JP5476413B2 - 回転機械の健全性診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転機械類から発せられる放射音を測定分析することによって機械の異常を検出する健全性診断方法に関する。

従来より、メンテナンスの省力化や合理化を図るために、回転機械から発せられる放射音を測定分析することにより、該回転機械の駆動部に異常があるのかどうかの健全性を診断するための方法や装置が種々提案されている。

例えば、特許文献１では、回転機械等の設備の音信号による健全性診断方法であって、設備の稼働時に発生する音信号を測定し、最小自乗法と最大エントロピー法とを用いて固有の自己回帰モデルの回帰係数を算出して記憶し、該回帰係数を前記設備の点検測定時に発生する音信号に適用して残差を算出し、該残差の大小の比較により測定時の設備の正常，異常を判定するようにした回転機械等の設備の音信号による健全性診断方法が提案されている。

また、下記特許文献２では、 診断対象の異常の有無を監視する異常監視装置において、診断対象の状態を反映した所定の物理量を捉えて該物理量を表わす信号を得るセンサと、前記センサにより前記診断対象が正常な状態にあるときに得られる基準信号に由来する基準データと、異常監視時に前記センサで得られる診断信号とに基いて、前記診断対象の異常の有無を判定する診断対象異常判定部と、前記センサに前記診断対象が異常な状態にあるときを模擬した物理量を与える模擬異常状態発生部と、前記基準データと、前記センサが前記模擬異常状態発生部から与えられた物理量を捉えるタイミングで該センサにより得られる模擬異常成分混入信号とに基づいて、この異常監視装置自体の異常の有無を判定する自己異常判定部とを備えた異常監視装置が提案されている。

更に、下記特許文献３では、正常状態にある１台若しくは複数台の、被検出装置と同一若しくは同種の装置から所定の物理量を担持する第１の時系列信号を得て該第１の時系列信号に基づいて逆フィルタを構成しておき、被検出装置から前記所定の物理量を担持する第２の時系列信号を得、該第２の時系列信号に前記逆フィルタを作用させることにより残差信号を求め、該残差信号に基づいて被検出装置の異常を検出する異常検出方法が提案されている。

特開２００９−２５７８６２号公報 特開２００３−２１５５５号公報 特開平７−４３２５９号公報

しかしながら、日常点検あるいは定期点検の際に回転機械の音を測定し、この測定結果から回転機械の故障や問題の発生を判定・予測するには一定の管理基準が必要となるが、実際の機械の故障や状態変化に伴う音の発生・変動は、機械の種類や大きさなど個別の機械によって異なるものであり、どの程度のレベルの音が発生したら回転機械の管理上、「故障」や「要修理」などの判定をすべきか適当な手法が上記健全性診断方法では示されていない。

一方で、回転機械の振動を測定し、この振動測定値を一定の評価基準に適用することによって回転機械の状態を適正に把握する手法が規格化されている（JIS B 0906／ISO 10816-1）。この規格は、回転機械の軸受箱のような非回転部分で測定された振動の測定と評価に関する一般的な指針をまとめたもので、それぞれに分類された機種ごとに振動の大きさによって表された一般的な評価基準が示されている。

この規格では回転機械の振動を測定し、この振動測定値に基づいて機械の状態を評価する手法が示されているが、実際の現場においては、振動測定と音測定とを比較した場合、(1)振動測定においては、回転機械に直接センサを接触させる必要があるため危険を伴う場合があるのに対し、音測定は非接触での測定が可能になり安全性が高い、(2)振動測定値は、回転機械の軸芯のずれやベアリングの損耗といった異常を振動の大きさという単一の尺度で評価しているのに対し、音信号の場合には周波数変動やランダムノイズの混入度などのように複数の指標を用いて評価できるため、より詳細な健全性診断が可能になる、(3)振動測定においては振動の大きさという尺度に基づいて評価するので測定位置の厳密化が要求されるのに対し、音測定では音の大きさではなく音の質（周波数成分等）に重きを置いているので、測定位置ということに対し比較的柔軟に対応できる、などの理由から、振動測定より音測定の方が利点が多かった。

従って、回転機械の健全性診断において、振動測定によって得られた振動測定値に基づく評価より、音測定によって得られた音信号を一定の評価基準に適用して回転機械の状態が評価できる診断方法が望まれていた。

そこで本発明の主たる課題は、音の測定によって得られた音信号を一定の評価基準に適用することによって回転機械の健全性を診断する方法を提供することにある。

上記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、音の測定により回転機械の健全性を診断する方法であって、
予め、基準となる回転機械について稼働時の振動及び音を測定し、これら振動測定値と音測定値との相関が最大となる変換係数を得ておき、その後、診断対象となる回転機械について稼働時の音を測定し、この音測定値を前記変換係数を用いて変換し、この変換した音測定値を振動評価基準に適用することによって、回転機械の健全性を診断することを特徴とする回転機械の健全性診断方法が提供される。

