(57)【要約】【課題】１０ｒｐｍ以下の極低速回転軸受の異常を、音響信号を用いて精度が高く安価な診断方法および装置を提供する。【解決手段】１０ｒｐｍ以下の極低速回転機械のころがり軸受から発生する音響信号を集音機能をもつ検出端を用いて検出して、周波数分析によってスペクトル分布を求め、処理して得られた周波数分析波形の軸受の固有振動数以上の周波数のスペクトル平均値または実効値を基準値と比較し、このスペクトル平均値または実効値が基準値を超えたとき軸受異常と判定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
診断対象となる１０ｒｐｍ以下の極低速の回転を伴う回転機械のころがり軸受から発生する音響信号を検出してその異常診断を行う極低速回転機械のころがり軸受の異常診断方法において、
集音機能をもつ検出端を用いて被検出軸受から発生する音響を音圧として検出し、適宜増幅して得られた音響信号の周波数分析によってスペクトル分布を求め、
前記周波数分析によって得られた周波数分析波形の軸受の固有振動数以上の周波数のスペクトル平均値または実効値を求め、
前記スペクトル平均値または実効値が別途求めた基準値と比較して該基準値を超えたとき軸受異常と判定することを特徴とする極低速回転機械のころがり軸受の異常診断方法。
【請求項２】
前記音響信号を得る検出端を前記ころがり軸受に直接接触させることを特徴とする請求項１に記載の極低速回転機械のころがり軸受の異常診断方法。
【請求項３】
前記音響信号を増幅した信号を可聴的に出力し、異常判定のスクリーニングをすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の極低速回転機械のころがり軸受の異常診断方法。
【請求項４】
前記音響信号は、軸受の固有振動数以上の高周波帯域通過フィルタを通過したものであることを特徴とする請求項３に記載の極低速回転機械のころがり軸受の異常診断方法。
【請求項５】
診断対象となる１０ｒｐｍ以下の極低速の回転を伴う回転機械のころがり軸受から発生する音響信号を検出してその異常診断を行う極低速回転機械のころがり軸受の異常診断装置において、
集音機能をもつ検出端と、
前記検出端によって得た音響信号を増幅する増幅器と、
前記音響信号の周波数分布を求める周波数分析部と、
軸受の固有振動数の格納部と、
前記周波数分析に基づいてスペクトル平均値または実効値を求める演算部と、
別途求めた基準値を格納する格納部と、
前記スペクトル平均値または実効値を前記基準値と比較して異常の有無を判定する異常判定部と、を有すること特徴とする極低速回転機械のころがり軸受の異常診断装置。
【請求項６】
前記検出端が前記ころがり軸受に直接接触することによって、前記音響信号を音圧として得る機能を有することを特徴とする請求項５に記載の極低速回転機械のころがり軸受の異常診断装置。
【請求項７】
前記増幅した音響信号を、可聴的に出力する出力部を備えたことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の極低速回転機械のころがり軸受の異常診断装置。
【請求項８】
前記増幅した音響信号の、軸受の固有振動数以上の周波数域成分のみを抽出する高周波帯域通過フィルタを備えたことを特徴とする請求項７に記載の極低速回転機械のころがり軸受の異常診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１０ｒｐｍ以下の極低速回転機械のころがり軸受の異常を、音響を利用して診断する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転機械の異常診断には診断精度に優れていることから軸受の振動検出信号により判定すること（以下、「振動診断」という）が一般に用いられている。本方法は回転数に比例して発生する衝撃振動を測定するもので、衝撃振動の発生間隔から異常部位の特定も可能である。
【０００３】
