(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受で支持された回転軸を有する回転機械の運転中に発する振動の変化から異常を診断する方法であって、
前記回転軸の周方向に位相をずらして少なくとも４個の振動検出器を前記軸受から離間してこの回転機械本体のケーシングに配置するにあたり、前記回転軸の周方向に位相をずらした少なくとも２個の振動検出器を一の組として、他の組みの少なくとも２個の振動検出器を前記回転軸の軸方向の異なる位置に配置し、
前記それぞれの振動検出器によって同時に検出された振動波形について周波数分析を行い、各々の振動波形について、回転周波数を中心としてその前後の周波数域を含む周波数帯域での振動振幅を求め、
求めた振動振幅のうち最も振動振幅の大きい振動振幅に対応する振動波形を基準と設定して他の振動波形について回転周波数での位相を求め、
当該他の振動波形に対応する振動検出器について、得られた振動振幅と位相からそれぞれの振動ベクトルを求め、
前記回転機械の正常運転状態下で予め周波数分析を行うことで前記それぞれの振動振幅機に対応させて求めておいた基準振動ベクトルと、前記振動ベクトルとの差を変化ベクトルとして求め、
前記変化ベクトルを所定の判断基準と比較することにより、軸受の異常発生の確からしさを定量的に判断することを特徴とする回転機械の異常診断方法。
【請求項２】
前記判断基準は、基準ベクトルの終点を中心として、異常事象としての判断の基礎となるしきい値を半径とする円からなり、前記変化ベクトルの前記円内における大きさおよび方向から異常発生の確からしさを定量的に判断することを特徴とする請求項１に記載の回転機械の異常診断方法。
【請求項３】
前記判断基準は、経験的に起こりうる異常事象に対して予め設定されているメンバーシップ関数からなることを特徴とする請求項３に記載の回転機械の異常診断方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポンプ等の回転機械の異常診断方法に係り、特に、回転軸の軸受けの発する振動を検出して異常の有無を診断する回転機械の異常診断方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に発電プラントに用いられるポンプやタービンなどの回転機械では、運転中に、回転軸の軸受に摩耗が進行し、何らかの異常が発生すると振動に変化が現れる場合が多い。このため、この種の回転機械では、回転軸の軸受の異常の有無を常時監視する手法が従来から採用されている。
【０００３】
図７は、振動の問題になる回転機械の一例を示す。この図７において、５０は、羽根車が収容されたケーシングで、５１ａ、５１ｂは、羽根車の回転軸を回転自在に支持する軸受である。５２は駆動モータである。
【０００４】
軸受５１ａ、５１ｂで摩耗が進行していくと、軸受のばね定数、減衰定数が低下し、軸振動が大きくなる。そのままに放置していくと、羽根車がケーシング５０と接触し、終いにはケーシング５０自体の振動が大きくなって、ケーシング５０に接合されている配管等に疲労破壊が生じるに至る。このような異常振動を未然に防ぐために、予め軸受５１ａ、５１ｂには、許容される摩耗量が設定されており、通常は、定期的な分解点検により、軸受けの摩耗量を計測し、軸受の寿命を監視している。
【０００５】
また、軸受５１ａ、５１ｂには、振動を加速度から評価するための加速度計５３ａ、５３ｂが軸受ハウジングに取り付けられている。また、軸振動の周波数解析を実施できるように軸振動計５４が配置されている。振動の採取による軸受の異常を監視する場合、従来は、回転軸の基準の周方向位置を検知するために回転パルス計５５を利用して周波数解析を行い、加速度計５３ａ、５３ｂ、軸振動計５４により検出した振動について回転周波数での位相の大きさの絶対値から異常の有無を判定している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、回転機械によっては、回転軸が外部に露出しておらずに回転パルスを計測できない場合があり、そのような回転機械では、回転周波数での位相を求めることができないため、軸受の異常診断を簡易に実施することができない状況がある。