上記請求項１記載の発明では、予め、基準となる回転機械について稼働時の振動及び音を測定し、これら振動測定値と音測定値との相関が最大となる変換係数を得ておく。その後、診断対象となる回転機械について稼働時の音を測定し、この音測定値を前記変換係数を用いて変換し、この変換した音測定値を振動評価基準に適用することによって、回転機械の健全性を診断している。このため、音の測定によって得られた音信号を用いて、一定の評価基準（振動評価基準）に適用することによって回転機械の健全性診断が行えるようになる。

前記振動評価基準としては、独自に蓄積したデータに基づいた独自の基準や各種機関が提案する基準を用いることができるが、後段で詳述するように、JIS B 0906（ISO 10816-1）に規定する評価基準を用いることが好ましい。

請求項２に係る本発明として、予め、基準となる回転機械について稼働時の振動及び音を測定し、振動測定値を振動評価値ｚとするとともに、音測定値から自己回帰モデルによる残差分析を用いて音の残差パワーｘ及び残差の回帰写像での相関係数ｙを得ておく第１ステップと、
次式(6)により前記残差パワーｘ及び相関係数ｙにそれぞれ変換係数ａ、ｂを掛け合わせて線形重み付けをした音評価値ｕを設定するとともに、次式(7)により前記振動評価値ｚと音評価値ｕとの自乗誤差Ｑが最小となる条件で前記変換係数ａ、ｂを決定する第２ステップと、
診断対象となる回転機械について稼働時の音を測定し、この音測定値から自己回帰モデルによる残差分析を用いて音の残差パワーＸ及び残差の回帰写像での相関係数Ｙを得て、次式(8)により音評価値Ｕに変換する第３ステップと、
前記音評価値Ｕを振動評価基準に適用し、回転機械の健全性を診断する第４ステップとから構成される請求項１記載の回転機械の健全性診断方法が提供される。

上記請求項２記載の発明は、本健全性診断方法の具体的な手順を規定したものであり、次の４つのステップから構成される。

第１ステップとして、予め、基準となる回転機械について稼働時の振動及び音を測定し、振動測定値を振動評価値ｚとするとともに、音測定値から自己回帰モデルによる残差分析を用いて音の残差パワーｘ及び残差の回帰写像での相関係数ｙを得ておく。自己回帰モデルによる残差分析は、振動測定値の波形と音測定値の波形との類似度を自己回帰モデルによって比較し、その違いを残差パワーｘや残差の回帰写像での相関係数ｙを用いて定量的に評価する方法である。

第２ステップとして、上式(6)により前記残差パワーｘ及び相関係数ｙにそれぞれ変換係数ａ、ｂを掛け合わせて線形重み付けをした音評価値ｕを設定するとともに、上式(7)により前記振動評価値ｚと音評価値ｕとの残差Ｑが最小となる条件で前記変換係数ａ、ｂを決定する。前記変換係数ａ、ｂは、前記残差Ｑを最小化することを前提として決定されているため、この変換係数を用いて音測定値を変換することによって振動測定値に相関する変換値を得ることができるようになる。

その後、第３ステップとして、診断対象となる回転機械について音を測定し、この音測定値から自己回帰モデルによる残差分析を用いて音の残差パワーＸ及び残差の回帰写像での相関係数Ｙを得て、上式(8)により音評価値Ｕに変換する。前記音評価値Ｕは、振動測定値との相関性を有しているため、音評価値Ｕを振動評価基準に適用可能となる。

しかる後、第４ステップとして、前記音評価値Ｕを振動評価基準に適用し、回転機械の健全性を診断する。これによって、音の測定によって得られた音信号を一定の振動評価基準に適用することによって回転機械の健全性診断が可能になる。

請求項３に係る本発明として、前記振動評価基準は、ＪＩＳＢ０９０６に規定する評価基準を用いている請求項１、２いずれかに記載の回転機械の健全性診断方法が提供される。

上記請求項３記載の発明では、前記振動評価基準として、ＪＩＳＢ０９０６に規定する評価基準を用いることによって、対象とする回転機械の状態の定性的な判定が可能になる。

請求項４に係る本発明として、前記基準となる回転機械は、前記振動評価値ｚが重複しない数十台単位に設定している請求項１〜３いずれかに記載の回転機械の健全性診断方法が提供される。

上記請求項４記載の発明では、振動評価値ｚとしてある程度のばらつき範囲を持たせて診断対象となる回転機械の適用範囲を拡大させるため、基準となる回転機械を、振動評価値ｚが重複しない数十台単位に設定している。

以上詳説のとおり本発明によれば、音の測定によって得られた音信号を一定の評価基準に適用することによって回転機械の健全性を診断する方法が提供できるようになる。

本発明に係る回転機械の健全性診断方法の流れ図である。 計測装置１の構成図である。 振動評価基準と音評価基準との相関図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。

