JP7367535B2 - 回転軸受けの診断方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸受けの振動による振動波およびＡＥ波を測定し、その測定結果に基づいて回転軸受けの診断を行う方法および装置に関するものである。

ＡＥ（アコースティックエミッション）とは、材料が変形または破壊する際に、それまで内部に蓄えていたひずみエネルギーを解放する結果として発生する弾性振動である。従来、回転軸受けの診断は、振動センサまたはＡＥセンサを用いて行っているが、殆どの場合、コスト面の問題で振動波およびＡＥ波のうちの何れか一方だけを測定できるセンサを回転軸受けに取り付けて行っており、この種の装置としては、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。

この従来の装置は、用途に応じて振動センサとＡＥセンサとを使い分け、各センサの信号を処理して異常の状態を診断するものとなっている。それゆえこの装置では、振動波とＡＥ波との両方を測定しようとした場合、軸受けに複数のセンサを設置することになる。また、センサの信号をローパスフィルタによりエンベロープ（包絡線）処理し、生成されたエンベロープ波形をさらにハイパスフィルタ処理してそこから直流成分を除去する手法が用いられている。

特開２０１１－１５４０２０号公報

しかしながらＡＥ波は、発生周波数帯が例えば１００ｋＨｚ付近となる高周波のため高速サンプリングが必要となり、低速回転機械の様に長時間測定が必要な設備に対する測定ではサンプリングした信号が大容量になって、従来の装置では記録および処理に費用が嵩むという問題があった。また、従来の装置では高速サンプリングした信号をエンベロープ処理するので、微小な周波数変化を捕捉できないという問題があった。

さらに、ＡＥ波と振動波との両方の測定を行う場合には、従来の装置ではＡＥセンサと振動センサとの両方を軸受けに取り付ける必要があり、小さな軸受けでは設置スペースが足らず、両方を取り付けることができないという問題があった。また、ＡＥセンサと振動センサとの二つのセンサおよびそれらのためのケーブルが必要で、費用が嵩むという問題があった。

ところで、本発明者は、ＡＥ発生器により発生させたＡＥ波の測定を振動センサとＡＥセンサとを使って行ったところ、振動センサでも低周波の振動波だけでなく高周波のＡＥ波を測定することが可能であるとの知見が得られた。

それゆえ本発明の課題は、上記知見に基づいて、ＡＥ波の低速サンプリングと微小な信号変化の捕捉とを可能にした回転軸受けの診断方法および装置を提供することにあり、さらに、ＡＥ波と振動波との両方を一つのセンサで測定するようにした回転軸受けの診断方法および装置を提供することにある。

上記課題を有利に解決することを目的とした本発明の回転軸受けの診断方法は、
回転軸受けの状態を診断する方法であって、
前記回転軸受けに直接取り付けたセンサで、その回転軸受けのＡＥ波を測定してそのＡＥ波を示すセンサ信号を出力し、
前記センサ信号から所定の周波数範囲の高周波成分を取り出し、
前記高周波成分を所定の基準周波数で周波数変調してＡＥ低周波信号に変換し、
前記ＡＥ低周波信号を所定の時間間隔でサンプリングして記録し、
前記記録したＡＥ低周波信号の読み出しおよび解析により前記回転軸受けの状態を判定してその判定結果を出力することを特徴としている。

本発明の回転軸受けの診断方法においては、さらに、
前記センサで、その回転軸受けの振動波を測定してその振動波を示すセンサ信号も出力し、
前記センサ信号から所定の周波数範囲の低周波成分を取り出して振動低周波信号とし、
前記振動低周波信号を所定の時間間隔でサンプリングして記録し、
前記記録したＡＥ低周波信号の読み出しおよび解析に加えて、前記記録した振動低周波信号の読み出しおよび解析により前記回転軸受けの状態を判定してその判定結果を出力するようにする。

また、上記課題を有利に解決することを目的とした本発明の回転軸受けの診断装置は、
回転軸受けの状態を診断する装置であって、
前記回転軸受けに直接取り付けられてその回転軸受けのＡＥ波を測定し、そのＡＥ波を示すセンサ信号を出力するセンサと、
前記センサ信号から所定の周波数範囲の高周波成分を取り出すハイパスフィルタと、
前記高周波成分を所定の基準周波数で周波数変調してＡＥ低周波信号に変換するＡＥ変換部と、
前記ＡＥ低周波信号を所定の時間間隔でサンプリングして記録するＡＥ記録部と、
前記ＡＥ記録部に記録したＡＥ低周波信号の読み出しおよび解析により前記回転軸受けの状態判定を行い、その判定結果を出力する診断部と、
を具えることを特徴としている。

