(57)【要約】【課題】回転体の構成部品の摩耗や破損に起因した異常の有無を、その回転体を分解をせずに通常の使用状態のままで判定可能にして、異常診断の実施による保守・管理コストを低減させることができる異常診断システムを提供すること。【解決手段】回転体３の構成部材に組み付けられて回転体３の回転動作時の物理量を検出するセンサユニット５と、このセンサユニット５の出力を所定の演算処理によって分析し、分析結果を予め用意しておいた基準データと比較して回転体における異常の有無を判定する演算処理装置７と、演算処理装置７の分析結果や判定結果を所定の表示形態で表示すると共に回転体が組み込まれている設備の動作を制御する制御系に判定結果に応じた制御信号をフィードバックする制御処理装置９を備えたことで、目視検査の場合と比較して、安定した判定を実現する。【選択図】　　　　図１
2004093256.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体を有する機械設備の異常診断システムであって、
前記回転体の構成部品に組み付けられ、前記回転体の回転動作時の物理量を検出するセンサを有するセンサユニットと、
前記センサユニットの出力信号を分析し、分析結果を所定の基準データと比較して前記回転体の異常の有無を判定する演算処理装置と、
前記演算処理装置の前記分析結果及び前記演算処理装置の判定結果を表示し、前記判定結果に応じて前記機械設備の動作を制御する制御処理装置と、を備えたことを特徴とする異常診断システム。
【請求項２】
前記センサユニットは、前記センサの前記出力信号を増幅する出力増幅手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の異常診断システム。
【請求項３】
前記センサユニットは、前記出力信号を前記演算処理装置に無線送信する無線通信手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の異常診断システム。
【請求項４】
前記演算処理装置及び制御処理装置は、前記回転体から離れた監視用基地局に設けられたことを特徴とする請求項３に記載の異常診断システム。
【請求項５】
前記センサユニットは、鉄道車両の軸受に取り付けられ、
前記センサユニットは、前記軸受の異常を診断することを特徴とする請求項４記載の異常診断システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転体を有する機械設備の異常診断システムに係り、特に、鉄道車両の車軸を回転自在に支持する軸受装置のような回転体の異常発生の診断に使用される異常診断システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鉄道車両の車軸を回転自在に支持する軸受装置では、軸受部品の摩耗や破損による不都合の発生を防止するために、定期的に分解目視検査を実施するようにしている。
【０００３】
この分解目視検査では、車両を一定期間使用した後、軸受を車両から取り外して分解する。そして、熟練した専門の検査担当者が、分解した各構成部品を目視によって摩耗の度合いや傷の有無を確認する。検査担当者が、新品の部品にはない凹凸や摩耗などの異常を検出した場合には、新品に交換して、再度、軸受を組み立てる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この分解検査は、車両から軸受を取り外す分解作業や、検査済みの軸受部品を再度組み立て直す組み込み作業に多大な労力がかかり、車両の保守・管理コストの大幅な増大を招くという問題がある。
【０００５】
また、例えば、組み立て直す際に検査前には無かった打痕を軸受部品につけてしまうなど、検査自体により軸受に欠陥が生じる可能性もある。また、検査担当者は、限られた時間内で多数の軸受を目視で検査するため、欠陥を見落とす可能性がある。
更に、目視検査では、欠陥の程度の判断に個人差が生じ、実質的には欠陥がなくても欠陥有りと見なされて部品交換が行われてしまう場合があり、無駄にコストがかかることにもなる。
【０００６】
また、このような目視検査による不都合を解消するために、軸受が使用されている車両の車体上に、軸受の回転時に発生する音や振動を検出するセンサを備えて、そのセンサの検出信号に基づいて、軸受の摩耗や破損等による異常の検出を行うことも検討されている。
