異常診断装置
【課題】軸受の回転速度による振動振幅の変動を減少させ、回転速度の変動による振動の周波数スペクトルのＳ／Ｎの変動を小さくすることで、軸受の異常診断を常に高精度で実施可能な異常診断装置を提供する。
【解決手段】軸受の異常を診断する異常診断装置であって、前記軸受の振動を検出するための振動検出器と、前記振動検出器から出力される振動信号をＡＤ変換するＡＤ変換器と、前記ＡＤ変換器の出力を基に前記軸受の異常診断を行う演算処理部とを備え、且つ、前記振動検出器から出力される振動信号の振幅を、前記軸受の回転速度に応じて変化させる増幅度切替回路を備える。そして、前記演算処理部又は前記増幅度切替回路において、前記振幅が前記軸受の回転速度によらずに一定となるように制御する。
【解決手段】軸受の異常を診断する異常診断装置であって、前記軸受の振動を検出するための振動検出器と、前記振動検出器から出力される振動信号をＡＤ変換するＡＤ変換器と、前記ＡＤ変換器の出力を基に前記軸受の異常診断を行う演算処理部とを備え、且つ、前記振動検出器から出力される振動信号の振幅を、前記軸受の回転速度に応じて変化させる増幅度切替回路を備える。そして、前記演算処理部又は前記増幅度切替回路において、前記振幅が前記軸受の回転速度によらずに一定となるように制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両や自動車の車軸などを支持するために用いられる軸受の傷等の異常を、該軸受を分解することなく診断することが可能な異常診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の異常診断技術としては、例えば特許文献１に示されているものがある。この特許文献１には、運転中の機械装置に生ずる機械振動を何らかの方法で検出し、検出したデータの周波数解析を行い、得られた周波数スペクトルと励振周波数を比較することで異常な振動を検出する点が開示されている（特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開平８−２１９８７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、軸受から発生する振動の振幅は、振動の発生している軸受の回転速度によって変化する。そのため、軸受に生じている傷が同じでも、軸受の回転速度によって振動の振幅が変化してしまう。しかしながら、上述した従来の異常診断技術では、軸受の回転速度に起因する振動の振幅変化を考慮していないため、Ｓ／Ｎ比が安定しないデータを基に周波数解析を行ってしまう可能性がある。特に、低回転時のＳ／Ｎ比が悪くなり、低回転時において誤検出しやすくなることが考えられる。
【０００４】
本発明は上述のような事情から成されたものであり、本発明の目的は、軸受の回転速度による振動振幅の変動を減少させ、回転速度の変動による振動の周波数スペクトルのＳ／Ｎの変動を小さくすることで、軸受の異常診断を常に高精度で実施できる異常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】
【０００５】
本発明は、軸受の異常を診断する異常診断装置に関するものであり、本発明の上記目的は、軸受の振動を検出するための振動検出器と、前記振動検出器から出力される振動信号をＡＤ変換するＡＤ変換器と、前記ＡＤ変換器の出力を基に前記軸受の異常診断を行う演算処理部とを備え、且つ、前記振動検出器から出力される振動信号の振幅を、前記軸受の回転速度に応じて変化させる増幅度切替回路を備えることによって達成される。
【０００６】
また、本発明の上記目的は、前記振幅の増減度を切替える増幅度切替信号を前記演算処理部側で生成して、前記振幅が前記軸受の回転速度によらずに一定となるように制御すること、或いは、前記振幅の増減度を切替える増幅度切替信号を前記増幅度切替回路内で生成して、前記振幅が前記軸受の回転速度によらずに一定となるように制御することによって一層効果的に達成される。さらに、前記軸受の回転速度を検出するための回転検出器が矩形波出力タイプの回転検出器であって、前記回転検出器から発生する回転パルスに位相同期したＡＤ変換トリガ信号を生成して前記ＡＤ変換器に送出する位相同期制御手段を更に備え、前記演算処理部は、前記増幅度切替回路により前記振幅が前記回転速度に応じて補正された後の振動信号のデータを基にフーリエ変換して振動周波数を解析し、得られたパワースペクトルに含まれるピークとなる周波数と前記軸受の構成要素となる各部材の異常成分の特徴周波数とを比較して前記軸受の異常部位を特定する機能を有すること、前記演算処理部は、前記振動周波数の解析処理を複数回実行して得られた複数のパワースペクトルのスペクトル強度を平均化処理し、平均化処理後のパワースペクトルに基づいて前記軸受の異常の診断処理を行うこと、前記軸受の温度を検出するための温度検出手段をさらに備え、前記演算処理部は、前記振動信号のデータ及び前記温度の検出データに基づいて前記軸受の異常の診断処理を行うこと、によってそれぞれ一層効果的に達成される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、軸受の異常診断を回転数（速度）によらず、常に高精度に維持することができる。詳しくは、本発明に係る異常診断装置においては、振動信号の振幅を軸受の回転速度に応じて変化させることが可能であるため、振動信号の振幅の変動を減少させ、回転速度の変動による振動の振幅値（周波数スペクトルのピーク値）の変動を抑制し、常に高精度で軸受の異常診断を実施することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、鉄道車両の車軸用軸受装置における軸受（車軸を支持するための軸受）を診断対象として、傷などの異常の有無を診断する場合を例として説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明に係る異常診断装置の第１の実施形態を示すブロック図である。本実施形態において異常診断の対象となる軸受は、例えば鉄道車両の車軸用軸受装置内に配置された転がり軸受であり、図１に示すように、鉄道車両用の軸受１は、車体側ハウジングに内嵌された外輪１ａと、車軸に外嵌されて該車軸とともに回転する内輪１ｂと、外輪１ａと内輪１ｂとの間に転動自在に配設された複数の転動体（ボール又はころ）１ｃとを備えている。
【０００９】
本発明に係る異常診断装置２は、このような鉄道車両等に使用される転がり軸受を診断対象として、軸受の傷や剥離等の異常の発生及びその予兆を検出するものである。
【００１０】
本実施形態において異常診断装置２は、軸受１から発生する振動を検出するための振動検出部１０と、振動検出部１０からの出力に基づいて軸受１の異常を診断する演算処理部２０とを備えている。異常診断装置２内の振動検出部１０は、車軸用軸受装置内の軸受１から発生する振動を、電気信号である振動信号へ変換する振動検出手段としての振動検出器１１ａと、振動信号の振幅を軸受１の回転速度に応じて変化させる振幅可変手段としての増幅度切替回路１２と、振動信号をＡＤ変換するＡＤ変換器１３ａと、軸受１の回転速度（又は回転数）を検出する回転速度手段としての回転検出器１１ｂと、回転検出器１１ｂから発生する信号をＡＤ変換するＡＤ変換器１３ｂとを備えている。上記振動検出器１１ａは、例えば、振動検出センサで検出した軸受１の振動の振動周波数及びその強度（加速度）を示す信号を出力する。なお、振動検出センサ及び回転検出センサを有する軸受の場合は、振動検出部１０内の振動検出器１１ａ及び回転検出器１１ｂは不要であり、その場合には、異常診断装置２では、軸受１のセンサ部から出力される振動信号と回転信号を入力して処理する形態となる。
【００１１】
異常診断装置２内の演算処理部２０は、振動検出部１０からの出力に基づいて軸受１の異常を診断する機能を有しており、本例では鉄道車両の制御系と接続され、軸受１の異常診断結果に応じた制御信号を制御系に出力するようにしている。鉄道車両の制御系では、車両走行中、演算処理部２０からフイードバックされる診断結果を常時監視し、軸受１０の異常あるいはその予兆が検知されたときには、速やかにしかるべき対処動作を実施する。