【０００７】
他方、振動の周波数解析による異常診断では、軸受の摩耗に起因する振動の変化は、ごくわずかであるので、軸受の摩耗量が許容値と比較してどうかというような精度の高い診断までは困難であるのが実情である。したがって、通常では、振動による監視を並行しながら、定期的に回転機械の分解点検を行って、軸受の摩耗量を計測して寿命に達したかどうかを判断している。実際問題としては、回転機械の分解点検は、大掛かりな作業となることから頻度を多くすることができないことから、軸受の摩耗寿命に対して十分余裕があるにもかかわらず早めに軸受を交換している場合が多い。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、軸受の摩耗に起因する異常を定量的にしかも精度良く診断することできるようにした回転機械の異常診断方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、請求項１に記載した発明は、軸受で支持された回転軸を有する回転機械の運転中に発する振動の変化から異常を診断する方法であって、前記回転軸の周方向に位相をずらして少なくとも４個の振動検出器を前記軸受から離間してこの回転機械本体のケーシングに配置するにあたり、前記回転軸の周方向に位相をずらした少なくとも２個の振動検出器を一の組として、他の組みの少なくとも２個の振動検出器を前記回転軸の軸方向の異なる位置に配置し、前記それぞれの振動検出器によって同時に検出された振動波形について周波数分析を行い、各々の振動波形について、回転周波数を中心としてその前後の周波数域を含む周波数帯域での振動振幅を求め、求めた振動振幅のうち最も振動振幅の大きい振動振幅に対応する振動波形を基準と設定して他の振動波形について回転周波数での位相を求め、当該他の振動波形に対応する振動検出器について、得られた振動振幅と位相からそれぞれの振動ベクトルを求め、前記回転機械の正常運転状態下で予め周波数分析を行うことで前記それぞれの振動振幅機に対応させて求めておいた基準振動ベクトルと、前記振動ベクトルとの差を変化ベクトルとして求め、前記変化ベクトルを所定の判断基準と比較することにより、軸受の異常発生の確からしさを定量的に判断することを特徴とするものである。
【００１０】
この発明によれば、求めた振動振幅のうち最も大きい振動振幅に対応する振動波形を基準と設定した振幅、位相から振動ベクトルを求め、基準振動ベクトルに対して比較対象の振動ベクトルがどの程度変化しているかを両者の変化ベクトルに基づいて判断するため、容易に振動計測、あるいは回転パルスが計測できない回転機械について振動モードの変化を定量的に診断でき、また、軸受摩耗によるわずかな振動モードの変化も捉えることができる。
【００１２】
上記判断基準としては、請求項２に記載した発明のように、基準ベクトルの終点を中心として、異常事象としての判断の基礎となるしきい値を半径とする円からなり、前記変化ベクトルの前記円内における大きさおよび方向から異常発生の確からしさを定量的に判断するようにすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による回転機械の異常診断方法の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明による診断方法が適用される回転機械の例としてのキャンドポンプ１０を模式的に示している。このキャンドポンプ１０は、回転軸が外部に露出していない構造のもので、従来技術で説明したように、外部から回転パルスが計測できない構造になっている。
【００１４】
このキャンドポンプ１０は、本体の下半分が基礎台１１に埋設されるようにして設置されており、羽根車１２と回転軸１３とロータ１４が一体となり、ケーシング１５の内部に密封されている。回転軸１３は、上部軸受１６と下部軸受１７によって回転自在に支持されている。この上部軸受１６ａ、下部軸受１６ｂが摩耗すると、軸受のばね定数や減衰定数が低下し、軸振動が大きくなる。そのまま軸受の摩耗を放置していると、ケーシング１５の振動が大きくなってケーシング１５に接合されている図示しない配管等が疲労破壊するに至ることがある。
