(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転機械の運転時に発生する振動より回転機械の異常原因を診断するシステムにおいて、
上記回転機械の回転速度を危険速度で無次元化した無次元速度を、複数の診断範囲に分割し、上記回転機械に発生する種々の異常原因を、各異常原因が表れる無次元速度に応じて上記診断範囲に分類し、
上記各診断範囲に、上記異常原因に応じて発生する周波数特性を予め選定し、上記回転機械の運動時に計測された振動データと上記選定された周波数特性とを比較して、上記回転機械に生じた異常原因を診断することを特徴とする回転機械の異常診断システム。
【請求項２】
上記無次元速度で分割した診断範囲の数は、１次〜３次危険速度毎に４以上６以下としている請求項１に記載の回転機械の異常診断システム。
【請求項３】
上記異常原因に応じて選定する周波数特性は、周波数分析結果から抽出される回転機械の回転数成分（ｆｎ）と、特徴的な周波数成分（高周波、低周波、２ｆｎ、ｆｎ／２、回転体と軸受によって決まる危険速度ｆｃ等）からなる請求項１または請求項２に記載の回転機械の異常診断システム。
【請求項４】
上記周波数特性が近似した異常原因を予めグループ化し、上記選定された周波数特性と実測された周波数特性とを比較して、適合している場合は、上記選定された周波数特性に対応するグループ内の異常原因による異常と見なし、その後、精密診断により上記グループ内の特定異常原因に絞り込む構成としている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の回転機械の異常診断システム。
【請求項５】
振動検出センサーと、該振動検出センサーで得られた検出信号を振動データへと変換する演算処理器と、該振動データより異常を診断するソフトウェアとを備え、
上記ソフトウェアは、上記診断範囲を分類する分類部と、各診断範囲毎に診断する診断部と、上記周波数特性が近似した異常原因を集めたグループ部とを備えている請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の回転機械の異常診断システム。
【請求項６】
上記振動検出センサーからの検出信号を演算処理器にて振動データへと変換処理し、その振動データを直接あるいは通信ネットワークを介して上記ソフトウェアを備えた情報処理機器に送信して診断する請求項５に記載の回転機械の異常診断システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転機械の異常診断システムに関し、詳しくは、回転機械の運転速度を危険速度で無次元化した無次元速度を複数の診断範囲に場合分けし、該診断範囲毎に適切な診断を行うことにより、異常原因の誤診を防ぐものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の技術革新により機械設備は高度化・高性能化しており、これら機械設備に対する社会責任や経済性・生産性の観点から、機械設備の異常診断の重要性が注目視されている。
かかる観点から、大型回転機械についても異常振動を早期に発見し対策を行うために適切な異常診断技術の開発が望まれている。
【０００３】
従来、大型回転機器の異常運転の簡易診断手法に関して特開昭５９−９４０１８号公報等では、図８に示すように、回転機械に設置したセンサーからの検出信号を信号入力部３にて取り込み、故障原因推定部４は該信号入力部３から受信した振動データＳ１を周波数分析して、故障因果表記憶部５のデータベースと照合して得られた診断結果を結果表示部６にて表示している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記診断方法では、周波数特性が非常に似通っている異なる異常原因を判別することが難しく、時には実際には発生していない異常原因を診断してしまう恐れがある。
また、自励振動のような異常原因の場合には、異常振動の発生条件が運転速度により限定されているにもかかわらず、上記故障因果表を用いた診断では予め診断を行わない設定をしておかないと、起こりえない運転速度で異常を検知してしまう問題がある。
