JP2006077938A

JP2006077938A - 異常診断装置

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Publication number: JP2006077938A
Application number: JP2004265009A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Muto; 泰之武藤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-09-13
Filing date: 2004-09-13
Publication date: 2006-03-23
Also published as: CN1906473A; CN1906473B

Abstract

【課題】回転部品が組み込まれている機械装置を分解することなく実稼動状態で回転部品の異常の有無と損傷の程度を同時に診断することができると共に、突発的な外乱ノイズ等の影響による誤診断を防止して信頼性の高い異常診断を行うことができる異常診断装置を提供する。
【解決手段】軸受箱１２に対して相対的に回転する鉄道車両用転がり軸受装置１０に組み込まれた複列円すいころ軸受１１の異常を診断する異常診断装置であって、複列円すいころ軸受１１又は軸受箱１２に固定される振動センサ３２と温度センサ３３とを備え、振動センサ３２による計測結果と温度センサ３３による計測結果との組み合わせに基づいて、複列円すいころ軸受１１の異常の有無、或いは該異常の有無及び損傷の程度を判定する異常判定部４２を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば鉄道車両の車軸やギアボックス或いは発電用風車の減速機等に用いられる回転部品の異常を診断する異常診断装置に関する。

従来、鉄道車両や発電用風車等の機械装置は、一定期間使用した後に、軸受やその他の回転部品について、損傷や摩耗等の異常の有無が定期的に検査される。この定期的な検査は、回転部品が組み込まれた機械装置を分解することにより行われ、回転部品に発生した損傷や摩耗は、担当者が目視による検査により発見するようにしている。そして、検査で発見される主な欠陥としては、軸受の場合、異物の噛み込み等によって生ずる圧痕、転がり疲れによる剥離、その他の摩耗等、歯車の場合には、歯部の欠損や摩耗等、車輪の場合には、フラット等の摩耗があり、いずれの場合も新品にはない凹凸や摩耗等が発見されれば、新品に交換される。

また、回転部品が組み込まれた機械装置を分解することなく、実稼動状態で回転部品の異常診断を行う例として、機械装置の状態を振動センサ又は温度センサ等で常時計測して、各計測値が予め設定しておいた規定値以上に上昇したか否かで異常の有無を判定し、異常判定の場合に、異常警報を出力したり、機械装置の稼動を停止させたりする方法が提案されている(例えば特許文献１参照。）。
特開平１１−１２５２４４号公報

しかしながら、上記特許文献１においては、温度センサ及び振動センサのうちの何れか一方のセンサしか設置されていないため、異常が検知された場合には既に回転部品の損傷の程度が酷くなっていて継続して使用することが不可能なことが多く、機械装置を緊急に停止させなければならないという問題がある。

具体的には、温度センサ及び振動センサのうちの何れか一方のセンサによる信号に基づき回転部品の異常の有無を判定していたため、例えば、軸受の焼付き異常の場合、温度上昇を起こして過熱する前に異常を捉えることが困難であり、また、突発的な外乱ノイズ等の影響で誤動作が生じて異常警報を発したりする等、安定稼働が妨げられるという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転部品が組み込まれている機械装置を分解することなく実稼動状態で回転部品の異常の有無と損傷の程度を同時に診断することができると共に、突発的な外乱ノイズ等の影響による誤診断を防止して信頼性の高い異常診断を行うことができる異常診断装置を提供することにある。