【００１２】
本発明においては、振動検出器１１ａで検出された振動信号の振幅を、軸受１の回転速度に応じて変化させる制御を行うことで、軸受１の回転速度の変動による振動の周波数スペクトルのピーク値の変動を抑制するようにしている。この制御は演算処理部２０又は振動検出部１０で行われる。第１の実施形態は、上記制御を、演算処理部２０からの指令（増幅度切替信号）で行うようにした形態であり、演算処理部２０では、振動検出器１１ａからの振動信号（本例ではＡＤ変換器１３ａからの振動データ）、及び回転検出器１１ｂからの回転信号（本例ではＡＤ変換器１３ｂからの軸受１の回転速度の検出データ）を入力し、軸受１の回転速度に応じて、軸受１の振動信号の振幅増減度を切替える増幅度切替信号を生成して振動検出部１０内の増幅度切替回路１２に送出することで、振動検出器１１ａからの振動信号の振幅値（ＡＤ変換器１３ａの出力）が軸受１の回転速度によらずに一定となるように制御する。
【００１３】
なお、増幅度切替回路１２は、例えばオペアンプの反転増幅回路とその入力抵抗を切替えるマルチプレクサで構成することが可能であるが、増幅度切替回路１２の回路構成はこの限りではない。また、回転検出器１１ｂの出力信号形態は、電圧出力、正弦波出力、矩形波出力等複数考えられるが、演算処理部２０に入力できるように適宜変換をする。本実施の形態では電圧出力を例として説明するが、この限りではない。
【００１４】
上述のような構成において、第１の実施形態における異常診断装置の演算処理部の動作例を図２のフローチャートに従って説明する。
【００１５】
異常診断装置内の演算処理部２０は、振動検出部１０の回転検出器１１ｂからＡＤ変換器１３ａを介して軸受１の回転速度の検出データを取得し（ステップＳ１）、軸受１の回転速度に応じた増幅度切替信号を生成する。この増幅度切替信号は、前述のように、軸受１の回転速度の変動による振動の振幅（周波数スペクトルのピーク値）の変動を抑制するための制御信号であり、演算処理部２０では、例えば軸受の回転速度と振動信号の振幅増幅度との対応関係を示す対応情報（実測又は理論計算に基づく設定情報）又は関数式から、軸受１の回転速度に応じた振幅増幅度を得て、その振幅増幅度に切替えるための増幅度切替信号を振動検出部１０内の増幅度切替回路１２に送出し、振動検出器１１ａからの振動信号の振幅を増幅度切替回路１２によって変化（増減）させ、回転速度によらずに振幅が一定となるように制御する。言い換えると、増幅度切替回路１２による振幅の増幅度を回転速度に応じて切替えて、振動検出器１１ａからの振動信号の振幅値が一定となるように補正することで、回転速度の変動に伴う振動の周波数スペクトルのＳ／Ｎの変動が小さくなるように制御する（ステップＳ２）。
【００１６】
演算処理部２０では、振動検出部１０から振幅補正後の振動データ（Ａ／Ｄ変換器１３ａの出力）を取得し（ステップＳ３）、その振動データを高速フーリエ変換（ＦＦＴ）して周波数解析し、得られたパワースペクトルに含まれるピークとなる周波数と、軸受諸元（転動体１ｃの数や直径等）及び軸受１の回転速度から得られる特徴周波数とを比較し、軸受１の剥離等の異常を検出する。
【００１７】
詳しくは、ステップＳ４〜ステップＳ１２に示すように、先ず、演算処理部２０は、上記ステップＳ３で取得した振動データから不要な周波数帯域の信号を取り除くフィルタ処理をした後（ステップＳ４）、抽出された所定の周波数帯域の信号のエンべロープ（包絡線波形）を検波するエンべロープ処理を実施する（ステップＳ５）。そして、エンべロープ処理により得られたエンべロープの周波数解析を実施する（ステップＳ６）。
【００１８】
そして、周波数解析によって得られたパワースペクトルから、異常と見なす各傷成分の周波数帯域（後述）において、ピークとなる周波数（スペクトル強度）を抽出する（ステップＳ７）。
【００１９】
そして、その他の周波数帯域のスペクトル強度の平均値を計算し（ステップＳ８）、その平均値に基づいて基準値を設定し（ステップＳ９）、この基準値と、異常と見なす特徴周波数とを比較する（ステップＳ１０）。
【００２０】
ここで、異常と見なす特徴周波数について説明する。
【００２１】
軸受１に傷等の欠陥が生じた場合の振動周波数は、軸受１の構成要素（各部材）によって異なるが、異常と見なす各構成要素の周波数帯域は、車軸とともに回転する内輪１ｂの回転周波数ｆｒを基に求めることが可能である。
【００２２】
下記の表１は、軸受１の構成要素となる各部材の欠陥、具体的には、傷と、各部材（図１中の内輪１ｂ、外輪１ａ及び転動体１ｃ、及び図示されない保持器）で発生する異常振動周波数（エンべロープ処理後の周波数）との関係を示している。
【００２３】
【表１】
この関係から明らかなように、各異常振動周波数において、内輪回転周波数ｆｒ以外のパラメータ（ｆｉ、ｆｃ、ｆｂ）は、軸受諸元を用いてｆｒの定数倍として表すことができる。そこで、本実施の形態では、軸受１の各異常成分（本例では傷成分）の特徴周波数（Ｚｆｉ、Ｚｆｃ、２ｆｂ、ｆｃ）を回転周波数ｆｒで正規化して得るようにしている。
【００２４】
そして、前記ステップＳ１０においては、前記ステップＳ９で設定した基準値と各傷成分の特徴周波数（Ｚｆｉ，Ｚｆｃ，２ｆｂ，ｆｃ）とを比較する。
【００２５】
そして、各特徴周波数（Ｚｆｉ，Ｚｆｃ，２ｆｂ，ｆｃ）が全て基準値以下であれば、軸受１に異常なしと判定する（ステップＳ１１）。一方、各特徴周波数（Ｚｆｉ，Ｚｆｃ，２ｆｂ，ｆｃ）のいずれかが基準値を超えていたならば軸受１に異常ありと判断し、当該特徴周波数を基に異常部位を特定し、その診断結果に応じた制御信号を鉄道車両の制御系に出力すると共に、例えばその旨を示す情報をモニター等に表示する（ステップＳ１２）。
【００２６】
上記のように軸受の回転速度に応じて、振動検出器が出力する振動信号の振幅値を変化させる、つまり任意の回転速度においてＡＤ変換器へ送出する振動信号の振幅値を一定に近づけることで、振動信号を周波数解析することで得られる周波数スペクトルのピークの絶対値をほぼ一定に保つことができ、軸受の異常診断を常に高精度に実施することができる。また、異常と見なす周波数帯域を、軸受の回転周波数を基に演算処理部２０で計算して設定する必要がなく、軸受１の諸元を基に事前に設定することができる。さらに、軸受１の異常時に発生する振動に含まれる特徴周波数のスペクトル強度とその他の周波数のスペクトル強度との比に基づいて軸受１の異常診断を行っているので、異常診断に対するノイズの影響を極力排して、極めて信頼性の高い診断を実施できる。すなわち、軸受１自体には何ら異常が無いときでも、ノイズの影響により見かけ上特衝周波数（Ｚｆｉ，Ｚｆｃ，２ｆｂ，ｆｃ）の帯域にスペクトル強度のピークが検出されることがあるが、その他の周波数帯のスペクトルもノイズの影響により見かけ上スペクトル強度が増大するため、両者の比に基づいて診断を行うことにより、ノイズの影響による誤判定を無くすことができる。
（第２の実施形態）
図３は本発明に係る異常診断装置の第２の実施形態を図１に対応させて示すブロック図であり、第１の実施形態（図１に例示した異常診断装置２）と同一構成箇所は、同符号を付して説明を簡略化または省略する。
【００２７】
図３に示す異常診断装置２Ａは、回転検出器１１ｂからの回転信号を増幅度切替回路１２Ａで入力し、振動検出器１１ａからの振動信号の振幅を回転信号に応じて変化させる構成としている。
【００２８】
前述の第１の実施形態では、演算処理部２０が増幅度切替信号を生成して、その増幅度切替信号によって振動信号の振幅を回転速度に応じて変化させる形態を示したが、第２の実施形態は、その増減の制御（増幅度の切替制御）を振動検出部１０Ａ内で行う形態である。すなわち、第２の実施形態における異常診断装置２Ａは、第１の実施形態と比較して、振動検出部１０Ａが増幅度の切替機能を備えており、本例では、増幅度切替回路１２Ａ内でその切替制御を行うようにしている。増幅度の切替制御を実現する手段（増幅度切替制御手段）は、例えば、増幅度切替信号を作るための比較回路（コンパレータ等で実現可能）を増幅度切替回路１２Ａに設けることで実現される。すなわち、第２の実施形態においては、図３に示す増幅度切替回路１２Ａは、ハードウェアの面では、第１の実施形態の増幅度切替回路１２に加えて、増幅度切替制御手段としての比較回路を備えている。
