JP6444885B2 - 運動装置の状態監視システム - Google Patents
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Description
本発明は、運動装置の状態監視システムに関する。
本明細書において、運動装置とは、装置の構成部材間において相対的な可動部を備える装置を称し、その代表的なものとして、往復運動式圧縮機等の往復運動機構を含む運動装置が挙げられる。
本明細書において、運動装置とは、装置の構成部材間において相対的な可動部を備える装置を称し、その代表的なものとして、往復運動式圧縮機等の往復運動機構を含む運動装置が挙げられる。
化学プラントや機械部品製造工場、食品製造工場等においては、空気その他のガスを圧縮するのに往復運動式圧縮機が多く用いられている。
この種の往復運動装置では、運転中に予想外の破損が生じ、運転停止に至るなど多大な損害が生じている事例がある。
往復運動式圧縮機で突発的なトラブルが発生した場合、生産活動の停止により数千万円〜数億円／日の生産損失が発生し、その件数は国内外で100件程度／年間である。その損傷原因の多くは、往復運動式圧縮機のクロスヘッドやピストンロッドの連結部の緩みやピストンリング、ライダリング、ピストンロッドパッキンといった摺動部の摩耗、基礎部分の剛性低下などが推定される。それらを検知するアプリケーションとして往復運動式圧縮機用の連続監視システムを、GE（Bently）を始め、ドイツのPrognost SYSTEMS、HOERBIGERが提供している。
基本的には３社の機能は同等であり、機械保護と状態監視に特化した設計となっており、シリンダの内圧と振動とクランクアングルを組み合わせることにより、様々な診断が可能となっている(例えば特許文献１参照)。
この種の往復運動装置では、運転中に予想外の破損が生じ、運転停止に至るなど多大な損害が生じている事例がある。
往復運動式圧縮機で突発的なトラブルが発生した場合、生産活動の停止により数千万円〜数億円／日の生産損失が発生し、その件数は国内外で100件程度／年間である。その損傷原因の多くは、往復運動式圧縮機のクロスヘッドやピストンロッドの連結部の緩みやピストンリング、ライダリング、ピストンロッドパッキンといった摺動部の摩耗、基礎部分の剛性低下などが推定される。それらを検知するアプリケーションとして往復運動式圧縮機用の連続監視システムを、GE（Bently）を始め、ドイツのPrognost SYSTEMS、HOERBIGERが提供している。
基本的には３社の機能は同等であり、機械保護と状態監視に特化した設計となっており、シリンダの内圧と振動とクランクアングルを組み合わせることにより、様々な診断が可能となっている(例えば特許文献１参照)。
しかしながら、従来の連続監視システムを装備させるには、1千万円／機のコストがかかることや、国内の関連法規による事情から、国内ユーザーで使用されている例はない。海外ユーザーはというと、日本並みの高い保全技術がないことから、それをカバーするために装備されているのが実態である。しかし、現在の往復運動式圧縮機のモニタリング技術はクランク角度で時刻歴応答の衝撃ピーク（最大振幅）を観察し、クランク角度におけるロッドロード（慣性力＋ガス圧）或いは、シリンダ圧力と関連付けている手法が一般的であるが、部位の特定や度合いを評価する手法は存在しない。
現在、プラントを運転する為に監視技術や運転時計測技術が用いられているが、故障トラブルは減少していない。それは、全ての装置に対して汎用的な同評価が適用されていること、そして、発生メカニズムが解明されていない為に内部の状態を把握できないので基準がなく、適正な評価ができていないと考える。
また、同種類の装置であったとしても、設置環境やメンテナンスの方法などによって、各装置はそれぞれ固有の現象を所持しているため、個別的に評価する技術が必要である。
さらに、往復運動式圧縮機においては、運転中ケーシングに覆われている上に、高速運転を行っているため、往復圧縮機内部に発生している繰返し荷重や、各可動部の加速度変動等の実機を用いた測定および把握は困難である。その為、システムの動特性や各種パラメータ変化に対応した数学モデルを導入した診断技術が必要と考えられる。
また、同種類の装置であったとしても、設置環境やメンテナンスの方法などによって、各装置はそれぞれ固有の現象を所持しているため、個別的に評価する技術が必要である。
さらに、往復運動式圧縮機においては、運転中ケーシングに覆われている上に、高速運転を行っているため、往復圧縮機内部に発生している繰返し荷重や、各可動部の加速度変動等の実機を用いた測定および把握は困難である。その為、システムの動特性や各種パラメータ変化に対応した数学モデルを導入した診断技術が必要と考えられる。
本発明は、従来の技術が有する上記のような問題点に鑑みてなされたもので、ケーシングの振動を測定するだけで、または監視対象部の振動を測定することにより、数学的な解析から、運動装置の異常とその故障原因を割り出すことができ、しかも大がかりな装置を必要としない運動装置の状態監視システムを提供することを目的としている。
すなわち、内部振動を同定する為に、実験モード解析より、内部の位置で発生した状態量を外部ケーシングに影響する振幅や位相の特性を把握するために伝達関数を算出し、入力同定を行う。マルチボディダイナミックス解析による数値シミュレーションからパラメータ診断を行うことで、外部のケーシングを測定することによって、内部状態を把握できる解析モデリング技術を提供するものである。また、併せて監視対象部の振動を測定し、同様な手法による解析モデリング技術を提供する。ここで監視対象部の振動とは、監視しようとする一または複数の構成部材および/または構成部材間の連結部および/もしくは摺動部の特性に起因する振動を指称する。
この提案により、往復運動式圧縮機に特化した新たな監視技術および判定基準を作成することによって予知メンテナンスが可能となる。
この提案により、往復運動式圧縮機に特化した新たな監視技術および判定基準を作成することによって予知メンテナンスが可能となる。
(Ａ) パラメータ同定に基づく診断手法
一般的なピストン−クランク軸系のモデル化に於いては、各連結部を剛結合、または集中質量系としていることが挙げられる。この場合、クロスヘッドや支持部の摺動箇所の事象を把握することができない。そこで、本モデルは、往復運動式圧縮機の可動部であるクランクシャフト−コネクティングロッド−クロスヘッド−シリンダーロッド−シリンダ系を弾性ばねまたはばね定数と粘性減衰係数で連結された等価モデルとしてモデル化を行うことにより、事象ごとの発生メカニズムを解明することができると考える。
具体的には、外部ケーシングまたは監視対象部から測定した周波数応答データを使用して、往復運動式圧縮機の可動部であるクランクシャフト−コネクティングロッド−クロスヘッド−シリンダーロッド−シリンダー系を弾性ばねまたは弾性ばねとダッシュポットの粘弾性部材で連結された等価モデルを用いて、最小自乗法や滑降シンプレックス法（ダウンヒルシンプレックス法）などを用いた逆問題（パラメータ同定）を解くことで、各連結部のばね定数またはばね定数と粘性減衰係数のパラメータを算出（パラメータ同定）し、そのパラメータの変化から外部測定により内部の状態を推定することが可能である。
また、状態が変化した場合、クランク角度に応じた固有値解析の結果で得られた固有値、そして、周波数解析によって得られた周波数特性が変化する。これらを複合的に評価することで内部の状態を推定することができる。なお、本明細書において、「粘弾性部材」とは、弾性部材のみの場合と、弾性部材とともに粘性部材を含む場合の両者を指称する。
一般的なピストン−クランク軸系のモデル化に於いては、各連結部を剛結合、または集中質量系としていることが挙げられる。この場合、クロスヘッドや支持部の摺動箇所の事象を把握することができない。そこで、本モデルは、往復運動式圧縮機の可動部であるクランクシャフト−コネクティングロッド−クロスヘッド−シリンダーロッド−シリンダ系を弾性ばねまたはばね定数と粘性減衰係数で連結された等価モデルとしてモデル化を行うことにより、事象ごとの発生メカニズムを解明することができると考える。
具体的には、外部ケーシングまたは監視対象部から測定した周波数応答データを使用して、往復運動式圧縮機の可動部であるクランクシャフト−コネクティングロッド−クロスヘッド−シリンダーロッド−シリンダー系を弾性ばねまたは弾性ばねとダッシュポットの粘弾性部材で連結された等価モデルを用いて、最小自乗法や滑降シンプレックス法（ダウンヒルシンプレックス法）などを用いた逆問題（パラメータ同定）を解くことで、各連結部のばね定数またはばね定数と粘性減衰係数のパラメータを算出（パラメータ同定）し、そのパラメータの変化から外部測定により内部の状態を推定することが可能である。
