JPH0152687B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は回転機械の軸受損傷診断装置に関す
る。

〔従来の技術〕

従来より回転機械に使用するすべり軸受等は、
ロータ形状、重量、伝達トルク等の使用条件から
最適な直径、幅及び形式が選ばれる。蒸気タービ
ン発電機に例を取つて言えば、大型機では総量
150トンを越え、かつ高速回転であるゆえ、これ
を支持する軸受は堅固であり常に正常な状態を続
けるのが望ましいことは言うまでもないが、軸受
メタルの焼損、軸受負荷荷重の過大、過小等が直
接的な原因でロータの過大振動、ラビング等を誘
発し、ロータ飛散事故などの過大な事故につなが
ることもある。

一方、最近の大容量蒸気タービンにおいては、
回転機大型化に伴う軸剛性低下により、オイルホ
イツプ等の不安定振動が問題となつている。この
オイルホイツプ防止対策として、軸受面の高圧化
が進んでいる。このため必然的に低速運転時にお
ける軸受潤滑特性の悪化を招き、これが軸受損傷
に発展する場合が多い。特に、蒸気タービンに見
られる様にターニング運転（回転数約2rpm）を
１週間以上の長期にわたつて実施する機械におい
ては、この低速運転時における潤滑状態を管理
し、パピツトメタル損傷につながる摺動損傷現象
即ちメタルワイプ現象（以下メタルワイプと略
記）の様な軸受異常を早期発見又は異常の予知を
行い、未然に異常を回避することが、機械の予防
保全上極めて重要である。然るに、前述のように
軸受面の高圧化により、完全な管理が難しくなつ
てきており、時おりメタル損傷事故が見られる。
これらメタル損傷の監視手段として、従来より使
用されている方法として軸受メタル温度や排油温
度測定法がある。以下これらの測定法について説
明する。

第１図に軸受の簡略化した断面構造を示す。前
述したメタル温度測定は軸受裏金２内に熱電対３
ａを取り付け、メタル損傷等によつて発生する熱
を監視する手段であり、排油温度測定は被蓋部材
４内に熱電対３ｂを取り付け、メタル損傷等によ
つて発する熱を排油を介して測定することによ
り、メタルの損傷等を監視する手段である。

さらに、上述した温度監視による手段以外の軸
受異常監視方法として、特開昭55−151237号公報
及び特開昭54−77189号公報がある。

いずれも、軸受異常によつて発生する音響信号
から異常を検出するための提案である。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述したメタル温度測定においては、熱電対３
ａはパピツトメタル５の軸受裏金２に設置されて
おり、しかも軸受摺動面より離れた位置にあるた
め、例えば片当りやワイプの如く、軽微なメタル
焼損などが発生しても異常を検出できない場合も
あり、かつ異常が発生しても熱電対３ａにて感知
するには一定時間を要する。また、前述した排油
温度測定においても同様に、異常を検知するまで
には一定時間を要するため、軸受損傷等につなが
るメタルワイプの初期の検出は困難であることは
もちろん、メタルワイプ発生初期からその進展状
況を経時的に知ることは困難である。

さらに、特開昭55−15137号公報においては、
軸受異常によつて発生する検出信号のエンベロー
プ波形に含まれる波数を全て計数することによ
り、異常を検出しているものであり、公知例にあ
るごとく、閾値レベルH_Lを越えなければ異常の
判定は不可能である。ましてや、検波、即ちエン
ベロープ波形そのものを１パルスと計数する考え
方の記載はない。

従つて、メタルワイプの損傷過程によつて発生
する、振幅の小さい音響信号の検出は不可能であ
る。また、上述した提案は全波数計数方式である
ため、軸受異常に伴つて発生する音響信号の周波
数が変化した場合、同じ振幅の音響信号であつて
も、検出されるパルス信号の数は大きく異なつて
しまう。軸受異常の形態によつては、発生する音
響信号の周波数が異なる場合があり、このような
状態下にあつては、軸受異常が同程度であつて
も、誤診断をまねく問題が含まれている。

特開昭54−77189号公報においては、軸受の異
常程度（損傷過程）を検出するものではなく、異
常形態（異常の種別を検出）を診断するものであ
り、軸受異常の進展状況を診断することはできな
い。

さらに、回転体のターニング運転時のみに発生
するメタルワイプ現象の検出についての記載はな
い。上記ターニング運転中の軸受が損傷するに従
つて発生する超音波（アコーステイツク・エミツ
シヨン）信号の形態が異なる現象は、昭和55年６
月12日発行 日本機械学会講演論文集や“潤滑”
（第28巻第12号1983年）にも掲載されているごと
く、本発明者らの実験によつて初めて明らかにさ
れた現象である。

