(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
運転中のコンベアを停止することによりコンベアフレームに衝撃力を加え、加えられた衝撃による前記コンベアフレームの振動強度の時間波形を計測するステップと、
計測された時間波形から前記コンベアフレームの固有振動数を求めるステップと、
求められた固有振動数から、前記コンベアフレーム等に加わる最大応力値を算出するステップと、
算出された最大応力から前記コンベアフレームの劣化度を診断するステップとを含むことを特徴とするコンベアフレームの劣化診断方法。
【請求項２】
コンベアフレームがギャラリーを有する場合、ギャラリーの少なくとも、一方側面の縦部材に鉛直方向加速度を測るセンサーを取付けて、コンベアフレームの振動強度の時間波形を計測することを特徴とする請求項１記載のコンベアフレームの劣化診断方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンベアフレームの劣化診断方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ベルトコンベアのフレーム構造の劣化診断は、主に保全員の目視点検に基づく主観的、定性的な評価によっていた。フレームの上弦材、下弦材などの各部材の肉厚を丹念に測定し、腐食減肉度を評価することも考えられるが、フレーム構造の建設時の初期キャンバー量が不明なことが多く、現場での精密なたわみ量の測定が困難なため、定量的な評価には向いていない。
【０００３】
そして、上述の目視点検による方法では、フレームの更新や補修の的確な要否判定を行うことは難しく、また、肉厚測定による方法は労力と時間がかかるという問題があり、また、フレーム構造の初期情報（キャンバー等）が分からないことが多く、評価ができないという問題があった。
【０００４】
本出願人は、このような問題を解消するものとして、先に、特願2000-210411号を出願している。これは、ベルトコンベアフレームに衝撃的な力を加え、この衝撃によるベルトコンベアフレームの振動強度の時間波形を計測する工程と、計測された振動強度の時間波形から、ベルトコンベアフレームの固有振動数を求める工程と、この固有振動数からベルトコンベアフレームに加わる最大応力を算出する工程と、この最大応力からベルトコンベアフレームの劣化度を評価する工程からなるベルトコンベアフレームの劣化診断方法である。
【０００５】
前記工程で衝撃力を与える方法としては、▲１▼小型ベルトコンベアでは、フレームをハンマーで打撃する。▲２▼中型以上のベルトコンベアでは、検査員がコンベア歩廊上で飛び上がり、着地により衝撃を与える。が採用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の方法では、輸送量が多く、高架部分の多い大型ベルトコンベア、例えば、高炉の装入ベルトコンベアのフレームに、加速度センサーで十分測定できる大きさの振動を生じさせることができず、劣化診断ができないという問題がある。
【０００７】
本発明は、高炉の装入ベルトコンベアフレームのような大型のベルトコンベアフレーム等でも、十分劣化診断ができる方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を以下の方法によって達成する。
【０００９】
請求項１の方法は、運転中のコンベアを停止することによりコンベアフレームに衝撃力を加え、加えられた衝撃による前記コンベアフレーム等の振動強度の時間波形を計測するステップと、計測された時間波形から前記コンベアフレームの固有振動数を求めるステップと、求められた固有振動数から、前記コンベアフレーム等に加わる最大応力値を算出するステップと、算出された最大応力から前記コンベアフレームの劣化度を診断するステップとを含むコンベアフレームの劣化診断方法である。
【００１０】
請求項２の方法は、請求項１の方法において、コンベアフレームがギャラリーを有する場合、ギャラリーの少なくとも、一方側面の縦部材に鉛直方向加速度を測るセンサーを取付けて、コンベアフレームの振動強度の時間波形を計測するコンベアフレームの劣化診断方法である。
【００１１】
上記方法によれば、運転中のコンベアを、停止するだけで、コンベアフレームにコンベアフレームの１次固有振動数を求めるに十分な衝撃力を与えることができる。従って、検査員が重いハンマーで槌打する労力が不要であり、また、検査員が歩廊の上で飛び上がるといった不安全行動を防止することができる。
【００１２】
また、従来のハンマー槌打等の方法では、十分な衝撃力を与えることができない大型のコンベアフレームに十分な衝撃力を与え、フレームの劣化診断をすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
ベルトコンベアフレーム等の構造物の劣化度は、その部材にかかる応力の大きさで評価することができる。本発明では、ベルトコンベアフレーム（以下、コンベアフレームと呼称）の固有振動数から部材にかかる応力を求め、求められた応力からコンベアフレームの劣化度を評価する。
