超低速旋转设备的异常诊断方法及装置

摘要

本发明提供一种利用声音信号对10rpm以下的超低速旋轴承的异常进行诊断的方法及装置，利用具有10KHz以下的集音功能的检测端对由10rpm以下的超低速旋转设备的滚动轴承产生的声音信号进行检测，通过频率分析求出频谱分布，并将经过处理得到的频率分析波形的、轴承的固有频率以上的频率的频谱平均值或有效值与基准值进行比较，在该频谱平均值或有效值超过了基准值时判断为轴承异常。

说明书

技术领域

本发明涉及利用声音对10rpm以下的超低速旋转设备的滚动轴承的异常进行诊断的方法及装置。

背景技术

在旋转设备的异常诊断中，从诊断精度良好的角度出发，一般使用根据轴承的振动检测信号进行判断的方法(以下，称作“振动诊断”)。该方法是对与转速成比例产生的冲击振动进行测量的方法，也可以根据冲击振动的产生间隔进行异常部位的确定。

但是，一般在100rpm以下的低速旋转设备的情况下，伴随轴承异常而产生的振动较小、冲击振动的产生间隔也较长，因此难以进行诊断。尤其，在如连续铸造机的辊那样几rpm的超低速旋转设备的情况下，难以识别伴随异常的信号和噪声，无法进行高精度的诊断。

为了提高该低速旋转设备的轴承的诊断精度，例如在日本特开平3-245054号公报中，提出了对轴承产生的AE(Acoustic Emission：声发射)信号进行检测，计算AE信号超过基准值的持续时间，并在该持续时间超过了基准值时判断为异常的方法。

另外，在日本特开平7-270228号公报中，提出了利用加速度传感器检测轴承振动，将该检测信号经过带同滤波器之后进行包络处理，并计算所得到的波形信号的规定时间间隔中的最大值与最小值的差，在该差超过了预先给定的阈值时判断为异常，从而自动进行低速旋转设备的异常诊断的方法。

另外，在日本特开平10-160638号公报中，提出了利用加速度传感器检测轴承振动，通过低通滤波器从该检测信号中取出规定值以下的输出，对其进行乘3以上的奇数的处理，并将该波形与预先设定的基准值比较，从而进行异常判断的方法。

在上述日本特开平3-245054号公报公开的方法中，存在如下问题，即难以辨别AE信号的噪声和有效信号；只能在龟裂进展时进行判断；以及由于AE信号一般为超过100KHz的高频带，因此系统昂贵。

另外，在日本特开平7-270228号公报公开的方法中，在助振力小的超低速旋转轴承中的振动信号较小，难以识别伴随着异常的信号和噪声，因此无法进行高精度的诊断。

日本特开平10-160638号公报中公开的方法也为了放大伴随异常的信号成分而进行乘以3以上的奇数的处理，但振动检测方法与上述专利文献2相同，而且在包含噪声的情况下进行处理，因此很难说能够进行正确的异常判断。

因此，本发明的课题是提供一种能够对如连续铸造机那样的10rpm以下的超低速的多个辊轴承进行廉价且高精度的诊断的、利用声音信号的诊断方法及装置。

多用于连续铸造设备用轴承的自动调心滚子轴承中，除了其特有的差动滑动外，不形成在超低速和重负载下足够的油膜，并且因水锈(スケ一ル)、水的进入而不够润滑，因此产生油膜的破裂和磨损。结果，引起剥落，并其发展而产生裂纹，导致裂缝。

但是，即使产生裂缝，但如果没有因滚子的扭斜而导致发热和滚动面的异常磨损，则由于是超低速而不发展为急速的损伤。因此，如果能够在该阶段检测到异常，则能够使用至寿命界限，所以作为异常检测时期并不晚，并且从维修费用成本的观点来看反而更为优选。

发明内容

本发明的目的是虽然在轴承的滚动面产生了裂纹、但转动体仍处于稳定旋转的状态的用于进行超低速旋转轴承的异常检测的诊断方法及装置，其要旨如下：

(1)一种超低速旋转设备的滚动轴承的异常诊断方法，检测由作为诊断对象的旋转设备的滚动轴承产生的声音信号，并进行其异常诊断，上述旋转设备的滚动轴承伴随10rpm以下的超低速旋转，上述方法的特征在于：

利用具有集音功能的检测端将由被检测轴承产生的声音作为声压而检测，并通过适当放大而得到的声音信号的频率分析，求出频谱分布，

求出通过上述频率分析得到的频率分析波形的、轴承的固有频率以上频率的频谱平均值或有效值，

将上述频谱平均值或有效值与另求出的基准值进行比较，并在超过了该基准值时判断为轴承异常。

(2)如上述(1)所述的超低速旋转设备的滚动轴承的异常诊断方法，其特征在于，使得到上述声音信号的检测端与上述滚动轴承直接接触。

(3)如上述(1)或(2)所述的超低速旋转设备的滚动轴承的异常诊断方法，其特征在于，可听地输出将上述声音信号放大的信号，并进行异常判断的筛选。

(4)如上述(3)所述的超低速旋转设备的滚动轴承的异常诊断方法，其特征在于，上述声音信号是轴承的固有频率以上的通过了高频带通滤波器的信号。

(5)一种超低速旋转设备的滚动轴承的异常诊断装置，检测由作为诊断对象的旋转设备的滚动轴承产生的声音信号，并进行其异常诊断，上述旋转设备的滚动轴承伴随10rpm以下的超低速旋转，上述异常诊断装置的特征在于，包括：

