(57)【要約】【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】  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解析器であり、この解析器が、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とともに、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制御装置とを有することを特徴とする釣合い解析器。【選択図】  図１
2005308537.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解析器であり、この解析器が、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とともに、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制御装置とを有することを特徴とする釣合い解析器。
【請求項２】
請求項１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とともに、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ことを特徴とする釣合い解析器による釣合い解析方法。
【請求項３】
修正面が一又は複数に設定されるものであり、修正面を元のままで或いは変更又は増加して請求項２の解析方法を繰り返す釣合い解析器による釣合い解析方法。
【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量と不釣合い振動量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１又は２の釣合い解析器による釣合い解析方法。
【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解析器による釣合い解析方法。
【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解析器及びこの釣合い解析器による釣合い解析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付けられるから、その固有振動数も計算どおりには行かない。このため、実際に組み込まれた状態で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解析器であるが、従来の解析器は、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、従来の釣合い解析器は、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）不釣合い量を計算するとともに、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解析器であり、この解析器が、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とともに、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制御装置とを有することを特徴とする釣合い解析器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とともに、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ことを特徴とする釣合い解析器による釣合い解析方法を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る釣合い解析器及びこれによる解析方法の特徴は、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するとともに、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、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解析器の説明図であるが、この解析器は、ワーク（回転時に弾性体挙動をするロータ）単体或いは実際に組み込まれたロータを直接測定してその不釣合いを修正できるのであるが、ここでは、理解を容易にするためにロータを組み込んだものにしている（実際の製品では必要ない）。すなわち、ロータ１は、ベースプレート２の上に対向して設けられた軸受部３で両端を支持され、回転数を無段階に設定できるモータ４でベルト５を介して駆動されるようにしておく。また、修正面を顕出するために四枚のディスク１ａ〜１ｄを適当間隔で取り付けている。
【００１１】
これにおいて、ロータ１又はこれと一体とされるもの（本例ではロータ１に嵌合されたベルト５を掛けるプーリ６）にマーカー７を取り付け、この回転数を回転数検出器８で非接触式に検出している。なお、回転数検出器８は、現場で容易にセットできるようにスタンド９によって保持している。
【００１２】
さらに、ロータ１の軸方向位置の一又は複数の個所（本例では両端の軸受部３）に当該位置（検出面）におけるロータ１の不釣合いに基づく振動を検出する振動検出器１０を取り付けている。なお、振動の検出には、変位を検出してもよいし、加速度を検出してもよいが、本例では、振動検出器１０を軸受部３に取り付けている関係で加速度を検出するものにしている。ただし、これを非接触式で変位を検出するものにすれば、実機のロータに直接セットすることができる。
【００１３】
以上の解析器を制御して動作させるのが制御装置１１であるが、回転数検出器９と振動検出器１０で検出されたデータは導線１２で制御装置１１に送られるようになっている。制御装置１１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１３に表示されるようになっている。
【００１４】
このように、本発明に係る釣合い解析器は、回転数検出器９と振動検出器１０及び制御装置１１とからなる簡単な構造であるから、これを箱等に入れて携帯できる。したがって、回転数検出器９と振動検出器１０を取付式にしておくことで、ロータ１が組み込まれた現場まで行って不釣合いを修正できる。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
図４は、本発明に係る釣合い解析器による解析方法を示す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（ディスク）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。
【００１８】
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。しかし、多くの場合は管理値内に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、修正面に取り付ける重り量とその位相角をいうのであり、これらは制御装置に表示される。
【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、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】
2005308537.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】
2005308537.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】
2005308537.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    ロータ（試験体）
２    ベースプレート
３    軸受部
４    モータ
５    ベルト
６    プーリ
７    マーカー
８    回転数検出器
９    スタンド
１０    振動検出器
１１    制御装置
１２    導線
１３    表示部
【図１】
2005308537.tif 000006
【図２】
2005308537.tif 000007
【図３】
2005308537.tif 000008
【図４】
2005308537.tif 000009
【図５】
2005308537.tif 000010
【図６】
2005308537.tif 000011