JP2001227935A - 大型回転機械におけるジャーナル軸受の異常予知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】大型回転機械を大幅に解体することなく設置可
能な装置にて、運転中の機械のジャーナル軸受における
異常状態を鋭敏に検知して軸受の交換時期を知らせる。 【解決手段】弾性体５２により複数の走査型超音波プロ
ーブ２を連結した走査型超音波プローブ集合体５１を軸
受外部に設置し、ボス４１とブシュ４２との接合面にお
ける剥離やブシュ４２の摩耗により短縮された超音波の
反射時間、及び摩耗や剥離により低下した反射波強度の
変化を検知して、摺動部が異常状態になることを事前に
予知する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、大型回転機械にお
けるジャーナル軸受の状態診断装置に係わり、特に回転
中にも軸受の状態を診断できる診断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、大型回転機械には回転軸を支え
るために軸受が設けられている。この軸受は回転軸の全
荷重を受ける構造であり、滑りジャーナル軸受が多く使
われている。このような滑りジャーナル軸受は円筒状の
軸受本体（ボス）とその内周面に接合された平軸受（ブ
シュ）とからなり、回転軸表面とブシュ表面との間は潤
滑油で満たされた摺動状態にある。

【０００３】このような滑りジャーナル軸受が運転中
に、ボスとブシュとの接合部に剥離が発生すると、軸受
表面材料の摩耗、あるいは損傷を引き起こし、結果とし
て機械全体の故障停止を招く。

【０００４】従来、ボスとブシュとの接合部における剥
離状態を計測するためには、定期的に機械の運転を止
め、その軸受部分を分解、あるいはそれに近い状態にし
て観察、あるいは機械的な計測を行っていた。このた
め、故障時においては原因の特定及びその修復作業を迅
速に行うことが困難であったほか、突然の異物混入など
によるブシュ表面の損傷状態は検知することが出来なか
った。大掛かりな分解作業は、検査員には多大な負担を
強いるものでもあった。また、軸受の状態を検知する手
段として、特開平5−34135号公報のような超音波を利用
してブシュ厚さを計測する方法が知られている。しか
し、周囲の大部分が保持具で覆われた軸受本体に計測装
置を取り付け、剥離状態のような一様でない損傷状態軸
受全体にわたり計測することは非常に困難であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記事情の
解決法としてなされたものである。その目的は、大幅な
解体作業をすることなく取り付けることが可能であり、
しかも、ジャーナル軸受に発生するボスとブシュとの接
合部の剥離状態，ブシュ材料の摩耗状態、及びブシュ表
面の表面損傷状態を回転機械が運転したままの状態で軸
受の広範囲の領域にわたり計測し、ジャーナル軸受の信
頼性低下を未然に予知することの可能な滑りジャーナル
軸受用異常予知装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、音波信号の送受信方向を任意に走査可能
な走査型超音波プローブを大型回転機械のジャーナル軸
受部に設置し、超音波の反射時間と反射波強度を計測す
ることによりボスとブシュとの接合面における剥離状
態，ブシュ材料の摩耗状態、及びブシュ表面の損傷状態
を検出して機械全体の故障を未然に予知することにあ
る。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、図１から図１０の図面を参
照しながらこの発明の実施の形態を具体的に説明する。

【０００８】図１は本実施形態に係わる滑りジャーナル
軸受の異常予知装置の構成を示すブロック図である。こ
の図に示すように、本実施形態における異常予知装置
は、被検体である滑りジャーナル軸受１，走査型超音波
プローブ２，計測回路３，判定回路４，超音波映像装置
５，アラーム６により構成されている。走査型超音波プ
ローブ２を計測対象であるジャーナル軸受ボス外周面、
あるいは端部などに固定する。この走査型超音波プロー
ブ２は、計測回路３からの制御信号により軸受内部に超
音波パルスを発射し、軸受内部にて反射されて戻ってき
た超音波を受信する機能を持つ。また、その超音波パル
スの発信方向及び受信方向を１次元的、あるいは２次元
的に走査する機能を持つ。発信された超音波パルスは回
転軸表面とブシュ表面との界面、あるいはブシュとボス
との接合部における剥離箇所において反射され、再び戻
ってきた段階で走査型超音波プローブ２により受信され
る。

【０００９】計測回路は、各走査角度において超音波パ
ルスを発信してから反射波を受信するまでの時間である
反射時間、及び反射波の振幅の大きさである反射波強度
を計測する。これら計測回路により得られた反射時間，
反射波強度、及びその時の走査角度の情報は超音波映像
装置５に送られ、表示回路を経て扇形の被検体の断面像
として表示部に表示される。