检测端，具有集音功能；

放大器，对由上述检测端得到的声音信号进行放大；

频率分析部，求出上述声音信号的频率分布；

轴承的固有频率存储部；

运算部，根据上述频率分析，求出频谱平均值或有效值；

存储部，存储另求出的基准值；以及

异常判断部，将上述频谱平均值或有效值与上述基准值进行比较，并判断有无异常。

(6)如上述(5)所述的超低速旋转设备的滚动轴承的异常诊断装置，其特征在于，上述检测端与上述滚动轴承直接接触，从而具有得到上述声音信号作为声压的功能。

(7)如上述(5(或(6)所述的超低速旋转设备的滚动轴承的异常诊断装置，其特征在于，具备输出部，该输出部将放大的上述声音信号可听地输出。

(8)如上述(7)所述的超低速旋转设备的滚动轴承的异常诊断装置，其特征在于，具备高频带通滤波器，该高频带通滤波器仅提取放大的上述声音信号的、轴承的固有频率以上的频带成分。

附图说明

图1是表示涉及本发明的技术方案1、2的实施例的概要的框图。

图2是表示涉及本发明的技术方案3、4的实施例的概要的框图。

图3是表示本发明的方法及装置的正常轴承和异常轴承的频率分析结果的一例的图。

图4是表示本发明的方法及装置的根据500Hz以上的频率音来评价的异常轴承和正常轴承的关系的图。

图5是表示利用磁铁安装麦克风和振动传感器的状态下的频率特性的图。

图6是表示通过本发明的方法及装置使检测端接触而测量的正常轴承和异常轴承的频率分析结果的一例的图。

图7是表示通过本发明的方法及装置不与检测端接触而测量的异常轴承的频率分析结果的一例的图。

图8是表示在固有频率约为800Hz的较小的圆筒滚子轴承的外轮产生了裂缝时，将麦克风与该轴承接触而得到的声音频谱的图。

具体实施方式

下面，根据附图说明本发明。

图1是表示本发明的实施例的对异常进行诊断的过程的框图。在图1中，1是被检测轴承，2是检测端，3是对声音信号进行放大的放大器，4是频率分析部，5是声压运算部，6是固有频率存储部，7是异常判断部，8是基准值存储部，9是滤波器。图2中，除图1的异常判断部之外，在滤波器后有放大器10和输出部11。

另外，本发明并不限于图1、图2的例，也可以将各个单元适当替换为其他的公知单元，并且，各单元并非全必需的，可以根据情况适当省略。

首先，对涉及本发明的(1)及(2)的实施方式进行说明。

在涉及本发明的(1)及(2)的实施方式中，首先，由检测端2将由被检测轴承产生的声音检测为声压。为了在声压中排除轴承以外的声音，优选使用指向性麦克风。在本例中，通过使用在金属盒中容纳了麦克风的检测端，遮断暗噪声、提高集音性能，并且也提高对粉尘或冷却水等的耐久性，所述金属盒包含对在固体中传播的声音进行接收的触诊部。

若在轴承的滚动面产生裂纹，则会产生比轴承的固有频率更高频率的声音。本发明人调查的结果，已知伴随10rpm以下的超低速旋转的旋转设备的大半轴承的固有频率为100～1000Hz。因此，检测端使用具有从1KHz到10KHz的频率应答范围的麦克风。若达到10KHz，则大部分检测端能够得到较平坦的频率特性，不会昂贵。

接着，由放大器3进行信号电平的放大，由频率分析部4进行声音信号的频率分析。在固有频率存储部6中存储有被检查的轴承的固有频率。在声压运算部5中，求出存储在固有频率存储部中的固有频率以上的任意设定的频率的频谱平均值或有效值。在异常判断部7中，将声压运算部5算出的频谱平均值或有效值，与存储在基准值存储部8中的判断基准值进行比较，并在算出的声压大的情况下判断为诊断对象轴承异常。在轴承的滚动面产生了裂纹的情况下产生的声频为比轴承的固有频率高的频率。本发明人调查的结果，使求出频谱平均值或有效值的频率为固有频率的大致3倍以上最为妥当，但最好事先调查诊断对象设备的轴承以外的构成部件的固有频率，并设定除去这些固有频率的频带。另外，在本发明人调查的诸多轴承中，能够在从固有频率到5KHz的声音信号中检测出异常频率。

涉及(3)及(4)的实施方式中，通过放大器10输出可听音。由此首先可听地确认异音，并能够筛选认为有异常可能性的轴承。尤其，在涉及(4)的实施方式中，由于通过滤波器，因此容易发现异音。