しかし、車体にセンサを取り付ける構成の場合は、軸受とセンサとの間の距離が離れることによって、センサの検出信号のＳＮ比が悪化し、高精度な検出・判定が難しいという問題もあった。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、保守・管理コストを低減させ、且つ、異常診断の信頼性を向上させることが可能な回転体を有する機械装置の異常診断システムを提供することをその目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１によれば、回転体を有する機械設備の異常診断システムであって、
前記回転体の構成部品に組み付けられ、前記回転体の回転動作時の物理量を検出するセンサを有するセンサユニットと、
前記センサユニットの出力信号を分析し、分析結果を所定の基準データと比較して前記回転体の異常の有無を判定する演算処理装置と、
前記演算処理装置の判定結果を表示し、前記判定結果に応じて前記機械設備の動作を制御する制御処理装置と、を備えたことを特徴とする異常診断システムが与えられている。
【０００９】
回転体の回転動作時の物理量とは、回転体の回転状態に応じて変化する物理量で、例えば、回転体の発生する音、振動、ＡＥ、更には、回転数や温度、等が考えられる。分析結果と比較する基準データとは、前記回転体の正常時において前記センサから検出される物理量に基づくデータである。
【００１０】
このように構成された回転体の異常診断システムは、回転体の構成部品の摩耗や破損に起因した異常の有無を、予め回転体に組み込まれているセンサユニットの出力を分析し、分析結果を予め用意しておいた基準データと比較することで判定するため、その回転体を分解をせずに通常の使用状態のままで判定することができる。
【００１１】
従って、手間のかかる分解・組み立て作業の頻度を減少させて保守・管理コストを低減させることができる。
また、規定の演算処理による分析や比較で機械的に判定を行うため、従来の目視検査と比較すると、検査担当者の熟練度や個人差によって判定がばらつく虞がなく、異常の有無の診断の信頼性を向上させることができる。
【００１２】
また、センサユニットが回転体の構成部品上に密着装備されているため、回転体の周囲の器物自体の発生する音や振動の周波数成分のピークが、センサユニットの検出する信号のＳＮ比に悪影響を及ぼす危険が低減し、センサユニットの出力信号のＳＮ比の改善によって、分析・判定の精度の向上を図ることができる。
【００１３】
請求項２記載の異常診断システムによれば、前記センサユニットは、前記センサの前記出力信号を増幅する出力増幅手段を備えている。このように構成された回転体の異常診断システムにおいては、センサユニットの出力信号が強いため、センサユニットと演算処理装置との間の信号伝達経路等で加わるノイズの影響を抑えることができ、ノイズによる処理精度の低下を防止して、異常の有無の診断の信頼性を向上させることができる。
【００１４】
請求項３記載の異常診断システムによれば、前記センサユニットは、前記出力信号を前記演算処理装置に無線送信する無線通信手段を備えている。このように構成された回転体の異常診断システムにおいては、センサユニットの出力を、回転体を有する設備上に布設した信号線で演算処理装置に伝達する場合と比較すると、演算処理装置や制御処理装置の配置自由度が高まり、当該回転体の異常診断システムの設置が容易になる。
【００１５】
請求項４記載の異常診断システムによれば、前記演算処理装置及び制御処理装置は、前記回転体から離れた監視用基地局に設けられている。このように構成された回転体の異常診断システムにおいては、センサユニットが出力する信号に、個体識別情報（ＩＤ情報）を埋め込むことによって、基地局に設置された演算処理装置や制御処理装置を、複数個の回転体で共有させることができ、多数の回転体の異常の有無の診断を集中管理して、回転体の異常診断処理の効率化や、異常診断用の設備の低コスト化を図ることができる。
【００１６】