【００２９】
上述のような構成において、第２の実施形態における異常診断装置の動作例を説明する。
【００３０】
先ず、振動検出部１０Ａの動作例を説明する。
【００３１】
振動検出部１０Ａ内の増幅度切替回路１２Ａは、回転検出器１１ｂから発生する軸受１の回転信号を入力し、その回転信号に応じて、現時点の回転速度に対する最適な振幅増幅度、例えば、振動信号の振幅値が軸受１の回転速度によらずに一定となるような振幅増幅度を求める。この振幅増幅度は、例えば、回転速度又は速度範囲毎の振幅増幅度の設定値（基準値）と現時点の回転速度とを比較回路で比較し、現時点の回転速度に対応する振幅増幅度の設定値を選択することで求める。あるいは、現時点の回転速度を関数式に設定し、関数演算によって振幅増幅度を求める。そして、その振幅増幅度に切替えるための増幅度切替信号を生成し、その増幅度切替信号によって振動検出器１１ａからの振動信号を変化させ、振動検出器１１ａで検出された振動信号の振幅が軸受１の回転速度によらずに一定となるように調整する。そして、調整後の振動信号をＡ／Ｄ変換器１３ａに送出する。
【００３２】
次に、演算処理部２０Ａの動作例について図４のフローチャートを参照して説明する。
【００３３】
第２の実施形態では、上記のように、振動検出部１０Ａ側で振動信号の振幅が既に補正されているので、演算処理部２０Ａ側での振幅増幅度の切替制御が不要となる。
【００３４】
すなわち、第１の実施形態における異常診断装置２Ａは、ソフトウェアの面では、第１の実施形態と比較して演算処理部２０Ａにおける増幅度切替信号を生成するステップ（図２のステップＳ１「軸受の回転速度取得」及びステップＳ２「増幅度切替信号の出力」）が不要となる。図４のフローチャートのステップＳ２１〜Ｓ３０における処理は、第１の実施形態において既に説明した図２のフローチャートのステップＳ３〜Ｓ１２における処理と同一であり、説明を省略する。
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。前述の第１及び第２の実施形態は、電圧出力タイプの回転検出器を想定した構成を例として説明したが、第３の実施形態では矩形波出力タイプの回転検出器を想定した例を説明する。
【００３５】
図５は本発明に係る異常診断装置の第３の実施形態を図３に対応させて示すブロック図であり、第２の実施形態（図３に例示した異常診断装置２Ａ）と同一構成箇所は、同符号を付して説明を簡略化または省略する。
【００３６】
図５に示す異常診断装置２Ｂにおいて、軸受１の回転速度を検出するための回転検出器１１ｂ’は、矩形波出力タイプの回転検出器であり、軸受１が回転する毎に所定数（例えば、６０）のパルス信号（回転パルス）を発生する。振動検出部１０Ｂは、回転検出器１１ｂ’から発生する回転パルスに位相同期した信号（ＡＤ変換トリガ信号）を生成して発振するようにしており、その位相同期制御手段としてＰＬＬ（Phａse locked loop）回路１４を備えている。演算処理部２０Ａでは、ＰＬＬ回路１４からのＡＤ変換トリガ信号の周波数をサンプリング周波数として、振動検出器１１からの振動信号のデータを増幅度切替回路１２Ｂ及びＡＤ変換器１３Ａを介してサンプリングする。
【００３７】
また、第１及び第２の実施例と比較して、振動検出部１０Ｂ内の増幅度切替回路１２Ｂは、回転検出器１１ｂ’から発生する回転パルスの周波数変化を電圧レベルの変化に変換する手段として、周波数−電圧変換回路を備えている。増幅度切替回路１２Ｂのその他の構成と動作、及び演算処理部２０Ａの構成と動作は、第２の実施形態と同様のため説明を省略し、ここでは、ＰＬＬ回路１４の構成例とその動作について説明する。なお、図５中の温度検出手段３０の構成要素である温度検出器３１とＡＤ変換器３２は、軸受１の温度を検出して、その検出温度に基づいて軸受１の異常を診断するための付加的な構成要素であり、その構成要素を付加した異常診断装置の説明については後述するものとする。
【００３８】
図５において、ＰＬＬ回路１４は、位相比較器１４ａ、ループフィルタ１４ｂ、電圧制御発振器（ＶＣＯ）１４ｃ、及び分周器１４ｄを含むループ回路で構成されている。ＰＬＬ回路１４内の位相比較器１４ａには、回転検出器１１ｂから出力される回転パルスと、ＰＬＬ回路１４内のＶＣＯ１４ｃからの発振信号（ＡＤ変換トリガ信号）を分周器１４ｄで分周して得られる分周パルスとが入力される。そして、位相比較器１４ａは、回転パルスと分周パルスとの位相差に応じたパルス信号を生成してループフィルタ１４ｂに送出する。ループフィルタ１４ｂは、パルス信号に応じた直流信号をＶＣＯ１４ｃに送出する。ＶＣＯ１４ｃは、入力電圧に応じた周波数のパルス信号をＡＤ変換トリガ信号としてＡＤ変換器１３ａに送出する。ＡＤ変換器１３ａからは、ＡＤ変換トリガ信号の周波数をサンプリング周波数として、振動検出器１１からの振動信号を増幅度切替回路１２Ｂを介してサンプリングした振動データが出力される。
【００３９】
このような構成とすることにより、回転検出器１１ｂからの回転パルスと分周器１４ｄからの分周パルスの両者の位相が一致するように同期引き込みが行われ、これにより、矩形波出力タイプの回転検出器１１ｂからの回転パルスの周波数とＡＤ変換トリガ信号の周波数との間に比例関係を持たせることができる。その結果、軸受１の回転周波数の変動による振動周波数の変動の影響を打ち消すことにより、回転周波数の変動による振動の周波数スペクトルのピークの鈍りを抑制することができる。また、前述のように、増幅度切替回路１２Ｂでは、回転速度の変動による振動信号の振幅の変動が減少させようにしているので、軸受１の回転周波数や回転速度の変動の影響を受けることがなく、異常診断を常に高精度で行うことが可能となる。
【００４０】
なお、上述した第３の実施形態においては、振動信号の増幅度の切替制御を振動検出器１０Ｂ側（増幅度切替回路１２Ｂ内）で行う形態を例としているが、上記切替制御を演算処理部２０Ａ側で行う場合は、第１の実施形態で例示した図１の異常診断装置２の振動検出部１０に、図５中のＰＬＬ回路１４を備えた構成とすれば良い。
（演算処理部における他の実施形態１）
上述した実施の形態においては、演算処理部（２０又は２０Ａ）では、振動検出部（１０、１０Ａ、又は１０Ｂ）からの振動データを基に軸受１の振動周波数を解析し、得られたパワースペクトルに含まれるピークとなる周波数と軸受の構成要素となる各部材の異常成分の特徴周波数とを比較して軸受１の異常を検出する場合を例として説明したが、軸受１の回転周波数に同期して振動周波数の解析処理を複数回行い、得られた複数のパワースペクトルのスペクトル強度を平均化する周波数平均化処理を実施したの後、そのパワースペクトルのデータに基づいて診断する形態とすることが好ましい。
【００４１】
図６は、異常診断装置の演算処理部２０Ａにおいて上記周波数平均化処理を行う場合の動作例を示すフローチャートであり、第２の実施形態の説明で用いた図４のフローチャートと比較して、図６中のステップＳ３１、Ｓ３６〜Ｓ３８の処理が追加される。ここでは、追加される処理について説明し、その他の処理（図６のステップＳ３２〜Ｓ３５、Ｓ３９〜Ｓ４４）については、第２の実施形態における処理（図４のステップＳ２１〜Ｓ２４、Ｓ２５〜Ｓ３０）と同様であるため、説明を省略する。
【００４２】
