軸受の異常検出装置および異常検出方法
【課題】連続回転運動を行なわない軸受（たとえばブレード軸受など）の異常を精度良く検出する軸受の異常検出装置および異常検出方法を提供する。
【解決手段】異常検出装置は、被支持体（例えばブレード）を支持体（たとえばロータヘッド）に回動可能に支持する軸受の異常検出装置であって、振動センサ１６０と、振動センサ１６０で検出された振動信号の周波数を分析して固有振動数を検出する周波数分析部１６４と、周波数分析部１６４によって検出された固有振動数を記憶する記憶部１６６と、検出された固有振動数の変化に基づいて、軸受の異常を検出する異常検出部１７０とを備える。
【解決手段】異常検出装置は、被支持体（例えばブレード）を支持体（たとえばロータヘッド）に回動可能に支持する軸受の異常検出装置であって、振動センサ１６０と、振動センサ１６０で検出された振動信号の周波数を分析して固有振動数を検出する周波数分析部１６４と、周波数分析部１６４によって検出された固有振動数を記憶する記憶部１６６と、検出された固有振動数の変化に基づいて、軸受の異常を検出する異常検出部１７０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、軸受の異常検出装置および異常検出方法に関し、特に、被支持体を支持体に回動可能に支持する軸受の異常検出装置および異常検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
軸受の運転中の異常診断については、種々の診断方法が検討されている。たとえば、特開２００５−１６４３１４号公報（特許文献１）は、転動装置における転動接触面の摩耗に至る過程を検知して、異常を判定する転動装置の異常予知方法および異常予知装置を開示している。
【０００３】
この異常予知装置は、異常予知対象の転がり軸受から離隔して設置した超音波マイクロホンで転がり軸受の転動接触面で発生する超音波領域の摩擦音を検出する。検出した摩擦音信号をアンプにより増幅した後、フィルタによって超音波帯域の信号を抽出する。次いで、異常判定部で所定の異常判定基準値と比較し、抽出した摩擦音信号が大きい場合に転がり軸受の潤滑状態が異常と判定し、アラーム信号を出力する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１６４３１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の特開２００５−１６４３１４号公報は、比較的高速に回転する回転軸に用いられる軸受の異常を判定するものであった。しかし、軸受は、軸の回転速度が遅いものや、被支持体の向きを変える程度の往復回動運動しか行なわない用途にも用いられる。このような用途であっても、頻繁に人が異常診断のために行くことができないような場所に長年にわたり設置されるような設備では、異常予知や診断を行なうことが好ましい。このような用途の一例として、風力発電装置のブレードの軸受が挙げられる。
【０００６】
大型風車では主軸が１回転する間に、ブレードが回転角で数度の揺動（回動）を行なう。また、強風時には、過回転による発電機などの破壊を防止するため、ブレードの向きを風向きと平行な向きにして、風車の回転を止めておくことも行なわれる。
【０００７】
このブレードの回転速度は非常に遅く、振動加速度による軸受の異常検出を行なおうとしても、振動加速度の大きさが小さく、異常検出を行なうことは困難である。
【０００８】
また、高速回転軸についての異常検出と同様に、信号処理にて軸受に起因する振動の発生間隔を使おうとしても、軸受部分の運動が連続的な回転運動ではなく、揺動運動であるため適用することができない。また、風によるブレードの振動が外乱要因として入るため、振動加速度を検出しようとしてもノイズが多く、困難である。また、特開２００５−１６４３１４号に示されるような摩擦音の測定は、風切り音の影響で困難である。
【０００９】
本発明の目的は、連続回転運動を行なわない軸受（たとえばブレード用軸受など）の異常を精度良く検出する軸受の異常検出装置および異常検出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、要約すると、被支持体を支持体に回動可能に支持する軸受の異常検出装置であって、振動センサと、振動センサで検出された振動信号の周波数を分析して固有振動数を検出する周波数分析部と、周波数分析部によって検出された固有振動数を記憶する記憶部と、検出された固有振動数の変化に基づいて、軸受の異常を検出する異常検出部とを備える。
【００１１】
好ましくは、周波数分析部は、被支持体が固有振動数を検出するために好ましい力が働く条件下において、固有振動数を判定するために振動信号の周波数の分析を行なう。
【００１２】
好ましくは、被支持体は、風力発電装置のブレードである。軸受は、ブレードの角度が変更可能なようにブレードを支持するための軸受である。
【００１３】
より好ましくは、周波数分析部は、ブレードの風受け面が風向に対して平行になっているときに固有振動数を判定するために振動信号の周波数の分析を行なう。
