JP2024127720A - Method and system for analyzing vibration data of rotating equipment - Google Patents
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Abstract
【課題】回転機器のノイズが大きい転がり軸受の場合であっても、軸受の欠陥に起因する振動を抽出できるため、欠陥発生後に異常診断を実施し易くする。【解決手段】加速度センサ1を用いて取得した波形データについて、ARMAモデル(自己回帰移動平均モデル)推定を行い、その推定されたARMAモデルの周波数応答を算出し、算出された周波数応答のピーク周波数(Fpeak)に基づいてバンドパスフィルタの通過周波数を決定し、この決定した通過周波数を用いて、振動の波形データのノイズを除去し、ノイズを除去した振動の波形データについてエンベロープ解析してピーク周波数成分の振幅値を算出し、所定期間においてのピーク周波数成分の振幅値を用いて、ピーク周波数成分の振幅値の増大量が大きくなっている傾向が確認できる場合に、軸受2に異常有りの可能性があると判定する。【選択図】図3[Problem] Even in the case of rolling bearings with large noise from rotating equipment, vibrations caused by bearing defects can be extracted, making it easier to perform abnormality diagnosis after the occurrence of a defect. [Solution] An ARMA model (autoregressive moving average model) is estimated for waveform data acquired using an acceleration sensor 1, the frequency response of the estimated ARMA model is calculated, the pass frequency of a bandpass filter is determined based on the peak frequency (Fpeak) of the calculated frequency response, noise is removed from the vibration waveform data using the determined pass frequency, the noise-removed vibration waveform data is envelope-analyzed to calculate the amplitude value of the peak frequency component, and if a tendency for the amplitude value of the peak frequency component to increase in a predetermined period is confirmed, it is determined that there is a possibility of an abnormality in a bearing 2. [Selected Figure] Figure 3
Description
本発明は、発電機、ポンプ、ファン等の回転機器に備えられる転がり軸受の異常の有無及び軸受故障の種類を分析する回転機器の振動データ分析方法及び分析システムに関する。 The present invention relates to a method and system for analyzing vibration data from rotating equipment, such as generators, pumps, and fans, to analyze the presence or absence of abnormalities in rolling bearings and the types of bearing failures.
従来から、転がり軸受は、広範な機器の回転部分に数多く使用されている。これらの転がり軸受に異常が発生すると、その機械設備の停止などいろいろ不都合が生じる。一般に、転がり軸受は精度が高く、適正な使用条件下では、繰り返し疲労による疲れ破壊が生ずるまで長時間使用することができる。そこで、回転機器における軸受異常の有無及び軸受故障の種類を診断することが重要である。 Traditionally, rolling bearings have been used in large numbers in the rotating parts of a wide range of equipment. If an abnormality occurs in these rolling bearings, various inconveniences occur, such as the shutdown of the machinery and equipment. Generally, rolling bearings are highly accurate, and under proper operating conditions, they can be used for long periods of time before fatigue failure occurs due to repeated strain. Therefore, it is important to diagnose the presence or absence of bearing abnormalities in rotating equipment and the type of bearing failure.
転がり軸受の予期しない故障は、潤滑剤の不適正あるいは回転軸のミスアライメント、転がり軸受の不適切な組込み等のストレスのかかるメカニカルな状態から生じる。転がり軸受の故障原因として多いのはゴミの混入、潤滑剤の劣化等の不適切な潤滑が大半を占めている。その転がり軸受の故障診断方法としては、種々の手段が提案されている。例えば、加速度センサを用いて軸受の振動を測定し、この軸受振動値が許容値を超えると警報を発する方法がある。軸受振動の周波数の解析により、その故障の原因を推定する方法がある。軸受振動値の増加傾向を予測することにより、その軸受異常の診断と共に寿命を予知する方法がある。その他にも、ショックパルス法やAE(Acoustic Emission)法等が提案されている。 Unexpected failures in rolling bearings are caused by mechanical conditions that place stress on the bearing, such as improper lubrication, misalignment of the rotating shaft, or improper installation of the rolling bearing. The majority of failures in rolling bearings are caused by improper lubrication, such as the inclusion of dirt or deterioration of the lubricant. Various methods have been proposed for diagnosing failures in rolling bearings. For example, there is a method that uses an acceleration sensor to measure bearing vibration and issues an alarm if the bearing vibration value exceeds an allowable value. There is also a method that estimates the cause of the failure by analyzing the frequency of bearing vibration. There is also a method that predicts the bearing's lifespan as well as diagnosing abnormalities by predicting the trend of increasing bearing vibration values. Other methods that have been proposed include the shock pulse method and AE (Acoustic Emission) method.
