旋转机的异常检测装置、旋转机的异常检测方法以及旋转机

摘要

旋转机的异常检测装置(10)包括：从多个传感器中预先设定一组以上的两个传感器的组合，针对各组，计算从两个传感器输出的信号的相位差的计算部(15)，其中，多个传感器被配置在具备旋转体的旋转机(1)的预先规定的部位，检测旋转体旋转过程中从旋转机(1)产生的弹性波；预先存储有表示旋转体在旋转过程中发生接触时各组的所述相位差与发生接触的接触位置之间的关系的信息的存储部(16)；利用计算部(15)计算出的相位差和存储于存储部(16)中的信息，确定接触位置的确定部(17)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种检测旋转机所具备的旋转体的异常的技术。

背景技术

现有技术中已提出有检测旋转机(例如，压缩机、马达、发电机)的异常的各种技术。例如，提出了具有如下特征的压缩机的诊断方法，即：检测非接触型压缩机的转子旋转时因公转子和母转子的接触而产生的AE波和此时的转子的旋转信号，并基于检测出的AE信号和旋转信号进行转子接触的诊断的压缩机的诊断方法中，对所述AE信号进行增幅及检波，对该输出进行频率解析及加算平均处理，并基于所述旋转信号将其结果与判定基准进行比较，来进行转子接触的有无等诊断(例如，参照专利文献1)。

此外，提出有具有如下特征的异常接触检测方法，即：在检测第一转子及第二转子成对而旋转的旋转机械的异常接触状态的异常接触检测方法中，对从所述旋转机械放出的弹性波信号进行检波，在所述检波的弹性波信号中包含规定程度以上的所述第一转子的旋转频率成分及所述第二转子的旋转频率成分的至少其中之一的情况下，判定为转子相互间发生接触，在所述检波信号中包含规定程度以上的所述第一转子的叶片的个数乘以转子的旋转频率的频率成分及所述第二转子的叶片的个数乘以转子的旋转频率的频率成分的情况下，判定为转子与壳体间发生接触，在从所述旋转机械放出的弹性波信号的波形级别大于规定级别但不能判定所述的转子互相接触及转子壳体间接触的情况下，判定为密封件与转子之间发生接触(例如，参照专利文献2)。

而且，提出有检测旋转机的振动并进行连续小波变换，将该变换信号加算到频率轴向，根据该加算结果辨别是否异常的异常诊断装置(例如，参照专利文献3)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利公开公报特开平5-231361号

专利文献2：日本专利公开公报特开平9-133577号

专利文献3：日本专利公开公报特开2001-74616号

发明内容

例如根据专利文献2的技术，能够区分转子之间的接触、转子与壳体的接触以及转子与密封件的接触而进行判定。如果能够确定这些的接触位置，则在维修时方便。

本发明的目的在于提供一种在旋转体在旋转过程中接触时能够确定其接触位置的技术。

本发明一方面所涉及的旋转机的异常检测装置包括：多个传感器，被配置在具备旋转体的旋转机的预先规定的多个不同的部位，用于检测所述旋转体旋转过程中从所述旋转机产生的弹性波；计算部，从所述多个传感器中预先设定一组以上的两个传感器的组合，针对各组，计算从所述两个传感器输出的信号的相位差；存储部，预先存储表示所述旋转体在旋转过程中发生接触时所述各组的所述相位差与发生接触的接触位置之间的关系的信息；以及确定部，利用所述计算部计算出的所述相位差和存储在所述存储部的所述信息来确定所述接触位置。

根据本发明，当旋转体在旋转过程中接触时，能够确定其接触位置。

附图说明

图1是表示旋转机的一例的示意图。

图2是表示本实施方式所涉及的旋转机的异常检测装置的结构的框图。

图3是示出表示相位差与接触位置之间的关系的信息的一例的表。

图4是在图1所示的旋转机中，表示旋转体的接触位置的一例的示意图。

图5是示意性地表示在一组传感器中，从其中一个传感器输出的信号S1和从另一传感器输出的信号S2的相位的关系、及在另一组的传感器中，从传感器输出的信号S1与从传感器输出的信号S3的相位的关系的坐标图。