【００１４】
本発明の実施の形態を図面に基づいて以下に説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係る劣化診断装置の概略構成を示す図、図２は、図１に示す劣化診断装置を用いた診断方法のフローチャートである。
【００１６】
図において、先ず、コンベア・フレーム構造１１に対して衝撃力を加えることにより振動を与え、コンベア・フレーム構造１１の振動をコンベアに設置された複数のセンサー１２で検出する（ステップS1）。
【００１７】
各センサー１２は、振動強度（振動加速度）を電気信号に変換して連続的に出力する。各アンプ（増幅器）１３の出力はデータ収集器１４に入力され、データ収集器１４は入力された電気信号を、振動強度の時間波形（以下、振動データと呼称）をデジタル変換してコンピュータ１５に対して出力する。なお、データ収集器１４はコンピュータ１５に設けられた拡張スロットに挿入された拡張ボードでも良い。
【００１８】
次いで、コンピュータ１５は、記憶媒体１６に格納された劣化診断プログラム２０に基づいて各処理を実行する。以下に、劣化診断プログラム２０に基づいてコンピュータ１５が実行する各機能を説明する。
【００１９】
次いで、劣化診断プログラム２０の固有振動数抽出機能２１により、振動データから１次固有振動数を推定する（ステップS2）。固有振動数抽出機能２１による振動データからの１次固有振動数の抽出について、図３に示すフローチャートにより説明する。
【００２０】
先ず、周波数分析機能２２により、あるセンサー１２で得られた振動データに対してフーリエ変換を行い、振幅の周波数波形データに変換する（ステップS21）。次いで、振動モード抽出機能２３により、振幅の周波数波形データから振幅のピークを探し、振幅ピークでの周波数を求める（ステップ２２）。次いで、最大応力推定機能２５を用いて全てのセンサーの測定結果について、振幅ピークの周波数を求めたかを確認する（S23）。全てのセンサーの測定結果から振幅ピークの周波数が求められていない場合には、上記ステップS21〜S23を順次行い、振幅ピークの周波数を求める。次いで、固有振動数取得機能２４より得られた複数の周波数から、既知の統計的手法を用いて確実性の高い１次曲げ固有振動数を推定する（S24）。以上のステップで、振動データから１次曲げ固有振動数の抽出が終了する。
【００２１】
１次曲げ固有振動数が抽出された後（ステップS2終了後）、最大応力推定機能２５を用いて、得られた１次曲げ固有振動数fから、磁気デスク内に格納された関係グラフを参照して最大応力値を推定する（ステップS3）。
【００２２】
ここで、固有振動数から部材にかかる応力を推定することができる理由を以下に説明する。
【００２３】
コンベア・フレーム（１スパン）を矩形一様断面単純支持梁とみなすと、最大応力値σは、次の式（１）で表すことができる。
【００２４】
【数１】
0003843756.tif 000002
ここで、ρ：密度、L：梁の長さ（スパン長）、H：梁の長さ（コンベア・フレーム高さ）である。
【００２５】
また、鉛直１次曲げ固有振動数fは、次の式（２）で表すことができる。
【００２６】
【数２】
0003843756.tif 000003
ここで、Eはヤング率である。
【００２７】
式（１）、（２）より、最大応力σと鉛直１次曲げ固有振動数fの関係は、
【００２８】
【数３】
0003843756.tif 000004
で表される。
【００２９】
よって、固有振動数から最大応力値を推定できるのである。実際のコンベア・フレームは、断面が一様でないので、最大応力値算出式は式（３）と若干異なるが、鉛直１次曲げ固有振動数と最大応力値との関係は、実験および数値解析により求められる。
【００３０】
鉛直１次曲げ固有振動数と最大応力値との関係を図４に示す。図４において、縦軸は最大軸応力値（N/mm2）、横軸はH/(f2L2)[f: 鉛直１次曲げ固有振動数、H:機材長（コンベア・フレーム高さ）、L:スパン長]である。図４では、H/Lが0.146, 0.089, 0.048の場合について示してある。
【００３１】
従って、図１に示すように、固有振動数の計測値から最大応力を推定することができ、この最大応力からコンベアフレームの劣化診断を行うことができる。
【００３２】
本装置では、図４に示すような、測定対象のコンベアフレームにおける鉛直１次曲げ固有振動数と最大応力値との関係を磁気デスクに格納しておく。鉛直１次曲げ固有振動数が求められたら、この関係を参照して最大応力値を推定する。
【００３３】
次いで、老朽劣化診断機能２６より推定された最大応力値と、記憶媒体１６に格納された許容応力値２７とを比較し、コンベアフレームの劣化診断を行う（ステップ４）。この許容応力値は、コンベアフレームの構成部材、スパン長等のコンベアフレーム形状から予め求められたものである。そして、比較の結果からコンベアフレーム構造の老朽劣化度を診断する。
【００３４】
診断の結果、最大応力値が許容応力値より小さい場合には、コンベアフレーム構造が劣化していないと評価し、最大応力値が許容応力値より大きい場合には、コンベアフレーム構造が劣化していると評価する。そして、診断結果をCRT１７に表示させる。診断結果からコンベアフレーム構造の補修或いは更新の判断を行う（ステップS5）。
