(57)【要約】【課題】誤診断を防止するとともに、より精度の高い異常診断を行うことが可能な異常診断装置を提供する。【解決手段】回転体の異常を診断する異常診断装置であって、前記回転体から発生する波動を検出する波動検出手段と、前記回転体の回転数を検出する回転検出手段と、前記回転数を基に、前記波動が含む特定周波数の強度を検出する周波数解析手段と、前記特定周波数の前記強度を基に、前記回転体の異常診断を行う異常診断手段と、を備えたことを特徴とする異常診断装置。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体の異常を診断する異常診断装置であって、
前記回転体から発生する波動を検出する波動検出手段と、
前記回転体の回転数を検出する回転検出手段と、
前記波動が含む周波数の強度を検出する周波数解析手段と、
前記回転数及び前記周波数の前記強度を基に、前記回転体の異常診断を行う異常診断手段と、
を備えたことを特徴とする異常診断装置。
【請求項２】
前記回転体の温度を測定する温度検出手段をさらに備え、
前記異常診断手段は、前記温度を基に、前記回転体の異常診断を行うことを特徴とする請求項１記載の異常診断装置。
【請求項３】
前記波動は、前記回転体から発生する音、振動又はＡＥであることを特徴とする請求項１又は２記載の異常診断装置。
【請求項４】
前記波動検出手段と前記回転手段は、一体形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか記載の異常診断装置。
【請求項５】
回転体の異常を診断する異常診断方法であって、
前記回転体から発生する波動を検出する波動検出ステップと、
前記回転体の回転数を検出する回転検出ステップと、
前記波動が含む周波数の強度を検出する周波数解析ステップと、
前記回転数及び前記周波数の前記強度を基に、前記回転体の異常診断を行う異常診断ステップと、
を備えたことを特徴とする異常診断装置。
【請求項６】
前記回転体の温度を測定する温度検出ステップと、
前記温度を基に、前記回転体の異常診断を行うステップと、
をさらに備えたことを特徴とする請求項５記載の異常診断装置。
【請求項７】
前記波動は、前記機械設備から発生する音、振動又はＡＥであることを特徴とする請求項６又は７記載の異常診断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転体の異常診断装置及び方法に係り、特に、減速機、電動機及び鉄道車両用車軸などに用いられる複数の回転部品の異常を診断する装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転体の異常診断装置は、減速機、電動機、鉄道車両用の車軸等の回転体から発生する音や振動を解析し、回転体の異常を診断する装置である。異常診断においては、音や振動等の波動情報をマイクロホンや振動センサ等の検出器で検出し、増幅器を用いて検出信号を増幅する。増幅された検出信号は、Ａ／Ｄ変換器によってデジタル信号に変換され、診断用ソフトウェアを備えた診断用ＰＣに出力される。診断用ソフトウェアは、診断用ＰＣ上で周波数分析、比較分析等の各種分析を行う。ユーザは、モニタ上に表示された診断結果を基に、異常の有無を判断し、異常が発生した場合には、回転体を停止する等の対処を行う。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記異常診断装置は、回転体に起因する周波数成分を基準に異常判定を行うため、回転情報が不正確である場合、誤診断を行ってしまう恐れがある。
【０００４】
また、回転体の温度を測定し、測定温度の異常上昇時に回転体に焼き付き等の異常が発生したと判断する異常診断装置もある。しかし、温度による異常診断では、回転体の傷や剥離などの異常を検出することは困難であり、異常診断装置としての効果が少ない。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、誤診断を防止するとともに、より精度の高い異常診断を行う異常診断装置及び方法を提供することを目的とする。
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１記載の回転体の異常を診断する異常診断装置は、前記回転体から発生する波動を検出する波動検出手段と、前記回転体の回転数を検出する回転検出手段と、前記波動が含む周波数の強度を検出する周波数解析手段と、前記回転数及び前記周波数の前記強度を基に、前記回転体の異常診断を行う異常診断手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