图6是关于信号S1及信号S2示出时间与信号强度之间的关系的一例的坐标图。

图7A是关于信号S1示出表示时间与强度之间的关系的函数一例的坐标图。

图7B是关于信号S1示出通过时频解析而获得的数据的一例的坐标图。

图7C是关于信号S2示出表示时间与强度之间的关系的函数一例的坐标图。

图7D是关于信号S2示出通过时频解析而获得的数据的一例的坐标图。

图8是表示计算部计算出的相位限定相关函数(phase-only correlation function)的一例的坐标图。

图9是说明本实施方式所涉及的旋转机的异常检测装置的动作的流程图。

具体实施方式

下面，基于附图详细说明本发明的一实施方式。图1是表示旋转机1的一例的示意图。旋转机1包括第一旋转体2、与第一旋转体2设置规定的间隙G而被配置的第二旋转体3、以及收容第一旋转体2及第二旋转体3的壳体4。

第一旋转体2包括旋转轴5，以旋转轴5为中心沿箭头A方向(例如，逆时针方向)被旋转驱动。第二旋转体3包括旋转轴6，以旋转轴6为中心沿与箭头A方向相反的箭头B方向(例如，顺时针方向)被旋转驱动。

在壳体4的外壁安装有三个传感器11a、11b、11c。传感器11a、11b、11c分别检测从旋转机1产生的弹性波，并输出表示弹性波的强度与时间之间的关系的信号S1、S2、S3。弹性波例如指振动波或超声波。

传感器11a位于第一旋转体2的其中一端部2a侧。传感器11b位于第一旋转体2的另一端部2b侧。传感器11c位于第二旋转体3的其中一端部3a侧。由此，传感器11a、11b、11c被配置在具备旋转体的旋转机1的预先规定的多个不同的部位，检测旋转体旋转过程中从旋转机1产生的弹性波。另外，传感器11a、11b、11c的安装部位并不限定于所述部位。此外，在本实施方式中，举出三个传感器11a、11b、11c作为多个传感器的例子进行说明，但传感器的个数为两个以上即可。

图2是表示本实施方式所涉及的旋转机的异常检测装置10的结构的框图。旋转机的异常检测装置10包括传感器11a、11b、11c以及计算机12。

传感器11a、11b、11c只要能够检测出第一旋转体2和第二旋转体3在旋转过程中与任意部件接触而产生的弹性波即可。检测因接触而产生的超声波来作为弹性波的情况下，使用AE(Acoustic Emission)传感器。检测因接触而产生的振动来作为弹性波的情况下，使用振动传感器。在本实施方式中，将AE传感器作为传感器11a、11b、11c的例子而进行说明。

计算机12包括显示部13及控制部14。显示部13是如液晶面板那样的显示器。控制部14包括CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、以及RAM(Random Access Memory)。在ROM中存储有用于执行旋转机1的异常检测的各种程序以及软件。

控制部14包括计算部15、存储部16及确定部17来作为功能块。

计算部15从传感器11a、11b、11c中预先设定一组以上的两个传感器的组合，针对各组，计算从两个传感器输出的信号的相位差。在本实施方式中，以传感器11a和传感器11b的组合、以及传感器11a和传感器11c的组合为例进行说明，但组合并不限定于此。传感器的个数为两个的情况下，两个传感器的组合为一组。

由旋转机的异常检测装置10的制作者等预先规定多个传感器被配置在旋转机1的部位、多个传感器的个数以及两个传感器的组合的个数。这些根据旋转机1的异常检测的实际状况而决定。

存储部16预先存储表示第一旋转体2及第二旋转体3在旋转过程中发生接触的情况下的关于各组的相位差与发生接触的接触位置之间的关系的信息。图3是表示该信息的一例的表。关于该表进行详细说明。

图4是表示图1所示的旋转机1中的旋转体的接触位置的一例的示意图。假设第一旋转体2与壳体4的接触每当第一旋转体2旋转一圈发生。假设第二旋转体3与壳体4的接触每当第二旋转体3旋转一圈发生。假设第一旋转体2与第二旋转体3的接触每当第一旋转体2旋转一圈发生。

