JP7779744B2 - 振動監視装置、過給機、及び振動監視方法 - Google Patents

Description

本開示は、振動監視装置、過給機、及び振動監視方法に関する。

特許文献１には、非接触型変位計によって検出される信号を回転軸の回転パルス信号と回転軸の軸振動波形信号とに分離する技術が開示されている。

特開平７－２５３４９３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、変位計から検出された回転軸の回転信号の生波形データを時系列データとして保存し、この保存された時系列データを時系列データから算出した閾値と比較することにより回転パルス信号と軸振動波形信号とに分離している。このため、回転軸の振動をリアルタイムに評価できておらず、回転軸の回転数の変化が大きい場合には回転軸の振動の評価が遅れる虞がある。

本開示は、上述の課題に鑑みてなされたものであって、回転軸の回転信号から回転軸の振動をリアルタイムに評価することができる振動監視装置、及び監視方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示に係る振動監視装置は、回転軸の回転に同期した回転信号を出力する回転センサと、前記回転センサから前記回転信号が出力されると、前記回転信号のうち予め設定された限界値以上の部分を前記限界値に置き換え、前記回転信号のうち前記限界値未満の部分を前記回転信号のままとするカット回転信号を生成するカット回転信号生成部と、前記カット回転信号を、前記限界値に近づくようにオフセットしたオフセット回転信号を生成するオフセット回転信号生成部と、前記オフセット回転信号のうち前記回転軸の回転数に基づいて設定される通過帯域の信号を前記回転軸の振動情報を取得可能な振動信号として抽出する第１フィルタと、を備える。

上記目的を達成するため、本開示に係る振動監視方法は、
回転軸の回転に同期した回転信号を出力するステップと、
前記回転信号が出力されると、前記回転信号のうち予め設定された限界値以上の部分を前記限界値に置き換え、前記回転信号のうち前記限界値未満の部分を前記回転信号のままとするカット回転信号を生成するステップと、
前記カット回転信号を、前記限界値に近づくようにオフセットしたオフセット回転信号を生成するステップと、
前記オフセット回転信号のうち前記回転軸の回転数に基づいて設定される通過帯域の信号を前記回転軸の振動情報を取得可能な振動信号として抽出するステップと、を備える。

本開示の振動監視装置及び振動監視方法によれば、回転軸の回転信号から回転軸の振動をリアルタイムに評価することができる。

第１実施形態に係る振動監視装置を適用した過給機の構成を概略的に示す図である。 第１実施形態に係るマーカ部の構成を概略的に示す図である。 第１実施形態に係る回転センサが出力する回転信号の波形図である。 第１実施形態に係る処理装置の概略的な機能ブロック図である。 第１実施形態に係るカット回転信号の波形図である。 第１実施形態に係るオフセット回転信号の波形図である。 第１実施形態に係る出力装置の概略的な機能ブロック図である。 第１実施形態に係る第１フィルタの特性表を示す図である。 第１実施形態に係る振動信号の波形図である。 第２実施形態に係る処理装置の概略的な機能ブロック図である。 第２実施形態に係る平均値を説明するための図である。 第３実施形態に係る振動監視装置の構成を概略的に示す図である。 第４実施形態に係る振動監視装置の構成を概略的に示す図である。 第４実施形態に係る後処理装置の概略的な機能ブロック図である。 第５実施形態に係る振動監視装置の構成を概略的に示す図である。 第５実施形態に係る振動波形復元部の動作を説明するための図である。 本開示に係る振動監視方法のフローチャートである。

以下、本開示の実施の形態による振動監視装置、過給機、及び振動監視方法について、図面に基づいて説明する。かかる実施の形態は、本開示の一態様を示すものであり、この開示を限定するものではなく、本開示の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。

＜第１実施形態＞
（過給機の構成）
図１は、第１実施形態に係る振動監視装置１を適用した過給機１００の構成を概略的に示す図である。過給機１００は、特に限定されないが、例えば、船舶に搭載され、エンジンの吸気を過給するための排気ターボ過給機である。本開示では、この排気ターボ過給機を例にして説明する。

図１に例示するように、過給機１００は、回転軸１０２と、圧縮機１０４と、タービン１０６と、第１実施形態に係る振動監視装置１と、を備える。回転軸１０２の軸線Ｏ方向における一端部（図１において左端部）には、圧縮機１０４が設けられている。回転軸１０２の軸線Ｏ方向における他端部（図１において右端部）には、タービン１０６が設けられている。回転軸１０２は、圧縮機１０４とタービン１０６とを連結している。

圧縮機１０４は、吸気を圧縮して不図示のエンジンに供給する。タービン１０６は、エンジンから排出された排ガスがタービン１０６を通過する際に、排ガスのエネルギをタービン１０６の回転エネルギに変換する。そして、回転軸１０２は、タービン１０６の回転とともに軸線Ｏを中心として回転する。圧縮機１０４は、回転軸１０２が回転することで駆動する。

第１実施形態では、図１に例示するように、回転軸１０２は、後述する回転信号Ａがパルス波形を有するように構成されるマーカ部１０８を含む。マーカ部１０８は、軸線Ｏ方向において、圧縮機１０４とタービン１０６との間に設けられている。マーカ部１０８は、軸線Ｏ方向において、圧縮機１０４とタービン１０６との間のうちタービン１０６側に設けられている。幾つかの実施形態では、マーカ部１０８は、軸線Ｏ方向において、圧縮機１０４より回転軸１０２の一端側に設けられる。