【０００５】
さらには、クラックの生じた軸や非対称軸などの異常原因の場合には、回転機器の運転速度が危険速度に対してどの範囲に存在しているかによって症状の現れ方に違いが生じるため、つまり、回転機械の回転数と固有振動数の比がどのような値であるかによって異常振動が強く現れたりあまり現れなかったりするため、上記故障因果表により固定的に診断すると誤診しやすい場合がある。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、周波数特性が近似する異なる異常原因間の誤診を防ぎ、運転速度による症状の違いを考慮した適切な診断手法を提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、回転機械の運転時に発生する振動より回転機械の異常原因を診断するシステムにおいて、
上記回転機械の回転速度を危険速度で無次元化した無次元速度を、複数の診断範囲に分割し、上記回転機械に発生する種々の異常原因を、各異常原因が表れる無次元速度に応じて上記診断範囲に分類し、
上記各診断範囲に、上記異常原因に応じて発生する周波数特性を予め選定し、上記回転機械の運動時に計測された振動データと上記選定された周波数特性とを比較して、上記回転機械に生じた異常原因を診断することを特徴とする回転機械の異常診断システムを提供している。
【０００８】
上記システムでは、回転機械の運転速度を考慮に入れた上記診断範囲を設けているので、起こり得ない運転速度下で異常原因を誤診断してしまうといったことを未然に防ぐことができ、的確な診断が可能となる。
つまり、ある異常原因が起こり得ない診断範囲で、選定された周波数特性と計測された周波数特性が適合しても、当該異常原因による異常と誤診することがなく、異常原因の絞込みが高精度に行われる。
なお、上記運転速度及び上記危険速度は、回転機械の運転回転数及び固有振動数と同義である。
【０００９】
上記無次元速度で分割した診断範囲の数は、１次〜３次危険速度毎に４以上６以下とすることが好ましい。
上記危険速度として考慮する１次〜３次危険速度毎に診断範囲の数を４以上６以下としているのは、３以下に分割すると異常診断の精度が低下すると共に、７以上に分割すると診断方法が煩雑になるからである。
なお、１次危険速度のみを考慮する場合は、上記無次元速度を構成する危険速度として１つだけが対象となることより上記診断範囲の数は４以上６以下となるが、例えば、１次危険速度と２次危険速度とを考慮に入れるのであれば、上記無次元速度を構成する危険速度として１次危険速度と２次危険速度の２つを夫々基準として別々に４以上６以下で診断範囲を分類し、その各診断範囲を合成したものを当該システムの診断範囲とする。
即ち、考慮する危険速度が複数の場合は、上記診断範囲の数は全体として７以上となりうる。
【００１０】
一般に、回転機械に異常振動が発生すると周波数成分の分布に影響を及ぼすため、周波数成分に基づく診断を行うと異常原因を組織的に取り扱うことができる。そこで、周波数分析結果に表れるピークである周波数成分を認識し、そのうち回転機械の回転数成分（ｆｎ）と特徴的な周波数成分（高周波、低周波、２ｆｎ、ｆｎ／２、回転体と軸受によって決まる危険速度ｆｃ等）とを診断因子とすることにより、異常原因を絞り込むことができる。
【００１１】
上記診断範囲において、上記特定された回転数成分及び上記特徴的な周波数成分をもとにして、上記特徴的な周波数成分と回転数成分の振幅比が予め設定された基準値と比較して条件振り分けを行い、上記特徴的な周波数成分が異常原因毎に予め選定された周波数成分と適合する場合には、その選定された周波数成分に対応する異常原因を診断結果とする。
なお、上記基準値及び設定値は、実験結果から定めており上記診断範囲において個別に設定している。
また、ピークが回転数成分だけである場合には、周波数分析結果として回転数成分のみが現れる場合の異常原因、例えばアンバランス等の異常原因に特定している。
【００１２】
