JPH04194412A - ころがり軸受の故障検出方法 - 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］ この発明はこ、ろがり軸受の故障原因をファジグ推論法
により検知する方法に関する。

［従来の技術］　　　　　　　　。

ボールベアリングやニードルベアリングなど、外輪と内
輪間に転動体（ボール又はこる）を有するころがり軸受
において、外輪、内輪及び転動体のそれぞれの接触面の
いずれかに傷があると回転中に振動が発生する。この振
動は傷が外輪、内輪及び転動体のいずれに存在するかに
よってそれぞれ異なる固有の振動数を有している。この
振動は、例えば転動体に傷がある場合には、その傷が回
転中に外輪又は内輪の転走面に接触することによって生
じる。また外輪又は内輪の転走面に傷がある場合には、
回転中に複数の転動体が順次その傷に接触することによ
って振動が生じる。従ってこれらの振動の周波数はころ
がり軸受の回転数に応じて変化する。ころがり軸受の回
転数は外輪に対する内輪の回転数によって表される。一
般にころがり軸受が使用される場合には、内輪又は外輪
のいずれか一方が固定され、他方が回転される。

外輪、内輪、転動体のいずれかに傷がある場合のそれぞ
れの周波数の理論値は一般によく知られている次の式（
１）、（２）及び（３）によって表される。

すなわち 外輪に傷がある場合の周波数ｆｏｕｔはｆｏｕｔＩ１２
　（１−１）ｅｏｓａ）　＋ｆ。

−−−−（１）、 内輪に傷がある場合の周波数ｆｉｎは ｄ ｆｉｎＮ（１＋　−ｅｏｓａ　）・ｆ。

Ｄ −−−−（２）、 転動体に傷がある場合の周波数ｆｂａｌｌは−Ｄ　　　
　　ｄ ｆｂａｌｌ−−；６　　Ｅ　　ｌ　　−（５ｃｑｓａ　
）２コ　　・　ｆ。

によって表される。

ここに ｆＯ：ころがり軸受の回転数 Ｄ＝ころがり軸受のピ・ノチ円径 ｄ：転動体がボールの場合のボールの直径Ｚ：ボールの
数 α：接触角 である。

ころがり軸受の回転中の振動はころがり軸受に振動セン
サを取付けてその振動を電気信号に変換して検出するこ
とができる。検出された信号は周波数分析装置により周
波数分析され、複数の周波数とそれぞれの周波数の信号
の強さのデータにより表わされる周波数スペクトル分布
が得られる。

前記の周波数分析により得られた複数の周波数を前記式
（１）、（２）及び（３）から算出された周波数の集合
である基準スペクトル分布と比較し、一致又は近似して
いるものがあるかどうかを調査する。

その結果一致又は近似しているものがあるときは、その
周波数における信号の強さを故障判定のためにあらかじ
め経験的に定められた判定基準レベルと比較する。そし
て判定基準レベルを越えている場合にはその周波数に対
応する原因の故障が生していると判定する。

ころがり軸受の実際の回転においては、外輪と転動体間
及び内輪と転動体間にスリップが′生じ、それによって
微少な振動が発生する。振動センサの検出出力にはこの
微少振動によるものも混入しているので、実測による周
波数スペクトル分布と式（１）、（２）及び（３）から
得られる基準スペクトル分布とは一致しない。

そこで前記計算によって得られた周波数の理論値の上下
に所定の幅の基準周波数帯域を設けている。その基準周
波数帯域は使用する周波数分析装置の分解能△ｆと経験
的に定められた定数±ｎとの積±ｎ・△ｆによって表さ
れる。

このようにして定めた所定の基準周波数帯域と実測され
たスペクトル分布を比較することによって、ころがり軸
受の故障箇所を判定している。

［発明が解決しようとする課題］ 定数±ｎは経験に基づいて最も適当と思われる値を定め
ているが、ころがり軸受の傷の状況によってはその振動
の周波数が±ｎ・△ｆによって表される基準周波数帯域
に入らない場合がある↓従来の技術による判定において
は、測定された周波数・が前記の基準周波数帯域に入ら
ない場合は異常とは判定しないので、測定された周波数
が予知できない原因によって基準周波数帯域からずれて
いる場合には傷等の故障が実在するにもかかわらず故障
がないものと判定されるおそれがある。

また測定された振動レベルを判定基準レベルと比較する
場合において、振動レベルの測定値は振動発生点と測定
点（センサの位Ｗ１）間の距離によって変化し、遠けれ
ば測定値は小さくなる。また周波数が高い程伝播中の減
衰も大きくなりその結果測定値は小さくなる。従って一
定の判定基準レベルで判定をして故障の有無を判定した
のでは故障を正しく検知゛することができない場合が生
じる。

