JPH0943105A

JPH0943105A - 回転機器の軸受部の診断方法、回転機器の軸受部の余寿命推定方法及び回転機器の軸受部の診断システム

Info

Publication number: JPH0943105A
Application number: JP7218222A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Takahashi; 惇高橋; Katsuhiko Shibata; 克彦柴田; Katsutake Itou; 雄偉伊藤
Original assignee: Takasago Thermal Engineering Co Ltd
Current assignee: Takasago Thermal Engineering Co Ltd
Priority date: 1995-08-03
Filing date: 1995-08-03
Publication date: 1997-02-14
Anticipated expiration: 2015-08-03
Also published as: JP3544251B2

Abstract

(57)【要約】【課題】回転機器の軸受部の余寿命の推定精度を向上
させる。【解決手段】回転機器１の軸受部２から発生する音を
利用して、当該軸受部２を診断するシステムにおいて、
有指向性のマイクロフォン３を搬送装置４に設ける。マ
イクロフォン３で計測される音は収録装置６でディジタ
ル信号に変換され、さらに高速変換器７においてウェー
ブレット関数を用いた周波数分析が行われ、時間軸を過
去に遡って移動することで所定の監視時間内における不
規則波形が捕らえられる。この不規則波形に基づいて、
軸受部２のベアリングの傷どうしの衝突によって生ずる
非線形な現象が解析される。パソコン８では、前記不規
則波形の振幅値と閾値とが比較されて正常、異常が判断
され、さらに振幅値の増加傾向に基づいて、破壊値に至
るまでの時間が余寿命として推定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転機器の軸受
部、例えば軸受部に使用されているベアリングなどの異
常を診断したり、その余寿命を推定する方法及びこれら
の方法を実施するための診断システムに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】回転する機器の軸受部には一般的にベア
リングが装着されているが、当該回転機器が発生する振
動や騒音を周波数分析すると共に、このベアリングの部
位（球、内輪、外輪など）の寸法や個数の情報から、該
ベアリングの異常や余寿命を推定する方法、装置が従来
から提案されている。本出願人も、先に特開平５−２０
９７８２において「軸受異常予知装置」を開示してい
る。

【０００３】この先行開示技術では、マイクロフォンで
計測した回転機器の軸受からの音を、包絡線処理した後
に周波数分析計で周波数の成分強度を分析し、さらに初
期正常時の監視周波数の成分強度に対するその倍率を計
算し、この倍率から異常や余寿命を推定するようにして
いる。そして周波数分析にあたっては、フーリェ関数を
直交化した高速フーリェ変換（ＦＦＴ）を用い、傷が拡
大することを仮定して傷の衝突周期（監視周波数）を計
算し、監視周波数における信号強度の増加から傷の発生
と傷の拡大を推定してきた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、各部位
に生ずる傷は１箇所とは限らない。傷や傷の拡大が複数
箇所になると計算できる監視周波数だけでなく、それと
は異なった周波数に振幅の大きな信号が観測されること
がある。また傷どうしの衝突によって、振幅の大きな信
号に揺らぎ、即ち非線形な現象が見られることがある。
この現象が従来の異常予知の精度に限界を与えていた。

【０００５】このような異常予知の精度を改善するため
には、これらの現象を解明し、信号の時間変化を追跡す
ることが必要であるが、高速フーリェ変換は元々調和振
動を解析する手段であるから、そのような時間解析が不
能である。

【０００６】本発明はかかる点に鑑みてなされたもので
あり、従来よりも異常予知、余寿命の推定精度を向上さ
せた、回転機器の軸受部の診断方法、回転機器の軸受部
の余寿命推定方法及びこれらの方法を実施するのに適し
た回転機器の軸受部の診断システムを提供することをそ
の目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、発明者らは、マイクロフォンで計測された音信号を
非調和振動として近似でき、しかも時間軸を移動するこ
とによって局所的に（即ちある程度限られた時間内で）
信号波形の変化を捕らえることができ、そのうえ周波数
帯域で別々の解像度を定義することで分解能を任意に変
化できる関数を解析に導入することにした。このような
関数としては、例えばウェーブレット関数を挙げること
ができる。

【０００８】ウェーブレット関数はノイズのように周期
の定まらない非線形の関数であるが、直交変換してでき
る逆関数が得られれば、ウェーブレット関数に代えて、
パルスを模擬した連続のデルタ関数等を利用してもよ
い。

【０００９】そして請求項１によれば、回転機器の軸受
部から発生する音を利用して、当該軸受部の異常を診断
する方法であって、有指向性マイクロフォンによって対
象となる回転機器の軸受部の発生音を計測し、この計測
した音をディジタル信号に変換し、前記ディジタル信号
化された音信号の時間軸を過去に遡って移動し（少なく
とも監視時間分遡って移動し）、移動させた後における
予め設定した監視時間の範囲において、周波数の解像度
を変化させることによって周期的な波形を取り除いて不
規則な波形を捕らえ、前記不規則な波形の大きさを示す
振幅値の前記監視時間における平均値と、予め設定した
異常を示す閾値とを比較することによって、前記軸受部
を診断することを特徴とする、回転機器の軸受部の診断
方法が提供される。

【００１０】なお本願発明でいう回転機器の軸受部から
発生する音を利用する際の「音」とは、可聴域か否かは
問わないものである。また「監視時間」とは、回転機器
の軸の回転周期の整数倍の長さを監視時刻から遡った時
間をいう。より詳述すれば、いま有指向性マイクロフォ
ンを用いて、監視対象となる機器の騒音を計測した結
果、図１に示した騒音信号の波形が得られたとする。な
お当該機器の軸の回転周期はＴ［ｓｅｃ］とする。この
ときたとえば監視時刻が１３：４０であった場合、１
３：４０から遡り、図２に示したように、軸の回転周期
Ｔ［ｓｅｃ］の整数倍の時間が監視時間になる。

