JP2008292288A - 減速機の軸受診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エレベータ巻上機のような複数の軸受から構成される減速機に対して、各軸受で発生した異常を定量的に精度良く診断する軸受診断装置を提供する。
【解決手段】軸受診断装置は、診断する軸受から発生する振動の大きさを表す振幅値の時間軸上の変化を示す診断対象信号波形から複数の周波数の信号波形を抽出するフィルタ処理部と、複数の周波数の信号波形の振幅値を累乗する累乗処理部と、累乗された振幅値の時間軸上の変化を示す累乗波形にフーリエ変換を施して周波数スペクトルを求めるとともに、軸受の構造と回転数とに起因する周波数毎の振幅値を算出する周波数分析部と、軸受の構造と回転数とに起因する周波数毎の判定基準値を格納する判定基準格納部と、周波数毎に周波数分析部で算出した振幅値と判定基準格納部に格納した判定基準値とを比較する比較演算部と、比較演算部での比較結果に基づく判定結果を表示する判定結果表示部と、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、エレベータ巻上機などの減速機に使用されている軸受の異常を定量且つ精度良く検出する軸受診断装置に関するものである。

従来、エレベータ巻上機などの減速機に使用されている軸受の異常判断は、現場の点検作業者の官能評価を頼りに判断することが多かった。官能評価による判断は特別な計測器や診断装置を必要とせず手軽に行える利点はあるが、作業者によって判断にばらつきが生じる他、適確な判断を行うには経験を積む必要がある。このため、経験の浅い作業者では適確な判断が行えず、軸受の異常が進行してから異常が発見される場合があり、短納期での修繕対応が必要になることがある。また、官能評価は作業者の五官に判断が委ねられるため定量的な判断が難しく、定期的に点検を実施している場合にも前回の点検時との差を明確に判断することができなかった。

従来の軸受診断装置においては、診断対象とする軸受から発生する音や振動などを各種センサで検出し、検出した信号から必要な周波数帯域のみ各種フィルタで抽出し、抽出後の信号をエンベローブ処理し、ＦＦＴ処理を行って周波数スペクトルを算出し、軸受の回転数と寸法諸元から求まる周期性と比較する装置が種々知られている。

従来の軸受診断装置の一例では、異常診断対象部材から発生する音または振動を検出し、異常診断対象部材の異常に起因する周波数の基本周波数の大きさと、その自然数倍の周波数成分の大きさと比較し、その比較結果を異常の判定基準として用いる判定手段を具備して構成されている。この診断装置では、過去の測定データを用いることがなく基準値の設定が行え、診断処理が複雑にならずに診断が行える利点がある（例えば、特許文献１参照）。

また、従来の軸受診断装置の他の例では、回転部品または静止部材にセンサを固定しセンサにより検出された信号の波形から回転部品と静止部材とセンサのいずれかの固有振動数に対応した特定周波数帯域を抽出するフィルタ部と、フィルタ処理後の波形の絶対値検波をするエンベローブ処理部と、エンベローブ処理された波形の周波数を分析する周波数分析部と、診断対象回転部品の損傷に起因した周波数と実測データに基づく周波数とを比較する比較照合部と、比較結果に基づき、異常の有無や異常の部位を特定する異常判定部とを具備している。この診断断置によれば、回転部品が組込まれている装置を分解することなく実稼動の状態で複数の部品の欠陥と損傷の程度を同時に検査でき、また機械部品の固有振動数に対応した周波数帯域を抽出するため、高感度で高ＳＮ比の測定が可能になる利点がある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００３−２３２６７４号公報 特開２００５−６２１５４号公報

しかし、特許文献１に開示されている診断装置では、診断においては検出した信号から診断に必要な周波数帯域の信号を取り出し処理を行っているが、エレベータ巻上機のような複数個の軸受や歯車などから構成される減速機では、振動に様々な周波数を含むため診断に必要な周波数帯域の決定は、診断の対象となる軸受や歯車などの構成により異なるため一意に決定できない。
また、過去の測定データを用いることなく基準の設定が可能となることが利点となっている診断装置であることから、測定データに基づいて診断に必要な周波数帯域を得ることもできない。このため軸受異常の初期段階での診断において精度をよくすることができない。

また、特許文献２に開示されている診断装置では、フィルタ部にて機械部品の固有振動数に対応した複数の周波数帯域を抽出するが、この固有振動数は回転部品である複列円錐ころ軸受、歯車および車輪、静止部材である軸受箱、異常検出用センサの何れかを被測定物として打撃法により加振して、被測定物に取り付けた振動検出器また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求めるが、エレベータ巻上機のように現場に設備が設置されて分解が簡単に行えない複数の軸受により構成される減速機では、内部構成品である軸受や歯車に対して打撃法により加振して固有動数を求める方法は時間と手間がかかり現実的でなく、また構成品を組合せた場合には検出した振動の周波数帯域は必ずしも各構成品の固有振動数とはならないため、適切な周波数帯域が得られない。

