(57)【要約】【課題】  摩擦圧接部品の摩耗状況をより正確に判定すること【解決手段】  この摩耗検出装置２０によれば、摩擦圧接部品から生じるアコースティックエミッションを検出し、ＡＥ信号からＡＥエネルギを算出し、このＡＥエネルギを経時的に積算した積算量に基づいて、摩擦圧接部品の摩耗状況が定量的に推定でき、摩擦圧接部品の交換点検時期や、摩擦圧接部品の突発的な異常又はその兆候をより正確に判定することができる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦圧接部品から生じるアコースティックエミッションを検出し、ＡＥ信号を出力するＡＥセンサと、
前記ＡＥセンサのＡＥ信号に基づいてＡＥエネルギを算出するＡＥエネルギ算出部と、
前記ＡＥエネルギ算出部で算出されたＡＥエネルギの経時的な積算量に基づいて、摩擦圧接部品の摩耗状態を判定する摩耗状態判定部とを備えた摩耗検出装置。
【請求項２】
前記ＡＥエネルギ算出部は、ＡＥ信号のうち摩擦圧接部品の摩耗に起因する周波数成分を持つＡＥ信号を抽出する信号抽出部を備えており、信号抽出部で抽出したＡＥ信号に基づいてＡＥエネルギを算出することを特徴とする請求項１に記載の摩耗検出装置。
【請求項３】
前記摩耗状態判定部は、ＡＥエネルギ算出部で算出したＡＥエネルギを経時的に積算し、積算したＡＥエネルギの積算量に基づいて摩耗状態を判定することを特徴とする請求項１に記載の摩耗検出装置。
【請求項４】
前記摩耗状態判定部は、ＡＥエネルギ算出部で算出したＡＥエネルギを経時的に積算し、ＡＥエネルギの積算量の変化に基づいて摩耗状態を判定することを特徴とする請求項１に記載の摩耗検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は摩擦圧接部品の摩耗検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
使用により摩耗劣化する摩擦圧接部品は、適切な時期に交換する必要があるが、摩擦圧接部品の摩耗状況を適切に監視することは難しい。
【０００３】
例えば、発電設備などで給排水路に設けられる電動弁駆動装置１では、図１に示すように、弁を開閉させる際、弁に負荷が掛かった状態で弁棒２（ステム）をステムナット３に対して摺動回転させて、弁棒２を動かして弁（図示省略）を開閉操作している。斯かる形態の電動弁駆動装置１の場合、弁棒２とステムナット３は、摩擦による両者の焼き付きを防止するため、異なる材料を用いており、また、摩耗劣化する部品の交換作業をより簡単に行なうため、弁棒２に比べて交換が容易なステムナット３の方を、弁棒２に対して摩耗し易い部品としている。そして、使用により摩耗劣化するステムナット３を適切な時期に交換している。ステムナット３の摩耗状態を厳格に監視するには、定期的に電動弁駆動装置１を分解して、ステムナット３のねじ山等を計測する必要がある。しかし、電動弁駆動装置１の分解を要するため、ステムナット３の摩耗は運転中に監視できないことから、比較的短い期間で定期的に点検や取替などを行なうことにより、保全を行なっているのが実情である。
【０００４】
ステムナット３のような摩擦圧接部品の摩耗状態を検出する装置又は方法については、例えば、特開２０００−０４６６９６に開示されている。
【０００５】
特開２０００−０４６６９６には、摩擦圧接部品の圧接部の品質を検査する方法として、一対の被圧接部品の圧接を開始した直後数秒間の間に発生するＡＥ信号を計測し、ＡＥ信号から得た計測パラメータと予め定めた評価基準パラメータとを比較して、摩擦圧接部品の圧接部の品質を検査するものが開示されている。
【特許文献１】特開２０００−０４６６９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の特許文献１に記載されたものは、検出されたＡＥ信号に対して、一定の基準値を設定して、振幅の大きさなどを比較しているが、ＡＥ信号の情報をそのまま利用しただけでは、摩耗状況を正確に判断することは難しい。また、検出されたＡＥ信号は、ノイズ成分が含まれるため、これを機械要素の異常として検出してしまう場合があり、これを基に摩耗状況を正確に判断するのは難しい。このように、機械要素の経時的な摩耗状況の変化を監視するには、単に、ＡＥ信号のパラメータにしきい値を設けて比較するだけでは不十分である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、実機を模した試験装置において、摩擦圧接部品からアコースティックエミッションを検出したＡＥ信号の情報を種々加工し、摩擦圧接部品の摩耗状況（摩耗量）との相関関係を調べた。
