JP4424515B2 - ころがり軸受における固体伝導音の検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載のころがり軸受における固体伝導音の検出方法に関する。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９４３６８９号明細書から、動く機械及び／又は機械部分の監視及び／又は診断方法及び装置が公知である。このような測定及び評価方法の目的は、例えばころがり軸受のような機械又は機械部分の損傷をできるだけ早く知って、これを場合によってはその全体故障の前に交換できるようにすることである。

この公知の方法では、機械又は機械部分によって発生される振動及び固体伝導音波が、加速度センサにより広帯域時間信号として検出され、評価装置へ供給される。この評価装置において測定信号がディジタル化され、大規模のこのようなディジタル値が記憶される。続く計算過程において、これらのデータが高速フーリエ変換により周波数分析を受ける。このような高速フーリエ変換の実施は、非常に費用がかかり、比較的多くの計算容量及び記憶場所を必要とする。

更にこの刊行物から、別の分析方法において広帯域時間信号が不連続濾波を受けることが公知である。そこでは測定信号から、損傷により生じる信号成分の周波数成分が除かれ、この成分の振幅推移が評価される。周波数の変化により、評価が隣接する信号成分へ広げられて、局部的な振幅最大値が求められるようにする。不連続濾波を実行するための計算費用は、このような従来のフーリエ変換に対して少ないが、比較的大きい。なぜならば、フィルタのカットオフ周波数を、軸−軸受システムの異なる回転数に動的に合わせねばならないからである。

最後にドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１３６４３８号明細書から公知のセンサ装置では、ころがり軸受の静止レースの周囲溝にひずみ計が設けられて、電子信号モジュールに接続され、ころがり軸受レースの周囲溝において、これらのモジュールにより信号評価を行うことができる。この周囲溝は比較的小さいため、そこに設けられる電子信号モジュールは小さい記憶容量及び計算容量しか持っていないので、上述した評価方法は現場で行われず、いわばオンラインで行われる。

本発明の課題は、例えばころがり軸受に設けられる測定装置のために、固体伝導音波又は固体伝導音現象の検出方法を紹介することであり、この方法により大きい所要記憶場所なしにかつ大きい計算容量なしに、測定信号取得場所において直接に、必要な分析段階を実施できるようにする。更にころがり軸受にある適当なセンサの測定信号が変換されて、軸受損傷の実際の存在についての明白な表示が今までよりよく可能であるようにする。最後にこの方法は、なるべくオンラインで即ち時間遅れなく、突然現われる軸受損傷かを検出できるように速く実行されるようにする。

この課題の解決は請求項１の特徴から明らかになり、本発明の有利な構成及び展開は従属請求項からわかる。

従って本発明の方法によれば、ころがり軸受における固体伝導音の検出のため、ころがり軸受に設けられる圧力又は伸びに感応するセンサの測定信号が、望ましくない信号成分を除去する周波数フィルタへまず供給される。続いて周波数フィルタ出力信号のディジタル値から、第１の分散値が計算され、周波数フィルタ出力信号の時間的に後のディジタル値から、少なくとも１つの第２の分散値が求められる。これらの少なくとも２つの分散値から、帰納的計算により、これらの分散値の算術平均が計算される。得られた分散値の算術平均が所定の分散閾値を超過すると、これがころがり軸受の機械的損傷により生じる固体伝導音現象と評価される。

これに関して“帰納的計算”という概念は、第１の分散計算の結果値が第２の分散値の計算に含まれることを意味する。これは、評価装置に付加的な記憶容量を設ける必要なしに、２つのだけのサンプル値に基いて固体伝導音振幅の一貫した評価を可能にする。

分散値の得られた算術平均は、帰納的基本式

により計算され、ここでＥ｛…｝は算術平均の期待値、ｘ ^２ は前のディジタル値から求められるすべての分散値、ｋは制御変数即ち分散値を求める期間、ｘ^２は新たなディジタル値から求められる分散値、Ｃは適応定数を表わす。

適応定数Ｃに関して、１より小さく０より大きい値が設けられ、いわゆる適応速度の式
ｔ＝｛１／Ｃ_ｘ ^２−１／２｝^＊Ｔ （式２）
から計算可能である。ここでｔは、許容される誤差割合で真の分散がどんなに速く求められるかを示し、Ｔはディジタル値からそれぞれ分散値を求めるため順次に続く２つの期間の時間的間隔を示す。

帰納的基本式（式１）を前提として変換式

が形成され、ここでｎＥは新しい結果値、ａＥは古い結果値、ａＫは適応定数、ｎＡは新しいサンプル値である。ここで“新しい結果値”は、現在計算されるべき値であり、“古い結果値”は１サンプル周期前に計算された値を表わす。

変換式（式３）は評価式
ｎＶ＝ａＶ＋ａＫ^＊（ｎＡ−ａＶ） （式４）
に変形され、ここでｎＶは新しい分散値、ａＶは古い分散値、ａＫは適応定数、ｎＡはサンプル値である。これらの式（３）及び（４）はそれぞれ一次式であり、（測定値としての）第２の期間の分散値及び先行する第１の期間の分散値の期待値が分かっていると、第２の期間の分散値の期待値の計算を可能にする。