【００１０】一方、計測回路３による計測結果は判定回
路４にも送信され、計測された反射時間及び反射波強度
の絶対値が既定値を超えた場合、また過去の値と現在の
値とから得られた単位時間当たりの反射時間及び反射波
強度の変化量が別な既定値を超えた場合に、軸受の異常
状態と判定して軸受交換時期を知らせる信号をアラーム
６に点灯させるほか、単位時間あたりの反射時間の変化
量から軸受余寿命を１次関数的に予測し、余寿命に応じ
た別々の種類の信号をアラーム６に点灯させる。

【００１１】図２は図１で示されたような本発明の装置
を適用した横軸型水力発電装置である。導入路２１から
導入された水流は回転軸２２の端部に取り付けられた回
転翼部２３において回転翼との接触により回転軸２２に
回転運動を発生させ、放出路２５より外部に放出され
る。この回転軸２２に発生した回転力は回転軸２２中央
部近傍に取り付けられたロータとステータからなる発電
部２６内のロータを回転させ、ロータとその外周に設置
されたステータとの間に起電力を発生させる。回転軸２
２はロータの取り付け部の両端近傍に設置された滑りジ
ャーナル軸受部１により支持される。

【００１２】図３（ａ)，(ｂ）に示すように複数個の走
査型超音波プローブ２を弾性体５２を用いて変形自在な
棒状に結合させ、走査型超音波プローブ集合体５１を形
成する。ジャーナル軸受２８の外周面中央部は軸受ジグ
３０により覆われて固定されているため、センサを取り
付ける面積を確保し難い。そのため、走査型超音波プロ
ーブ集合体５１はジャーナル軸受２８の外周面両端部に
センサ面を軸中心方向へ向けて取り付け治具及び絶縁性
の接着剤あるいはワイヤ等を用いて周方向に固定され
る。

【００１３】走査型超音波プローブ集合体５１からの信
号ケーブル３２は軸受部の外部に取り出され、計測回路
３に接続される。走査型超音波プローブ集合体５１にお
ける各々の走査型超音波プローブ２の内部には、１mm四
方の断面を持ち１０ＭＨｚの超音波パルスを送受信可能
な微少な超音波振動子が多数存在し、各振動子が一つの
超音波送受信角度に対応している。計測回路３からの信
号によりこれらの振動子が順に動作させられることによ
り、図４のように１次元的、あるいは２次元的な走査を
行い、最大１４０°の範囲において各走査角度にて超音
波の送受信を行う。

【００１４】計測回路３は、各走査型超音波プローブ２
を動作させ、各走査角度における超音波の反射時間，反
射波強度、及び走査角度を判定回路４並びに超音波映像
装置５に出力する。超音波映像装置５は計測回路３から
の信号を受け、内部の表示回路６０に信号を伝達する。
判定回路４は計測回路３からの信号を受け、各走査角度
で得られたあるしきい値以上の超音波について、反射時
間とあらかじめ決定しておいた値とを比較して、反射時
間がその値よりも短くなった領域が発生した場合にはボ
スとブシュとの接合面において剥離が発生したと判断
し、軸受異常の発生を知らせる信号をアラーム６に点灯
させる。

【００１５】一方、表示回路６０は超音波の反射時間，
反射波強度、及びその時の走査角度から扇形上の走査範
囲内断面映像をモニタ６１に２次元的に出力する。軸受
内を伝わる超音波は一般にブシュ表面と回転軸表面との
界面７１，ボスとブシュとの界面における剥離部７０、
あるいは軸受内の亀裂部において反射する。この断面映
像には、反射時間と走査角度とにより求めた超音波を反
射する場所が表示され、図５（ａ）におけるブシュ表面
と回転軸表面との界面７１での反射は図５(ｂ)の映像７
５のように、また、ボスとブシュとの接合面における剥
離部７０での反射は映像７６のように現れる。この映像
より剥離が生じた場合にはその場所を視覚的に特定でき
る。