マーカ部１０８の構成例について説明する。図２は、第１実施形態に係るマーカ部１０８の構成を概略的に示す図である。図２に例示する形態では、回転軸１０２は、内側回転体１１０と、外側回転体１１２と、を含む。回転軸１０２の内側回転体１１０は、タービン１０６の回転とともに軸線Ｏを中心として回転する。外側回転体１１２は、内側回転体１１０が嵌め込まれる孔１１４が形成されている。言い換えると、外側回転体１１２は、内側回転体１１０の外周面を覆うように、内側回転体１１０に取り付けられている。外側回転体１１２は、孔１１４に嵌め込まれている内側回転体１１０が回転するとともに回転する。外側回転体１１２は、外周面１１６に形成される溝１１８を含む。溝１１８が非形成であるとき、外側回転体１１２の外周面１１６は円形状を有している。溝１１８は、この円形状の外周面１１６の一部１１７から軸線Ｏに向かって切り欠くことで形成される。図２に例示する形態では、外側回転体１１２は１つの溝１１８を含んでいる。このような外側回転体１１２がマーカ部１０８に相当する。幾つかの実施形態では、外側回転体１１２は複数の溝１１８を含む。幾つかの実施形態では、外側回転体１１２は２つの溝１１８を含み、一方の溝１１８は、軸線Ｏを挟んで他方の溝１１８とは反対側に位置している。外側回転体１１２は、軸線Ｏを中心として左右対称となるように、２つの溝１１８が形成されている。

尚、マーカ部１０８は、回転信号Ａがパルス波形を有するように構成されるのであれば、図２に例示する形態に限定されない。例えば、マーカ部１０８（外側回転体１１２）は、溝１１８に代わり、外周面１１６の一部１１７より径方向外側に向かって突出する突出部を含んでもよい。

（第１実施形態に係る振動監視装置の構成）
図１に戻り、振動監視装置１の構成について説明する。図１に例示するように、振動監視装置１は、回転センサ２と、カット回転信号生成部４と、オフセット回転信号生成部６と、第１フィルタ８と、を含む。

回転センサ２は、回転軸１０２の回転に同期した回転信号Ａを出力する。回転センサ２は、図２に示すように、回転軸１０２の外周面１１６に渦電流を発生させることで回転軸１０２の外周面１１６までの距離ｄを回転信号Ａとして検出する渦電流式変位センサである。より具体的には、この回転センサ２は、高周波磁束を発生するコイルにより構成され、該コイルから発生した高周波磁束によって、ターゲット（測定対象）である回転軸１０２の外周面１１６に発生する渦電流の変化をコイルのインピーダンスの変化として検出する。即ち、回転センサ２は、回転軸１０２の回転に伴う距離ｄの変化をコイルのインピーダンスの変化として検出するもので、回転軸１０２の外周面１１６が最も回転センサ２に接近する際に最大の出力が得られる構成となっている。

尚、回転センサ２は、渦電流式変位センサに限定されない。幾つかの実施形態では、回転センサ２は、レーザー光を照射するレーザーヘッドを備え、該レーザーヘッドから回転軸１０２の外周面１１６にレーザー光を照射して、このレーザー光の反射光によりレーザーヘッドから回転軸１０２の外周面１１６までの距離を検出するレーザー式変位センサである。

図３は、第１実施形態に係る回転センサ２が出力する回転信号Ａの波形図である。第１実施形態では、回転センサ２は回転信号Ａを電圧値として出力している。図３に示すように、回転信号Ａは、上述した回転軸１０２のマーカ部１０８（外側回転体１１２）が溝１１８を含んでいるので、回転軸１０２の回転に伴って形成されるパルス波形を有する。即ち、回転軸１０２の回転中において、回転センサ２と溝１１８とが互いに対向する際に変位が大きくなる。一方で、回転軸１０２の回転中において、回転センサ２と溝１１８とが互いに対向していない際には、変位は小さい。第１実施形態では、マーカ部１０８は１つの溝１１８を有しているので、回転軸１０２の１回転中に１つのパルス（波形の変位が大きい部分１２０）が出現している。

第１実施形態では、図１に例示するように、振動監視装置１は、カット回転信号生成部４とオフセット回転信号生成部６とを有する処理装置３と、出力装置７と、を含んでいる。

処理装置３及び出力装置７のそれぞれは、電子制御装置などのコンピュータであって、図示しないＣＰＵやＧＰＵといったプロセッサ、ＲＯＭやＲＡＭといったメモリ、及びＩ／Ｏインターフェイスなどを備える。処理装置３及び出力装置７のそれぞれは、メモリにロードされたプログラムの命令に従ってプロセッサが動作（演算等）することで、処理装置３及び出力装置７のそれぞれが備える各機能部を実現する。幾つかの実施形態では、処理装置３及び出力装置７のうちの少なくとも一方は、クラウド環境に設けられたクラウドサーバである。尚、第１実施形態では、カット回転信号生成部４及びオフセット回転信号生成部６のそれぞれは、共通の処理装置３に設けられているが、本開示はこの構成に限定されない。幾つかの実施形態では、カット回転信号生成部４及びオフセット回転信号生成部６のそれぞれは、互いに別の処理装置３に設けられる。

処理装置３及び出力装置７のそれぞれは、回転センサ２と電気的に接続されており、回転センサ２から出力される回転信号Ａを取得できるようになっている。

処理装置３が備えるカット回転信号生成部４及びオフセット回転信号生成部６のそれぞれについて説明する。図４は、第１実施形態に係る処理装置３の概略的な機能ブロック図である。図５は、第１実施形態に係るカット回転信号Ｂの波形図である。図６は、第１実施形態に係るオフセット回転信号Ｃの波形図である。

カット回転信号生成部４は、回転センサ２から回転信号Ａが出力されると、回転信号Ａのうち予め設定された限界値Ｖｕ以上の部分を限界値Ｖｕ（上限値）に置き換え、回転信号Ａのうち限界値Ｖｕ未満の部分を回転信号Ａのままとするカット回転信号Ｂを生成する。

第１実施形態では、図４に例示するように、カット回転信号生成部４は、回転センサ２から出力された回転信号Ａを受信する。そして、図５に例示するように、カット回転信号生成部４は、受信した回転信号Ａのうち限界値Ｖｕ以上の部分（図５における点線部分）を限界値Ｖｕに置き換える。さらに、カット回転信号生成部４は、受信した回転信号Ａのうち限界値Ｖｕ未満の部分を回転信号Ａのままとすることで、カット回転信号Ｂを生成する。