【００１４】
より好ましくは、異常検出部は、軸受の異常に加えて、ブレードの損傷についても判定を行なう。
【００１５】
より好ましくは、異常検出部は、被支持体および支持体から離れた場所に設けられ、周波数分析部によって検出された固有振動数の初期状態からの変化率を受信するデータ処理部を含む。
【００１６】
さらに好ましくは、異常検出部は、記憶部に記憶された初期固有振動数に対する周波数分析部によって検出された固有振動数の変化率を算出する変化率算出部と、変化率算出部からデータ処理部に至る送信経路上に設けられ、変化率を無線を用いて送信する送信部とを含む。
【００１７】
好ましくは、振動センサは、加速度センサを含む。
好ましくは、周波数分析部は、振動信号の位相差スペクトルが位相反転することに基づいて、固有振動数を検出する。
【００１８】
この発明は、他の局面では、被支持体を支持体に回動可能に支持する軸受の異常検出方法であって、振動センサで検出された振動信号の周波数を分析して固有振動数を検出するステップと、検出された固有振動数を記憶するステップと、検出された固有振動数の変化に基づいて、軸受の異常を検出するステップとを備える。
【００１９】
好ましくは、固有振動数を検出するステップは、被支持体が固有振動数を検出するために好ましい力が働く条件下において、固有振動数を判定するために振動信号の周波数の分析を行なう。
【００２０】
好ましくは、被支持体は、風力発電装置のブレードである。軸受は、ブレードの角度が変更可能なようにブレードを支持するための軸受である。
【００２１】
より好ましくは、固有振動数を検出するステップは、ブレードの風受け面が風向に対して平行になっているときに固有振動数を判定するために振動信号の周波数の分析を行なう。
【００２２】
より好ましくは、異常を検出するステップは、軸受の異常に加えて、ブレードの損傷についても判定を行なう。
【００２３】
より好ましくは、異常を検出するステップは、被支持体および支持体から離れた場所において、検出された固有振動数の初期状態からの変化率を受信するステップを含む。
【００２４】
さらに好ましくは、異常を検出するステップは、記憶された初期固有振動数に対する検出された固有振動数の変化率を算出するステップと、変化率を算出するステップから変化率を受信するステップに至る送信経路上において、変化率を無線を用いて送信するステップとを含む。
【００２５】
好ましくは、振動センサは、加速度センサを含む。
好ましくは、固有振動数を検出するステップは、振動信号の位相差スペクトルが位相反転することに基づいて、固有振動数を検出する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、連続回転運動を行なわない軸受（たとえばブレード用軸受など）の異常を精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本実施の形態の軸受の異常検出装置が使用される一例である風力発電装置を説明するための図である。
【図２】風力発電装置のナセル部分を拡大して示した図である。
【図３】図２のブレード用軸受１２０を拡大して示した図である。
【図４】本実施の形態における軸受の異常検出方法について説明するための図である。
【図５】ブレード用軸受１２０をブレードおよびロータヘッドに取り付けた状態を示す部分断面図である。
【図６】図１に示したデータ処理装置８０の構成を機能的に示す機能ブロック図である。
【図７】周波数分析部１６４の処理を説明するための図である。
【図８】ブレードの固有振動数に及ぼすブレード支持剛性の影響を数値解析した結果を示す図である。
【図９】「羽面垂直方向のブレードの傾き」変形モードを示す図である。
【図１０】「羽面接線方向のブレードの傾き」変形モードを示す図である。
【図１１】「羽面垂直方向の曲げ一次」変形モードを示す図である。
【図１２】「羽面接線方向の曲げ一次」変形モードを示す図である。
【図１３】「羽面垂直方向の曲げ二次」変形モードを示す図である。
【図１４】「伸縮」変形モードを示す図である。
【図１５】実施の形態２による異常診断システムの全体構成を概略的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２９】
［実施の形態１］
図１は、本実施の形態の軸受の異常検出装置が使用される一例である風力発電装置を説明するための図である。
【００３０】
図１を参照して、風力発電装置１０のタワー１００の上端部には、ナセル９０とロータヘッド２０が設けられている。そして、ロータヘッド２０には風力発電装置１０の図示しない主軸の先端部分が接続されている。主軸はナセル９０内部で支持され、タワー１００を介して図示しない発電機へと接続されている。また、ロータヘッド２０には複数のブレード３０が取り付けられている。
【００３１】