異常診断装置の演算処理部２０Ａでは、振動検出部１０から振幅補正後の振動データを取得し、そのステップＳ３２からステップＳ３５までの処理を規定回数（本例ではＮ＝１０回）繰り返すことで、周波数解析により複数（Ｎ個）のパワースペクトルのデータをサンプリングする（ステップＳ３１〜Ｓ３７）。そして、ステップＳ３８において、パワースペクトルのスペクトル強度を、サンプリングした規定回数分のパワースペクトルの周波数毎に平均化する処理（周波数平均化処理）を行う。そして、ステップＳ３９以降では、周波数平均化処理後のパワースペクトルのデータに基づいて軸受１の異常診断を行う。上記周波数平均化処理により、回転周波数の変動による振動の周波数スペクトルのピークの鈍りを一層抑制することができる。
（演算処理部における他の実施形態２）
上述した実施形態においては、振動検出器で検出した軸受１の振動信号に基づいて軸受の異常診断処理を行う場合を例として説明したが、軸受１の振動の状態と共に温度の状態も診断することにより、軸受の各種の異常を一層高精度で検出することが可能となる。その場合、軸受１の温度検出手段として、図５中に例示したように温度検出手段３０（温度検出器３１とＡＤ変換器３２）を追加し、演算処理部２０Ａにおいて軸受１の振動データと温度データを基に軸受の異常診断処理を実行する形態としても良い。
【００４３】
上記温度データを用いた異常診断処理の例を図７の処理フローに従って説明する。
【００４４】
図７は、図５に示した異常診断装置の演算処理部における処理内容を示すフローチャートである。なお、第１及び第３の実施形態に適用した場合も同様である。
【００４５】
演算処理部２０Ａは、異常診断を行う際、まず温度データ取得回数の値Ｍを初期値（Ｍ＝０）にセットする共に（ステップＳ５１）、温度異常を判定するための閾値の設定を行う。この閾値は、実測または理論計算に基づいて選定され、例えばオペレータによって予め設定されている（ステップＳ５２）。続いて、図２のフローに従って軸受１の振動による異常診断処理を実施した後（ステップＳ５３）、温度検出器３１で検出した軸受１の温度データをＡＤ変換器３２を介して取得する（ステップＳ５４）。そして、取得した温度データを移動平均処理することにより、ＡＤ変換時に重畳したノイズの影響を低減させる。移動平均処理した温度データはメモリに保存しておく（ステップＳ５５）。その後、温度データ取得回数の値Ｍをインクリメント（Ｍ＝Ｍ＋１）し（ステップＳ５６）、ステップＳ５３に戻ってステップＳ５５までの処理を繰り返す。そして、ステップＳ５７において、規定回数（本例ではＭ＝１０回）繰り返したと判定した場合は、移動平均処理後の温度データの値と温度異常の閾値とを比較する（ステップＳ５８）。
【００４６】
そして、温度データの値が閾値未満であれば、軸受１に異常なしと判定する（ステップＳ５９）。一方、温度データの値が閾値以上であれば、軸受１に温度異常ありと判断し、その診断結果に応じた制御信号を鉄道車両の制御系に出力すると共に、例えばその旨を示す情報をモニター等に表示する（ステップＳ６０）。従って、軸受１の振動若しくは温度の異常が検出された場合には、当該制御信号が鉄道車両の制御系に出力されると共に、診断結果が表示される。
【００４７】
上記のように、本実施形態によれば、軸受の振動に基づく異常判定に加えて、軸受の温度に基づく異常判定を行うことができるので、より信頼性の高い異常判定を行うことができる。
【００４８】
なお、温度による異常判定はその時々の軸受１の温度に基づいてなされるので、振動による異常判定の場合のようにサンプリング周波数ｆｓを軸受１の回転周波数ｆｒに比例させるといった処理を行う必要はない。そのため、温度による異常判定処理は振動による異常判定処理の合間に行うことが可能である。従って、図５に例示した構成では振動用と温度用とでＡＤ変換器を別々に設けた例を示したが、１つのＡＤ変換器で共用することも可能である。
【００４９】
なお、上述した実施の形態においては、鉄道車両用の軸受を診断対象とした場合を例として説明したが、鉄道車両用の軸受に限らず、自動車や船舶など、乗物全般に使用される軸受を診断対象とすることができる。また、上述した実施の形態においては、振動検出部をハードウェアで構成した場合を例として説明したが、一部をソフトウェアで構成する場合も本発明に含まれる。さらに、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、実施形態の組み合わせ等が可能である。その他、上述した各実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係る異常診断装置の第１の実施形態を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態における異常診断装置の演算処理部の動作例を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明に係る異常診断装置の第２の実施形態を示すブロック図である。
【図４】第２の実施形態における異常診断装置の演算処理部の動作例を説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明に係る異常診断装置の第３の実施形態を示すブロック図である。
【図６】本発明に係る異常診断装置の演算処理部における他の実施形態１の動作例を説明するためのフローチャートである。
【図７】本発明に係る異常診断装置の演算処理部における他の実施形態２の動作例を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００５１】
１ 軸受
２，２Ａ，２Ｂ 異常診断装置
１０，１０Ａ，１０Ｂ 振動検出部
１１ａ 振動検出手段（振動検出器）
１１ｂ，１１ｂ’ 回転検出手段（回転検出器）
１２，１２Ａ，１２Ｂ 増幅度切替手段（増幅度切替回路）
１３ａ，１３ｂ ＡＤ変換器
１４ ＰＬＬ回路
２０，２０Ａ 演算処理部
３０ 温度検出手段
３１ 温度検出器
３２ ＡＤ変換器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両や自動車の車軸などを支持するために用いられる軸受の傷等の異常を、該軸受を分解することなく診断することが可能な異常診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の異常診断技術としては、例えば特許文献１に示されているものがある。この特許文献１には、運転中の機械装置に生ずる機械振動を何らかの方法で検出し、検出したデータの周波数解析を行い、得られた周波数スペクトルと励振周波数を比較することで異常な振動を検出する点が開示されている（特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開平８−２１９８７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、軸受から発生する振動の振幅は、振動の発生している軸受の回転速度によって変化する。そのため、軸受に生じている傷が同じでも、軸受の回転速度によって振動の振幅が変化してしまう。しかしながら、上述した従来の異常診断技術では、軸受の回転速度に起因する振動の振幅変化を考慮していないため、Ｓ／Ｎ比が安定しないデータを基に周波数解析を行ってしまう可能性がある。特に、低回転時のＳ／Ｎ比が悪くなり、低回転時において誤検出しやすくなることが考えられる。
【０００４】
本発明は上述のような事情から成されたものであり、本発明の目的は、軸受の回転速度による振動振幅の変動を減少させ、回転速度の変動による振動の周波数スペクトルのＳ／Ｎの変動を小さくすることで、軸受の異常診断を常に高精度で実施できる異常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】
【０００５】
本発明は、軸受の異常を診断する異常診断装置に関するものであり、本発明の上記目的は、軸受の振動を検出するための振動検出器と、前記振動検出器から出力される振動信号をＡＤ変換するＡＤ変換器と、前記ＡＤ変換器の出力を基に前記軸受の異常診断を行う演算処理部とを備え、且つ、前記振動検出器から出力される振動信号の振幅を、前記軸受の回転速度に応じて変化させる増幅度切替回路を備えることによって達成される。
【０００６】
