JPS61114134A - 回転機械の診断方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野〕 本発明は、減速機５モータ、プロワ等の回転機械、或い
は軸受５歯車等の回転機械要素における異常状態の診断
方法に関する。

〔従来技術〕

モータ、ブロワ等の回転機械、或いは転がり軸受、歯車
等の回転機械要素においては、回転による摩耗、損傷、
或いは潤滑不良による損傷、または組付り不良による損
傷等が生じる。このため、回転機械等に生しる損傷等を
早期に発見して対処する必要が生しる。

回転＃Ｂ械等の異常の診断方法としては、摩耗。

損傷等の異常に起因して生しる振動を捉える振動法が一
般的である。従来の振動法は、回転機械等の振動を測定
し、その振動を高速フーリエ変換することにより、時間
領域で表わた不規則関数である振動を、周波数領域の関
数に変換して、そのパワースペクトルを求め、求められ
たパワースペクＩ・ルから劣化指数を算出して、回転機
械等の異常状態を判断するものであった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

回転機械等における振動は、摩耗、損傷等の異常に起因
する振動以外の振動（ノイズ）、特に一過性のものが含
まれているため、従来の振動法ではこれらのノイズを完
全に除去できず、正確な劣化指数を算出できなかった。

また注目すべきスペクトルが接近している場合にも正確
な劣化指数を算出できない。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり異常
に起因する振動以外の振動（ノイズ）を除去し得て、正
確な劣化指数を算出し得る回転機械の診断方法を提供す
ることを目的とする。本発明は、回転機械における振動
を測定し、一過性のノイズを除去すべくその測定信号を
自己回帰モデル化してパワースペクトルを求め、このパ
ワースペクトルの特定周波数にお＋Ｊる強度とパワース
ペクトルの実効値との比を劣化指数として算出し、算出
された劣化＋１数から劣化確率を算出することを特徴と
する。

（原理〕 本発明方法の原理について以下に説明する。第１図は、
回転機械における振動の検出信号を示す。

今、時刻【における振動の大きさをＸ、とすると、この
信号には、各種因子による振動が重畳していると考えら
れる。そこでこの信号を、各種振動の重畳信号と号え、
（１）式で示す自己回帰式を設定する。

）ｉ、＝ｉｊ、α１　＋ａ　２α２＋°°“°゛→１１
ｔ＝　Σ　ａ１α：　十ｕ　ｔ　　　　　　・・・ｆｌ
ｌｉ＝１ ａＩ　ニジステムパラメータ α、；時刻りの振動におｉｌｌる量子化された振動成分 ｕ、：白色ノイズ（周波数に無関係な定数のパワースペ
クトル密度をもつようなラ ンダム信号） ｈ　ニジステム次数 ここでシステムパラメータ及びシステム次数について考
える。まずシステム次数Ｍ−１の場合には（１）式は次
のように表わされる。

Ｘ４＝ａ１α１＋ｕ、　　　　　　　・・・（２）（２
）式においてＸｊを既知（測定値）とすると、ｕｊ　＝
ｘｔ　　ａＩ　α１　　　　　　　・・・（２）′とな
り、ａ１α宜を推定値と考えればｕｊは誤差を表わす。

そこで最小２乗法によりａＩのＮｋ通値を求める。つま
りｕｔ２の期待値Ｅ　（ｕｔ　２）を最小にするａｌの
値がａｌ値となる。そしてこの求めた値ａ、に基づいて
ｕＬの期待値Ｅ（ｕｔ）Ｍ−１を演算する。

次にシステム次数Ｍ＝２の場合について考えると（１）
式は、 Ｘｔ＝８１（Ｘｌ十ａ２　α２　＋ｕ、　　…（ａｌと
なる。ここに上述の最小２乗法により求めたａｌの値を
代入し、さらに同様の最小２乗法によりａ２を求め、求
められた値ａｌ、ａ２に基づいてｕｔの期待値Ｅ（ｕｔ
）＋、＝２を演算する。そして先に求めたＵ、の期待値
Ｅ（ｕｔ）Ｍ＝＋と、このＥ　（ｕｔ　）　＋１＝２と
を比較する。以下同様の手順で期待値Ｅ　（ｕｔ　）　
Ｍ　＝１を求め、Ｅ（ｕｔ）Ｍ＝＋−＋とＥ（ｕｔ）Ｍ
＝＋との差が所定の微小値以下になった場合におけるｉ
をシステム次数Ｍとする。

つまりａ１α１．ａ２α２．・・・＋　　ａＭαｈは夫
々原因の異なる振動成分と考えられ、この振動成分が所
定値以下の微少なものはホワイトノイズとして扱う。従
って所定の次数Ｍにて表わされるＸ。