風力発電装置１０は、風力の強さに応じてブレード３０の風の方向に対する角度（以下、ピッチとする）を変化させることによって、適度な回転を得ている。また、風車の起動・停止を行なう場合にも同様に、ブレードピッチが制御される。また、主軸を１回転させる間においても、各ブレード３０が数度揺動するように制御されている。このようにすることによって、風から得ることのできるエネルギーの量を調整することができる。強風時などでは、風車の回転を抑制するためにブレードの風受け面（翼面、羽面ともいう）を風の方向と平行にする。
【００３２】
図２は、風力発電装置のナセル部分を拡大して示した図である。
図２を参照して、風力発電装置１０は、主軸２２と、ブレード３０と、増速機４０と、発電機５０と、主軸用軸受６０と、データ処理装置８０とを備える。増速機４０、発電機５０、主軸用軸受６０およびデータ処理装置８０は、ナセル９０に格納され、ナセル９０は、タワー１００によって支持される。
【００３３】
主軸２２は、ナセル９０内に進入して増速機４０の入力軸に接続され、主軸用軸受６０によって回転自在に支持される。そして、主軸２２は、風力を受けたブレード３０により発生する回転トルクを増速機４０の入力軸へ伝達する。ブレード３０は、主軸２２の先端に設けられ、風力を回転トルクに変換して主軸２２に伝達する。
【００３４】
主軸用軸受６０は、ナセル９０内において固設され、主軸２２を回転自在に支持する。主軸用軸受６０は、転がり軸受によって構成され、たとえば、自動調芯ころ軸受や円すいころ軸受、円筒ころ軸受、玉軸受等によって構成される。なお、これらの軸受は、単列のものでも複列のものでもよい。
【００３５】
増速機４０は、主軸２２と発電機５０との間に設けられ、主軸２２の回転速度を増速して発電機５０へ出力する。一例として、増速機４０は、遊星ギヤや中間軸、高速軸等を含む歯車増速機構によって構成される。なお、特に図示しないが、この増速機４０内にも、複数の軸を回転自在に支持する複数の軸受が設けられている。発電機５０は、増速機４０の出力軸に接続され、増速機４０から受ける回転トルクによって発電する。発電機５０は、たとえば、誘導発電機によって構成される。なお、この発電機５０内にも、ロータを回転自在に支持する軸受が設けられている。
【００３６】
ブレードピッチ可変機構は、ロータヘッド側に取り付けられたブレードピッチ変更用モータ２４と、モータ２４の回転軸に嵌合されたピニオンギヤによって回転されるリングギヤ２６とを含む。リングギヤ２６はブレード３０に固定された状態に取り付けられている。
【００３７】
ブレードピッチ可変機構は、複数のブレード３０を揺動（回動）させ、ブレード３０のピッチを変更（調整）する。ここで、この複数のブレード３０の基端部には、ブレード用軸受１２０が設けられており、ブレード３０はブレード用軸受１２０によってそれぞれ支持され、ブレード用軸受１２０の回転軸を中心として回転する。
【００３８】
発電機５０に負荷がかかっている場合には、風の方向とブレード３０の風受け面とがなす角度が角度θ（≠０）となるようにブレード３０のピッチが設定される。すると、ブレード３０の風受け面は、風からのエネルギーを受ける。そして複数のブレード３０は、ロータヘッド２０に接続された主軸２２を軸とし、ロータヘッド２０と共にタワー１００に対して回転する。この回転軸の回転は発電機へと伝達され、発電が行われる。
【００３９】
また強風時などには、風の方向とブレード３０の風受け面とが平行となるようにブレード３０のピッチが変更される。このように、風の方向とブレード３０のピッチとが平行となる状態（フェザリング）では、ブレード３０の風受け面は風からエネルギーをほとんど受けなくなる。このようにすることによって、ブレード３０およびロータヘッド２０の回転速度の異常上昇による風力発電装置１０の破損を防止することができる。
【００４０】
図３は、図２のブレード用軸受１２０を拡大して示した図である。
図３を参照してブレード用軸受１２０は、外輪１２２と、内輪１２４と、内輪の転走面と外輪の転走面との間に与圧をもって挟持された転動体１２６と、保持器１２８と、グリース等の潤滑剤をシールするシール部材１３０，１３２とを含む。
【００４１】
外輪１２２にはブレードを取り付けるためのボルト貫通孔１４２が設けられ、内輪１２４にはロータヘッドを取り付けるためのボルト貫通孔１４０が設けられている。
【００４２】
大型の風力発電装置の場合には、たとえば、ブレード用軸受１２０の外形は約２．６ｍ、重量は約２２００ｋｇにもなる。
【００４３】
図４は、本実施の形態における軸受の異常検出方法について説明するための図である。
図４を参照して、揺動運動するブレード用軸受１２０は、低速で回動するため、損傷モードは摩耗によるものと予想される。そのため、摩耗の大きさを検知することが求められている。
【００４４】
図５は、ブレード用軸受１２０をブレードおよびロータヘッドに取り付けた状態を示す部分断面図である。
【００４５】
図５を参照して、ブレード３０はボルト１５０およびナット１５２によって外輪１２２に固定される。ロータヘッド２０はボルト１５４およびナット１５６によって内輪１２４に固定される。そして、内輪１２４の内側に振動センサ１６０を取り付ける。振動センサ１６０は、ブレード用軸受１２０のロータヘッド側ハウジングに設置してもよい。
【００４６】