本発明の目的は、下記の構成により達成される。
（１）静止部材に対して相対的に回転する回転部品の異常を診断する異常診断装置であって、
前記回転部品又は前記静止部材に固定される振動センサ、音響センサ、超音波センサ及びＡＥセンサの少なくとも一つの振動系センサと温度センサとを備え、
前記振動系センサによる計測結果と前記温度センサによる計測結果との組み合わせに基づいて、前記回転部品の異常の有無、或いは該異常の有無及び損傷の程度を判定する異常判定部を備えていることを特徴とする異常診断装置。
（２）前記振動系センサ及び前記温度センサによる計測値又は該計測値の時間に対する変化率を少なくとも一回求め、前記異常判定部が、前記計測値又は前記変化率と予め設定しておいた各規定値とを比較することにより、前記回転部品の異常の有無、或いは該異常の有無及び損傷の程度を判定することを特徴とする（１）に記載の異常診断装置。
（３）前記振動系センサにより検出された信号波形から不要な周波数帯域を除去するフィルタ処理部と、
前記フィルタ処理部から転送されたフィルタ処理後の波形の絶対値を検波するエンベロープ処理部と、
前記エンベロープ処理部から転送された波形の周波数を分析する周波数分析部と、
回転速度信号に基づき算出した前記回転部品の損傷に起因した周波数成分と前記周波数分析部により得られた実測データに基づく周波数成分とを比較する比較照合部とを備え、
前記異常判定部は、前記比較照合部での比較結果に基づき、異常の有無の判定や損傷部位の特定を行うことを特徴とする（１）又は（２）に記載の異常診断装置。
（４）前記異常判定部の判定結果を伝送するデータ伝送手段を有していることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の異常診断装置。
（５）前記回転部品が鉄道車両用であることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の異常診断装置。
（６）前記回転部品が減速機用であることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の異常診断装置。

本発明によれば、回転部品の回転状態に伴う振動及び温度の情報を同時に検出し、振動系センサによる計測結果と温度センサによる計測結果との組み合わせに基づいて、異常の有無と損傷の程度を同時に判定するので、振動と温度に関する回転部品の異常形態の特徴を利用した損傷の程度の判定が可能となる。また、突発的な外乱ノイズ等の影響による誤診断を防止して信頼性の高い異常診断を行うことができる。更に、回転部品が組み込まれている機械装置を分解することなく実稼動状態で回転部品の異常の有無と損傷の程度を同時に検査することができ、回転部品の最適な交換時期が分かり、効率的なメンテナンスを可能にすることができる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。ここで、図１は本発明の一実施形態である異常診断装置の診断対象である複列円すいころ軸受を備えた鉄道車両用転がり軸受装置の断面図、図２は異常診断装置の信号処理系統のブロック図、図３は軸受の焼付き異常発生時の振動値の経時変化を示すグラフ、図４は軸受の焼付き異常発生時の外輪外周面の温度の経時変化を示すグラフ、及び図５は転がり軸受の傷の部位と、傷に起因して発生する特徴周波数との関係を示す図である。

図１に示されるように、異常診断装置が適用される鉄道車両用の転がり軸受装置１０は、回転部品である複列円すいころ軸受１１と、鉄道車両用台車の一部を構成する静止部材である軸受箱１２とを備える。

複列円すいころ軸受１１は、回転軸である鉄道車両の車軸１３を回転可能に支持しており、外周面に円すい外面状に傾斜した内輪軌道面１５，１５を有する一対の内輪１４，１４と、内周面に円すい内面状に傾斜した一対の外輪軌道面１７，１７を有する単一の外輪１６と、内輪１４，１４の内輪軌道面１５，１５と外輪１６の外輪軌道面１７，１７との間に複列で複数配置された転動体である円すいころ１８と、円すいころ１８を転動自在に保持する環状の打ち抜き保持器１９，１９と、外輪１６の軸方向の両端部にそれぞれ装着された一対のシール部材２０，２０とを備える。

軸受箱１２は、鉄道車両用台車の側枠を構成するハウジング２１を備えており、このハウジング２１は外輪１６の外周面を覆うように円筒状に形成されている。また、ハウジング２１の軸方向の前端部側には前蓋２２が配置され、ハウジング２１の軸方向の後端部側には後蓋２３が配置されている。

一対の内輪１４，１４の間には、内輪間座２４が配置されている。一対の内輪１４，１４及び内輪間座２４には車軸１３が圧入されており、外輪１６はハウジング２１に嵌合されている。複列円すいころ軸受１１には、種々部材の重量等によるラジアル荷重と任意のアキシアル荷重とが負荷されており、外輪１６の周方向の上側部が負荷圏になっている。ここで、負荷圏とは、転動体に対して荷重が負荷される領域をいう。

車軸１３の前端部側に配置された一方のシール部材２０は、外輪１６の外側端部と前蓋２２との間に組み付けられ、後端部側に配置された他方のシール部材２０は、外輪１６の外側端部と後蓋２３との間に組み付けられている。