【００３５】
ここで、前記ステップS1において、輸送量が多く、高架部分の多い大型のベルトコンベア、例えば、高炉の装入ベルトコンベア等のに振動を生じさせるための衝撃力の加える方法について説明する。「課題」で述べたように、このような大型のコンベアフレームに、従来の方法、すなわち、検査員が歩廊上で飛び上がって衝撃力を加える方法によっては、センサーで測定できる振動を生じさせることはできない。
【００３６】
そこで、発明者等は、高炉装入ベルトコンベアのコンベアフレーム構造に衝撃力を与える他の方法について検討した。この過程で、このような大型のベルトコンベアでも、▲１▼コンベア停止状態から起動するとき（以降、起動時と呼称）、▲２▼稼働状態から停止するとき（以降、停止時と呼称）にフレームが衝撃力を受け振動することに着目した。
【００３７】
そこで、装入ベルトコンベア（輸送物：鉱石、コークス、能力：最大4000t/h、水平機長：360m、ヘッド高さ：70m）で、起動時および停止時のどちらが、フレームにかかる最大応力値を推定するために必要な鉛直１次曲げ固有振動数が求めるのに適しているかを調査した。
【００３８】
ここで、調査対象の装入ベルトコンベアの形状について説明する。
【００３９】
図５は、調査した装入ベルトコンベアの側面図、図６は、図５のＡ−Ａ矢視図である。図において、１は鉄鉱石のリザービングホッパー、２はコークスの秤量ホッパー、３はコンベアベルト駆動装置、６は高炉である。この装入ベルトコンベアのコンベアフレームは、リザービングホッパー１〜コンベアベルト駆動装置３の間、地上から低い位置に配設されたギャラリー無しフレーム４と、コンベアベルト駆動装置３〜高炉炉頂の間、地上から高い位置に配設された、５スパンからなるギャラリーフレーム５1〜５5から構成されている。
【００４０】
前記コンベアフレームのうち、No.5スパンのギャラリーフレーム５5の南北縦部材５a、５aに、それぞれ、鉛直方向加速度を測るセンサーと水平方向加速度を測るセンサーを取付け、コンベアの▲１▼起動時および▲２▼停止時における加速度の波形等を北側鉛直方向（NV）、北側水平方向（NH）、南側鉛直方向(SV)、南側水平方向(SH)について調べた。
【００４１】
調査結果を図７〜図１４に示した。ここに、図７は停止時における各方向の加速度の時間波形を、図８は停止時における北側鉛直方向の加速度周波数成分を、図９は停止時における北側水平方向の加速度周波数成分を、図１０は停止時における南側鉛直方向の加速度周波数成分を、図１１は停止時における北側水平方向の加速度周波数成分を、図１２は停止時における1.37Hzの加速度鉛直成分の南北の位相関係を、図１３は停止時における2.23Hzの加速度鉛直成分の南北の位相関係を示す。また、図１４は起動時における各方向の加速度の時間波形を示す。
【００４２】
以上調査結果から、以下のことが分かった。
【００４３】
停止時の衝撃で十分な加振力が得られ、自由振動波形が得られる：図１参照。この自由振動波形を周波数分析すると、北側鉛直方向および南側鉛直方向において1.37Hzと2.23Hzに明瞭なピークが認められた：図８、図１０参照。そこで、1.37Hzおよび2.23Hz成分の南北位相関係を確認するために、ディジタルバンドパスフィルタによる信号処理を行ったところ、どちらの周波数成分も同位相で振動していることが分かった。すなわち、捻れ振動はないことが分かった（図１２、図１３参照）。従って、停止時の衝撃により得られる振動波形は、１次固有振動数を抽出するのに適している。
【００４４】
一方、起動時の衝撃によって得られる振動波形は、起動による強制振動の加速度レベルが大きく、強制振動波形の中に自由振動波形が隠れてしまうので、１次固有振動数を抽出することができない（図１４参照）。
【００４５】
以上の事実を考慮すると、大型のベルトコンベアフレームの１次固有振動数を求めるには、ベルトコンベア停止時の衝撃力をコンベアフレームに加えることが適切である。
【００４６】
なお、このベルトコンベア停止時の衝撃力をコンベアフレームに加える方法は、小型、中型のベルトコンベアフレームや、プレートコンベア、パンコンベア、チェーンコンベア等のコンベアフレームの劣化診断にも適用できることは言うまでもない。
【００４７】
上述した実施形態では、診断時に求められた固有振動数から直接、フレーム構造の劣化を判定することもできる。その例を以下に列記する。
【００４８】
例えば、診断時に求められた固有振動数と、フレーム構造物のスパン、部材寸法等の代表パラメータにより求められる健全時の固有振動数と比較・評価してフレーム構造物の劣化度を診断する。あるいは、新品時に予め求められたフレーム構造物の固有振動数と、診断時に求められた固有振動数とを比較・評価してフレーム構造物の劣化度を診断する。或いは、診断時に求められた固有振動数と、有限要素法（FEM: finite element method）解析により求められる健全なフレーム構造物の固有振動数とを比較評価してフレーム構造物の劣化度を診断する。