この発明の目的は、エレベータ巻上機のような複数の軸受から構成される減速機に対して、官能検査で生じた判定基準のばらつきを解消し、作業者の経験に基づく判断に頼ることなく、各軸受で発生した異常を定量的に精度良く診断する軸受診断装置を提供することである。

この発明に係る軸受診断装置は、軸受の異常を診断する軸受診断装置であって、診断する軸受から発生する振動の大きさを表す振幅値の時間軸上の変化を示す診断対象信号波形から複数の周波数の信号波形を抽出するフィルタ処理部と、上記複数の周波数の信号波形の振幅値を累乗する累乗処理部と、上記累乗された振幅値の時間軸上の変化を示す累乗波形にフーリエ変換を施して周波数スペクトルを求めるとともに、軸受の構造と回転数とに起因する周波数毎の振幅値を算出する周波数分析部と、軸受の構造と回転数とに起因する周波数毎の判定基準値を格納する判定基準格納部と、周波数毎に上記周波数分析部で算出した振幅値と上記判定基準格納部に格納した判定基準値とを比較する比較演算部と、上記比較演算部での比較結果に基づく判定結果を表示する判定結果表示部と、を備える。

この発明に係る軸受診断装置の効果は、エレベータ巻上機のような複数の軸受から構成される減速機に対して、官能検査で生じた判定基準のばらつきを解消し、作業者の経験に基づく判断に頼ることなく、各軸受で発生した異常を定量的に且つ精度良く診断することができることである。

実施の形態１．
図１は、この発明に係る実施の形態１による軸受診断装置の機能ブロック図である。
この発明に係る実施の形態１による軸受診断装置を図１を参照して説明する。尚、この説明では診断対象の減速機としてエレベータの巻上機１を例にして説明する。
この発明に係る実施の形態１による軸受診断装置は、エレベータ巻上機１に発生する振動を検出しアナログの電気信号を出力する振動センサ２、振動センサ２から出力される電気信号を増幅する増幅部３、増幅されたアナログの電気信号をデジタルの電気信号に変換するＡ／Ｄ変換部４、デジタルの電気信号にウェーブレット変換を施し複数の周波数の信号波形を抽出し、各周波数の信号波形の実部と虚部を二乗平均処理するウェーブレット変換処理部５、ウェーブレット変換処理部５で算出した複数の信号波形の振幅値を累乗する累乗処理部６、累乗処理部６から出力される振幅値に累乗処理を行った信号波形に対してフーリエ変換を施して周波数スペクトルを求め、且つ周波数スペクトルから軸受の構造と回転数とに起因する特定周波数での振幅値を算出する周波数分析部７、軸受の構造と回転数とに起因する特定周波数毎の判定基準値を格納する判定基準格納部８、周波数分析部７で算出した振幅値と判定基準格納部８に格納された判定基準値とを比較し軸受の異常を判断する比較演算部９、比較演算部９での比較演算結果に基づいて判定結果を表示する判定結果表示部１０を有する。

次に、この発明に係る実施の形態１による軸受診断装置の動作について説明する。
複数の軸受により構成されているエレベータ巻上機１の軸受上部の箇所に振動センサ２をマグネットアタッチメントなどにより固定する。
機械振動は振動センサ２によりアナログの電気信号に変換されて出力され、増幅部３で増幅され、Ａ／Ｄ変換部４でデジタルの電気信号に変換される。デジタルの電気信号の振幅値が振動の大きさを表す診断対象振動波形を得る。このようにして計測した健全時の診断対象振動波形（Ａ）と異常時の診断対象振動波形（Ｂ）の例を図２に示す。この状態の診断対象振動波形では健全時に比較して異常時に顕著な特徴は見られない。

