(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械中の潤滑剤をモニターするための装置であって；
機械潤滑剤中の静電活動を示す信号を生じるためのセンサと；
前記機械の切迫した磨耗事象を示す、静電活動の前兆を、摩耗が前記機械で発生する前に検出するために、前記センサからの前記信号を処理する信号プロセッサとを備え；
潤滑剤中の物理／化学反応の増加により引き起こされる静電活動を感知するよう構成された；
装置。
【請求項２】
前記信号プロセッサは、前記センサからの前記信号を処理して、前記信号の変化を、前記静電活動の前兆を表すものとして検出するように構成される、
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記信号プロセッサは、前記センサからの前記信号を処理して、前記信号の大きさの確実な増加を、前記静電活動の前兆を表すものとして検出するように構成される、
請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
更に、前記センサからの信号を調整するための信号調整回路を備える、
請求項１乃至請求項３の何れかに記載の装置。
【請求項５】
前記信号調整回路は、調整済信号を出力するために前記信号プロセッサに接続される、
請求項４に記載の装置。
【請求項６】
更に、前記センサから、および／または前記信号調整回路からの信号を記録するためのレコーダを備える、
請求項１乃至請求項５の何れかに記載の装置。
【請求項７】
更に、前記センサ、前記信号調整回路、および／または前記レコーダからの信号を表示するためのオシロスコープを備える、
請求項１乃至請求項６の何れかに記載の装置。
【請求項８】
前記信号プロセッサは、インジケータを作動させるために、前記静電活動の前兆の検出に応じて作動可能な、
請求項１乃至請求項７の何れかに記載の装置。
【請求項９】
前記センサが、機械中の第１の位置で潤滑剤中の静電気を感知するための第１の静電センサと、前記機械中の第２の位置で静電気を感知するための第２の静電センサとを備える、
請求項１乃至請求項８の何れかに記載の装置。
【請求項１０】
前記センサは更に温度センサを備え、前記信号プロセッサは、温度関連変化を補償するために、静電活動を表す信号を処理するための温度センサに応じて作動可能な、
請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
静電信号の活動レベルが変化を求めてモニターされ；
切迫した磨耗事象に対応する静電事象に対する前兆として前記変化が解釈されるよう構成された；
請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
機械中の潤滑剤をモニターする方法であって；
機械潤滑剤中の静電活動を表す信号を発生させること；および、
潤滑剤中の物理／化学反応の増加により引き起こされる静電活動を感知することによって、前記信号を処理して、機械中の切迫した磨耗事象を示す、静電活動の前兆を、摩耗が前記機械で発生する前に検出すること；
を含む方法。
【請求項１３】
前記信号を処理して、その変化を、前記静電活動の前兆を表すものとして検出するように成した、
請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記信号を処理して、その大きさの確実な増加を、前記静電活動の前兆を表すものとして検出するように成した、
請求項１２または請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
更に、前記処理に先立って前記信号を調整することを含む、
請求項１２乃至請求項１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
更に、前記信号および／または前記調整済の信号を記録することを含む、
請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
更に、前記信号、前記調整済の信号、前記記録済の信号および／または前記記録された前記調整済の信号を表示することから成る、
請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
更に、機械中の第１の位置で潤滑剤中の静電気を感知すること、および前記機械中の第２の位置で前記潤滑剤中の静電気を感知することから成る、
請求項１２乃至請求項１７の何れかに記載の方法。
【請求項１９】