【００１１】請求項１の診断方法を、例えば回転機器が
多数設置された区画内において実施する場合、予め決め
た所定の計測順位に従って各回転機器の軸受部に対し機
器側から一定距離にある位置に有指向性マイクロフォン
を順次移動させて停止させる。そして集音される各軸受
部の音をディジタル信号に変換し、これを計測時刻毎に
収録する。

【００１２】ディジタル変換された音信号には目的とす
る回転機器の軸受部からの音信号の他に、他の機器から
の音信号が雑音情報として混合している。これら他の機
器の音成分のうち、高周波成分は距離減衰するので（低
周波成分より散乱しやすいので）、例えばマイクロフォ
ンとして、超音波域（２０ｋＨｚを越える周波数、より
好ましくは５０ｋＨｚまでの周波数）を計測できるマイ
クロフォンを使用することによって、目的とする回転機
器の軸受部からの音信号を検出する効率は良好になる。

【００１３】次いでディジタル信号化された音信号の時
間軸を過去に遡って移動して、予め設定した監視時間の
範囲において、周波数の解像度を変化させることによっ
て周期的な波形を取り除いて不規則な波形を捕らえるよ
うにしているので、従来検出できなかった非線形の振
動、つまり複数の傷の発生に起因して振幅の大きな信号
が規則正しい周波では現れない衝突周期を見過ごすこと
はない。また既述したウェーブレット関数のように、周
波数帯域で異なった解像度を定義できる関数を用いてい
ることで、低周波域の音情報を容易にマスクすることが
できる。即ち、周期的な波を直交化によって取り除いて
いるので、結果的にフィルタと同じ効果が得られる。

【００１４】そして前記非線形の振動の振幅の大きな値
が、予め設定した軸受部の以上を示す値、つまり閾値を
越えていれば異常と判断するが、この場合、複数の傷な
どによる非線形な異常信号の発生に対応するには、特定
周期の監視ではなく、監視振幅の大きさ、つまり監視時
間における平均値を監視するしかない。但し監視時間が
長いと、異常な騒音波形が平均化されてしまい、異常の
検出感度が鈍くなるため、本発明における監視時間とし
ては、１０Ｔ［ｓｅｃ］程度が適当である（なお「Ｔ」
は、対象とする回転機器の軸の回転周期である）。

【００１５】また複数の監視時間毎のこの振幅値の時系
列データが増加傾向にあれば、例えば指数関数を用いた
回帰式などで近似し、回帰式から外挿法を利用して破壊
の時刻を計算し、計測時点から予め設定した異常値、即
ち破壊までの時間を余寿命時間として推定できる。請求
項２の余寿命推定方法はかかる手法を用いたものであ
る。即ち、請求項２の回転機器の軸受部の余寿命推定方
法は、有指向性マイクロフォンによって対象となる回転
機器の軸受部の発生音を計測し、この計測した音をディ
ジタル信号に変換し、前記ディジタル信号化された音信
号の時間軸を過去に遡って移動し、移動させた後におけ
る予め設定した監視時間の範囲において、周波数の解像
度を変化させることによって周期的な波形を取り除いて
不規則な波形を捕らえ、前記不規則な波形の大きさを示
す振幅値の前記監視時間における平均値を算出し、複数
の監視時間毎に得たこの算出結果の時経列データに基づ
いて、予め設定した異常値に至るまでの時間を計算し
て、前記軸受部の余寿命を推定することを特徴としてい
る。この複数の監視時間は、例えば１日に数回監視時間
を設定するなどして、これをある程度長期間に渡って連
続して行うことによって得られるデータが適している。

【００１６】ところで回転機器は、所定のエリアに複数
設置される場合があるが、その場合には、無指向性マイ
クロフォンを用いてその異常を診断したり、余寿命を推
定することが可能である。即ち、請求項３はいわば広域
監視型の診断方法であって、あるエリアに存在する同一
回転周期をもった複数の回転機器の軸受部から発生する
音を利用して、このエリア内の回転機器の軸受部の異常
を診断する方法であって、少なくとも１つの無指向性マ
イクロフォンによって前記エリア内の回転機器の軸受部
の発生音を計測し、これら無指向性マイクロフォンの数
は、各無指向性マイクロフォンで感知できる警戒範囲の
集合範囲内に、前記エリアが（遺漏なく）包含されるよ
うに設定し、各無指向性マイクロフォンによって計測し
た音をディジタル信号に変換し、前記ディジタル信号化
された音信号の時間軸を過去に遡って移動し、移動させ
た後における予め設定した監視時間の範囲において、周
波数の解像度を変化させることによって周期的な波形を
取り除いて不規則な波形を捕らえ、前記不規則な波形の
大きさを示す振幅値の前記監視時間における平均値と、
予め設定した異常を示す閾値とを、各無指向性マイクロ
フォンごとに比較することによって、前記エリア内の回
転機器の軸受部を診断することを特徴とするものであ
る。

【００１７】このように請求項３の診断方法は、マイク
ロフォンによって計測した音をディジタル信号に変換
し、さらに時間軸を過去に遡って移動してその後の解析
を行う点では、請求項１と同一であるが、請求項３の診
断方法においては、マイクロフォンとして無指向性マイ
クロフォンを用いている。従って、広範囲の音を計測す
ることができるが、１つの無指向性マイクロフォンで
は、感知できる範囲に限界がある。従って、あるエリア
内に存在する複数の回転機器の軸受部の全てを診断する
には、そのエリア、回転機器の数に応じたマイクロフォ
ンを用意する必要がある。そこで請求項３では、各無指
向性マイクロフォンで感知できる範囲、即ち警戒範囲の
集合範囲（重なる部分があってもよい）内に、前記エリ
アが包含されるように、マイクロフォンの数を設定して
いる。

