(57)【要約】      （修正有）【課題】ロータの想定される最低回転数から最高回転数までのすべての回転数における不釣合いを修正するとともに、釣合い修正したと仮定したときの各回転数における残留振動を予測して修正評価を容易に判別できるようにする。【解決手段】ロータ２を保持する保持部材を有して任意の回転数で駆動されるロータ保持装置３と、回転数を検出する回転数検出器４と、軸方向位置の一又は複数の個所で当該位置における不釣合い振動を検出する振動検出器５と、回転数検出器と振動検出器とで予め設定した任意の回転数ごとのロータの不釣合い振動を計測し、この計測結果を基に予め設定したロータの軸方向特定位置（修正面）に付加する又は削除する修正重りを計算する一方、この修正重りを修正面に付加又は削除したと仮定したときの各回転数ごとの残留振動を予測するとともに、修正重りを修正面に取り付ける重り量と位相角として表示する制御装置６とを有する釣合い試験機。【選択図】  図１
2005308538.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
最低回転数から最高回転数までの範囲で回転するロータの不釣合いを修正する釣合い試験機であり、この試験機が、ロータを保持する保持部材を有して任意の回転数で駆動されるロータ保持装置と、ロータの回転数を検出する回転数検出器と、ロータの軸方向位置の一又は複数の個所で当該位置におけるロータの不釣合い振動を検出する振動検出器と、回転数検出器と振動検出器とで最低回転数から最高回転数までの間の予め設定した任意の回転数ごとのロータの不釣合い振動を計測し、この計測結果を基に予め設定したロータの軸方向特定位置（修正面）に付加する又は削除する修正重りを計算する一方、この修正重りを修正面に付加又は削除したと仮定したときの各回転数ごとの残留振動を予測するとともに、修正重りを修正面に取り付ける重り量と位相角として表示する制御装置とを有することを特徴とする釣合い試験機。
【請求項２】
回転数検出器及び振動検出器がロータに接触しない非接触式のものである請求項１の釣合い試験機。
【請求項３】
請求項１又は２の釣合い試験機による修正重りの計算処理方法であり、この計算処理方法が、最低回転数から最高回転数までの間の予め設定した任意の回転数ごとのロータの不釣合い振動を計測し、この計測結果を基に予め設定したロータの軸方向特定位置（修正面）に付加する又は削除する修正重りを計算する一方、この修正重りを修正面に付加又は削除したと仮定したときの各回転数ごとの残留振動を予測するとともに、修正重りを修正面に取り付ける重り量と位相角として表示することを特徴とする釣合い試験機による修正重りの計算表示方法。
【請求項４】
修正重りの計算に際し、初期不釣合い振動量と付加不釣合い振動量から、付加又は削除する修正重りと不釣合い振動との関係を定義づける影響係数を各回転数ごとに保存し、各回転数の残留振動を最小にする計算原理を用いるものである請求項４の釣合い試験機による修正重りの計算処理方法。
【請求項５】
請求項４で求めた影響係数を保存しておき、同一寸法諸元で製造されたロータについては不釣合い振動の計測から、これにもっとも近い影響係数を採用し、各回転数ごとの影響係数の採取を省略する釣合い試験機による修正重りの計算処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転するロータが不釣合いによって生ずる振動をロータのすべての回転数域の範囲に亘って低減させる釣合い試験機及びこの釣合い試験機による修正重りの計算処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転体（ロータ）には不釣合いはつきものであるから、これを静粛で高精度に回転させるためには、釣合い（バランス）をとらなければならない。ロータを設計する際には、ロータの固有振動数をロータが実働する際の回転数を避けて共振を回避するようにしているが、ロータによっては種々の回転数で用いられるものがあるから、特定の回転数における不釣合いを修正したものでは不十分である。また、ロータには様々な部材が組み付けられているから、その固有振動数も計算どおりには行かない。このため、実際に回転させて不釣合いを計測してみる必要がある。
【０００３】