限界値Ｖｕについて説明する。限界値Ｖｕは回転信号Ａの最大値より小さい値である。限界値Ｖｕは、回転軸１０２とこの回転軸１０２を軸受けする軸受との間の隙間の大きさ、より具体的には外側回転体１１２の外周面１１６と軸受の軸受面との間の隙間の大きさ、を電圧値に換算したものであって、例えば、１０Ｖである。このような限界値Ｖｕを設定しておくことで、回転軸２が隙間以上の大きさで振動し軸受と接触している場合において、カット回転信号Ｂから回転軸１０２の軸振動成分がカットされることを防止できる。

幾つかの実施形態では、カット回転信号生成部４は、回転センサ２から回転信号Ａが出力されると、回転信号Ａのうち予め設定された上限値以上の部分を上限値に置き換え、且つ、回転信号Ａのうち予め設定された下限値以下の部分を下限値に置き換える。そして、カット回転信号生成部４は、回転信号Ａのうち上限値未満、且つ下限値より大きい部分を回転信号Ａのままとするカット回転信号Ｂを生成する。

オフセット回転信号生成部６は、カット回転信号Ｂを、限界値Ｖｕに近づくようにオフセットしたオフセット回転信号Ｃを生成する。

第１実施形態では、図４に例示するように、オフセット回転信号生成部６は、カット回転信号生成部４から出力されたカット回転信号Ｂを受信する。そして、図６に例示するように、オフセット回転信号生成部６は、受信したカット回転信号Ｂを予め設定されたオフセット量の分だけ限界値Ｖｕに近づくようにオフセットする。オフセット量は、予め決められている固定値であってもよいし、所定の方法によって算出される算出値であってもよい。さらに、オフセット回転信号生成部６は、カット回転信号Ｂのオフセットにより、オフセット後のカット回転信号Ｂのうち限界値Ｖｕ以上の部分を限界値Ｖｕに置き換えることで、オフセット回転信号Ｃを生成する。

出力装置７について説明する。出力装置７は、回転信号Ａから算出される回転軸１０２の回転数Ｄに対応するフィルタ指令値Ｅを出力する。図７は、第１実施形態に係る出力装置７の概略的な機能ブロック図である。図７に例示するように、出力装置７は、カウンタ部１２２と、表示部１２４と、フィルタ指令値出力部１２６と、を含む。

カウンタ部１２２は、回転センサ２から出力された回転信号Ａを受信する。そして、カウンタ部１２２は、単位時間当たりにおける回転信号Ａに含まれるパルスの回数をカウントし、回転軸１０２の回転数Ｄを算出する。表示部１２４は、カウンタ部１２２が算出した回転軸１０２の回転数Ｄを、モニタのような表示装置に表示させる。尚、表示装置は、出力装置７に含まれてもよいし、出力装置７とは別体に設けられてもよい。

フィルタ指令値出力部１２６は、カウンタ部１２２が算出した回転軸１０２の回転数Ｄに対応するフィルタ指令値Ｅを出力する。第１実施形態では、フィルタ指令値Ｅは、回転軸１０２の回転数Ｄを予め設定されている変換方法で変換した電圧値である。この変換方法は、後述する第１フィルタ８の特性に基づいて設定される。第１実施形態では、回転軸１０２の回転数Ｄが大きくなると、フィルタ指令値Ｅ（電圧値）も大きくなる。幾つかの実施形態では、回転軸１０２の回転数Ｄとフィルタ指令値Ｅとは互いに比例する。幾つかの実施形態では、フィルタ指令値Ｅは、回転軸１０２の回転数Ｄを予め設定されている変換方法で変換した電圧値である。

第１フィルタ８は、オフセット回転信号Ｃのうち回転軸１０２の回転数Ｄに基づいて設定される通過帯域の信号を回転軸１０２の振動情報を取得可能な振動信号Ｆとして抽出する。

第１実施形態では、図１に例示するように、第１フィルタ８は、処理装置３及び出力装置７のそれぞれと電気的に接続されており、処理装置３から出力されるオフセット回転信号Ｃと出力装置７から出力されるフィルタ指令値Ｅとのそれぞれを取得できるようになっている。そして、第１フィルタ８は、オフセット回転信号Ｃとフィルタ指令値Ｅとが入力されることで、振動信号Ｆを出力（抽出）する。この振動信号Ｆは、回転軸１０２の振動情報を取得可能な信号である。振動情報は、例えば、振動数、振動の大きさ、または振動の速度などである。

第１フィルタ８は、フィルタ指令値Ｅ（電圧値）に応じて第１遮断周波数Ｐ１が設定されるように構成されている。第１フィルタ８は、処理装置３が出力したオフセット回転信号Ｃのうち、第１遮断周波数Ｐ１よりも小さいオフセット回転信号Ｃを通過させ、第１遮断周波数Ｐ１以上のオフセット回転信号Ｃを遮断する。つまり第１フィルタ８は、ローパスフィルタである。第１フィルタ８は、この第１遮断周波数Ｐ１よりも小さいオフセット回転信号Ｃを振動信号Ｆとして抽出する。このように、第１フィルタ８における信号の通過帯域（第１遮断周波数Ｐ１よりも小さい周波数帯）は、フィルタ指令値Ｅに応じて設定される。第１フィルタ８は、オフセット回転信号Ｃからフィルタ指令値Ｅに応じて設定される通過帯域の信号を振動信号Ｆとして抽出する。

ここで、第１遮断周波数Ｐ１の設定について説明する。図８は、第１実施形態に係る第１フィルタ８の特性表を示す図である。図８において、横軸は対数目盛で示された周波数であり、縦軸はデシベル値を示している。図８において、電圧値（フィルタ指令値Ｅ）が０．０１Ｖである場合の第１フィルタ８の特性をＶ１、電圧値が０．１Ｖである場合の第１フィルタ８の特性をＶ２、電圧値が１Ｖである場合の第１フィルタ８の特性をＶ３、電圧値が１０Ｖである場合の第１フィルタ８の特性をＶ４で示している。

