Ｓの数が最大、すなわち平均振幅Ａｖが５０ｄＢであったのに対し、５時間後には振幅８０ｄＢのＡＥ波形信号の数が最大、すなわち平均振幅Ａｖが８０ｄＢとなる。
【００４４】
図５Ａを参照すれば、開始から４時間を経過するまではさほど顕著な変化は見られないが４時間を過ぎたころから前記平均振幅Ａｖの値が顕著に増加し、劣化の進行を反映しだしていることが分かる。なお、図５Ａ〜図５Ｃに示す場合は、計測対象である軸受が短時間で損傷に至る状況を実証したものであるが、本実験の場合の数値パラメータの変化の態様は、実機の機械要素（例えば、風車の主軸軸受）の経時的な損傷の進行状況を反映していると考えることができる。また、図５Ａ〜図５Ｃに示す実験は、計測対象検査対象である軸受が短時間で損傷に至る図３Ａに示す損傷と同類の損傷である。したがって、時間の経過に伴うこの場合の数値パラメータの変曲点は検出されていないが、運転時間を伸ばせば図３Ｂと同様の変曲点が現れる。
【００４５】
このように、ＡＥ波形信号Ｓの振幅については、その最大振幅Ａｍａｘの値のみならず、単位時間当たりの平均振幅Ａｖで数値パラメータを生成することができる。そして、この数値パラメータは、ＡＥ法から振動法に計測モードを切替える際の数値パラメータとして利用することができる。
【００４６】
２）傾斜角θに基づく数値パラメータ
図６Ａは摩耗が支配的な劣化の場合に発生する特定のＡＥ波形信号の波形図、図６Ｂは亀裂が支配的な劣化の場合に発生する特定のＡＥ波形信号の波形図である。図６Ａ及び図６Ｂに示すように、ＡＥ波形信号ＳＷ，ＳＣにおいて、最初に所定の閾値Ｔｈに達した時点Ｐ１１，Ｐ１２と最大振幅Ａ１ｍａｘ，Ａ２ｍａｘを与える時点Ｐ２１，Ｐ２２との間で表される立ち上り時間Ｔ１，Ｔ２を分母とし、時点Ｐ２１，Ｐ２２におけるＡＥ波形信号の振幅である最大振幅Ａ１ｍａｘ，Ａ２ｍａｘを分子とした分数により基準値を定義し、単位時間において傾斜角（ｄＢ／ｓｅｃ；以下同じ）が基準値となるＡＥ波形信号の個数を数値パラメータとすることができる。軸受等の劣化の進行に伴い単位時間当たりの平均振幅Ａｖは基本的には増加するとともに、計測期間が長くなると変曲点を通過して減少するからである。
【００４７】
ここで、前記基準値は、立ち上り時間Ｔ１，Ｔ２を底辺、最大振幅Ａ１ｍａｘ，Ａ２ｍａｘを高さとする直角三角形の底辺と斜辺がなす角度（ｄＢ／ｓｅｃ；以下同じ）と等価なパラメータである。そこで、前記基準値を基準傾斜角θ（ｄＢ／ｓｅｃ；以下同じ）と呼称し、基準傾斜角θを数値パラメータの生成に利用する方法を傾斜法と呼称する。
【００４８】
上述の如く基準傾斜角θに注目した場合、基準傾斜角θの値に基づいて摩耗または亀裂という劣化の種類を特定し得るものであることも分かった。ここで、摩耗を表す基準傾斜角θの値を第２基準傾斜角（第２の基準値）θ２、亀裂を表す基準傾斜角θの値を第１基準傾斜角（第１の基準値）θ１とすると、摩耗が支配的な劣化の検出に利用する場合の第２基準傾斜角θ２としては、例えば０．０３（ｄＢ／ｓｅｃ）近傍の所定範囲、亀裂が支配的な劣化の検出に利用する場合の基準傾斜角θ１としては、例えば０．２（ｄＢ／ｓｅｃ）近傍の所定範囲の角度を選定することができる。かかる基準傾斜角θ１，θ２は軸受の場合には、その面圧、材料等の要素で変動する。ただ、θ２＜θ１の関係は常に成立していると考えられる。そして、計測対象として特定された機械要素に関する諸元のデータ等を利用すれば診断の際に最適な傾斜角θ１，θ２の範囲は特定されるので、別途検出した傾斜角θ１，θ２を利用すれば摩耗が支配的な劣化であるか、亀裂が支配的な劣化であるかも併せて検出することができる。
【００４９】
さらに詳言すると、ＡＥセンサ１の検出結果において、単位時間において傾斜角が基準傾斜角θ１，θ２となるＡＥ波形信号Ｓの個数を検出すれば次のような態様で数値パラメータが増加から減少に転じる変曲点を検出することができる。
【００５０】
２−１）第１基準傾斜角θ１となるＡＥ波形信号Ｓの個数と第２基準傾斜角θ２となるＡＥ波形信号Ｓの個数との合計を数値パラメータとして判断する。この場合には検出される数値パラメータが大きい数値となるので、その分早期に、かつ的確に前記変曲点を検出し得る。
ＡＥ波形信号Ｓの傾斜角は、第１基準傾斜角θ１及び第２基準傾斜角θ２の何れか一方になるので、第１基準傾斜角θ１となるＡＥ波形信号Ｓの個数と第２基準傾斜角θ２となるＡＥ波形信号Ｓの個数との合計は、単位時間において発生するＡＥ波形信号Ｓの個数と等価となる。したがって、数値パラメータとして、単位時間において発生するＡＥ波形信号Ｓの個数を使用してもよい。