【００１８】即ち、無指向性マイクロフォンの感知でき
る範囲は、三次元的広がりを持っているので、その限界
距離を半径とする球の体積を警戒体積とすると、監視対
象である前記エリア全部を監視するために最低必要なマ
イクロフォンの数は、前記エリアが警戒体積の集合内に
包含される台数となる。

【００１９】また特に回転機器がファンとフィルタとを
組み合わせてなるファン・フィルタ・ユニット（ＦＦ
Ｕ）のファン駆動用のモータであって、このＦＦＵがク
リーンルームの天井を構成した半導体工場などのよう
に、回転機器（モータ）が平面的に配置されている場合
には、異常を感知できる限界距離を半径とする円の面積
を警戒面積とすれば、あるエリア、つまり監視対象の面
積全部を監視するために最低必要なマイクロフォンの数
は、監視対象面積が各マイクロフォンの警戒面積の集合
内に包含されるように決めた台数となる。

【００２０】ところで前記したように、無指向性マイク
ロフォンの警戒体積、警戒面積は、夫々球状、円状であ
るから、エリア全てをこれら警戒体積、警戒面積の集合
内に包含させるようにマイクロフォンを設置すると、部
分的に警戒体積、警戒面積の重なった部分が生ずる場合
があり、例えば２つのマイクロフォンで同時に異常が感
知されるときもある。このときには、重なりあった当該
警戒体積、警戒面積内に位置する回転機器に異常がある
と判断できる。従って、異常を有する回転機器の特定も
可能になる。

【００２１】請求項４によれば、前記した広域監視型の
診断方法を応用した余寿命推定方法であり、少なくとも
１つの無指向性マイクロフォンによって前記エリア内の
回転機器の軸受部の発生音を計測し、これら無指向性マ
イクロフォンの数は、各無指向性マイクロフォンで感知
できる警戒範囲の集合範囲内に、前記エリアが包含され
るように設定し、各無指向性マイクロフォンによって計
測した音をディジタル信号に変換し、前記ディジタル信
号化された音信号の時間軸を過去に遡って移動し、移動
させた後における予め設定した監視時間の範囲におい
て、周波数の解像度を変化させることによって周期的な
波形を取り除いて不規則な波形を捕らえ、前記不規則な
波形の大きさを示す振幅値の前記監視時間における平均
値を算出し、複数の監視時間毎に得たこの演算結果の時
経列データに基づいて、予め設定した異常値に至るまで
の時間を計算して、各無指向性マイクロフォンごとに前
記エリア内の回転機器の軸受部の余寿命を推定すること
を特徴とするものである。

【００２２】前出請求項１の診断方法を実施するシステ
ムとしては、請求項５に記載したような、回転機器の軸
受部から発生する音を利用して、当該軸受部を診断する
システムであって、回転機器の軸受け部に対して所定の
位置だけ離れたところまで移動自在な移動装置と、前記
移動装置に設けられた有指向性マイクロフォンと、前記
有指向性マイクロフォンで計測される音をディジタル信
号に変換して収録する収録装置と、前記収録装置に収録
されたディジタル信号に変換された音信号の時間軸を過
去に遡って移動させると共に、周波数帯域で別々の解像
度を変化させることが可能な関数を用いて前記音信号を
直交化して周波数変換する如く構成された変換器と、前
記変換器の結果に基づいて得られた不規則波形の振幅値
と予め設定した閾値とを比較する演算装置とを有するこ
とを特徴とする、回転機器の軸受部の診断システムが提
案できる。

【００２３】この請求項５に記載の診断システムでは、
有指向性マイクロフォンは回転機器の軸受け部に対して
所定の位置だけ離れたところにまで移動自在な移動装置
に設けられているので、回転機器が多数設置された区画
内において、所定の計測順位に従って各回転機器の軸受
部に対し機器側から一定距離にある位置にマイクロフォ
ンを順次移動させて停止させることができる。この移動
装置としては、例えば自走式の装置やあるいは予め設置
した軌道等の上を走行したり、架設された軌条に懸垂さ
れた状態で走行する如く構成された装置を用いることが
できる。

【００２４】変換器では、前記収録装置に収録されたデ
ィジタル信号に変換された音信号の時間軸を過去に遡っ
て移動することで局所的、即ち監視時間内における信号
波形の不規則な変化を捕らえる処理を行う。この場合、
周波数帯域で別々の解像度を定義することで分解能を任
意に変化できる関数を用いるので、低周波の音情報を容
易にマスクすることができる。そして演算装置では、予
め設定した正常値と異常値を分ける閾値と、変換器の結
果とを比較し、正常か異常かの判断を行うことになる。

【００２５】同様に、請求項３の診断方法を実施するシ
ステムとしては、請求項６に記載したような、あるエリ
アに存在する同一回転周期をもった複数の回転機器の軸
受部から発生する音を利用して、特定回転機器の軸受部
を診断するシステムであって、各無指向性マイクロフォ
ンで感知できる警戒体積の集合体積内に、前記エリアが
包含されるように設定された数の無指向性マイクロフォ
ンと、前記無指向性マイクロフォンで計測される音をデ
ィジタル信号に変換して収録する収録装置と、前記収録
装置に収録されたディジタル信号に変換された音信号の
時間軸を過去に遡って移動させると共に、周波数帯域で
別々の解像度を変化させることが可能な関数を用いて前
記音信号を直交化して周波数変換する如く構成された変
換器と、前記変換器の結果に基づいて得られた不規則波
形の振幅値と予め設定した閾値とを比較する演算装置と
を有することを特徴とする、回転機器の軸受部の診断シ
ステムが提案できる。

【００２６】これらの各診断システムにおいては、請求
項７に記載したように、さらに前記変換器で得られた振
幅値の時系列増加傾向を時間項を有する近似式で近似
し、さらに計測時点の値から予め設定した限界値に至る
までの時間を当該近似式によって解析する第２の演算装
置を備えた構成としてもよい。この場合、もちろん前記
演算装置とこの第２の演算装置とは、同一演算装置で構
成してもよく、また前記変換器の機能をこれら演算装置
に持たせてもよい。