このように計算される新しい分散の値は測定信号の真の分散の評価値として評価され、この評価値からころがり軸受における固体伝導音現象の存在が推論される。ここで高い新しい分散値はころがり軸受における大きい損傷を表わす。

上記の説明からわかるように、本発明による方法によって、ころがり軸受に設けられる測定装置の測定信号から、固体伝導音波又は固体伝導音現象の存在が、大きい記憶場所を持たずかつ小さい計算容量を持つ評価装置によって確認される。このような評価装置はマイクロコンピュータとすることができ、測定信号の取得場所例えばころがり軸受の周囲溝に直接設けられて、軸受損傷を検出するため必要な分析段階を行う。

更に本発明による方法は、例えばころがり軸受にあるひずみ計のように適当なセンサの測定信号が変換されるのを可能にして、今まで公知の方法よりよく、軸受損傷の実際の存在についての一義的な表示が可能であるようにする。最後にこの方法は、僅かな測定値で、なるべくオンラインで即ち時間遅れなしに、突然現われる軸受損傷が検出可能であるほど速やかに、固体伝導音が検出可能であるようにする。

本発明による方法、この方法と測定軸受との共同作用及び評価装置は、図面に示されている本発明の実施例により最もよく説明される。

図１はころがり軸受の概略断面図を示し、静止している外レース１と回転可能な内レース２との間にころがり体３が設けられているので、内レース２は例えば方向６に回転可能に支持されている。この内レース２は、内レース２へ力Ｆを及ぼす図示しない部材の受入れに用いられる。この図からわかるように、力Ｆは内レース及びころがり体３を介して外レース１へ作用するので、ころがり体３は、外レース１との移動する接触個所に周期的な変形を生じ、この変形が適当なセンサにより測定可能である。

従って外レース１の周面に、測定範囲５において測定抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が取付けられて、伸びに応じてその電気抵抗を変化し、従ってこれらの測定抵抗により、ころがり体３が各抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を越えてころがる際、外レース１の変形が検出可能である。しかしこれに関して重要なことは、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４がその相互間隔に関して特別に調整される必要のないことである。

図２に示すように測定ころ軸受のこの実施例では、測定抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は外レース１の周囲溝４内で取付け範囲７に設けられて、これらの測定抵抗が内レース１の運動方向に対して軸線を平行に位置せしめられている。抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、図３に接続図を示されている測定ブリッジ８となるように、互いに接続されている。この測定ブリッジ８は公知のように電圧Ｕを印加され、接触個所を介して充分正弦波状の測定信号Ｍを供給する。この測定信号Ｍは、軸受外レースの溝４内に設けることができる評価装置９へ、ここには示してない導体条片を介して供給可能であり、この評価装置において信号分析を行うことができる。

図４には、このような測定信号Ｍの典型的な時間的経過が示されている。この信号経過が示すように、正弦波状基本信号に高い周波数の信号が重畳され、高い周波数の信号はこの図では円Ｋ１及びＫ２で示されている。この高い周波数の信号は、軸受の損傷を示唆するので、測定信号Ｍの分析のために特に重要である。

残念ながらこのような測定信号では、正弦波状基本信号Ｍの信号レベルは、高い周波数の信号成分より非常に大きい。従って測定信号Ｍは、高い周波数の信号を基本信号成分から分離し、常に存在しかつしばしば振幅の大きさが同じように大きい雑音信号から疑いなく区別できるようにするため、別の評価を必要とする。そのため測定装置８の測定信号Ｍはまず周波数フィルタへ供給され、このフィルタが望ましくない周波数成分をこの測定信号Ｍから除去する。このような周波数フィルタは、このフィルタがアナログ測定信号又はなるべくまずディジタル化された測定信号を前もって選ばれた前設定に従って濾波し、ディジタル信号を送出するように、構成することができる。

図５はこのような周波数濾波の結果を示している。ここで左の期間もｔ_１には、損傷のあるころがり軸受の濾波された測定信号が示され、右の期間ｔ_２には、損傷のないころがり軸受の濾波された測定信号が示されている。時点ｔ_ｎは、損傷のあるころがり軸受から損傷のないころがり軸受への信号変化を示している。この図から明らかにわかるように、測定信号の周波数濾波により、高い周波数の信号成分の識別可能性に関する改善が既に行われるけれども、高い周波数の測定信号成分の振幅Ａ_ｓと雑音信号の振幅との比は、まだ比較的小さい。この雑音成分は、期間ｔ_２においては、損傷のないころがり軸受を示唆する信号経過である。なぜならば、ころがり体３がそれぞれの測定個所５を通ってころがることにより生じた正弦波状基本信号は、濾波過程により除去されたからである。