【００５１】
２−２）第１基準傾斜角θ１となるＡＥ波形信号Ｓの個数と第２基準傾斜角θ２となるＡＥ波形信号Ｓの個数ととを数値パラメータとして個別に検出し、この場合の数値パラメータの何れもが変曲点を過ぎた時点、またはいずれか一方が変曲点を過ぎた時点で計測モードの切替えの判断を行う。前者の場合はより確実に変曲点を検出することができる。また、後者の場合には摩耗または亀裂による劣化の何れがより顕著であるかを勘案して利用する数値パラメータの優先順位を決定し、より的確な変曲点の検出に資することができる。
【００５２】
さらに、この場合は、摩耗および亀裂の個別の進行程度を数値データとして検出できるので、摩耗および亀裂に対する個別の対策を講じることができる。さらに詳言すると、単位時間において第２基準傾斜角θ２となるＡＥ波形信号Ｓの個数が増加した場合には摩耗が進行していると判断できるので、その原因である可能性が高い潤滑不良と考えて、潤滑油の交換やフィルタリング部分の点検等のメンテナンスを行う。また、単位時間において第１基準傾斜角θ１となるＡＥ波形信号Ｓの数が増加した場合には亀裂が進行していると判断できるので、その原因である可能性が高い疲労破壊を考えて、軸受の場合には荷重の低減や速度の低下で対処する。例えば、風車において軸受の亀裂が進行した場合には、その速度を低下させることで軸受の損傷による風車の停止という最悪の事態を未然に回避し得る。ちなみに、風車を停止させた場合には多額の賠償金の支払い義務を課される場合がある。
【００５３】
２−３）単位時間において第１基準傾斜角θ１となるＡＥ波形信号Ｓの個数および単位時間において第２基準傾斜角θ２となるＡＥ波形信号Ｓの個数のいずれか一方を数値パラメータとして利用しても良い。この場合には、摩耗または亀裂の検出に特化した検出を同時に行う場合に有効である。
【００５４】
図７は傾斜法による劣化診断の実験結果を示すグラフである。この場合の実験に用いた軸受はスラスト軸受を用い、面圧は３．０ＧＰаとして連続運転を行い、軸受を劣化させた。なお、かかる実験は第１基準傾斜角θ１を検出するものと、第２基準傾斜角θ２を検出するものとを個別に実施した。なお、本実験も、計測対象である軸受が短時間で損傷に至る状況を実証したものであるが、本実験の場合の数値パラメータの変化の態様は、実機の機械要素（例えば、風車の主軸軸受）の経時的な損傷の進行状況を反映していると考えることができる。また、図７に示す実験は、計測対象検査対象である軸受が短時間で損傷に至る図３Ａに示す損傷と同類の損傷である。したがって、時間の経過に伴うこの場合の数値パラメータの変曲点は検出されていないが、運転時間を伸ばせば図３Ｂと同様の変曲点が現れる。
【００５５】
本実験の結果、運転時間が３時間に達する前から基準傾斜角θ１，θ２に関する数値パラメータが、いずれも急激に増加した。しかも、増加の時期は、図５Ａ〜図５Ｃに示すＡＥ波形信号の振幅を利用する場合よりも早期に出現することが分かった。すなわち、図５Ａ〜図５Ｃに示す場合は、実験開始後４時間程度を経過した後に数値パラメータが急増しているのに対し、図７に示す場合は、実験開始後３時間経過する前から数値パラメータが急増している。このことは、かかる時間範囲においては、傾斜法による場合、摩耗であれ、亀裂であれＡＥ波形信号の振幅に基づく場合に較べ、２０％程度早期に劣化の進行を検出し得ることを意味する。２０％程度、早期に検出することができるという事実は、実機に置き換えて５年で損傷する場合、その１年前から損傷の時期を予測できることを意味する。そこで、かかる期間的な余裕により対策等を講じる場合に大きな効果を得ることができる。
【００５６】
なお、図７に示す場合は、短期間に検査対象である軸受が損傷に至る図３Ａに示す損傷と同類の損傷であるので、時間の経過に伴うこの場合の数値パラメータの変曲点は検出されていないが、運転時間を延ばせば図３Ｂと同様の変曲点が現れる。
【００５７】
＜ＡＥセンサを多点に設置する場合＞