ハウジング２１の外周部の複列円すいころ軸受１１の軸方向の略中央部位置には径方向に貫通する貫通穴２６が形成され、この貫通穴２６には異常診断装置の一部を構成する異常検出用センサ３１が筐体２７に収容された状態で固定されている。

異常検出用センサ３１は、振動センサ、ＡＥ（acoustic emission）センサ、音響センサ、超音波センサの少なくとも１つの振動を検出可能な振動系センサと温度センサとを一体に筐体２７内に収納固定した複合型センサである。なお、図１の異常検出用センサ３１は、振動センサ３２と温度センサ３３を備える。

振動センサ３２は、圧電素子等の振動測定素子であり、複列円すいころ軸受１１の内外輪軌道面１５，１５，１７，１７の剥離や、歯車の欠損、車輪のフラット摩耗等を検出するのに用いられる。なお、振動センサ３２は、加速度、速度或いは変位型等、振動を電気信号化できるものであればよく、ノイズが多いような機械装置に取付ける際には、絶縁型を使用する方がノイズの影響を受けることがないので好ましい。

温度センサ３３は、サーミスタ温度測定素子や白金測温抵抗体や熱電対等の非接触タイプの温度測定素子であり、筐体２７内で外輪１６の外周面近傍に配置されている。また、温度センサ３３としては、雰囲気温度が規定値を越えると、バイメタルの接点が離れたり、接点が溶断したりすることで導通しなくなる温度ヒューズを用いることができる。その場合、機械装置の温度が規定値を超えたとき、温度ヒューズの導通が遮断されることによって温度異常が検出される。

また、異常検出用センサ３１は、複列円すいころ軸受１１の非回転側軌道輪に嵌合している軸受箱１２のラジアル荷重の負荷圏領域に取り付けている。このため、例えば、軸受軌道面に損傷が発生した場合、その損傷部を転動体が通過する際に生じる衝突力は無負荷圏よりも負荷圏の方が大きく、軸受負荷圏側の方が感度良く異常振動を検出することができる。

ここで、本実施形態では、図２に示すように、振動センサ３２による振動信号を増幅後に振動計測値分析部５０を介して異常判定部４２に出力すると同時に、温度センサ３３による温度信号を増幅後に温度計測値分析部５１を介して異常判定部４２に出力し、異常判定部４２が振動と温度の各計測値又は時間に対する各変化率の組合せに基づいて、複列円すいころ軸受１１の異常の有無及び損傷の程度を判定する。ここで、各計測値は、任意の時間における実効値でもピーク値でもよい。

即ち、軸受軌道面に剥離損傷が発生した場合には、その損傷部を転動体が通過するごとに衝撃が生じるため振動値の変化が大きくなるが、その前兆または直後では温度はほとんど変化しない。一方、軸受に焼付き異常が生じると、その前兆として計測時間に対する振動と温度の変化が大きくなるという特徴がある。このように、本実施形態では、異常の種類によって振動と温度の変化の仕方が異なるという回転部品の異常形態の特徴を利用したものであり、振動と温度の各計測値又は時間に対する各変化率を組み合わせることにより、複列円すいころ軸受１１の異常の有無及び損傷の程度を判定することができる。

図３は、軸受に焼付き異常が生じるまでの振動の経時変化を示し、図４は、軸受に焼付き異常が生じるまでの温度の経時変化を示す。

図３及び図４より、軸受に焼付きが発生する前兆として、Ａ点から振動が急激に増加しているが、温度変化はほとんどない。その後、Ｂ点から振動がさらに増加し、この時点から温度が上昇している。振動はさらに増加後、Ｃ点で焼付きが生じ、焼付き後の温度はさらに上昇して過熱していることがわかる。

従って、図３及び図４に示した計測結果に基づき、Ａ，Ｂ，Ｃ点における振動と温度の計測値又は時間に対する変化率を求め、これらの値を予め設定しておいた規定値と比較することにより複列円すいころ軸受１１の異常の有無及び損傷の程度を判定する。

更に、本実施形態では、振動センサ３２による振動の情報について、振動波形にフィルタ処理後、エンベロープ処理を施して周波数分析を行い、軸受の傷等の損傷の有無の判定及び損傷部位の特定を行えるようにして異常診断の信頼性を確実なものとしている。