接触位置P1表示在第一旋转体2的其中一端部2a，第一旋转体2与壳体4接触的位置。接触位置P2表示在第一旋转体2的中央部2c，第一旋转体2与壳体4接触的位置。接触位置P3表示在第一旋转体2的另一端部2b，第一旋转体2与壳体4接触的位置。

接触位置P4表示在第一旋转体2的其中一端部2a和第二旋转体3的其中一端部3a，第一旋转体2与第二旋转体3接触的位置。接触位置P5表示在第一旋转体2的中央部2c和第二旋转体3的中央部3c，第一旋转体2与第二旋转体3接触的位置。接触位置P6表示在第一旋转体2的另一端部2b和第二旋转体3的另一端部3b，第一旋转体2与第二旋转体3接触的位置。

接触位置P7表示在第二旋转体3的其中一端部3a，第二旋转体3与壳体4接触的位置。接触位置P8表示在第二旋转体3的中央部3c，第二旋转体3与壳体4接触的位置。接触位置P9表示在第二旋转体3的另一端部3b，第二旋转体3与壳体4接触的位置。

图5是示意性地表示从传感器11a输出的信号S1和从传感器11b输出的信号S2的相位的关系一例、以及从传感器11a输出的信号S1和从传感器11c输出的信号S3的相位的关系的一例的坐标图。信号S1、S2、S3的波形是示意性地表示的波形，实际上不是从传感器11a输出的信号S1的波形、从传感器11b输出的信号S2的波形、从传感器11c输出的信号S3的波形。相对于不接触的情况下的波形，波形不恒定，变化的部分表示接触的检测。

以信号S1的波形变化的部分为基准，如果信号S2的波形中变化为与信号S1的波形的变化一样的波形的部分迟延，则设信号S1与信号S2的相位差大于0，如果信号S2的所述部分提前，则设信号S1与信号S2的相位差小于0。

以信号S1的波形变化的部分为基准，如果信号S3的波形中变化为与信号S1的波形的变化一样的波形的部分迟延，则设信号S1与信号S3的相位差大于0，如果信号S3的所述部分提前，则设信号S1与信号S3的相位差小于0。

参照图3至图5，传感器11a与接触位置P1的距离短于传感器11b与接触位置P1的距离。传感器11a与接触位置P4的距离短于传感器11b与接触位置P4的距离。传感器11a与接触位置P7的距离短于传感器11b与接触位置P7的距离。在这些情况下，以信号S1的波形变化的部分为基准，信号S2的波形变化的部分迟延，因此，信号S1与信号S2的相位差大于0。

传感器11a与接触位置P2的距离和传感器11b与接触位置P2的距离相同。传感器11a与接触位置P5的距离和传感器11b与接触位置P5的距离相同。传感器11a与接触位置P8的距离和传感器11b与接触位置P8的距离相同。在这些情况下，信号S1的波形变化的部分和信号S2的波形变化的部分为相同相位，因此，信号S1与信号S2的相位差为0。

传感器11a与接触位置P3的距离长于传感器11b与接触位置P3的距离。传感器11a与接触位置P6的距离长于传感器11b与接触位置P6的距离。传感器11a与接触位置P9的距离长于传感器11b与接触位置P9的距离。在这些情况下，以信号S1的波形变化的部分为基准，信号S2的波形变化的部分提前，因此，信号S1与信号S2的相位差小于0。

传感器11a与接触位置P1的距离短于传感器11c与接触位置P1的距离。传感器11a与接触位置P2的距离短于传感器11c与接触位置P2的距离。传感器11a与接触位置P3的距离短于传感器11c与接触位置P3的距离。在这些情况下，以信号S1的波形变化的部分为基准，信号S3的波形变化的部分迟延，因此，信号S1与信号S3的相位差大于0。

传感器11a与接触位置P4的距离和传感器11c与接触位置P4的距离相同。传感器11a与接触位置P5的距离和传感器11c与接触位置P5的距离相同。传感器11a与接触位置P6的距离和传感器11c与接触位置P6的距离相同。在这些情况下，信号S1的波形变化的部分和信号S3的波形变化的部分为相同相位，因此，信号S1与信号S3的相位差为0。