しかし、一般的に１００ｒｐｍ以下の低速回転機械の場合、軸受異常に伴って発生する振動は小さく、衝撃振動の発生間隔も長くなるので、診断は難しいとされている。特に連続鋳造機のロールのように数ｒｐｍの極低速回転設備の場合、異常に伴う信号とノイズの識別が難しく精度の高い診断は不可能であった。
【０００４】
この低速回転機械の軸受の診断精度を向上させるため、例えば下記特許文献１には、軸受が発生するＡＥ（アコースティックエミッション）信号を検出し、ＡＥ信号が基準値を超えている持続時間を算出し、この持続時間が基準値を超えたときに異常と判断することが提案されている。
【０００５】
また、下記特許文献２には加速度センサで軸受振動を検出し、その検出信号をバンドパスフィルタにかけた後エンベロープ処理を行い、得られた波形信号の所定の時間間隔における最大値と最小値との差を演算し、この差があらかじめ与えられたしきい値を超えたときに異常であると判定することにより低速回転機械の異常診断を自動的に行うことが提案されている。
【０００６】
また、下記特許文献３には加速度センサで軸受振動を検出し、その検出信号のうちローパスフィルタにより所定値以下の出力を取り出し、これに対し３以上の奇数乗する処理を行い、この波形をあらかじめ設定された基準値と比較することにより異常判定する方法が提案されている。
【特許文献１】特開平３−２４５０５４号公報
【特許文献２】特開平７−２７０２２８号公報
【特許文献３】特開平１０−１６０６３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記特許文献１に示す方法においては、ＡＥ信号のノイズと有意信号の弁別が難しいこと、亀裂進展時だけ診断できることやＡＥ信号が一般的には１００ｋＨｚを超える高周波帯域であるのでシステムが高価であることという課題があった。
【０００８】
また、前記特許文献２に示す方法では、加振力が小さい極低速回転軸受での振動信号は小さく、異常に伴う信号とノイズの識別が難しいため、精度の高い診断は不可能であった。
【０００９】
前記特許文献３に示す方法も異常に伴う信号成分を拡大させるため３以上の奇数乗する処理を行っているが、振動検出方法は前記特許文献２と同じであり、ノイズも含めて処理しているため、正確な異常診断ができるとは言いがたかった。
【００１０】
そこで本発明は連続鋳造機のような１０ｒｐｍ以下の極低速で多数のロール軸受を安価でかつ高精度の診断を可能ならしめる音響信号を利用した診断方法および装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
連続鋳造設備用軸受に多用される自動調心ころ軸受では、それ特有の差動すべりに加え、極低速・重荷重で十分な油膜が形成されないことやスケール・水の浸入で十分潤滑されないため、油膜の破れ、摩耗が進展する。その結果、フレーキングを起こし、それが進展することでクラックが発生し、割れにつながっている。
【００１２】
しかし、割れが発生しても、ころのスキューで焼付きや転走面の異常摩耗などなければ極低速のため急速な損傷の進展はない。従って、この段階で異常を検知できれば寿命限界まで使用できるため、異常検知の時期として遅くはなく、むしろ整備費コストの観点から望ましいといえる。
【００１３】
本発明の目的は軸受の転走面にクラックが発生しているものの、転動体は健全に回転している状態の極低速回転軸受の異常検知のための診断方法及び装置であり、その要旨は特許請求の範囲に記載した通りの下記の内容である。
（１）診断対象となる１０ｒｐｍ以下の極低速の回転を伴う回転機械のころがり軸受から発生する音響信号を検出してその異常診断を行う極低速回転機械のころがり軸受の異常診断方法において、
集音機能をもつ検出端を用いて被検出軸受から発生する音響を音圧として検出し、適宜増幅して得られた音響信号の周波数分析によってスペクトル分布を求め、
前記周波数分析によって得られた周波数分析波形の軸受の固有振動数以上の周波数のスペクトル平均値または実効値を求め、
前記スペクトル平均値または実効値が別途求めた基準値と比較して該基準値を超えたとき軸受異常と判定することを特徴とする極低速回転機械のころがり軸受の異常診断方法。