本発明の目的は、上記メタルワイプ現象によつ
て発生する超音波信号を検出することにより、メ
タルワイプ現象の発生を即座に検知できることは
もちろんのこと、その進展状況も経時的に診断で
きる軸受損傷診断装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明はターニング運転時のすべり軸受のメタ
ルワイプ現象によつて発生する超音波信号を検出
する音響検出素子と、該素子で検出した超音波信
号を増幅する増幅器と、該増幅器から出力される
信号を検波する検波回路と、該検波出力とメタル
ワイプ初期過程判別用たる第１の基準値との大小
比較を行い該第１の基準値よりも大きい検波出力
を判別し出力する第１の比較回路と、上記検波出
力とメタルワイプ損傷過程判別用たる第２の基準
値（第１の基準値よりも小さい値）との大小比較
を行い、該第２の基準値よりも大きい検波出力を
判別し出力する第２の比較回路と、計測期間毎に
得られる上記第１、第２の比較回路の判別出力の
個数相互の大小を比較する手段と、両個数一致の
計測期間にあつてはメタルワイプ初期過程と判定
し、該両個数一致後であつて且つ第２の比較回路
の判別出力の個数が大となる計測期間にあつては
メタルワイプ損傷過程と判定する手段と、より成
る。

〔作用〕

メタルワイプの初期過程では、回転機械の回転
数には必ずしも同調しないが、周期性のある超音
波信号が発生する。例えばターニング回転数の２
Hzに対し、メタルワイプ初期過程で発生する超音
波信号の発生数は数10Hzである。かかるメタルワ
イプの初期過程にて発生する超音波信号には周期
性が有り、その振幅は比較的大きい。これに対
し、メタルワイプにより軸受摺動部の損傷過程で
は、上記周期性のある信号間に振幅の小さい超音
波信号が発生することになる。

すなわち、前述した第１の比較回路の閾値レベ
ルを大とし、第２の比較回路の閾値レベルを小と
する。メタルワイプの初期過程においては、第
１、第２の比較回路より出力されるそれぞれ第
１、第２のパルス数の個数が同じであるため、第
１、第２のパルス数の個数は一致する。ところ
が、メタルワイプによる損傷過程では、前述した
ように振幅の小さい超音波信号が発生するため、
第１の比較回路から出力されるパルス数に対し、
第２の比較回路から出力されるパルス数は多くな
る。従つて、比較の結果、メタルワイプの初期過
程とは違い、両者は一致せず、後者のパルス数が
大となる。

以上述べたような、第１、第２の比較回路から
出力されるパルス数の大小関係を比較手段で比較
する。更に判定手段でこの比較結果をみて、メタ
ルワイプによる軸受損傷の初期過程から損傷の過
程までを検出する。

〔実施例〕 以下、本発明を図面を用いて詳細に説明する。

本発明の具体的実施例である軸受損傷診断装置
のブロツク図を第２図に示す。ジヤーナル２０を
ささえる軸受２１のパピツトメタルもしくは軸受
外表面上のメタルワイプによつて生じる超音波信
号を検知出来る箇所に音響検知素子２２（例えば
圧電セラミツク素子を用いたもの）を圧着又は接
着により設置し、音響検知素子２２にて得られた
信号をプリアンプ２３に入力する。プリアンプ２
３にて増幅された信号をフイルタ２４に通し、ノ
イズを除去する。さらにノイズを除去した信号を
メインアツプ２５に増幅し、その信号をターニン
グ判定回路２６に入力する。ターニング判定回路
２６では、ジヤーナルの回転数ｖ（rpm）を取り
込みターニングであるのか運転状態であるのかを
比較判定し、ターニングのときのみメインアンプ
２５からの出力信号を検波回路２７に入力し、検
波回路２７にて検出された信号を信号振幅判別回
路２８に入力する。

信号振幅判別回路２８は入力される信号振幅の
大小を判別することにより、軸受正常、メタルワ
イプ初期過程及びパピツトメタル損傷過程の３段
階に分類し、それに伴う信号を出力する回路であ
り、比較電圧の違つた２種類の比較回路２９ａ，
２９ｂと除算器３０より構成されている。なお、
前述した信号振幅判別回路２８では比較電圧の異
なる２種類の比較回路を用いたが、それ以上用い
れば高い精度で振幅を判別することが可能であ
る。最後に軸受損傷表示装置３１にて前述した結
果を表示することになる。