また、状態が変化した場合、クランク角度に応じた固有値解析の結果で得られた固有値、そして、周波数解析によって得られた周波数特性が変化する。これらを複合的に評価することで内部の状態を推定することができる。なお、本明細書において、「粘弾性部材」とは、弾性部材のみの場合と、弾性部材とともに粘性部材を含む場合の両者を指称する。
（Ｂ）往復運動装置のモデリング
本対象装置の往復運動装置は、電動機、クランクシャフト、コネクティングロッド、クロスヘッド、ピストンロッド、ピストン、ケーシング（シリンダ）から構成されている。
本モデルの対象は、往復運動式圧縮機の可動部であるクランクシャフト、コネクティングロッド、クロスヘッド、ピストンロッド、ピストン、シリンダ系である。
また、往復運動装置では、連結部および摺動部の故障の頻度が高く、また、それらの故障は社会的影響および人身的影響をもたらす。その為、連結部および摺動部の剛性変化が観察（把握）できるモデリングをする必要があるので、各連結部および摺動部を弾性ばねまたは弾性ばねとダッシュポットの粘弾性部材で連結した等価モデルによりモデル化を行い、動的挙動を把握する。
往復運動装置の駆動部分を面内並進運動する剛体として扱い、構造上で回転運動が発生する可能性があるコネクティングロッドとピストンロッドおよびピストンに関しては運動方程式で回転運動を考慮する。また、各連結部には運動方向である水平方向と垂直方向に対してそれぞれ独立の弾性ばねを配置する。そして、クロスヘッド摺動部、ピストンロッド中間グランド部、ピストンのライダーリングにおいては、各部品が支持されている箇所であるので、上下方向の運動を拘束するばねを設置する。以上の仮定に基づき、多体動力学モデルの運動方程式を導出する。
本対象装置の往復運動装置は、電動機、クランクシャフト、コネクティングロッド、クロスヘッド、ピストンロッド、ピストン、ケーシング（シリンダ）から構成されている。
本モデルの対象は、往復運動式圧縮機の可動部であるクランクシャフト、コネクティングロッド、クロスヘッド、ピストンロッド、ピストン、シリンダ系である。
また、往復運動装置では、連結部および摺動部の故障の頻度が高く、また、それらの故障は社会的影響および人身的影響をもたらす。その為、連結部および摺動部の剛性変化が観察（把握）できるモデリングをする必要があるので、各連結部および摺動部を弾性ばねまたは弾性ばねとダッシュポットの粘弾性部材で連結した等価モデルによりモデル化を行い、動的挙動を把握する。
往復運動装置の駆動部分を面内並進運動する剛体として扱い、構造上で回転運動が発生する可能性があるコネクティングロッドとピストンロッドおよびピストンに関しては運動方程式で回転運動を考慮する。また、各連結部には運動方向である水平方向と垂直方向に対してそれぞれ独立の弾性ばねを配置する。そして、クロスヘッド摺動部、ピストンロッド中間グランド部、ピストンのライダーリングにおいては、各部品が支持されている箇所であるので、上下方向の運動を拘束するばねを設置する。以上の仮定に基づき、多体動力学モデルの運動方程式を導出する。
モデルの運動方程式に用いられる各連結部および摺動部に用いられているばね定数を求める。例えば、コネクティングロッドやピストンロッドの横方向のばねは等価ばね定数の式、縦方向のバネは梁理論の式、摺動部については、Heltz接触理論など、一般的な物理式を用いて、物理量を算出する。また、実機データと仮想的振動データの逆問題により、ばね定数、粘性減衰係数を未知パラメータとして導出する。
例えば、コネクティングロッド廻りの連結部状態量を監視したい場合は、コネクティングロッド以降は一つの物体と考えてモデリングを行う。また、ピストンロッドの連結部状態量を把握したい場合は、ピストンロッドの中間支持部やピストンの回転などを考慮しない、９自由度系のモデリングを、そして、ピストンロッドの中間支持部やピストンの回転などを考慮した各部状態量を把握したい場合は、１１自由度系のモデリングを行うなど、監視したい状態量によって、最適なモデリングを行うことが本診断システムでは可能であり、効率的な診断システムである。
モデルの妥当性が判断できたら、往復運動装置の正常時の運転時データを用いて、逆問題によって未知パラメータ（各ばね定数または各ばね定数と各粘性減衰係数）を導出する。これによって、モデリングの完成である。
（Ｃ）往復運動装置のモニタリング（内部振動推定法）
往復運動装置のモデルは内部の連結部や摺動部の状態量を把握できる。しかし、ケーシングで覆われている往復運動装置の内部に発生している繰り返し荷重や各可動部の加速度変動を推定する為に、入力信号と出力信号の関係を数学的に求めることができる伝達関数を用いて、外部ケーシングから計測した情報から内部の各可動部の状態量（加速度、速度、変位、力など）を算出する。外部ケーシングから内部状態量を推定する為に、逆行列や動質量法などに基づく入力同定手法を用いて内部振動を同定する。
往復運動装置のモデルは内部の連結部や摺動部の状態量を把握できる。しかし、ケーシングで覆われている往復運動装置の内部に発生している繰り返し荷重や各可動部の加速度変動を推定する為に、入力信号と出力信号の関係を数学的に求めることができる伝達関数を用いて、外部ケーシングから計測した情報から内部の各可動部の状態量（加速度、速度、変位、力など）を算出する。外部ケーシングから内部状態量を推定する為に、逆行列や動質量法などに基づく入力同定手法を用いて内部振動を同定する。
次に、往復運動装置の運転時に計測（連続モニタリング、スポット計測）を行い、その計測したデータを用いて、モデルの運動方程式とのパラメータ同定を行うことで、各可動部のパラメータを算出し、その得られたパラメータと剛性モデルでのパラメータと比較することで、剛性変化から状態量を把握する。
具体的には、内部の連結状態の変化によって、固有振動数が変化することが分かっている。固有振動数が変化しているということは、連結部のばね定数、粘性減衰係数が変化しているということであるので（重量の変化はない）、そのばね定数、粘性減衰係数の変化量から状態量を把握し、傾向管理を行うことができる。
具体的には、内部の連結状態の変化によって、固有振動数が変化することが分かっている。固有振動数が変化しているということは、連結部のばね定数、粘性減衰係数が変化しているということであるので（重量の変化はない）、そのばね定数、粘性減衰係数の変化量から状態量を把握し、傾向管理を行うことができる。
また、現在までに蓄積された故障データから、各可動部の故障・劣化が固有振動特性に影響している例を、異常時の振動パターンとして、メモリに保存しておく。
このように、蓄積された故障データおよびモデルの運動方程式を用いた動的応答解析（数値シミュレーション）でのパラメータ変化による故障時の状態変化を把握することで、各可動部の故障を推定し、異常の有無を判定することができる。また、入力同定によって得られた内部振動での正確な状態量となり、材料物性値から寿命予測を行うことも可能である。
このように、蓄積された故障データおよびモデルの運動方程式を用いた動的応答解析（数値シミュレーション）でのパラメータ変化による故障時の状態変化を把握することで、各可動部の故障を推定し、異常の有無を判定することができる。また、入力同定によって得られた内部振動での正確な状態量となり、材料物性値から寿命予測を行うことも可能である。
（Ｄ）本発明によると、上記課題は、具体的に次のようにして解決される。
（１）運動装置におけるケーシング内部の監視しようとする一または複数の構成部材および/または構成部材間の連結部および/もしくは摺動部の特性に起因する振動を粘弾性部材の特性に起因する振動に置換し、かつこれらの粘弾性部材の振動が合成されたものと等価な振動の仮想的振動データを出力しうるようにした運動装置の等価モデルからなるシミュレータと、前記シミュレータにおける等価モデルから出力される前記仮想的振動データの波形を、運動装置の正常運転時におけるケーシングの振動測定データの波形に実質的に一致させるようにシミュレータを作動して得られた、前記粘弾性部材のばね定数またはばね定数と粘性減衰係数としてのパラメータを、運動装置の正常運転時のパラメータとして記憶するパラメータ記憶部と、運動装置の実運転時において前記ケーシングの振動を、ケーシングにおける予め選択した任意の一もしくは複数の箇所で測定するケーシング振動測定部と、前記粘弾性部材のパラメータを変化させて前記シミュレータを作動させることにより、等価モデルより出力される仮想的振動データの波形を、前記の予め選択した任意の一もしくは複数の箇所のケーシング振動測定部で得られた実運転時の振動波形とそれぞれ実質的に一致させて、前記粘弾性部材のパラメータを同定するパラメータ同定部と、このパラメータ同定部で同定された実運転時のパラメータが、前記パラメータ記憶部により記憶されている運動装置の正常運転時におけるパラメータと対比して、どのように変化しているかを検証するパラメータ変化検証部と、を備えることを特徴とする運動装置の状態監視システムとする。