ＡＥセンサ１は診断対象である機械要素の内部の摩耗や亀裂から発生する弾性波を、例えばピエゾ素子で検出して電気信号であるＡＥ波形信号に変換するものである。ところが、ピエゾ素子の個体差に起因するＡＥセンサ１の特性によって出力されるＡＥ波形信号の振幅が異なる。一方、図８に示すように、例えば軸受１１の劣化を多点（図の場合は４箇所）で計測する場合、４個のＡＥセンサ１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄを用いる。そこで、高精度の劣化診断を行うためには、ＡＥセンサ１Ａ〜１Ｄの感度を揃えておく必要がある。
【００５８】
そこで、本実施形態では、図９に示すように、各計測点に分散して配設されるＡＥセンサ１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの感度補正量を検出して、適切な感度補正を行うようになっている。なお、図９において符号１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄを付しているのはＡＥセンサ１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの出力を示す。
すなわち、基準信号発生器で発生させた基準信号（所定電圧（例えば１０Ｖ）のパルス信号）を予め各ＡＥセンサ１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄに付与し、感度を実測した後、各ＡＥセンサ１Ａ〜１Ｄの出力レベルが揃うように感度補正量を求める。その後、アンプ４のゲインを前記感度補正量に基づき調整することで各ＡＥセンサ１Ａ〜１Ｄの出力レベルを揃える。この結果、図９の左側に示すように、調整前においては、各ＡＥセンサ１Ａ〜１Ｄでレベルが異なるＡＥ波形信号のレベルを、図９の右側に示すように揃えることができる。
【００５９】
ここで、図１に示すアンプ４およびＡＥ信号処理系６は、各ＡＥセンサ１Ａ〜１Ｄに対応させてそれぞれ設けてある。また、制御部１０は、予め検出した感度補正量に関するデータを記憶しており、この感度補正量に基づき各ＡＥ信号処理系で処理される各ＡＥ波形信号の振幅を補正する。
【００６０】
＜ＡＥセンサの距離感度の補正＞
ＡＥ波形信号Ｓは材料に起因する内部減衰および劣化部位からＡＥセンサ１の設置位置に至る距離に比例する拡散減衰を生起する。かかる減衰に伴う減衰量は、いずれも周波数が高い方が大きい。本来、亀裂発生位置を直接計測するのが最適であるが、それは不可能であり、実際の計測位置に伝播されるまでに減衰したり、またはＡＥ波形信号の波形形状が変化する場合がある。かかる減衰や変化は劣化診断の精度に悪影響を及ぼす。
【００６１】
そこで、図１に示す本実施形態に係る性能劣化・診断システムでは、ＡＥセンサ１による状態変化の最適な計測位置から実測位置に至る距離に対するＡＥ波形信号Ｓの減衰量を予め検出し、この検出の結果に基づき作成した図１０に示すような距離に対する振幅特性のデータを制御部１０のメモリに記憶させてある。制御部１０は、図１１に示すように、メモリに記憶している振幅特性のデータに基づき計測位置のＡＥセンサ１に対する距離に応じてアンプ４のゲインを調整する。この結果、障害物の存在等の制約により、計測位置とＡＥ波形信号を検出するＡＥセンサ１の設置位置が離れている場合でもＡＥセンサ１を最適な計測位置に移動して正規の計測位置で計測した場合と等価な状態とすることができる。すなわち、調整前には図１１Ａに示すように低レベルのＡＥ波形信号を、図１１Ｂに示すような最適な計測位置で得られるＡＥ波形信号のレベルに補正する。この結果高精度の計測を実現できる。
【符号の説明】
【００６２】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ  ＡＥセンサ  
２  振動センサ
３  信号処理部
６  ＡＥ信号処理系
６ａ  切替パラメータ生成部
７  振動信号処理系
１０  制御部
１１  軸受
Ｓ，ＳＷ，ＳＣ  ＡＥ波形信号
θ１  第１基準傾斜角（第１の基準値）
θ２  第２基準傾斜角（第２の基準値）
Ｔｈ  閾値
【図１】
2017150049.tif 000003
【図２】
2017150049.tif 000004
【図３】
2017150049.tif 000005
【図４】
2017150049.tif 000006
【図５】
2017150049.tif 000007
【図６】
2017150049.tif 000008
【図７】
2017150049.tif 000009
【図８】
2017150049.tif 000010
【図９】
2017150049.tif 000011