は、時刻ｔにおけるノイズを除去した振動を表わす値と
考えられる。

同様の方法により、所定の時間毎に抽出された振動信号
のノイズを除去する。

このようにして得られるノイズを除去した振動信号に基
づいて、そのパワースペクトルをもとめる。パワースペ
クトルは下記（４）式で表わされる。

但し、　　ｆ：周波数 σｕ２：統計量推定の分散 （４）式によりパワースペクトルが求められるが、回転
機械等に異常があれば、その異常に起因してパワースペ
クトルの強度は部分的に大きくなる。

従ってバワースペク］・ルの強度が部分的に大きくなっ
ていれば、回転ｉ８Ｉ械等に異常が生じていることが類
推されるが、回転機械等の種類、或いは異常の種類に対
応して、異常に起因するパワースペクトル強度の突出状
態の周波数特性が異なる。そこで回転機械の異常の程度
を表わす劣化指数として、パワースペクトル強度の全周
波数域での実効値と各異常により規定される特性周波数
におけるバワースペクＩ・生強度との比率を用いる。

第２図（イ）〜（ホ）に、回転機械の各異常に起因する
パワースペクトル強度と特性周波数の関係を示す。第２
図（イ）は、回転機械における回転軸がアンバランスな
状態であり、ｆｏは回転軸の周波数を示す。この場合の
劣化指数Ｆ、はＳＩ Ｆ、−□　　　　　　　　　・・・（５）　ｒｍｓ 但し、　ＳＩ　：周波数ｆｏにおけるパワースペクトル
強度 ５ｒｖｓ　　：パワースペクトルの全周波数１４での実
効値 で表わされる。

第２図（ロ）は、回転機械におけるミスアライメンＩ・
又はヘンＩ・シャフトが生じた状態であり、劣化ｔｉｔ
数Ｆ２は 　ｒｍｓ Ｓ２．Ｓ３　：周波数２　ｆｏ、　　３　ｆｏにおける
パワースペクトル強度 で表わされる。

第２図（ハ）は、回転機械にガタが生じている場合であ
り、劣化指数Ｆ３は 　ｒｍｓ Ｓｏ、ｓ：周波数％ｆｏにおけるパワースペクトル強度 で表わされる。

第２図（ニ）は、軸受に異常が生じている場合である。

軸受においては、外輪、内輪、転動住人々について各別
に、この第２図（ニ）に示すようなパワースペクトル強
度となるが、夫々の周波数特性は異なる。図におけるＫ
ｌ（１＝１〜３）は外輪９内輪、転動体のいずれかに異
常があった場合におけるその各部に対応する定数であり
、Ｋ１が外輪異常、　Ｋ２が内輪異常、Ｋ３が転動体異
常の場合を夫々示している。Ｋ、、に、、に３は次のよ
うに表わされる。

ｎ　　　　　　　　　　　ｄ 但し、ｎ：転動体の数 ｄ：転動体の直径 り８転動体のピンチ円の直径 α：転動体の接触角度 外輪、内輪、転動体の各劣化指数は次のように表わされ
る。

Ｋ４１：外輪の劣化指数 Ｆ、２：内輪の劣化指数 Ｆ４〕二転動体の劣化指数 ｓ、、ｓ２．Ｓ３：周波数Ｋｉｆｏ　　（１−＋　、　
２　。

３　）　２　Ｋｉｆｏ　、　３　Ｋｉｆｏにおけるパワ
ースペクトル強 度 第２図（ホ）は歯車が劣化した状態におけるパワースペ
クトルの強度と特性周波数の関係を示しｆＧは歯車のか
み合い周波数であって、ｆに　＝Ｚ　　ｆｏ　　　　　
　　　　　　　　−（１１）Ｚ：歯数 ｆｏ：軸の回転数 となる。そして、この歯車の劣化指数Ｆ５はＳＩ＋　　
８２’周波数ｒＧ、２　ｒＧにおける各バワースペク］
・生強度 この劣化指数により、異常の状態が認識されるのである
が、さらに異常の程度を評価すべく劣化確率を求める。

一般に、信頼性理論では偶発故障確率Ｒ（ｔ）は、 一λ　ｔ Ｒ口→＝１−ｅ　　　　　　　　　　・・・（１３）で
求まり、指数分布に従うものとされていて、劣化確率は
劣化指数Ｆの関数として下記（１４）式にて表わされる
。即ち、劣化確率をＰ　（Ｆ）、劣化指数をＦとすると
、 但し、Ｌｏ；異常が発生していないと考えられる場合＋
Ｐ　（Ｆ）＝Ｏ１の劣化指数の 最大値 Ｍｏ　：寿命ｆＰ　（Ｆ）　＝１．０　＋の劣化指数の
最大値 Ｘｏ：劣化確率が０．５になるときの劣化指数 ｎＸ＝指数曲線の傾き（異常の種類等により定まる） となる。（１４）式をグラフにて表わすと、第３図の如
き曲線となる。