【００２７】そして請求項７の診断システムにおいて
は、前記信号波形における局所的な振幅の大きな値の時
系列増加傾向を時間項を有する近似式で近似し、さらに
当該近似式によって計測時点の値から予め設定した限界
値に至るまでの時間を解析する第２の演算装置を備えて
いるので、この振幅値の時系列データが増加傾向にあれ
ば、例えば指数関数を用いた回帰式で該増加傾向を近似
し、回帰式から外挿法を利用して破壊の時刻を計算し、
計測時点から破壊までの時間を余寿命時間として推定で
き、請求項２、４に記載の余寿命の推定方法を好適に実
施することが可能である。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
を図に基づいて説明すれば、図３は第１の実施の形態に
かかる診断システムを用いて回転機器１の軸受部２の診
断を行っている様子を示しており、本実施例におけるマ
イクロフォン３は、指向性を有し、かつ２０ｋＨｚ〜５
０ｋＨｚまでの音を集音して電気信号に変換する機能を
有している。このマイクロフォン３は、移動装置を構成
する自走式の搬送装置４の上に設けられている。

【００２９】前記したマイクロフォン３によって計測さ
れた音信号は、マイクロフォン３の持つ音圧感度［Ｖ／
Ｐａ］に比例した電圧信号として、ケーブル５を介して
収録装置６へと出力される。この収録装置６は、入力さ
れた音信号をディジタル信号に変換した後、ＪＩＳで規
定するところの基準音圧２０μＰａで基準化し（基準化
後の音圧［−］＝電圧信号［Ｖ］×音圧感度［Ｖ／Ｐ
ａ］÷基準音圧［２０μＰａ］）、かつ計測時刻毎に、
即ち監視時刻毎にこれを収録する機能を有している。

【００３０】このように音信号を基準音圧で基準化する
のは次の理由による。即ち、音信号の入力源としてマイ
クロフォンを用いた場合、マイクロフォンから出力され
る信号はマイクロフォン個々が有する音圧感度［Ｖ／Ｐ
ａ］に比例した電圧となる。つまり電圧から音圧への換
算が必要となってくるからである。また音圧を基準化す
ることによって、相対的な音圧としても評価できること
になる。なおここでは、通常の騒音レベル測定で行う常
用対数によるデシベル［ｄＢ］単位への計算は施さな
い。これは音圧を大きな値で監視することで、傷の有無
による音圧の感度を高めるためである。

【００３１】収録装置６において変換されたディジタル
信号は、さらに高速変換器７へと出力される。この高速
変換器７は、ウェーブレット関数によって周波数分析を
行う機能を有している。即ち高速変換器７に入力された
ディジタル化後の音信号は、過去に遡ってその時間軸が
移動され、前記ウェーブレット関数によって直交化され
周波数変換される。またこのウェーブレット関数は、周
波数帯域で異なった解像度が定義されることにより、分
解能が任意に変化できる関数である。

【００３２】高速変換器７での処理結果は、管理用のパ
ソコン８へと出力される。この管理用のパソコン８は次
のような機能を有している。まず搬送装置４などに対す
る管理機能として、（１）回転機器１の軸受部２の位置
の登録、（２）搬送装置４の移動と停止命令、（３）搬
送装置４の走行距離から演算される搬送装置４の位置の
認識及び軸受部２との間の距離の認識をする機能を有し
ている。

【００３３】また管理用のパソコン８の収録装置６に対
する管理機能としては、（１）音信号の計測回数または
計測時間の管理、（２）収録装置６でデジィタル信号に
変換され、計測時刻毎に収録されている音信号から解析
に必要なデータだけを取り込むタイミングの管理、
（３）時間軸が移動できかつ周波数帯域で別々の解像度
を定義できる関数を直交化した逆関数の形をマトリック
ス演算し、周波数解析する高速演算をする機能を有して
いる。

【００３４】さらに管理用パソコン８の独立した機能と
して、（１）周波数帯域の感度設定、（２）周波数解析
された信号の振幅の監視と閾値との比較による正常と異
常の識別、（３）信号の振幅に関する時系列データの増
加傾向を時間項を持つ近似式で示すための近似式の係数
解析、（４）前記近似式に現在値と限界値（使用の限
界）を代入し、現在値から限界値に至るまでの時間（余
寿命時間）の解析、（５）計測データと正常／異常の判
断結果の表示、（６）計測データのグラフ表示、（７）
振幅の増加傾向と増加推定グラフの表示と余寿命時間の
表示、（８）閾値入力画面の表示と入力変更をする機能
を夫々併せ持っている。

【００３５】そして前記パソコン８の画面に表示された
情報、例えば計測データと正常／異常の判断結果、振幅
の増加傾向と増加推定グラフと余寿命時間は、プリンタ
９によって外部に出力されるようになっている。

【００３６】第１の実施の形態にかかる診断システムは
以上の構成を有しており、回転機器１の軸受部２の異常
や余寿命を判断する場合、まずパソコン８からの指令に
よって搬送装置４を軸受部２に対して所定位置の計測位
置まで近づけて停止させる。次いで、搬送装置４に設け
られたマイクロフォン３によって軸受部２の音を計測
し、収録装置６によってその音信号をディジタル信号に
変換し、計測時刻毎に収録する。

【００３７】後は、前記ディジタル信号を高速変換器７
によって周波数分析し、時間軸を過去に遡って移動させ
て所定の監視時間内における信号波形の不規則な波形の
変化を認識する。そしてパソコン８において前記変化に
おける振幅値と、予め設定した閾値とを比較して、閾値
未満であれば正常、閾値以上であれば異常の表示をモニ
タに表示する。そして当該振幅値の時系列データが解析
され、その増加傾向を近似式で近似し、予め設定した破
壊値に達するまでの時間が演算され、その結果が余寿命
としてパソコン８のモニタに表示される。これらの結果
は、グラフにても画面表示され、さらにプリンタ９によ
って出力される。