（２）前記音響信号を得る検出端を前記ころがり軸受に直接接触させることを特徴とする前記（１）に記載の極低速回転機械のころがり軸受の異常診断方法。
（３）前記音響信号を増幅した信号を可聴的に出力し、異常判定のスクリーニングをすることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の極低速回転機械のころがり軸受の異常診断方法。
（４）前記音響信号は、軸受の固有振動数以上の高周波帯域通過フィルタを通過したものであることを特徴とする前記（３）に記載の極低速回転機械のころがり軸受の異常診断方法。
（５）診断対象となる１０ｒｐｍ以下の極低速の回転を伴う回転機械のころがり軸受から発生する音響信号を検出してその異常診断を行う極低速回転機械のころがり軸受の異常診断装置において、
集音機能をもつ検出端と、
前記検出端によって得た音響信号を増幅する増幅器と、
前記音響信号の周波数分布を求める周波数分析部と、
軸受の固有振動数の格納部と、
前記周波数分析に基づいてスペクトル平均値または実効値を求める演算部と、
別途求めた基準値を格納する格納部と、
前記スペクトル平均値または実効値を前記基準値と比較して異常の有無を判定する異常判定部と、を有することを特徴とする極低速回転機械のころがり軸受の異常診断装置。
（６）  前記検出端が前記ころがり軸受に直接接触することによって、前記音響信号を音圧として得る機能を有することを特徴とする前記（５）に記載の極低速回転機械のころがり軸受の異常診断装置。
（７）前記増幅した音響信号を、可聴的に出力する出力部を備えたことを特徴とする（５）または（６）に記載の極低速回転機械のころがり軸受の異常診断装置。
（８）前記増幅した音響信号の、軸受の固有振動数以上の周波数域成分のみを抽出する高周波帯域通過フィルタを備えたことを特徴とする前記（７）に記載の極低速回転機械のころがり軸受の異常診断装置。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の（１）によれば、固有振動数以上の周波数スペクトルを用いて異常判定するのでノイズを判別しやすく、従来の振動による極低速回転軸受の異常診断よりも精度の高い異常診断ができる。
【００１５】
本発明の（２）によって、固体中を伝搬する音を受信するので、空中伝搬の暗騒音を遮断でき、目的に応じたＳ／Ｎ比に優れた異常診断ができる。本発明の（３）によっては軸受の異常を可聴的に確認し、異常の可能性を発見することができる。さらに（４）によっては検出端の接触共振の影響が除去されているのでスクリーニングの精度を上げることができる。
【００１６】
（５）は（１）の方法、（６）は（２）の方法、（７）は（３）の方法、（８）は（４）の方法をそれぞれ実現する装置である。
【００１７】
本発明により、損傷のあるとき、極低速回転機械の軸受の損傷の度合いやその程度を精度よく診断できることにより、安全な点検作業、設備安定化を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図に基づき説明する。図１は本発明の実施例の異常を診断する過程を示すブロック図である。
【００１９】
図１において、１は被検出軸受、２は検出端、３は音響信号を増幅する増幅器、４は周波数分析部、５は音圧演算部、６は固有振動数格納部、７は異状判定部、８は基準値格納部、９はフィルタである。図２は図１の異常判定部の他に、フィルタの後に増幅器１０と出力部１１がある。
【００２０】
なお、本発明は図１、図２の例に限られることなく、それぞれの手段を適宜他の公知の手段と代替してもよいし、また、各手段は全て必須ではなく場合によっては適宜省略することも可能である。
【００２１】
まず、本発明の（１）及び（２）に係る形態について説明する。
【００２２】
本発明の（１）及び（２）に係る形態では、まず、被検出軸受から発生する音響を、検出端２で音圧として検出する。音圧は軸受以外の音を除外するため指向性マイクを使用することが望ましい。本例では固体中を伝搬する音を受信する触診部を含む金属ケースにマイクロホンを収納した検出端を使用することで、暗騒音を遮断し集音性能を向上させるとともに、粉塵や冷却水等に対する耐久性も向上させている。