図４、図５を参照して、ブレード用軸受１２０は、４点接触の玉軸受を複数用いた構造が一般的である。また、ブレード用軸受１２０は、僅かな予圧を付して用いられる。ブレード用軸受の摩耗の進展は、この予圧の低下につながる。軸受の予圧が低下すると、ブレード用軸受１２０がブレード３０を支持する剛性が低下する。つまり、摩耗はブレード３０の支持部剛性の低下を招く。その結果、ブレード３０の曲げや並進変位などの軸受剛性が関係する固有振動数ｆ０が低下する。
【００４７】
そこで、本実施の形態では、振動センサ１６０によりブレード３０の固有振動数を検出し、この固有振動数の変化により、ブレード用軸受１２０の摩耗の進展を検知する。なお、固有振動モードが複数ある場合は、それらの変化を全て記録し、固有振動数の変化を検出する。その結果、ブレード用軸受１２０の摩耗が検出できることに加え、ブレード３０自体のクラック発生なども検出可能となる。
【００４８】
振動センサ１６０は、ブレード用軸受１２０に固設される。そして、振動センサ１６０は、ブレード３０の振動を検出し、その検出値をナセル内のデータ処理装置へ出力する。振動センサ１６０は、たとえば、圧電素子を用いた加速度センサによって構成される。
【００４９】
図６は、図１に示したデータ処理装置８０の構成を機能的に示す機能ブロック図である。図１のデータ処理装置８０は、ナセル９０内に設けられ、後に説明するブレード３０の振動の検出値を振動センサ１６０から受ける。そして、データ処理装置８０は、主軸用軸受６０の振動波形を用いて主軸用軸受６０の異常検出するための処理を行なう。
【００５０】
図６を参照して、データ処理装置８０は、ハイパスフィルタ（以下、「ＨＰＦ（Ｈｉｇｈ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）」と称する。）１６２と、周波数分析部１６４と、記憶部１６６と、異常検出部１７０の一部である変化率算出部１７２および送信部１７４とを含む。異常検出部１７０は、さらに送信部１７４から無線でデータを受信するデータ処理部３００を含む。
【００５１】
周波数分析部１６４は、ＨＰＦ１６２を通過した振動センサ１６０の出力を周波数分析する。
【００５２】
図７は、周波数分析部１６４の処理を説明するための図である。
図６、図７を参照して、周波数分析部１６４は、振動センサ１６０で検出された信号のノイズ成分がＨＰＦ１６２で除去されたのちに、高速フーリエ変換によりフーリエスペクトルを求める。フーリエスペクトルにおいては、固有振動数はピーク値で示される。その際、固有振動数の箇所では、スペクトルの位相が反転するため、位相差スペクトルは０をクロスする。好ましくは、周波数分析部１６４はこの位相反転に基づいて固有振動数を検出する。周波数分析部１６４は、たとえば、竣工時の軸受がまだ摩耗していない状態で固有振動数を記憶部１６６に記録する。そして、この値を固有振動数の初期値として用いる。変化率算出部１７２は、固有振動数の初期値を記憶部から読出し、新たに周波数分析部１６４で検出された固有振動数と比較し、固有振動数の初期値からの変化率（たとえば％で表示される）を求める。この変化率は固有振動数とともに送信部１７４からデータ処理部３００に無線などの方法により送信される。
【００５３】
データ処理部３００では、別途求めておいた限界の軸受摩耗状態における固有振動数の変化率を閾値とし、各固有振動数の初期値に対する変化率が先の閾値を超えた場合に、異常であると検出する。このような異常検出装置は、加速度センサと信号処理のみで実現でき、安価で検出装置の耐久性も高い。
【００５４】
なお、フーリエ変換時には、市販のＦＦＴアナライザと同様に、アンチエイリアスフィルタを通った波形に対しＨａｎｎｉｎｇ窓関数を乗じ、スペクトルへ反映する。
【００５５】
またＨＰＦは必須のものではない。
なお、図６で示した各機能ブロックは、デジタル信号処理を用いソフトウエアによって実現することも可能である。
【００５６】
図８は、ブレードの固有振動数に及ぼすブレード支持剛性の影響を数値解析した結果を示す図である。図８に示した結果は、ブレード用軸受の転動体が接触する位置で１本の羽（ブレード）を拘束し、その時の固有値を計算したものである。
【００５７】
図８に、６箇所×２列で拘束した場合と、３箇所×２列で拘束した場合との固有値解析の結果を示す。図８では、６箇所×２列で拘束した場合は強い拘束での固有値（Ｈｚ）と示され、３箇所×２列で拘束した場合は弱い拘束での固有値（Ｈｚ）と示されている。
【００５８】
これらの結果は、ブレード用軸受の摩耗によるすきまの増加によるものとは厳密には拘束条件が異なるが、ブレードを支持する部分の支持剛性の変化を再現できることから、ブレード全体の固有値の変化傾向は同じになる。
【００５９】
以下、変形モードのイメージを図示して説明する。
図９は、「羽面垂直方向のブレードの傾き」変形モードを示す図である。
【００６０】
図８、図９を参照して、羽面垂直方向のブレードの傾き変形モードの場合は、強い拘束での固有値（固有振動数）は２．７Ｈｚ、弱い拘束での固有値は２．３６Ｈｚであり、固有値変化率は１３％であった。
【００６１】