【００１６】図３（ａ)，(ｂ）に示すように、走査型超
音波プローブ集合体５１は変形自在に形成されているた
め、被計測物であるジャーナル軸受に対して図６（ａ）
のように軸受の周囲に円筒状に巻き付けて固定できる。
この場合、走査型超音波プローブ２は図６（ｂ）のよう
にセンサ面を中心方向へ向けて軸に平行に走査を行うよ
うに設置する。一方、走査型超音波プローブ集合体５１
を円筒状に変形させて図７（ａ）のように軸受の端面に
固定した場合、走査型超音波プローブ２は図７（ｂ）の
ようにセンサ面を軸と垂直な方向に向けて軸受の径方向
に沿って走査を行うように設置する。軸受が長い場合に
は、軸受両端に走査型超音波プローブ集合体５１を固定
すると、より広範囲な計測を行うことができる。そのほ
かにも、軸受及び周辺の使用可能な空間にあわせて、半
円状や自由な曲線状に変形させて必要な場所に設置する
ことができるため、既に使用中の回転機械内に含まれる
軸受にも容易に設置することができる。あるいはあらか
じめ走査型超音波プローブ２を弾性体５２にて半円筒状
や円筒状に連結してから用いてもよい。

【００１７】判定回路４によるボスとブシュとの界面で
の剥離状態の判定は次のようにして行われる。剥離が発
生していない場合の計測結果の例を図８（ａ）に示す。
この図に示すように、剥離が発生していない場合には、
走査型超音波プローブ２より発射された超音波パルスは
ボス４１内部を通じて伝播し、その多くはブシュ表面と
回転軸表面との界面７１にて反射波を生じる。図８
（ｂ）には剥離の発生した場合の計測結果の例を示す。
超音波パルスは同様にボス４１内部を通じて伝播する
が、音響インピーダンスの大きく変化する剥離部７０に
あたった場合にはそこで反射波を発生する。

【００１８】計測回路３においてこの剥離部７０からの
反射波より求められる超音波の反射時間は、剥離の無い
場合にブシュ表面と回転軸表面との界面７１からの反射
波より求められる反射時間に比べて短く、この時間差を
検知した場合にその走査位置に剥離状態が存在すると判
定する。また、比較の結果として、この時間差の絶対値
があらかじめ決定しておいた値を上回った場合には異常
値と判定して、アラーム６に軸受の交換時期を知らせる
信号を送る。一方、剥離部７０により途中で反射した分
だけブシュ表面に達する超音波の強度が低下するため、
ブシュ表面と回転軸表面との界面における反射波の強度
も弱くなる。

【００１９】一方、ブシュの摩耗状態の判定は次のよう
にして行われる。図９（ａ）に示すようなブシュ４２が
摩耗していない場合に比べて、図９（ｂ）に示すような
ブシュ４２が摩耗した場合には厚みが小さくなることか
ら、ブシュ表面と回転軸表面との界面７１にて反射され
る超音波の反射時間は全体として短くなる。すなわち、
超音波の反射時間はその伝達距離に依存することから、
摩耗により伝達距離が短くなると反射時間も短くなる。
この反射時間の減少よりブシュ４２の摩耗状態が計測で
きる。比較の結果、計測された反射時間があらかじめ決
定しておいた反射時間を下回った場合には異常摩耗量と
判定し、アラ−ム６に軸受の交換時期を知らせる信号を
送る。

【００２０】ボスとブシュとの接合面における剥離状態
の判定、並びにブシュの摩耗状態の判定はどちらも超音
波の反射時間を用いて計測するが、異常状態を判定する
反射時間の既定値はそれぞれ異なるものであり、この２
つの判定は別個に行われる。ボスとブシュとの接合面の
剥離部における反射時間はブシュ表面と回転軸表面との
界面における反射時間に比べて常に短くなり、しかも決
まった値を取る。それに対して、ブシュの摩耗による反
射時間の変化は時間とともに徐々に変化していく性質を
持つ。

【００２１】さらに、回転軸表面とブシュ表面との間へ
の異物の混入等によりブシュ表面にキズなどの損傷が発
生したり、あらさが大きくなった場合には計測される反
射波の強度の頂点が分散し、この分散状態からブシュ表
面の損傷状態を知ることが出来る。

【００２２】また、判定回路３は過去の計測結果を記録
しており、最新の計測結果と比較することにより単位時
間あたりの反射時間の変化量を算出する。そして、現段
階においてその時点における単位時間あたりの反射時間
の変化量を用いた場合の軸受余寿命を算出して、その値
に対応した別々の信号をアラーム６に送信する。本実施
例においては余寿命が１年以上あると予測されるもの、
余寿命が９０日以上と予測されるもの、余寿命が９０日
未満であり軸受交換時期であるものの３段階に判定を行
い、およその余寿命を知らせる３種類の別々なアラーム
が点灯する。また、単位時間あたりの反射時間の変化量
の絶対値が予め決定しておいたしきい値よりも大きくな
った場合には、急激に軸受の損傷が進行していると判定
し、軸受交換時期を示す信号をアラーム６に送信する。
このように、単位時間あたりの反射時間の変化量の動き
を余寿命予測及び軸受交換時期の判定に用いることによ
り、軸受の剥離及び摩耗の進行状態の遅い変化にも速い
変化にも対応して、早い段階で滑り軸受の異常を予知す
ることができる。