ここで前述した軸受損傷診断装置の動作原理を
具体的に説明する。

第３図に前記軸受損傷診断装置の動作原理を説
明するうえで理解しやすいように各回路の動作及
びその出力信号波形を示す。同図に示す超音波信
号出力波形（前記メインアンプ２５の出力）は、
軸受の正常時からメタルワイプの初期過程を経
て、パピツトメタル損傷過程にいたるまでの経時
的な変化を示したものである。同図に示すように
軸受正常時はバツクグランドノイズのみである
が、メタルワイプの初期過程においては同期性の
ある超音波信号（第１のメタルワイプ波と称す
る）が発生する。この超音波信号の発生周波数は
数10Hzであり回転数とは必ずしも同期しないのが
特徴の１つである。前述した超音波信号の発生原
因は潤滑状態欠損により、ジヤーナルとパピツト
メタルが軽微な金属接触を起こすためである。さ
らにパピツトメタル損傷過程においては、前述し
た超音波信号の発生周期が延びるとともにその周
期間に前記超音波信号に比べて振幅の小さな超音
波信号（第２のメタルワイプ波と称する）が発生
する。これはパピツトメタルの変形あるいは剥離
によるものである。

次に前記超音波信号は、検出回路２７にて第３
図に示すように検波され、信号振幅判定回路２８
に入力される。信号振幅判定回路２８では、比較
回路２８ａ，２９ｂにてそれぞれの比較電圧Ea，
Eb（Ea＞Eb）にて比較され、同図に示されるよ
うにパルス信号に変換する。ここで、Eaとはメ
タルワイプ初期過程用に設定された第１の基準
値、Ebとはメタルワイプ損傷過程用に設定され
た第２の基準値である。次に前記パルス信号は除
算器３０に入力される。除算器３０では、同図に
示されるように演算時間（即ち計測時間）（T₁―
Tn）ごとに、（比較回路２９ａの出力パルス
数）／（比較回路２９ｂの出力パルス数）の演算
を行う。即ち、計測期間ごとに両パルス個数の大
小を比較するのである。第３図に演算結果を示
す。軸受正常時は除算器３０から信号は出力され
ないが、メタルワイプの初期過程では比較電圧
Ea，Ebにて比較されるパルス数は同数となるゆ
え、演算結果は３／３＝１となる。さらにメタル
ワイプが進行しパピツトメタル損傷過程に入ると
前述したように振幅の小さい超音波信号が振幅の
大きい超音波信号間に発生するため、第３図で示
すように比較電圧Ea，Ebにて比較され発生する
パルス数は違つてくるゆえ、演算結果は２／５と
なり、前述したメタルワイプの初期過程とは違つ
てくる。これらの演算結果に基づき、除算器３０
では、第３図に示されるように、それぞれ違つた
信号を演算時間毎に出力し、次に前記軸受損傷表
示装置３１にて前述した３段階に分類し表示す
る。

以上の説明では、各計測区間Ti（ｉ＝１，２，
３，…）では、パルス数を数個としているが、実
際には、数10個以上である。更に、各計測区間
は、パピツトメタル損傷が進むにつれて各周期が
長くなる傾向を持つ。従つて、計測区間自体も長
くとる必要がある。

なお、前述した演算方法はデイジタル方式であ
るが、前記比較回路２９ａ，２９ｂより出力され
るパルス信号の数をアナログに変換した後、前記
除算器３０にて同様の演算を行つてもデイジタル
方式と同じ結果が得られることはいうまでもな
い。

以上説明したように、本発明によれば軸受メタ
ルワイプの発生を早期検知できるばかりか、軸受
の損傷の程度も知ることができることなどより、
軸受損傷検出のオンラインモニタとして利用で
き、工業上極めて有効であるという顕著な効果が
ある。

次に本発明の他の実施例について述べる。第４
図に示す軸受損傷診断モニタは第２図にて述べた
除算器３０と同様の機能すなわち、軸受の正常、
メタルワイプ初期及びパピツトメタル損傷過程を
判別するための他の実施例である。ここで第４図
を説明するうえで理解しやすいように各回路の動
作及びその出力波形を用いて説明する。