また、本発明の上記目的は、前記振幅の増減度を切替える増幅度切替信号を前記演算処理部側で生成して、前記振幅が前記軸受の回転速度によらずに一定となるように制御すること、或いは、前記振幅の増減度を切替える増幅度切替信号を前記増幅度切替回路内で生成して、前記振幅が前記軸受の回転速度によらずに一定となるように制御することによって一層効果的に達成される。さらに、前記軸受の回転速度を検出するための回転検出器が矩形波出力タイプの回転検出器であって、前記回転検出器から発生する回転パルスに位相同期したＡＤ変換トリガ信号を生成して前記ＡＤ変換器に送出する位相同期制御手段を更に備え、前記演算処理部は、前記増幅度切替回路により前記振幅が前記回転速度に応じて補正された後の振動信号のデータを基にフーリエ変換して振動周波数を解析し、得られたパワースペクトルに含まれるピークとなる周波数と前記軸受の構成要素となる各部材の異常成分の特徴周波数とを比較して前記軸受の異常部位を特定する機能を有すること、前記演算処理部は、前記振動周波数の解析処理を複数回実行して得られた複数のパワースペクトルのスペクトル強度を平均化処理し、平均化処理後のパワースペクトルに基づいて前記軸受の異常の診断処理を行うこと、前記軸受の温度を検出するための温度検出手段をさらに備え、前記演算処理部は、前記振動信号のデータ及び前記温度の検出データに基づいて前記軸受の異常の診断処理を行うこと、によってそれぞれ一層効果的に達成される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、軸受の異常診断を回転数（速度）によらず、常に高精度に維持することができる。詳しくは、本発明に係る異常診断装置においては、振動信号の振幅を軸受の回転速度に応じて変化させることが可能であるため、振動信号の振幅の変動を減少させ、回転速度の変動による振動の振幅値（周波数スペクトルのピーク値）の変動を抑制し、常に高精度で軸受の異常診断を実施することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、鉄道車両の車軸用軸受装置における軸受（車軸を支持するための軸受）を診断対象として、傷などの異常の有無を診断する場合を例として説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明に係る異常診断装置の第１の実施形態を示すブロック図である。本実施形態において異常診断の対象となる軸受は、例えば鉄道車両の車軸用軸受装置内に配置された転がり軸受であり、図１に示すように、鉄道車両用の軸受１は、車体側ハウジングに内嵌された外輪１ａと、車軸に外嵌されて該車軸とともに回転する内輪１ｂと、外輪１ａと内輪１ｂとの間に転動自在に配設された複数の転動体（ボール又はころ）１ｃとを備えている。
【０００９】
本発明に係る異常診断装置２は、このような鉄道車両等に使用される転がり軸受を診断対象として、軸受の傷や剥離等の異常の発生及びその予兆を検出するものである。
【００１０】
本実施形態において異常診断装置２は、軸受１から発生する振動を検出するための振動検出部１０と、振動検出部１０からの出力に基づいて軸受１の異常を診断する演算処理部２０とを備えている。異常診断装置２内の振動検出部１０は、車軸用軸受装置内の軸受１から発生する振動を、電気信号である振動信号へ変換する振動検出手段としての振動検出器１１ａと、振動信号の振幅を軸受１の回転速度に応じて変化させる振幅可変手段としての増幅度切替回路１２と、振動信号をＡＤ変換するＡＤ変換器１３ａと、軸受１の回転速度（又は回転数）を検出する回転速度手段としての回転検出器１１ｂと、回転検出器１１ｂから発生する信号をＡＤ変換するＡＤ変換器１３ｂとを備えている。上記振動検出器１１ａは、例えば、振動検出センサで検出した軸受１の振動の振動周波数及びその強度（加速度）を示す信号を出力する。なお、振動検出センサ及び回転検出センサを有する軸受の場合は、振動検出部１０内の振動検出器１１ａ及び回転検出器１１ｂは不要であり、その場合には、異常診断装置２では、軸受１のセンサ部から出力される振動信号と回転信号を入力して処理する形態となる。
【００１１】
異常診断装置２内の演算処理部２０は、振動検出部１０からの出力に基づいて軸受１の異常を診断する機能を有しており、本例では鉄道車両の制御系と接続され、軸受１の異常診断結果に応じた制御信号を制御系に出力するようにしている。鉄道車両の制御系では、車両走行中、演算処理部２０からフイードバックされる診断結果を常時監視し、軸受１０の異常あるいはその予兆が検知されたときには、速やかにしかるべき対処動作を実施する。
【００１２】
本発明においては、振動検出器１１ａで検出された振動信号の振幅を、軸受１の回転速度に応じて変化させる制御を行うことで、軸受１の回転速度の変動による振動の周波数スペクトルのピーク値の変動を抑制するようにしている。この制御は演算処理部２０又は振動検出部１０で行われる。第１の実施形態は、上記制御を、演算処理部２０からの指令（増幅度切替信号）で行うようにした形態であり、演算処理部２０では、振動検出器１１ａからの振動信号（本例ではＡＤ変換器１３ａからの振動データ）、及び回転検出器１１ｂからの回転信号（本例ではＡＤ変換器１３ｂからの軸受１の回転速度の検出データ）を入力し、軸受１の回転速度に応じて、軸受１の振動信号の振幅増減度を切替える増幅度切替信号を生成して振動検出部１０内の増幅度切替回路１２に送出することで、振動検出器１１ａからの振動信号の振幅値（ＡＤ変換器１３ａの出力）が軸受１の回転速度によらずに一定となるように制御する。
【００１３】
なお、増幅度切替回路１２は、例えばオペアンプの反転増幅回路とその入力抵抗を切替えるマルチプレクサで構成することが可能であるが、増幅度切替回路１２の回路構成はこの限りではない。また、回転検出器１１ｂの出力信号形態は、電圧出力、正弦波出力、矩形波出力等複数考えられるが、演算処理部２０に入力できるように適宜変換をする。本実施の形態では電圧出力を例として説明するが、この限りではない。
【００１４】
上述のような構成において、第１の実施形態における異常診断装置の演算処理部の動作例を図２のフローチャートに従って説明する。
【００１５】
異常診断装置内の演算処理部２０は、振動検出部１０の回転検出器１１ｂからＡＤ変換器１３ａを介して軸受１の回転速度の検出データを取得し（ステップＳ１）、軸受１の回転速度に応じた増幅度切替信号を生成する。この増幅度切替信号は、前述のように、軸受１の回転速度の変動による振動の振幅（周波数スペクトルのピーク値）の変動を抑制するための制御信号であり、演算処理部２０では、例えば軸受の回転速度と振動信号の振幅増幅度との対応関係を示す対応情報（実測又は理論計算に基づく設定情報）又は関数式から、軸受１の回転速度に応じた振幅増幅度を得て、その振幅増幅度に切替えるための増幅度切替信号を振動検出部１０内の増幅度切替回路１２に送出し、振動検出器１１ａからの振動信号の振幅を増幅度切替回路１２によって変化（増減）させ、回転速度によらずに振幅が一定となるように制御する。言い換えると、増幅度切替回路１２による振幅の増幅度を回転速度に応じて切替えて、振動検出器１１ａからの振動信号の振幅値が一定となるように補正することで、回転速度の変動に伴う振動の周波数スペクトルのＳ／Ｎの変動が小さくなるように制御する（ステップＳ２）。
【００１６】
演算処理部２０では、振動検出部１０から振幅補正後の振動データ（Ａ／Ｄ変換器１３ａの出力）を取得し（ステップＳ３）、その振動データを高速フーリエ変換（ＦＦＴ）して周波数解析し、得られたパワースペクトルに含まれるピークとなる周波数と、軸受諸元（転動体１ｃの数や直径等）及び軸受１の回転速度から得られる特徴周波数とを比較し、軸受１の剥離等の異常を検出する。
【００１７】
詳しくは、ステップＳ４〜ステップＳ１２に示すように、先ず、演算処理部２０は、上記ステップＳ３で取得した振動データから不要な周波数帯域の信号を取り除くフィルタ処理をした後（ステップＳ４）、抽出された所定の周波数帯域の信号のエンべロープ（包絡線波形）を検波するエンべロープ処理を実施する（ステップＳ５）。そして、エンべロープ処理により得られたエンべロープの周波数解析を実施する（ステップＳ６）。