回転機器について機械設備を分解することなく、振動加速度信号により軸受異常の有無及び軸受故障の種類の診断に関する技術が種々提案されている。例えば特許文献1の特開2018-155494号公報「軸受異常診断システム及び軸受異常診断方法」のように、軸受、又は該軸受を支持する軸受ハウジングに取り付けられた振動加速度センサから、前記軸受又は軸受ハウジングの振動加速度を検出し、該振動加速度センサからの振動加速度信号に基づく周波数スペクトルの周波数解析を行い、前記周波数スペクトルに基づいて、軸受異常の有無を診断し、前記周波数スペクトルから検出されたピーク周波数の発生次数パターンにより前記軸受異常の種類を特定する、軸受異常診断方法が提案されている。
Various technologies have been proposed for diagnosing the presence or absence of bearing abnormalities and the type of bearing failure using vibration acceleration signals for rotating equipment without disassembling the machinery and equipment. For example,
特許文献1には、軸受、又は軸受を支持する軸受ハウジングに取り付けられた振動加速度センサから、前記軸受又は軸受ハウジングの振動加速度を検出し、該振動加速度センサからの振動加速度信号に基づく周波数スペクトルの周波数解析を行い、前記周波数スペクトルに基づいて、軸受異常の有無を診断し、前記軸受異常と診断された場合、前記振動加速度センサの振動加速度信号の振動最大値と振動RMS値(root mean square)との比である波高率により前記軸受異常の種類を特定する軸受異常診断方法も提案されている。
特許文献1に開示された軸受異常診断システムは、図8に示すように、軸受、又は該軸受を支持する軸受ハウジング51に取り付けられ、軸受又は軸受ハウジング51の振動加速度を検出する振動加速度センサ52と、振動加速度センサ52からの振動加速度信号に基づく周波数スペクトルの周波数解析を行う振動分析部53と、周波数スペクトルに基づいて、軸受異常の有無を診断する第1の異常診断部54と、周波数スペクトルから検出されたピーク周波数の発生次数パターンにより軸受異常の種類を特定する第2の異常診断部55を有する診断装置56と、更にモニタと警報機等の出力装置57を備えたシステムである。このシステムでは、図9(a)に示す第1の異常診断部で周波数スペクトルから検出されたピーク周波数の発生次数パターンを算出し、図9(b)に示す第2の異常診断部で振動加速度信号の振動最大値と振動RMS(Root mean square)との比である波高率を算出することにより軸受異常の種類を判別して、機械設備を分解することなく、一つの振動加速度信号により軸受異常の有無及び軸受故障の種類を診断するシステムである。
As shown in Fig. 8, the bearing abnormality diagnosis system disclosed in
WCCS(Whitened Cross-Correlation Spectrum)と称される異常診断を行う解析方法が提案されている。この解析方法は、図10のフロー図に示すようにARモデル推定を用いて計算されたWhitening Filter(白色化フィルタ)に信号を入力し、特徴的なパルスのみを強調した波形(Vω)と波形(Vω)にヒルベルト変換を行った波形(Venv)を掛け会わせた波形(Vcc)に対し周波数解析を行うことによって軸受異常診断を行う解析方法である。 An analysis method for diagnosing abnormalities called WCCS (Whitened Cross-Correlation Spectrum) has been proposed. This analysis method involves inputting a signal into a Whitening Filter calculated using AR model estimation as shown in the flow diagram of Figure 10, and diagnosing bearing abnormalities by performing frequency analysis on a waveform (Vω) in which only characteristic pulses are emphasized, and a waveform (Vcc) obtained by multiplying the waveform (Vω) by a waveform (Venv) that has been subjected to a Hilbert transform.
特許文献1の「軸受異常診断システム及び軸受異常診断方法」では、一般的に回転機械の軸受部で観測される加速度振動には、軸の回転数成分とその整数倍、軸受部に異常があればそれに起因する振動、さらには雑多なノイズ成分が含まれる。その中から軸受部の異常に起因する振動を抽出するのにノイズ等の雑多な信号を除去した上で各種分析を行い、軸受の異常原因を特定すべきと考えられる。しかしながら、特許文献1の軸受異常診断方法では、事前のノイズ処理がされていないため、異常原因の特定が困難であるという問題を有していた。
In the "Bearing Abnormality Diagnosis System and Bearing Abnormality Diagnosis Method" of
また、特許文献1は、ノイズが大きい加速度信号では、異常由来の信号に加えてノイズも含まれるためRMS値も大きくなり、波高率が下がるため軸受異常の種類を判別できないという問題を有していた。例えば、波高率が何の異常を表しているか判別できないという問題を有していた。
Furthermore,
WCCS解析方法は、特徴的なパルスのみを強調した波形(Vω)と波形(Vω)にヒルベルト変換を行った波形(Venv)を掛け会わせた波形(Vcc)に対し周波数解析を行うことによって軸受異常診断を行う解析方法であるが、この特徴的なパルスの振幅がノイズ振幅に対して2倍程度と低い場合では、特徴が強調できず、異常が判断しづらいという問題を有していた。 The WCCS analysis method is an analysis method for diagnosing bearing abnormalities by performing frequency analysis on a waveform (Vω) that emphasizes only characteristic pulses and a waveform (Vcc) that is a combination of the waveform (Vω) and a waveform (Venv) that has been subjected to a Hilbert transform. However, when the amplitude of this characteristic pulse is low, about twice the noise amplitude, the characteristics cannot be emphasized, making it difficult to determine whether there is an abnormality.