請求項５記載の異常診断システムによれば、前記センサユニットは、鉄道車両の軸受装置に取り付け、前記鉄道車両の前記軸受装置の異常を診断する。このように、前記センサユニットを鉄道車両に取り付け、請求項３及び４に記載のように、基地局に無線でデータを送信することにより、迅速に鉄道車両の異常診断を行うことが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明に係る異常診断システムの実施形態を詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明に係る第１実施形態の異常診断システム１を示す図である。異常診断システム１は、鉄道車両の車軸を支承する転がり軸受３中の各構成部品の摩耗や破損による異常の発生を検出するものである。異常診断システム１は、センサユニット５、演算処理装置７、及び、制御処理装置９を備えている。
【００１９】
転がり軸受３は、異常の有無の診断対象となる回転体である。一つの車両には、複数個の転がり軸受３が設けられており、それぞれの転がり軸受３の外輪に一つのセンサユニット５が組み付けられている。
【００２０】
センサユニット５は、センサケース５ａを有している。センサケース５ａの内部には、軸受３の回転状態に応じて変化する物理量である、音Ｊ１、振動Ｊ２、軸受の回転数Ｊ３、軸受温度Ｊ４、軸受外輪上に生じる歪みＪ５等、をそれぞれ検出する複数のセンサを有している。センサユニット５は、各センサの出力信号を増幅する出力増幅器を備えており、検出された各情報を増幅した後に演算処理装置７に送る。センサユニット５は、上記に加え、ひずみに起因するＡＥ等を検出するようにしてもよい。
【００２１】
演算処理装置７は、各センサユニット５の出力を所定の演算処理によって分析し、分析結果を予め用意しておいた基準データと比較して転がり軸受３における異常の有無を判定する。演算処理装置７が分析結果と比較する基準データとは、診断対象である軸受３の正常時において前記センサユニットから検出される各種の物理量の基準値である。具体的には、正常な軸受３の音情報、振動情報、軸受の回転数情報、軸受温度情報、軸受外輪上に生じる歪み情報等の他、軸受３の特定部位の摩耗や破損によって生じる周波数成分の情報等である。前記演算処理装置７は、分析部１３，１４，１５、データ蓄積部１７、内部データ蓄積部１９、比較判定部２１、及び、第２のデータ蓄積部２３を備えている。
【００２２】
第１のデータ蓄積部１７は、各センサユニット５から送信された検出データを一時的に蓄積すると共に、蓄積したデータをそのデータの種類に応じて分析部１３，１４，１５に分配する。
【００２３】
分析部１３，１４，１５は、それぞれ所定の物理量の分析を行うためのユニットである。具体的に、本実施形態では、分析部１３は、振動情報にエンベローブ処理を施し、エンベロープ処理後の振動情報を周波数解析するための周波数演算部、分析部１４は、回転情報を基に軸受３の回転数を算出する回転数算出部、分析部１５は、温度情報を基に軸受３の温度を算出する温度算出部である。分析部１３の前段には、振動情報が含む周波数帯のうち、所定の周波数帯のみを通過させるフィルタ処理部２５が設けられている。
【００２４】
内部データ蓄積部１９は、軸受３の諸元及び軸受３の正常動作時の回転数に対応する音や振動、正常時の温度等の各種の物理量を基準データとして蓄積している。内部データ蓄積部１９は、比較判定部２１からの要求に応じて、所定のデータを比較判定部２１に送出する。
【００２５】
比較判定部２１は、各分析部１３，１４，１５における分析結果を内部データ蓄積部１９に蓄積されている基準データと比較することによって、異常の有無の判定及び異常部位の特定を行う。
【００２６】
具体的に、比較判定部２１は、分析部１３から受け取った周波数データを内部データ蓄積部１９に蓄積されている正常動作時の周波数データと比較し、特定の周波数帯における異常なピークの有無を確認する。異常なピークが発生する周波数帯は、軸受の回転数に依存して変化するため、分析部１４から送られる回転数を参照しながら確認を行う。比較判定部２１は、ある特定の周波数帯の通常のピークレベルをしきい値として用い、ある特定の周波数帯のピークがしきい値を超えている場合には、異常が発生していると判定する。
【００２７】
さらに、比較判定部２１は、検出された温度と、データ蓄積部１９に蓄積されている正常動作時の温度を比較し、検出された温度が所定値よりも大きい場合には、異常昇温が発生していると判定する。