上記異常診断装置によれば、前記回転数及び前記周波数の前記強度を基に、前記回転体の異常診断を行う。従って、回転数に応じた診断を行うことが可能となるため、誤診断を防止し、精度の高い異常診断を行うことが可能となる。
【０００８】
本発明の請求項２記載の異常診断装置によれば、上記異常診断装置は、前記回転体の温度を測定する温度検出手段をさらに備え、前記異常診断手段は、前記温度を基に、前記回転体の異常診断を行う。従って、異常診断の精度をさらに高めることが可能となる。
【０００９】
前記波動は、前記回転体から発生する音、振動又はＡＥであってもよく、また、前記波動検出手段と前記回転手段は、一体形成されていてもよい。
【００１０】
本発明の請求項５記載の回転体の異常を診断する異常診断方法は、前記回転体から発生する波動を検出する波動検出ステップと、前記回転体の回転数を検出する回転検出ステップと、前記波動が含む周波数の強度を検出する周波数解析ステップと、前記回転数及び前記周波数の前記強度を基に、前記回転体の異常診断を行う異常診断ステップと、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
上記異常診断方法によれば、前記回転数及び前記周波数の前記強度を基に、前記回転体の異常診断を行う。従って、回転数に応じた診断を行うことが可能となるため、誤診断を防止し、精度の高い異常診断を行うことが可能となる。
【００１２】
本発明の請求項６記載の異常診断方法によれば、前記回転体の温度を測定する温度検出ステップと、前記温度を基に、前記回転体の異常診断を行うステップと、をさらに備えている。従って、異常診断の精度をさらに高めることが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態に係る回転体の異常診断装置を詳細に説明する。本実施形態では、回転体として転がり軸受が組み込まれた機械装置に異常診断装置を適用し、転がり軸受の異常を診断する場合を例に説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態の異常診断装置１０を示す図である。異常診断装置１０は、転がり軸受１上またはその近傍に配置された検出部１１と、検出部１１の出力を増幅する増幅部１２と、異常診断を行うＰＣ部１３とを有している。
【００１５】
転がり軸受１は、軸に外嵌する内輪２と、ハウジング等に内嵌し、径方向に内輪２と対向する外輪３と、図示せぬ保持器により内輪２及び外輪３間に転動可能に配置された玉４とを有している。転がり軸受１に損傷が発生している場合、ここでは、外輪３に損傷が発生している場合を例に説明する。
【００１６】
図２は、検出部１１を示す図である。検出部１１は、振動センサ１１１と、回転センサ１１２と、温度センサ１１３とを有する。
【００１７】
振動センサ１１１は、転がり軸受１の近傍に配置され、転がり軸受１が組み込まれた機械装置が発する振動を検出する。振動センサ１１１の代わりに、音、ＡＥ（アコースティックエミッション）等の波動を検出する波動センサを設けてもよい。また、複数の波動センサの組み合わせて設置し、複数の出力を得てもよい。振動センサ１１１が検出した振動信号は、電気信号として増幅部１２に送られる。
【００１８】
回転センサ１１２は、軸に取り付けられた内輪２の回転数を検出するものである。回転センサ１１２としては、内輪２又は外輪３に取り付けられた図示せぬ被検出体であるエンコーダ上の磁石配置を検出する磁気センサ、エンコーダの形状を検出する変位センサ等を用いることが可能である。回転センサ１１２が検出した回転速度信号（回転パルス）は、電気信号としてＰＣ部１３に送られる。
【００１９】
温度センサ１１３は、転がり軸受１近傍に配置され、転がり軸受１又はその近傍の温度を検出するセンサである。温度センサ１１３としては、熱電対等の接触式温度センサや、赤外放射温度計等の非接触式温度センサを用いることが可能である。非接触式の温度センサの場合、内輪２等の回転部材の温度検出が可能となる。温度センサ１１３が検出した温度信号は、電気信号としてＰＣ部１３に送られる。
【００２０】
なお、振動センサ１１２、回転センサ１１２、及び、温度センサ１１３は、一つのセンサユニット内に納められ一体化していてもよいし、それぞれ別々に構成されていてもよい。各センサの取り付けに好ましい場所が異なっている場合もあり、それぞれが別ユニットであるほうが精度よい検出を行うことが可能な場合もある。
【００２１】
増幅部１３は、ＯＰアンプ等で構成されており、センサ部１１１からの信号の強度をＰＣ部１３の処理に適したレベルに増幅する。増幅された信号は、ＰＣ部１３に出力される。
なお、センサ部１１１が増幅機能を有している場合、敢えて増幅部１３を設ける必要はない。この場合、センサ部１１１の出力は、直接ＰＣ部１３に送られる。