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、回転機器のノイズが大きい軸受の場合であっても、軸受の欠陥に起因する振動を抽出できるため、欠陥発生後に異常診断を実施し易くすることができる回転機器の振動データ分析方法及び分析システムを提供することにある。 The present invention was invented to solve these problems. That is, the object of the present invention is to provide a method and system for analyzing vibration data of rotating equipment that can extract vibrations caused by bearing defects even in the case of bearings that are noisy in rotating equipment, making it easier to diagnose abnormalities after defects occur.
本発明の回転機器の振動データ分析方法は、回転機器に備えられた軸受の異常の有無を分析する回転機器の振動データ分析方法であって、
前記軸受で発生した振動の波形データを、加速度センサを用いて取得し、
前記加速度センサにより取得した前記振動の波形データについて、自己回帰モデルと移動平均モデルとを用いたARMAモデルの推定を行い、その推定された前記ARMAモデルの周波数応答を算出し、
算出された前記ARMAモデルの周波数応答のピーク周波数に基づいて、特定の周波数帯のみを抽出するバンドパスフィルタの通過周波数を決定し、この決定した前記通過周波数を用いて、前記加速度センサにより取得した前記振動の波形データのノイズを除去し、
ノイズが除去された前記振動の波形データについてエンベロープ解析し、エンベロープ解析で得られたピーク周波数成分の振幅値を算出し、
所定期間に亘って測定した前記振動の波形データについて算出される前記ピーク周波数成分の振幅値を用いて、時間経過に対する前記ピーク周波数成分の振幅値の増大量が大きくなっている傾向が確認できる場合に、前記軸受に異常有りの可能性があると判定する、ことを特徴とする。
回転機器の振動データ分析方法は、前記ARMAモデルの周波数応答のピーク周波数が、前記軸受の仕様に基づいて算出される固有振動数に対して予め定めた範囲以内の値である場合に、前記ピーク周波数に基づいて前記通過周波数を決定する、こととしてもよい。
また、回転機器の振動データ分析方法は、前記所定期間のうちの第1の期間と、該第1の期間より直近の第2の期間とのそれぞれにおいて前記ピーク周波数成分の振幅値の傾きを算出し、前記第2の期間における傾きの方が大きい場合に、前記軸受に異常有りの可能性があると判定する、こととしてもよい。
The vibration data analysis method of the present invention is a method for analyzing vibration data of a rotating device for analyzing the presence or absence of an abnormality in a bearing provided in the rotating device, comprising the steps of:
Obtaining waveform data of vibrations generated in the bearing using an acceleration sensor;
An ARMA model is estimated using an autoregressive model and a moving average model for the waveform data of the vibration acquired by the acceleration sensor, and a frequency response of the estimated ARMA model is calculated;
determining a pass frequency of a band pass filter that extracts only a specific frequency band based on the calculated peak frequency of the frequency response of the ARMA model, and removing noise from the waveform data of the vibration acquired by the acceleration sensor using the determined pass frequency;
performing an envelope analysis on the vibration waveform data from which noise has been removed, and calculating an amplitude value of a peak frequency component obtained by the envelope analysis;
The method is characterized in that, using the amplitude value of the peak frequency component calculated from the vibration waveform data measured over a predetermined period, if a tendency for the amplitude value of the peak frequency component to increase over time is confirmed, it is determined that there is a possibility of an abnormality in the bearing.
The method for analyzing vibration data of a rotating device may include determining the passing frequency based on a peak frequency when a peak frequency of a frequency response of the ARMA model is within a predetermined range for a natural frequency calculated based on a specification of the bearing.
Furthermore, the method for analyzing vibration data of a rotating machine may include calculating a slope of the amplitude value of the peak frequency component in a first period of the specified time period and in a second period immediately before the first period, and determining that there is a possibility of an abnormality in the bearing if the slope in the second period is larger.