【００１５】
この上部軸受１６ａと下部軸受１６ｂの摩耗に起因する振動の変化を振動の大きさだけでなく、振幅および位相をもった振動モードの変化として定量的に検出するために、ケーシング１５には次のような箇所に加速度計が配設されている。
【００１６】
図２（ａ）は、ケーシング１５の下部に取り付けた加速度計１７、１８の取付位置を示している。この場合、加速度計１７と加速度計１８とは軸方向の位置は同じであるが、周方向回転方向に９０度偏位した位置関係にある。同様に、図２（ｂ）は、ケーシング１５の上部に取り付けた加速度計１９、２０の取付位置を示している。この場合、加速度計１９と加速度計２０は、下部の加速度計１７と加速度計１８とは軸方向にずれた位置関係にあるが、周方向回転方向の位置は下部の加速度計１７、１８と同じに９０度偏位している位置関係にある。
【００１７】
このような４個の加速度計１７乃至２０により同時に振動の変化を計測して周波数分析を行い、以下のようにして上部軸受１６ａと下部軸受１６ｂの摩耗状態を診断する。
【００１８】
図３は、キャンドポンプ１０の運転中における回転周波数での振動モードを示している。ケーシング下部の加速度計１７、１８により計測される振動モードは、楕円２０ａ（正常時）、楕円２０ｂ（劣化時）の波形で表示することができる。同様にケーシング上部の加速度計１９、２０により計測される振動モードは、楕円２１ａ（正常時）、楕円２１ｂ（軸受劣化時）で表示することができる。正常な運転時と、軸受に劣化が生じたときとでは振動モードの波形が異なってくるので、両者を比較することで軸受摩耗を診断できることがわかる。例えば、両者について、振動波形の偏向方向及びその長軸、短軸の大きさを比較することである程度の診断は可能である。本発明では、具体的に以下のようにして診断する。
【００１９】
そこでまず、４個の加速度計１７乃至２０により採取した振動を周波数分析することにより、それぞれの振動について回転周波数を中心としてその前後の周波数域を含む周波数帯域での振動振幅を求める。
次いで、求めた振動振幅のうち、振幅が大きいものを基準の振動計として（ここでは例えば、加速度計１７で計測した振動の振幅が最も大きかったものとする。）、他の加速度計１８、１９、２０で得た振動波形について、加速度計１７の振動波形を基準としてその位相を算出する。
【００２０】
このようにして、例えば、加速度計１８で得た振動波形については、図４において、それ自体の振幅と、基準となる加速度計１７の振動波形に対して所定の位相をもった振動ベクトル３２としてベクトル表示を行うことができる。他の加速度計１９、２０のそれぞれで計測した振動について同じようにして振動ベクトルを表示する。
【００２１】
図４において、３１は、例えば、基準の振動ベクトルであり、予め、図３（ａ）の正常な運転状態において計測し、周波数分析を行ってそれぞれの加速度計に対応させて求めておいた基準振動ベクトルである。
【００２２】
そこで、基準振動ベクトル３１に対して比較対象の振動ベクトル３２がどの程度変化しているかをみるために、両者のベクトル差の変化ベクトル３３を求める。ここで、図８は、図２に示すような周方向に離れた２個の加速度計１７、１８により得た振動のリサージュ波形の変化を示す。６１は、加速度計１８によるリサージュ波形で、６２は加速度計１７によるリサージュ波形である。軸受の摩耗の進行に起因する振動の変化の場合、両者のリサージュ波形６１、６２の間に振幅の差は少なく、軸受の摩耗を検知できない。しかしながら、図９に示すように、リサージュ波形６１の加速度振幅ａ17に対する振動ベクトル６３と、リサージュ波形６２の加速度振幅ａ17とから加速度計１８の加速度計１７を基準とする振動ベクトルを求めれば、加速度振幅ａ18の変化ベクトル６５として、細い楕円が幅広の楕円となる変化を検出することができる。
【００２３】