図１０は、「羽面接線方向のブレードの傾き」変形モードを示す図である。
図８、図１０を参照して、羽面接線方向のブレードの傾き変形モードの場合は、強い拘束での固有値（固有振動数）は３．２２Ｈｚ、弱い拘束での固有値は２．６６Ｈｚであり、固有値変化率は１７％であった。
【００６２】
図１１は、「羽面垂直方向の曲げ一次」変形モードを示す図である。
図８、図１１を参照して、羽面垂直方向の曲げ一次変形モードの場合は、強い拘束での固有値（固有振動数）は９．５０Ｈｚ、弱い拘束での固有値は８．４４Ｈｚであり、固有値変化率は７．０％であった。
【００６３】
図１２は、「羽面接線方向の曲げ一次」変形モードを示す図である。
図８、図１２を参照して、羽面接線方向の曲げ一次変形モードの場合は、強い拘束での固有値（固有振動数）は１６．２Ｈｚ、弱い拘束での固有値は１５．１Ｈｚであり、固有値変化率は６．８％であった。
【００６４】
図１３は、「羽面垂直方向の曲げ二次」変形モードを示す図である。
図８、図１３を参照して、羽面垂直方向の曲げ二次変形モードの場合は、強い拘束での固有値（固有振動数）は２１．４Ｈｚ、弱い拘束での固有値は２０．４Ｈｚであり、固有値変化率は４．７％であった。
【００６５】
図１４は、「伸縮」変形モードを示す図である。
図８、図１４を参照して、伸縮変形モードの場合は、強い拘束での固有値（固有振動数）は３３．７Ｈｚ、弱い拘束での固有値は２４．０Ｈｚであり、固有値変化率は２９％であった。
【００６６】
なお、図９〜図１４において、矢印はブレードが振動する方向を示し、破線は変形前の形状を示し、実線は振動中のある瞬間の形状を示す。
【００６７】
図８からわかるように、羽の曲げの固有値モードにおける支持部の剛性変化による固有値の変化は小さい。これは羽自体の特性が強く影響するためである。他方、羽の傾きおよび伸縮の変形パターンでは、固有値の変化率が大きい。これらの変形モードでは、支持部の剛性の影響が強いためである。
【００６８】
したがって、羽の傾き変形および伸縮変形パターンの固有値の変化を観測すると、特に支持部の剛性変化を検出しやすいので好ましい。なかでも、羽面接線方向の傾き変形の方が羽面垂直方向の傾き変形よりも変化率が大きい。通常の風車運転中でも風力や遠心力が加振力として働くのでこのような固有振動数は検出することはできる。しかし、振動の振幅を大きくするには何らかのより大きな加振力が加わった瞬間の方が観測しやすい。羽面接線方向の傾き変形が発生しやすい条件として、羽面を風の方向と平行にした状態が挙げられる。このような状態は、強風時に風車の運転を停止させる場合などに見られる。強風時は加振力も大きい。そこで、たとえば、風速がしきい値を超えた場合にブレードを回転させて風の方向と羽面とを平行にし、固有振動数を観測する。そしてこの固有振動数の経年の変化を観測し続ければブレード用軸受の摩耗劣化を検出するのに好ましい。
【００６９】
また、羽の傾き変形の固有値があまり変化していないのに、羽の曲げ変形の固有値が大きく変化した場合には、ブレード自体のクラックなどの損傷であると判断することもできる。
【００７０】
以上説明したように、本実施の形態によれば、揺動軸受の摩耗の進展による異常を検知できる。また、ブレード自体のクラックなどの異常も併せて検知できる。
【００７１】
なお、本実施の形態は、風力発電装置のブレード用軸受の異常検出を例にあげて説明した。しかし、棒状の形状物を支持し、その形状物の向きを棒状形状の軸を中心に回動させるような用途の軸受であれば、本願発明は種々の軸受にも適用できる。
【００７２】
［実施の形態２］
ナセル９０（図１）は、高所に設置されるので、上述した異常診断装置は、その装置自体のメンテナンス性を考慮すると、本来的にはナセル９０から離れた場所に設置するのが望ましい。しかしながら、振動センサ１６０を用いて測定されるブレード用軸受１２０の振動波形そのものを遠隔地へ転送することは、転送速度の高い送信手段が必要であり、コスト増を招く。また、上述のようにナセル９０が高所に設置されていることを考慮すると、ナセル９０から外部への通信手段には、無線通信を用いることが望ましい。
【００７３】
そこで、この実施の形態２では、周波数分析処理で求めた固有振動数については、ナセル９０内に設けられるデータ処理装置において算出され、算出された固有振動数およびその変化率の各データが無線によってナセル９０から外部へ送信される。そして、ナセル９０から無線送信されたデータは、インターネットに接続された通信サーバによって受信され、インターネットを介して診断サーバに送信されてブレード用軸受１２０の異常診断が実施される。
【００７４】
図１５は、実施の形態２による異常診断システムの全体構成を概略的に示した図である。
【００７５】
図１５を参照して、異常診断システムは、風力発電装置１０と、通信サーバ３１０と、インターネット３２０と、軸受状態診断サーバ３３０とを備える。
【００７６】
風力発電装置１０の構成は、図１、図２で説明したとおりである。なお、図１５の通信サーバ３１０、インターネット３２０および軸受状態診断サーバ３３０が図６のデータ処理部３００に対応する。