本発明の振動データ分析システムは、回転機器に備えられた軸受の異常の有無を分析する回転機器の振動データ分析システムであって、
前記軸受で発生した振動の波形データを取得する加速度センサと、
前記加速度センサにより取得した前記振動の波形データについて、自己回帰モデルと移動平均モデルとを用いたARMAモデルの推定を行い、その推定された前記ARMAモデルの周波数応答を算出するARMAモデル推定部と、
算出された前記ARMAモデルの周波数応答のピーク周波数に基づいて、特定の周波数帯のみを抽出するバンドパスフィルタの通過周波数を決定し、前記加速度センサにより取得した前記振動の波形データについて、前記通過周波数を用いてノイズを除去するバンドパスフィルタ部と、
前記バンドパスフィルタ部によりノイズが除去された前記振動の波形データについてエンベロープ解析を行い、エンベロープ解析で得られたピーク周波数成分の振幅値を算出するエンベロープ処理部と、
所定期間に亘って測定した前記振動の波形データについて前記エンベロープ処理部において算出される前記ピーク周波数成分の振幅値を用いて、時間経過に対する前記ピーク周波数成分の振幅値の増大量が大きくなっている傾向が確認できる場合に、前記軸受に異常有りの可能性があると判定する異常判定部と、を備えた、ことを特徴とする。
The vibration data analysis system of the present invention is a vibration data analysis system for a rotating device that analyzes the presence or absence of an abnormality in a bearing provided in the rotating device,
an acceleration sensor for acquiring waveform data of vibrations generated in the bearing;
an ARMA model estimation unit that estimates an ARMA model using an autoregressive model and a moving average model for the vibration waveform data acquired by the acceleration sensor, and calculates a frequency response of the estimated ARMA model;
a band-pass filter unit that determines a pass frequency of a band-pass filter that extracts only a specific frequency band based on the calculated peak frequency of the frequency response of the ARMA model, and removes noise from the waveform data of the vibration acquired by the acceleration sensor using the pass frequency;
an envelope processing unit that performs an envelope analysis on the vibration waveform data from which noise has been removed by the band pass filter unit, and calculates an amplitude value of a peak frequency component obtained by the envelope analysis;
and an abnormality determination unit which, using the amplitude value of the peak frequency component calculated in the envelope processing unit for the vibration waveform data measured over a predetermined period, determines that there is a possibility of an abnormality in the bearing if a tendency for the amount of increase in the amplitude value of the peak frequency component over time to be increasing is confirmed.
本発明の振動データ分析方法では、ノイズが大きい軸受(2)の場合でも欠陥に起因する振動を抽出できるため、回転機器の欠陥発生後に異常診断を実施し易くすることが可能になる。軸受(2)の軸受情報と回転数情報のみ設定を行うことで異常診断が可能になる。 The vibration data analysis method of the present invention can extract vibrations caused by defects even in the case of bearings (2) with high noise levels, making it easier to perform abnormality diagnosis after a defect occurs in a rotating device. Abnormality diagnosis is possible by setting only the bearing information and rotation speed information of the bearing (2).
回転機器に備えられた軸受(2)の交換周期又は交換時期が確定し、より効率的な回転機器の保守が可能となる。例えば、発電所における回転機器については、稼働率の高い夏場を避けて秋季にその軸受(2)の交換を実施するといった計画を容易に立てることができる。また、従来は、定期点検を余儀なくされていた設備に対し、早期の異常判断が可能なことから、点検周期の長期化、劣化データの採取が容易になり、従来の定期点検体制から回転機器の状態に応じて保守を行う状態基準保守体制への移行を効率化することができる。
また、コンパクトな装置により容易かつ正確に回転機器に備えられた軸受(2)の寿命を高精度に推定することができ、更にインターネット回線に接続することにより、遠隔地において所定の軸受(2)の異常を容易に判定することができる。
The replacement period or timing of the bearings (2) installed in the rotating equipment is determined, enabling more efficient maintenance of the rotating equipment. For example, for rotating equipment in a power plant, a plan can be easily made to replace the bearings (2) in autumn, avoiding the summer when the operating rate is high. In addition, for equipment that previously required regular inspections, early detection of abnormalities is now possible, making it easier to lengthen the inspection period and collect deterioration data, and streamlining the transition from the conventional regular inspection system to a condition-based maintenance system in which maintenance is performed according to the condition of the rotating equipment.
In addition, the compact device can easily and accurately estimate the lifespan of a bearing (2) installed in a rotating device with a high degree of precision, and by connecting the device to an Internet line, abnormalities in a specific bearing (2) can be easily determined from a remote location.
本発明は、撹拌機、ポンプ、ファン等の回転機器に備えられた軸受の異常の有無を判定、分析する回転機器の振動データ分析方法である。 The present invention is a method for analyzing vibration data of rotating equipment that determines and analyzes the presence or absence of abnormalities in bearings installed in rotating equipment such as agitators, pumps, and fans.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
<回転機器の振動データ分析システムの構成>
図1は本発明の回転機器の振動データ分析システムを構成する振動データ分析装置の一例を示ブロック図である。
本発明の回転機器の振動データ分析システムは、主に加速度センサ1と、ARMAモデル推定部3と、バンドパスフィルタ(BPF)部4と、エンベロープ処理部5と、データベース6と、異常判定部7と、BPF変更判定部8を備えたシステムである。この振動データ分析システムを用いて、回転機器に備えられた軸受2の異常の有無、及び軸受故障の種類を分析する。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
<Configuration of Rotating Equipment Vibration Data Analysis System>
FIG. 1 is a block diagram showing an example of a vibration data analysis device constituting a vibration data analysis system for a rotating machine according to the present invention.