（１）運動装置におけるケーシング内部の監視しようとする一または複数の構成部材および/または構成部材間の連結部および/もしくは摺動部の特性に起因する振動を粘弾性部材の特性に起因する振動に置換し、かつこれらの粘弾性部材の振動が合成されたものと等価な振動の仮想的振動データを出力しうるようにした運動装置の等価モデルからなるシミュレータと、前記シミュレータにおける等価モデルから出力される前記仮想的振動データの波形を、運動装置の正常運転時におけるケーシングの振動測定データの波形に実質的に一致させるようにシミュレータを作動して得られた、前記粘弾性部材のばね定数またはばね定数と粘性減衰係数としてのパラメータを、運動装置の正常運転時のパラメータとして記憶するパラメータ記憶部と、運動装置の実運転時において前記ケーシングの振動を、ケーシングにおける予め選択した任意の一もしくは複数の箇所で測定するケーシング振動測定部と、前記粘弾性部材のパラメータを変化させて前記シミュレータを作動させることにより、等価モデルより出力される仮想的振動データの波形を、前記の予め選択した任意の一もしくは複数の箇所のケーシング振動測定部で得られた実運転時の振動波形とそれぞれ実質的に一致させて、前記粘弾性部材のパラメータを同定するパラメータ同定部と、このパラメータ同定部で同定された実運転時のパラメータが、前記パラメータ記憶部により記憶されている運動装置の正常運転時におけるパラメータと対比して、どのように変化しているかを検証するパラメータ変化検証部と、を備えることを特徴とする運動装置の状態監視システムとする。
このような構成によると、ケーシングの振動を測定するだけで、数学的な解析から、運動装置の異常とその故障原因を割り出すことができるとともに、寿命予測による故障の未然防止、装置の信頼性の向上を図ることができる。
また、ケーシングの振動を外部から測定するだけで、内部の状態を推定することができる。
さらに、実測データや高価で大がかりな装置に頼ることなく、物理的および数学的な解析のみにより、故障原因を割り出すことができ、従来の運動装置の状態監視装置より安価に状態監視ができる。
また、ケーシングの振動を外部から測定するだけで、内部の状態を推定することができる。
さらに、実測データや高価で大がかりな装置に頼ることなく、物理的および数学的な解析のみにより、故障原因を割り出すことができ、従来の運動装置の状態監視装置より安価に状態監視ができる。
（２）運動装置における監視対象部としての一または複数の構成部材および/または構成部材間の連結部および/もしくは摺動部の特性に起因する振動を粘弾性部材の特性に起因する振動に置換し、前記監視対象部のうち、実運転時において振動を測定する予め選択した任意の一もしくは複数の監視対象部の各振動に対応して置換した粘弾性部材の各振動と等価な仮想的振動データ、または予め選択した任意の複数の監視対象部の各振動に対応して置換した粘弾性部材の各振動が合成されたものと等価な振動の仮想的振動データを出力しうるようにした運動装置の等価モデルからなるシミュレータと、前記シミュレータにおける等価モデルから出力される前記仮想的振動データの波形を、運動装置の正常運転時における前記監視対象部のうち、実運転時において振動を測定する予め選択した任意の一もしくは複数の監視対象部の各振動測定データの波形、または予め選択した任意の複数の監視対象部の各振動測定データが合成された波形に実質的に一致させるようにシミュレータを作動して得られた、前記粘弾性部材のばね定数またはばね定数と粘性減衰係数としてのパラメータを、運動装置の正常運転時のパラメータとして記憶するパラメータ記憶部と、運動装置の実運転時において前記監視対象部の振動を測定する監視対象部振動測定部と、前記粘弾性部材のパラメータを変化させて前記シミュレータを作動させることにより、等価モデルより出力される仮想的振動データの波形を、前記監視対象部振動測定部で得られた実運転時の振動波形、またはこれらの振動が合成された波形と実質的に一致させて、前記粘弾性部材のパラメータを同定するパラメータ同定部と、このパラメータ同定部で同定された実運転時のパラメータが、前記パラメータ記憶部により記憶されている運動装置の正常運転時におけるパラメータと対比して、どのように変化しているかを検証するパラメータ変化検証部と、を備えることを特徴とする運動装置の状態監視システムとする。
このような構成にすると、監視対象部の振動を測定して得たデータをもとに、数学的な解析から、運動装置の異常とその故障原因を割り出すことができ、寿命予測による故障の未然防止、装置の信頼性の向上を図ることができる。
（３）上記(１)または（２）項において、粘弾性部材を、弾性ばねとする。
このような構成によると、弾性ばねのばね定数をパラメータとして、等価モデルを簡素化することができる。
このような構成によると、弾性ばねのばね定数をパラメータとして、等価モデルを簡素化することができる。
（４）上記(１)または（２）項において、粘弾性部材を、弾性ばねとダッシュポットとからなるものとする。
このような構成によると、弾性ばねの振動をダッシュポットにより緩和吸収する等価モデルを形成することができ、より精度の高いモニタリングを実現することができる。
このような構成によると、弾性ばねの振動をダッシュポットにより緩和吸収する等価モデルを形成することができ、より精度の高いモニタリングを実現することができる。
（５）上記(１)または（２）項において、さらに、パラメータ変化検証部において検証された実運転時のパラメータの変化状況から、運動装置における監視しようとする一または複数の構成部材および/または構成部材間の連結部および/もしくは摺動部の変化傾向を判定する変化傾向判定部を備えるものとする。
このような構成によると、変化傾向判定部によって、運動装置の内部の一または複数の構成部材および/または構成部材間の連結部および摺動部の変化傾向を知ることができ、その結果から、運動装置の寿命等を、早期に発見することができる。
（６）上記(１)または（２）項において、さらに、パラメータ変化検証部において検証された実運転時のパラメータの変化量を、正常運転時のパラメータに基づいて予め設定した閾値と比較して、運動装置における監視しようとする一または複数の構成部材および/または構成部材間の連結部および/もしくは摺動部の異常状態を判定する異常判定部を備えるものとする。
このような構成によると、異常判定部により、運動装置の内部の一または複数の構成部材および/または構成部材間の連結部および/もしくは摺動部の異常状態を迅速に知ることができる。
（７）上記(１)または（２）項において、運動装置が、電動機、クランクシャフト、コネクティンクロッド、およびピストンを備えており、等価モデルが、クランクシャフト、コネクティンクロッド、およびピストンの仮想の剛体を備えるものとする。
このような構成によると、運動装置に特化した、より具体的な状態監視システムを提供することができる。
本発明によると、ケーシングの振動を測定するだけで、または監視対象部の振動を測定することにより、数学的な解析から、運動装置の異常とその故障原因を割り出すことができ、しかも大がかりな装置を必要としない運動装置の状態監視システムを提供することができる。
以下、本発明の運動装置の状態監視システムの一実施形態を、添付図面を参照して説明する。
図１に示すように、状態監視しようとする運動装置１は、この例では、化学プラントにおいて、水素を圧縮するのに使用する往復移動式圧縮機としてある。
図１に示すように、状態監視しようとする運動装置１は、この例では、化学プラントにおいて、水素を圧縮するのに使用する往復移動式圧縮機としてある。
この運動装置１は、クランク部２と、中間接続部３と、ピストン−シリンダ部４とからなり、クランク部２のクランクケース５と、中間接続部３のディスタンスピース６と、ピストン−シリンダ部４のシリンダ７とが一体となって、ケーシング８を形成している。