これを計測して解析するのが釣合い試験機であるが、従来の試験機は、ロータの特定の回転数（多くは実働のときの回転数）のみの不釣合いを検出し、これに基づいて修正重りを計算するものであった。これでは、当該回転数の不釣合いは修正できても、他の回転数の不釣合いが修正できたかどうかはわからない。振動数は１次から高次まであり、高次は必ずしも低次の整数倍にはなっていないこともあるから、ある回転数のときの不釣合いを修正したとしても、他の回転数のときの不釣合い（修正した不釣合い量よりも大きいこともある）を見逃しているようなこともある。したがって、想定される回転数付近の計測を何回も行なう等、煩雑な操作を強いられていた。
【０００４】
加えて、従来の釣合い試験機は、ロータを剛体として捉えていた。ところが、最近のロータは、たとえば、繊維機械におけるワインダー、工作機械におけるスピンドルや工具、自動車におけるクランクシャフト、プロペラシャフト、車軸やタイヤホイル、ターボチャージャにみられるように、高速化、大型化が進み、回転時に発生する曲げモーメントを無視することができない。図６は、ロータを二点支持したときの曲げモードを示す説明図であるが、低速回転数域ではロータが剛体であっても、高速回転させると、このように、剛体を維持できず、１次から高次の曲げモーメントが発生する。ロータが弾性体であれば、回転時に発生する曲げモーメントによって不釣合いの状況が変化することがあるから、効果的な回転数を探し出すために種々の回転数で試行錯誤的にテストを繰り返さなければならず、これ又、煩雑な操作を強いられることになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、想定される弾性ロータの最低回転数から最高回転数までの間の任意の間隔ごとの不釣合い振動を計測して、これを基にロータの特定の修正面に付加又は削除する（以下、単に取り付けるという）不釣合い量を計算してこれを重り量と位相角とで表示するとともに、併せて、この修正重りをロータの修正面に取り付けたと仮定したときの各回転数ごとの残留振動を予測して表示できるようにしたものである。そして、これにおいて、修正面を変更できるようにして、すなわち、多速度多面の修正を可能にして効率と精度の向上を図ったものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の課題の下、本発明は、請求項１に記載した、最低回転数から最高回転数までの範囲で回転するロータの不釣合いを修正する釣合い試験機であり、この試験機が、ロータを保持する保持部材を有して任意の回転数で駆動されるロータ保持装置と、ロータの回転数を検出する回転数検出器と、ロータの軸方向位置の一又は複数の個所で当該位置におけるロータの不釣合い振動を検出する振動検出器と、回転数検出器と振動検出器とで最低回転数から最高回転数までの間の予め設定した任意の回転数ごとのロータの不釣合い振動を計測し、この計測結果を基に予め設定したロータの軸方向特定位置（修正面）に付加する又は削除する修正重りを計算する一方、この修正重りを修正面に付加又は削除したと仮定したときの各回転数ごとの残留振動を予測するとともに、修正重りを修正面に取り付ける重り量と位相角として表示する制御装置とを有することを特徴とする釣合い試験機を提供したものである。
【０００７】
併せて、本発明は、請求項２に記載した、以上の釣合い解析器による釣合い解析方法であり、この解析方法が、最低回転数から最高回転数までの間の予め設定した任意の回転数ごとのロータの不釣合い振動を計測し、この計測結果を基に予め設定したロータの軸方向特定位置（修正面）に付加する又は削除する修正重りを計算する一方、この修正重りを修正面に付加又は削除したと仮定したときの各回転数ごとの残留振動を予測するとともに、修正重りを修正面に取り付ける重り量と位相角として表示することを特徴とする釣合い試験機による修正重りの計算処理方法を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の釣合い試験機及びこれによる修正重りの計算処理方法の特徴は、ロータを最低回転数から最高回転数までの範囲で回転させる間に予め設定した任意の回転数ごとの不釣合い振動を計測するものであるから、すべての回転数域における不釣合い状況が把握できる。これには、ロータに曲げモーメントが発生したときも含まれていてロータを弾性体として捉えており、実情に即したものになっている。そして、この計測の結果を基に修正面に取り付ける修正重りを計算して重り量と位相角として表示するから、一目でそれがわかり、誰でもが容易に作業できる。また、この修正重りを修正面に付加又は削除したと仮定したときの各回転数ごとの残留振動を予測して表示するものであるから、これによって不釣合いを修正すると、すべての回転数域に亘って不釣合い振動を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の最良の形態について図面を参照して説明する。図３は弾性ロータの回転数ごとのある修正面における不釣合いを示すベクトル図であるが、各回転数Ｎn に基づく不釣合いのベクトルＶn は、回転数Ｎn の変化とともにその大きさ及び位相を変えて表われる。ある回転数Ｎn における不釣合いは、このベクトルＶn における不釣合い量をこれと反対方向に取り付ければ修正されるのであるが、あるベクトルＶn の不釣合いを修正したとしても、他のベクトルＶn は変わらないこともあるから、すべての回転数Ｎn でこの措置をする必要がある。