この診断対象振動波形に対してウェーブレット変換処理部５で時間−周波数解析の一種であるウェーブレット変換を行い、様々な周波数成分を含む診断対象振動波形から、周波数帯毎の時間軸波形を抽出する。ここで抽出する周波数帯は、事前に同型式の巻上機の軸受に異常が生じた際に計測した実データにおいて軸受の損傷箇所によって軸受の構造と回転数とから定まる周期性が振幅の変化に現れる周波数帯とする。周期性が振幅の変化に現れる周波数帯が複数ある場合には複数の時間軸波形を抽出する。
ウェーブレット変換による各周波数帯の演算結果から実部と虚部を２乗して加算し平方根を求め、各周波数帯の時間軸波形を得る。先に示した健全時の診断対象振動波形（Ａ）および異常時の診断対象振動波形（Ｂ）について、以上の手順で抽出した指定の周波数帯での時間軸波形（健全時が（Ａ１）、異常時が（Ｂ１））を図３に示す。この結果から異常時の時間軸波形には、診断対象軸受の損傷箇所によって発生する周期性に一致する８．５回／秒の周期性が現れていることがわかる。逆に健全な軸受ではこの周期性の特徴は見られない。

次に、ウェーブレット変換処理部５で算出した時間軸波形に対して累乗処理部６で振幅値を累乗する処理を実施し、複数の周波数帯毎の累乗処理した時間軸波形を得る。先に示した特定の周波数帯での時間軸波形（Ａ１、Ｂ１）に対し、時間軸波形の振幅値を２乗した時間軸波形（健全時が（Ａ２）、異常時が（Ｂ２））を図４に、３乗した時間軸波形（健全時が（Ａ３）、異常時が（Ｂ３））を図５に示す。異常時には振幅に周期的な特徴があり健全時にはないことから、振幅値の累乗処理により異常時に現れる周期的な振幅の特徴がさらに顕著になることがわかる。

次に、周波数分析部７では累乗処理部６で周波数帯毎に振幅値を累乗処理した時間軸波形に対して個別にフーリエ変換を施して周波数スペクトルを出力する。この周波数スペクトルから軸受の構造と回転数とに起因して発生する周期性に相当する周波数での振幅値を算出する。
先に図４に示した２乗処理した時間軸波形（健全時が（Ａ２）、異常時が（Ｂ２））の周波数スペクトル（健全時が（Ａ２’）、異常時が（Ｂ２’））を図６に、図５に示した３乗処理した時間軸波形（健全時が（Ａ３）、異常時が（Ｂ３））の周波数スペクトル（健全時が（Ａ３’）、異常時が（Ｂ３’））を図７に示す。
また、参考のために波形に累乗処理を行わなかった場合の図３の時間軸波形（健全時が（Ａ１）、異常時が（Ｂ１））の周波数スペクトル（健全時が（Ａ１’）、異常時が（Ｂ１’））を図８に示す。

図８に示す累乗処理を行わなかった周波数スペクトル（健全時が（Ａ１’）、異常時が（Ｂ１’））、図６に示す２乗処理を行った周波数スペクトル（健全時が（Ａ２’）、異常時が（Ｂ２’）および図７に示す３乗処理を行った周波数スペクトル（健全時が（Ａ３’）、異常時が（Ｂ３’））から異常データに含まれる損傷箇所により発生する周期性に相当する周波数８．５Ｈｚでの振幅を算出した結果を表１に示す。

この結果、累乗処理を行うことにより、健全時と異常時の数値差が大きくなるため、異常判断の精度が高まることがわかる。異常時に発生する特徴が顕著になるため異常の初期段階において周期的に現れる振幅の値が小さな場合にも、異常の特徴を顕著にして検出することができる。

次に、周波数分析部７で周波数スペクトルより算出した軸受の構造と回転数に起因する周波数での振幅値を比較演算部９に出力する。
また、判定基準格納部８に診断対象の軸受の構造と回転数毎に予め格納している軸受の構造と回転数に起因する特定周波数毎の判定基準値を比較演算部９に出力する。

判定基準格納部８に格納している判定基準値は、複数の健全な巻上機を対象に事前に計測した振動の実データを基にばらつきを勘案して算出する。予め、複数の健全な巻上機を対象に事前に検出した振動の実データより、軸受の構造と回転数から定まる各周期性での周波数分析部７で得られる振幅値を算出する。
次に、算出した振幅値を対象に、振幅値の平均と標準偏差を算出し、平均に標準偏差を整数倍して加算した値を判定基準値として設定する。判定基準値は診断対象の状態に応じて任意に設定変更可能であるが、エレベータ巻上機１の場合には平均に標準偏差の５倍の値を設定しても精度が得られる。
同型の機種のばらつきを勘案して判定基準値を設定するため、初めて振動を計測する現場での同型の機種の軸受においても精度よく診断を行うことができる。

次に、比較演算部９では、周波数分析部７から出力した振幅値（ｘ）と、判定基準格納部８から出力した判定基準値値（ｙ）を比較する。比較演算は、軸受の構造と回転数に起因する特定周波数毎に、判定基準値（ｙ）と振幅値（ｘ）の比較を行う。各特定周波数において、判定基準値（ｙ）に比べて振幅値（ｘ）が大きい場合には異常、判定基準値（ｙ）に比べて振幅値（ｘ）が小さい場合には健全と判定する。