この信号対雑音比は非常に小さいので、まず探知すべき軸受損傷の比較的悪い検出感度も最初には存在する。ここで本発明による評価方法が救済策を講じ、これによりとりわけ固体伝導音信号と雑音信号との間の非常に大きい間隔が形成される。更に非常に僅かなディジタル測定値により、軸受損傷の存在についての一義的な表示を行うことができる。

そのため本発明によれば、周波数フィルタの出力信号のディジタル値（図５による信号経過）から、まず第１の分散値が計算され、それに続いて周波数フィルタ出力信号の別のディジタル値から、少なくとも１つの第２の分散値が求められ、これら２つの分散値から、帰納的計算により、これら分散値の算術平均が計算される。分散値は、公知のように、個別測定値が平均値の周りにどのようにばらついているかを示す標準偏差の２乗である。

得られた分散の大きい算術平均値は、調べられた測定信号成分が正弦波状基本信号又は雑音信号から大きく離れていることを意味するので、それが所定の分散閾値Ｖｓｗを超過していることは、ころがり軸受の機械的損傷により生じた固体伝導音信号として評価される。

図６は損傷のあるころがり軸受について眼に見えるように、左の線図部分に、この損傷のあるころがり軸受の分散値Ｖと期間ｔ_２にある損傷のないころがり軸受の分散値との間隔が、期間ｔ_１においてどんなに異常に大きいかを示している。この図から同様にわかるように、ここに記入されている分散閾値Ｖｓｗに対して計算された分散値Ｖの超過は、固体伝導音現象の存在従ってころがり軸受の損傷を示唆することができる。

測定ころがり軸受の概略断面図を示す。 図１による測定ころがり軸受の周囲溝にある測定装置の平面図を示す。 図２による測定装置の測定ブリッジ回路を示す。 ころがり軸受の損傷を示唆する周波数成分の測定信号経過を示す。 周波数フィルタを通過した後の２つの測定信号を示す。 図５による２つの測定信号の分散平均値の図を示す。

符号の説明

１ 外レース
２ 内レース
３ ころがり体
４ 溝
５ 測定範囲
６ 回転方向
７ 取付け範囲
８ 測定ブリッジ
９ 評価装置
Ａ_ｓ 測定信号Ｓの振幅
Ａ_Ｆ フィルタ信号の振幅
Ｋ_１ 固体伝導音現象
Ｋ_２ 固体伝導音現象
Ｍ 測定信号
Ｒ１ 電気抵抗
Ｒ２ 電気抵抗
Ｒ３ 電気抵抗
Ｒ４ 電気抵抗
ｔ 時間
ｔ_１ 期間
ｔ_２ 期間
ｔ_ｎ 期間
Ｖ 分散
Ｖｓｗ 分散閾値

Claims (8)

1. ころがり軸受における固体伝導音の検出方法であって、ころがり軸受に設けられる圧力又は伸びに感応するセンサの測定信号（Ｍ）が、望ましくない信号成分を除去する周波数フィルタへ供給されるものにおいて、周波数フィルタ出力信号のディジタル値から、まず第１の期間において第１の分散値が計算され、それに続いて第２の期間において周波数フィルタ出力信号の別のティジタル値から、少なくとも１つの第２の分散値が求められ、第１の分散値及び第２の分散値から、分散値の算術平均が、帰納的基本式
   

   

   により計算され（ここでＥ｛…｝は算術平均の期待値、Ｘ ^２ は前のディジタル値から求められたすべての分散値、ｋは制御変数即ち分散値を求める期間、ｘ ^２ は新たなディジタル値から求められる分散値、Ｃは適応定数である）、得られた分散値の算術平均が所定の分散閾値（Ｖｓｗ）を超過すると、ころがり軸受の機械的損傷により生じる固体伝導音現象と評価され、閾値超過の頻度が、軸受の回転数及び幾何学的状態を知ると、損傷の発生場所としての外レース、内レース、ころがり体に一義的に対応づけられることを特徴とする、方法。
2. 適応定数Ｃが、１より小さく０より大きい値を持っていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 適応定数Ｃが適応速度の式
   

   

   から計算される（ここでｔは、許容される誤差割合で真の分散値がどんなに速く求められるかを示し、Ｔはディジタル値からそれぞれ分散値を求めるため順次に続く２つの期間の時間的間隔を示す）ことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 帰納的基本式（式１）が変換式
   

   

   に変換され、ここでｎＥは新しい結果値、ａＥは古い結果値、ａＫは適応定数、ｎＡは新しいサンプル値であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 変換式（式３）が評価式
   

   

   に変形され、ここでｎＶは新しい分散値、ａＶは古い分散値、ａＫは適応定数、ｎＡはサンプル値であることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 新しい分散値が測定信号の真の分散の評価値として評価され、この評価値がころがり軸受における固体伝導音現象の存在を示すことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 高い新しい分散値がころがり軸受における固体伝導音の存在の高い確率を表わすことを特徴とする、請求項５又は６に記載の方法。
8. 高い新しい分散値がころがり軸受における大きい損傷を表わすことを特徴とする、請求項５又は６に記載の方法。

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