【図１０】
2017150049.tif 000012
【図１１】
2017150049.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成30年10月29日(2018.10.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項８】
前記状態変化を計測するための最適な計測位置と前記ＡＥセンサの設置位置が離れている場合において、
前記ＡＥセンサにおける前記計測位置からの距離に対する前記ＡＥ波形信号の振幅を表す振幅特性に基づき、前記設置位置から前記計測位置に至る前記距離に対する前記ＡＥ波形信号の減衰量を求め、該減衰量に基づき、実測したＡＥ波形信号を補正することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載する機械要素の性能劣化・診断方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項９】
診断対象となる機械要素に装着して内部で発生する弾性波を表すＡＥ波形信号を生成するＡＥセンサと、
前記機械要素に装着して内部で発生する振動波に基づき加速度信号を生成する振動センサと、
前記ＡＥ波形信号を入力して所定の信号処理を行うことにより前記機械要素の内部で発生する状態変化を時系列に発生する複数個の前記ＡＥ波形信号に基づきＡＥ法により検出するＡＥ信号処理系と、前記加速度信号を入力して所定の信号処理を行うことにより前記状態変化を前記加速度信号に基づき振動法により検出する振動信号処理系とを有するとともに、前記ＡＥ法から前記振動法へ計測モードを切替えるための所定の数値パラメータを前記ＡＥ波形信号に基づき生成する切替パラメータ生成部を備えた信号処理部と、
初期においては前記ＡＥ信号処理系の前記ＡＥ法による処理結果を選択するとともに、前記数値パラメータが継時的に増加から減少に転じた後に前記振動法による処理結果を選択するように制御する制御手段とを有することを特徴とする機械要素の性能劣化・診断システム。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１６】
前記制御手段は、前記ＡＥセンサによる前記状態変化の最適な計測位置から前記ＡＥセンサの設置位置に至る距離に対する前記ＡＥ波形信号の予め検出しておいた振幅特性に基づき前記距離に対する実測したＡＥ波形信号の減衰量を求め、該減衰量に基づき実測した前記ＡＥ波形信号の振幅を補正することを特徴とする請求項９〜請求項１５のいずれか一項に記載する機械要素の性能劣化・診断システム。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
３）  本発明では、前記数値パラメータは、単位時間において傾斜角が基準値となる前記ＡＥ波形信号の個数であり、前記傾斜角は、ＡＥ波形信号において最初に所定の閾値に達した時点と最大振幅値を与える時点との間で表される立ち上り時間を分母とし、前記最大振幅値を与える時点における前記ＡＥ波形信号の振幅である最大振幅を分子とした分数に基づくものとすることができる。この場合には、単位時間当たりに発生する複数のＡＥ波形信号に含まれる特定の基準値の数を数値パラメータとして利用することができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
８）  本発明は、前記状態変化を計測するための最適な計測位置と前記ＡＥセンサの設置位置が離れている場合において、前記ＡＥセンサにおける前記計測位置からの距離に対する前記ＡＥ波形信号の振幅を表す振幅特性に基づき、前記設置位置から前記計測位置に至る前記距離に対する前記ＡＥ波形信号の減衰量を求め、該減衰量に基づき、実測したＡＥ波形信号を補正することができる。この場合には、障害物の存在等の制約により、最適な計測位置とＡＥ波形信号を実測するＡＥセンサの設置位置が離れている場合でもＡＥセンサを最適な計測位置に移動したのと等価な状態とすることができるので、高精度の計測を実現できる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
第２の発明は、