【００３８】前記第１の実施の形態における収録装置６
における処理、高速変換器７での認識手順、及びパソコ
ン８における解析、処理手順を、図４に示したフローチ
ャートに基づいて説明すると、まず診断システムをスタ
ートさせる（ステップＳ1）。そして対象となる回転機
器１の１回転周期（Ｔ［ｓｅｃ］）の設定を行い（ステ
ップＳ2）、監視時間の設定を行う（ステップＳ3）。こ
の監視時間は回転機器１の１回転周期Ｔのｎ倍であるが
（ｎは整数）、既述したように、１０Ｔ［ｓｅｃ］程度
が適当である。

【００３９】次いでマイクロフォン３で計測した音信
号、即ちアナログ信号を収録装置６においてディジタル
信号に変換する際の変換時間間隔ｄｔ［μｓ］の設定を
行う（ステップＳ4）。この変換する時間間隔ｄｔは、
マイクロフォン３の周波数範囲で定まる。例えば２０ｋ
Ｈｚまで監視する場合、変換時間間隔ｄｔは、２５［μ
ｓ］以下の間隔でＡ／Ｄする必要がある。

【００４０】そして所定の監視時刻（ｔ）になった時点
で（ステップＳ5）、マイクロフォン３による回転機器
１から発生する音信号の収録が開始されて、収録装置６
に収録され（ステップＳ6）、回転機器１が発生したア
ナログ信号がディジタル信号に変換される（ステップＳ
7）。変換後のディジタル信号は高速変換器７へと出力
される。

【００４１】次いで高速変換器７において、例えば離散
ウェーブレット変換により、Ａ／Ｄ変換された信号の生
波形を変換して（ステップＳ8）、周波数分析される。
これは、変換前の図５に示した生波形から周期的な波形
を取り除き、軸受けの傷などにより発生する不規則な波
形のみを取り出すための変換である。変換後の不規則な
波形を図６に示した。この不規則な波形が回転機器１の
軸受部２の異常を示している。信号変換された結果は、
監視時間における不規則な波形の大きさを示す振幅値と
してパソコン８に出力される。

【００４２】そしてパソコン８においては、前記振幅値
から監視時間における監視振幅値を算出する（ステップ
Ｓ9）。この場合、例えば監視時間を１０Ｔとした場
合、１回転周期の振幅μ（ｉ）を２乗し、図７に示した
ようにその最大値をδ（ｊ）²とすれば、このδ（ｊ）²
を監視時間において平均し（監視時間分集めてその平均
を算出し）、その結果を監視時刻（ｔ）の監視振幅Ｃ
（ｔ）とすると、監視振幅Ｃ（ｔ）は［数１］によって
示される。なおＮは監視時間での回転周期（１０）であ
る。

【００４３】

【数１】

【００４４】次いでパソコン８において、前記監視振幅
Ｃ（ｔ）と、予め設定した回転機器１の軸受部２の注
意、異常を示す各閾値と比較する（ステップＳ10）。そ
して監視振幅Ｃ（ｔ）が注意、異常を示す各レベルより
も大きい場合には、各々対応する注意又は異常を示す信
号を出力する。

【００４５】次いで監視振幅Ｃ（ｔ）を監視時刻毎に時
経列データとして並べ、もし監視振幅Ｃ（ｔ）の判断結
果が注意となった場合、この時経列データを基にして前
記異常を示す閾値に達するまでの時間を算出し、その結
果を回転機器１の軸受部２の余寿命時間として推定する
のである（ステップＳ11）。

【００４６】次に第２の実施の形態にかかる診断システ
ムについて説明すると、この第２の実施の形態では、マ
イクロフォンを無指向性でかつ可聴音域（１５Ｈｚ〜２
０ｋＨｚ）の音を計測するタイプを用い、かつこのマイ
クロフォンを複数設置した形態をとっている。より詳述
すると、まず診断対象となるのは、図８に示したよう
に、広い区画内に複数設置されている回転機器Ｂ1〜Ｂi
である。そしてマイクロフォンに関しても、複数のマイ
クロフォンＭ1〜Ｍjが設置されている。

【００４７】これらマイクロフォンＭ1〜Ｍjが各々感知
できる範囲には限界があるので、仮に異常を感知できる
限界距離を半径とする球の体積を「警戒体積」とすれ
ば、監視対象の空間容積全部を監視するために最低必要
なマイクロフォンＭの設置台数は、この記監視対象空間
が前記「警戒体積」内に包含されるように決めた台数と
なる。

【００４８】この場合特に、回転機器Ｂがファンとフィ
ルタを組み合わせたファンフィルタユニットとして構成
され、複数のファンフィルタユニットでクリーンルーム
の天井を構成した半導体工場などのように、回転機器が
平面的に配置されている場合には、図９に示したよう
に、異常を感知できる限界距離を半径ｒとする円の面積
を「警戒面積」とすれば、この場合には、監視対象の面
積全部を監視するために最低必要なマイクロフォンの設
置台数は、監視対象面積が警戒面積内に包含されるよう
に決めた台数となる。

【００４９】前記各マイクロフォンＭ1〜Ｍjによって計
測された音信号は、マイクロフォンの持つ音圧感度［Ｖ
／Ｐａ］に比例した電圧信号として、図８に示したよう
に、ケーブル１１を介して収録装置１２へと出力され
る。この収録装置１２は、入力された音信号をディジタ
ル信号に変換した後、ＪＩＳで規定するところの基準音
圧２０μＰａで基準化し（基準化後の音圧［−］＝電圧
信号［Ｖ］×音圧感度［Ｖ／Ｐａ］÷基準音圧［２０μ
Ｐａ］）、かつ計測時刻毎に、即ち監視時刻毎にこれを
収録する機能を有している。