【００１８】
そして、周波数解析によって得られたパワースペクトルから、異常と見なす各傷成分の周波数帯域（後述）において、ピークとなる周波数（スペクトル強度）を抽出する（ステップＳ７）。
【００１９】
そして、その他の周波数帯域のスペクトル強度の平均値を計算し（ステップＳ８）、その平均値に基づいて基準値を設定し（ステップＳ９）、この基準値と、異常と見なす特徴周波数とを比較する（ステップＳ１０）。
【００２０】
ここで、異常と見なす特徴周波数について説明する。
【００２１】
軸受１に傷等の欠陥が生じた場合の振動周波数は、軸受１の構成要素（各部材）によって異なるが、異常と見なす各構成要素の周波数帯域は、車軸とともに回転する内輪１ｂの回転周波数ｆｒを基に求めることが可能である。
【００２２】
下記の表１は、軸受１の構成要素となる各部材の欠陥、具体的には、傷と、各部材（図１中の内輪１ｂ、外輪１ａ及び転動体１ｃ、及び図示されない保持器）で発生する異常振動周波数（エンべロープ処理後の周波数）との関係を示している。
【００２３】
【表１】
この関係から明らかなように、各異常振動周波数において、内輪回転周波数ｆｒ以外のパラメータ（ｆｉ、ｆｃ、ｆｂ）は、軸受諸元を用いてｆｒの定数倍として表すことができる。そこで、本実施の形態では、軸受１の各異常成分（本例では傷成分）の特徴周波数（Ｚｆｉ、Ｚｆｃ、２ｆｂ、ｆｃ）を回転周波数ｆｒで正規化して得るようにしている。
【００２４】
そして、前記ステップＳ１０においては、前記ステップＳ９で設定した基準値と各傷成分の特徴周波数（Ｚｆｉ，Ｚｆｃ，２ｆｂ，ｆｃ）とを比較する。
【００２５】
そして、各特徴周波数（Ｚｆｉ，Ｚｆｃ，２ｆｂ，ｆｃ）が全て基準値以下であれば、軸受１に異常なしと判定する（ステップＳ１１）。一方、各特徴周波数（Ｚｆｉ，Ｚｆｃ，２ｆｂ，ｆｃ）のいずれかが基準値を超えていたならば軸受１に異常ありと判断し、当該特徴周波数を基に異常部位を特定し、その診断結果に応じた制御信号を鉄道車両の制御系に出力すると共に、例えばその旨を示す情報をモニター等に表示する（ステップＳ１２）。
【００２６】
上記のように軸受の回転速度に応じて、振動検出器が出力する振動信号の振幅値を変化させる、つまり任意の回転速度においてＡＤ変換器へ送出する振動信号の振幅値を一定に近づけることで、振動信号を周波数解析することで得られる周波数スペクトルのピークの絶対値をほぼ一定に保つことができ、軸受の異常診断を常に高精度に実施することができる。また、異常と見なす周波数帯域を、軸受の回転周波数を基に演算処理部２０で計算して設定する必要がなく、軸受１の諸元を基に事前に設定することができる。さらに、軸受１の異常時に発生する振動に含まれる特徴周波数のスペクトル強度とその他の周波数のスペクトル強度との比に基づいて軸受１の異常診断を行っているので、異常診断に対するノイズの影響を極力排して、極めて信頼性の高い診断を実施できる。すなわち、軸受１自体には何ら異常が無いときでも、ノイズの影響により見かけ上特衝周波数（Ｚｆｉ，Ｚｆｃ，２ｆｂ，ｆｃ）の帯域にスペクトル強度のピークが検出されることがあるが、その他の周波数帯のスペクトルもノイズの影響により見かけ上スペクトル強度が増大するため、両者の比に基づいて診断を行うことにより、ノイズの影響による誤判定を無くすことができる。
（第２の実施形態）
図３は本発明に係る異常診断装置の第２の実施形態を図１に対応させて示すブロック図であり、第１の実施形態（図１に例示した異常診断装置２）と同一構成箇所は、同符号を付して説明を簡略化または省略する。
【００２７】
図３に示す異常診断装置２Ａは、回転検出器１１ｂからの回転信号を増幅度切替回路１２Ａで入力し、振動検出器１１ａからの振動信号の振幅を回転信号に応じて変化させる構成としている。
【００２８】
前述の第１の実施形態では、演算処理部２０が増幅度切替信号を生成して、その増幅度切替信号によって振動信号の振幅を回転速度に応じて変化させる形態を示したが、第２の実施形態は、その増減の制御（増幅度の切替制御）を振動検出部１０Ａ内で行う形態である。すなわち、第２の実施形態における異常診断装置２Ａは、第１の実施形態と比較して、振動検出部１０Ａが増幅度の切替機能を備えており、本例では、増幅度切替回路１２Ａ内でその切替制御を行うようにしている。増幅度の切替制御を実現する手段（増幅度切替制御手段）は、例えば、増幅度切替信号を作るための比較回路（コンパレータ等で実現可能）を増幅度切替回路１２Ａに設けることで実現される。すなわち、第２の実施形態においては、図３に示す増幅度切替回路１２Ａは、ハードウェアの面では、第１の実施形態の増幅度切替回路１２に加えて、増幅度切替制御手段としての比較回路を備えている。
【００２９】
上述のような構成において、第２の実施形態における異常診断装置の動作例を説明する。
【００３０】
先ず、振動検出部１０Ａの動作例を説明する。
【００３１】
振動検出部１０Ａ内の増幅度切替回路１２Ａは、回転検出器１１ｂから発生する軸受１の回転信号を入力し、その回転信号に応じて、現時点の回転速度に対する最適な振幅増幅度、例えば、振動信号の振幅値が軸受１の回転速度によらずに一定となるような振幅増幅度を求める。この振幅増幅度は、例えば、回転速度又は速度範囲毎の振幅増幅度の設定値（基準値）と現時点の回転速度とを比較回路で比較し、現時点の回転速度に対応する振幅増幅度の設定値を選択することで求める。あるいは、現時点の回転速度を関数式に設定し、関数演算によって振幅増幅度を求める。そして、その振幅増幅度に切替えるための増幅度切替信号を生成し、その増幅度切替信号によって振動検出器１１ａからの振動信号を変化させ、振動検出器１１ａで検出された振動信号の振幅が軸受１の回転速度によらずに一定となるように調整する。そして、調整後の振動信号をＡ／Ｄ変換器１３ａに送出する。
【００３２】
次に、演算処理部２０Ａの動作例について図４のフローチャートを参照して説明する。
【００３３】
第２の実施形態では、上記のように、振動検出部１０Ａ側で振動信号の振幅が既に補正されているので、演算処理部２０Ａ側での振幅増幅度の切替制御が不要となる。
【００３４】
すなわち、第１の実施形態における異常診断装置２Ａは、ソフトウェアの面では、第１の実施形態と比較して演算処理部２０Ａにおける増幅度切替信号を生成するステップ（図２のステップＳ１「軸受の回転速度取得」及びステップＳ２「増幅度切替信号の出力」）が不要となる。図４のフローチャートのステップＳ２１〜Ｓ３０における処理は、第１の実施形態において既に説明した図２のフローチャートのステップＳ３〜Ｓ１２における処理と同一であり、説明を省略する。
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。前述の第１及び第２の実施形態は、電圧出力タイプの回転検出器を想定した構成を例として説明したが、第３の実施形態では矩形波出力タイプの回転検出器を想定した例を説明する。
【００３５】
図５は本発明に係る異常診断装置の第３の実施形態を図３に対応させて示すブロック図であり、第２の実施形態（図３に例示した異常診断装置２Ａ）と同一構成箇所は、同符号を付して説明を簡略化または省略する。
【００３６】
図５に示す異常診断装置２Ｂにおいて、軸受１の回転速度を検出するための回転検出器１１ｂ’は、矩形波出力タイプの回転検出器であり、軸受１が回転する毎に所定数（例えば、６０）のパルス信号（回転パルス）を発生する。振動検出部１０Ｂは、回転検出器１１ｂ’から発生する回転パルスに位相同期した信号（ＡＤ変換トリガ信号）を生成して発振するようにしており、その位相同期制御手段としてＰＬＬ（Phａse locked loop）回路１４を備えている。演算処理部２０Ａでは、ＰＬＬ回路１４からのＡＤ変換トリガ信号の周波数をサンプリング周波数として、振動検出器１１からの振動信号のデータを増幅度切替回路１２Ｂ及びＡＤ変換器１３Ａを介してサンプリングする。
【００３７】