［課題を解決するための手段］ この発明のころがり軸受の異常検出方法は、ころがり軸
受の回転中の振動を検出し検出信号を出力するステップ
、前記検出信号を＾／Ｄ変換するステップ、前記Ａ／Ｄ
変換された検出信号に基づいて検出信号の周波数スペク
トル分析を行うステップ、周波数スペクトル分析された
複数の周波数の内、スペクトル強度の大きい方から順に
所定数の周波数を選出するステップ、第１のメンパージ
。

プ関数に関して、横軸が周波数、縦軸がグレードを表す
座標において、ころがり軸受の外輪に傷がある場合、内
輪に傷がある場合又は転動体に傷がある場合の振動の理
論的な基本周波数のそれぞれの横座標値におけるグレー
ドｌの点を頂点とする３個の三角形を有する第１のメン
バーシップ関数をメモリに設定するステップ、第１のメ
ンバーシップ関数に基づいて、前記の周波数スペクトル
分析された前記所定数の周波数のグレードを求めるステ
ップ、第２のメンバーシップ関数に関して、横軸がスペ
クトル強度を表し、縦軸がグレードを表す座標において
、座標の原点を通り、グレードｌに向って輪増する曲線
によって表される第２のメンバーシップ関数をメモリに
設定するステップ、第２のメンバーシップ関数に基づい
て、前記の所定数の周波数のスペクトル強度に対するグ
レードを求めるステップ、前記第１のメンバーシップ関
数に基づいて求められた前記所定数のそれぞれの周波数
の内輪に関するグレード、外輪に関するグレード及び転
動体に関するグレードと、前記所定数のそれぞれの周波
数のスペクトル強度のグレードに基づいて、内輪、外輪
及び転動体に傷がある確率を求めるステップ、を備えて
いる。

［作用〕 ころがり軸受の振動の周波数を周波数スペクトル分析さ
れた複数の周波数のそれぞれのグレードを第１のメンバ
ーシップ関数から求め、また前記複数の周波数のスペク
トル強度のそれぞれのグレードを第２メンバーシツプ関
数から求め、両グレードを用いてグレード付フローにも
とづ（所定の演算をすることによって異常が生じている
確率がグレードによって表される。

［実施例］ 第１図にこの発明のころがり軸受の異常検出方法の実施
例における実験用の振動データ収集装置を示す。図にお
いて、軸ｌは正常なボールベアリング２と欠陥を有する
供試用ボールベアリング３によって支持されており、そ
の一端はカタブリング４を介してモーター５に連結され
ている。軸１の他端には負荷としての円板６が固定され
ている。

供試用ボールベアリング３の取付ハウジング３＾には加
速度センサ７が設けられており、モーター５により軸ｌ
が回転するときの供試用ボールベアリング３の振動を検
出する。検出された信号は異常検出装ａｌ１７に入力さ
れる。異常検出装ｆｉｌ？において、その入力信号はエ
ンベロープ検波された後Ａ／Ｄ変換され、デジタル信号
に変換されてコンピュータシステムに入力される。コン
ピュータシステムにおいては、所定のソフトウェアによ
る公知のスペクトルアナライザ機能によって入力信号の
周波数スペクトル分析が行なわれる。

第２図は供試用ボールベアリング３の平面図である。こ
のボールベアリング３の仕様は、軸径（Φ１）　２５ｍ
ｍ、ピッチ円径（Ｄ）は３６．０ＩＳｊｌｌｓボール径
（ｄ）は６．３５ｍｍ、ボール数（Ｚ）は１０個、接触
角（α）は０６である。また供試用ボールベアリング３
を故意に異常状態にするためにその外輪８に直径約３１
ＡＷｈの穴９を設けている。

第３図は、軸ｌが６４ＯＲＰＭで回転している場合の供
試用ボールベアリング３の振動を加速度ヤンサ７で検出
し、スペクトル分析をしたスペクトルを示す６図におい
て最も高い加速度（Ｇ）　（１（ｉ−９８０ｃ＋ａ／５
ｅｃ２）を有する振動の周波数は４３．５Ｈ２であり、
その加速度はＱ、９７９５（Ｇ）である。分析されたス
ペクトルの内上位ｌＯ個の周波数とその加速度（Ｇ）の
大きさを第１表に示す。

（以下余白） 第１表 一方供試用ボールベアリング３の外輪８、内輪１０又は
ボール１１に傷がある場合の振動の周波数の理論値は前
記「従来の技術の項」において挙げた式（１）、（２）
及び（３）により求められる−その基本周波数と第５次
ま〒の高調波を第２表に示す。