【００５０】そして前記第１の実施の形態と同様、収録
装置１２において変換されたディジタル信号は、さらに
高速変換器１３へと出力される。この高速変換器１３も
前記第１実施例と同様、ウェーブレット関数によってデ
ィジタル化された音信号の周波数分析を行う機能を有し
ている。この高速変換器１３での処理結果は、管理用の
パソコン１４へと出力される。

【００５１】管理用のパソコン１４は、収録装置１２に
対する管理機能として、（１）音信号の計測回数または
計測時間の管理、（２）収録装置６でデジィタル信号に
変換され、計測時刻毎に収録されている音信号から解析
に必要なデータだけを取り込むタイミングの管理、
（３）時間軸が移動できかつ周波数帯域で別々の解像度
を定義できる関数を直交化した逆関数の形をマトリック
ス演算し、周波数解析する高速演算、をする機能を有し
ている。

【００５２】さらに管理用パソコン１４の独立した機能
として、前出第１実施例における管理用パソコン８の機
能の他に、異常が発生した警戒体積又は警戒面積に属す
る回転機器Ｂの位置を特定する機能をさらに併せ持って
いる。そして前記パソコン１４の画面に表示された情
報、例えば計測データと正常／異常の判断結果、振幅の
増加傾向と増加推定グラフと余寿命時間は、プリンタ１
５によって外部に出力されるようになっている。

【００５３】第２の実施の形態にかかる診断システムは
以上の構成からなり、回転機器Ｂ1〜Ｂiの各軸受部の異
常や余寿命を判断する場合、まず各マイクロフォンＭ1
〜Ｍjによって計測された音信号が、収録装置１２によ
ってディジタル信号に変換され計測時刻毎に収録され、
高速変換器１３へと出力される。

【００５４】高速変換器１３では、そのようにディジタ
ル変換された音信号を周波数分析し、時間軸を過去に遡
って移動させて局所的に、即ち監視時間内における信号
波形の不規則な波形の周期的な変化を認識する。そして
パソコン１４においては、異常のある回転機器Ｂの特定
をするとともに、前記変化における振幅値と、予め設定
した閾値とを比較して、閾値未満であれば正常、閾値以
上であればを異常の表示をモニタに表示する。

【００５５】なおこの場合、警戒体積または警戒面積内
での異常は、もちろんその警戒体積または警戒面積に属
する回転機器のいずれかが異常であると判断し、基本的
には、警戒体積または警戒面積単位で異常発生の機器の
位置を特定する。さらに、図１０に示したように、マイ
クロフォンＭ1、Ｍ2の隣合った警戒体積（または警戒面
積）Ｘ、Ｙで同時に発生した異常は、図中の斜線部で示
した重なり合った警戒体積（または警戒面積）に位置す
る回転機器に異常があるものと判断する。

【００５６】そして閾値と比較した後、前記振幅値が注
意レベルにあるときには、当該振幅値の時系列データが
解析され、その増加傾向は近似式で近似され、予め設定
した破壊値に達するまでの時間が演算され、その結果が
余寿命としてパソコン１４のモニタに表示される。これ
らの結果は、グラフにても画面表示され、さらにプリン
タ１５によって出力される。

【００５７】この第２の実施の形態における収録装置１
２、高速変換器１３及びパソコン１４での解析、演算手
順を、図１１に示したフローチャートに基づいて説明す
ると、次の通りである。

【００５８】まず診断システムをスタートさせ（ステッ
プＳ21）、対象となる回転機器Ｂの１回転周期（Ｔ［ｓ
ｅｃ］）の設定を行い（ステップＳ22）、監視時間の設
定を行う（ステップＳ23）。次いでマイクロフォンＭ1
〜Ｍjで計測した音信号を収録装置１２においてディジ
タル信号に変換する際の変換時間間隔ｄｔ［μｓ］の設
定を行う（ステップＳ24）。

【００５９】そして所定の監視時刻（ｔ）になった時点
で（ステップＳ25）、まず最初のマイクロフォンＭ1〜
Ｍjのうちの１のマイクロフォンＭ（例えばマイクロフ
ォンＭ1）による、音信号の収録が開始されて、収録装
置６に収録され（ステップＳ26）、収録した回転機器Ｂ
が発生したアナログ信号がディジタル信号に変換される
（ステップＳ27）。この変換後のディジタル信号は高速
変換器１３へと出力される。

【００６０】次いで高速変換器１３において、例えば離
散ウェーブレット変換により、Ａ／Ｄ変換された信号の
生波形を変換して、周波数分析され（ステップＳ28）、
信号変換された結果は、監視時間における不規則な波形
の大きさを示す振幅値としてパソコン１４に出力され
る。

【００６１】そしてパソコン１４においては、前記振幅
値から監視時間における監視振幅値を算出し（ステップ
Ｓ29）、前記監視振幅と、予め設定した回転機器Ｂの軸
受部の注意、異常を示す各閾値と比較する（ステップＳ
30）。そして監視振幅が注意、異常を示す各レベルより
も大きい場合には、各々対応する注意又は異常を示す信
号を出力する。もちろん監視振幅が正常レベルにあると
きは、正常を示す信号が出力される。

【００６２】次いで監視振幅を監視時刻毎に時経列デー
タとして並べ、もしこの監視振幅の判断結果が注意とな
った場合、この時経列データを基にして前記異常を示す
閾値に達するまでの時間を算出し、その結果をマイクロ
フォンＭ1が集音したエリア（警戒体積や警戒面積）内
にある回転機器Ｂの軸受部の余寿命時間として推定する
のである（ステップＳ31）。