【００７７】
図６の送信部１７４は、算出された固有振動数およびその変化率を無線により通信サーバ３１０へ出力する。
【００７８】
通信サーバ３１０は、インターネット３２０に接続される。そして、通信サーバ３１０は、風力発電装置１０から無線により送信されたデータを受信し、インターネット３２０を介してその受信したデータを軸受状態診断サーバ３３０へ出力する。軸受状態診断サーバ３３０は、インターネット３２０に接続される。そして、軸受状態診断サーバ３３０は、通信サーバ３１０からインターネット３２０を介してデータを受信し、風力発電装置１０において算出された固有振動数およびその変化率に基づいて、風力発電装置１０に設けられるブレード用軸受１２０（図２）の異常診断を行なう。
【００７９】
なお、上記においては、ナセル９０と通信サーバ３１０との間は無線通信が行なわれるものとしたが、ナセル９０と通信サーバ３１０との間を有線で接続することも可能である。この場合は、配線が必要となるものの、無線通信装置を別途設ける必要がなくなり、かつ、一般的には有線の方が多くの情報を伝達可能であるので、ナセル９０内においてメイン基板上に処理を集約することができる。
【００８０】
また、上述した異常診断システムは、既存の発電監視システムとは独立して構成することが望ましい。このように構成することによって、既存のシステムに変更を加えることなく、異常診断システムの導入コストを抑制することができる。
【００８１】
以上のように、この実施の形態２によれば、風力発電装置１０に設けられる軸受の異常
診断を、遠隔地に設けられる軸受状態診断サーバ３３０において実施するので、メンテナンス負荷およびコストを低減することができる。
【００８２】
また、ナセル９０は高所に設置されるので作業環境が劣悪であるが、無線通信部２８０および通信サーバ３１０を設けることによりナセル９０からの信号出力を無線化したので、ナセル９０における配線工事を最小限に抑えることができ、ナセル９０を支持するタワー１００内の配線工事も不要となる。
【００８３】
最後に、再び各図を参照して、本願実施の形態について総括する。図１、図６を参照して、本実施の形態の異常検出装置は、被支持体（例えばブレード３０）を支持体（たとえばロータヘッド２０）に回動可能に支持する軸受の異常検出装置であって、振動センサ１６０と、振動センサ１６０で検出された振動信号の周波数を分析して固有振動数を検出する周波数分析部１６４と、周波数分析部１６４によって検出された固有振動数を記憶する記憶部１６６と、検出された固有振動数の変化に基づいて、軸受の異常を検出する異常検出部１７０とを備える。
【００８４】
好ましくは、周波数分析部１６４は、被支持体が固有振動数を検出するために好ましい力が働く条件下（たとえば、風車回転時や強風時の回転停止時など）において、固有振動数を判定するために振動信号の周波数の分析を行なう。
【００８５】
図１、図２に示すように、好ましくは、被支持体は、風力発電装置１０のブレード３０である。軸受は、ブレード３０の角度が変更可能なようにブレードを支持するためのブレード用軸受１２０である。
【００８６】
図８で説明した固有値の変化率は、羽面接線方向傾き変形モードの固有値の変化率が大きいので、より好ましくは、周波数分析部１６４は、ブレード３０の風受け面が風向に対して平行になっているときに固有振動数を判定するために振動信号の周波数の分析を行なう。
【００８７】
また、羽面接線方向傾き変形以外の曲げ一次、二次変形で固有値の変化があった場合には、ブレードに損傷が発生したと考えられるので、より好ましくは、異常検出部１７０は、ブレード用軸受１２０の異常に加えて、ブレード３０の損傷についても判定を行なう。
【００８８】
図６、図１５に示すように、より好ましくは、異常検出部１７０は、被支持体および支持体から離れた場所に設けられ、周波数分析部によって検出された固有振動数の初期状態からの変化率を受信するデータ処理部３００を含む。
【００８９】
図６に示すように、さらに好ましくは、異常検出部１７０は、記憶部１６６に記憶された初期固有振動数に対する周波数分析部によって検出された固有振動数の変化率を算出する変化率算出部１７２と、変化率算出部１７２からデータ処理部３００に至る送信経路上に設けられ、変化率を無線を用いて送信する送信部１７４とを含む。
【００９０】
好ましくは、振動センサは、加速度センサを含む。
図７に示すように、好ましくは、周波数分析部は、振動信号の位相差スペクトルが位相反転することに基づいて、固有振動数を検出する。
【００９１】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００９２】