クランク部２は、クランクケース５のほぼ中央に前後方向を向くようにして回転自在に枢支され、かつ前後位置をずらした２箇所の互いに１８０°の関係をなす偏心部に、２個のクランクピン９ａ(その一方のみを図示する)を有するクランクシャフト９と、各クランクピン９ａに、クランクピンメタル１０を介して基部が回転自在に外嵌され、かつ先端部がクランクシャフト９から互いに左右方向外向きに延出する左右１対のコネクティングロッド１１と、各コネクティングロッド１１の先端部に、前後方向を向くクロスヘッドピン１２とクロスヘッドピンメタル１３とをもって回転自在に連結され、クランクケース５内を左右方向に摺動するクロスヘッド１４とを備えている。
クランク部２は、クランクシャフト９を中心として、ほぼ左右対称構造をなし、その左右の外側に中間接続部３とピストン−シリンダ部４とがそれぞれ連結されているが、以下の説明では、理解を容易にするため、クランクシャフト９から右方の構造のみについて説明することとする。
コネクティングロッド１１の基部は、２分割した部分をボルト１５をもって結合することにより、クランクピン９ａに装着されている。
クロスヘッド１３の外周には、クロスヘッドシュー１６が設けられ、クランクケース５との摺動抵抗を軽減するようにしてある。
クロスヘッド１３の外周には、クロスヘッドシュー１６が設けられ、クランクケース５との摺動抵抗を軽減するようにしてある。
クランク部２においては、クランクシャフト９を、クランクケース５外に設けた電動機(図示略)により回転させることにより、コネクティングロッド１１を介して、クロスヘッド１４が左右方向に直線往復運動させられるようになっている。
クロスヘッド１４には、中間接続部３のディスタンスピース６を貫通して、ピストン−シリンダ部４のシリンダ７内に至る左右方向を向くピストンロッド１７の左端が接続されている。
クランクケース５とディスタンスピース６との境界部におけるピストンロッド１７の貫通部には、オイルワイパーリング１８が設けられ、ディスタンスピース６の中間部におけるピストンロッド１７の貫通部には、中間グランドパッキン１９が設けられている。
ピストン−シリンダ部４のシリンダ７におけるディスタンスピース６との接続部のピストンロッド１７貫通部には、グランドパッキン２０が設けられている。
また、シリンダ７には、多数の冷却材通路２１が設けられ、その中を通る冷却材により、シリンダ７は冷却されるようになっている。
また、シリンダ７には、多数の冷却材通路２１が設けられ、その中を通る冷却材により、シリンダ７は冷却されるようになっている。
シリンダ７内に進入したピストンロッド１７の右端部には、外周面にピストンリング２２およびライダーリング２３を装着したピストン２４が接続され、このピストン２４が、シリンダ７の内面に設けたシリンダライナ２５内を左右方向に往復運動することにより、ガス入口２６から吸込弁２７を介して吸入したガスを圧縮して、吐出弁２８を介してガス出口２９から吐出させるようになっている。
吸込弁２７には、吸込弁開放式アンローダ３０が接続されている。
吸込弁２７には、吸込弁開放式アンローダ３０が接続されている。
以上が状態監視しようとする運動装置１の大まかな構造であるが、このような運動装置１においては、各部の摺動部分、例えば、クランクケース５におけるクランクシャフト９の軸受部分、クランクピン９ａとクランクピンメタル１０との回転部分、クロスヘッドピン１２とクロスヘッドピンメタル１３との回転部分、クロスヘッドシュー１６とクランクケース５との摺動部分、オイルワイパーリング１８、中間グランドパッキン１９、およびグランドパッキン２０とピストンロッド１７との摺動部分、ピストン２４の外周面、ピストンリング２２、およびライダーリング２３とシリンダライナ２５との摺動部分から振動が発生する。
このような運動装置１を、実験モード解析より、内部の位置で発生した状態量を外部ケーシングに影響する振幅や位相の特性を把握するために伝達関数を算出し、入力同定を行い、マルチボディダイナミックス解析による数値シミュレーションからパラメータ診断、そして、固有値、周波数特性の変化を行うことで、外部のケーシングを測定することによって、内部状態を把握できる解析モデリングを行おうとするものである。
そのための状態監視システム３１は、運動装置１のケーシング８の一部、図示の例では、クランクケース５の下部に取付けられ、ケーシング８の振動を測定する振動センサ３２と、この振動センサ３２の出力を、RS232C等の出力用インターフェース３３より送信可能なデータに変換する振動測定ユニット３４とからなるケーシング振動測定部３５と、振動測定ユニット３４の出力用インターフェース３３とケーブル３６を介して接続された入力用インターフェース３７を有し、マルチボディダイナミックス解析アプリケーション、ＦＦＴアナライザ、その他の必要なアプリケーションを組み込んだシミュレータとしての機能を有するパソコン(パーソナルコンピュータ)３８とを備えている。
パソコン３８内の機能とケーシング振動測定部３５とをブロック図で示すと、図２のようになる。
図２に示すように、状態監視システム３１は、ケーシング振動測定部３５とパソコン３８とからなり、ケーシング振動測定部３５は、振動センサ３２と振動測定ユニット３４とからなっている。
図２に示すように、状態監視システム３１は、ケーシング振動測定部３５とパソコン３８とからなり、ケーシング振動測定部３５は、振動センサ３２と振動測定ユニット３４とからなっている。
パソコン３８は、運動装置１におけるケーシング８内部の監視しようとする一または複数の構成部材および/または構成部材間の連結部の振動を、弾性ばねの振動に置換し、かつこれらの弾性ばねの振動が合成されたものと等価な振動の仮想的振動データを出力しうるようにした運動装置１の等価モデルからなるシミュレータ３９と、シミュレータ３９における等価モデルから出力される仮想的振動データの波形を、運動装置の正常運転時におけるケーシングの振動測定データの波形に実質的に一致させるようにシミュレータ３９を作動して得られた、弾性ばねのばね定数としてのパラメータを、運動装置１の正常運転時のパラメータとして記憶するパラメータ記憶部４０と、前記弾性ばねのパラメータを変化させてシミュレータ３９を作動させることにより、等価モデルより出力される仮想的振動データの波形を、ケーシング振動測定部３５で得られた実運転時の振動波形と実質的に一致させて、弾性ばねのパラメータを同定するパラメータ同定部４１と、このパラメータ同定部４１で同定された実運転時のパラメータが、パラメータ記憶部４０により記憶されている運動装置の正常運転時におけるパラメータと対比して、どのように変化しているかを検証するパラメータ変化検証部４２とを備えている。
また、パソコン３８は、さらに、パラメータ変化検証部４２において検証された実運転時のパラメータの変化状況から、運動装置１の内部の一または複数の構成部材および/または構成部材間の連結部および摺動部の変化傾向を判定するパラメータ変化傾向判定部４３と、パラメータ変化検証部４２において検証された実運転時のパラメータの変化量を、正常運転時のパラメータに基づいて予め設定した閾値と比較して、運動装置１の内部の一または複数の構成部材および/または構成部材間の連結部および摺動部の異常状態を判定する異常判定部４４と、現在までに蓄積された故障データから、各可動部の故障・劣化が固有振動特性に影響している例を、異常時の振動パターンとして保存する故障データメモリ４５とを備えている。
この故障データメモリ４５は、等価モデルより出力される仮想的振動データの波形を、ケーシング振動測定部３５で得られた実運転時の振動波形と実質的に一致させて、弾性ばねのパラメータを同定したときに、複数組のパラメータ同定結果が得られた場合に、過去の異常時の振動パターンと対比して、どの異常時の振動パターンに該当するかを決定するときにも有用である。
この故障データメモリ４５は、等価モデルより出力される仮想的振動データの波形を、ケーシング振動測定部３５で得られた実運転時の振動波形と実質的に一致させて、弾性ばねのパラメータを同定したときに、複数組のパラメータ同定結果が得られた場合に、過去の異常時の振動パターンと対比して、どの異常時の振動パターンに該当するかを決定するときにも有用である。
より具体的には、シミュレータ３９は、運動装置１におけるケーシング８内部の監視しようとする一または複数の構成部材および/または構成部材、すなわちクランクシャフト９、コネクティングロッド１１、クロスヘッド１４、ピストンロッド１７、ピストン２４を仮想の剛体とし、それらの相互間、およびそれらとケーシング８との間を粘弾性部材である弾性ばねＳをもって接続したと仮定した、図３に示すような運動装置１の等価モデルを、パソコン３８上で作成する。