９）診断対象となる機械要素に装着して内部で発生する弾性波を表すＡＥ波形信号を生成するＡＥセンサと、前記機械要素に装着して内部で発生する振動波に基づき加速度信号を生成する振動センサと、前記ＡＥ波形信号を入力して所定の信号処理を行うことにより前記機械要素の内部で発生する状態変化を時系列に発生する複数個の前記ＡＥ波形信号に基づきＡＥ法により検出するＡＥ信号処理系と、前記加速度信号を入力して所定の信号処理を行うことにより前記状態変化を前記加速度信号に基づき振動法により検出する振動信号処理系とを有するとともに、前記ＡＥ法から前記振動法へ計測モードを切替えるための所定の数値パラメータを前記ＡＥ波形信号に基づき生成する切替パラメータ生成部を備えた信号処理部と、初期においては前記ＡＥ信号処理系の前記ＡＥ法による処理結果を選択するとともに、前記数値パラメータが継時的に増加から減少に転じた後に前記振動法による処理結果を選択するように制御する制御手段とを有することを特徴とする機械要素の性能劣化・診断システムにある。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
１６）  本発明では、前記制御手段は、前記ＡＥセンサによる前記状態変化の最適な計測位置から前記ＡＥセンサの設置位置に至る距離に対する前記ＡＥ波形信号の予め検出しておいた振幅特性に基づき前記距離に対する実測したＡＥ波形信号の減衰量を求め、該減衰量に基づき実測した前記ＡＥ波形信号の振幅を補正している。この場合には、障害物の存在等の制約により、計測位置と前記ＡＥ波形信号を検出するＡＥセンサの設置位置が離れている場合でもＡＥセンサを計測位置に移動して正規の計測位置で計測した場合と等価な状態とすることができるので、高精度の計測を実現できる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
＜性能劣化・診断手順＞
図２は上記性能劣化・診断システムにおける継時的な各処理を示すフローチャートである。図２に基づき図１に示す性能劣化・診断システムにおける信号処理の手順を説明する。図１に記載の機能部位６，７，８，９，１０が以下の動作を行う。計測開始後、まずＡＥ波形信号を計測するとともに所定の数値パラメータＳ１を生成する（ステップＳＴ１参照）。次に、ステップＳＴ１における所定の処理から所定時間（例えば1時間）経過後（ステップＳＴ２参照）、ＡＥ波形信号を再計測するとともに所定の数値パラメータＳ２を生成する（ステップＳＴ３参照）。その後、ステップＳＴ３で検出した数値パラメータＳ２からステップＳＴ１で検出した数値パラメータＳ１を減算する（ステップＳＴ４参照）。ステップＳＴ４での減算結果が正または等しい（負ではない）場合は、所定の数値パラメータが増加又は一定していると判断し、数値パラメ−タが所定の損傷閾値Ｔｈ１を超えているか否かを判定する（ステップＳＴ５参照）。ステップＳＴ５における判定の結果、数値パラメータがＡＥ法において予め設定しておいた損傷閾値Ｔｈ１以下の場合には、ステップＳＴ１〜ステップＳＴ５の処理を一定周期で繰り返す。一方、ステップＳＴ５における判定の結果、数値パラメータが損傷閾値Ｔｈ１を超えた場合には、劣化の進行が許容程度の損傷を超えていると判断し、このことを表すアラームを送出する。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４８】
上述の如く基準傾斜角θに注目した場合、基準傾斜角θの値に基づいて摩耗または亀裂という劣化の種類を特定し得るものであることも分かった。ここで、摩耗を表す基準傾斜角θの値を第２基準傾斜角（第２の基準値）θ１、亀裂を表す基準傾斜角θの値を第１基準傾斜角（第１の基準値）θ２とすると、摩耗が支配的な劣化の検出に利用する場合の第２基準傾斜角θ１としては、例えば０．０３（ｄＢ／ｓｅｃ）近傍の所定範囲、亀裂が支配的な劣化の検出に利用する場合の第１基準傾斜角θ２としては、例えば０．２（ｄＢ／ｓｅｃ）近傍の所定範囲の角度を選定することができる。かかる基準傾斜角θ１，θ２は軸受の場合には、その面圧、材料等の要素で変動する。ただ、θ１＜θ２の関係は常に成立していると考えられる。そして、計測対象として特定された機械要素に関する諸元のデータ等を利用すれば診断の際に最適な傾斜角θ１，θ２の範囲は特定されるので、別途検出した傾斜角を利用すれば摩耗が支配的な劣化であるか、亀裂が支配的な劣化であるかも併せて検出することができる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