【００２３】
軸受の転走面にクラックが発生すると軸受の固有振動数よりも高周波の音が発生する。本発明者が調査した結果、１０ｒｐｍ以下の極低速の回転を伴う回転機械の大半の軸受の固有振動数は１００〜１０００Ｈｚであることがわかった。そこで検出端は１ｋＨｚから１０ｋＨｚまでの周波数応答範囲をもつマイクロホンを使用している。１０ｋＨｚまでであればほとんど検出端は比較的平坦な周波数特性が得られ高価になることがない。
【００２４】
続いて増幅器３で信号レベルの増幅を行い、周波数分析部４により音響信号の周波数分析を行う。固有振動数格納部６には検査される軸受の固有振動数が格納されている。音圧演算部５において、固有振動数格納部に格納していた固有振動数以上で任意に設定する周波数のスペクトル平均値または実効値を求める。異常判定部７においては、音圧演算部５で算出したスペクトル平均値または実効値と、基準値格納部８に格納していた判定基準値を比較し、算出した音圧の方が大きい場合に診断対象軸受を異常と判定する。軸受の転走面にクラックが生じた場合に発生する音響周波数は軸受の固有振動数よりも高周波となる。本発明者の調査結果スペクトル平均値または実効値を求める周波数は軸受の固有振動数のほぼ３倍以上とするのが妥当であるが、診断対象設備の軸受以外の構成部材の固有振動数を事前に調査し、これら固有振動数を除いた周波数帯を設定することが望ましい。なお、本発明者の調査した軸受の多くで固有振動数から５ｋＨｚの音響信号に異常周波数を検出できた。
【００２５】
（３）および（４）に係わる形態では増幅器１０を通して可聴音出力する。これによりまず可聴的に異音を確認し、異常の可能性があると認められる軸受をスクリーニングすることができる。特に（４）に係わる形態では、フィルタを通しているので異音を発見しやすい。
【実施例】
【００２６】
（実施例１）
図３と図４は０．５ｒｐｍで回転している連続鋳造機の自動調心ころ軸受の解析結果であり、マイクロホンを軸受に接触させて得られたもので、軸受の保持器が破損し、ころが噛みこんで負荷が増大した例である
図３（ａ）は正常な＃１ロールの軸受の音響スペクトルを示している。固有振動数（本例では３５０Ｈｚ）を含む低周波数域の音圧が支配的で、５００Ｈｚ以上に特徴は見られない。図３（ｂ）は損傷した＃８ロールの軸受の音響スペクトルを示している。５００Ｈｚ以下の低周波数域は正常な＃１ロールの軸受と同じであるのに対し１〜２ｋＨｚ付近にも複数のピークがみられる。
【００２７】
図４は固有振動数付近の周波数帯を除外し軸受毎の５００Ｈｚ以上の周波帯域の周波数のスペクトル実効値を示している。平均音圧では図３で分かるように低周波域の音圧が支配的なため、正常な軸受と異常な軸受の差は少ないので、固有振動数付近の周波数を除外した音圧を指標とする。＃１〜７は正常な軸受であり、このデータと、この異常を検出する前に測定された＃１〜８のデータを基に、ここでは本軸受での異常判定基準値を２Ｅ−０４Ｐａとした。今回、異常な＃８ロールの軸受の実効値は異常判定基準値を超え、正常な軸受に比べ４倍以上の値となり、容易に異常と判定できた。
【００２８】
本例では、音響の差が顕著であったのでフィルタ無しでの聴音による異常判定のスクリーニングも容易にできた。
【００２９】
また、図５はマイクロホンと振動センサをマグネットで取り付け、加振器をランダムノイズ加振させたときの応答を計測した周波数特性を示している。このグラフは相対的には振動センサが約８ｋＨｚ以上の高周波振動に対して感度が高いのに比べて、マイクロホンは５ｋＨｚ以下の周波数帯振動に対して感度が高いことを示している。このため本実施例のように１〜２ｋＨｚ付近に特徴のある場合はマイクロホンの適用が望ましいことが分かる。
【００３０】
なお、本設備では、検出端を接触させたころがり軸受と回転軸を共有する反測定側の軸受外輪損傷が大きかった場合にも異常検知ができた。このように２ｋＨｚ付近の周波音は距離減衰が小さいので、反測定側の異常信号も検出できる。本例の反測定側は、操業中安全面から接近できず日常点検が不可能な場所であったが、本方法により安全に点検を行うことができるようになった。