デシベル値は信号強度に相当し、デシベル値が０未満である場合、第１フィルタ８が抽出する振動信号Ｆは減衰している。図８に示すように、各電圧値（Ｖ１～Ｖ４）において、周波数が大きくなるほどデシベル値が減少しており、振動信号Ｆの減衰率が大きくなっている。より具体的には、第１フィルタ８に入力される電圧値が０．１Ｖである場合（図８におけるＶ２）、第１フィルタ８に入力されるオフセット回転信号Ｃのうち、１ｋＨｚ以上のオフセット回転信号Ｃを遮断することで振動信号Ｆを抽出する。第１実施形態では、第１フィルタ８は、デシベル値が０となるように第１遮断周波数Ｐ１を設定する。例えば、第１フィルタ８は、電圧値が０．１Ｖである場合、第１遮断周波数を１ｋＨｚに設定する。

図９は、第１実施形態に係る振動信号Ｆの波形図である。図９に示すように、オフセット回転信号Ｃから第１遮断周波数Ｐ１よりも小さいオフセット回転信号Ｃ（振動信号Ｆ）を抽出すると、回転軸１０２の振動によって発生する正味の実振動信号Ｚの波形と類似する。

（第１実施形態に係る振動監視装置の作用・効果）
第１実施形態によれば、回転センサ２から回転信号Ａが出力されると、オフセット回転信号Ｃが生成され、このオフセット回転信号Ｃから振動信号Ｆがリアルタイムに抽出される。このため、回転軸１０２の回転信号Ａから回転軸１０２の振動をリアルタイムに評価することができる。さらに、カット回転信号Ｂは、回転信号Ａのうち限界値Ｖｕ以上の部分が限界値Ｖｕに置き換えられている。このため、第１フィルタ８による振動信号Ｆの抽出において、回転信号Ａのパルスの影響を抑制することができる。

第１実施形態によれば、限界値Ｖｕは回転信号Ａの最大値より小さいので、回転信号Ａのうち限界値Ｖｕ以上の部分を限界値Ｖｕに置き換えたカット回転信号Ｂを生成するのが容易となり、回転信号Ａのパルスの影響を抑制する効果を高めることができる。

第１実施形態によれば、第１フィルタ８の通過帯域を回転軸１０２の回転数Ｄに応じて適切に設定することにより、回転軸１０２の回転に同期した回転信号Ａから回転軸１０２の振動の評価に適した通過帯域の振動信号Ｆを抽出することができる（図９参照）。

第１実施形態によれば、過給機１００の回転軸１０２の回転信号Ａから過給機１００の回転軸１０２の振動をリアルタイムに評価可能な過給機１００を提供することができる。第１実施形態によれば、回転軸１０２の外側回転体１１２の外周面１１６に１つの溝１１８が形成されている回転軸１０２の振動をリアルタイムに評価することができる。

尚、第１実施形態では、第１フィルタ８の通過帯域はフィルタ指令値Ｅに応じて設定されていたが、第１フィルタ８の通過帯域が回転軸１０２の回転数Ｄに基づいて設定されるのであれば、本開示はこの形態に限定するものではない。

＜第２実施形態＞
本開示の第２実施形態に係る振動監視装置１について説明する。第２実施形態は、処理装置３が平均値算出部１０をさらに備えている点で第１実施形態とは異なるが、それ以外の構成は第１実施形態で説明した構成と同じである。第２実施形態において、第１実施形態の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

（第２実施形態に係る振動監視装置の構成）
図１０は、第２実施形態に係る処理装置３の概略的な機能ブロック図である。図１０に例示するように、処理装置３は平均値算出部１０をさらに備える。

平均値算出部１０は、回転軸１０２の回転中にリアルタイムにカット回転信号Ｂの大きさの平均値Ｇを算出する。第２実施形態では、図１０に例示するように、カット回転信号生成部４から出力されるカット回転信号Ｂを受信する。そして、図１１に例示するように、平均値算出部１０は、移動平均法によって、特定の区間におけるカット回転信号Ｂの大きさの平均値Ｇを算出する。特定の区間は、例えば、パルス（図１１において、点線で示すカット回転信号Ｂの波形の変位が大きい部分１２０）が出現したタイミングｔ１とこのパルスの１つ前のパルスが出現したタイミングｔ２との間の時間である。平均値算出部１０は、タイミングｔ１において、タイミングｔ２からタイミングｔ１におけるカット回転信号Ｂの大きさの平均値Ｇを算出する。尚、図１１に例示する形態では、回転軸１０２の回転数の変化が無い、もしくは非常に小さいため、平均値Ｇは一定の値となっている。尚、平均値算出部１０による平均値Ｇの算出方法は、移動平均法に限定されない。

オフセット回転信号生成部６は、カット回転信号生成部４から受信したカット回転信号Ｂを、限界値Ｖｕから平均値Ｇを差し引いた分だけ限界値Ｖｕに近づくようにオフセットしたオフセット回転信号Ｃを生成する。つまり、第２実施形態では、オフセット回転信号生成部６は、回転軸１０２の回転数の変化に対応するように、カット回転信号Ｂをオフセットするオフセット量を算出している。

（第２実施形態に係る振動監視装置の作用・効果）
第２実施形態によれば、カット回転信号Ｂをオフセットする大きさ（オフセット量）は、回転軸１０２の回転中にリアルタイムに算出されるカット回転信号Ｂの平均値Ｇに対応しているので、回転軸１０２の振動をリアルタイムに評価することができる。さらに、カット回転信号Ｂをオフセットする大きさが固定値である場合と比較して、より正確に回転軸１０２の振動を評価することができる。

＜第３実施形態＞
本開示の第３実施形態に係る振動監視装置１について説明する。第３実施形態は、第２フィルタ１２をさらに備えている点で第２実施形態とは異なるが、それ以外の構成は第２実施形態で説明した構成と同じである。第３実施形態において、第２実施形態の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。幾つかの実施形態では、振動監視装置１は、第１実施形態に係る振動監視装置１に第２フィルタ１２を付加したものである。