传感器11a与接触位置P7的距离长于传感器11c与接触位置P7的距离。传感器11a与接触位置P8的距离长于传感器11c与接触位置P8的距离。传感器11a与接触位置P9的距离长于传感器11c与接触位置P9的距离。在这些情况下，以信号S1的波形变化的部分为基准，信号S3的波形变化的部分提前，因此，信号S1与信号S3的相位差小于0。

基于以上而制作的表为图3。在本实施方式中，基于信号S1与信号S2的相位差大于0的情况、0的情况、小于0的情况和信号S1与信号S3的相位差大于0的情况、0的情况、小于0的情况的组合来确定接触位置。但并不限定于此，也可利用信号S1与信号S2的相位差的值以及信号S1与信号S3的相位差的值来确定接触位置。

图2所示的确定部17利用在计算部15计算出的相位差和存储在存储部16的图3所示的信息确定接触位置。

作为计算部15计算出相位差的方法的例子有以下四种。虽然说明计算出信号S1与信号S2的相位差的方法，但信号S1与信号S3的相位差也可以相同的方法计算出。

<计算相位差的第一方法>

图6是关于信号S1及信号S2示出时间与信号强度之间的关系的一例的坐标图。横轴表示时间，纵轴表示信号强度。计算部15计算信号S1超过预先规定的阈值T时的相位与信号S2超过阈值T时的相位之间相位差。

<计算相位差的第二方法>

计算部15利用信号S1与信号S2的互相关函数(cross-correlation function)计算信号S1与信号S2的偏差、即相位差。根据互相关函数，直到两个信号S1、S2一致为止，将信号S1及信号S2中的其中之一沿时间轴方向偏移，其偏移量为相位差。根据第二方法，由于利用互相关函数，因此，与第一方法相比，能够准确地计算出相位差。

<计算相位差的第三方法>

在旋转机1的固有的振动大的情况下，该振动成为噪声，因此，无法利用互相关函数来准确地计算出相位差。在此种情况下使用第三方法。计算部15对信号S1及信号S2分别进行时频解析，利用根据其结果而获得的图像的二维互相关函数来计算图像的偏差、即相位差。根据第三方法，能够降低噪声的影响。另外，计算部15利用短时傅里叶变换或小波变换来作为时频解析。

图像为二维图像，因此，两个图像的互相关函数为二维互相关函数。如详细说明，图7A是关于信号S1示出表示时间与信号S1的强度之间的关系的函数的一例的坐标图。横轴表示时间，纵轴表示信号S1的强度。图7B是关于信号S1示出通过时频解析而获得的数据的一例的坐标图。横轴表示时间，纵轴表示频率。

图7C是关于信号S2示出表示时间与信号S2的强度之间的关系的函数的一例的坐标图。横轴表示时间，纵轴表示信号S2的强度。图7D是关于信号S2示出通过时频解析而获得的数据的一例的坐标图。横轴表示时间，纵轴表示频率。通过时频解析而获得的图像如图7B及图7D所示是表示时间与频率的关系的坐标图的图像。

在图7B及图7D中，白色表示频率成分的强度大，灰色表示频率成分的强度小。可知低频率成分的强度变高。这意味着在低频率成分中包含较多的因旋转机1的固有的振动等而产生的噪声。

图7B所示的坐标图是对信号S1进行时频解析而获得的图像，图7D所示的坐标图是对信号S2进行时频解析而获得的图像。计算部15利用图7B所示的图像和图7D所示的二维互相关函数计算出相位差。

<计算相位差的第四方法>

想要比第三方法更准确地计算出相位差时使用第四方法。计算部15对信号S1、S2进行时频解析，利用其结果而获得的图像的二维相位限定相关函数计算出图像的偏移、即相位差。作为时频解析，计算部15利用短时傅里叶变换或小波变换。

详细说明第四方法的相位差的计算。计算部15对于图7B所示的数据(即，表示时间与频率的关系的二维信号f(n₁，n₂))和图7D所示的数据(即，表示时间与频率的关系的二维信号g(n₁，n₂))，计算以如下的式定义的相位限定相关函数(phase-only>