The vibration data analysis system for rotating equipment of the present invention is a system mainly comprising an
加速度センサ1は、回転機器に備えられた軸受2で発生した振動の波形データを取得する。ARMAモデル推定部3は、この加速度センサ1により採取した波形データについて、ARMAモデル(自己回帰移動平均モデル)推定を行い、その推定されたARMAモデルの周波数応答を算出する。このARMAモデル推定部3において算出された固有振動数に関するデータはデータベース6に保存する。
ARMAモデル推定部3におけるARMAモデルの推定は、自己回帰モデル(ARモデル)と移動平均モデル(MAモデル)とを用いた数値モデルの推定手法であり、既存の技術を利用することができる。例えば、MathWorks(登録商標)社のMATLAB(登録商標)のプログラムに設定された指令(例えば、armax)を用いることで、振動の波形データを入力してARMAモデルの各パラメータを算出することができる。
An
The estimation of the ARMA model in the ARMA
またARMAモデルの周波数応答の算出についても、既存の技術を利用することができる。例えば、MATLAB(登録商標)に設定されたデジタルフィルターの周波数応答の指令(例えば、freqz)を用いて、各パラメータが推定されたARMAモデルの周波数応答を算出することができる。これにより、横軸を周波数とし、縦軸に振幅値をプロットした周波数応答を算出することができるし、周波数応答のピーク周波数を固有振動数として算出する等、固有振動数に関するデータを取得することができる。
BPF変更判定部8は、ARMAモデル推定部3が推定した通過周波数について、ノイズを除去するためにバンドパスフィルタ(BPF)部4に変更するかについて判定する。
Existing technology can also be used to calculate the frequency response of the ARMA model. For example, a command (e.g., freqz) for the frequency response of a digital filter set in MATLAB (registered trademark) can be used to calculate the frequency response of an ARMA model in which each parameter has been estimated. This makes it possible to calculate a frequency response in which the horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents amplitude, and to obtain data related to the natural frequency, such as by calculating the peak frequency of the frequency response as the natural frequency.
The BPF
バンドパスフィルタ(BPF)部4は、加速度センサ1により採取した波形データについて、波形データからノイズを除去する。
エンベロープ処理部5は、このバンドパスフィルタ(BPF)部4によりノイズが除去された波形データについて、軸受2の振動の繰り返しの周期性を解析する。このエンベロープ処理部5により解析結果から算出された欠陥周波数に関するデータについても保存するデータベース6に保存する。
A band pass filter (BPF)
The
異常判定部7は、ARMAモデル推定部3において算出された固有振動数と、エンベロープ処理部5において解析された欠陥周波数について、データベース6に保存された固有振動数、欠陥周波数及び欠陥周波数の振幅値のデータ(振動データ)を用いて、軸受2の異常の有無を判定する。
The abnormality determination unit 7 determines whether or not there is an abnormality in the
図示していないが、このシステムをインターネット回線に接続することにより、遠隔地において所定の軸受の異常を容易に判定することも可能である。 Although not shown in the figure, by connecting this system to an Internet line, it is also possible to easily determine abnormalities in a specific bearing from a remote location.
<回転機器の振動データ分析方法の構成>
図2は本発明の振動データ分析方法の動作手順を説明するフロー図である。図3は振動データ分析方法における軸受の異常の判定の具体的な基準を説明する概略説明図である。
本発明の回転機器の振動データ分析方法は、発電機、ポンプ、ファン等の回転機器に加速度センサ1を取り付け、この回転機器の軸受2で発生した振動の波形データを取得する。この加速度センサ1で取得した波形データについて、ARMAモデル(自己回帰移動平均モデル)推定を行う。この推定されたARMAモデルの周波数応答を算出する。
<Configuration of vibration data analysis method for rotating equipment>
Fig. 2 is a flow chart for explaining the operation procedure of the vibration data analysis method of the present invention, and Fig. 3 is a schematic explanatory diagram for explaining specific criteria for judging a bearing abnormality in the vibration data analysis method.
In the method for analyzing vibration data of a rotating device of the present invention, an
算出された周波数応答のピーク周波数(Fpeak)について、数1の数式1により求められた固有振動数(Fn)が、この固有振動数(Fn)の±5%以内の場合に軸受2の固有振動数であると仮定する。
For the calculated peak frequency (Fpeak) of the frequency response, it is assumed that the natural frequency (Fn) of
なお、数式1は、軸受2のラジアル方向の固有振動数を求める簡易式であり、ピーク周波数(Fpeak)が、軸受2の内径や外径などの仕様により算出される固有振動数(Fn)と大幅に異なっていないかの確認のため使用する。ピーク周波数(Fpeak)が、固有振動数(Fn)を中央値とした±5%の数値範囲など、予め定めた範囲を超えて大きくずれている場合、波形データとして別の波形データを利用するなどの別の処理を実施することができる。この固有振動数(Fn)を求める数式は、数式1に限らず、他の固有振動数(Fn)を求める計算式を利用することができ、また必ずしも軸受2の仕様から固有振動数(Fn)を求めてピーク周波数(Fpeak)と大きく異なっているか判定する必要はなく、算出された周波数応答のピーク周波数(Fpeak)を、そのまま固有振動数であると仮定してもよい。