（第３実施形態に係る振動監視装置の作用・効果）
図１２は、第３実施形態に係る振動監視装置１の構成を概略的に示す図である。図１２に例示するように、振動監視装置１は、第２フィルタ１２をさらに備える。

図１２に例示する形態では、第２フィルタ１２は、第１フィルタ８と電気的に接続されており、第１フィルタ８から出力（抽出）された振動信号Ｆが入力される。第２フィルタ１２は、振動信号Ｆが入力されることで、振動信号Ｆのうち予め設定された第２遮断周波数Ｐ２よりも大きい振動信号Ｆ（以下、この振動信号Ｆを「整形済の振動信号Ｆ１」とする）を抽出する。つまり、第２フィルタ１２はハイパスフィルタである。第２遮断周波数Ｐ２は、第１遮断周波数Ｐ１よりも小さい。第２遮断周波数Ｐ２は、固定値であってもよい。第２遮断周波数Ｐ２は、１０Ｈｚ未満である。

（第３実施形態に係る振動監視装置の作用・効果）
振動信号Ｆのうち第２遮断周波数Ｐ２より小さい振動信号Ｆには、回転軸１０２の振動情報以外の情報がふくまれていることがある。特に、第２遮断周波数Ｐ２を１０Ｈｚ未満とすることで、回転軸１０２の回転同期振動の影響、他機器における外乱の影響を除去できる。第３実施形態によれば、第２フィルタ１２は、振動信号Ｆのうち第２遮断周波数Ｐ２よりも大きい信号を整形済の振動信号Ｆ１として抽出するので、振動監視装置１の監視精度を高めることができる。

＜第４実施形態＞
本開示の第４実施形態に係る振動監視装置１について説明する。第４実施形態は、記憶部１４、及び振動測定部１６をさらに備えている点で第３実施形態とは異なるが、それ以外の構成は第３実施形態で説明した構成と同じである。第４実施形態において、第３実施形態の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。幾つかの実施形態では、振動監視装置１は、第１実施形態に係る振動監視装置１、又は第２実施形態に係る振動監視装置１に記憶部１４及び振動測定部１６を付加したものである。

図１３は、第４実施形態に係る振動監視装置１の構成を概略的に示す図である。図１３に例示するように、振動監視装置１は、記憶部１４と振動測定部１６とを有する後処理装置１５を含んでいる。後処理装置１５は、第２フィルタ１２と電気的に接続されており、第２フィルタ１２から出力される整形済の振動信号Ｆ１を取得できるようになっている。

このような後処理装置１５は、上述した処理装置３及び出力装置７と同様に、電子制御装置などのコンピュータであって、図示しないＣＰＵやＧＰＵといったプロセッサ、ＲＯＭやＲＡＭといったメモリ、及びＩ／Ｏインターフェイスなどを備える。後処理装置１５は、メモリにロードされたプログラムの命令に従ってプロセッサが動作（演算等）することで、後処理装置１５が備える各機能部（記憶部１４、及び振動測定部１６）を実現する。幾つかの実施形態では、後処理装置１５は、クラウド環境に設けられたクラウドサーバである。尚、第４実施形態では、後処理装置１５は、処理装置３及び出力装置７とは別に設けられているが、本開示はこの形態に限定されない。幾つかの実施形態では、処理装置３が記憶部１４と振動測定部１６とを有する。

図１４は、第４実施形態に係る後処理装置１５の概略的な機能ブロック図である。記憶部１４は、回転軸１０２の第１回転数における整形済の第１振動信号Ｆ１１（Ｆ１）を記憶する。第１回転数は３０ｒｐｍ以下である。振動測定部１６は、第２フィルタ１２から第１回転数より大きい第２回転数における第２振動信号Ｆ１２（Ｆ１）を受信すると、記憶部１４から第１振動信号Ｆ１１を取得する。そして、振動測定部１６は、第２振動信号Ｆ１２から整形済の第１振動信号Ｆ１１を差し引く。尚、第４実施形態では、記憶部１４は整形済の第１振動信号Ｆ１１を記憶していたが、本開示はこの形態に限定されない。幾つかの実施形態では、記憶部１４は第２フィルタ１２による整形前の振動信号Ｆを記憶する。

（第４実施形態に係る振動監視装置の作用・効果）
回転軸１０２が３０ｒｐｍ以下で回転していると、この回転によって発生する振動は非常に小さい。このため、回転軸が３０ｒｐｍ以下で回転している場合に抽出される整形済の第１振動信号Ｆ１１は、回転軸１０２の振動情報が含まれない波形を形成するとみなすことができる。つまりは、第１振動信号Ｆ１の波形は、主に回転軸１０２の外周形状によって形成されている。第４実施形態によれば、第２回転数における第２振動信号Ｆ１２から第１回転数における整形済の振動信号Ｆ１１を差し引くことで、回転軸１０２の振動が主として形成する波形の振動信号Ｆ２を抽出（取得）することができる。

＜第５実施形態＞
（第５実施形態に係る振動監視装置の構成）
本開示の第５実施形態に係る振動監視装置５０について説明する。図１５は、第５実施形態に係る振動監視装置５０の構成を概略的に示す図である。図１６は、振動波形復元部５６の動作を説明するための図である。図１５に例示するように、振動監視装置５０は、回転センサ５２と、検知部５４と、振動波形復元部５６と、を備える。第５実施形態に係る回転センサ５２は、第１実施形態で説明した回転センサ２と同じ構成であるため、その説明は省略する。