１０ 風力発電装置、２０ ロータヘッド、２２ 主軸、２４ ブレードピッチ変更用モータ、２６ リングギヤ、３０ ブレード、４０ 増速機、５０ 発電機、６０ 主軸用軸受、８０ データ処理装置、９０ ナセル、１００ タワー、１２０ ブレード用軸受、１２２ 外輪、１２４ 内輪、１２６ 転動体、１２８ 保持器、１３０，１３２ シール部材、１４０，１４２ ボルト貫通孔、１５０，１５４ ボルト、１５２，１５６ ナット、１６０ 振動センサ、１６４ 周波数分析部、１６６ 記憶部、１７０ 異常検出部、１７２ 変化率算出部、１７４ 送信部、２８０ 無線通信部、３００ データ処理部、３１０ 通信サーバ、３２０ インターネット、３３０ 軸受状態診断サーバ。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、軸受の異常検出装置および異常検出方法に関し、特に、被支持体を支持体に回動可能に支持する軸受の異常検出装置および異常検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
軸受の運転中の異常診断については、種々の診断方法が検討されている。たとえば、特開２００５−１６４３１４号公報（特許文献１）は、転動装置における転動接触面の摩耗に至る過程を検知して、異常を判定する転動装置の異常予知方法および異常予知装置を開示している。
【０００３】
この異常予知装置は、異常予知対象の転がり軸受から離隔して設置した超音波マイクロホンで転がり軸受の転動接触面で発生する超音波領域の摩擦音を検出する。検出した摩擦音信号をアンプにより増幅した後、フィルタによって超音波帯域の信号を抽出する。次いで、異常判定部で所定の異常判定基準値と比較し、抽出した摩擦音信号が大きい場合に転がり軸受の潤滑状態が異常と判定し、アラーム信号を出力する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１６４３１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の特開２００５−１６４３１４号公報は、比較的高速に回転する回転軸に用いられる軸受の異常を判定するものであった。しかし、軸受は、軸の回転速度が遅いものや、被支持体の向きを変える程度の往復回動運動しか行なわない用途にも用いられる。このような用途であっても、頻繁に人が異常診断のために行くことができないような場所に長年にわたり設置されるような設備では、異常予知や診断を行なうことが好ましい。このような用途の一例として、風力発電装置のブレードの軸受が挙げられる。
【０００６】
大型風車では主軸が１回転する間に、ブレードが回転角で数度の揺動（回動）を行なう。また、強風時には、過回転による発電機などの破壊を防止するため、ブレードの向きを風向きと平行な向きにして、風車の回転を止めておくことも行なわれる。
【０００７】
このブレードの回転速度は非常に遅く、振動加速度による軸受の異常検出を行なおうとしても、振動加速度の大きさが小さく、異常検出を行なうことは困難である。
【０００８】
また、高速回転軸についての異常検出と同様に、信号処理にて軸受に起因する振動の発生間隔を使おうとしても、軸受部分の運動が連続的な回転運動ではなく、揺動運動であるため適用することができない。また、風によるブレードの振動が外乱要因として入るため、振動加速度を検出しようとしてもノイズが多く、困難である。また、特開２００５−１６４３１４号に示されるような摩擦音の測定は、風切り音の影響で困難である。
【０００９】
本発明の目的は、連続回転運動を行なわない軸受（たとえばブレード用軸受など）の異常を精度良く検出する軸受の異常検出装置および異常検出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、要約すると、被支持体を支持体に回動可能に支持する軸受の異常検出装置であって、振動センサと、振動センサで検出された振動信号の周波数を分析して固有振動数を検出する周波数分析部と、周波数分析部によって検出された固有振動数を記憶する記憶部と、検出された固有振動数の変化に基づいて、軸受の異常を検出する異常検出部とを備える。
【００１１】
好ましくは、周波数分析部は、被支持体が固有振動数を検出するために好ましい力が働く条件下において、固有振動数を判定するために振動信号の周波数の分析を行なう。
【００１２】
好ましくは、被支持体は、風力発電装置のブレードである。軸受は、ブレードの角度が変更可能なようにブレードを支持するための軸受である。
【００１３】
より好ましくは、周波数分析部は、ブレードの風受け面が風向に対して平行になっているときに固有振動数を判定するために振動信号の周波数の分析を行なう。
【００１４】
より好ましくは、異常検出部は、軸受の異常に加えて、ブレードの損傷についても判定を行なう。
【００１５】
より好ましくは、異常検出部は、被支持体および支持体から離れた場所に設けられ、周波数分析部によって検出された固有振動数の初期状態からの変化率を受信するデータ処理部を含む。
【００１６】
さらに好ましくは、異常検出部は、記憶部に記憶された初期固有振動数に対する周波数分析部によって検出された固有振動数の変化率を算出する変化率算出部と、変化率算出部からデータ処理部に至る送信経路上に設けられ、変化率を無線を用いて送信する送信部とを含む。
【００１７】
好ましくは、振動センサは、加速度センサを含む。
好ましくは、周波数分析部は、振動信号の位相差スペクトルが位相反転することに基づいて、固有振動数を検出する。