【０００８】
試験装置１０は、図２に示すように、電動弁ステムナットの摩耗を加速的に模擬したものである。図２中、１１は弁棒を模した送りねじ、１２はステムナット、１３はステムナットに取り付けた駆動ステージ、１４は駆動ステージ１３を案内するガイドレール、１５は実機のステムナット１２に斯かる負荷に相当する負荷を駆動ステージ１３に付与する負荷シリンダ、１６は送りねじ１１を回転駆動させるモータである。送りねじ１１には、実機の弁棒と同じ材料（ＳＵＳ４０３）を用い、ステムナット１２にも実機と同じ材料（ＣＡＣ７０３）を用いた。両者の材料特性により、ステムナット１２側に摩耗が生じるようにした。また、駆動ステージ１３にＡＥセンサ（図示省略）を取り付け、ステムナット１２に生じるアコースティックエミッションを検出した。
【０００９】
この試験装置１０は、実機のステムナットに掛かる荷重を負荷シリンダ１５により、駆動ステージ１３を介してステムナット１２に負荷を与える。そして、モータ１６により送りねじ１１を回転させることで、ステムナット１２を送りねじ１１に対して摺動させた。実機ではユニットの起動や停止の度に、電動弁を開閉動作させるため、ステムナット１２を繰り返し往復動させた。途中、定期的に装置を止め、ステムナット１２のねじ山の減少量を計測し、ステムナット１２のねじ山の減少量から摩耗量（摩耗体積）を算出した。また、ＡＥ信号の電圧の特性を示すＡＥ信号の特性曲線ａを時間積分したものを係る駆動時間におけるＡＥエネルギとし（図７参照）、ＡＥエネルギを経時的に積算した積算曲線ｄを求めた（図８参照）。
【００１０】
その結果、ＡＥエネルギを経時的に積算した積算曲線ｄは、ステムナット１２（摩擦圧接部品）の経時的な摩耗量の増加傾向と、経時的に略同じ傾向を示すことを見出した。本発明に係る摩耗検出装置は、本発明者らの斯かる知見に基づいたものである。
【００１１】
すなわち、本発明に係る摩耗検出装置は、摩擦圧接部品から生じるアコースティックエミッションを検出し、ＡＥ信号を出力するＡＥセンサと、ＡＥセンサのＡＥ信号に基づいてＡＥエネルギを算出するＡＥエネルギ算出部と、ＡＥエネルギ算出部で算出したＡＥエネルギに基づいて、摩擦圧接部品の摩耗状態を判定する摩耗状態判定部とを備えている。
【００１２】
ＡＥエネルギ算出部は、例えば、ＡＥ信号のうち摩擦圧接部品の摩耗に起因する周波数成分を持つＡＥ信号を抽出する信号抽出部を備えており、信号抽出部で抽出したＡＥ信号に基づいてＡＥエネルギを算出するようにしてもよい。
【００１３】
摩耗状態判定部は、例えば、ＡＥエネルギ算出部で算出したＡＥエネルギを経時的に積算し、積算したＡＥエネルギの積算量に基づいて摩耗状態を判定するようにしてもよい。また、摩耗状態判定部は、ＡＥエネルギの積算量の経時的な変化に基づいて摩耗状態を判定するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
この摩耗検出装置によれば、摩擦圧接部品の摩耗量との間に相関関係があるＡＥエネルギの積算量に基づいて、摩擦圧接部品の摩耗状態を判定する摩耗状態判定部を備えているので、摩擦圧接部品の摩耗状況をより正確に判定することができる。
【００１５】
ＡＥ信号のうち摩耗に起因する周波数成分を持つＡＥ信号を抽出してＡＥエネルギを算出したものは、ＡＥ信号からノイズを除去できるので、より正確な判定が可能である。また、ＡＥエネルギを経時的に積算し、積算したＡＥエネルギの積算量に基づいて摩耗状態を判定したものは、摩擦圧接部品の使用による経時的な摩耗劣化の状況を判定することができる。また、ＡＥエネルギを経時的に積算し、積算したＡＥエネルギの経時的な変化に基づいて摩耗状態を判定したものは、摩擦圧接部品の破損など突発的な異常を判定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態に係る摩耗検出装置を図面に基づいて説明する。
【００１７】
この摩耗検出装置２０は、図３に示すように、ＡＥセンサ２１と、ＡＥエネルギ算出部２２と、摩耗状態判定部２３とを備えている。
【００１８】
ＡＥセンサ２１は、摩擦圧接部品から生じるアコースティックエミッションを検出し、ＡＥ信号を出力するものである。例えば、図４に示すように、被測定体３１に取り付けるハウジング３２内に、圧電素子３３と、錘３４を取り付けたものであり、被測定体３１に生じた振動などにより、圧電素子３３に機械的なひずみが生じ、圧電素子３３の出力端子３５に電位差が生じるようになっている。