【００１０】
図１は本発明の一例を示す釣合い試験機の説明図であるが、この試験機は、ベース１の上に試験体であるロータ２を保持するロータ保持装置３と、ロータ２の回転数を検出する回転数検出器４と、ロータ２に設定した修正面に照準を合わせて修正面の不釣合いに基づく振動を検出する振動検出器５を据え付けたものであり、この他に回転数検出器４と振動検出器５から得られたデータを処理して表示する制御装置６とを有する。
【００１１】
これにおいて、ロータ保持装置３は、主軸（スピンドル）７で駆動される保持部材（マンドレル）８を備えたものであり、主軸７は任意の回転数で駆動されるモータ９によってベルト１０を介して駆動され、保持部材８にはロータ２が取り付けられるようになっている。なお、本例のロータ２はターボチャージャーのファンを例示している関係で、保持部材８は立形をした小さなものになっているが、ロータ２の形状に応じて大きさや強度及び立形、横形が設定される。また、主軸７は、ベース１上に設けた主軸保持体１１によって回転自在に保持されており、モータ９は、ベース１上に起立させられたモータ取付体１２に取り付けられているが、このとき、モータ９の振動が主軸７に伝わってノイズとして発生しないように、主軸保持体１１はモータ取付体１２に対して棒ばね１３で防振されている。
【００１２】
回転数検出器４はロータ２に取り付けたマーカー１４の周期を測定して回転数を検出するものであるが、本例のものは、ロータ２等に直接接触しない非接触式のものを使用している。振動検出器５はロータ２の軸方向特定位置（検出面）の加速度や変位を測定して当該検出面の振動を検出するものであるが、本例では、変位を測定する非接触式のものを用いている。なお、本例では、修正面と検出面をともにロータ２の上面と下面に設定している関係で、両者は同数、同面になっているが、必ずしもこれを合わせる必要はない。
【００１３】
以上の試験機を制御して動作させるのが制御装置６であるが、これには、回転数検出器９と振動検出器１０とで検出されたデータが導線１５を通して送られてくるようになっている。制御装置６は、これらのデータを取り込んで計算する演算機能を有しており、その結果は、表示部１６にデジタル表示されるようになっている。
【００１４】
図２はこのロータの振動（不釣合い）を解析して制御装置に表示された回転数と不釣合振動量の関係（以下、回転数−振動量特性、単に特性という）を示すものであるが、このように、修正前における特性（−◆−）と本発明で処理した場合の特性（−■−）が波形で示される。もちろん、これにはロータの曲げモーメントも含まれており、ロータの総合的な振動形態が反映されている。なお、参考までに従来の解析器で修正した波形（−▲−）も示している。
【００１５】
これを見ると、４４００ｒｐｍ付近に大きな曲げ１次モードが発生し、以下、６６００ｒｐｍで２次モード、１０８００ｒｐｍで３次モードが発生している。従来の釣合い解析器では、８２００ｒｐｍに的を絞って不釣合いを修正しているのであるが、この回転数では不釣合いは修正されているが、１次モード〜３次モードではせいぜい半分程度しか修正されていないことがわかる。
【００１６】
図４は、本発明に係る釣合い試験機を制御する制御方法のフローチャートであるが、まず、ロータの最低回転数（Ｎmin)と最高回転数（Ｎmax)と計測する測定間隔（Ｎpitch)を制御装置に入力し、ロータの設定した修正面（上面と下面）に試し重りを付加し、最低回転数（Ｎmin)から最高回転数（Ｎmax)まで回転させてその不釣合い振動量を計測する。この結果は制御装置に記憶される。また、位相角零の位置（作業者が認識できるようにしておく）も決定され、制御装置に記憶される。
【００１７】
以上が初期設定であるが、これが終了すると、ロータを再度最低回転数（Ｎmin)から最高回転数（Ｎmax)まで回転させ、この間、制御装置は、測定間隔（Ｎpitch)ごとの振動データを取り込み、これを基に不釣合い振動を求める。図５はこのときの特性であるが、この特性がすべての回転数域で管理値（許容値のこと）内に収まっておれば、とりたてて不釣合いを修正する必要はない。この場合、測定間隔（Ｎpitch)が小さいほど、数多くの回転数による特性が求まる。