第５実施形態では、図１５に例示するように、振動監視装置５０は、検知部５４と振動波形復元部５６とを含む復元装置５１を備える。復元装置５１は、回転センサ２と電気的に接続されており、回転センサ２から出力される回転信号Ａを取得できるようになっている。このような復元装置５１は、電子制御装置などのコンピュータであって、図示しないＣＰＵやＧＰＵといったプロセッサ、ＲＯＭやＲＡＭといったメモリ、及びＩ／Ｏインターフェイスなどを備える。復元装置５１は、メモリにロードされたプログラムの命令に従ってプロセッサが動作（演算等）することで、復元装置５１が備える各機能部（検知部５４及び振動波形復元部５６）を実現する。幾つかの実施形態では、復元装置５１は、クラウド環境に設けられたクラウドサーバである。

検知部５４は、回転信号Ａのパルスが発生するタイミング（以下、パルス発生タイミングｔ３とする）を検知する。検知部５４は、回転センサ５２から出力される回転信号Ａを連続的に受信している。パルス発生タイミングｔ３は、回転信号Ａの波形の変位が大きくなった（電圧値の変化量が所定量を超えた）タイミングである。

振動波形復元部５６は、図１６の（ａ）に示すように、回転センサ５２から出力される回転信号Ａを連続的に受信している。そして、図１６の（ｂ）に示すように、振動波形復元部５６は、検知部５４がパルス発生タイミングｔ３を検知すると、パルス発生タイミングｔ３の直前の回転信号Ａの１つの波形Ｘ１を取得する。そして、振動波形復元部５６は、直前の回転信号Ａのパルスを含む１つの波形Ｘ１の前半部分Ｘ１１を１つの波形Ｘ１の後半部分Ｘ１２の逆位相に置き換えることで回転軸１０２の振動波形として復元する。具体的には、振動波形復元部５６は、図１６の（ｃ）に示すように、波形Ｘ１の前半部分Ｘ１１を削除する。そして、図１６の（ｄ）に示すように、波形Ｘ１の後半部分Ｘ１２の前端５８に、波形Ｘ１の後半部分Ｘ１２の逆位相である逆位相波形Ｘ１３の後端６０を接続させる。振動波形復元部５６は、上述した図１６の（ａ）～（ｄ）の動作を、検知部５４がパルス発生タイミングｔ３を検知する度に実施する。

（第５実施形態に係る振動監視装置の作用・効果）
第５実施形態によれば、検知部５４によって回転信号Ａのパルスが検知されると、振動波形復元部５６によって回転軸１０２の振動波形が復元される。このため、回転軸１０２の回転信号Ａから回転軸１０２の振動をリアルタイムに評価することができる。

（振動監視方法）
図１７は、本開示に係る振動監視方法のフローチャートである。図１７に示すように、振動監視方法は、回転信号出力ステップＳ２と、カット回転信号生成ステップＳ４と、オフセット回転信号生成ステップＳ６と、抽出ステップＳ８と、を備える。

回転信号出力ステップＳ２では、回転軸１０２の回転に同期した回転信号Ａを出力する。カット回転信号生成ステップＳ４では、回転信号Ａが出力されると、回転信号Ａのうち予め設定された限界値Ｖｕ以上の部分を限界値Ｖｕに置き換え、回転信号Ａのうち限界値Ｖｕ未満の部分を回転信号Ａのままとするカット回転信号Ｂを生成する。オフセット回転信号生成ステップＳ６では、カット回転信号Ｂを、限界値Ｖｕに近づくようにオフセットしたオフセット回転信号Ｃを生成する。抽出ステップＳ８では、オフセット回転信号Ｃのうち回転軸１０２の回転数Ｄに基づいて設定される通過帯域の信号を回転軸１０２の振動情報を取得可能な振動信号Ｆとして抽出する。

図１７に例示する形態では、振動監視方法は、平均値算出ステップＳ１０をさらに備える。平均値算出ステップＳ１０では、回転軸１０２の回転中にリアルタイムにカット回転信号Ｂの大きさの平均値Ｇを算出する。そして、上述したオフセット回転信号生成ステップＳ６では、限界値Ｖｕから平均値Ｇを差し引いた分だけカット回転信号Ｂを限界値Ｖｕに近づくようにオフセットしたオフセット回転信号Ｃを生成する。

図１７に例示する振動監視方法によれば、回転信号Ａが出力されると、オフセット回転信号Ｃが生成され、このオフセット回転信号Ｃから振動信号Ｆがリアルタイムに抽出される。このため、回転軸１０２の回転信号Ａから回転軸１０２の振動をリアルタイムに評価することができる。さらに、カット回転信号Ｂは、回転信号Ａのうち限界値Ｖｕ以上の部分が限界値Ｖｕに置き換えられている。このため、抽出ステップＳ８における回転信号Ａのパルスの影響を抑制することができる。

図１７に例示する振動監視方法によれば、カット回転信号Ｂをオフセットする大きさは、回転軸１０２の回転中にリアルタイムに算出されるカット回転信号Ｂの平均値Ｇに対応しているので、回転軸１０２の振動をリアルタイムに評価することができる。さらに、カット回転信号Ｂをオフセットする大きさが固定値である場合と比較して、より正確に回転軸１０２の振動を評価することができる。

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

［１］本開示に係る振動監視装置（１）は、
回転軸（１０２）の回転に同期した回転信号（Ａ）を出力する回転センサ（２）と、
前記回転センサから前記回転信号が出力されると、前記回転信号のうち予め設定された限界値（Ｖｕ）以上の部分を前記限界値に置き換え、前記回転信号のうち前記限界値未満の部分を前記回転信号のままとするカット回転信号（Ｂ）を生成するカット回転信号生成部（４）と、
前記カット回転信号を、前記限界値に近づくようにオフセットしたオフセット回転信号（Ｃ）を生成するオフセット回転信号生成部（６）と、
前記オフセット回転信号のうち前記回転軸の回転数（Ｃ）に基づいて設定される通過帯域の信号を前記回転軸の振動情報を取得可能な振動信号（Ｆ）として抽出する第１フィルタ（８）と、を備える。