【００１９】
この摩耗検出装置２０を電動弁駆動装置に配設された弁棒２とステムナット３（摩擦圧接部品,図１参照）に適用する場合は、ＡＥセンサ２１は弁棒２とステムナット３の近傍に取り付けるとよく、例えば、図１に示すように、電動弁駆動装置１のハウジングの外周面に対しステムナット３の近傍に位置するように取り付けるとよい。
【００２０】
この実施形態では、図３に示すように、ＡＥセンサ２１は、プリアンプ４１と、バンドパスフィルタ４２と、検波回路４３を通して、ＡＥ信号の特性信号がＡＥエネルギ算出部２２に送られるように構成している。
【００２１】
プリアンプ４１は、ＡＥセンサ２１から出力されるＡＥ信号を増幅するものである。バンドパスフィルタ４２は、図５に示すように、プリアンプ４１で増幅されたＡＥ信号のうち、摩擦圧接部品の摩耗に起因する周波数成分を弁別するものである。この実施形態では、バンドパスフィルタ４２は、金属の摩耗により生じるＡＥ信号の周波数成分が含まれる１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの周波数成分を弁別し、抽出している。検波回路４３は、図６に示すように、バンドパスフィルタ４２で弁別されたＡＥ信号を包絡線検波し、ＡＥ信号の特性曲線ａを得るものである。
【００２２】
ＡＥエネルギ算出部２２は、ＡＥセンサ２１のＡＥ信号に基づいてＡＥエネルギを算出するものである。この実施形態では、ＡＥエネルギ算出部２２は、摩耗に影響を与える信号を抽出する摩耗信号抽出回路４４と、ＡＥエネルギを算出するエネルギ算出回路４５とを備えている。
【００２３】
摩耗信号抽出回路４４は基準値設定回路４６と比較回路４７で構成している。摩耗信号抽出回路４４は、図７に示すように、検波回路４３で得られたＡＥ信号の特性曲線ａのうち、電圧値が一定以上低いものは、摩擦圧接部品の摩耗に影響を与えない使用状況で発生したＡＥ信号であると考えられるので、基準値設定回路４６において電圧値に一定の基準値ｂを設け、比較回路４７において基準値設定回路４６で設定した基準値ｂよりも低い電圧値の信号を除去している。これにより、ＡＥ信号のうち摩耗に影響を与える信号を抽出することができる。
【００２４】
次に、エネルギ算出回路４５においてＡＥエネルギを算出する。ＡＥエネルギは、ＡＥ信号の特性曲線ａを時間積分したものである。この実施形態では、エネルギ算出回路４５は、図７に示すように、摩耗信号抽出回路４４で摩擦圧接部品の摩耗に影響を与える信号として抽出されたＡＥ信号の電圧を時間積分するものであり、ＡＥ信号の電圧をＡ/Ｄ変換し、これを積算することにより、図７中のハッチングをした面積ｃに相当するＡＥエネルギを算出している。
【００２５】
例えば、図１に示す電動弁駆動装置１の場合、摩耗に影響のある動作は弁を昇降させる動作であるから、摩耗信号抽出回路４４では、弁の１回の動作におけるＡＥ信号が抽出される。そして、エネルギ算出回路４５では、１回の動作におけるＡＥ信号が時間積分されて、ＡＥエネルギが算出される。
【００２６】
次に、摩耗状態判定部２３は、ＡＥエネルギ算出部２２で算出されたＡＥエネルギの経時的な積算量に基づいて、摩擦圧接部品の摩耗状態を判定するものである。
【００２７】
この実施形態では、摩耗状態判定部２３は、積算回路４８（微分回路）と、基準値設定回路４９と、比較回路５０とを備えている。
【００２８】
積算回路４８は、ＡＥエネルギ算出部で算出したＡＥエネルギを経時的に積算するものであり、この実施形態では、ＡＥエネルギ算出部２２で算出されたＡＥエネルギを摩擦圧接部品の使用時間に応じて積算してＡＥエネルギの積算量を算出している。積算回路４８で算出されるＡＥエネルギの積算量は、図８に示すように、ＡＥエネルギが経時的に増加する積算曲線ｄが得られる。なお、図８は電動弁駆動装置１の場合におけるものであり、横軸に弁の開閉駆動の回数を取っている。
【００２９】
このように積算回路４８では、ＡＥエネルギ算出部２２において使用回数毎に算出されるＡＥエネルギが積算される。このＡＥエネルギを経時的に積算した積算曲線ｄは、摩擦圧接部品の経時的な摩耗量の増加傾向と、経時的に略同じ傾向を示す。従って、ＡＥエネルギを経時的に積算した積算曲線ｄは、摩擦圧接部品の摩耗度合い（摩耗量）を判定する際の有力な情報になる。
【００３０】