即ち、図２に示すように、振動センサ３２が発生した振動信号は、信号伝送手段３４を介して増幅及びＡ／Ｄ変換後にフィルタ部３５に転送される。フィルタ部３５は、固有振動数記憶部３６に記憶された、複列円すいころ軸受１１の固有振動数に基づいて、振動信号からその固有振動数に対応する所定の周波数帯域のみを抽出する。なお、振動信号の増幅及びＡ／Ｄ変換は、伝送前に行なわれてもよく、増幅、Ａ／Ｄ変換の順序は逆であってもよい。

この固有振動数は、複列円すいころ軸受１１を被測定物として、打撃法により加振し、被測定物に取付けた振動検出器又は打撃により発生した音響を周波数分析することにより容易に求めることができる。なお、被測定物が複列円すいころ軸受の場合には、内輪、外輪、転動体、保持器等のいずれかに起因する固有振動数が与えられる。一般的に、機械部品の固有振動数は複数存在し、また固有振動数での振幅レベルは高くなるため測定の感度がよい。

その後、エンベロープ処理部３７では、フィルタ部３５にて抽出された所定の周波数帯域に対して、波形の絶対値を検波する絶対値検波処理が行われる。さらに、周波数分析部３８で波形の周波数の分析処理が行われ、実測値データが比較照合部３９へ転送される。

一方、理論周波数計算部４１において、回転速度情報４０に基づき算出された、軸受の剥離、歯車の欠損、車輪のフラット等、回転部品の損傷に起因した周波数成分の計算値データが比較照合部３９に転送される。なお、回転部品が転がり軸受の場合には、計算値データは、図５に示されるような、内輪、外輪、転動体、保持器の損傷に起因した周波数成分データとなる。

そして、比較照合部３９で実測値データと計算値データとが比較照合され、異常判定部４２にて異常の有無、異常部位の特定、損傷の程度の判定が行われる。結果出力部４３は、複列円すいころ軸受１１の異常の有無、損傷の程度、異常部位の特定等の判定結果を出力し、異常が検出された場合にはアラーム等の警報を発したり、判定結果を記憶部に取り込む。ここで、異常判定部４２から結果出力部４３への情報転送は、有線や無線等のデータ伝送手段４４によって行われる。

なお、増幅後の振動信号処理は、各種データ処理と演算を行うもので、例えば、コンピュータ或いは専用マイクロチップ等を用いることが可能である。また、検出した信号をメモリ等の記憶手段に格納後に、演算処理を行うようにしても良い。

このように本実施形態では、回転部品である複列円すいころ軸受１１の回転状態に伴う振動及び温度の情報を同時に検出し、振動系センサによる計測結果と温度センサによる計測結果との組み合わせに基づいて、異常の有無と損傷の程度を同時に判定するので、振動と温度に関する複列円すいころ軸受１１の異常形態の特徴を利用した損傷の程度の判定が可能となる。また、突発的な外乱ノイズ等の影響による誤診断を防止して信頼性の高い異常診断を行うことができる。更に、複列円すいころ軸受１１が組み込まれている鉄道車両用転がり軸受装置１０を分解することなく実稼動状態で複列円すいころ軸受１１の異常の有無と損傷の程度を同時に検査することができ、この結果、複列円すいころ軸受１１の最適な交換時期が分かり、効率的なメンテナンスを可能にすることができる。特に、本発明では、振動と温度の計測値または変化率を組み合わせることで異常の有無を複数回診断して判定している。

更に、振動の情報については、振動波形にフィルタ処理後、エンベロープ処理を施して周波数分析を行うことで、傷等の損傷の有無の判定及び損傷部位の特定を行うことができ、異常診断の信頼性をより確実なものとすることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、回転部品として鉄道車両用転がり軸受装置に組み込まれる複列円すいころ軸受を例示したが、これに代えて、発電用風車の減速機に組み込まれる転がり軸受や歯車等を診断対象にして本発明を適用してもよい。

以下、本発明の異常診断装置を用いて、転がり軸受の異常診断を二度行った。実施例１及び２の転がり軸受としては、外径６２ｍｍ，内径３０ｍｍ，幅１６ｍｍ，玉数７の玉軸受が使用され、振動センサが軸受箱に固定され、温度センサが軸受の外輪外周面に取付けられた。内輪は３０００ｍｉｎ^-1で回転され、軸受にはラジアル荷重が負荷されている。

