JPH0730787B2 - ころがり軸受の故障検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明はころがり軸受の故障原因をファジィ推論法に
より検知する方法に関する。

［従来の技術］ ボールベアリングやニードルベアリングなど、外輪と内
輪間に転動体（ボール又はころ）を有するころがり軸受
において、外輪、内輪及び転動体のそれぞれの接触面の
いずれかに傷があると回転中に振動が発生する。この振
動は傷が外輪、内輪及び転動体のいずれに存在するかに
よってそれぞれ異なる固有の振動数を有している。この
振動は、例えば転動体に傷がある場合には、その傷が回
転中に外輪又は内輪の転走面に接触することによって生
じる。また外輪又は内輪の転走面に傷がある場合には、
回転中に複数の転動体が順次その傷に接触することによ
って振動が生じる。従ってこれらの振動の周波数はころ
がり軸受の回転数に応じて変化する。ころがり軸受の回
転数は外輪に対する内輪の回転数によって表される。一
般にころがり軸受が使用される場合には、内輪又は外輪
のいずれか一方が固定され、他方が回転される。

外輪、内輪、転動体のいずれかに傷がある場合のそれぞ
れの周波数の理論値は一般によく知られている次の式
（１）、（２）及び（３）によって表される。すなわち 外輪に傷がある場合の周波数foutは 内輪に傷がある場合の周波数finは 転動体に傷がある場合の周波数fballは によって表される。

ここに fo:ころがり軸受の回転数 D:ころがり軸受のピッチ円径 d:転動体がボールの場合のボールの直径 Z:ボールの数 α：接触角 である。

ころがり軸受の回転中の振動はころがり軸受に振動セン
サを取付けてその振動を電気信号に変換して検出するこ
とができる。検出された信号は周波数分析装置により周
波数分析され、複数の周波数とそれぞれの周波数の信号
の強さのデータにより表わされる周波数スペクトル分布
が得られる。

前記の周波数分析により得られた複数の周波数を前記式
（１）、（２）及び（３）から算出された周波数の集合
である基準スペクトル分布と比較し、一致又は近似して
いるものがあるかどうかを調査する。その結果一致又は
近似しているものがあるときは、その周波数における信
号の強さを故障判定のためにあらかじめ経験的に定めら
れた判定基準レベルと比較する。そして判定基準レベル
を越えている場合にはその周波数に対応する原因の故障
が生じていると判定する。

ころがり軸受の実際の回転においては、外輪と転動体間
及び内輪と転動体間にスリップが生じ、それによって微
少な振動が発生する。振動センサの検出出力にはこの微
少振動によるものも混入しているので、実測による周波
数スペクトル分布と式（１）、（２）及び（３）から得
られる基準スペクトル分布とは一致しない。

そこで前記計算によって得られた周波数の理論値の上下
に所定の幅の基準周波数帯域を設けている。その基準周
波数帯域は使用する周波数分析装置の分解能△ｆと経験
的に定められた定数±ｎとの積±ｎ・△ｆによって表さ
れる。

このようにして定めた所定の基準周波数帯域と実測され
たスペクトル分布を比較することによって、ころがり軸
受の故障箇所を判定している。

［発明が解決しようとする課題］ 定数±ｎは経験に基づいて最も適当と思われる値を定め
ているが、ころがり軸受の傷の状況によってはその振動
の周波数が±ｎ・△ｆによって表される基準周波数帯域
に入らない場合がある。従来の技術による判定において
は、測定された周波数が前記の基準周波数帯域に入らな
い場合は異常とは判定しないので、測定された周波数が
予知できない原因によって基準周波数帯域からずれてい
る場合には傷等の故障が実在するにもかかわらず故障が
ないものと判定されるおそれがある。

また測定された振動レベルを判定基準レベルと比較する
場合において、振動レベルの測定値は振動発生点と測定
点（センサの位置）間の距離によって変化し、遠ければ
測定値は小さくなる。また周波数が高い程伝播中の減衰
も大きくなりその結果測定値は小さくなる。従って一定
の判定基準レベルで判定をして故障の有無を判定したの
では故障を正しく検知することができない場合が生じ
る。