次に、判定結果表示部１０に比較演算部９での演算結果を出力する。出力内容は、各周波数での判定基準値（ｙ）、振幅値（ｘ）、判定結果である。各周波数での判定結果に1つでも異常の判定があれば判定結果表示部１０に異常と表示する。また、全て健全と判定した揚合には判定結果表示部１０に健全と表示する。
また、各周波数の振幅値（ｘ）を判定基準値（ｙ）で除算した商（ｚ）を表示する。各周波数は軸受の構造と回転数に起因するので、商（ｚ）により異常の要因となった軸受の損傷箇所を把握することができ、健全と判断した揚合にも判定基準に対する健全のレベルを把握することができる。

実施の形態２．
なお、実施の形態１による軸受診断装置では、エレベータ巻上機１を例に説明したが、エレベータは利用者の操作によって動作するため動作が不規則である。また、動作の始動時は加速状態となり、一定速度で稼動後、停止時には減速状態となり、稼動中の速度も不規則である。振動により軸受の診断を行う場合には、停止時には診断に有効なデータを計測できず、加速減速時も振動の状態が一定でないため、振動の状態が安定する一定速度時での振動データを計測する必要がある。振動計測は作業者が手動で行う場合には、不規則に動作するエレベータの動作状態を作業者が確認しながら計測しなければならず作業が容易ではない。

図９は、この発明に係る実施の形態２による軸受診断装置の機能ブロック図である。図１０は、この発明に係る実施の形態２による自動計測処理部の機能ブロック図である。
この発明に係る実施の形態２による軸受診断装置は、実施の形態１による軸受診断装置に自動計測処理部１１を追加したことが異なっており、それ以外は同様であるので同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
自動計測処理部１１は、振動レベル検出により振動の計測を開始するトリガーレベル検出部１２、計測した振動波形の実効値を算出する実効値演算部１３、実効値演算結果から振動波形の有効性を判断する有効データ判断部１４を有する。

次に、この発明に係る実施の形態２による軸受診断装置での動作について説明する。
エレベータ巻上機１の軸受上部の箇所に振動センサ２をマグネットアタッチメントなどにより固定する。振動センサ２は振動を検出して電気信号として出力する。増幅部３は、電気信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換部４は、アナログ信号である電気信号をデジタル信号に変換する。
デジタル信号として振動の大きさを振幅値にとった振動波形を得て、自動計測処理部１１に振動波形を出力する。振動波形は自動計測処理部１１のトリガーレベル検出部１２に入力され、トリガーレベル検出部１２は、振動波形の振幅値と予め設定されたトリガーレベルと比較し、振動波形の振幅値がトリガーレベルより大きいと、振動波形の計測を開始する。

トリガーレベルはエレベータ始動時の電磁ブレーキ開放時に発生する振動レベルを基に設定する。エレベータ始動時の電磁ブレーキを開放時には、エレベータ稼動中に発生する振動より大きな振動が巻上機上の振動センサ固定箇所に発生する。この電磁ブレーキ開放時に巻上機に発生する振動のレベルを予め把握しておく。トリガー信号を制御盤などの外部から取らず、巻上機本体に発生する振動を使用するため、制御装置の改造等が必要無く、容易にトリガー信号を得ることができる。

トリガーレベル検出により振動波形の計測を開始し、予め設定した所定の時間の振動波形を計測後、実効値演算部１３に振動波形を出力する。
実効値演算部１３では、ブレーキ開放後、エレベータが一定速度になる所定の時間帯の振幅の実効値（ａ）と、その直前の時間帯の振幅の実効値（ｂ）および直後の時間帯の振幅の実効値（ｃ）を算出し、有効データ判断部１４に出力する。

有効データ判断部１４では、２種類の判断基準によりデータの有効性を判断する。１種類目の判断基準は予め計測した健全な振動データから算出したエレベータがー定速度になる所定の振幅の実効値を基準値として、実効値（ａ）を比較して一定速度時に発生する振動が発生しているか確認する。実効値（ａ）が基準値より小さい場合には、エレベータが一定速度状態でなく、停止または減速している可能性が高い。この場合は、再度トリガー待機状態となる。