Note that
通過周波数(Fpass)は、数2の数式2により決定し、この決定したピーク周波数(Fpeak)をデータベース6に保存する。
The pass frequency (Fpass) is determined by
なお、通過周波数(Fpass)は、必ずしも数式2により決定する必要はなく、通過周波数(Fpass)に基づいて、特定の周波数帯のみを抽出可能な別の方法により決定してもよい。例えば、通過周波数(Fpass)は、ピーク周波数(Fpeak)の3分の1以上など、数式2とは別の係数を用いた乗算や除算などの計算式で決定してもよいし、ピーク周波数(Fpeak)に対して±20Hzといった絶対値を加算及び減算して決定してもよいし、ピーク周波数(Fpeak)のパーセンテージ(例えば、20%)の数分を加算及び減算して決定してもよいし、ピーク周波数(Fpeak)の値に対応して予め特定の周波数帯を定めた表データを用いて決定してもよい。
The pass frequency (Fpass) does not necessarily have to be determined by
エンベロープ処理部5は、軸受2の振動の繰り返しの周期性を解析することで、軸受2の異常部位の特定するエンベロープ解析処理をする。振動がある周期により繰り返して発生(周期性)しているかどうかを解析し、回転機器の回転に依存したものであればその周波数により、軸受2の異常を判別する。エンベロープ解析の信号処理は振動波形の包絡線(エンベロープ)を周波数解析する。
なお、軸受2の異常部位を特定するためには、予め軸受2の部位ごとに、各部位が異常を示すときの異常振動の周波数(固有振動数)を対応させた表データを準備し、エンベロープ解析処理で得られた周波数と、回転機器の回転数情報(運転回転数)とを表データに照らし合わせて比較して診断することにより、軸受2の異常部位を特定することができる。
The
In order to identify the abnormal portion of the
FTT解析処理(高速フーリエ変換(Fast Fourier Transform))は、時系列に並んだデジタル信号の標本列を周波数成分の集合で表す離散フーリエ変換をコンピュータで高速に計算する手法である。フーリエ変換は信号の中にどの周波数成分がどれだけ含まれているかを抽出する処理であるが、FTT解析処理では入力波形をいくつかのグループに分け、計算順序を工夫することにより通常の計算方式よりも大幅に少ない計算量で変換を行うことができる。 FTT analysis (Fast Fourier Transform) is a method of quickly calculating the discrete Fourier transform, which represents a sequence of samples of a digital signal arranged in time series as a set of frequency components, using a computer. The Fourier transform is a process that extracts how much of each frequency component is contained in a signal, but in FTT analysis, the input waveform is divided into several groups, and by devising the calculation order, it is possible to perform the transformation with significantly less calculation effort than with normal calculation methods.
取得した波形データを数式1により求められた通過周波数(Fpass)について、バンドパスフィルタ(BPF)部4を用いてノイズを除去する。振動の波形データについてエンベロープ解析し、ピーク周波数を欠陥周波数とし、欠陥周波数と、欠陥周波数の振幅値(ピーク周波数成分の振幅値)の2つを算出した後、データベース6に保存する。
The acquired waveform data is subjected to noise removal using the band pass filter (BPF)
<軸受の異常の判定について>
図4は本発明の振動データ分析方法におけるピーク周波数の一例を示す概略図である。図5は本発明の振動データ分析方法におけるエンベロープ解析結果の一例を示す概略図である。
本発明の振動データ分析方法は、図3から図7に示すような作業手順で軸受に異常があるかどうかについて判断する。データベース6に保存された固有振動数、欠陥周波数及び振幅値(ピーク周波数成分の振幅値)のデータを用いて、軸受2の異常の有無を判定する。
<How to determine bearing abnormalities>
Fig. 4 is a schematic diagram showing an example of a peak frequency in the vibration data analysis method of the present invention, and Fig. 5 is a schematic diagram showing an example of an envelope analysis result in the vibration data analysis method of the present invention.
The vibration data analysis method of the present invention judges whether or not there is an abnormality in a bearing by the procedure shown in Figures 3 to 7. The presence or absence of an abnormality in the
ピーク周波数(Fpeak)は、データベース6に保存された固有振動数であり、ARMAモデルの周波数応答によって算出されたものである。算出されたピーク周波数(Fpeak)は、軸受2の仕様によって算出した固有振動数(Fn)と比較する。そして比較した差が大きければ軸受2に異常が無いと判定し、比較した差が小さければ、異常有りの可能性があると判定する。そして、エンベロープ解析結果を、以前にデータベース6に保存された欠陥周波数の数値と比較する。
The peak frequency (Fpeak) is a natural frequency stored in
図6は本発明の振動データ分析方法における欠陥周波数の度数分布の一例を示す概略図である。
データベース6に保存された固有振動数、欠陥周波数及び振幅値のデータを用いて軸受2の異常の有無を判定する際に、所定期間に亘って測定した欠陥周波数の標準偏差(σd)が欠陥周波数の平均値(Fave)の5%より小さいときに、軸受2に異常有りの可能性があると判定する。この値が5%以上のときは、軸受2に異常が無いと判定する。標準値を用いることも可能である。
FIG. 6 is a schematic diagram showing an example of a frequency distribution of defect frequencies in the vibration data analysis method of the present invention.