［課題を解決するための手段］ この発明のころがり軸受の異常検出方法は、 ころがり軸受の回転中の振動を検出し検出信号を出力す
るステップ、前記検出信号をA/D変換するステップ、前
記A/D変換された検出信号に基づいて検出信号の周波数
スペクトル分析を行うステップ、周波数スペクトル分析
された複数の周波数の内、スペクトル強度の大きい方か
ら順に所定数の周波数を選出するステップ、第１のメン
バーシップ関数に関して、横軸が周波数、縦軸がグレー
ドを表す座標において、ころがり軸受の外輪に傷がある
場合、内輪に傷がある場合又は転動体に傷がある場合の
振動の理論的な基本周波数のそれぞれの横座標値におけ
るグレード１の点を頂点とする３個の三角形を有する第
１のメンバーシップ関数をメモリに設定するステップ、
第１のメンバーシップ関数に基づいて、前記の周波数ス
ペクトル分析された前記所定数の周波数のそれぞれのグ
レードを求めるステップ、第２のメンバーシップ関数に
関して、横軸がスペクトル強度を表し、縦軸が、グレー
ドを表す座標において、座標の原点を通り、グレード１
に向かって漸増する曲線によって表される第２のメンバ
ーシップ関数をメモリに設定するステップ、第２のメン
バーシップ関数に基づいて、前記の所定数の周波数のそ
れぞれのスペクトル強度に対するグレードを求めるステ
ップ、前記第１のメンバーシップ関数に基づいて求めら
れた前記所定数の周波数のそれぞれのグレードと、前記
第２のメンバーシップ関数に基づいて求められた前記所
定数の周波数のそれぞれのスペクトル強度に対するグレ
ードとの積を、前記所定数のそれぞれの周波数及び内輪
のグレード、外輪のグレード、転動体のグレード毎に求
めるステップ、及び前記積の値の代数和を、内輪、外輪
及び転動体毎に求めることによって、内輪、外輪及び転
動体において異常が生じている可能性を判定するステッ
プを備えている。

［作用］ ころがり軸受の振動の周波数を周波数スペクトル分析さ
れた複数の周波数のそれぞれグレードを第１のメンバー
シップ関数から求め、また前記複数の周波数のスペクト
ル強度のそれぞれのグレードを第２メンバーシップ関数
から求め、両グレードを用いてグレード付フローにもと
づく所定の演算をすることによって異常が生じている確
率がグレードによって表される。

［実施例］ 第１図にこの発明のころがり軸受の異常検出方法の実施
例における実験用の振動データ収集装置を示す。図にお
いて、軸１は正常なボールベアリング２と欠陥を有する
供試用ボールベアリング３によって支持されており、そ
の一端はカップリング４を介してモーター５に連結され
ている。軸１の他端には負荷としての円板６が固定され
ている。供試用ボールベアリング３の取付ハウジング3A
には加速度センサ７が設けられており、モーター５によ
り軸１が回転するときの供試用ボールベアリング３の振
動を検出する。検出された信号は異常検出装置17に入力
される。異常検出装置17において、その入力信号はエン
ベロープ検波された後A/D変換され、デジタル信号に変
換されてコンピュータシステムに入力される。コンピュ
ータシステムにおいては、所定のソフトウェアによる公
知のスペクトルアナライザ機能によって入力信号の周波
数スペクトル分析が行なわれる。

第２図は供試用ボールベアリング３の平面図である。こ
のボールベアリング３の仕様は、軸径（Φ１）25mm、ピ
ッチ円径（Ｄ）は36.0mm、ボール径（ｄ）は6.35mm、ボ
ール数（Ｚ）は10個、接触角（α）は０゜である。また
供試用ボールベアリング３を故意に異常状態にするため
にその外輪８に直径約3mmの穴９を設けている。

第３図は、軸１が640RPMで回転している場合の供試用ボ
ールベアリング３の振動を加速度センサ７で検出し、ス
ペクトル分析をしたスペクトルを示す。図において最も
高い加速度（Ｇ）（1G＝980cm/sec²）を有する振動の周
波数は43.5HZであり、その加速度は0.0795（Ｇ）であ
る。分析されたスペクトルの内上位10個の周波数とその
加速度（Ｇ）の大きさを第１表に示す。

一方供試用ボールベアリング３の外輪８、内輪10又はボ
ール11に傷がある場合の振動の周波数の理論値は前記
「従来の技術の項」において挙げた式（１）、（２）及
び（33）により求められる。その基本周波数と第５次ま
での高調波を第２表に示す。

第２表の３つの基本波（44.0HZ,62.9HZ,58.1HZ）を基に
して、第１表の周波数の分布を表すためのファジィ集合
を第４図に示す３個の三角形によるメンバーシップ関数
を定義し、これを異常検出装置17内のメモリに設定す
る。このメンバーシップ関数は各基本波周波数（44.0H
Z,62.9HZ,58.1HZ）においてグレード１の頂点を有し、
その頂点とその頂点の基本波周波数にとなり合う他の基
本波周波数のグレード零の点を結ぶ３個の三角形であっ
て、両端の三角形は二等辺三角形としたものにより表さ
れる。