更に、静電活動を表す前記信号を処理して、それに対する温度関連変化を補償することを含む、
請求項１２乃至請求項１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
静電信号の活動レベルが変化を求めてモニターされ；
切迫した磨耗事象に対応する静電事象に対する前兆として前記変化が解釈される；
請求項１２の方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は潤滑をモニターするための装置と方法に関する。本発明は、例えば機械の磨耗の事前検出を可能にするために、機械の潤滑のモニターに適用できる。本明細書で使用する場合、用語「機械」はエンジン、ギヤボックス（動力伝達装置）、及びその他の流体潤滑を用いる機械システムを含むものとする。
WO 92/09886として刊行された国際特許出願第PCT/GB91/02112号には、流体中の異物をモニターするシステムが記載されている。そのシステムは、センサを通過する流体と、その流体によって運ばれる異物および／または不純物に関連する静電荷を示す信号を生じる少なくともひとつの静電センサを備えている。センサからの信号は信号調整器によって調整され、調整された信号は、異物および／または不純物に関連する静電荷を表す信号を生じるために、少なくとも移動流体に関連する電荷を表す別の信号とともに、信号プロセッサによって処理される。実際には、２つの静電センサが離れた場所で用いられ、そこからの信号が移動流体中の異物の存在を確認するために、処理される、すなわち相互関係をチェックされる。そのシステムは、機械の磨耗を検出するために極めて有用だが、その理由は、機械磨耗が、システムによって検出可能な帯電粒子を生じるからである。
一局面では、本発明は、機械の潤滑剤をモニターする装置を提供し、その装置は、機械潤滑剤中の静電活動を表す信号を生じるセンサと；センサからの信号を処理して、機械の切迫した磨耗事象を示す、静電活動の前兆（precursor）を検出するための信号プロセッサと；を備えている。
別の局面では、本発明は機械中の潤滑剤をモニターする方法を提供するもので、その方法は、機械潤滑剤中の静電活動を表す信号を発生させること；および、その信号を処理して、機械の切迫した磨耗事象を示す、静電活動の前兆を検出すること；を含む。
別の局面では、本発明は、切迫した磨耗事象を示す、静電活動の前兆を求めて機械中の潤滑剤をモニターすることによって、機械の磨耗を予測する方法とシステムを提供する。
別の局面では、本発明は、機械潤滑流体をモニターする方法とシステムを提供するもので、その方法とシステムでは、磨耗事象に対応する、静電事象の前兆として解釈される変化を求めて、静電信号の活動レベルがモニターされる。
前兆の検出を利用して磨耗／静電事象に先立ってインジケータを作動させることによって、それらの事象を回避するための修正措置を取ることもできる。かくして、本発明によって可能となる事前警告によって、機械の磨耗や破局的故障でさえも回避できるだろう。
本発明の典型的な実施例を、添付の図面を参照して以下に説明する。
図１は潤滑モニターシステムの線図であり；
図２は、図１のシステム中の各種センサから導かれる信号を示す。
添付図面の図１ではギヤボックス１が図示され、関連オイルポンプ２が導管３を介してギヤボックス１に接続されている。導管３はギヤボックスからポンプ２までと、ポンプからギヤボックスまでのオイルの通路を提供する。２つのセンサＳ１とＳ２は、互いにある距離だけ離れた状態で導管３に取り付けられている。センサＳ１とＳ２は静電荷を感知するために設けられ、任意の適切な形のセンサを使用できる。センサＳ１、Ｓ２からの電気ケーブル５、６は、信号調整器７に接続される。信号調整器７は、センサＳ１、Ｓ２からの信号の予備調整を行なうために設けられる。センサＳ１、Ｓ２からの信号は、センサを通過する静電荷によって誘起される。従って信号は弱い傾向があり、信号調整器７のひとつの目的は、信号に強さを与えることである。信号調整器７は、信号からノイズを除去するための粗いフィルターとして働いてもよいし、また必要とあれば、積分および微分回路も含むこともできる。信号調整と信号調整回路はそれ自体が周知であり、ここではこれ以上詳しく説明しない。