When determining whether or not there is an abnormality in the
図7は本発明の振動データ分析方法における欠陥周波数の振幅値の増加(傾き)の一例を示す概略図である。
データベース6に保存された固有振動数、欠陥周波数、振幅値のデータを用いて軸受2の異常の有無を判定する際に、振幅値(振幅データ)が以前の測定値より増加している傾向にあるか比較する。振幅値が大きく増加している場合は、直近に計測した複数点の振幅値の傾きが、平均傾きより大きく、この場合、軸受2に異常有りの可能性があると判定する。平均傾きより小さいときは、軸受2に異常が無いと判定する。傾きは、最低でも3点を用いて算出することが好ましく、また、振幅値の傾きは、通常の目盛りスケールを利用して算出してもよいし、対数を用いた目盛りスケールにより算出してもよい。
FIG. 7 is a schematic diagram showing an example of an increase (slope) in the amplitude value of a defect frequency in the vibration data analysis method of the present invention.
When determining whether or not there is an abnormality in the
図7には、ピーク周波数成分(欠陥周波数)の振幅値を用いた判定における所定期間として、第1の期間(直近の4日間を除いた期間)と、当該第1の期間よりも直近の第2の期間(直近の4日の期間)とのそれぞれにおいての欠陥周波数の振幅値の傾きを比較した例を示している。傾きは、時間経過に対するピーク周波数成分の振幅値の増大量を直線回帰して算出でき、直近の第2の期間における傾きが第1の期間よりも大きい場合、直近の期間の振幅値が増加している傾向が確認でき、軸受2に異常有りの可能性があると判定することができる。
時間経過に対するピーク周波数成分の振幅値の増大量が大きくなっている傾向の確認には、他の方法を用いることもできる。例えば直線回帰に限らず、曲線回帰によって第1の期間と第2の期間の傾きを比較可能にしてもよいし、前回以前に計測した振幅値と、今回の振幅値との差に相当する数値を記録しておき、その数値が変動する傾向を確認してもよい。
7 shows an example of comparing the slope of the amplitude value of the defect frequency in a first period (a period excluding the most recent four days) and a second period (a period of the most recent four days) that is closer to the first period as a predetermined period in the judgment using the amplitude value of the peak frequency component (defect frequency). The slope can be calculated by linear regression of the increase in the amplitude value of the peak frequency component over time, and if the slope in the most recent second period is larger than the slope in the first period, it can be confirmed that the amplitude value in the most recent period is increasing, and it can be judged that there is a possibility of an abnormality in the
Other methods can be used to check the tendency of the amplitude value of the peak frequency component to increase over time. For example, instead of linear regression, the slopes of the first period and the second period can be compared using curved regression, or a value corresponding to the difference between the amplitude value measured previously and the current amplitude value can be recorded and the tendency of the value to fluctuate can be checked.
データベース6に保存された固有振動数、欠陥周波数及び振幅値のデータを用いて、前記軸受2の異常の有無を判定する際に、波形データを取得した時期から最新値を測定する期間が1週間であってもよい。但し、この期間の1週間は例示であってこれに限定されるものではなく、この1週間より長く設定することも可能である。但し、1週間より短すぎると正確に分析できないおそれがある。この場合、1日に2つ以上の波形データを取得し、1日分として2以上のピーク周波数成分の振幅値を分析対象としてもよい。例えば、一週間を所定期間とする場合において、1日に数時間の間隔を隔てて複数(例えば、3つ)の波形データを取得し、3つのピーク周波数成分の振幅値を取得して異常の有無を判定してもよい。
When determining whether or not there is an abnormality in the
なお、以下のような状況においては、異常の可能性が低いか、又は異常が無いと判定することができる。例えば、データベース6に保存された固有振動数、欠陥周波数及び振幅値のデータを用いて、所定期間に亘って測定した振動の波形データについて、欠陥周波数の標準偏差(σd)が欠陥周波数の平均値(Fave)の5%より大きい場合が例示できる。欠陥周波数の平均値(Fave)に対して一定の数値範囲以内の欠陥周波数となる波形データの数が少ないときも例示できる。直近の期間(第2の期間)の振幅値の増大量が、それ以前の期間(第1の期間)のものより大きくなっている傾向が確認できないときも例示できる。これらの場合、軸受2に異常有りの可能性が低く、異常が無いと判定してもよい。
またデータベース6へ固有振動数、欠陥周波数及び振幅値のデータを保存するタイミングは、振動の波形データを取得した日や取得したタイミングにおいて必ずしも実施する必要はない。データベース6には、取得した振動の波形データを記憶しておけばよく、複数の波形データについての固有振動数や振幅値などのデータを、まとめて算出してもよい。
In the following situations, it may be determined that the possibility of an abnormality is low or that there is no abnormality. For example, a case may be exemplified where, for vibration waveform data measured over a predetermined period using data on natural frequencies, defect frequencies, and amplitude values stored in the
The timing for storing the data on the natural frequency, defect frequency and amplitude value in the
なお、本発明は、回転機器のノイズが大きい軸受の場合であっても、軸受に欠陥に起因する振動を抽出できるため、欠陥発生直後に異常診断することができれば、上述した発明の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment of the invention, and can of course be modified in various ways without departing from the spirit of the invention, as long as it is possible to extract vibrations caused by defects in the bearings, even in the case of bearings that generate a lot of noise from rotating equipment, and it is possible to perform an abnormality diagnosis immediately after the defect occurs.