【００２２】
ＰＣ部１３は、診断部１４及びモニタ１５を有している。具体的に、ＰＣ部１３は、ＯＳ及び周波数解析用ソフトウェアがインストールされたパーソナルコンピュータ（ＰＣ）等から構成される。この場合、診断部１４の処理は、ＰＣ上で動作する周波数解析用ソフトウェアにより行われる。勿論、診断部１４として、ＰＣによるソフトウェア処理ではなく、専用の診断機器を用いてもよい。
ＰＣ部１３は、受け取った信号をそれぞれＡ／Ｄ変換し、ＰＣ部内の診断部１４に送る。なお、ＰＣ部１３の前段に専用のＡ／Ｄ変換器を設け、ＰＣ部１３に入力する前にＡ／Ｄ変換するようにしてもよい。
【００２３】
図３は、診断部１４の詳細を示す図である。診断部１４は、フィルタ部１４１、エンベロープ部１４２、周波数変換部１４３、及び、比較判定部１４４を有している。
【００２４】
フィルタ部１４１は、増幅部１３から出力された振動信号から所望の周波数帯を抽出する周波数フィルタである。この所望の周波数帯は、転がり軸受１の損傷に起因して検出される予想異常ピーク周波数に応じて設定可能である。転がり軸受１の内輪、外輪、転動体、及び、保持器に損傷がある場合、発生すると予想される異常ピーク周波数は、以下の式で表現される。
【００２５】
【式１】
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【００２６】
フィルタ部１４１は、上記関係式を満たす周波数を含む周波数帯を切り出す。ここでは、例として、１ｋＨｚ以上の周波数成分をカットするローパスフィルタを用いる。フィルタ部１４１は、フィルタ処理後の信号を、エンベロープ部１４２に送出する。なお、このフィルタ部１４１は、信号の特性によっては、適宜省略することが可能である。
【００２７】
エンベロープ部１４２は、フィルタ部１４１から送出された信号にエンベロープ処理を施す。エンベロープ処理は、入力振動波形の包絡線に比例した出力を得るものである。エンベロープ部１４２は、エンベロープ処理後の信号を周波数解析部１４３に出力する。なお、このエンベロープ部１４２は、信号の特性によっては、適宜省略することが可能である。
【００２８】
周波数解析部１４３は、エンベロープ部１４２から出力された信号をＦＦＴアルゴリズム等を用いて周波数変換し、周波数スペクトルデータを生成する。図４（ａ）及び図５（ａ）は、周波数解析部１４３により生成された周波数スペクトルデータを表すグラフである。外輪に異常が発生している場合、図４（ａ）に示されるように、外輪の損傷に起因する周期的なスペクトルピークが信号成分に含まれていることがわかる。一方、異常が発生していない場合、図５（ａ）に示されるように、どの周波数帯にも特別なピークは見受けられない。生成された周波数スペクトルデータは、比較判定部１４４に出力される。
【００２９】
比較判定部１４４は、周波数スペクトルデータが転がり軸受１の損傷等に起因する特異な周波数でピークを有しているかどうか判断し、損傷等の発生の有無を判定する。
【００３０】
式（１）〜（４）に示されるように、予想されるピーク周波数は、回転数に依存して変化する。まず、比較判定部１４４は、回転センサ１１２から送られた回転速度信号（回転パルス）とエンコーダの形状を基に、現時点の回転数を計算する。そして、比較判定部１４４は、計算された回転数及び式（１）〜（４）を基に、発生すると予想される複数のピーク周波数をリアルタイムに計算する。
【００３１】
なお、比較判定部１４４は、各回転数に対応する異常ピーク周波数の値を有するテーブルを予め有するように構成してもよい。この場合には、計算された回転数を基にテーブルを参照することにより、異常発生周波数を得ることが可能である。
【００３２】
比較判定部１４４は、転がり軸受に１の各部位に傷がない場合の周波数スペクトルのレベルを基に作成された所定のしきい値を有している。比較判定部１４４は、予想されるピーク周波数についてこのしきい値と生成された周波数スペクトルデータとを比較して、各周波数帯のレベルがしきい値以上の場合に異常が発生していると判断する。そして、ピーク周波数の値を基に、異常発生部位を特定する。
【００３３】
また、比較判定部１４４は、温度センサ１１３から送られる温度信号を基に転がり軸受、又は、その近傍の温度を計算する。図４（ｂ）及び図５（ｂ）は、それぞれ異常がある場合、及び異常がない場合の転がり軸受１の温度の時間変化を表す図である。図４（ｂ）では、温度は、殆ど時間に依存せず、定常値である６０℃近傍で一定となっている。一方、図５（ｂ）では、温度は、時間と共に変化しており、焼き付き危険温度１００℃に達している。
【００３４】