【００６３】次に全てのマイクロフォンＭ1〜Ｍjによる
前記診断、余寿命の推定が終了したかどうかチェックさ
れ（ステップＳ32）、まだ全てのマイクロフォンについ
ての前記診断等が終了していない場合には、次のマイク
ロフォンＭ、例えばマイクロフォンＭ2について前記ス
テップＳ26〜ステップＳ32までの処理が行われる。そし
て全てのマイクロフォンＭ1〜Ｍjによる前記診断、余寿
命の推定が終了すると、例えば異常が検出されたマイク
ロフォンＭ1〜Ｍjの重なりから、異常が起こっている回
転機器Ｂの特定がなされる（ステップＳ33）。

【００６４】

【実施例】次に本発明において送風機の軸受部から発生
する音圧を基に、監視振幅を算出した例を示す。この送
風機は１回転周期が約０．１［ｓｅｃ］である。そして
図１２は、当該送風機の軸受部が正常状態にあるときの
送風機の音圧を、ｄｔ＝１００［μｓ］でＡ／Ｄ変換し
た結果を示すグラフであり、図１３（ａ）はこれを５ｋ
Ｈｚの周波数解像度で信号変換したときの振幅のグラ
フ、図１３（ｂ）は同じく２．５ｋＨｚの周波数解像度
で信号変換したときの振幅のグラフ、図１３（ｃ）は、
同じく１．２５ｋＨｚの周波数解像度で信号変換したと
きの振幅のグラフをそれぞれ示している。

【００６５】また図１４、図１５は、前記送風機の軸受
部に傷がある場合の音圧と、信号変換後の振幅を示すグ
ラフであり、図１４は、前記送風機の軸受部に傷がある
ときの送風機の音圧を、ｄｔ＝１００［μｓ］でＡ／Ｄ
変換した結果を示すグラフ、図１５（ａ）はこれを５ｋ
Ｈｚの周波数解像度で信号変換したときの振幅のグラ
フ、図１５（ｂ）は同じく２．５ｋＨｚの周波数解像度
で信号変換したときの振幅のグラフ、図１５（ｃ）は、
同じく１．２５ｋＨｚの周波数解像度で信号変換したと
きの振幅のグラフをそれぞれ示している。

【００６６】これら図１２、図１３と、図１４、図１５
の各グラフを比較すればわかるように、仮に監視時間を
１回転周期とすると、周波数解像度が１ｋＨｚ〜２ｋＨ
ｚの範囲で、前記送風機の軸受部の傷による監視振幅が
大きくなり、傷の有無を精度よく検出できることが確認
できる。

【００６７】

【発明の効果】本願発明請求項１〜７の発明によれば、
従来検出できなかった非線形の振動、つまり複数の傷の
発生に起因して振幅の大きな信号が規則正しい周波では
現れない衝突周期を見過ごすことはないので、従来より
も精度の高い診断が行え、特に請求項２、４の発明では
従来よりも精度の高い余寿命の推定を行うことができ
る。また特に請求項３、４の発明によれば、エリア内に
対象となる機器が複数存在する場合に、効率よく前記診
断や余寿命の推定を実施することができる。請求項５の
発明によれば、請求項１の発明を好適に実施することが
でき、請求項６の発明によれば、請求項３の発明を好適
に実施することができる。さらに請求項７の発明によれ
ば、請求項２、４の発明を好適に実施することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を示すための説明図であって、対
象とする回転機器の軸の回転周期を示すグラフ図であ
る。

【図２】本発明の原理を示すための説明図であって、時
間軸を過去に遡って移動させた様子を示すグラフ図であ
る。

【図３】第１の実施の形態にかかる診断システムの構成
の概略を示す説明図である。

【図４】第１の実施の形態にかかる診断システムを用い
て回転機器の診断、余寿命を行う場合の処理手順を示す
フローチャートである。

【図５】第１の実施の形態にかかる診断システムを用い
て回転機器の診断、余寿命を行うプロセスにおいて、監
視時間におけるＡ／Ｄ変換した騒音の生波形を示すグラ
フである。

【図６】第１の実施の形態にかかる診断システムを用い
て回転機器の診断、余寿命を行うプロセスにおいて、図
６の生波形を離散ウェーブレット関数を用いて信号変換
した後の波形を示すグラフである。

【図７】第１の実施の形態にかかる診断システムにおい
て監視時刻における監視振幅の算出の原理を説明するた
めのグラフ図であり、（ａ）は信号変換後を、（ｂ）は
振幅の２乗をそれぞれ示している。

【図８】第２の実施の形態にかかる診断システムの構成
の概略を示す説明図である。

【図９】第２の実施の形態にかかる診断システムにおけ
る監視対象面積とマイクロフォンの警戒面積との関係を
示す説明図である。

【図１０】第２の実施の形態にかかる診断システムにお
いて、隣合う警戒面積が重なった状態を示す説明図であ
る。

【図１１】第２の実施の形態にかかる診断システムを用
いて回転機器の診断、余寿命を行う場合の処理手順を示
すフローチャートである。

【図１２】実施例において軸受部が正常状態にあるとき
の送風機の音圧をＡ／Ｄ変換した後の結果をディジタル
値で示したグラフ図である。

【図１３】実施例において軸受部が正常状態にあるとき
の送風機の音圧を周波数解像度を変えて信号波形変換を
施した後の振幅を示すグラフであり、（ａ）は５ｋＨ
ｚ、（ｂ）は２．５ｋＨｚ、（ｃ）は１．２５ｋＨｚの
周波数解像度で信号変換したときを示している。

【図１４】実施例において軸受部に傷があるときの送風
機の音圧をＡ／Ｄ変換した後の結果をディジタル値で示
したグラフ図である。

【図１５】実施例において軸受部に傷があるときの送風
機の音圧を周波数解像度を変えて信号波形変換を施した
後の振幅を示すグラフであり、（ａ）は５ｋＨｚ、
（ｂ）は２．５ｋＨｚ、（ｃ）は１．２５ｋＨｚの周波
数解像度で信号変換したときを示している。