２−１）第１基準傾斜角θ２となるＡＥ波形信号Ｓの個数と第２基準傾斜角θ１となるＡＥ波形信号Ｓの個数との合計を数値パラメータとして判断する。この場合には検出される数値パラメータが大きい数値となるので、その分早期に、かつ的確に前記変曲点を検出し得る。
ＡＥ波形信号Ｓの傾斜角は、第１基準傾斜角θ２及び第２基準傾斜角θ１の何れか一方になるので、第１基準傾斜角θ２となるＡＥ波形信号Ｓの個数と第２基準傾斜角θ１となるＡＥ波形信号Ｓの個数との合計は、単位時間において発生するＡＥ波形信号Ｓの個数と等価となる。したがって、数値パラメータとして、単位時間において発生するＡＥ波形信号Ｓの個数を使用してもよい。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
２−２）第１基準傾斜角θ２となるＡＥ波形信号Ｓの個数と第２基準傾斜角θ１となるＡＥ波形信号Ｓの個数とを数値パラメータとして個別に検出し、この場合の数値パラメータの何れもが変曲点を過ぎた時点、またはいずれか一方が変曲点を過ぎた時点で計測モードの切替えの判断を行う。前者の場合はより確実に変曲点を検出することができる。また、後者の場合には摩耗または亀裂による劣化の何れがより顕著であるかを勘案して利用する数値パラメータの優先順位を決定し、より的確な変曲点の検出に資することができる。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５２】
さらに、この場合は、摩耗および亀裂の個別の進行程度を数値データとして検出できるので、摩耗および亀裂に対する個別の対策を講じることができる。さらに詳言すると、単位時間において第２基準傾斜角θ１となるＡＥ波形信号Ｓの個数が増加した場合には摩耗が進行していると判断できるので、その原因である可能性が高い潤滑不良と考えて、潤滑油の交換やフィルタリング部分の点検等のメンテナンスを行う。また、単位時間において第１基準傾斜角θ２となるＡＥ波形信号Ｓの数が増加した場合には亀裂が進行していると判断できるので、その原因である可能性が高い疲労破壊を考えて、軸受の場合には荷重の低減や速度の低下で対処する。例えば、風車において軸受の亀裂が進行した場合には、その速度を低下させることで軸受の損傷による風車の停止という最悪の事態を未然に回避し得る。ちなみに、風車を停止させた場合には多額の賠償金の支払い義務を課される場合がある。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５３】
２−３）単位時間において第１基準傾斜角θ２となるＡＥ波形信号Ｓの個数および単位時間において第２基準傾斜角θ１となるＡＥ波形信号Ｓの個数のいずれか一方を数値パラメータとして利用しても良い。この場合には、摩耗または亀裂の検出に特化した検出を同時に行う場合に有効である。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５４】
図７は傾斜法による劣化診断の実験結果を示すグラフである。この場合の実験に用いた軸受はスラスト軸受を用い、面圧は３．０ＧＰаとして連続運転を行い、軸受を劣化させた。なお、かかる実験は第１基準傾斜角θ２を検出するものと、第２基準傾斜角θ１を検出するものとを個別に実施した。なお、本実験も、計測対象である軸受が短時間で損傷に至る状況を実証したものであるが、本実験の場合の数値パラメータの変化の態様は、実機の機械要素（例えば、風車の主軸軸受）の経時的な損傷の進行状況を反映していると考えることができる。また、図７に示す実験は、計測対象検査対象である軸受が短時間で損傷に至る図３Ａに示す損傷と同類の損傷である。したがって、時間の経過に伴うこの場合の数値パラメータの変曲点は検出されていないが、運転時間を伸ばせば図３Ｂと同様の変曲点が現れる。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６２】
１  ＡＥセンサ
２  振動センサ
３  信号処理部
６  ＡＥ信号処理系
６ａ  切替パラメータ生成部
７  振動信号処理系
１０  制御部
１１  軸受
Ｓ，ＳＷ，ＳＣ  ＡＥ波形信号
θ２  第１基準傾斜角（第１の基準値）
θ１  第２基準傾斜角（第２の基準値）
Ｔｈ  閾値
【国際調査報告】
2017150049.tif 000014
2017150049.tif 000015
2017150049.tif 000016
2017150049.tif 000017