第２表 第２表の３つの基本波（４４，ＱＩＩＺ、　６２．９Ｈ
２，６Ｂ、　１）１２）を基にして、第１表の周波数の
分布を表すた□めのファジィ集合を第４図に示す３個の
三角形によるメンバーシップ関数を定義し、これを異常
検出装置１７内のメモリに設定する。このメンバーシッ
プ関数は各基本波周波数（４４，０）１２．６２．９Ｈ
２，５８，１Ｈ７）においてグレードｌの頂点を有し、
その頂点とその頂点の基本波周波数にとなり合う他の基
本波周波数のグレード零の点を結ぶ３個の三−角形であ
って、両端の三角形は二等辺三角形としたものにより表
される。

第４図に示すメンバーシップ関数によって第１表に示す
周波数の集合のグレード値を求めた結果を第３表に示す
。

第３表 次に第１表のスペクトルにおける各周波数成分スペクト
ル強度（加速度二Ｇ）に関するファジィ集合を第５図に
示す。図におけるメンノ＜−シップ関数はファジィ診断
において一般的に用いられているものであり、式（３）
によって表される。

このメンバーシップ関数はスペクトル強度（Ｇ）が０．
０２のとき、グレードが０．５になるようになされてい
る。このメンバーシップ関数も異常検出装置１７内のメ
モリに設定される。

第１表のスペクトルの各周波数におけるスペクトル強度
（加速度二〇）の値を第５図のメンバ−シップ関数に適
用して求めたグレードを第４表に示す。

（以下余白） 第４表 次に第３表の各グレード（内輪のグレード、外輪のグレ
ード、ボールのグレード）と第４表のグレードとの積を
各番号毎に求め、その結果のグレードを第５表に示す。

第５表に示すグレードは周波数のグレードと各周波数に
おける加速度のグレードの両者の成分を含むグレードで
ある。

第５表 第５表において、番号１〜１０の内輪のグレードの代数
和を式（４）に示す代数和演算の公式にょうて求めるこ
とによって内輪に傷のある可能性を表すグレードが得ら
れる。

ａｌ＋ａ２＋−・・ａｎｇｌ−（１−ａｌ）（１−ａ２
）・・（１−ａｅ）第５表の場合その値はｏ、ｏｏｏで
ある。

上記（４）式は演算方法の一例を示すものであって、演
算式はこれに限られるものではない。

同様にして外輪のグレード及びボールのグレードの代数
和を求めることによって゛、それぞれ外輪に傷のある可
能性及びボールに傷のある可能性を表すグレードが得ら
れる。第５表の場合のそれらの値はそれぞれ０．９１９
及び０．０８１である。ここで使用される「可能性」の
用語は実質的に「確率ｊと同じ意味である。

第６図はこれらの可能性を表すグレードを用いて表した
異常診断のフローチャートである。このフローチャート
においては、判断を示す各、ステップにおいて、イエス
（Ｙで表示）又はノー（Ｎで表示）の可能性をその近傍
に付記したグレードを示す数値により表している。第５
表より、内輪のクレードは零、外輪及びボールのグレー
ドはそれぞれ０Ｊ１９及び０．０１１１である。フロー
チャート及び以下の説明において、０．９１９及び０．
０８１の値は４捨５人してそれぞれ０．９２及び０．０
８とする。

フローチャートのステップ（１）において、内輪に傷の
ある可能性を判定する。内輪に傷のある可能性は０．０
０であるのでイエス（以下Ｙと略記する）□　　のグレ
ードは０．００．ノー（以下Ｎと略記する）のグレード
は１．ＯＯとなる。

ステップ（２）において、外輪に傷のある可能性を判定
する。外輪に傷のある可能性は０．９２であるので、Ｙ
のグレーｐは０．９２、Ｎのグレードは０．０８である
。さらにステップ（３）においてボール傷の可能性を判
定する、ボール傷の可能性は０．０８なのて、Ｙのグレ
ードは０．０８、Ｎのグレードは０．９２となる。その
結果、内輪、外輪及びボールに共に傷があるグレードは
第６図のボックス（ａ）に示すようにＯ，ＯＳとなる。

同様にして、内輪と外輪に共に傷のあるグレードは第６
図のボ・ツクス（ｂ）に示すように０．９２・となる。

以下同様に、内輪とボールに共に傷のあるグレードは第
６図のボックス（ｅ）に示す０．０８、内輪のみに傷の
あるグレードは０．９２（ボックス（ｄ））、外輪とボ
ールに共に傷があるグレードはＯ，Ｏａ（ボックス（ｅ
））　、外輪にのみ傷のあるグレードは０．９２（ボッ
クス（ｆ））　、ボールにのみ傷があるグレードは０．
０８（ボックス（Ｇ））及び「その他」の場合のグレー
ドは０．９２（ボックス（ｈ））となる。「その他」は
例えば異常が見当らない場合も含まれる。