实施例

(实施例1)

图3和图4是以0.5rpm旋转的连续铸造机的自动调心滚子轴承的解析结果，是使麦克风与轴承接触而得到的，也是轴承的保持器破损、滚子啮入而负载增大的例。

图3(a)表示正常的#1辊的轴承的声音频谱。包含固有频率(在本例中为350Hz)的低频带的声压占主导，在500Hz以上看不见特征。图3(b)表示损伤的#8辊的轴承的声音频谱。500Hz以下的低频带与正常的#1辊的轴承相同，相对于此，在1～2KHz附近也能看见多个峰值。

图4表示排除固有频率附近的频带的、每个轴承在500Hz以上的频带的频率的频谱有效值。在平均声压下，从图3可知，由于低频带的声压占主导，所以正常轴承和异常轴承之差较小，因此将排除固有频率附近的频率的声压作为指标。#1～7是正常的轴承，基于该数据与在检测该异常之前测量的#1～8的数据，在此将在该轴承下的异常判断基准值设为2E-04Pa。此次，异常的#8辊的轴承的有效值超过异常判断基准值，与正常的轴承相比，是4倍以上的值，能够容易地判断为异常。

在本例中，声音差较明显，因此也能够容易进行无滤波器下的基于听音的异常判断的筛选。

另外，图5表示利用磁铁安装麦克风和振动传感器、对使助振器进行随机噪声助振时的应答进行了计测的频率特性。该图表表示，振动传感器相对地对约8KHz以上的高频振动灵敏度高，与此相比，麦克风相对地对5KHz以下的频带振动灵敏度高。因此可知，如本实施例那样在1～2KHz附近有特征的情况下，优选使用麦克风。

另外，在本设备中，在与使检测端接触的滚动轴承共有旋转轴的反测量侧的轴承外轮损伤大的情况下，也能够进行异常检测。这样，由于2KHz附近的频率音的距离衰减较小，因此也能够检测反测量侧的异常信号。本例的反测量侧为在操作中不能从安全面接近而不能进行日常检修的场所，但通过本方法能够安全地进行检修。

(实施例2)

图6表示在以3rpm旋转的连续铸造机的自动调心滚动轴承产生了外轮裂缝时，将麦克风与轴承接触而得到的解析结果。

图6(a)表示正常轴承的声音频谱。该例也是在基于听音的筛选中诊断为应该没有异常的例。固有频率或由接触共振产生的1KHz以下的声压占主导，因此在1KHz以上看不见峰值。

图6(b)表示损伤的轴承的声音频谱。在3KHz附近能看见尖锐的波峰，判断为由于产生了裂纹、因此伴随轴承的滚子与外轮断面的接触的声音变得明显。

在本例中，与实施例1不同，通过无滤波器下的听音的筛选，不能进行异常的明确的判断，但也不能诊断为无异常。但是，在本例中通过使用1KHz以上的高频带通滤波器，能够明确地进行异常识别。

(实施例3)

图7也是以与实施例2相同的设备在该轴承的附近将麦克风不接触地设置而得到的声音频谱。该设备在麦克风设置部附近具有冷却水和空气喷出部，噪声较大，但能够在3KHz附近确认波峰，并且通过适当地设定频谱平均值或有效值的基准值，能够检测异常。

在本例中，由于噪声的影响，不能在通过使用了滤波器的听音的筛选进行异常判断，但根据本发明能够进行异常判断。

(实施例4)

图8表示在以10rpm旋转的固有频率约为800Hz的较小的圆筒滚子轴承的外轮产生了裂缝时的、将麦克风与该轴承接触而得到的声音频谱。能够确认弱于6KHz的频率音变大了。

如本实施例，由于小径的轴承的固有频率高，因此将10KHz左右为止的频带选定为了诊断对象，但由于在10rpm以下的超低速的旋转设备中大径轴承较多，因此优选为在从固有频率以5KHz的声音信号进行诊断。

从以上情况可知，通过使用基于本发明的方法及装置的异常诊断法，能够便宜且精度良好地判断10rpm以下的超低度旋转设备的轴承的异常。

产业上的可利用性

根据本发明的(1)，由于使用固有频率以上的频率频谱进行异常判断，因此容易判别噪声，并且与现有的基于振动进行的超低速旋转轴承的异常判断相比，能够进行精度更高的异常诊断。

根据本发明的(2)，由于接收包括有在固体中传播的超声波区域在内的声音，因此能够隔断空中传播的暗噪声，能够进行相应于目的的S/N比良好的异常诊断。根据本发明的(3)，能够可听地确认轴承的异常，发现异常的可能性。并且根据本发明的(4)，由于去除了检测端的接触共振的影像，因此能够提高筛选的精度。

(5)是实现(1)的方法的装置，(6)是实现(2)的方法的装置，(7)是实现(3)的方法的装置，(8)是实现(4)的方法的装置。

根据本发明，在有损伤时，能够精度良好的诊断超低速旋转设备的轴承的损伤幅度及其程度，由此能够实现安全的检修作业、设备稳定化。