本発明の回転軸受けの診断装置においては、さらに、
前記回転軸受けに直接取り付けられてその回転軸受けの振動波も測定し、その振動波を示すセンサ信号を出力する前記センサと、
前記センサ信号から所定の周波数範囲の低周波成分を取り出して振動低周波信号とするローパスフィルタと、
前記振動低周波信号を所定の時間間隔でサンプリングして記録する振動記録部と、
前記ＡＥ記録部に記録したＡＥ低周波信号の読み出しおよび解析に加えて、前記振動記録部に記録した振動低周波信号の読み出しおよび解析により前記回転軸受けの状態判定を行い、その判定結果を出力する診断部と、
を具えている。

本発明の回転軸受けの診断方法および装置によれば、回転軸受けに直接取り付けたセンサで測定して出力したＡＥ波を示すセンサ信号から所定の周波数範囲の高周波成分を取り出し、その高周波成分を所定の基準周波数で周波数変調してＡＥ低周波信号に変換し、そのＡＥ低周波信号をサンプリングして記録し、その記録したＡＥ低周波信号を読み出しおよび解析して回転軸受けの疲労摩耗、傷発生、異物混入および／または潤滑不良等の異常の状態を判定し、その判定結果を出力するので、ＡＥ波の低速サンプリングにより、低速回転機械の様に長時間測定が必要な設備に対する測定でもサンプリングした信号の容量が抑えられて、記録および処理の費用を安価なものとすることができ、また、低速サンプリングした信号をエンベロープ処理できるので、微小な周波数変化も捕捉することができる。

さらに本発明の回転軸受けの診断方法および装置によれば、前記センサで、その回転軸受けの振動波も測定してその振動波を示すセンサ信号も出力し、前記センサ信号から所定の周波数範囲の低周波成分を取り出して振動低周波信号とし、前記振動低周波信号を所定の時間間隔でサンプリングして記録し、前記記録したＡＥ低周波信号の読み出しおよび解析に加えて、前記記録した振動低周波信号の読み出しおよび解析により前記回転軸受けの状態を判定して判定結果を出力するようにしたので、回転軸受けに直接取り付けた一つの共通センサで測定したＡＥ波と振動波とから状態診断を行うことで状態診断の精度を高めることができ、しかも、振動センサとＡＥセンサとの両方を軸受けに取り付ける必要がないため、小さな軸受けでも設置スペースが不足することがなく、また、ＡＥセンサと振動センサとの二つのセンサおよびそれらのためのケーブルが必要でないため、設置費用を安価なものとすることができる。

本発明の回転軸受けの診断方法および装置においては、前記周波数変調は所定の基準周波数でのヘテロダイン変換で行う。ここで、前記所定の基準周波数はＡＥ波の発生周波数帯に含まれる例えば１００ｋＨｚ以上の１または複数の周波数とする。前記所定の基準周波数は、好ましくは１００ｋＨｚ、１５０ｋＨｚ、２００ｋＨｚおよび３００ｋＨｚの少なくとも一つとしてもよい。また、前記所定の基準周波数は、前記センサの感度に応じて設定してもよい。

さらに、前記ＡＥ低周波信号および振動低周波信号の少なくとも一方の解析は、従来の振動の解析手法である、例えば振幅変化、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）および、エンベロープ（包絡線）処理による周波数解析等の何れか１種類以上を行ってもよい。

本発明の一実施形態の回転軸受けの診断方法に用いる本発明の一実施形態の回転軸受けの診断装置の構成を示すブロック線図である。 （ａ）および（ｂ）は、上記実施形態の回転軸受けの診断装置の変調処理部が行うヘテロダイン変換の方法を示す説明図である。 上記実施形態の回転軸受けの診断装置の共用センサが測定する回転軸受けの磨耗の初期と末期とについてのＡＥ波のＳ／Ｎ比と周波数との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態につき、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１は、本発明の一実施形態の回転軸受けの診断方法に用いる本発明の一実施形態の回転軸受けの診断装置の構成を示すブロック線図である。この実施形態の診断装置は、一つの共通センサで測定したＡＥ波と振動波とから回転軸受けの状態診断を行うものであり、図１に示すように、共用センサ１と、チャージアンプ２と、ハイパスフィルタ３と、変調処理部４と、ＡＥ記録部５と、を具えている。