上記［１］に記載の構成によれば、回転センサから回転信号が出力されると、オフセット回転信号が生成され、このオフセット回転信号から振動信号が抽出される。このため、回転軸の回転信号から回転軸の振動をリアルタイムに評価することができる。さらに、カット回転信号は、回転信号のうち限界値以上の部分が限界値に置き換えられている。このため、第１フィルタによる振動信号の抽出における回転信号のパルスの影響を抑制することができる。

［２］幾つかの実施形態では、上記［１］に記載の構成において、
前記回転軸の回転中にリアルタイムに前記カット回転信号の大きさの平均値（Ｇ）を算出する平均値算出部（１０）を、さらに備え、
前記オフセット回転信号生成部は、前記カット回転信号を、前記限界値から前記平均値を差し引いた分だけ前記限界値に近づくようにオフセットした前記オフセット回転信号を生成する。

上記［２］に記載の構成によれば、カット回転信号をオフセットする大きさは回転軸の回転中にリアルタイムに算出されるカット回転信号の平均値に対応しているので、回転軸の振動をリアルタイムに評価することができる。さらに、カット回転信号をオフセットする大きさが固定値である場合と比較して、より正確に回転軸の振動を評価することができる。

［３］幾つかの実施形態では、上記［１］又は［２］に記載の構成において、
前記限界値及び前記回転信号のそれぞれは電圧値であり、
前記限界値は、前記回転信号の最大値より小さい。

上記［３］に記載の構成によれば、回転信号のうち限界値以上の部分が限界値に置き換えられたカット回転信号を生成するのが容易となり、回転信号のパルスの影響を抑制する効果を高めることができる。

［４］幾つかの実施形態では、上記［１］から［３］の何れか１つに記載の構成において、
前記第１フィルタによって抽出された前記振動信号のうち予め設定された遮断周波数（Ｐ２）よりも大きい信号を抽出する第２フィルタ（１２）をさらに備える。

振動信号のうち遮断周波数より小さい信号には、回転軸の振動情報以外の情報がふくまれていることがある。上記［４］に記載の構成によれば、第２フィルタは、振動信号のうち遮断周波数よりも大きい信号を抽出するので、振動監視装置の監視精度を高めることができる。

［５］幾つかの実施形態では、上記［１］から［４］の何れか１つに記載の構成において、
前記回転軸の第１回転数における前記振動信号を記憶する記憶部（１４）と、
前記第１回転数より大きい第２回転数における前記振動信号から前記記憶部に記憶されている前記第１回転数における前記振動信号を差し引く振動測定部（１６）と、をさらに備え、
前記第１回転数は３０ｒｐｍ以下である。

回転軸が３０ｒｐｍ以下で回転していると、この回転によって発生する振動は非常に小さい。このため、回転軸が３０ｒｐｍ以下で回転している場合に抽出される振動信号は、回転軸の振動情報が含まれない波形（回転軸自体によって形成される波形）を形成するとみなすことができる。上記［５］に記載の構成によれば、第２回転数における振動信号から第１回転数における振動信号を差し引くことで、回転軸の振動が主として形成する波形の信号を取得することができる。

［６］幾つかの実施形態では、上記［１］から［５］の何れか１つに記載の構成において、
前記回転信号から算出される前記回転軸の回転数に対応するフィルタ指令値（Ｅ）を出力する出力装置（７）をさらに備え、
前記第１フィルタは、前記フィルタ指令値に応じて前記通過帯域を設定する。

上記［６］に記載の構成によれば、第１フィルタの通過帯域を回転軸の回転数に応じて適切に設定することにより、回転軸の回転に同期した回転信号から回転軸の振動の評価に適した通過帯域の信号を抽出することができる。

［７］本開示に係る振動監視装置（５０）は、
回転軸の回転に同期した回転信号を出力する回転センサ（５２）と、
前記回転信号のパルスが発生するタイミング（ｔ３）を検知する検知部（５４）と、
前記検知部が検知したタイミングの直前の前記回転信号の１つの波形（Ｘ１）を、前記直前の回転信号のパルスを含む前記１つの波形の前半部分（Ｘ１１）を前記１つの波形の後半部分（Ｘ１２）の逆位相に置き換えることで前記回転軸の振動波形として復元する振動波形復元部（５６）と、を備える。

上記［７］に記載の構成によれば、検知部によって回転信号のパルスが検知されると、振動波形復元部によって回転軸の振動波形が復元される。このため、回転軸の回転信号から回転軸の振動をリアルタイムに評価することができる。

［８］幾つかの実施形態では、上記［１］から［７］の何れか１つに記載の構成において、
前記回転軸の外周面（１１６）には、１つの溝（１１８）が形成され、
前記回転センサは、前記回転軸の前記外周面までの距離（ｄ）を前記回転信号として出力する。

上記［８］に記載の構成によれば、外周面に１つの溝が形成されている回転軸の振動をリアルタイムに評価することができる。

［９］幾つかの実施形態に係る過給機（１００）は、
上記［１］から［８］の何れか１つに記載の振動監視装置と、
前記回転軸の一端部に設けられる圧縮機（１０４）と、
前記回転軸の他端部に設けられるタービン（１０６）と、を備える。

上記［９］に記載の構成によれば、過給機の回転軸の回転信号から過給機の回転軸の振動をリアルタイムに評価可能な過給機を提供することができる。

［１０］本開示に係る振動監視方法は、
回転軸の回転に同期した回転信号を出力するステップ（Ｓ２）と、
前記回転信号が出力されると、前記回転信号のうち予め設定された限界値以上の部分を前記限界値に置き換え、前記回転信号のうち前記限界値未満の部分を前記回転信号のままとするカット回転信号を生成するステップ（Ｓ４）と、
前記カット回転信号を、前記限界値に近づくようにオフセットしたオフセット回転信号を生成するステップ（Ｓ６）と、
前記オフセット回転信号のうち前記回転軸の回転数に基づいて設定される通過帯域の信号を前記回転軸の振動情報を取得可能な振動信号として抽出するステップ（Ｓ８）と、を備える。