比較判定部１４４は、計算された温度を所定のしきい値と比較し、温度が通常の使用温度領域にあるかどうかを判断する。温度が、所定のしきい値（例えば、１００℃）以上である場合には、転がり軸受１に焼き付き等の以上が発生していると判断する。
【００３５】
以上の処理により、比較判定部１４４は、損傷・異常の有無、及び、損傷部位についての異常診断結果である判定結果を作成する。比較判定部１４４は、判定結果をモニタ１５に出力する。
【００３６】
モニタ１５は、比較判定部から出力された判定結果を基に、モニタ１５の画面上に損傷の有無、及び、損傷がある場合には損傷部位の表示を行う。ユーザによる確認が必要な場合には、図４（ａ）及び図４（ｂ）又は図５（ａ）及び図５（ｂ）に示される周波数スペクトルデータ及び温度の時間変化を一緒にモニタ１５上に表示するようにする。
【００３７】
ユーザは、モニタ１５をチェックすることにより、音や振動等の波動情報を基に得られた判定結果を確認する。モニタ１５は、振動センサ１１１のみが異常を検出した場合、異常の発生及び損傷部位を示す信号と共に図４（ａ）及び図４（ｂ）が画面上に表示する。一方、モニタ１５は、温度センサ１１２のみが異常を検出した場合、異常の発生及び損傷部位を示す信号と共に図５（ａ）及び図４（ｂ）が画面上に表示される。ユーザは、これらの表示を確認し、異常が発生している場合には、適切な対処をとる。
【００３８】
以上、本発明の第１実施形態に係る異常診断装置１０によれば、回転数を考慮して異常発生周波数ピークの検出している。従って、回転数が一定でない場合やトルク変動などの影響で実際の回転数が不明な場合であっても、適切に異常を検出し、異常発生部位を特定することが可能となる。
【００３９】
また、リアルタイムで回転数を検出しているため、その場その場の状況に応じた適切な判断を行うことが可能となる。従って、異常診断の信頼性が向上する。
【００４０】
また、振動センサ１１１及び温度センサ１１３の一方のセンサにより、異常が検出されない場合であっても、他方のセンサが異常を検出することが可能である。特に、温度センサのみでは、検出されにくい、傷や剥離に起因する損傷についても、周波数センサにより適切に異常検出されるため、多様な異常発生を見逃すことなく検出することが可能となる。従って、異常診断の信頼性が向上する。
【００４１】
なお、モニタ１５上に、現在の回転数または回転数の時間変化を表すグラフを表示させるようにしてもよい。これにより、ユーザは、回転数の異常を確認し、転がり軸受１に異常が発生していると判断することも可能となる。
【００４２】
なお、上記説明では、特定の周波数帯についてのみ、スペクトルのピークレベルをしきい値と比較すると説明したが、全周波数帯についてスペクトルのピークレベルとしきい値を比較した後、回転数に基づいて、異常発生部位を特定するように比較判定部１１４を構成してもよい。
【００４３】
なお、ＰＣ部１３は、モニタ１５に異常を表示すると共に、転がり軸受１を有する機械装置を緊急停止するよう構成してもよい。この場合、ユーザが機械装置近傍にいない場合であっても、これ以上の機械装置の破損を未然に防ぐことが可能である。
【００４４】
なお、上記実施形態では、回転体として転がり軸受を例に説明したが、本発明はこれに限られず、回転体を有する各種機械装置に適用することが可能である。例として、ボールねじ、リニアガイド、各種モータ等に適用することが可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上、本発明の異常診断装置及び方法によれば、波動検出とともに回転状態の検出を行い、異常周波数の発生及び異常発生箇所の特定を行う。さらに、温度検出を行い、温度に依存する異常についてもあわせて検出する。よって、誤診断を防止するとともに、より精度の高い異常診断を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の異常診断装置を示す図である。
【図２】検出部を示す図である。
【図３】診断部の詳細を示す図である。
【図４】（ａ）は、周波数解析部により生成された周波数スペクトルデータを表すグラフであり、（ｂ）は、温度の時間変化を表すグラフである。
【図５】（ａ）は、周波数解析部により生成された周波数スペクトルデータを表すグラフであり、（ｂ）は、温度の時間変化を表すグラフである。
【符号の説明】
１　　転がり軸受
２　　内輪
３　　外輪
４　　玉
１０　異常診断装置
１１　検出部
１２　増幅部
１３　ＰＣ部
１４　診断部
１５　モニタ
【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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