【００２８】
なお、分析部１３，１４，１５や比較判定部２１における具体的な処理は、上記の方法に限るものではなく、公知の種々の方法、或いは本願出願人が先に提案している各種の判定手法を流用することができる。
【００２９】
第２のデータ蓄積部２３は、各分析部１３，１４，１５における分析結果及び前記比較判定部２１における判定結果を蓄積する。第２データ蓄積部２３は、制御処理装置９からの要求に応じて、分析結果及び判定結果を制御処理装置９に送出する。
【００３０】
制御処理装置９は、演算処理装置７の分析結果や判定結果を所定の表示形態で表示すると共に転がり軸受３が組み込まれている設備である鉄道車両の動作を制御する制御系（図示略）に前記判定結果に応じた制御信号をフィードバックする。制御処理装置９は、演算処理装置７の分析結果や判定結果を所定の表示形態で表示する結果出力部２７と、軸受３が組み込まれている車両の動作を制御する制御系に前記比較判定部２１の判定結果に応じた制御信号Ｓ１をフィードバックする制御器２９とを備えている。
【００３１】
結果出力部２７は、モニターでの画像表示、又は、プリンタによる印刷出力によって、演算処理装置７の分析結果や判定結果を表示する他、演算処理装置７の判定結果が異常有りの場合には、警告灯の点滅や警報機の作動による通知を行う。
【００３２】
制御器２９は、演算処理装置７の判定結果が異常有りの場合に、異常の程度に応じて、車両の走行停止や、速度の減速等を示す制御信号Ｓ１を車両の走行制御系に送る。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態の異常診断システム１では、軸受３の構成部品の摩耗や破損に起因した異常の有無を、予め軸受３に組み込まれているセンサユニット５の出力を演算処理装置７の各分析部１３，１４，１５において分析する。そして、異常診断システム１は、内部データ蓄積部１９に予め用意しておいた基準データと分析結果を比較することで異常の有無を判定する。従って、異常診断システム１によれば、軸受３を分解することなく通常の使用状態のままで軸受３における異常の有無を判定することができるため、手間のかかる分解・組み立て作業の頻度を減少させて保守・管理コストを低減させることができる。
また、規定の演算処理による分析や比較で機械的に異常の有無の判定を行うため、従来の目視検査と比較すると、検査担当者の熟練度や個人差によって判定がばらつく虞がなく、異常診断の信頼性を向上させることができる。
【００３４】
また、センサユニットが回転体上に装備されているため、回転体の周囲の器物自体の発生する音や振動の周波数成分のピークが、センサユニットの検出する信号のＳＮ比に悪影響を及ぼす危険が低減する。
したがって、例えば、鉄道車両がレールの継ぎ目の上を通過する際に発生するノイズや、軸受３に関係の無い機器等から発生する振動等の周波数成分のピークによってセンサユニット５の検出信号が大きく歪む危険がなくなり、センサユニットの出力信号のＳＮ比の改善によって、計算負荷の軽減や、解析に要する時間のロスも少なくすることができ、分析・判定の精度の向上及び処理の迅速化を図ることができる。
【００３５】
また、本実施形態では、センサユニット５にセンサ出力を増幅する出力増幅器が内蔵されている。従って、センサユニット５の出力信号は、既に増幅され振幅が大きくなっているため、センサユニット５と演算処理装置７との間の信号伝達経路等で加わるノイズの影響を抑えることができる。これにより、ノイズによる処理精度の低下を防止して、異常診断の信頼性を向上させることができる。
【００３６】
図２は、本発明に係る回転体の異常診断システムの第２実施形態の概略構成を示すブロック図である。本実施形態の回転体の異常診断システム３１は、第１の実施の形態の異常診断システム１において、車軸を支承するセンサ付軸受３に装備されるセンサユニットを改良すると共に、センサユニットの出力信号に基づいて一定の処理を行う演算処理装置７及び制御処理装置９の装備形態を工夫したものである。
【００３７】
演算処理装置７や制御処理装置９の具体的な構成や処理方法は、第１実施形態と同様であるので、共通する構成には第１の実施の形態と同じ番号を付すことによって、これらの演算処理装置７や制御処理装置９に関する説明は省略する。