次に各ボックス（ａ）〜（ｈ）において、フローチャー
トに基づいて、内輪価、外輪傷及びボールの傷のそれぞ
れの可能性を示すグレードの組を求め、それらを第６表
に表す。

（以下余白） 第６表 例えばボックス（ＩＩ）のグレードの組はステップ（１
）のＹのグレード、ステップ（２）のＹのグレード及び
ステップ（３）のＹのグレードによって得られる。

同様にして、ボックス（ｂ）のグレードの組はステップ
（１）のＹのグレード、ステップ（２）のＹのグレード
、ステップ〈３）のＮのグレードによって得られる。ま
たボックス（Ｃ）のグレードの組は、ステップ（１）の
Ｙのグレード、ステップ（２）のＮのグレード、ステッ
プ（３）のＹのグレードによって得られる。このように
して他のボックス（暑）〜（ｈ）についてもグレードの
組が得られる。次にミニマム法により、各グレードの組
の中で最少のグレードを選択する。その結果を第６表の
最下行に示す。この結果から、次のような４種の診断結
果が得られる。

１．０．９２の確率で外輪に傷がある。

２゜０．０８の確率で外輪及びボールに傷がある。

３．０．０８の確率でボールに傷がある。

４．０．０８の確率でその他の原因がある。

第７図に前記の処理を行なうための処理のフローチャー
トを示す。振動センサ７によって検出された出力信号は
（ステップ１１）エンベロープ検波器によってエンベロ
ープが検出され（ステップ１２）、ＬＰＦ　（ローパス
フィルタ）によって不要す高イ周波数の成分が除去され
る（ステップ１Ｂ）。次にサンプルホールド回路によっ
てサンプリングされる（ステップ１０゜サンプリングさ
れた信号はＡ／Ｄコンバータによりデジタル信号に変換
され（ステップ１５）、コンビ１−タシステムに入力さ
れる（ステップ１名）。

コンビニ−タシステムにおいて、所定のソフトウェアに
よって前記のスペクトル分析、メンバーシップ関数の演
算、診断結果の出力が行なわれる（ステップ１６）。

［発明の効果］ この発明によれば、ころがり軸受に異常が生じた場合に
おいて、その異常がころがり軸受の構成要素である外輪
、内輪及び転動体のいずれに生じているかをそれぞれの
可能性すなわち確率を示す数値によって表す。従って、
特に異常が複数の構成要素（例えば外輪と転動体）に生
じている場合において、それらの異常の程度を確率によ
って個々に知ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例において用いられる振動デー
タ収集装置の側面図、第２図はボールベアリングの平面
図、第３図は共試用ボールベアリングの振動のスペクト
ル分布を示す図、第４図は共試用ボールベアリングの振
動のスペクトル分布に関するメンバーシップ関数の図、
第５図はボールベアリングの振動のスペクトル強度に関
するメンバーシップ関数、第６図は異常診断のフローチ
ャート、第７図はこの実施例を実施する異常検出装置で
ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ころがり軸受けの回転中の振動を検出し検出信号を出力
   するステップ、 前記検出信号をＡ／Ｄ変換するステップ、 前記Ａ／Ｄ変換された検出信号に基づいて検出信号の周
   波数スペクトル分析を行うステップ、周波数スペクトル
   分析された複数の周波数の内、スペクトル強度の大きい
   方から順に所定数の周波数を選出するステップ、 第１のメンバーシップ関数に関して、横軸が周波数、縦
   軸が０〜１のグレードの値を表す座標において、ころが
   り軸受の外輪に傷がある場合、内輪に傷がある場合又は
   転動体に傷がある場合の３つの場合についてそれぞれ、
   振動の理論的な基本周波数の横座標値におけるグレード
   の値が１である各点を頂点とする３個の三角形を有する
   第１のメンバーシップ関数をメモリに設定するステップ
   、第１のメンバーシップ関数に基づいて、前記の周波数
   スペクトル分析された前記所定数の周波数のグレードを
   求めるステップ、 第２のメンバーシップ関数に関して、横軸がスペクトル
   強度を表し、縦軸がグレードを表す座標において、座標
   の原点を通り、グレード１に向って斬増する曲線によっ
   て表される第２のメンバーシップ関数をメモリに設定す
   るステップ、 第２のメンバーシップ関数に基づいて、前記の所定数の
   周波数のスペクトル強度に対するグレードを求めるステ
   ップ、及び 前記第１のメンバーシップ関数に基づいて求められた前
   記所定数のそれぞれの周波数の内輪に関するグレード、
   外輪に関するグレード及び転動体に関するグレードと、
   前記所定数のそれぞれの周波数のスペクトル強度のグレ
   ードに基づいて、内輪、外輪及び転動体に傷がある確率
   を求めるステップ、 を有するころがり軸受の故障検出方法。