共用センサ１は、回転機械設備の玉軸受けやローラ軸受けや滑り軸受け等の回転軸受けに直接取り付けられてその回転軸受けにおける金属接触や軸受け傷等によって生じるＡＥ波および振動波を測定し、それらＡＥ波および振動波を含むセンサ信号を出力するものであり、振動センサでもＡＥセンサでもよい。特にアンプ非内蔵型センサは、振動センサとＡＥセンサとで構造が互いに似ていて、上述のように振動センサでも高周波のＡＥ波を検出できることが確認されており、一方、ＡＥセンサでも低周波の振動波を検出できるはずだからである。このような共用センサ１は、例えば圧電素子を用いて構成することができる。

チャージアンプ２は、共用センサ１が出力するセンサ信号を増幅する増幅回路であり、共用センサ１の種類に合わせたアンプ、すなわち共用センサ１が振動センサなら振動アンプ、共用センサ１がＡＥセンサならＡＥアンプを使用する。なお、振動アンプの場合もＡＥ波の周波数のセンサ信号まで増幅可能なものとする。

ハイパスフィルタ３は、チャージアンプ２が出力するセンサ信号中のＡＥ波を抽出するフィルタ回路であり、そのセンサ信号中の例えば５０ｋＨｚ以上、好ましくは７０ｋＨｚ以上の高周波成分を通過させる。共用センサ１に振動センサを用いた場合の共振周波数での低周波ノイズを削除するためである。

変調処理部４は、センサ信号から、回転軸受けの異常によるＡＥ波の発生周波数の特徴的な範囲である例えば１００ｋＨｚ以上の高周波成分を取り出すために、所定の基準周波数、例えば１００ｋＨｚの変調用基準信号を発生させ、ハイパスフィルタ３を通過した上記センサ信号の高周波成分をその基準周波数の変調用基準信号で例えばヘテロダイン変換により周波数変調してＡＥ低周波信号に変換する。従って、変調処理部４はＡＥ変換部として機能する。

ヘテロダイン変換の基準周波数はＡＥの発生周波数帯である例えば１００ｋＨｚ以上としているが、共用センサ１として使用するセンサの周波数特性によりその感度が変化するため、その使用するセンサの感度に合わせて基準周波数を決定することが好ましく、ここでは、以下の事前実験により１００ｋＨｚとした。またＡＥの発生周波数帯は広いため、複数の周波数、例えば１００ｋＨｚだけでなく１５０ｋＨｚ、２００ｋＨｚおよび３００ｋＨｚを切り替えあるいは並行して、または１００ｋＨｚから３００ｋＨｚまで変化させて用いることもできる。

図２（ａ）および図２（ｂ）は、上記実施形態の回転軸受けの診断装置の変調処理部が行うヘテロダイン変換の方法を示す説明図である。図２（ａ）に示すように、入力信号に基準周波数ｆの変調用基準信号を掛けるヘテロダイン変換により入力信号を周波数変調すると、基準周波数ｆ以下の周波数の入力信号が基準周波数ｆからの偏差に応じて矢印で示すように裏返ってその基準周波数ｆ以上の周波数の信号に重なり、図２（ｂ）に示すように、基準周波数を０ｋＨｚとする変調波形の低周波信号になる。

これにより、センサ信号中の高周波成分が低周波帯に変換され、従来の振動測定で用いられているサンプリング周波数の低速サンプリングでのＡＥ波の測定が可能となる。また本来、５ＭＨｚ程度の高速サンプリングのＡＥ測定ではデータロガーの能力により極短時間しか測定することができなかったが、低周波帯の低速サンプリングになったことで長時間の測定が可能となった。

ＡＥ記録部５は、この周波数変調後のＡＥ低周波信号を所定周期、例えば軸受け傷の周期に対応する３０ｋＨｚで低速サンプリングして、所定期間分のサンプリングデータを例えばメモリやハードディスク等に記録する。なお、この低速サンプリングの前に図示しないバンドパスフィルタで、ＡＥ低周波信号の周波数帯域を狭めるレンジ調整を行い、直流成分を除去しておいてもよい。