【符号の説明】

１回転機器２軸受部３マイクロフォン４搬送装置６収録装置７高速変換器８パソコン９プリンタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転機器の軸受部から発生する音を利用
して、当該軸受部の異常を診断する方法であって、有指
向性マイクロフォンによって対象となる回転機器の軸受
部の発生音を計測し、この計測した音をディジタル信号
に変換し、前記ディジタル信号化された音信号の時間軸
を過去に遡って移動し、移動させた後における予め設定
した監視時間の範囲において、周波数の解像度を変化さ
せることによって周期的な波形を取り除いて不規則な波
形を捕らえ、前記不規則な波形の大きさを示す振幅値の
前記監視時間における平均値と、予め設定した異常を示
す閾値とを比較することによって、前記軸受部を診断す
ることを特徴とする、回転機器の軸受部の診断方法。
【請求項２】回転機器の軸受部から発生する音を利用
して、当該軸受部の余寿命を推定する方法であって、有
指向性マイクロフォンによって対象となる回転機器の軸
受部の発生音を計測し、この計測した音をディジタル信
号に変換し、前記ディジタル信号化された音信号の時間
軸を過去に遡って移動し、移動させた後における予め設
定した監視時間の範囲において、周波数の解像度を変化
させることによって周期的な波形を取り除いて不規則な
波形を捕らえ、前記不規則な波形の大きさを示す振幅値
の前記監視時間における平均値を算出し、複数の監視時
間毎に得たこの算出結果の時経列データに基づいて、予
め設定した異常値に至るまでの時間を計算して、前記軸
受部の余寿命を推定することを特徴とする、回転機器の
軸受部の余寿命推定方法。
【請求項３】あるエリアに存在する同一回転周期をも
った複数の回転機器の軸受部から発生する音を利用し
て、このエリア内の回転機器の軸受部の異常を診断する
方法であって、少なくとも１つの無指向性マイクロフォ
ンによって前記エリア内の回転機器の軸受部の発生音を
計測し、これら無指向性マイクロフォンの数は、各無指
向性マイクロフォンで感知できる警戒範囲の集合範囲内
に、前記エリアが包含されるように設定し、各無指向性
マイクロフォンによって計測した音をディジタル信号に
変換し、前記ディジタル信号化された音信号の時間軸を
過去に遡って移動し、移動させた後における予め設定し
た監視時間の範囲において、周波数の解像度を変化させ
ることによって周期的な波形を取り除いて不規則な波形
を捕らえ、前記不規則な波形の大きさを示す振幅値の前
記監視時間における平均値と、予め設定した異常を示す
閾値とを、各無指向性マイクロフォンごとに比較するこ
とによって、前記エリア内の回転機器の軸受部を診断す
ることを特徴とする、回転機器の軸受部の診断方法。
【請求項４】あるエリアに存在する同一回転周期をも
った複数の回転機器の軸受部から発生する音を利用し
て、このエリア内の回転機器の軸受部の余寿命を推定す
る方法であって、少なくとも１つの無指向性マイクロフ
ォンによって前記エリア内の回転機器の軸受部の発生音
を計測し、これら無指向性マイクロフォンの数は、各無
指向性マイクロフォンで感知できる警戒範囲の集合範囲
内に、前記エリアが包含されるように設定し、各無指向
性マイクロフォンによって計測した音をディジタル信号
に変換し、前記ディジタル信号化された音信号の時間軸
を過去に遡って移動し、移動させた後における予め設定
した監視時間の範囲において、周波数の解像度を変化さ
せることによって周期的な波形を取り除いて不規則な波
形を捕らえ、前記不規則な波形の大きさを示す振幅値の
前記監視時間における平均値を算出し、複数の監視時間
毎に得たこの演算結果の時経列データに基づいて、予め
設定した異常値に至るまでの時間を計算して、各無指向
性マイクロフォンごとに前記エリア内の回転機器の軸受
部の余寿命を推定することを特徴とする、回転機器の軸
受部の余寿命推定方法。
【請求項５】回転機器の軸受部から発生する音を利用
して、当該軸受部を診断するシステムであって、回転機
器の軸受け部に対して所定の位置だけ離れたところまで
移動自在な移動装置と、前記移動装置に設けられた有指
向性マイクロフォンと、前記有指向性マイクロフォンで
計測される音をディジタル信号に変換して収録する収録
装置と、前記収録装置に収録されたディジタル信号に変
換された音信号の時間軸を過去に遡って移動させると共
に、周波数帯域で別々の解像度を変化させることが可能
な関数を用いて前記音信号を直交化して周波数変換する
変換器と、前記変換器の結果に基づいて得られた不規則
波形の振幅値と予め設定した閾値とを比較する演算装置
とを有することを特徴とする、回転機器の軸受部の診断
システム。
【請求項６】あるエリアに存在する同一回転周期をも
った複数の回転機器の軸受部から発生する音を利用し
て、特定回転機器の軸受部を診断するシステムであっ
て、各無指向性マイクロフォンで感知できる警戒範囲の
集合範囲内に、前記エリアが包含されるように設定され
た数の無指向性マイクロフォンと、前記無指向性マイク
ロフォンで計測される音をディジタル信号に変換して収
録する収録装置と、前記収録装置に収録されたディジタ
ル信号に変換された音信号の時間軸を過去に遡って移動
させると共に、周波数帯域で別々の解像度を変化させる
ことが可能な関数を用いて前記音信号を直交化して周波
数変換する変換器と、前記変換器の結果に基づいて得ら
れた不規則波形の振幅値と予め設定した閾値とを比較す
る演算装置とを有することを特徴とする、回転機器の軸
受部の診断システム。
【請求項７】前記変換器で得られた振幅値の時系列増
加傾向を時間項を有する近似式で近似し、さらに計測時
点の値から予め設定した限界値に至るまでの時間を当該
近似式によって解析する第２の演算装置を備えたことを
特徴とする、請求項５又は６に記載の回転機器の軸受部
の診断システム。