【００４９】
なお、実施形態において説明した振動数の時間変化に対するデータ処理を行うプログラムの各機能は、回路によって実現することもできる。
【００５０】
ここで、本発明における記録媒体としては磁気ディスク、フロッピーディスク、ハードディスク、光ディスク（CD-ROM, CD-R, DVD等）、光磁気ディスク(
MO等)、半導体メモリ等、にプログラムを記憶でき、かつコンピュータが読取り可能な記憶媒体であれば、その記憶形式は何れの形態であってもよい。
【００５１】
また、記憶媒体からコンピュータにインストールされたプログラムの指示に基づきコンピュータ上で稼働しているOS（オペレーティングシステム）データベース管理ソフト、ネットワークソフト等のMW（ミドルウエア）等が本実施形態を実現するための各処理の一部を実行してもよい。
【００５２】
さらに、本発明における記憶媒体は、コンピュータと独立した媒体に限らず、LANやインターネット等により伝送されたプログラムをダウンロードして記憶または、一時記憶した記憶媒体も含まれる。
【００５３】
なお、本発明におけるコンピュータは、記憶媒体に記憶されたプログラムに基づき、本実施形態における各処理を実行するものであって、パソコン等の１つからなる装置、複数の装置がネットワーク接続されたシステム等の何れの構成であってもよい。
【００５４】
また、本発明におけるコンピュータとは、パソコンに限らず、情報処理機器に含まれる演算処理装置、マイコンも含み、プログラムによって本発明の機能を実現することが可能な機器、装置を総称している。
【００５５】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、運転中のコンベアを停止するだけで、コンベアフレームにコンベアフレームの１次固有振動数を求めるための衝撃力を与えることができる。従って、検査員が重いハンマーで槌打する労力が不要であり、また、検査員が歩廊の上で飛び上がるといった不安全行動を防止することができる。
【００５６】
また、従来のハンマー槌打等の方法では、十分な衝撃力を与えることができない大型のコンベアフレームに十分な衝撃力を与え、その劣化診断をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る劣化診断装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す劣化診断装置を用いた診断方法のフローチャートである。
【図３】図２に示すステップS2の固有振動数を推定する方法の詳細を説明するフローチャートである。
【図４】鉛直１次曲げ固有振動数と最大応力値との関係を示す特性図である。
【図５】調査した装入ベルトコンベアの側面図である。
【図６】図５のＡ−Ａ矢視図である。
【図７】装入ベルトコンベア停止時におけるギャラリーフレームの南北縦部材各方向の加速度時間波形を示す図である。
【図８】装入ベルトコンベア停止時における北側鉛直方向の加速度周波数成分を示す図である。
【図９】装入ベルトコンベア停止時における北側水平方向の加速度周波数成分を示す図である。
【図１０】装入ベルトコンベア停止時における南側鉛直方向の加速度周波数成分を示す図である。
【図１１】装入ベルトコンベア停止時における南側水平方向の加速度周波数成分を示す図である。
【図１２】装入ベルトコンベア停止時における1.37Hzの加速度鉛直成分の南北の位相関係を示す図である。
【図１３】装入ベルトコンベア停止時における2.23Hzの加速度鉛直成分の南北の位相関係を示す図である。
【図１４】装入ベルトコンベア起動時における各方向の加速度の時間波形を示す図である。
【符号の説明】
１  リザービングホッパー
２  コークス秤量ホッパー
３  コンベアベルト駆動装置
６  高炉
４  ギャラリー無しフレーム
５1〜５5  ギャラリーフレーム
５a、５b  縦部材
１１  コンベアフレーム構造
１２  センサー
１３  アンプ
１４  データ収集器
１５  コンピュータ
１６  記憶媒体
１７  CRT
２０  劣化診断プログラム
２１  固有振動数抽出機構
２２  周波数分析機能
２３  振動モード抽出機能
２４  固有振動数取得機能
２５  最大応力推定機能
【図１】
0003843756.tif 000005
【図２】
0003843756.tif 000006
【図３】
0003843756.tif 000007
【図４】
0003843756.tif 000008
【図５】
0003843756.tif 000009
【図６】
0003843756.tif 000010
【図７】
0003843756.tif 000011
【図８】
0003843756.tif 000012
【図９】
0003843756.tif 000013
【図１０】
0003843756.tif 000014
【図１１】
0003843756.tif 000015
【図１２】
0003843756.tif 000016
【図１３】
0003843756.tif 000017
【図１４】
0003843756.tif 000018