図３において、図１における符号と同一の符号は、図１におけるのと同一の部材の仮想の剛体を示す。
各弾性ばねＳのパラメータの正常時(初期状態)の値と、異常時の値との一例を図４に示す。
図３において、図１における符号と同一の符号は、図１におけるのと同一の部材の仮想の剛体を示す。
各弾性ばねＳのパラメータの正常時(初期状態)の値と、異常時の値との一例を図４に示す。
次に、運動装置１の等価モデルの作成、すなわちモデリングについて、図５のフローチャートに基づいて説明する。
まず、対象装置の選定(S1)として、運動装置１を選定し、その可動部であるクランクシャフト９、コネクティングロッド１１、クロスヘッド１４、ピストンロッド１７、ピストン２４を仮想の剛体とし、それらの相互間、およびそれらとケーシング８との間を弾性ばねＳをもって接続したものとする。
まず、対象装置の選定(S1)として、運動装置１を選定し、その可動部であるクランクシャフト９、コネクティングロッド１１、クロスヘッド１４、ピストンロッド１７、ピストン２４を仮想の剛体とし、それらの相互間、およびそれらとケーシング８との間を弾性ばねＳをもって接続したものとする。
モデリングにあたっては、回転運動が発生する可能性があるコネクティングロッド１１とピストンロッド１７およびピストン２４に関しては運動方程式で回転運動を考慮する。また、各連結部には運動方向である水平方向と垂直方向に対してそれぞれ独立の弾性ばねＳを配置する。
そして、クロスヘッド１４摺動部、ピストンロッド１７中間グランド部、ピストン２４のライダーリングにおいては、各部品が支持されている箇所であるので、上下方向の運動を拘束するばねを設置し、観察箇所、故障箇所を、上記の連結部および摺動部とする(S2)。
以上の仮定に基づき、多体動力学モデルの運動方程式を導出する(S3)。
そして、クロスヘッド１４摺動部、ピストンロッド１７中間グランド部、ピストン２４のライダーリングにおいては、各部品が支持されている箇所であるので、上下方向の運動を拘束するばねを設置し、観察箇所、故障箇所を、上記の連結部および摺動部とする(S2)。
以上の仮定に基づき、多体動力学モデルの運動方程式を導出する(S3)。
シミュレータ３９とパラメータ記憶部４０とパラメータ同定部４１とにおいては、ケーシング振動測定部３５により測定したケーシング８からの周波数応答データを使用して、運動装置１の等価モデルを用いて、最小自乗法や滑降シンプレックス法（ダウンヒルシンプレックス法）などを用いた逆問題（パラメータ同定）を解くことで、各連結部のばね定数のパラメータを算出（パラメータ同定）し、そのパラメータの変化から外部測定により内部の状態を推定する(S4)。
また、等価モデルの運動方程式に用いられる各連結部および摺動部に用いられているばね定数を求める。例えば、コネクティングロッド１１やピストンロッド１７の横方向のばねは等価ばね定数の式、縦方向のバネは梁理論の式、摺動部については、Heltz接触理論など、一般的な物理式を用いて、物理量を算出する。
この等価モデルの妥当性を確認する為に、運動方程式に基づいて行った固有値解析結果と運動装置１の固有振動数から固有振動特性（装置が持っている特性）を検証する(S5)。
ここで、等価モデル（運動方程式）と運動装置の固有振動特性が一致しない場合は、モデルの再検討を行い、固有振動特性が一致する等価モデルとする。
ここで、等価モデル（運動方程式）と運動装置の固有振動特性が一致しない場合は、モデルの再検討を行い、固有振動特性が一致する等価モデルとする。
例えば、コネクティングロッド１１廻りの連結部状態量を監視したい場合は、コネクティングロッド１１以降は一つの物体と考えてモデリングを行う。また、ピストンロッド１７の連結部状態量を把握したい場合は、ピストンロッド１７の中間支持部やピストン２４の回転などを考慮していない、９自由度系のモデリングを、そして、ピストンロッド１７の中間支持部やピストン２４の回転などを考慮した各部状態量を把握したい場合は、１１自由度系のモデリングを行うなど、監視したい状態量によって、最適なモデリングを行う。
等価モデルの妥当性が判断できたら、運動装置の正常時の運転時データを用いて、未知パラメータ（各ばね定数）を逆問題によってパラメータ同定（システム同定）によって導出し、それをパラメータ記憶部４０に記憶させておく(S6)。
これによって、モデリングの完成である(S7)。
これによって、モデリングの完成である(S7)。
運動装置１のモニタリングは、図６のフローチャートに示すように、次のようにして行う。
運動装置１の等価モデルは内部の連結部や摺動部の状態量を把握できる。しかし、ケーシング８で覆われている運動装置１の内部に発生している繰り返し荷重や各可動部の加速度変動を推定する為に、入力信号と出力信号の関係を数学的に求めることができる伝達関数を用いて、ケーシング８から計測した情報から内部の各可動部の状態量（加速度、速度、変位、力など）を算出する。ケーシング８から内部状態量を推定する為に、周波数応答関数測定を行い、算出結果の周波数ごとの係数を導出する(S8)。
運動装置１の等価モデルは内部の連結部や摺動部の状態量を把握できる。しかし、ケーシング８で覆われている運動装置１の内部に発生している繰り返し荷重や各可動部の加速度変動を推定する為に、入力信号と出力信号の関係を数学的に求めることができる伝達関数を用いて、ケーシング８から計測した情報から内部の各可動部の状態量（加速度、速度、変位、力など）を算出する。ケーシング８から内部状態量を推定する為に、周波数応答関数測定を行い、算出結果の周波数ごとの係数を導出する(S8)。
運動装置１の運転時に計測（連続モニタリング、スポット計測）を行い(S9)、その計測したデータを用いて、上記のように等価モデルの運動方程式とのパラメータ同定を行うことで(S10)、各可動部のパラメータを算出し、その得られたパラメータと等価モデルでのパラメータとを、パラメータ変化検証部４２において、比較することで、剛性変化から状態量を把握する。
その具体的なパラメータの同定方法を、式をもって示すと次の通りである。
その具体的なパラメータの同定方法を、式をもって示すと次の通りである。
具体的には、内部の連結状態の変化によって、固有振動数が変化することが分かっている。固有振動数が変化しているということは、連結部のばね定数が変化しているということであるので（重量の変化はない）、そのばね定数の変化量から状態量を把握し、パラメータ変化傾向判定部４３において、傾向管理を行う。
また、現在までに蓄積された故障データから、各可動部の故障・劣化が固有振動特性に影響している例を、異常時の振動パターンとして、故障データメモリ４５に保存しておく。
異常判定部４４において、故障データメモリ４５に蓄積された故障データおよび等価モデルの運動方程式を用いた動的応答解析（数値シミュレーション）でのパラメータ変化による故障時の状態変化を把握することで、各可動部の故障を推定し、異常の有無を判定し、異常と判定したときは、例えばブザーや警告灯等の警報装置４６を作動させる(S11)。
異常判定部４４において、故障データメモリ４５に蓄積された故障データおよび等価モデルの運動方程式を用いた動的応答解析（数値シミュレーション）でのパラメータ変化による故障時の状態変化を把握することで、各可動部の故障を推定し、異常の有無を判定し、異常と判定したときは、例えばブザーや警告灯等の警報装置４６を作動させる(S11)。
さらに、運動方程式に基づいて行った固有値解析結果と運動装置１の固有振動数から固有振動特性を検証することによって、等価モデルの妥当性を確認することができる(S12)。
また、伝達関数から得られた係数を計測データに与えることで、正確な状態量となり、材料物性値から寿命を予測したり、補修計画を立案したりすることができる(S13)。
また、伝達関数から得られた係数を計測データに与えることで、正確な状態量となり、材料物性値から寿命を予測したり、補修計画を立案したりすることができる(S13)。
図７は、図２におけるパラメータ同定部４１〜パラメータ変化傾向判定部４３までの部分の変形例を示す。
図７に示すように、パラメータ同定部４１およびパラメータ変化検証部４２と並列的に、周波数解析部４７および周波数特性変化検証部４８と、固有値解析部４９および固有値変化検証部５０とを設け、パラメータ変化検証部４２と周波数特性変化検証部４８と固有値変化検証部５０との検証データを、結果記憶部５１に記憶させた後、図２におけるパラメータ変化傾向判定部４３を含む変化傾向判定部５２において、それらの変化傾向を判定するようにしてもよい。