信号調整器７からの調整済信号は、信号処理回路すなわちコンピュータ９による後続の分析のためにテープレコーダ８によって記録される。その代わりに、またはそれに加えて、信号処理を、信号処理回路９によってオンラインでリアルタイムに行なってもよい。信号処理の結果は、ユーザーによる点検のために任意の適切な形でディスプレイ１０に表示できる。信号処理コンピュータ９による処理に先立って信号調整器７からの調整済信号をユーザーが点検できるように、オシロスコープ１１をテープレコーダ８に接続してもよい。中でも、信号処理コンピュータ９は、信号を処理して、信号によって表される静電活動レベルを決定する。活動レベルは、信号からのローリング（rolling）ＲＭＳ値を計算することによって決定される。その代わりに、またはそれに加えて、ハイおよび／またはローパスフィルタリング、および／または高速フーリェ変換（Fast Fourier Transforms）（ＦＦＴ）等の方法を信号処理コンピュータで使用して、信号によって表される潤滑剤の静電活動レベルを決定してもよい。
オイルが導管３を通って流れる際、オイルの静電荷は、センサＳ１、Ｓ２の各々に信号を誘起する。オイル中に異物がない場合でも、類似方法で生じてオイルによって運ばれる静電荷によって誘起されるとともに、オイルの曝気（aeration）によって取り込まれる気泡等のノイズ源から誘起されるバックグラウンド信号が存在する。信号調整器７は、センサＳ１、Ｓ２によって検出された上記ノイズ源からの低周波ノイズを濾波するハイパスフィルタを含んでもよい。オイルの流量は既知であり、その知識を用いてセンサからの信号を処理し、それからの更なるノイズを除去することも可能である。
静電荷と、それによる静電信号は、潤滑剤の温度とともに変化する。この温度効果は、潤滑剤が「清浄」、すなわち異物やその他の不純物を含まないときに、潤滑剤温度と静電信号をモニターすることによって補償される。温度効果は再現性があり、従って温度の変化に伴う変動は予測できる。この予測は、静電信号と温度信号をチェックするための基線（baseline）データとして使用される。信号コンピュータ９は、基線データで予測されるものとは異なる（すなわち、所定の温度変化に対して事前に予測、期待されるものとは異なる）静電信号の変化をモニターするように構成される。
センサからの信号の信号対ノイズ（Ｓ／Ｎ）比を増加させるためにノイズ削減技法が使用される。更なるノイズ解消と信号処理技法はWO92/09886に記載され、その教示は引用によって本明細書に組み込まれている。
図１に示すシステムは更に、導管内のオイルの異物を検出するための関連マイクロコントローラ１２を持つ第３センサＳ３を備えている。第３センサＳ３は本発明の実施のために必要なのではなく、単に本発明の背景にある原理を説明するための基準を提供するために含まれる。試験では、オイル中の鉄系異物を感知するために市販の異物モニターシステムが使用され、添付図の図２に示すのがその試験結果である。センサＳ３は感温センサであり、従ってシステムは、温度修正の実行を可能にするための熱電対を備えている。市販のシステムについては、ここではこれ以上詳しく説明しない。
試験では、ＦＺＧ潤滑剤試験機がギヤボックス１として使用された。ＦＺＧ潤滑剤試験機は、既知の条件（例えばギヤのスカッフィング（scuffing））下での磨耗粒子を発生させ得る成形可能なギヤを備えている。
図２は、試験運転中に得られたセンサＳ１〜Ｓ３からの調整済信号と、熱電対１４からの温度信号を示す。図２から分かるように、試験運転はほぼ３０００秒（５０分）続けられ、その間、ギヤボックス内の条件が変化させられた。静電センサＳ１、Ｓ２からの調整済信号は点線２０で表され、市販システムセンサからのひとつの調整済出力信号は線２１で示され、熱電対からの温度信号は線２２で示される。
テストギヤボックスは、正規運転温度に到達させるために、ほぼ定常状態で約１４００秒間運転された。テストギヤボックスは、冷却システム（図示せず）を含み、約１４００秒の後、それは停止された。次に約１６００秒の時点で、オイルの作動温度を高くするためにヒータ（図示せず）のスイッチが入れられた。約２２００秒でギヤボックスの速度は２倍になり、その直後に磨耗事象が起こって異物が生じた。異物はシステムセンサＳ３によって検出されたが、それは線２１のスパイク２３で示されている。異物は静電センサＳ１とＳ２によっても検出され、線２２のピーク２４で示される。ピーク２４は静電事象で、特にセンサＳ１とＳ２がセンサＳ３の上流にあることから、スパイク２３の前に起こる。
ヒータのスイッチを入れたときと、エンジン速度が２倍になったとき（このときに磨耗事象が起こった）との間の期間に、システムセンサＳ３からの信号２１のレベルに、小さいが定常的な増加がある。この増加は温度の増加に対応し、従ってオイル中の異物の増加を示すというよりもセンサの特性であることに注目されたい。システムセンサからの温度修正信号は、そのような増加を示さないだろう。約２３００秒で磨耗事象が起こるまで、オイル中の異物の増加は、実質的にない。