上記［１０］に記載の方法によれば、回転信号が出力されると、オフセット回転信号が生成され、このオフセット回転信号から振動信号が抽出される。このため、回転軸の回転信号から回転軸の振動をリアルタイムに評価することができる。さらに、カット回転信号は、回転信号のうち限界値以上の部分が限界値に置き換えられている。このため、振動信号を抽出するステップにおける回転信号のパルスの影響を抑制することができる。

［１１］幾つかの実施形態では、上記［１０］に記載の方法において、
前記回転軸の回転中にリアルタイムに前記カット回転信号の大きさの平均値を算出するステップ（Ｓ１０）をさらに備え、
前記オフセット回転信号を生成するステップでは、前記限界値から前記平均値を差し引いた分だけ前記カット回転信号を前記限界値に近づくようにオフセットする。

上記［１１］に記載の方法によれば、カット回転信号をオフセットする大きさは回転軸の回転中にリアルタイムに算出されるカット回転信号の平均値に対応しているので、回転軸の振動をリアルタイムに評価することができる。さらに、カット回転信号をオフセットする大きさが固定値である場合と比較して、より正確に回転軸の振動を評価することができる。

１ 振動監視装置
２ 回転センサ
４ カット回転信号生成部
６ オフセット回転信号生成部
７ 出力装置
８ 第１フィルタ
１０ 平均値算出部
１２ 第２フィルタ
１４ 記憶部
１６ 振動測定部
５０ 振動監視装置
５１ 復元装置
５２ 回転センサ
５４ 検知部
５６ 振動波形復元部
１００ 過給機
１０２ 回転軸
１０４ 圧縮機
１０６ タービン
１１６ 外周面
１１８ 溝
Ｓ２ 回転信号出力ステップ
Ｓ４ カット回転信号生成ステップ
Ｓ６ オフセット回転信号生成ステップ
Ｓ８ 抽出ステップ
Ｓ１０ 平均値算出ステップ

Ａ 回転信号
Ｂ カット回転信号
Ｃ オフセット回転信号
Ｄ 回転数
Ｅ フィルタ指令値
Ｆ 振動信号
Ｇ 平均値
Ｐ１ 第１遮断周波数
Ｐ２ 第２遮断周波数
Ｖｕ 限界値
Ｘ１ 波形
Ｘ１１ 波形の前半部分
Ｘ１２ 波形の後半部分
ｄ 距離
ｔ３ パルス発生タイミング

Claims (10)

1. 回転軸の回転に同期した回転信号を出力する回転センサと、
   前記回転センサから前記回転信号が出力されると、前記回転信号のうち予め設定された前記回転信号の振幅に関する限界値以上の部分を前記限界値に置き換え、前記回転信号のうち前記限界値未満の部分を前記回転信号のままとするカット回転信号を生成するカット回転信号生成部と、
   前記カット回転信号に所定の正のオフセット量を加算したオフセット回転信号を生成するオフセット回転信号生成部と、
   前記オフセット回転信号から、前記回転軸の回転数に基づいて設定される通過帯域の信号を抽出することにより、前記回転軸の振動情報を取得可能な振動信号を取得する第１フィルタと、を備える、
   振動監視装置。
2. 前記回転軸の回転中にリアルタイムに前記カット回転信号の大きさの平均値を算出する平均値算出部を、さらに備え、
   前記オフセット回転信号生成部は、前記カット回転信号に前記限界値から前記平均値を差し引いた分を前記所定の正のオフセット量として加算して前記オフセット回転信号を生成する、
   請求項１に記載の振動監視装置。
3. 前記限界値及び前記回転信号のそれぞれは電圧値であり、
   前記限界値は、前記回転信号の最大値より小さい、
   請求項１又は２に記載の振動監視装置。
4. 前記第１フィルタによって抽出された前記振動信号のうち予め設定された遮断周波数よりも大きい信号を抽出する第２フィルタをさらに備える、
   請求項１から３の何れか一項に記載の振動監視装置。
5. 前記回転軸の第１回転数における前記振動信号を記憶する記憶部と、
   前記第１回転数より大きい第２回転数における前記振動信号から前記記憶部に記憶されている前記第１回転数における前記振動信号を差し引く振動測定部と、をさらに備え、
   前記第１回転数は３０ｒｐｍ以下である、
   請求項１から４の何れか一項に記載の振動監視装置。
6. 前記回転信号から算出される前記回転軸の回転数に対応するフィルタ指令値を出力する出力装置をさらに備え、
   前記第１フィルタは、前記フィルタ指令値に応じて前記通過帯域を設定する、
   請求項１から５の何れか一項に記載する振動監視装置。
7. 前記回転軸の外周面には、１つの溝が形成され、
   前記回転センサは、前記回転軸の前記外周面までの距離を前記回転信号として出力する、
   請求項１から６の何れか一項に記載の振動監視装置。
8. 請求項１から７の何れか一項に記載の振動監視装置と、
   前記回転軸の一端部に設けられる圧縮機と、
   前記回転軸の他端部に設けられるタービンと、を備える、
   過給機。
9. 回転軸の回転に同期した回転信号を出力するステップと、
   前記回転信号が出力されると、前記回転信号のうち予め設定された前記回転信号の振幅に関する限界値以上の部分を前記限界値に置き換え、前記回転信号のうち前記限界値未満の部分を前記回転信号のままとするカット回転信号を生成するステップと、
   前記カット回転信号に所定の正のオフセット量を加算したオフセット回転信号を生成するステップと、
   前記オフセット回転信号から、前記回転軸の回転数に基づいて設定される通過帯域の信号を抽出することにより、前記回転軸の振動情報を取得可能な振動信号を取得するステップと、を備える、
   振動監視方法。
10. 前記回転軸の回転中にリアルタイムに前記カット回転信号の大きさの平均値を算出するステップをさらに備え、
    前記オフセット回転信号を生成するステップでは、前記カット回転信号に前記限界値から前記平均値を差し引いた分を前記所定の正のオフセット量として加算して前記オフセット回転信号を生成する、
    請求項９に記載の振動監視方法。