上記予め選定された周波数成分との適合を見る際には、上記特徴的な周波数成分が、２ｆｎ、ｆｎ／２、高周波、低周波、ｆｎＺｇ、ｆｃ等のいずれの成分であるかを調査しており、夫々に対応する異常原因を診断結果としている。なお、ｆｎは回転機械の回転数成分、Ｚｇはギアの歯数、ｆｃは固有振動数成分を表している。
【００１３】
上記周波数特性が近似した異常原因はグループ化されることが好ましい。
即ち、それぞれ上記分類された特定の診断範囲において、上記選定された周波数特性と計測された周波数特性とを比較して適合している場合は、上記選定された周波数特性に対応するグループ内の各異常原因による異常と見なし、その後、精密診断により上記各異常原因から更に異常原因を絞り込む構成としている。
【００１４】
例えば、非対称軸とクラックのように、現れる周波数特性が非常に似通っている場合には一つの異常原因に絞るのが困難であるが、これらを一つのグループに属すると認識し、計測された振動データがそのグループの周波数特性に適合した場合には、グループ内の異常原因である非対称軸とクラックを同時に診断結果として提示すれば、以後に精密診断を行うことにより一の異常原因に特定できる可能性を残すことができる。
つまり、周波数特性では判別不可能な異常原因まで無理に特定しようとして誤診し、真の異常原因の特定可能性を途切れさせてしまうといった従来の問題点を、グループ化という概念を導入することで根本的に改善しているものである。
【００１５】
上記グループ分けの具体例としては、上記周波数分析結果において、回転数成分（ｆｎ）が特徴的に現れる異常原因を集めたグループ、回転数の２倍成分（２ｆｎ）が特徴的に表れる異常原因を集めたグループ、回転機械の固有振動数成分（ｆｃ）が特徴的に表れる異常原因を集めたグループ、高周波成分が特徴的に表れる異常原因を集めたグループ、低周波成分が特徴的に表れる異常原因を集めたグループ、回転数の１／２成分（ｆｎ／２）が特徴的に表れる異常原因を集めたグループとに夫々グループ化している。
【００１６】
また、上記グループ化された各異常原因を上記分類された各診断範囲のうち、その異常原因が起こりうる特定の診断範囲において、計測された周波数特性と上記選定された周波数特性とを比較した結果、適合している場合は当該異常原因による異常と見なすものの、その異常原因が起こりえない他の診断範囲において  計測された周波数特性と上記選定された周波数特性とが適合しても当該異常原因による異常とは見なさないことにより、起こりえない運転速度下での異常原因の誤診断を予め防止できるので、従来の周波数特性の比較により画一的に診断していた場合に比べて、誤診断を飛躍的に低減することが可能になる。
【００１７】
振動検出センサーと、該振動検出センサーで得られた検出信号を振動データへと変換する演算処理器と、該振動データより異常を診断するソフトウェアとを備え、
上記ソフトウェアは、上記診断範囲を分類する分類部と、各診断範囲毎に診断する診断部と、上記周波数特性が近似した異常原因を集めたグループ部とを備えている。
また、上記振動検出センサーからの検出信号を演算処理器にて振動データへと変換処理し、その振動データを直接あるいは通信ネットワークを介して上記ソフトウェアを備えた情報処理機器に送信して診断している。
【００１８】
上記構成とすると、回転機械に上記振動検出センサーを設置し、該振動検出センサーからの検出信号を上記演算処理器にて振動データに変換処理して、直接接続された上記ソフトウェアを備えた情報処理機器に該振動データを送信し、あるいは、通信ネットワークを介して接続された上記ソフトウェアを備えた情報処理機器に該振動データを送信することで、情報処理機器上にて上記異常原因の診断を行うことができる。
なお、上記通信ネットワークを介して上記情報処理機器に接続することによって、多数の工場における回転機械の監視を集中的に管理部門により行うことや、多数の会社における回転機械の監視を管理専門会社により一元的に行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して説明する。