本発明は、上下水道施設、河川管理施設、廃棄物処理施設、建築設備、浄化槽設備、発電施設、その他工場等の各種施設で使用されるポンプ、送風機等の回転系を有する回転機械の稼働時に発生する音を測定することによって、回転機械の健全性を診断する方法である。具体的には、図１の流れ図に示されるように、予め、基準となる回転機械について稼働時の振動及び音を図２に示される計測装置１によって測定し、これら振動測定値と音測定値との相関が最大となる変換係数ａ、ｂを得ておき、その後、診断対象となる回転機械について稼働時の音を図２に示される計測装置１のうちマイクロホン２によって測定し、この音測定値を前記変換係数ａ、ｂを用いて変換し（音評価値Ｕ）、この変換した音測定値（音評価値Ｕ）を振動評価基準に適用することによって、回転機械の健全性を診断する。

前記計測装置１は、音測定においては、マイクロホン２によって測定された信号が入力アンプ３によって適切な振幅に増幅され、次いでＡＤ変換器４によってディジタル信号に変換された後、パーソナルコンピュータＰに取り込まれる。一方、振動測定においては、センサ５によって測定された信号が入力アンプ６によって適切な振幅に増幅され、次いでＡＤ変換器７によってディジタル信号に変換された後、パーソナルコンピュータＰに取り込まれる。そして、信号処理装置８によって、取り込まれた音及び振動のデータの各種解析及び診断が行われ、パーソナルコンピュータＰのハードディスクなどデータ記録装置９に記録・保存されるとともに、解析結果の数値や図表がモニタ１０に表示されるようになっている。

基準となる回転機械は、音信号による診断を継続的に行う回転機械を中心に、機種・型式・大きさ等が異なる振動評価値ｚが重複しない数十台単位の回転機械を選定することが好ましい。すなわち、振動測定を行い、後段で詳述する振動評価値ｚがある程度のばらつき範囲を持つように基準となる回転機械を選定することが好ましく、これにより診断対象となる回転機械の適用範囲を拡大させることができるようになる。

以下、さらに詳細に本診断方法について説明すると、本診断方法は次の４つのステップから構成されている。

（第１ステップ）
第１ステップとして、予め、基準となる回転機械について稼働時の振動及び音を測定し、この振動測定値を振動評価値ｚとおくとともに、音測定値から自己回帰モデルによる残差分析を用いて音の残差パワーｘ及び残差の回帰写像での相関係数ｙを得ておく。

自己回帰モデルは本来、予測制御システムで利用される技術であるが、たとえば慣性系のように２次の微分方程式で表現されるようなシステムでは、過去から現在までの運動がわかると、将来の運動が正確に予測できることになる。具体的には、バネに吊された錘の上下運動、振り子の運動などがこれに当たる。
ここで、単弦運動を例に採り説明すると、単弦運動の方程式は下式(1)によって表される。

上記(1)式を差分形式で表現すると、下式(2)となる。

従って、下式(3)で表現することができる。

すなわち、時刻(i+1)δtでの変位は、時刻iδtと時刻(i-1)δtの振幅値によって決定されることがわかる。このように、自己回帰モデルは、過去及び現在の情報から将来が推定できる予測モデルである。

自己回帰モデルでは、下式(4)に示されるように、過去の状態量の測定値（y_i-1，y_i-2，…，y_i-N）の１次結合で、現在の値（Y_i）を推定している。下式(4)において添字のｉは、離散時間間隔δtで測定対象を数値化したときの時刻iδtを意味する。

上式(4)における係数列a₁，a₂，a₃，…，a_nは自己回帰モデルの回帰係数であり、この数列によってシステムの挙動が決定することになる。

自己回帰モデルによる残差Ｑは、下式(5)によって表される。

自己回帰モデルによる予測値と実際の値の差をあらわす指標として残差パワーｘが用いられている。

また、時刻ｉにおける残差を横軸とし、時刻ｉ＋１における残差を縦軸として平面座標上に逐次プロットして回帰写像を行い、この回帰写像から時刻ｉにおける残差と時刻ｉ＋１における残差との相関をあらわす指標として残差の回帰写像での相関係数ｙが用いられている。

ところで、機器から発生する音は、空気音と振動音があり、基本的には振動音は空気と接する機器の側面部分の振動に起因している。振動と音との総括的な関係は、Ｗ＝ρｃＡｖ^２（Ｗ：音響出力、ρ：空気の密度、ｃ：空気中の音速、Ａ：面積、ｖ：面の振動速度）であり、基本的に音圧（音響出力Ｗ）と振動速度（ｖ）とは比例関係にある。これは、振動の大きさと音の大きさとは比例関係にあることを示している。しかしながら、この式では周波数構成については触れられていない。すなわち、従来、振動測定による機器の健全性診断では、振動の大きさ（オーバーオール値）のみが評価尺度として用いられ、周波数構成については論じられていなかった。これに対して、本診断方法では、周波数構成が変化すると残差の回帰写像での相関係数ｙが変化するということを利用して、回転機械の稼働時の周波数構成をも評価している。