【００３８】
本実施形態のセンサユニット５１は、軸受３に対して検出を行う物理量自体は、図示のように、音Ｊ１、振動Ｊ２、軸受の回転数Ｊ３、軸受温度Ｊ４、軸受外輪上に生じる歪みＪ５等で、これらの検出信号を図示せぬ出力増幅器によって増幅して出力する点は、第１の実施の形態と同様である。
【００３９】
本実施形態のセンサユニット５１は、出力増幅器を経た出力信号を無線送信する無線通信機を備えている。前記センサユニット５１の出力は、無線通信によって信号送受信装置３３に送出される。
【００４０】
信号送受信装置３３は、例えば、センサ付軸受３を搭載した鉄道車両３５の走行経路に沿って、無線出力の到達範囲内の適宜間隔で線路際や途中の駅などに、設置される。信号送受信装置３３は、センサユニット５１から受信した信号を有線又は無線通信を用いて情報処理センタ３７に送出する。
【００４１】
情報処理センタ３７は、演算処理装置７及び制御処理装置９を備えている。情報処理センター３７は、センサユニット５１の出力信号を、信号送受信装置３３を介して受信し、演算処理装置７の第１のデータ蓄積部１７に蓄積する。そして、第１のデータ蓄積部１７は、演算処理装置７内の各分析部１３，１４，１５に受信した信号を分配する。分配された信号は、各分析部１３，１４，１５にて、所定の処理が施される。
【００４２】
センサユニット５１の出力には、出力したセンサユニットを特定するための個体識別情報（ＩＤ情報）が埋め込まれている。演算処理装置７及び制御処理装置９は、この個体識別情報をもとに、受信した出力がどの軸受３から送られてきたものか判断し、軸受毎にデータを区別して処理・蓄積を行う。これにより、情報処理センター３７は、演算処理装置７や制御処理装置９を複数台の鉄道車両３５で共有させ、複数の軸受３の異常の有無の診断を集中管理する。
【００４３】
また、情報処理センター３７に設置された制御処理装置９には、鉄道車両３５の制御系に無線通信で制御信号をフィードバックする無線通信機（図示略）が追加されている。
【００４４】
以上の異常診断システム３１では、センサユニット５１の出力を、軸受を有する鉄道車両上に布設した信号線で演算処理装置に伝達する場合と比較して、演算処理装置７や制御処理装置９の配置自由度が高まり、当該回転体の異常診断システム１の設置が容易になる。
【００４５】
また、センサユニット５１が出力する信号に、個体識別情報（ＩＤ情報）を埋め込むことによって、情報処理センター３７に設置された演算処理装置７や制御処理装置９を、複数台の鉄道車両３５で共有させることができ、より多数の軸受３の異常の有無の診断を集中管理して、軸受３の異常診断処理の効率化や、異常診断用の設備の低コスト化を図ることができる。
【００４６】
図３は、本発明に係る回転体の異常診断システムの第３実施形態を示したものである。
この第３実施形態の回転体の異常診断システム４１は、鉄道車両３５の車軸を支承する軸受として、第１実施形態で示したセンサ付軸受３を使用し、この軸受３に組み込まれたセンサユニット５で検出したデータを、鉄道車両３５とは離れた情報処理センター３８に設置された演算処理装置４３及び制御処理装置４５によって分析・判定する。
【００４７】
演算処理装置４３は、センサユニット５が出力した信号を分析・判定するための構成手段は、第１実施形態と共通であるが、センサユニット５の出力データを一時蓄積すると共にデータ種類に応じて各分析部１３，１４，１５に分配する第１のデータ蓄積部１７が、容易に着脱できる構成になっている。
また、鉄道車両３５には、第１のデータ蓄積部１７を容易に着脱できる蓄積部接続部（図示略）が装備されている。この蓄積部接続部に装着された第１のデータ蓄積部１７は、各軸受３のセンサユニット５が出力した信号を蓄積することができる。
【００４８】
この異常診断システム４１は、センサユニット５の出力を蓄積した第１のデータ蓄積部１７を、鉄道車両３５から取り外して情報処理センター３８に搬入し、情報処理センター３８内の演算処理装置４３に接続することで、第１のデータ蓄積部１７に蓄積されている諸データの分析・判定を行い、演算処理装置４３における判定結果や分析結果を制御処理装置４５の結果出力部２７が、管理者等に通知する。
【００４９】