微分回路は、積算回路４８で積算されたＡＥエネルギの積算量の変化を算出するものであり、この実施形態では、積算回路４８で積算されたＡＥエネルギの積算曲線ｄを時間微分している。微分回路によれば、ＡＥエネルギの積算量が著しく急激な変化がわかり、斯かるＡＥエネルギの積算量の急激な変化は、摩擦圧接部品の突発的な異常又はその兆候を示したものである可能性がある。このため、微分回路により、摩擦圧接部品が破損するような状況が生じ得る可能性を判定するのに有力な情報を得ることができる。
【００３１】
基準値設定回路４９は、積算回路４８で得られるＡＥエネルギの積算量に対し、摩擦圧接部品の摩耗度合いを予測し、適切な交換点検時期の目安となる第１基準値ｅと、また、基準値設定回路４９は、微分回路で得られるＡＥエネルギの積算量の変化について、摩擦圧接部品の突発的な異常又はその兆候を示す目安となる第２基準値を設定している。
【００３２】
比較回路５０は、例えば、図９に示すように、基準値設定回路４９で設定された第１基準値ｅに基づいて、摩擦圧接部品の摩耗度合いを予測し、適切な交換点検時期を判定することができる。また、図示は省略するが、微分回路で得られるＡＥエネルギの積算曲線を時間微分したものについて、基準値設定回路で設定した第２基準値に基づいて摩擦圧接部品の突発的な異常又はその兆候の有無を判定することができる。
【００３３】
この実施形態では、摩耗検出装置は表示回路５１を備えている。表示回路５１は比較回路５０で交換点検時期が来たと判定された場合や、摩擦圧接部品の突発的な異常又はその兆候があるとの判定がされた場合に、これを表示するものであり、例えば、ディスプレイに適切な表示を行なったり、警報音を発したりする構成にするとよい。
【００３４】
この摩耗検出装置２０によれば、摩擦圧接部品から生じるアコースティックエミッションを検出し、ＡＥ信号からＡＥエネルギが算出され、このＡＥエネルギを経時的に積算した積算量に基づいて、摩擦圧接部品の摩耗状況が定量的に推定でき、摩擦圧接部品の交換点検時期や、摩擦圧接部品の突発的な異常又はその兆候をより正確に判定することができる。
【００３５】
以上、本発明の一実施形態に係る摩耗検出装置を説明したが、本発明に係る摩耗検出装置は上記の実施形態に限定されるものではない。
【００３６】
例えば、電動弁の弁棒とステムナットの摩耗状況を例示して説明したが、本発明に係る摩耗検出装置はこれに限定されず、摩擦圧接状態で使用される種々の機械要素の摩耗状況を判定するのに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】電動弁駆動装置に配設された弁棒とステムナットを示す斜視図。
【図２】本発明の一実施形態に係る摩耗検出装置の試験装置を示す図。
【図３】本発明の一実施形態に係る摩耗検出装置のブロック図。
【図４】ＡＥセンサの構成例を示す図。
【図５】ＡＥセンサから得られるＡＥ信号をバンドパスフィルタで弁別した波形を示す図。
【図６】ＡＥセンサから得られるＡＥ信号を検波回路で検波した波形を示す図。
【図７】ＡＥエネルギ算出部での処理を示す図。
【図８】積算回路での積算処理された積算曲線を示す図。
【図９】摩耗状態判定部での処理を示す図。
【符号の説明】
【００３８】
１     電動弁駆動装置
２     弁棒
３     ステムナット
１０   試験装置
１１   送りねじ
１２   ステムナット
１３   駆動ステージ
１４   ガイドレール
１５   負荷シリンダ
１６   モータ
２０   摩耗検出装置
２１   ＡＥセンサ
２２   ＡＥエネルギ算出部
２３   摩耗状態判定部
４１   プリアンプ
４２   バンドパスフィルタ
４３   検波回路
４４   摩耗信号抽出回路
４５   エネルギ算出回路
４６   基準値設定回路
４７   比較回路
４８   積算回路
４９   基準値設定回路
５０   比較回路
５１   表示回路
ａ     ＡＥ信号の特性曲線
ｂ     基準値
ｃ     ＡＥエネルギ
ｄ     積算曲線
ｅ     基準値
【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】
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【図８】
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【図９】
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