第４図に示すメンバーシップ関数によって第１表に示す
周波数の集合のグレード値を求めた結果を第３表に示
す。

次に第１表のスペクトルにおける各周波数成分スペクト
ル強度（加速度:G）に関するファジィ集合を第５図に示
す。図におけるメンバーシップ関数はファジィ診断にお
いて一般的に用いられているものであり、式（３）によ
って表される。

このメンバーシップ関数はスペクトル強度（Ｇ）が0.02
のとき、グレードが0.5になるようになされている。こ
のメンバーシップ関数も異常検出装置17内のメモリに設
定される。

第１表のスペクトルの各周波数におけるスペクトル強度
（加速度:G）の値を第５図のメンバーシップ関数に適用
して求めたグレードを第４表に示す。

次に第３表の各グレード（内輪のグレード、外輪のグレ
ード、ボールのグレード）と第４表のグレードとの積を
各番号毎に求め、その結果のグレードを第５表に示す。
第５表に示すグレードは周波数のグレードと各周波数に
おける加速度のグレードの両者の成分を含むグレードで
ある。

第５表において、番号１〜10の内輪のグレードの代数和
を式（４）に示す代数和演算の公式によって求めること
によって内輪に傷のある可能性を表すグレードが得られ
る。

a₁＋a₂＋……ａ_ｎ ＝１−（１−a₁）（１−a₂）……（１−ａ_ｎ） ……
（４） 第５表の場合その値は0.000である。

上記（４）式は演算方法の一例を示すものであって、演
算式はこれに限られるものでない。

同様にして外輪のグレード及びボールのグレードの代数
和を求めることによって、それぞれ外輪に傷のある可能
性及びボールに傷のある可能性を表すグレードが得られ
る。第５表の場合のそれらの値はそれぞれ0.919及び0.0
81である。ここで使用される「可能性」の用語は実質的
に「確率」と同じ意味である。

第６図はこれらの可能性を表すグレードを用いて表した
異常診断のフローチャートである。このフローチャート
においては、判断を示す各ステップにおいて、イエス
（Ｙで表示）又はノー（Ｎで表示）の可能性をその近傍
に付記したグレードを示す数値により表している。第５
表より、内輪のグレードは零、外輪及びボールのグレー
ドはそれぞれ0.919及び0.081である。フローチャート及
び以下の説明において、0.919及び0.081の値は４捨５入
してそれぞれ0.92及び0.08とする。

フローチャートのステップ（１）において、内輪に傷の
ある可能性を判定する。内輪に傷のある可能性は0.00で
あるのでイエス（以下Ｙと略記する）のグレードは0.0
0、ノー（以下Ｎと略記する）のグレードは1.00とな
る。

ステップ（２）において、外輪に傷のある可能性を判定
する。外輪に傷のある可能性は0.92であるので、Ｙのグ
レードは0.92、Ｎのグレードは0.08である。さらにステ
ップ（３）においてボール傷の可能性を判定する、ボー
ル傷の可能性は0.08なので、Ｙのグレードは0.08、Ｎの
グレードは0.92となる。その結果、内輪、外輪及びボー
ルに共に傷があるグレードは第６図のボックス（ａ）に
示すように008となる。

同様にして、内輪と外輪に共に傷のあるグレードは第６
図のボックス（ｂ）に示すように0.92となる。以下同様
に、内輪とボールに共に傷のあるグレードは第６図のボ
ックス（ｃ）に示す0.08、内輪のみに傷のあるグレード
は0.92（ボックス（ｄ））、外輪とボールに共に傷があ
るグレードは0.08（ボックス（ｅ））、外輪にのみ傷の
あるグレードは0.92（ボックス（ｆ））、ボールにのみ
傷があるグレードは0.08（ボックス（Ｇ））及び「その
他」の場合のグレードは0.92（ボックス（ｈ））とな
る。「その他」は例えば異常が見当らない場合も含まれ
る。

次に各ボックス（ａ）〜（ｈ）において、フローチャー
トに基づいて、内輪傷、外輪傷及びボールの傷のそれぞ
れの可能性を示すグレードの組を求め、それらを第６表
に表す。