本発明の第１実施形態の回転機械の異常診断システム１０は、図１に示すように、診断対象である回転機械１４に設置された振動検出センサー１５と、振動検出センサー１５に接続された振動モニター１６と、振動モニター１６からの検出信号を振動データに変換する演算処理器１７と、演算処理器１７からの振動データより診断を行う情報処理機器１２とを備えている。
【００２０】
回転機械１４は、図２に示すように、回転軸２０と、回転軸２０の両側を回転自在に軸支している軸受部２４、２５と、回転軸２０を回転させるモーター２３と、回転軸２０の片端とモーター２３とを連結する連結部２６と、回転軸２０の略中央に外嵌したディスク２１、２２とを備えている。
振動検出センサー１５は渦電流式の非接触変位センサーを用いており、ディスク２１、２２の近傍、あるいは、軸受部２４、２５の近傍の少なくともいずれか一方にて９０゜異なる２方向に振動計測センサー１５を設けて軸振動の計測を行う（図中は垂直方向のみ図示）、あるいは、軸受部２４、２５に９０゜異なる２方向より直接振動計測センサー１５を設けて軸受振動の計測を行っている。
【００２１】
上記情報処理機器１２には異常診断を行うソフトウェア３０が備えられており、図３に示すように該ソフトウェア３０は、周波数特性が近似した異常原因を集めて予め複数のグループに分けているグループ部３１と、運転速度による診断範囲の分類部３２と、診断範囲毎に異常原因を診断する診断部３３とを備えている。
【００２２】
上記診断範囲の分類部３２は、回転機械１４の運転速度ｆｎ（以下、回転数と呼ぶ）を危険速度ｆｃ（以下、固有振動数と呼ぶ）で無次元化した無次元速度ｆｎ／ｆｃを診断範囲の分類パラメータとしている。
【００２３】
以下に、運転速度による診断範囲の分類部３２における無次元化速度ｆｎ／ｆｃによる診断範囲の決定方法について述べる。
危険速度との共振については、実際には回転数ｆｎが固有振動数ｆｃに一致しなくとも固有振動数ｆｃ近傍では大きな振動となることを考慮して、回転数ｆｎがある範囲内にあれば、それを危険速度の共振として、０．８８≦ｆｎ／ｆｃ≦１．１２の範囲を共振範囲として決定している。
【００２４】
オイルウィップは、滑り軸受部２４、２５中の回転軸２０の変位と、油膜の復元力の方向とが一致しないことによる振れ回りのトルク発生に起因するものであり、回転軸の変位または変形に伴って、回転軸自らが励振力を作り出し、回転軸の回転数ｆｎとは異なる軸系の固有振動数で大きな振れ回りに成長していく自励振動である。
特徴的な周波数成分は固有振動数成分ｆｃであり、振れ回り方向は回転軸の回転方向と同一となり、その発生条件は２．０≦ｆｎ／ｆｃの時である。
【００２５】
異常原因が非対称軸、クラック場合は、その周波数分析での特徴的な周波数成分は回転数の２倍成分２ｆｎであるが、回転数ｆｎの範囲によって周波数特性に違いがあったり、また、実際の回転機械１４では正常状態であっても必ず回転数の２倍成分２ｆｎが存在するためそれらの違いがはっきりしないことがある。
そこで、非対称軸・クラックについて簡易数学モデルを作り、回転数ｆｎによる振動周波数成分の変化を数値解析から捉えることにより、回転数ｆｎの２倍成分が特徴的に現れる範囲を見つけて発生範囲を決定した結果、０．４≦ｆｎ／ｆｃ≦０．６の範囲を非対称軸・クラックに関する１つの異常発生範囲と定めている。
【００２６】
以上のことから、異常振動の振動発生範囲をまとめると図４のようになる。
そこで、本実施形態では、異常原因のうち危険速度との共振、オイルウィップ、非対称軸・クラックに着目して、表１に示す６つの範囲に診断範囲を場合分けする。
なお、無次元速度ｆｎ／ｆｃをパラメータとして分割した診断範囲の数は上記６に限定されるものではなく、４以上８以下の範囲で分割数を決定していると好適である。
また、本実施形態では１次危険速度のみを基準にして診断範囲を決定しているが、２次危険速度、３次危険速度をも考慮にいれて診断範囲を定めてもよく、その場合には更に細かく分類されることとなる。
【００２７】
【表１】
0003834228.tif 000002
【００２８】