【００１８】
しかし、多くの場合は管理値内には収まっていないから、制御装置は修正重りを計算する。ここでの修正重りとは、修正面（ロータの上面と下面）に取り付ける重り量とその位相角をいうのである。この結果は、制御装置の表示部にその適否（ＮＧ又はＯＫ）と修正重りの重り量と位相角とがデジタル表示されるから、これが管理値内に収まっているかどうかが一瞥できる。このとき、主軸を停止させ、修正重りを取り付けるための準備をしておく。
【００１９】
また、制御装置は、この修正重りを修正面に取り付けたと仮定したときの各回転数における残留振動を予測（計算）して表示する（図５）。修正重りの計算は、後述する修正重りと振動を定義づける影響係数を各回転数ごとに計算して残留振動を最小にする計算原理を用いて行うが、実際には、修正重りを修正面に取り付ける際には、その重り量や位相角に誤差は避けられない。そこで、修正重りを実際に修正面に取り付けて残留振動を実測してみる。
【００２０】
この残留振動が管理値を超えている場合は、上記した操作を繰り返す。この場合において、不釣合い量が小さくなると、各振動検出器で得られたデータ量が小さくなるため、適宜ゲイン調整をして適正なゲインが得られるようにする。この再操作のときには、修正面を変更（増加）したり、影響係数を変更する方が効果的なこともある。そこで、これらを適宜変更して修正重りを再び計算するとともに、残留振動を予測し、かつ、実測する。このようにして不釣合い振動が管理値内に収まるようにする。
【００２１】
一方、実際の現場では、釣合い修正は数多くのロータに施される。そこで、先の釣合い修正で採取した影響係数については、これを番号を付けて保存しておき、同一寸法諸元で製造されたロータについては不釣合い振動の計測から、これにもっとも近い影響係数を採用することも可能である。このようにしたとしても、残留振動についてはほとんど差異が見られないから、各回転数ごとの影響係数の採取を省略することができ、作業の効率化が図られる。
【００２２】
ところで、以上における修正重りの計算は以下の原理によって求める。この計算は、修正重りと振動との関係を定義づける影響係数を根底においた最小二乗法に依っている。今、測定回数をＬ（１〜Ｌ）、振動検出器数をＫ（１〜Ｋ）、修正面数をＪ（１〜Ｊ）、影響係数をαij（ｉ＝１〜Ｉ：Ｉ＝Ｋ×Ｌ）、初期不釣合いをＡi とすると、修正重りＵj を付加した後の残留振動εi は数式１で表される。
【００２３】
【数１】
2005308538.tif 000003
【００２４】
数式１でＩ＝Ｊの場合には、εi ＝０として修正重りＵj を連立方程式から直接求めることができる。しかし、Ｉ≠Ｊの場合、特にＩ＞Ｊの場合には数式１から直接求めることができないから、最小二乗法を導入する。そこで、影響係数αijの精度を評価する評価関数Ｓを用いるが、この評価関数Ｓは数式２で表すことができる。
【００２５】
【数２】
2005308538.tif 000004
【００２６】
この評価関数Ｓを最小にするのが修正重りＵj であるが、修正重りＵj の算出条件として数式３が導かれる。
【００２７】
【数３】
2005308538.tif 000005
【００２８】
すなわち、数式３を解くことで、適切な修正重りを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一例を示す釣合い解析器の説明図である。
【図２】回転数−不釣合い振動量特性である。
【図３】不釣合い回転をしているロータのベクトル図である。
【図４】不釣合い解析器によるデータ処理のフローチャートである。
【図５】残留振動を予測した回転数−不釣合い振動量特性である。
【図６】剛体ロータの弾性モーメントを示す説明図である。
【符号の説明】
【００３０】
１    ベース
２    ロータ
３    ロータ保持装置
４    回転数検出器
５    振動検出器
６    制御装置
７    主軸
８    保持部材
９    モータ
１０    ベルト
１１    主軸保持体
１２    モータ取付体
１３    棒ばね
１４    マーカー
１５    導線
１６    表示部
【図１】
2005308538.tif 000006
【図２】
2005308538.tif 000007
【図３】
2005308538.tif 000008
【図４】
2005308538.tif 000009
【図５】
2005308538.tif 000010
【図６】
2005308538.tif 000011