例えばボックス（ａ）のグレードの組はステップ（１）
のＹのグレード、ステップ（２）のＹのグレード及びス
テップ（３）のＹのグレードによって得られる。同様に
して、ボックス（ｂ）のグレードの組はステップ（１）
のＹのグレード、ステップ（２）のＹのグレード、ステ
ップ（３）のＮのグレードによって得られる。またボッ
クス（ｃ）のグレードの組は、ステップ（１）のＹのグ
レード、ステップ（２）のＮのグレード、ステップ
（３）のＹのグレードによって得られる。このようにし
て他のボックス（ａ）〜（ｈ）についてもグレードの組
が得られる。次にミニマム法により、各グレードの組の
中で最少のグレードを選択する。その結果を第６表の最
下行に示す。この結果から、次のような４種の診断結果
が得られる。

1. 0.92の確率で外輪に傷がある。

2. 0.08の確率で外輪及びボールに傷がある。

3. 0.08の確率でボールに傷がある。

4. 0.08の確率でその他の原因がある。

第７図に前記の処理を行なうための処理のフローチャー
トを示す。振動センサ７によって検出された出力信号は
（ステップ11）エンベロープ検波器によってエンベロー
プが検出され（ステップ12）、LPF（ローパスフィル
タ）によって不要な高い周波数の成分が除去される（ス
テップ13）。次にサンプルホールド回路によってサンプ
リングされる（ステップ14）。サンプリングされた信号
はA/Dコンバータによりデジタル信号に変換され（ステ
ップ15）、コンピュータシステムに入力される（ステッ
プ16）。

コンピュータシステムにおいて、所定のソフトウエアに
よって前記のスペクトル分析、メンバーシップ関数の演
算、診断結果の出力が行なわれる（ステップ16）。

［発明の効果］ この発明によれば、ころがり軸受に異常が生じた場合に
おいて、その異常がころがり軸受の構成要素である外
輪、内輪及び転動体のいずれに生じているかをそれぞれ
の可能性すなわち確率を示す数値によって表す。従っ
て、特に異常が複数の構成要素（例えば外輪と転動体）
に生じている場合において、それらの異常の程度を確率
によって個々に知ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例において用いられる振動デー
タ収集装置の側面図、第２図はボールベアリングの平面
図、第３図は共試用ボールベアリングの振動のスペクト
ル分布を示す図、第４図は共試用ボールベアリングの振
動のスペクトル分布に関するメンバーシップ関数の図、
第５図はボールベアリングの振動のスペクトル強度に関
するメンバーシップ関数、第６図は異常診断のフローチ
ャート、第７図はこの実施例を実施する異常検出装置で
ある。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ころがり軸受の回転中の振動を検出し検出
   信号を出力するステップ、 前記検出信号をA/D変換するステップ、 前記A/D変換された検出信号に基づいて検出信号の周波
   数スペクトル分析を行うステップ、 周波数スペクトル分析された複数の周波数の内、スペク
   トル強度の大きい方から順に所定数の周波数を選出する
   ステップ、 第１のメンバーシップ関数に関して、横軸が周波数、縦
   軸が０〜１のグレードの値を表す座標において、ころが
   り軸受けの外輪に傷がある場合、内輪に傷がある場合又
   は転動体に傷がある場合の３つの場合についてそれぞ
   れ、振動の理論的な基本周波数の横座標値におけるグレ
   ードの値が１である各点を頂点とする３個の三角形を有
   する第１のメンバーシップ関数をメモリに設定するステ
   ップ、 第１のメンバーシップ関数に基づいて、前記の周波数の
   スペクトル分析された前記所定数の周波数のそれぞれの
   グレードを求めるステップ、 第２のメンバーシップ関数に関して、横軸がスペクトル
   強度を表し、縦軸がグレードを表す座標において、座標
   の原点を通り、グレード１に向って漸増する曲線によっ
   て表される第２のメンバーシップ関数をメモリに設定す
   るステップ、 第２のメンバーシップ関数に基づいて、前記の所定数の
   周波数のそれぞれのスペクトル強度に対するグレードを
   求めるステップ、 前記第１のメンバーシップ関数に基づいて求められた前
   記所定数の周波数のそれぞれのグレードと、前記第２の
   メンバーシップ関数に基づいて求められた前記所定数の
   周波数のそれぞれのスペクトル強度に対するグレードと
   の積を、前記所定数のそれぞれの周波数及び内輪のグレ
   ード、外輪のグレード、転動体のグレード毎に求めるス
   テップ、及び 前記積の値の代数和を、内輪、外輪及び転動体毎に求め
   ることによって、内輪、外輪及び転動体において異常が
   生じている可能性を判定するステップ を有するころがり軸受の故障検出方法。