また、第１及び第２の実施例と比較して、振動検出部１０Ｂ内の増幅度切替回路１２Ｂは、回転検出器１１ｂ’から発生する回転パルスの周波数変化を電圧レベルの変化に変換する手段として、周波数−電圧変換回路を備えている。増幅度切替回路１２Ｂのその他の構成と動作、及び演算処理部２０Ａの構成と動作は、第２の実施形態と同様のため説明を省略し、ここでは、ＰＬＬ回路１４の構成例とその動作について説明する。なお、図５中の温度検出手段３０の構成要素である温度検出器３１とＡＤ変換器３２は、軸受１の温度を検出して、その検出温度に基づいて軸受１の異常を診断するための付加的な構成要素であり、その構成要素を付加した異常診断装置の説明については後述するものとする。
【００３８】
図５において、ＰＬＬ回路１４は、位相比較器１４ａ、ループフィルタ１４ｂ、電圧制御発振器（ＶＣＯ）１４ｃ、及び分周器１４ｄを含むループ回路で構成されている。ＰＬＬ回路１４内の位相比較器１４ａには、回転検出器１１ｂから出力される回転パルスと、ＰＬＬ回路１４内のＶＣＯ１４ｃからの発振信号（ＡＤ変換トリガ信号）を分周器１４ｄで分周して得られる分周パルスとが入力される。そして、位相比較器１４ａは、回転パルスと分周パルスとの位相差に応じたパルス信号を生成してループフィルタ１４ｂに送出する。ループフィルタ１４ｂは、パルス信号に応じた直流信号をＶＣＯ１４ｃに送出する。ＶＣＯ１４ｃは、入力電圧に応じた周波数のパルス信号をＡＤ変換トリガ信号としてＡＤ変換器１３ａに送出する。ＡＤ変換器１３ａからは、ＡＤ変換トリガ信号の周波数をサンプリング周波数として、振動検出器１１からの振動信号を増幅度切替回路１２Ｂを介してサンプリングした振動データが出力される。
【００３９】
このような構成とすることにより、回転検出器１１ｂからの回転パルスと分周器１４ｄからの分周パルスの両者の位相が一致するように同期引き込みが行われ、これにより、矩形波出力タイプの回転検出器１１ｂからの回転パルスの周波数とＡＤ変換トリガ信号の周波数との間に比例関係を持たせることができる。その結果、軸受１の回転周波数の変動による振動周波数の変動の影響を打ち消すことにより、回転周波数の変動による振動の周波数スペクトルのピークの鈍りを抑制することができる。また、前述のように、増幅度切替回路１２Ｂでは、回転速度の変動による振動信号の振幅の変動が減少させようにしているので、軸受１の回転周波数や回転速度の変動の影響を受けることがなく、異常診断を常に高精度で行うことが可能となる。
【００４０】
なお、上述した第３の実施形態においては、振動信号の増幅度の切替制御を振動検出器１０Ｂ側（増幅度切替回路１２Ｂ内）で行う形態を例としているが、上記切替制御を演算処理部２０Ａ側で行う場合は、第１の実施形態で例示した図１の異常診断装置２の振動検出部１０に、図５中のＰＬＬ回路１４を備えた構成とすれば良い。
（演算処理部における他の実施形態１）
上述した実施の形態においては、演算処理部（２０又は２０Ａ）では、振動検出部（１０、１０Ａ、又は１０Ｂ）からの振動データを基に軸受１の振動周波数を解析し、得られたパワースペクトルに含まれるピークとなる周波数と軸受の構成要素となる各部材の異常成分の特徴周波数とを比較して軸受１の異常を検出する場合を例として説明したが、軸受１の回転周波数に同期して振動周波数の解析処理を複数回行い、得られた複数のパワースペクトルのスペクトル強度を平均化する周波数平均化処理を実施したの後、そのパワースペクトルのデータに基づいて診断する形態とすることが好ましい。
【００４１】
図６は、異常診断装置の演算処理部２０Ａにおいて上記周波数平均化処理を行う場合の動作例を示すフローチャートであり、第２の実施形態の説明で用いた図４のフローチャートと比較して、図６中のステップＳ３１、Ｓ３６〜Ｓ３８の処理が追加される。ここでは、追加される処理について説明し、その他の処理（図６のステップＳ３２〜Ｓ３５、Ｓ３９〜Ｓ４４）については、第２の実施形態における処理（図４のステップＳ２１〜Ｓ２４、Ｓ２５〜Ｓ３０）と同様であるため、説明を省略する。
【００４２】
異常診断装置の演算処理部２０Ａでは、振動検出部１０から振幅補正後の振動データを取得し、そのステップＳ３２からステップＳ３５までの処理を規定回数（本例ではＮ＝１０回）繰り返すことで、周波数解析により複数（Ｎ個）のパワースペクトルのデータをサンプリングする（ステップＳ３１〜Ｓ３７）。そして、ステップＳ３８において、パワースペクトルのスペクトル強度を、サンプリングした規定回数分のパワースペクトルの周波数毎に平均化する処理（周波数平均化処理）を行う。そして、ステップＳ３９以降では、周波数平均化処理後のパワースペクトルのデータに基づいて軸受１の異常診断を行う。上記周波数平均化処理により、回転周波数の変動による振動の周波数スペクトルのピークの鈍りを一層抑制することができる。
（演算処理部における他の実施形態２）
上述した実施形態においては、振動検出器で検出した軸受１の振動信号に基づいて軸受の異常診断処理を行う場合を例として説明したが、軸受１の振動の状態と共に温度の状態も診断することにより、軸受の各種の異常を一層高精度で検出することが可能となる。その場合、軸受１の温度検出手段として、図５中に例示したように温度検出手段３０（温度検出器３１とＡＤ変換器３２）を追加し、演算処理部２０Ａにおいて軸受１の振動データと温度データを基に軸受の異常診断処理を実行する形態としても良い。
【００４３】
上記温度データを用いた異常診断処理の例を図７の処理フローに従って説明する。
【００４４】
図７は、図５に示した異常診断装置の演算処理部における処理内容を示すフローチャートである。なお、第１及び第３の実施形態に適用した場合も同様である。
【００４５】
演算処理部２０Ａは、異常診断を行う際、まず温度データ取得回数の値Ｍを初期値（Ｍ＝０）にセットする共に（ステップＳ５１）、温度異常を判定するための閾値の設定を行う。この閾値は、実測または理論計算に基づいて選定され、例えばオペレータによって予め設定されている（ステップＳ５２）。続いて、図２のフローに従って軸受１の振動による異常診断処理を実施した後（ステップＳ５３）、温度検出器３１で検出した軸受１の温度データをＡＤ変換器３２を介して取得する（ステップＳ５４）。そして、取得した温度データを移動平均処理することにより、ＡＤ変換時に重畳したノイズの影響を低減させる。移動平均処理した温度データはメモリに保存しておく（ステップＳ５５）。その後、温度データ取得回数の値Ｍをインクリメント（Ｍ＝Ｍ＋１）し（ステップＳ５６）、ステップＳ５３に戻ってステップＳ５５までの処理を繰り返す。そして、ステップＳ５７において、規定回数（本例ではＭ＝１０回）繰り返したと判定した場合は、移動平均処理後の温度データの値と温度異常の閾値とを比較する（ステップＳ５８）。
【００４６】
そして、温度データの値が閾値未満であれば、軸受１に異常なしと判定する（ステップＳ５９）。一方、温度データの値が閾値以上であれば、軸受１に温度異常ありと判断し、その診断結果に応じた制御信号を鉄道車両の制御系に出力すると共に、例えばその旨を示す情報をモニター等に表示する（ステップＳ６０）。従って、軸受１の振動若しくは温度の異常が検出された場合には、当該制御信号が鉄道車両の制御系に出力されると共に、診断結果が表示される。
【００４７】
上記のように、本実施形態によれば、軸受の振動に基づく異常判定に加えて、軸受の温度に基づく異常判定を行うことができるので、より信頼性の高い異常判定を行うことができる。
【００４８】
なお、温度による異常判定はその時々の軸受１の温度に基づいてなされるので、振動による異常判定の場合のようにサンプリング周波数ｆｓを軸受１の回転周波数ｆｒに比例させるといった処理を行う必要はない。そのため、温度による異常判定処理は振動による異常判定処理の合間に行うことが可能である。従って、図５に例示した構成では振動用と温度用とでＡＤ変換器を別々に設けた例を示したが、１つのＡＤ変換器で共用することも可能である。
【００４９】