本願発明者は、基礎実験、フィールＩ゛データの確証試
験により、第２図（イ）〜（ホ）に示し、また前記（５
）〜（１２）式にて求めた各回転機械等、或いは回転機
械等の各種異常における劣化ｔｉ数に対する劣化確率曲
線を得た。これをｊ８４〜８図に示す。第４図は回転軸
がアンバランスな状態である場合における劣化指数と劣
化確率との関係を示し、第５図は回転機械のミスアライ
メント又はベントシャフト状態である場合における劣化
指数と劣化確率との関係を示し、第６図は回転機械にガ
タが生している場合における劣化指数と劣化確率との関
係を示している。第７図（イ）〜（ハ）は軸受に異常が
生じた場合を示し、第７図（イ）は軸受の外輪における
異常が生じている場合、第７図（ロ）は軸受の内輪に異
常が生じている場合、第７図（ハ）は軸受の転動体に異
常が生じている場合の劣化ｆｆｔ数に対する劣化確率を
夫々示している。第８図は歯車において異常が生じた場
合の劣化ｍ数に対する劣化確率を示している。

従って、ｌ１ｉＩ記（５）〜（１２）式にて劣化指数を
求めると第４図〜第８図のグラフにより劣化確率が求ま
り、各回転機械における具体的な異常の程度が把迩でき
ることになる。

〔実施例〕

第９図は本発明方法の実施に使用される装置の模式的ブ
ロック図である。図において１はモータであり、該モー
タ１の出力軸はカンプリング２にて軸５に連結されてい
る。該軸５は両端を軸受３゜３にて夫々回転自在に支持
されており、軸５には油圧シリンダ６にて荷重が負荷さ
れている。

一方の軸受３には、振動ピンクアップ７が取付けられて
おり、軸受３の振動を捉えて振動計８に所定信号を出力
する。振動計８の出力はＡ／Ｄ変変 換２９を介して演算処理部１０に与えられており、演算
処理部１０は前述した如＜Ａ／Ｄ変換器９の出力に基づ
いて、所定の時間毎に軸受３の振動を抽出し、各時間に
おける振動を量子化して振動に重畳されたノイズを除去
する。そして各時間におけるノイズを除去した振動に基
づいてパワースペクトルを演算して夫々の劣化指数を算
出する。さらに予め設定された劣化指数と劣化確率との
関係から、劣化確率を演算する。演算処理部ＩＯの演算
結果は、表示・印字部１１にて表示・印字される。

この装置を用いて正常な軸受を診断した場合における自
己回帰モデルにより得られたパワースペクトルを第１０
図に示す、また、第１１図に外輪に人工欠陥を付与した
軸受の自己回帰モデルにより得られたパワースペクトル
を示す。

さらに正常、外輪異常の各軸受の劣化指数、及び劣化指
数から求められた劣化確率を夫々第１表に示す。第１表
より明らかなように、外輪の劣化確率が１００％となり
、外輪に異常が生じていることが明らかになる。

なお、第１２図に、正常な軸受の振動を高速フーリエ変
換した結果を、また第１３図に外輪に人工欠陥を付与し
た軸受の振動を高速フーリエ変換した結果を夫々に示す
。

第　　１　　表 第１２図及び第１３図からは、欠陥が住じていること、
特に外輪に欠陥が生じていることをｉ［１Ｉｉｋするこ
とが困難である。

なお、この実施例では軸受における外輪の異常について
説明したが、軸受の内輪、転動体についても同様に判定
でき、さらには他の回転機械についても異常の状懇の判
定が可能である。

〔効果〕

本発明によれば、回転機械の異常の種類５程度をノイズ
等の影響を受けることなく、明確に捉えることができ、
回転機械等の診断を高精度に行える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の説明のためのグラフ、ＷＳ２図（
イ）〜（ホ）は、劣化指数算出方法説明のためのグラフ
、第３図〜第８図は劣化指数と劣化確率との関係を示す
グラフ、第９図は本発明方法の実［１に使用する装置の
模式的プロ、り図、第１０図、第１］図は軸受の振動を
本発明方法における自己回帰モデル化したグラフ、第１
２図、第１３図は、軸受の振動を従来方法における高速
フーリエ変換したグラフである。 Ｉ・・・モータ　２・・カップリング　３・・・軸受　
５・・・軸　７・・振動ピンクアンプ 特　許　出願人　　住友金属工業株式会社代理人　弁理
士　　河　　野　　登　　夫０旬（’１０ Ｑ　　　Ｓ　ｅ　物　ｆ。 Ｏｃｏ〜０ ？　　＠４ｆ！　　軒　　　　　０ −〜！ｌ！０ １Ｑ曇 ？　　殻４　筬掛　　　　　０ ０：　　昶９　胃計　　　　０ ；！８８ ニ　　筏ｅ耀世　　　　−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、回転機械における振動を測定し、一過性のノイズを
   除去すべくその測定信号を自己回帰モデル化してパワー
   スペクトルを求め、このパワースペクトルの特定周波数
   における強度とパワースペクトルの実効値との比を劣化
   指数として算出し、算出された劣化指数から劣化確率を
   算出することを特徴とする回転機械の診断方法。