表１及び表２は、実施例１における図３及び図４に対応する各計測点Ａ，Ｂ，Ｃでの振動と温度の計測値及び時間に対する変化率（前回の計測値に対する倍率）を示し、表３及び表４は、実施例２における各計測点Ａ，Ｂ，Ｃでの振動と温度の計測値及び時間に対する変化率を示す。また、表１〜表４は、振動と温度の計測値及び変化率に対する規定値（設定値）と併せて、振動波形をエンベロープ分析した結果から軸受の損傷（剥離）に起因する周波数成分の有無を示す。

実施例１では、表１に示すように、Ｂ点，Ｃ点ともに振動の計測値が規定値を超え、且つＣ点では温度の計測値も規定値を超えている。さらに、振動には軸受の損傷成分が無いことから、この軸受は焼付き異常が生じていることがわかり、緊急に交換する必要があることがわかる。なお、実施例１は、表２の変化率からも同様の判定を行うことができる。

また、実施例２では、表３に示すように、Ｂ点，Ｃ点ともに振動の計測値が基準値を超えているが、温度に変化は認められなかった。また、振動には軸受の損傷成分が存在していることから、この軸受は剥離異常が発生していることがわかる。なお、実施例２は、表４の変化率からも同様の判定を行うことができる。

従って、本実施例では、振動と温度の計測値または変化率を組み合わせることで異常の有無を複数回診断して判定するため、従来のような突発的なノイズにより急激に計測値が上昇しても異常と判定せず、従来よりも信頼度の高い異常診断が可能となる。

本発明の一実施形態である異常診断装置の診断対象である複列円すいころ軸受を備えた鉄道車両用転がり軸受装置の断面図である。本発明の一実施形態である異常診断装置の信号処理系統のブロック図である。軸受の焼付き異常発生時の振動値の経時変化を示すグラフである。軸受の焼付き異常発生時の外輪外周面の温度の経時変化を示すグラフである。転がり軸受の傷の部位と傷に起因して発生する特徴周波数の関係を示す図である。

符号の説明

１１鉄道車両用複列円すいころ軸受（回転部品）
１２軸受箱（静止部材）
３２振動センサ（振動系センサ）
３３温度センサ
３５フィルタ処理部
３７エンベロープ処理部
３８周波数分析部
３９比較照合部
４２異常判定部
４３結果出力部

Claims

静止部材に対して相対的に回転する回転部品の異常を診断する異常診断装置であって、
前記回転部品又は前記静止部材に固定される振動センサ、音響センサ、超音波センサ及びＡＥセンサの少なくとも一つの振動系センサと温度センサとを備え、
前記振動系センサによる計測結果と前記温度センサによる計測結果との組み合わせに基づいて、前記回転部品の異常の有無、或いは該異常の有無及び損傷の程度を判定する異常判定部を備えていることを特徴とする異常診断装置。
前記振動系センサ及び前記温度センサによる計測値又は該計測値の時間に対する変化率を少なくとも一回求め、前記異常判定部が、前記計測値又は前記変化率と予め設定しておいた各規定値とを比較することにより、前記回転部品の異常の有無、或いは該異常の有無及び損傷の程度を判定することを特徴とする請求項１に記載の異常診断装置。
前記振動系センサにより検出された信号波形から不要な周波数帯域を除去するフィルタ処理部と、
前記フィルタ処理部から転送されたフィルタ処理後の波形の絶対値を検波するエンベロープ処理部と、
前記エンベロープ処理部から転送された波形の周波数を分析する周波数分析部と、
回転速度信号に基づき算出した前記回転部品の損傷に起因した周波数成分と前記周波数分析部により得られた実測データに基づく周波数成分とを比較する比較照合部とを備え、
前記異常判定部は、前記比較照合部での比較結果に基づき、異常の有無の判定や損傷部位の特定を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の異常診断装置。
前記異常判定部の判定結果を伝送するデータ伝送手段を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の異常診断装置。
前記回転部品が鉄道車両用であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の異常診断装置。
前記回転部品が減速機用であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の異常診断装置。