図７に示すように、パラメータ同定部４１およびパラメータ変化検証部４２と並列的に、周波数解析部４７および周波数特性変化検証部４８と、固有値解析部４９および固有値変化検証部５０とを設け、パラメータ変化検証部４２と周波数特性変化検証部４８と固有値変化検証部５０との検証データを、結果記憶部５１に記憶させた後、図２におけるパラメータ変化傾向判定部４３を含む変化傾向判定部５２において、それらの変化傾向を判定するようにしてもよい。
また、以上の説明では、粘弾性部材として、弾性ばねＳのみを用いたもとしたが、上述のすべての弾性ばねＳを、図８に示すように、ダッシュポットＤと並設し、弾性ばねＳとダッシュポットＤとによって粘弾性部材を構成するようにしてもよい。
このように、粘弾性部材を、弾性ばねＳとダッシュポットＤとからなるものとすると、弾性ばねＳの振動をダッシュポットＤにより緩和吸収する等価モデルを形成することができ、より精度の高いモニタリングを実現することができる。
次に、具体的な故障事例について説明する。
これは、往復運動装置１の運転中の振動値が上昇したことを受けて、想定される損傷時のシミュレーションを実施し、コネクティングロッド１１およびクロスヘッド１４の連結部回りの弾性ばね定数の低下に異常があると判定した事例である。
図９は、実機測定時の補修前後のおよび損傷時の周波数解析結果を示す。また、図１０は補修前、および損傷時を想定したシミュレーション結果を示している。補修前の周波数データに対して、損傷時の周波数データが変化することから、モデルパラメータに変化が生じていることが予想され、パラメータ同定を行うことにより、損傷箇所やばね定数の低下の度合いを推定することができる。
これは、往復運動装置１の運転中の振動値が上昇したことを受けて、想定される損傷時のシミュレーションを実施し、コネクティングロッド１１およびクロスヘッド１４の連結部回りの弾性ばね定数の低下に異常があると判定した事例である。
図９は、実機測定時の補修前後のおよび損傷時の周波数解析結果を示す。また、図１０は補修前、および損傷時を想定したシミュレーション結果を示している。補修前の周波数データに対して、損傷時の周波数データが変化することから、モデルパラメータに変化が生じていることが予想され、パラメータ同定を行うことにより、損傷箇所やばね定数の低下の度合いを推定することができる。
このときの故障原因は、実際にはクロスヘッドピン１２の両端に設けたクロスヘッドピンカバー（図示略）のカバーボルト（図示略）からの押えナット（図示略）の脱落によるカバーボルトの緩みであった。
図８に示す補修前データから異常発生時データへの変化を説明するモデルパラメータ変化として、コネクティングロッドとクロスヘッド連結部のばね定数、および、クロスヘッド摺動部のばね定数が10分の1程度低下していることから、コネクティングロッド１１およびクロスヘッド１４の連結部の損傷であることが推認された。これらのデータは随時、故障データメモリ４５に保存される。
図８に示す補修前データから異常発生時データへの変化を説明するモデルパラメータ変化として、コネクティングロッドとクロスヘッド連結部のばね定数、および、クロスヘッド摺動部のばね定数が10分の1程度低下していることから、コネクティングロッド１１およびクロスヘッド１４の連結部の損傷であることが推認された。これらのデータは随時、故障データメモリ４５に保存される。
次に、数学的な解析について説明する。
＜モデルの定式化＞
図３に於いて、クランクシャフト９周りの中心0は、座標（0、0）に固定する。クランクシャフト９の位置（ｘ０、ｙ０）は、式（4.1）、（4.2）のように表すことができる。
＜モデルの定式化＞
図３に於いて、クランクシャフト９周りの中心0は、座標（0、0）に固定する。クランクシャフト９の位置（ｘ０、ｙ０）は、式（4.1）、（4.2）のように表すことができる。
コネクティングロッド１１の運動方程式を式（4.3）、（4.4）、（4.5）に表す。ここで、ｍｃ、ｌｃはコネクティングロッド１１の質量および長さ、φをコネクティングロッド１１の重心周りの微小回転角度とし、ｌｃｇをコネクティングロッド１１の重心位置長さとする。さらに、コネクティングロッド１１に作用する慣性モーメントをｌｃとする。またｋｘｃ、ｋｙｃ をクランクシャフト９とコネクティングロッド１１の接合部の弾性ばねＳとし、ｋｘｃｈ、ｋｙｃｈ をコネクティングロッド１１とクロスヘッド１４の接合部の弾性ばねＳとする。式（4.6）、（4.7）は、コネクティングロッド１１に作用する力を表している。
クロスヘッド１４の運動方程式を式（4.8）、（4.9）に表す。ここで、ｍｃｈ、ｌｃｈはクロスヘッド１４の質量および長さとする。ｌｃ、φはコネクティングロッド１１の長さ及び重心周りの微小回転角度、そしてｌｐｌ、ξはピストンロッド１７の長さ及び重心周りの微小回転角度とする。また、ｋｘｃｈ、ｋｙｃｈ をコネクティングロッド１１とクロスヘッド１４の接合部の弾性ばねＳとし、ｋｘｐｌ、ｋｙｐｌをクロスヘッド１４とピストンロッド１７の接合部の弾性ばねＳとする。式（4.10）、（4.11）は、コネクティングロッド１１に作用する力を表している。クロスヘッド摺動部の上下方向のばね支持をｋｚｃｈとして、式（4.12）に表すようにクロスヘッド１４に作用する上下方向の外力を、ｆｚｌとする。
ピストンロッド１７の運動方程式を式（4.13）、（4.14）、（4.15）に表す。ここで、ｍｐｌ、ｌｐｌはピストンロッド１７の質量および長さ、ξをピストンロッド１７の重心周りの微小回転角度とし、ピストンロッド１７に作用する慣性モーメントをｌｐｌとする。またｋｘｐｌ、ｋｙｐｌをクロスヘッド１４とピストンロッド１７の接合部の弾性ばねＳとし、ｋｘｐ、ｋｙｐをピストンロッド１７とピストン２４の接合部の弾性ばねＳとする。式（4.16）、（4.17）は図３に示すように、ピストンロッド１７に作用する力を表している。さらに、ピストンロッド１７の中間グランド支持部の3点の上下方向の外力に対するばね支持を、ｋｚｂｐｌ、ｋｚｐｌ、ｋｚｃｐｌとして入力している。ピストンロッド１７の運動に伴い、ばね支持位置が時刻毎で移動する。そのピストンロッド１７にかかる上下方向の外力をｆｚ２、ｆｚ３、ｆｚ４として、式（4.18）、（4.19）、（4.20）のように表す。
ピストン２４の運動方程式を式（4.21）、（4.22）、（4.23）に表す。ここで、ｍｐ、ｌｐはピストン２４の質量および長さ、ξをピストン２４の重心周りの微小回転角度とし、ピストン２４に作用する慣性モーメントをｌｐとする。またｋｘｐ、ｋｙｐをピストンロッド１７とピストン２４の接合部の弾性ばねＳとする。式（4.24）、（4.25）は、図３に示すように、ピストン２４に作用する力を表している。さらに、ピストン２４の支持点であるライダーリングの摺動部の2点の上下方向の外力に対するばね支持をｋｚｂｐ、ｋｚｃｐとして入力している。ピストン２４の運動に伴い、ばね支持位置が時刻毎で移動する。そのピストン２４にかかる上下方向の外力をｆｚ５、ｆｚ６として、式（4.26）、（4.27）のように表す。
＜ルンゲクッタ法による応答計算＞
往復動式圧縮機の回転入力周波数fを8 [Hz]として、各パーツの重心位置の加速度応答を求める。角振動数ωはf（周波数）とT（振周期）とω（角振動数）の関係から次式で与えられる。
往復動式圧縮機の回転入力周波数fを8 [Hz]として、各パーツの重心位置の加速度応答を求める。角振動数ωはf（周波数）とT（振周期）とω（角振動数）の関係から次式で与えられる。
これが単位時間当たりの入力となる。往復動圧縮機のクランクシャフト９に起因する入力振幅の大きさをｘ０、ｙ０として、クランクシャフト９の半径をr [m]とすると、式（4.1）、（4.2）で与えられる。上記応答計算は、数値積分を用いた応答計算法であれば、制限されず、他にも、オイラー法など公知の手法を採用することもできる。
＜運転時の内部振動入力同定法＞
運転時の内部振動である振動源から外部振動である応答（計測点）までの寄与を解析する技術として、伝達経路解析（Transfer Path Analysis, 以下TPA）がある。そのTPAに於ける伝達関数は運転時に計測することは不可能に近く、このように直接計測ができない場合に運転時の振動源を逆問題として入力同定する必要がある。入力同定手法として、広く用いられているのが逆行列法と動バネ法である。例えば、逆行列法を用いる場合について説明すれば、以下のようになる。即ち、逆行列法を用いたTPAを行うことで、加振試験から推定されるアクセレランスと運転時に計測して得られる加速度値（応答値）に基づいて入力同定を行う。逆行列法による入力同定を行う時は、H1推定章による周波数応答関数（Frequency Response Function, 以下FRF）を用いる。