次に、図４において、符号３４は、変化ベクトル３３について、軸受けの摩耗の進行が正常と異常との間でどの程度のものであるかを判断するための基準となるものである。この円３４は、基準ベクトル３１の終点を中心として、上部軸受１６ａまたは下部軸受１６ｂの摩耗が交換を必要とするような異常事象として認定される程度に進んだとの判断の基礎となるしきい値を半径とする円からなるもので、変化ベクトル３３の大きさが、異常と認定される前記しきい値を半径とする円３４内において、その中心からどの程度離れているかをその大きさおよび方向の両面から評価し、これにより異常発生の確からしさを定量的に判断する。例えば、変化ベクトル３３の終点が円３４に近づいているほど、摩耗が確実に進行していると評価することができる。なお、図４において、しきい値を半径とする円３４の替わりに、振幅の大きさと位相について上下限値を設けるようにしてもよい。
【００２４】
このような異常事象に対する判断の確からしさをより定量的にするために、図５に示すようなメンバーシップ関数４１を利用して、しきい値ｓに対する上記の変化ベクトル３３の大きさの割合を以って、異常事象に対する確信度に置き換える。なお、このメンバーシップ関数４１は、実際の事例による軸受摩耗量等を調べてその経験的なデータに基づいて、変化ベクトルの大きさを軸受摩耗に起因する異常事象に関連付けて定量的に評価できるように予め設定されているものである。なお、正常な運転状態でも変化ベクトル３３は検出されることから、メンバーシップ関数４１には、所定の幅で不感領域を設けている。
【００２５】
なお、基準となる加速度計１８での振動の振幅については、図６に示すようなメンバーシップ関数４２を利用して、同じようにして、異常事象に対する確信度を定量的に評価するようにしてもよい。この図６で示すメンバーシップ関数４２では、振幅の場合、軸受摩耗量が小さくても振幅が大きくなる場合があるため、下限しきい値Ｓ1と上限しきい値Ｓ2が設定され、その中間に不感領域が設定されている。
【００２６】
以上のようにして、定量的に得られた確信度データと、実際の軸受摩耗の異常事例ごとに収集蓄積されたデータとを比較することにより、相当の蓋然性を以って軸受摩耗量を推定し、許容摩耗量との比較において交換が必要がどうかの判断が可能となる。なお、軸受摩耗だけでなく、確信度データを従来から行われているプロセス量（電流、流量）とももにポンプの運転状態の異常の有無を診断するデータとして利用することも可能である。
【００２７】
以上、本発明について加速度計を４個使用した実施形態を挙げて説明したが、ケーシングの上下のうち一方の方で異常に対して敏感な方の加速度計を２個以上選定するようにしてもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、回転軸について外部から容易に振動計測や回転パルスの計測ができない回転機械について、軸受摩耗等による異常を定量な確度をもって診断できるので、回転機械の信頼性を向上させることが可能となる。
【００２９】
また、軸受けの摩耗量についても定量的に推定可能となるため、軸受の寿命を推定することができ、適正な時期に交換を実施で、適正な保守を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による診断方法が適用される回転機械を示す説明図。
【図２】本発明の一実施形態における加速度計の配置を示す説明図。
【図３】図２の加速度計により計測した振動モードの変化を示す説明図。
【図４】本発明の実施形態による振動ベクトル図。
【図５】本発明の実施形態において、診断データから確信度を算出するメンバーシップ関数の例を示す説明図。
【図６】他のメンバーシップ関数の例を示す説明図。
【図７】従来の回転機の診断方法の説明図。
【図８】周方向に離れた２個の加速度計により計測した振動のリサージュ波形の変化を示す図。
【図９】図８のリサージュ波形の振動ベクトルの変化を示す図。
【符号の説明】
１０  キャンドポンプ
１１  基礎台
１２  羽根車
１３  回転軸
１４  ロータ
１５  ケーシング
１６  上部軸受
１７  下部軸受
１７〜２０  加速度計
３１  基準ベクトル
３２  振動ベクトル
３３  変化ベクトル
４１  メンバーシップ関数
４２  メンバーシップ関数
【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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