次に、周波数特性が近似した異常原因を集めたグループ部３１について説明する。
例えば、上述のように、非対称軸とクラックは両方とも特徴的な周波数成分として回転数の２倍成分２ｆｎが強く現れるので、周波数特性により異常原因が非対称軸であるかクラックであるかを絞るのは困難である。
そこで、図４に示すように、周波数成分の近似した異常原因毎に予めグループ化して分類している。
【００２９】
図４では、回転数成分ｆｎが特徴的に現れる異常原因を集めたグループＧ１、回転数成分ｆｎ及び固有振動数成分ｆｃが特徴的に現れる異常原因を集めたグループＧ２、回転機械２０の固有振動数成分ｆｃが特徴的に表れる異常原因を集めたグループＧ３、回転数の２倍成分２ｆｎが特徴的に表れる異常原因を集めたグループＧ４、高周波成分が特徴的に表れる異常原因を集めたグループＧ５、低周波成分が特徴的に表れる異常原因を集めたグループＧ６、回転数の１／２成分ｆｎ／２が特徴的に表れる異常原因を集めたグループＧ７、回転数成分ｆｎとギアの歯数Ｚｇとの積ｆｎＺｇが特徴的に現れる異常原因を集めたグループＧ８等に夫々グループ化している。
【００３０】
次に、診断範囲毎に異常原因を診断する診断部３３の診断の流れを説明する。
振動モニター１６から受信した振動データを情報処理機器１２にて周波数分析した結果から抽出される回転機械の回転数成分ｆｎと特徴的な周波数成分とを診断因子として診断している。
【００３１】
図５は診断の流れの一例を示している。
周波数分析結果から、ある基準値より大きい振幅値をもち、かつ、その振幅値の最大振幅値に対する比がある設定値以上であるものをピークとみなしてピックアップする。
上記各ピークのうちに回転数成分ｆｎが存在するかを探し、存在すればその振幅値をＡｎとする。
【００３２】
そして、上記各ピークのうち回転数成分ｆｎ以外の特徴的な周波数成分を探す。
この時、回転数成分ｆｎ以外で最も大きい振幅値をもつピークを上記特徴的な周波数成分とし、その振幅値をＡ”とする。なお、ピークが上記ステップにて抽出された回転数成分ｆｎ以外に存在しない場合には、上記特徴的な周波数成分はないものとみなし、グループＧ１の異常原因と診断する。
【００３３】
次いで、上記各ピークのうち固有振動数成分ｆｃが存在するかの有無を確認し、固有回転数成分ｆｃと回転数成分ｆｎとが存在する場合にはグループＧ２の異常原因と診断し、固有回転数成分ｆｃが存在し、回転数成分ｆｎが存在しない場合にはグループＧ３の異常原因と診断する。
最後に、上記特徴的な周波数成分と回転数成分ｆｎの振幅比Ａ”／Ａｎを基準値Ａ１、Ｂと比較した後、上記特徴的な周波数成分が異常原因毎に予め選定された周波数成分（２ｆｎ、ｆｎ／２、高周波、低周波、ｆｎＺｇ）と適合する場合には、図４を参照することで、その適合した周波数成分に対応する異常原因のグループＧ４〜Ｇ８のいずれかに同定する。
なお、上記基準値Ａ１、Ｂは、実験結果等から定めており、表１に示す診断範囲毎に個別に設定している。
【００３４】
以上の図５に示す診断方法は、上記診断範囲毎に個別に設けられており、そのうちの一例を図６に示している。
上記診断フローは図５の診断の流れの説明と基本的には同様であるが、診断範囲毎に診断フローを分けていることが特徴的に現れている箇所として、例えば、図４にて振動発生範囲が限定されている「危険速度との共振」は、その発生範囲外であるｆｎ／ｆｃ＜０．４、０．６＜ｆｎ／ｆｃ≦０．８８の診断範囲の診断フローである図６では、ｆｉ＝ｆｃを満たしても「危険速度との共振」であると誤診することはない。
【００３５】
つまり、上記異常診断システム１０によると、回転機械の回転数ｆｎを固有振動数ｆｃで無次元化した無次元化速度ｆｎ／ｆｃにより表１のように診断範囲を場合分けし、有り得ない運転速度下にて異常原因を誤診すること等を効果的に防ぐことができる。
【００３６】
また、図４のように周波数成分が近似した異常原因同士をグループＧ１〜Ｇ８化することで、計測された振動データの周波数成分が上記いずれかのグループの周波数成分ｆｎ／２、ｆｎ、２ｆｎ、ｆｃ、高周波、低周波、ｆｎＺｇに適合した場合には、グループ内の異常原因（例えば、２ｆｎの時は非対称軸とクラックの両方）を診断結果として提示すれば、誤診をすることなく異常原因の特定可能性を残すことができる。