この実施形態の診断装置はまた、図１に示すように、ローパスフィルタ６と、振動記録部７と、を具えている。ローパスフィルタ６は、チャージアンプ２が出力するセンサ信号中の振動波を抽出するフィルタ回路であり、そのセンサ信号中の例えば５０ｋＨｚ以下の低周波成分を通過させて振動低周波信号とする。これにより、センサ信号からノイズとなる高周波成分が除去される。

振動記録部７は、振動低周波信号を所定周期、例えば軸受け傷の周期に対応する３０ｋＨｚで低速サンプリングして、所定期間分のサンプリングデータを例えばメモリやハードディスク等に記録する。ＡＥ記録部５と振動記録部７とは、共通の一つの記録部としてもよい。なお、この低速サンプリングの前に図示しないバンドパスフィルタで、振動低周波信号の周波数帯域を狭めるレンジ調整を行い、直流成分を除去しておいてもよい。

この実施形態の診断装置はさらに、図１に示すように、判定処理部８と、警報出力部９と、を具えている。判定処理部８は、ＡＥ記録部５に記録したＡＥ低周波信号の読み出しおよび解析に加えて、振動記録部７に記録した振動低周波信号の読み出しおよび解析により回転軸受けの状態判定を行い、それらの状態判定の結果回転軸受けの異常の状態が所定以上悪化したと判定処理部８が判定した場合に、警報出力部９は判定結果として警報を出力する。従って、これら判定処理部８および警報出力部９は診断部として機能する。

図３は、本発明者が事前実験により取得した、回転軸受けの磨耗の初期と末期とについてのＡＥ波のＳ／Ｎ比と周波数との関係を示すグラフである。実験では、軸受けの異常が悪化すると高周波帯のレベルが上昇することが確認できた。これにより、初期擦れの際生じるＡＥ波と末期に生じるＡＥ波とを基準周波数を変えて測定することで磨耗の状態の把握ができ、ＡＥ波が１００ｋＨｚ付近で生じると初期異常、３００ｋＨｚ付近で生じると異常の状態が悪化したと判断できる。

従って判定処理部８は、ＡＥ波については変換処理部４での基準周波数を例えば１００ｋＨｚと３００ｋＨｚとに設定し、それぞれの基準周波数でのＡＥ低周波信号を評価することで、回転軸受けの異常磨耗が初期か末期かを判定することができる。

ところで、本発明者は事前実験により、回転軸受けの疲労摩耗では突発的なＡＥ波は検知されるが振動波は検知されず、傷発生では突発的なＡＥ波と振動波とが検知され、異物混入では突発的なＡＥ波は検知されるが振動波は殆ど検知されず、そして潤滑不良では連続型のＡＥ波と振動波とが検知されることを確認しており、このことからも、共用センサ１の出力信号から回転軸受けの異常の状態の判定が可能であることが判る。

なお、ＡＥ低周波信号は、従来行っていた振動の解析手法をそのまま用いることができる。このため、ＡＥ低周波信号も振動低周波信号も何れも、振幅変化、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）、エンベロープ処理による周波数解析等を行って解析することができる。判定処理部８は、振動波と同様の低周波のＡＥ信号の解析を行うので、既存のＣＭＳ（状態監視システム）を用いることもできる。

以上、図示例に基づき説明したが、本発明は上述の例に限定されるものでなく、例えば警報出力部９に代えて、異常の状態や程度にかかわらず回転軸受けの状態判定の結果をディスプレイ装置にグラフ等で出力する状態出力部を設けてもよい。

かくして本発明の回転軸受けの診断方法および装置によれば、ＡＥ波の低速サンプリングにより、低速回転機械の様に長時間測定が必要な設備に対する測定でもサンプリングした信号の容量が抑えられて、記録および処理の費用を安価なものとすることができ、また、低速サンプリングした信号をエンベロープ処理できるので、微小な周波数変化も捕捉することができる。
さらに、本発明の回転軸受けの診断方法および装置によれば、回転軸受けに直接取り付けた一つの共通センサで測定したＡＥ波と振動波とから状態診断を行うことで状態診断の精度を高めることができ、しかも、振動センサとＡＥセンサとの両方を軸受けに取り付ける必要がないため、小さな軸受けでも設置スペースが不足することがなく、また、ＡＥセンサと振動センサとの二つのセンサおよびそれらのためのケーブルが必要でないため、設置費用を安価なものとすることができる。