なお、上述した実施の形態においては、鉄道車両用の軸受を診断対象とした場合を例として説明したが、鉄道車両用の軸受に限らず、自動車や船舶など、乗物全般に使用される軸受を診断対象とすることができる。また、上述した実施の形態においては、振動検出部をハードウェアで構成した場合を例として説明したが、一部をソフトウェアで構成する場合も本発明に含まれる。さらに、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、実施形態の組み合わせ等が可能である。その他、上述した各実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係る異常診断装置の第１の実施形態を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態における異常診断装置の演算処理部の動作例を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明に係る異常診断装置の第２の実施形態を示すブロック図である。
【図４】第２の実施形態における異常診断装置の演算処理部の動作例を説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明に係る異常診断装置の第３の実施形態を示すブロック図である。
【図６】本発明に係る異常診断装置の演算処理部における他の実施形態１の動作例を説明するためのフローチャートである。
【図７】本発明に係る異常診断装置の演算処理部における他の実施形態２の動作例を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００５１】
１ 軸受
２，２Ａ，２Ｂ 異常診断装置
１０，１０Ａ，１０Ｂ 振動検出部
１１ａ 振動検出手段（振動検出器）
１１ｂ，１１ｂ’ 回転検出手段（回転検出器）
１２，１２Ａ，１２Ｂ 増幅度切替手段（増幅度切替回路）
１３ａ，１３ｂ ＡＤ変換器
１４ ＰＬＬ回路
２０，２０Ａ 演算処理部
３０ 温度検出手段
３１ 温度検出器
３２ ＡＤ変換器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受の異常を診断する異常診断装置であって、前記軸受の振動を検出するための振動検出器と、前記振動検出器から出力される振動信号をＡＤ変換するＡＤ変換器と、前記ＡＤ変換器の出力を基に前記軸受の異常診断を行う演算処理部とを備え、且つ、前記振動検出器から出力される振動信号の振幅を、前記軸受の回転速度に応じて変化させる増幅度切替回路を備えたことを特徴とする異常診断装置。
【請求項２】
前記振幅の増減度を切替える増幅度切替信号を前記演算処理部側で生成して、前記振幅が前記軸受の回転速度によらずに一定となるように制御することを特徴とする請求項１に記載の異常診断装置。
【請求項３】
前記振幅の増減度を切替える増幅度切替信号を前記増幅度切替回路内で生成して、前記振幅が前記軸受の回転速度によらずに一定となるように制御することを特徴とする請求項１に記載の異常診断装置。
【請求項４】
前記軸受の回転速度を検出するための回転検出器が矩形波出力タイプの回転検出器であって、前記回転検出器から発生する回転パルスに位相同期したＡＤ変換トリガ信号を生成して前記ＡＤ変換器に送出する位相同期制御手段を更に備え、前記演算処理部は、前記ＡＤ変換トリガ信号の周波数をサンプリング周波数として前記増幅度切替回路及び前記ＡＤ変換器を介して前記振動信号のデータをサンプリングすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の異常診断装置。
【請求項５】
前記演算処理部は、前記増幅度切替回路により前記振幅が前記回転速度に応じて補正された後の振動信号のデータを基にフーリエ変換して振動周波数を解析し、得られたパワースペクトルに含まれるピークとなる周波数と前記軸受の構成要素となる各部材の異常成分の特徴周波数とを比較して前記軸受の異常部位を特定する機能を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の異常診断装置。
【請求項６】
前記演算処理部は、前記振動周波数の解析処理を複数回実行して得られた複数のパワースペクトルのスペクトル強度を平均化処理し、平均化処理後のパワースペクトルに基づいて前記軸受の異常の診断処理を行うことを特徴とする請求項５に記載の異常診断装置。
【請求項７】
前記軸受の温度を検出するための温度検出手段をさらに備え、前記演算処理部は、前記振動信号のデータ及び前記温度の検出データに基づいて前記軸受の異常の診断処理を行うことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の異常診断装置。
【請求項１】
軸受の異常を診断する異常診断装置であって、前記軸受の振動を検出するための振動検出器と、前記振動検出器から出力される振動信号をＡＤ変換するＡＤ変換器と、前記ＡＤ変換器の出力を基に前記軸受の異常診断を行う演算処理部とを備え、且つ、前記振動検出器から出力される振動信号の振幅を、前記軸受の回転速度に応じて変化させる増幅度切替回路を備えたことを特徴とする異常診断装置。
【請求項２】
前記振幅の増減度を切替える増幅度切替信号を前記演算処理部側で生成して、前記振幅が前記軸受の回転速度によらずに一定となるように制御することを特徴とする請求項１に記載の異常診断装置。
【請求項３】
前記振幅の増減度を切替える増幅度切替信号を前記増幅度切替回路内で生成して、前記振幅が前記軸受の回転速度によらずに一定となるように制御することを特徴とする請求項１に記載の異常診断装置。
【請求項４】
前記軸受の回転速度を検出するための回転検出器が矩形波出力タイプの回転検出器であって、前記回転検出器から発生する回転パルスに位相同期したＡＤ変換トリガ信号を生成して前記ＡＤ変換器に送出する位相同期制御手段を更に備え、前記演算処理部は、前記ＡＤ変換トリガ信号の周波数をサンプリング周波数として前記増幅度切替回路及び前記ＡＤ変換器を介して前記振動信号のデータをサンプリングすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の異常診断装置。
【請求項５】
前記演算処理部は、前記増幅度切替回路により前記振幅が前記回転速度に応じて補正された後の振動信号のデータを基にフーリエ変換して振動周波数を解析し、得られたパワースペクトルに含まれるピークとなる周波数と前記軸受の構成要素となる各部材の異常成分の特徴周波数とを比較して前記軸受の異常部位を特定する機能を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の異常診断装置。
【請求項６】
前記演算処理部は、前記振動周波数の解析処理を複数回実行して得られた複数のパワースペクトルのスペクトル強度を平均化処理し、平均化処理後のパワースペクトルに基づいて前記軸受の異常の診断処理を行うことを特徴とする請求項５に記載の異常診断装置。
【請求項７】
前記軸受の温度を検出するための温度検出手段をさらに備え、前記演算処理部は、前記振動信号のデータ及び前記温度の検出データに基づいて前記軸受の異常の診断処理を行うことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の異常診断装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−３０４０３１（Ｐ２００７−３０４０３１Ａ）
【公開日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１３４６８０（Ｐ２００６−１３４６８０）
【出願日】平成１８年５月１５日（２００６．５．１５）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月１５日（２００６．５．１５）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
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