【００３７】
図７は第２実施形態を示す。
回転機械の所在地に設置される振動検出センサー１５、振動モニター１６及び演算処理器１７をまとめて拠点機器群１１とすると、例えば、各工場等に分散された各拠点機器群１１−１〜Ｘを通信ネットワーク１３に接続している。
そして、同じく通信ネットワーク１３に接続され、異常診断を行うソフトウェア３０を備えた情報処理機器１２−１〜Ｙを有する管理拠点１８にて、拠点機器群１１から送信された振動データを通信ネットワーク１３を介して受信している。
【００３８】
上記構成とすると、工場等の回転機械に設置された拠点機器群１１からの振動データを、通信ネットワーク１３を介して遠隔地の管理拠点１８の情報処理機器１２−１〜Ｙにて監視することができる。
また、上記拠点機器群１１が各工場毎に分散していても、通信ネットワーク１３を介することで、１ヶ所に設置された情報処理機器１２−１〜Ｙにて一元的に監視することが可能となる。
さらには、別々の会社に設置された拠点機器群１１−１〜Ｘからの振動データを、通信ネットワーク１３を介して遠隔地の管理会社内の管理拠点１８の情報処理機器１２−１〜Ｙにて監視する形態にも応用できる。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明によれば、無次元化速度をパラメータとして上記診断範囲毎に診断を行っているので、起こり得ない運転速度下で異常原因を誤診断してしまうといったことを未然に防ぐことができ、的確な診断が可能となる。
【００４０】
また、上記異常原因を上記選定された周波数特性が近似しているもの同士を予めグループ化していることにより、計測された振動データがあるグループの周波数特性に適合した場合には、該グループ内の各異常原因を同時に診断結果として提示すれば、その後に精密診断を行うことにより真の異常原因に特定できる可能性を残すことができる。
【００４１】
回転機械に設置された振動検出センサーからの検出信号を上記演算処理器にて振動データに変換処理して情報処理機器に該振動データを送信することで、該情報処理機器上にて上記異常原因の診断を行うことができる。
また、上記情報処理機器を通信ネットワークを介して接続することによって、遠隔地からでも監視が行えると共に、上記振動検出センサー及び演算処理器が分散している場合でも一元的に監視することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施形態に係る回転機械の異常診断システムの概略図である。
【図２】  回転機械の概略図である。
【図３】  ソフトウェアの概略図である。
【図４】  異常原因の振動発生範囲、周波数成分及びグループ化を示すマトリクスである。
【図５】  異常診断の基本的な流れ図である。
【図６】  ｆｎ／ｆｃ＜０．４、０．６＜ｆｎ／ｆｃ≦０．８８の診断範囲での診断フローを示す図面である。
【図７】  第２実施形態に係る回転機械の異常診断システムの概略図である。
【図８】  従来の診断方法を示す図面である。
【符号の説明】
１０        回転機械の異常診断システム
１１        拠点機器群
１２        情報処理機器
１３        通信ネットワーク
１４        回転機械
１８        管理拠点
２０        回転軸
２１、２２  ディスク
２３        モーター
２４、２５  軸受部
Ｇ１〜８    グループ
ｆｎ        回転数成分
ｆｃ        固有振動数成分
ｆｎ／ｆｃ  無次元速度
Ａｎ        回転数成分の振幅値
Ａ”        特徴的な周波数成分の振幅値
【図１】
0003834228.tif 000003
【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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