運転時の内部振動である振動源から外部振動である応答（計測点）までの寄与を解析する技術として、伝達経路解析（Transfer Path Analysis, 以下TPA）がある。そのTPAに於ける伝達関数は運転時に計測することは不可能に近く、このように直接計測ができない場合に運転時の振動源を逆問題として入力同定する必要がある。入力同定手法として、広く用いられているのが逆行列法と動バネ法である。例えば、逆行列法を用いる場合について説明すれば、以下のようになる。即ち、逆行列法を用いたTPAを行うことで、加振試験から推定されるアクセレランスと運転時に計測して得られる加速度値（応答値）に基づいて入力同定を行う。逆行列法による入力同定を行う時は、H1推定章による周波数応答関数（Frequency Response Function, 以下FRF）を用いる。
＜逆行列法＞
伝達関数逆行列法は、複雑なモデル（機構）の場合、同定精度を向上する為に応答点を増やし疑似逆行列を用いた計算を行う必要がある。まず、入力同定を行う前段階として、アクセレランス（Accelerance）を求める必要がある。提案する診断システムは、外部振動（応答）から内部振動（入力）を同定し、その推定された入力値を用いて数学モデルによるパラメータ解析を行う。計測の利便性を考えると、計測点はシリンダーに対して1点が理想である為、外部振動である応答点を基準に各部位の入出力2点間のFRFを推定する必要がある。また、加振点はF1〜F5の5点とした場合の複数個の入力信号と出力信号の組合せによってFRFを推定した。以下に、FRF推定の導出及び入力同定の導出について述べる。
伝達関数逆行列法は、複雑なモデル（機構）の場合、同定精度を向上する為に応答点を増やし疑似逆行列を用いた計算を行う必要がある。まず、入力同定を行う前段階として、アクセレランス（Accelerance）を求める必要がある。提案する診断システムは、外部振動（応答）から内部振動（入力）を同定し、その推定された入力値を用いて数学モデルによるパラメータ解析を行う。計測の利便性を考えると、計測点はシリンダーに対して1点が理想である為、外部振動である応答点を基準に各部位の入出力2点間のFRFを推定する必要がある。また、加振点はF1〜F5の5点とした場合の複数個の入力信号と出力信号の組合せによってFRFを推定した。以下に、FRF推定の導出及び入力同定の導出について述べる。
クランク―ピストン機構の2点間における入出力の周波数領域における関係は、FRF行列を[Ｈｎ、ｎ]、入力FRF行列を[Ｘｎ、ｍ]、出力FRF行列を[Ｙｎ、ｍ]とすると以下のように表わされる。
ここで、一般化逆行列を用いて、[H]を導出すると以下のように表わされる。
また、入力同定を行う場合、導出した伝達関数Ｈｎ、ｎ、運転時の内部振動を入力信号Ｘｎ、ｍ、外部振動を出力信号Ｙｎ、ｍとの間には以下の関係が成り立つ。この入力同定によって内部振動を推定することができる。
＜小型実験機を用いたFRFの推定＞
小型実験装置を用いてFRFの推定を行う。外部振動の計測点を基準として、構築した数学モデルに対応する部品毎に外部（ケーシング）と内部（部品毎）の入出力2点間とし、加振点については、クランク垂直方向（F1）、クランク軸方向（F2）、ピストンロッド垂直方向（F3）、ピストンロッド水平方向（F4）、ピストン軸方向（F5）のF1〜F5の5点とした場合のFRFを推定する。
上記F1〜F5の5点の加振点を、図１に示してある。
以下に、上記の条件によるFRF行列[H]の導出過程を示す。なお、ここでは、ピストンロッド（内部入力）−ケーシング（外部出力）に加速度センサーを設置した条件での結果を示す。
小型実験装置を用いてFRFの推定を行う。外部振動の計測点を基準として、構築した数学モデルに対応する部品毎に外部（ケーシング）と内部（部品毎）の入出力2点間とし、加振点については、クランク垂直方向（F1）、クランク軸方向（F2）、ピストンロッド垂直方向（F3）、ピストンロッド水平方向（F4）、ピストン軸方向（F5）のF1〜F5の5点とした場合のFRFを推定する。
上記F1〜F5の5点の加振点を、図１に示してある。
以下に、上記の条件によるFRF行列[H]の導出過程を示す。なお、ここでは、ピストンロッド（内部入力）−ケーシング（外部出力）に加速度センサーを設置した条件での結果を示す。
ケーシングを出力信号Ｚｋ(1)、ピストンロッドを入力信号Ｚｋ(2)として、加振点F1〜F5を式（7.1）に代入すると、以下のように表わされる。k = x,y,z（加速度センサー方向）
式（7.4）を式（7.2）のように一般化逆行列を行うと以下のように表わされる。
[Ｙ]([X]T)は、以下となり、
[Ｘ]([X]T)−１は、以下となるので、
上記より、
本発明は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲を逸脱することなく、次のような変形した態様での実施が可能である。
(１) 振動センサ３２を、クランクケース５の下部以外の、例えばディスタンスピース６またはシリンダ７等のケーシング８の一部だけでなく、クランクシャフト９、コネクティングロッド１１、ピストンロッド１７等の構成部材自体に取付ける。
(２) 図３におけるクロスヘッド１４およびピストンロッド１７を省略し、コネクティングロッド１１を直接ピストン２４に接続した等価モデルを作成する。
このような等価モデルは、例えば自動車のエンジン等の状態監視に使用することができる。
(３) ケーシングまたは監視対象部から得られる信号を、振動波形だけでなく、超音波、音響、歪み、等を示す各種の電気信号とする。
(１) 振動センサ３２を、クランクケース５の下部以外の、例えばディスタンスピース６またはシリンダ７等のケーシング８の一部だけでなく、クランクシャフト９、コネクティングロッド１１、ピストンロッド１７等の構成部材自体に取付ける。
(２) 図３におけるクロスヘッド１４およびピストンロッド１７を省略し、コネクティングロッド１１を直接ピストン２４に接続した等価モデルを作成する。
このような等価モデルは、例えば自動車のエンジン等の状態監視に使用することができる。
(３) ケーシングまたは監視対象部から得られる信号を、振動波形だけでなく、超音波、音響、歪み、等を示す各種の電気信号とする。
本発明は、往復移動式圧縮機等の往復運動装置の状態監視システムだけでなく、ケーシングを備えるその他のあらゆる運動装置の状態監視システムに適用することができるとともに、ケーシングを備えない運動装置の状態監視システムにも適用することができる。
例えば、自動車のエンジン等のように、大量生産するものであって、品質がほぼ一定しているものに関しては、１個の製品に関する等価モデルを、他の製品に関してもそのまま、または個体差に基づく若干の修整を加えた上で使用することができる。
また、システムを使用開始から設置して、データを連続的に取得することによって、ある期間までの、または期間を限定したデータを基準データ(初期値)として記憶させることにより、異常検出が可能となる。すなわち、基準データとの比較により、監視対象部のどこに異常があるかを検出することができる。
例えば、自動車のエンジン等のように、大量生産するものであって、品質がほぼ一定しているものに関しては、１個の製品に関する等価モデルを、他の製品に関してもそのまま、または個体差に基づく若干の修整を加えた上で使用することができる。
また、システムを使用開始から設置して、データを連続的に取得することによって、ある期間までの、または期間を限定したデータを基準データ(初期値)として記憶させることにより、異常検出が可能となる。すなわち、基準データとの比較により、監視対象部のどこに異常があるかを検出することができる。
１ 運動装置
２ クランク部
３ 中間接続部
４ ピストン−シリンダ部
５ クランクケース
６ ディスタンスピース
７ シリンダ
８ ケーシング
９ クランクシャフト
９ａクランクピン
１０ クランクピンメタル
１１ コネクティングロッド
１２ クロスヘッドピン
１３ クロスヘッドピンメタル
１４ クロスヘッド
１５ ボルト
１６ クロスヘッドシュー
１７ ピストンロッド
１８ オイルワイパーリング
１９ 中間グランドパッキン
１９ａ押えねじ
２０ グランドパッキン
２１ 冷却材通路
２２ ピストンリング
２３ ライダーリング
２４ ピストン
２５ シリンダライナ
２６ ガス入口
２７ 吸込弁
２８ 吐出弁
２９ ガス出口