【００３１】
（実施例２）
図６は、３ｒｐｍで回転している連続鋳造機の自動調心ころ軸受に外輪割れが生じたときに、軸受にマイクロホンを接触して得られた解析結果を示している。
【００３２】
図６（ａ）は正常な軸受の音響スペクトルを示している。この例は聴音によるスクリーニングで異常がないであろうと診断された例でもある。固有振動数や接触共振による１ｋＨｚ以下の音圧が支配的で、１ｋＨｚ以上にピークは見られない。
図６（ｂ）は損傷した軸受の音響スペクトルを示している。３ｋＨｚ付近に鋭いピークがみられ、クラックが生じたことにより軸受のころと外輪破面との接触にともなう音響が顕著になったと判断できた。
【００３３】
本例では、実施例１と異なりフィルタ無しでの聴音によるスクリーニングで異常の明確な判断はできなかったが、異常無しとも診断できなかった。しかし、本例では１ｋＨｚ以上の高周波帯域通過フィルタを用いることで、明確に異常認識できた。
【００３４】
（実施例３）
図７も実施例２と同じ設備で、当該軸受の近傍にマイクロホンを非接触で設置して得られた音響スペクトルを示している。当該設備は、マイクロホン設置部近傍に冷却水やエアの噴出部がありノイズが大きいが、３ｋＨｚ付近にピークを確認でき、スペクトル平均値または実効値の基準値を適正に設定することにより、異常を検出できる。
【００３５】
本例では、フィルタを用いた聴音によるスクリーニングでは、ノイズの影響のため異常判定はできなかったものの、本発明によれば異常判定が可能となった。
【００３６】
（実施例４）
図８は１０ｒｐｍで回転している固有振動数が約８００Ｈｚの比較的小さな円筒ころ軸受の外輪に割れが生じたときの、当該軸受にマイクロホンを接触して得られた音響スペクトルを示している。６ｋＨｚ弱の周波数音が大きくなっていることが確認できた。
【００３７】
本実施例のように小径の軸受は固有振動数が高いので１０ｋＨｚ程度までの周波数域を診断対象に選定したが、１０ｒｐｍ以下の極低速の回転機械は大径の軸受が多いため望ましくは固有振動数から５ｋＨｚの音響信号にて診断する。
【００３８】
以上のことからわかるように、本発明の方法及び装置による異常診断法を用いることによって、１０ｒｐｍ以下の極低速回転機械の軸受の異常を安価で精度良く診断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の請求項１，２に係わる実施例の概要を示すブロック図である。
【図２】本発明の請求項３，４に係わる実施例の概要を示すブロック図である。
【図３】本発明の方法及び装置による正常軸受と異常軸受の周波数分析結果の一例を示す図である。
【図４】本発明の方法及び装置による５００Ｈｚ以上の周波数音により評価した異常軸受と正常軸受の関係を示す図である。
【図５】マイクロホンと振動センサをマグネットで取り付けた状態での周波数特性を示した図である。
【図６】本発明の方法及び装置により検出端を接触させ測定した正常軸受と異常軸受の周波数分析結果の一例を示す図である。
【図７】本発明の方法及び装置により検出端を非接触で測定した異常軸受の周波数分析結果の一例を示す図である。
【図８】固有振動数が約８００Ｈｚの比較的小さな円筒ころ軸受の外輪に割れが生じたときの、当該軸受にマイクロホンを接触して得られた音響スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  被検出軸受
２  検出端
３  増幅器
４  周波数分析部
５  音圧演算部
６  固有振動数格納部
７  異常判定部
８  基準値格納部
９  フィルタ
１０  増幅器
１１  出力部
【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】
2008268187.tif 000009
【図８】
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