本発明は、発電機、ポンプ、ファン等の回転機器に備えられる軸受の異常の診断に利用することができる。 The present invention can be used to diagnose abnormalities in bearings installed in rotating equipment such as generators, pumps, and fans.
1 加速度センサ
2 軸受
3 ARMAモデル推定部
4 バンドパスフィルタ(BPF)部
5 エンベロープ処理部
6 データベース
7 異常判定部
8 BPF変更判定部
REFERENCE SIGNS
Claims (4)
前記軸受で発生した振動の波形データを、加速度センサを用いて取得し、
前記加速度センサにより取得した前記振動の波形データについて、自己回帰モデルと移動平均モデルとを用いたARMAモデルの推定を行い、その推定された前記ARMAモデルの周波数応答を算出し、
算出された前記ARMAモデルの周波数応答のピーク周波数に基づいて、特定の周波数帯のみを抽出するバンドパスフィルタの通過周波数を決定し、この決定した前記通過周波数を用いて、前記加速度センサにより取得した前記振動の波形データのノイズを除去し、
ノイズが除去された前記振動の波形データについてエンベロープ解析し、エンベロープ解析で得られたピーク周波数成分の振幅値を算出し、
所定期間に亘って測定した前記振動の波形データについて算出される前記ピーク周波数成分の振幅値を用いて、時間経過に対する前記ピーク周波数成分の振幅値の増大量が大きくなっている傾向が確認できる場合に、前記軸受に異常有りの可能性があると判定する、ことを特徴とする回転機器の振動データ分析方法。 A method for analyzing vibration data of a rotating device for analyzing the presence or absence of an abnormality in a bearing provided in the rotating device, comprising:
Obtaining waveform data of vibrations generated in the bearing using an acceleration sensor;
An ARMA model is estimated using an autoregressive model and a moving average model for the waveform data of the vibration acquired by the acceleration sensor, and a frequency response of the estimated ARMA model is calculated;
determining a pass frequency of a band pass filter that extracts only a specific frequency band based on the calculated peak frequency of the frequency response of the ARMA model, and removing noise from the waveform data of the vibration acquired by the acceleration sensor using the determined pass frequency;
performing an envelope analysis on the vibration waveform data from which noise has been removed, and calculating an amplitude value of a peak frequency component obtained by the envelope analysis;
a method for analyzing vibration data of a rotating machine, comprising: using the amplitude value of the peak frequency component calculated from the vibration waveform data measured over a predetermined period, determining that there is a possibility of an abnormality in the bearing if a tendency for an increase in the amplitude value of the peak frequency component over time to be increasing can be confirmed.
前記軸受で発生した振動の波形データを取得する加速度センサと、
前記加速度センサにより取得した前記振動の波形データについて、自己回帰モデルと移動平均モデルとを用いたARMAモデルの推定を行い、その推定された前記ARMAモデルの周波数応答を算出するARMAモデル推定部と、
算出された前記ARMAモデルの周波数応答のピーク周波数に基づいて、特定の周波数帯のみを抽出するバンドパスフィルタの通過周波数を決定し、前記加速度センサにより取得した前記振動の波形データについて、前記通過周波数を用いてノイズを除去するバンドパスフィルタ部と、
前記バンドパスフィルタ部によりノイズが除去された前記振動の波形データについてエンベロープ解析を行い、エンベロープ解析で得られたピーク周波数成分の振幅値を算出するエンベロープ処理部と、
所定期間に亘って測定した前記振動の波形データについて前記エンベロープ処理部において算出される前記ピーク周波数成分の振幅値を用いて、時間経過に対する前記ピーク周波数成分の振幅値の増大量が大きくなっている傾向が確認できる場合に、前記軸受に異常有りの可能性があると判定する異常判定部と、を備えた、ことを特徴とする回転機器の振動データ分析システム。
A vibration data analysis system for a rotating device that analyzes the presence or absence of an abnormality in a bearing provided in the rotating device, comprising:
an acceleration sensor for acquiring waveform data of vibrations generated in the bearing;
an ARMA model estimation unit that estimates an ARMA model using an autoregressive model and a moving average model for the vibration waveform data acquired by the acceleration sensor, and calculates a frequency response of the estimated ARMA model;
a band-pass filter unit that determines a pass frequency of a band-pass filter that extracts only a specific frequency band based on the calculated peak frequency of the frequency response of the ARMA model, and removes noise from the waveform data of the vibration acquired by the acceleration sensor using the pass frequency;
an envelope processing unit that performs an envelope analysis on the vibration waveform data from which noise has been removed by the band pass filter unit, and calculates an amplitude value of a peak frequency component obtained by the envelope analysis;
and an abnormality determination unit that determines that there is a possibility of an abnormality in the bearing when a tendency for an increase in the amplitude value of the peak frequency component over time to be increasing can be confirmed using the amplitude value of the peak frequency component calculated in the envelope processing unit for the vibration waveform data measured over a predetermined period.
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