[式1]

[式2]

r：相位限定相关函数

k₁＝-M₁，···，M₁

k₂＝-M₂，···，M₂

W_N1＝e^-j2π/N1

W_N2＝e^-j2π/N2

F：第一数据的二维离散傅里叶变换

G：第二数据的二维离散傅里叶变换

R：表示F、G的相位差的函数

A_F(k₁，k₂)：F(k₁，k₂)的振幅

A_G(k₁，k₂)：G(k₁，k₂)的振幅

e^{jθF(k1，k2)}：相位

e^{jθG(k1，k2)}：相位

图8是表示计算部15计算出的相位限定相关函数的一例的坐标图。横轴表示相位差，纵轴表示相关系数。相关系数示出峰值的相位差为信号S1与信号S2的相位差。

如上所述，在图7B所示的数据及图7D所示的数据中，低频率成分中含有较多的噪声。对此，也可以只利用不怎么包含噪声的高频率成分(例如，150kHz以上)计算相位限定相关函数。

主要参照图1、图2及图9说明本实施方式所涉及的旋转机的异常检测装置10的动作。图9是说明其动作的流程图。在第一旋转体2及第二旋转体3旋转的状态下，从传感器11a、11b、11c分别输出的信号S1、S2、S3连续地被发送到计算机12，控制部14连续地取得信号S1、S2、S3(步骤S1)。

关于第一旋转体2与壳体4的接触、第一旋转体2与第二旋转体3的接触、以及第二旋转体3与壳体4的接触，均当接触时，首先在广频带信号S1、S2、S3的强度变动。利用此种现象，当信号S1、S2、S3中例如信号S1的时间性的强度变动在多个频带同时发生时作为接触的时刻。即，将以时间对表示信号S1的函数A(t)进行微分的值大于预先规定的阈值φ的时间作为接触的时刻。

控制部14判断是否有以时间对表示在步骤S1取得的信号S1的函数A(t)进行微分的值大于预先规定的阈值φ的时间(步骤S2)。另外，确定接触的时刻是为了减少计算部的计算量(例如，时频解析的计算量)。因此，确定接触的时刻并不是用于确定接触位置P1～P9的必需的处理。

当控制部14判断为没有以时间对函数A(t)进行微分的值大于阈值φ的时间时(在步骤S2为否)，控制部14判定未发生接触(步骤S3)。

当控制部14判断为有以时间对函数A(t)进行微分的值有大于阈值φ的时间时(在步骤S2为是)，计算部15对在该时间的前后(主要是该时间后)从传感器11a、11b、11c输出的信号S1、S2、S3计算出信号S1与信号S2的相位差以及信号S1与信号S3的相位差(步骤S4)。

确定部17利用在步骤S4计算出的信号S1与信号S2的相位差及信号S1与信号S3的相位差和图3所示的表，确定接触位置(步骤S5)。并且，控制部14利用显示部13通知接触位置(步骤S6)。

说明本实施方式的主要的效果。旋转体(第一旋转体2、第二旋转体3)旋转过程中接触于某一部件，则产生弹性波(超声波或振动波)。此时，根据旋转体的接触位置不同而从配置在旋转机1的不同的部位的两个传感器输出的信号的相位差不同。本实施方式所涉及的旋转机的异常检测装置10利用该相位差来确定接触位置。

本实施方式所涉及的旋转机的异常检测装置10利用三个传感器11a、11b、11c，但是传感器只要是多个即可，例如也可为使用两个传感器的结构。在该结构中，将第一传感器安装于壳体4，将第二传感器从壳体4隔开一定距离而安装于旋转机1上。如果从第一传感器输出的信号的相位与从第二传感器输出的信号的相位相比提前，则能够判断振动从壳体4直接传播到了第一传感器及第二传感器。在此，所述结构所涉及的旋转机的异常检测装置计算出从第一传感器输出的信号与从第二传感器输出的信号之间的相位差，如果从第一传感器输出的信号的相位与从第二传感器输出的信号的相位相比提前，则判定第一旋转体2与壳体4接触或第二旋转体3与壳体4接触。