同じ時期に、静電センサＳ１とＳ２からの調整済信号の明らかな増大がある。これらのセンサは温度に敏感ではないが、信号レベルの増大は、予め計算された基線データから事前に予測されるよりも大きい。信号レベルの増大は、従って、オイル中の静電活動の増加に対応する。感知された静電活動の増加は、ギヤボックス内のオイルの負荷の増大の結果としての、オイルの物理／化学反応の増加によって引き起こされる。
多くの潤滑剤は、その試験中に使用したオイルを含め、極圧（ＥＰ）添加剤を含有する。ＥＰ添加剤の性質は、ギヤボックス内のギヤの金属表面にしっかり付着することである。ＥＰ添加剤は、通常６００〜８００℃の高い接触温度に達するまで、ほぼ不活性のままである。これらは全体温度(bulk temperature)ではなく、凹凸の相互作用で生じる。つまり、ギヤ上に局部的な「ホットスポット」が存在しており、ＥＰ添加剤が活性化するのはそれらの場所である。これらの高温度では、ＥＰ添加剤分子は解離して、化学的に極めて活性な帯電核種（charged species）を生じ、これが高温の金属を攻撃して、接触溶着（スカッフィング）の防止に役立つ酸化タイプ皮膜を作り出す。
静電センサは、ＥＰ化学作用によって作られるオイル流中の帯電核種の増加を検出する。酸化皮膜の粒子と解離の副産物は比較的高く帯電されるが、その理由は、酸化皮膜が絶縁体であり、それらを互いに摩擦させることによって静電荷が生じるからである。
速度の倍増に伴って接触が更に極端になると、ギヤ表面の添加剤は圧倒されて、オイル中の電荷に対する添加剤の寄与が減少する。すべての金属対金属接触はその後、接触溶着をもたらし、従って粒子を生じるスカッフィング、つまり磨耗事象をもたらして、静電センサによって静電事象として検出されるとともに、通常方式のセンサによって信号スパイクとして検出される。
最初の完全な金属対金属接触は、アース経路も提供して、帯電レベルを下降させる。これが、信号が磨耗粒子の存在を示し始めるとすぐに静電センサ信号の活動レベルが低下する、もうひとつの理由である。しかしながら、静電センサ信号は、試験の初期よりも高い状態に止まることに注目すべきである。また、信号の大きさは、適切なオイル温度において基線データから予測されるものに比べて増大する。
万一磨耗が激しくなると、全体金属温度すなわちギヤボックス内のギヤの温度が急速に上昇して、オイルと金属表面を酸化させ、静電センサによって検出可能な帯電カーボン粒子を作り出す。予備的なステップ負荷式スカッフィング試験では、軽度のスカッフィングの場合はそうでなかったが、激しいスカッフィングと加熱の場合はオイル中の高い電荷を伴った。
上記から充分理解されることだが、静電センサの使用は、負荷の増大やその他の不利な条件から生じる静電活動の増加の検出を可能にする。そのような静電活動の増加は磨耗事象に対する前兆であり、潤滑剤と機械との間の物理／化学反応の結果として生じる。
上記の検討例では、磨耗事象が起こる前に、センサ信号の明らかな増加があった。状況によっては、前兆はそのような大きな変化で表れないかもしれない。信号処理コンピュータ９は、Ｓ／Ｎ比を増加させるように、かつ、例えば前記のローリングＲＭＳ値、ハイとローパスフィルタリング、およびＦＦＴ信号処理技法を通して前兆の存在を強調するように、構成してもよい。多くの機械の動作は周期的であり、信号処理コンピュータ９でこれを利用して、上記のローリングＲＭＳ値、ハイとローパスフィルタリング、およびＦＦＴを使用して、信号中の事象の前兆を確認することができる。
磨耗事象の前兆を求めて静電信号をモニターすることは、機械の磨耗を回避するために、その事象の前に措置を取ることを可能にする。そのような回避措置は、単に機械の運転速度／負荷の低減であるかもしれないし、機械の運転中（可能な場合）またはエンジンのスイッチオフの状態のいずれかにおける、オイル交換であるかもしれない。図２から分かることだが、前兆は磨耗事象の数分前に検出できる。エンジン停止が必要な飛行機の場合でも、これは、エンジンを損傷することなく安全に着地するための充分な時間をパイロットに与えるだろう。
好ましい実施例に従って本発明を説明したが、言うまでもなく、上記の実施例は単なる例示であり、適切な知識と技術を有する者が想起するような修正と変更は、本発明とその同等技術の精神と範囲から逸脱することなく、実施可能であろう。
【図１】
0003865776.tif 000002
【図２】
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