まず、軸受正常時からメタルワイプの初期過程
に進行した場合の動作を説明する。第５図にその
超音波信号出力波形及び各回路の動作を示す。

前記メインアンプ２５からの出力波形は同図の
ようになり、次にその出力波形は、前記検波回路
２７にて第５図に示すように検波され、次に前記
比較回路２９ａの比較電圧Eaにて比較され、同
図に示されるようにパルス信号に変換される。次
に前記パルス信号は第４図に示すインバータ５０
ａに入力され、第５図に示した波形に変換された
後、その出力波形はゲート回路５２に入力され
る。ゲート回路５２はインバータ５０ａより出力
されるパルス幅だけゲートを開き、パルス発振器
５１より出力されるパルスを第５図に示されるよ
うに取り出し、その信号をパルス除算回路５３に
入力する。前記パルス除算回路５３では前記ゲー
ト回路５２のオープンゲートごとに出力される前
記パルス発振器５１からのパルス数を除算し、そ
の比率が約１となつた場合、第５図に示すような
信号を出力する。つまり、前記比較回路２９ａよ
り出力されるパルス信号の周期性を調べることに
よりメタルワイプ初期過程を判定するわけであ
る。次にパルス除算器５３からの信号は、前述し
た軸受損傷表示装置３１に入力され、軸受損傷表
示装置３１にて軸受正常及びメタルワイプの初期
過程を表示する。

次にメタルワイプの状態が進行し、パピツトメ
タルの損傷過程へと進行した場合の第４図の動作
を説明する。パピツトメタル損傷過程の検出手法
を説明するうえで理解しやすいように、各回路の
動作及びその出力波形を第６図に示す。前記メイ
ンアンプ２５からの出力波形は同図に示されるよ
うになり、次にその出力波形は、前記検波回路２
７にて第６図に示すように検波され、さらに前記
比較回路２９ｂの比較電圧Ebにて比較され、同
図に示すようにパルス信号に変換される。次に前
記パルス信号はインバータ５０ｂに入力され、同
図に示す波形に変換された後安定マルチバイブレ
ータ（以下Ｍ・Ｍと略記）５５に入力され、Ｍ・
Ｍ５５の出力波形として同図に示す波形を得る。
次にＭ・Ｍ５５の出力をAND回路５６に入力す
る。AND回路５６では、比較回路２９ｂの出力
と、Ｍ・Ｍ５５の出力との論理積を行い、第６図
に示すような波形を得る。以上述べた動作を行う
ことにより、前述したパピツトメタル損傷過程の
特徴である振幅の大きな超音波信号間に発生する
振幅の小さな超音波信号のみを取り出すことがで
きるわけである。次にAND回路５６から出力さ
れる信号を前述した軸受損傷表示装置３１に入力
し、軸受損傷表示装置３１にて軸受のパピツトメ
タル損傷過程であることを表示する。

尚、以上の各実施例では、チヤンネル数１個の
事例で説明したが、チヤンネル数を増やせば、更
に精度のよいものが得られる。勿論、音響検出素
子の数もそれに従つて多くなる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、メタルワイプ現象によるすべ
り軸受の、損傷の程度によつて発生する振幅形態
の異なる超音波信号をそれぞれ区別して検知し、
評価することが可能である。また、メタルワイプ
による軸受損傷の初期過程特有の周期的超音波信
号発生の特徴を信号の発生間隔時間から検知する
など、軸受損傷の初期過程の早期検知は勿論のこ
と軸受損傷過程（損傷の程度）の判定も可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の軸受の簡素化した断面構図と軸
受メタル温度、排油温度測定法における各熱電対
の設置箇所を示す図、第２図は本発明の軸受損傷
診断装置のブロツク図、第３図は本発明の軸受損
傷傷診断装置の動作を説明するための波形図、第
４図は本発明の他の実施例である軸受損傷診断モ
ニタのブロツク図、第５，６図は軸受損傷診断モ
ニタの動作を説明するための波形図である。 ２２…音響検知素子、２８…信号振幅判別回
路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転機械に用いられているすべり軸受の損傷
   診断を行う軸受損傷診断装置において、 ターニング運転時のすべり軸受のメタルワイプ
   現象によつて発生する超音波信号を検出する音響
   検出素子と 該素子で検出した超音波信号を増幅する増幅器
   と、 該増幅器から出力される信号を検波する検波回
   路と、 該検波出力とメタルワイプ初期過程判別用たる
   第１の基準値との大小比較を行い該第１の基準値
   よりも大きい検波出力を判別し出力する第１の比
   較回路と、 上記検波出力とメタルワイプ損傷過程判別用た
   る第２の基準値（第１の基準値よりも小さい値）
   との大小比較を行い、該第２の基準値よりも大き
   い検波出力を判別し出力する第２の比較回路と、 計測期間毎に得られる上記第１、第２の比較回
   路の判別出力の個数相互の大小を比較する手段
   と、 両個数一致の計測期間にあつてはメタルワイプ
   初期過程と判定し、該両個数一致後であつて且つ
   第２の比較回路の判別出力の個数が大となる計測
   期間にあつてはメタルワイプ損傷過程と判定する
   手段と、 より成る軸受損傷診断装置。