（第２ステップ）
第２ステップとして、次式(6)により残差パワーｘ及び相関係数ｙにそれぞれ変換係数ａ、ｂを掛け合わせて線形重み付けをした音評価値ｕを設定する。

次に、次式(7)により前記振動評価値ｚと音評価値ｕとの自乗誤差Ｑが最小（相関が最大）となる条件で変換係数ａ、ｂを決定する。

上式(7)の変換係数（重回帰係数）ａ、ｂを求める方法としては、最小自乗法（重回帰分析法）を用いることが好ましい。また、数量化１類などの方法を用いることもできる。

（第３ステップ）
その後、診断対象となる回転機械について稼働時の音を測定し、この音測定値から、前述と同様に自己回帰モデルによる残差分析を用いて音の残差パワーＸ及び残差の回帰写像での相関係数Ｙを得て、次式(8)により音評価値Ｕに変換する。

なお、変換係数ａ、ｂは、上式(7)から求めた値である。これによって、基準回転機械との関連性が得られるようになる。

（第４ステップ）
しかる後、前記音評価値Ｕを振動評価基準に適用し、この振動評価基準に則して回転機械の健全性を診断する。

前記振動評価基準としては、独自に蓄積したデータに基づいた独自の基準や各種機関が提案する基準などを用いることができるが、JIS B 0906（ISO 10816-1）では、それぞれの機械グループごとの広帯域振動の暫定基準等が定められているため、これに規定する評価基準を用いることが好ましい。

また、前記ＪＩＳ基準では、振動の評価ゾーンとして振動速度のＲｍｓ値によって４つのゾーンに分類され、健全側からゾーンＡ、ゾーンＢ、ゾーンＣ、ゾーンＤの順に規定されているが、これに準じて音測定による健全性診断においても、４つのゾーンに分類し（例えばレベル０〜レベル３など）、前記ＪＩＳ基準のゾーンＡ〜ゾーンＤに対応する音評価値Ｕの範囲を設定した独自の音評価基準を作成し、これに基づいて評価することも可能である。かかる評価基準の作成に当たっては、複数の回転機械について振動及び音を同時に測定した結果を、図３に示されるような振動評価基準と音評価基準との相関図上にプロットすることによって、振動評価基準に準じた音評価基準の範囲を決定することができる。

１…計測装置、２…マイクロホン、３…入力アンプ、４…ＡＤ変換器、５…センサ、６…入力アンプ、７…ＡＤ変換器、８…信号処理装置、９…データ記録装置、１０…モニタ

Claims (4)

1. 音の測定により回転機械の健全性を診断する方法であって、
   予め、基準となる回転機械について稼働時の振動及び音を測定し、これら振動測定値と音測定値との相関が最大となる変換係数を得ておき、その後、診断対象となる回転機械について稼働時の音を測定し、この音測定値を前記変換係数を用いて変換し、この変換した音測定値を振動評価基準に適用することによって、回転機械の健全性を診断することを特徴とする回転機械の健全性診断方法。
2. 予め、基準となる回転機械について稼働時の振動及び音を測定し、振動測定値を振動評価値ｚとするとともに、音測定値から自己回帰モデルによる残差分析を用いて音の残差パワーｘ及び残差の回帰写像での相関係数ｙを得ておく第１ステップと、
   次式(6)により前記残差パワーｘ及び相関係数ｙにそれぞれ変換係数ａ、ｂを掛け合わせて線形重み付けをした音評価値ｕを設定するとともに、次式(7)により前記振動評価値ｚと音評価値ｕとの自乗誤差Ｑが最小となる条件で前記変換係数ａ、ｂを決定する第２ステップと、
   診断対象となる回転機械について稼働時の音を測定し、この音測定値から自己回帰モデルによる残差分析を用いて音の残差パワーＸ及び残差の回帰写像での相関係数Ｙを得て、次式(8)により音評価値Ｕに変換する第３ステップと、
   前記音評価値Ｕを振動評価基準に適用し、回転機械の健全性を診断する第４ステップとから構成される請求項１記載の回転機械の健全性診断方法。
   

   

   

   
3. 前記振動評価基準は、ＪＩＳＢ０９０６に規定する評価基準を用いている請求項１、２いずれかに記載の回転機械の健全性診断方法。
4. 前記基準となる回転機械は、前記振動評価値ｚが重複しない数十台単位に設定している請求項１〜３いずれかに記載の回転機械の健全性診断方法。

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