３０ 吸込弁開放式アンローダ
３１ 状態監視システム
３２ 振動センサ
３３ 出力用インターフェース
３４ 振動測定ユニット
３５ ケーシング振動測定部
３６ ケーブル
３７ 入力用インターフェース
３８ パソコン
３９ シミュレータ
４０ パラメータ記憶部
４１ パラメータ同定部
４２ パラメータ変化検証部
４３ パラメータ変化傾向判定部
４４ 異常判定部
４５ 故障データメモリ
４６ 警報装置
４７ 周波数解析部
４８ 周波数特性変化検証部
４９ 固有値解析部
５０ 固有値変化検証部
５１ 結果記憶部
５２ 変化傾向判定部
Ｄ ダッシュポット(粘弾性部材)
Ｓ 弾性ばね(粘弾性部材)
２ クランク部
３ 中間接続部
４ ピストン−シリンダ部
５ クランクケース
６ ディスタンスピース
７ シリンダ
８ ケーシング
９ クランクシャフト
９ａクランクピン
１０ クランクピンメタル
１１ コネクティングロッド
１２ クロスヘッドピン
１３ クロスヘッドピンメタル
１４ クロスヘッド
１５ ボルト
１６ クロスヘッドシュー
１７ ピストンロッド
１８ オイルワイパーリング
１９ 中間グランドパッキン
１９ａ押えねじ
２０ グランドパッキン
２１ 冷却材通路
２２ ピストンリング
２３ ライダーリング
２４ ピストン
２５ シリンダライナ
２６ ガス入口
２７ 吸込弁
２８ 吐出弁
２９ ガス出口
３０ 吸込弁開放式アンローダ
３１ 状態監視システム
３２ 振動センサ
３３ 出力用インターフェース
３４ 振動測定ユニット
３５ ケーシング振動測定部
３６ ケーブル
３７ 入力用インターフェース
３８ パソコン
３９ シミュレータ
４０ パラメータ記憶部
４１ パラメータ同定部
４２ パラメータ変化検証部
４３ パラメータ変化傾向判定部
４４ 異常判定部
４５ 故障データメモリ
４６ 警報装置
４７ 周波数解析部
４８ 周波数特性変化検証部
４９ 固有値解析部
５０ 固有値変化検証部
５１ 結果記憶部
５２ 変化傾向判定部
Ｄ ダッシュポット(粘弾性部材)
Ｓ 弾性ばね(粘弾性部材)
Claims (7)
- 運動装置におけるケーシング内部の監視しようとする一または複数の構成部材および/または構成部材間の連結部および/もしくは摺動部の特性に起因する振動を粘弾性部材の特性に起因する振動に置換し、かつこれらの粘弾性部材の振動が合成されたものと等価な振動の仮想的振動データを出力しうるようにした運動装置の等価モデルからなるシミュレータと、
前記シミュレータにおける等価モデルから出力される前記仮想的振動データの波形を、運動装置の正常運転時におけるケーシングの振動測定データの波形に実質的に一致させるようにシミュレータを作動して得られた、前記粘弾性部材のばね定数またはばね定数と粘性減衰係数としてのパラメータを、運動装置の正常運転時のパラメータとして記憶するパラメータ記憶部と、
運動装置の実運転時において前記ケーシングの振動を、ケーシングにおける予め選択した任意の一もしくは複数の箇所で測定するケーシング振動測定部と、
前記粘弾性部材のパラメータを変化させて前記シミュレータを作動させることにより、等価モデルより出力される仮想的振動データの波形を、前記の予め選択した任意の一もしくは複数の箇所のケーシング振動測定部で得られた実運転時の振動波形とそれぞれ実質的に一致させて、前記粘弾性部材のパラメータを同定するパラメータ同定部と、
このパラメータ同定部で同定された実運転時のパラメータが、前記パラメータ記憶部により記憶されている運動装置の正常運転時におけるパラメータと対比して、どのように変化しているかを検証するパラメータ変化検証部と、
を備えることを特徴とする運動装置の状態監視システム。 - 運動装置における監視対象部としての一または複数の構成部材および/または構成部材間の連結部および/もしくは摺動部の特性に起因する振動を粘弾性部材の特性に起因する振動に置換し、前記監視対象部のうち、実運転時において振動を測定する予め選択した任意の一もしくは複数の監視対象部の各振動に対応して置換した粘弾性部材の各振動と等価な仮想的振動データ、または予め選択した任意の複数の監視対象部の各振動に対応して置換した粘弾性部材の各振動が合成されたものと等価な振動の仮想的振動データを出力しうるようにした運動装置の等価モデルからなるシミュレータと、
前記シミュレータにおける等価モデルから出力される前記仮想的振動データの波形を、運動装置の正常運転時における前記監視対象部のうち、実運転時において振動を測定する予め選択した任意の一もしくは複数の監視対象部の各振動測定データの波形、または予め選択した任意の複数の監視対象部の各振動測定データが合成された波形に実質的に一致させるようにシミュレータを作動して得られた、前記粘弾性部材のばね定数またはばね定数と粘性減衰係数としてのパラメータを、運動装置の正常運転時のパラメータとして記憶するパラメータ記憶部と、
運動装置の実運転時において前記監視対象部の振動を測定する監視対象部振動測定部と、
前記粘弾性部材のパラメータを変化させて前記シミュレータを作動させることにより、等価モデルより出力される仮想的振動データの波形を、前記監視対象部振動測定部で得られた実運転時の振動波形、またはこれらの振動が合成された波形と実質的に一致させて、前記粘弾性部材のパラメータを同定するパラメータ同定部と、
このパラメータ同定部で同定された実運転時のパラメータが、前記パラメータ記憶部により記憶されている運動装置の正常運転時におけるパラメータと対比して、どのように変化しているかを検証するパラメータ変化検証部と、
を備えることを特徴とする運動装置の状態監視システム。 - 粘弾性部材を、弾性ばねとした請求項１または２に記載の運動装置の状態監視システム。
- 粘弾性部材を、弾性ばねとダッシュポットとからなるものとした請求項１または２に記載の運動装置の状態監視システム。
- さらに、パラメータ変化検証部において検証された実運転時のパラメータの変化状況から、運動装置における監視しようとする一または複数の構成部材および/または構成部材間の連結部および/もしくは摺動部の変化傾向を判定する変化傾向判定部を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の運動装置の状態監視システム。
- さらに、パラメータ変化検証部において検証された実運転時のパラメータの変化量を、正常運転時のパラメータに基づいて予め設定した閾値と比較して、運動装置における監視しようとする一または複数の構成部材および/または構成部材間の連結部および/もしくは摺動部の異常状態を判定する異常判定部を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の運動装置の状態監視システム。
- 運動装置が、電動機、クランクシャフト、コネクティンクロッド、およびピストンを備えており、等価モデルが、クランクシャフト、コネクティンクロッド、およびピストンの仮想の剛体を備えるものとした請求項１または２に記載の運動装置の状態監視システム。
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| WO2011121726A1 (ja) | 2010-03-30 | 2011-10-06 | 株式会社 東芝 | 異常検出装置 |
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-
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- 2014-11-18 WO PCT/JP2014/080485 patent/WO2015079975A1/ja active Application Filing
- 2014-11-18 DE DE112014005404.6T patent/DE112014005404T5/de active Pending
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- 2014-11-18 JP JP2015550662A patent/JP6444885B2/ja active Active
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| KR102235243B1 (ko) * | 2020-11-11 | 2021-04-02 | 주식회사 디씨알 | 스마트 진동 분석 장치 |
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