相对于此，如果从第一传感器输出的信号的相位与从第二传感器输出的信号的相位相比迟延，则能够判断因所述接触以外的接触(即，第一旋转体2与第二旋转体3的接触)而引起的振动传播到了第一传感器及第二传感器。在此，所述结构所涉及的旋转机的异常检测装置如果从第一传感器输出的信号的相位与从第二传感器输出的信号的相位相比迟延，则判定第一旋转体2与第二旋转体3接触。

本实施方式所涉及的旋转机的异常检测装置10将具备两个旋转体(第一旋转体2和第二旋转体3)的旋转机1作为对象，但是也可将具备一个旋转体的旋转机1作为对象。

作为本实施方式所涉及的旋转机的异常检测装置10的异常检测对象的旋转机1例如为压缩机，但并不限定于压缩机。

(实施方式的概括)

第一方面所涉及的旋转机的异常检测装置包括：多个传感器，被配置在具备旋转体的旋转机的预先规定的多个不同的部位，用于检测所述旋转体旋转过程中从所述旋转机产生的弹性波；计算部，从所述多个传感器中预先设定一组以上的两个传感器的组合，针对各组，计算从所述两个传感器输出的信号的相位差；存储部，预先存储表示所述旋转体在旋转过程中发生接触时所述各组的所述相位差与发生接触的接触位置之间的关系的信息；以及确定部，利用所述计算部计算出的所述相位差和存储在所述存储部的所述信息来确定所述接触位置。

如果旋转体在旋转过程中接触于某一部件，则产生弹性波(超声波或振动波)。此时，根据旋转体的接触位置不同而从配置在旋转机的不同的部位的两个传感器输出的信号的相位差不同。第一方面所涉及的旋转机的异常检测装置利用该相位差来确定接触位置。

由旋转机的异常检测装置的制作者等预先规定多个传感器被配置在旋转机的部位、多个传感器的个数以及两个传感器的组合的个数。这些根据旋转机的异常检测的实际状况而决定。

在所述结构中，所述计算部，针对所述各组，利用从所述两个传感器输出的信号的互相关函数计算所述相位差。

该结构是相位差的计算方法的一例。

在所述结构中，所述计算部，针对所述各组，对从所述两个传感器输出的信号进行时频解析，并利用通过所述时频解析而获得的表示时间与频率的关系的坐标图的图像的二维互相关函数来计算所述相位差。

在旋转机的固有振动大的情况下，该振动成为噪声。根据该结构，能够缩小噪声的影响，因此，能够准确地计算出相位差。

在所述结构中，所述计算部，针对所述各组，对从所述两个传感器输出的信号进行时频解析，并利用通过所述时频解析而获得的表示时间与频率的关系的坐标图的图像的二维相位限定相关函数来计算所述相位差。

根据该结构，与利用所述二维互相关函数计算相位差的情况相比，能够更准确地计算出相位差。

在所述结构中，所述计算部，作为所述时频解析，利用短时傅里叶变换或小波变换。

该结构是能够适用于第一方面所涉及的旋转机的异常检测装置的时频解析的例子。

第二方面所涉及的旋转机的异常检测方法包括以下步骤：计算步骤，对于配置在具备旋转体的旋转机的预先规定的多个不同的部位，用于检测所述旋转体旋转过程中从所述旋转机产生的弹性波的多个传感器，从所述多个传感器中预先设定有一组以上的两个传感器的组合，针对各组，计算从所述两个传感器输出的信号的相位差被；存储步骤，在所述计算步骤之前预先存储表示所述旋转体在旋转过程中发生接触时所述各组的所述相位差与发生接触的接触位置之间的关系的信息；以及确定步骤，利用在所述计算步骤计算出的所述相位差和在所述存储步骤存储的所述信息来确定所述接触位置。

根据第二方面所涉及的旋转机的异常检测方法，基于与第一方面所涉及的旋转机的异常检测装置一样的理由，能够确定接触位置。

第三方面所涉及的旋转机是具备所述异常检测装置的旋转机。

根据第三方面所涉及的旋转机，基于与第一方面所涉及的旋转机的异常检测装置一样的理由，能够确定接触位置。