実効値（ａ）が基準値より大きな場合には、２種類目の判断基準により有効性を判断する。実効値（ｂ）を実効値（ｃ）で除算した商（ｄ）を判断に使用する。
エレベータが一定速度の場合には、振動の振幅値は多少の変動はあるが同じであるため、商（ｄ）は１前後となる。また、商（ｄ）は加速状態では小さく、減速状態では大きくなる。従って、例えば、振幅値のばらつきを勘案して商（ｄ）が０．９より大きく、１．１より小さい場合には診断に有効なデータとして判断する。ここで無効と判断された場合には加速状態または減速状態の可能性があるためデータを廃棄し、再度トリガー待機状態となる。
このように実施の形態２による軸受診断装置により、現場での計測時の作業性を大幅に改善することができる。

尚、上述の実施の形態１、２による軸受診断装置を構成する部分のうち、振動センサ２、増幅部３、Ａ／Ｄ変換部４以外の部分はコンピュータで処理することができる。ノート型コンピュータなどを含む携帯型コンピュータを使用すれば、現場を訪問する点検作業員が携帯することができ、軸受の異常を現場で即座に判断することができる。

また、判定結果を伝送する判定結果伝送部を備えれば、現場に軸受診断装置を設置して、判定結果を伝送することにより、監視事務所等で軸受の異常を判断することができる。現場を訪問する点検作業員の負荷を軽減するとともに、現場訪問のインターバル間に異常が発生した場合にも素早く異常を判断することができる。

この発明に係る実施の形態１による軸受診断装置の機能ブロック図である。 エレベータ巻上機の振動の大きさを振幅値として表した診断対象振動波形である。 図２の診断対象振動波形から抽出された特定の周波数帯の振動の振幅の時間軸上での変化を表した波形である。 図３の特定の周波数帯の振動の振幅を２乗処理した波形である。 図３の特定の周波数帯の振動の振幅を３乗処理した波形である。 図４の波形の周波数スペクトルである。 図５の波形の周波数スペクトルである。 図３の波形の周波数スペクトルである。 この発明に係る実施の形態２による軸受診断装置の機能ブロック図である。 この発明に係る実施の形態２による自動計測処理部の機能ブロック図である。

符号の説明

１ エレベータ巻上機、２ 振動センサ、３ 増幅部、４ Ａ／Ｄ変換部、５ ウェーブレット変換処理部、６ 累乗処理部、７ 周波数分析部、８ 判定基準格納部、９ 比較演算部、１０ 判定結果表示部、１１ 自動計測処理部、１２ トリガーレベル検出部、１３ 実効値演算部、１４ 有効データ判断部。

Claims (7)

1. 減速機の軸受の異常を診断する軸受診断装置であって、
   診断する軸受から発生する振動の大きさを表す振幅値の時間軸上の変化を示す診断対象信号波形から複数の周波数の信号波形を抽出するフィルタ処理部と、
   上記複数の周波数の信号波形の振幅値を累乗する累乗処理部と、
   上記累乗された振幅値の時間軸上の変化を示す累乗波形にフーリエ変換を施して周波数スペクトルを求めるとともに、軸受の構造と回転数とに起因する特定周波数毎の振幅値を算出する周波数分析部と、
   上記特定周波数毎の判定基準値を格納する判定基準格納部と、
   上記特定周波数毎に上記周波数分析部で算出した振幅値と上記判定基準格納部に格納した判定基準値とを比較する比較演算部と、
   上記比較演算部での比較結果に基づく判定結果を表示する判定結果表示部と、
   を備えることを特徴とする軸受診断装置。
2. 上記フィルタ処理部は、上記診断対象信号波形にウェーブレット変換を施して複数の周波数帯の信号波形を抽出し、実部と虚部の二乗平均処理により信号波形を算出することを特徴とする請求項１に記載の軸受診断装置。
3. 上記判定基準値は、複数の健全な同型式の減速機から検出した振幅値の平均に、上記検出した振幅値の標準偏差を所定数倍した値を加算した値であることを特徴とする請求項１に記載の軸受診断装置。
4. 振動の計測を開始するトリガー信号として減速機の電磁ブレーキ開放時に発生する振動を用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の軸受診断装置。
5. 上記トリガー信号に従って開始された計測により得られた診断対象信号波形の状態から診断に有効な診断対象信号波形を判断する有効データ判断部を備えることを特徴とする請求項４に記載の軸受診断装置。
6. 上記フィルタ処理部、上記累乗処理部、上記周波数分析部、上記判定基準格納部、上記比較演算部および上記判定結果表示部は、コンピュータから構成されることを特徴する請求項１、２、３、５のいずれか一項に記載の軸受診断装置。
7. 上記比較演算部による判定結果を伝送する判定結果伝送部を備えることを特徴とする請求項６に記載の軸受診断装置。

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