１ 共用センサ
２ チャージアンプ
３ ハイパスフィルタ
４ 変調処理部
５ ＡＥ記録部
６ ローパスフィルタ
７ 振動記録部
８ 判定処理部
９ 警報出力部
ｆ 基準周波数

Claims (10)

1. 回転軸受けの状態を診断する方法であって、
   前記回転軸受けに直接取り付けたセンサで、その回転軸受けのＡＥ波と振動波を測定してそのＡＥ波と振動波を示すセンサ信号を出力し、
   前記センサ信号から所定の周波数範囲の高周波成分を取り出し、
   前記ＡＥ波の発生周波数帯に含まれる１または複数の周波数である所定の基準周波数でのヘテロダイン変換で前記高周波成分を周波数変調してＡＥ低周波信号に変換し、
   前記ＡＥ低周波信号を所定の時間間隔でサンプリングして記録し、
   前記センサ信号から所定の周波数範囲の低周波成分を取り出して振動低周波信号とし、
   前記振動低周波信号を所定の時間間隔でサンプリングして記録し、
   前記記録したＡＥ低周波信号の読み出しおよび解析に加えて、前記記録した振動低周波信号の読み出しおよび解析により、前記回転軸受けの状態を判定してその判定結果を出力することを特徴とする回転軸受けの診断方法。
2. 前記所定の基準周波数は１００ｋＨｚ、１５０ｋＨｚ、２００ｋＨｚおよび３００ｋＨｚの少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項１記載の回転軸受けの診断方法。
3. 前記所定の基準周波数は前記センサの感度に応じて設定することを特徴とする、請求項１記載の回転軸受けの診断方法。
4. 前記ＡＥ低周波信号の解析は、振幅変化、ＦＦＴおよび、エンベロープ処理による周波数解析の何れか１種類以上を用いて行うことを特徴とする、請求項１から３までの何れか１項記載の回転軸受けの診断方法。
5. 前記振動低周波信号の解析は、振幅変化、ＦＦＴおよび、エンベロープ処理による周波数解析の何れか１種類以上を用いて行うことを特徴とする、請求項１から４までの何れか１項記載の回転軸受けの診断方法。
6. 回転軸受けの状態を診断する装置であって、
   前記回転軸受けに直接取り付けられ、その回転軸受けのＡＥ波と振動波を測定してそのＡＥ波と振動波を示すセンサ信号を出力するセンサと、
   前記センサ信号から所定の周波数範囲の高周波成分を取り出すハイパスフィルタと、
   前記ＡＥ波の発生周波数帯に含まれる１または複数の周波数である所定の基準周波数でのヘテロダイン変換で前記高周波成分を周波数変調してＡＥ低周波信号に変換するＡＥ変換部と、
   前記ＡＥ低周波信号を所定の時間間隔でサンプリングして記録するＡＥ記録部と、
   前記センサ信号から所定の周波数範囲の低周波成分を取り出して振動低周波信号とするローパスフィルタと、
   前記振動低周波信号を所定の時間間隔でサンプリングして記録する振動記録部と、
   前記ＡＥ記録部に記録したＡＥ低周波信号の読み出しおよび解析に加えて、前記振動記録部に記録した振動低周波信号の読み出しおよび解析により前記回転軸受けの状態判定を行い、その判定結果を出力する診断部と、
   を具えることを特徴とする回転軸受けの診断装置。
7. 前記所定の基準周波数は１００ｋＨｚ、１５０ｋＨｚ、２００ｋＨｚおよび３００ｋＨｚの少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項６記載の回転軸受けの診断装置。
8. 前記所定の基準周波数は前記センサの感度に応じて設定することを特徴とする、請求項６記載の回転軸受けの診断装置。
9. 前記ＡＥ低周波信号の解析は、振幅変化、ＦＦＴおよび、エンベロープ処理による周波数解析の何れか１種類以上を用いて行うことを特徴とする、請求項６から８までの何れか１項記載の回転軸受けの診断装置。
10. 前記振動低周波信号の解析は、振幅変化、ＦＦＴおよび、エンベロープ処理による周波数解析の何れか１種類以上を用いて行うことを特徴とする、請求項６から９までの何れか１項記載の回転軸受けの診断装置。

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