【００２３】被計測物表面のあらさが大きい場合や表面
形状が曲面を描き複雑なため走査型超音波プローブ表面
との十分な接触が得られにくい場合には、走査型超音波
プローブから被計測物への超音波の伝播が阻害されやす
い。この場合、プローブ表面と被計測物表面との間に液
体を介在させることにより、１０（ａ）のように乾燥状
態のまま設置した場合に比べて伝達特性を大きく向上さ
せることが出来る。図１０（ｂ）のようにプローブを連
結する弾性体５２にシール部５３を設けるか、図１０
（ｃ）や図１０（ｄ）のようにプローブ周辺にシール部
材５４を設ける等の構造をとることにより走査型超音波
プローブ集合体５１のあらゆる設置姿勢においても、長
期間にわたり液体５５を走査型超音波プローブ２の近傍
に保持でき、安定して高感度な計測を行うことが出来
る。また、図示していないが、シール部材５４に逆流防
止弁を備えた給油孔と空気抜き孔を設けることにより泡
を混入させずに液体を封入できる。

【００２４】

【発明の効果】以上、説明したように、この発明の異常
予知装置によると、軸受けにおけるボスとブシュとの接
合面の剥離状態，ブシュの摩耗状態、及びブシュの損傷
状態を回転機械が運転中に計測すること、及び将来の軸
受け異常を予知することが可能となる。また、既存の回
転機械を大きく解体することなく取り付けることが可能
であり、従来大幅な解体作業で余儀なくされた作業者の
負担が大幅に軽減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明にかかる異常予知装置を示したブロッ
ク図。

【図２】この発明を実施した横軸型水力発電装置を示し
た概略図。

【図３】走査型超音波プローブ集合体の構成を示した模
式図。

【図４】走査型超音波プローブによる超音波の送受信機
構を示す図。

【図５】超音波映像装置のモニタ上に表示される断面映
像の例を示した図。

【図６】軸受外周に走査型超音波プローブ集合体を設置
した例を示した図。

【図７】軸受端面に走査型超音波プローブ集合体を設置
した例を示した図。

【図８】超音波による剥離状態の判定法を示した図。

【図９】超音波によるブシュの摩耗状態の判定法を示し
た図。

【図１０】走査型超音波プローブ近傍への液体保持法を
示した図。

【符号の説明】

１…滑りジャーナル軸受部、２…走査型超音波プロー
ブ、３…計測回路、４…判定回路、５…超音波映像装
置、６…アラーム、２１…導入路、２２…回転軸、２３
…回転翼部、２５…放出路、２６…発電部、３０…軸受
ジグ、３２…信号ケーブル、４１…ボス、４２…ブシ
ュ、５１…走査型超音波プローブ集合体、５２…弾性
体、５３…シール部、５４…シール部材、５５…液体、
６０…表示回路、６１…モニタ、７０…剥離部、７１…
ボスとブシュとの接合面、７５…ブシュと回転軸との界
面での超音波の反射波による像、７６…剥離部における
超音波の反射波による像。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｎ 29/06 Ｇ０１Ｎ 29/06 29/10 ５０４ 29/10 ５０４ (72)発明者 井上 陽一 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 Ｆターム(参考） 2F068 AA39 AA44 CC04 FF00 FF03 FF12 FF15 FF16 FF25 GG01 JJ02 KK12 KK17 KK18 QQ45 RR02 RR09 RR13 RR14 2G024 AC03 BA12 BA21 DA30 2G047 AA07 AC08 BA03 BB02 BC02 BC03 BC08 DA02 EA13 EA19 3J011 AA20 BA02 EA10 KA02

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】印加された電圧に応じて超音波を発生する
   と共に、被計測物から反射してくる音波を受信して電気
   信号に変換する機能を持ち、その音波の送受信方向を自
   在に走査することのできる走査型超音波プローブと、前
   記プローブにより発射された超音波が物体界面で反射さ
   れて、再び前記プローブに戻ってくるまでの時間である
   反射時間、及びその時の反射波の強度を計測する計測回
   路と、前記計測回路からの信号を基に、軸受本体と平軸
   受との接合部における剥離状態を判断する判定回路とを
   備えたことを特徴とする大型回転機械におけるジャーナ
   ル軸受の異常予知装置。