蓄積データの分析・判定を済ませた第１のデータ蓄積部１７は、必要に応じて使用済みデータの消去等の保守を実施した後に、鉄道車両３５に戻して再利用する。
【００５０】
以上の構成の異常診断システム４１は、リアルタイムの分析・判定には不向きであるが、第１のデータ蓄積部１７に蓄積されたデータを長期保管したり、或いは詳細に分析する場合に適している。
また、情報処理センター３８に設置される演算処理装置４３や制御処理装置４５は、第２実施形態の場合と同様に、多数の車両で共用することができるため、異常診断を行う設備費の削減にも適する。
【００５１】
なお、本発明に係る回転体は、上記実施形態で示した軸受に限らない。例えば鉄道車両における歯車や車輪など、取り外しや組付けに多大な手間がかかる各種の大型の回転体を、本発明の異常診断の対象とすることができる。
また、本発明に係る演算処理装置は、所謂、パーソナルコンピュータや汎用コンピュータを流用することができる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の回転体の異常診断システムによれば、回転体の構成部品の摩耗や破損に起因した異常の有無を、予め回転体に組み込まれているセンサユニットの出力を分析し、分析結果を予め用意しておいた基準データと比較することで判定するため、その回転体を分解をせずに通常の使用状態のままで判定することができる。
従って、手間のかかる分解・組み立て作業の頻度を減少させて保守・管理コストを低減させることができる。
また、規定の演算処理による分析や比較で機械的に判定を行うため、従来の目視検査と比較すると、検査担当者の熟練度や個人差によって判定がばらつく虞がなく、異常の有無の診断の信頼性を向上させることができる。
【００５３】
また、センサユニットが回転体に密着装備されているため、回転体の周囲の器物自体の発生する音や振動の周波数成分のピークが、センサユニットの検出する信号のＳＮ比に悪影響を及ぼす危険が低減し、センサユニットの出力信号のＳＮ比の改善によって、分析・判定の精度の向上を図ることができる。
【００５４】
また、請求項２に記載の構成によれば、センサユニットの出力信号が増幅されていて強いため、センサユニットと演算処理装置との間の信号伝達経路等で加わるノイズの影響を抑えることができ、ノイズによる処理精度の低下を防止して、異常の有無の診断の信頼性を向上させることができる。
【００５５】
また、請求項３に記載の構成によれば、センサユニットの出力を、回転体を有する設備上に布設した信号線で演算処理装置に伝達する場合と比較して、演算処理装置や制御処理装置の配置自由度が高まり、当該回転体の異常診断システムの設置が容易になる。
【００５６】
また、請求項４に記載の構成によれば、センサユニットが出力する信号に、個体識別情報（ＩＤ情報）を埋め込むことによって、基地局に設置された演算処理装置や制御処理装置を、複数個の回転体で共有させることができ、多数の回転体の異常の有無の診断を集中管理して、回転体の異常診断処理の効率化や、異常診断用の設備の低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る回転体の異常診断システムの第１実施形態の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る回転体の異常診断システムの第２実施形態の概略構成を示すブロック図である。
【図３】本発明に係る回転体の異常診断システムの第３実施形態の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１　異常診断システム
３　転がり軸受（回転体）
５　センサユニット
５ａ　センサーケース
７　演算処理装置
９　制御処理装置
１３，１４，１５　分析部
１７　第１のデータ蓄積部
１９　内部データ蓄積部
２１　比較判定部
２３　第２のデータ蓄積部
２５　フィルタ処理部
２７　結果出力部
２９　制御器
３１　異常診断システム
３３　信号送受信装置
３５　鉄道車両
３７，３８　情報処理センター（監視用基地局）
４１　異常診断システム
４３　演算処理装置
４５　制御処理装置
５１　センサユニット
【図１】
2004093256.tif 000003
【図２】
2004093256.tif 000004
【図３】
2004093256.tif 000005