【００１８】
この発明は、他の局面では、被支持体を支持体に回動可能に支持する軸受の異常検出方法であって、振動センサで検出された振動信号の周波数を分析して固有振動数を検出するステップと、検出された固有振動数を記憶するステップと、検出された固有振動数の変化に基づいて、軸受の異常を検出するステップとを備える。
【００１９】
好ましくは、固有振動数を検出するステップは、被支持体が固有振動数を検出するために好ましい力が働く条件下において、固有振動数を判定するために振動信号の周波数の分析を行なう。
【００２０】
好ましくは、被支持体は、風力発電装置のブレードである。軸受は、ブレードの角度が変更可能なようにブレードを支持するための軸受である。
【００２１】
より好ましくは、固有振動数を検出するステップは、ブレードの風受け面が風向に対して平行になっているときに固有振動数を判定するために振動信号の周波数の分析を行なう。
【００２２】
より好ましくは、異常を検出するステップは、軸受の異常に加えて、ブレードの損傷についても判定を行なう。
【００２３】
より好ましくは、異常を検出するステップは、被支持体および支持体から離れた場所において、検出された固有振動数の初期状態からの変化率を受信するステップを含む。
【００２４】
さらに好ましくは、異常を検出するステップは、記憶された初期固有振動数に対する検出された固有振動数の変化率を算出するステップと、変化率を算出するステップから変化率を受信するステップに至る送信経路上において、変化率を無線を用いて送信するステップとを含む。
【００２５】
好ましくは、振動センサは、加速度センサを含む。
好ましくは、固有振動数を検出するステップは、振動信号の位相差スペクトルが位相反転することに基づいて、固有振動数を検出する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、連続回転運動を行なわない軸受（たとえばブレード用軸受など）の異常を精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本実施の形態の軸受の異常検出装置が使用される一例である風力発電装置を説明するための図である。
【図２】風力発電装置のナセル部分を拡大して示した図である。
【図３】図２のブレード用軸受１２０を拡大して示した図である。
【図４】本実施の形態における軸受の異常検出方法について説明するための図である。
【図５】ブレード用軸受１２０をブレードおよびロータヘッドに取り付けた状態を示す部分断面図である。
【図６】図１に示したデータ処理装置８０の構成を機能的に示す機能ブロック図である。
【図７】周波数分析部１６４の処理を説明するための図である。
【図８】ブレードの固有振動数に及ぼすブレード支持剛性の影響を数値解析した結果を示す図である。
【図９】「羽面垂直方向のブレードの傾き」変形モードを示す図である。
【図１０】「羽面接線方向のブレードの傾き」変形モードを示す図である。
【図１１】「羽面垂直方向の曲げ一次」変形モードを示す図である。
【図１２】「羽面接線方向の曲げ一次」変形モードを示す図である。
【図１３】「羽面垂直方向の曲げ二次」変形モードを示す図である。
【図１４】「伸縮」変形モードを示す図である。
【図１５】実施の形態２による異常診断システムの全体構成を概略的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２９】
［実施の形態１］
図１は、本実施の形態の軸受の異常検出装置が使用される一例である風力発電装置を説明するための図である。
【００３０】
図１を参照して、風力発電装置１０のタワー１００の上端部には、ナセル９０とロータヘッド２０が設けられている。そして、ロータヘッド２０には風力発電装置１０の図示しない主軸の先端部分が接続されている。主軸はナセル９０内部で支持され、タワー１００を介して図示しない発電機へと接続されている。また、ロータヘッド２０には複数のブレード３０が取り付けられている。
【００３１】
風力発電装置１０は、風力の強さに応じてブレード３０の風の方向に対する角度（以下、ピッチとする）を変化させることによって、適度な回転を得ている。また、風車の起動・停止を行なう場合にも同様に、ブレードピッチが制御される。また、主軸を１回転させる間においても、各ブレード３０が数度揺動するように制御されている。このようにすることによって、風から得ることのできるエネルギーの量を調整することができる。強風時などでは、風車の回転を抑制するためにブレードの風受け面（翼面、羽面ともいう）を風の方向と平行にする。
【００３２】
図２は、風力発電装置のナセル部分を拡大して示した図である。
図２を参照して、風力発電装置１０は、主軸２２と、ブレード３０と、増速機４０と、発電機５０と、主軸用軸受６０と、データ処理装置８０とを備える。増速機４０、発電機５０、主軸用軸受６０およびデータ処理装置８０は、ナセル９０に格納され、ナセル９０は、タワー１００によって支持される。
【００３３】
主軸２２は、ナセル９０内に進入して増速機４０の入力軸に接続され、主軸用軸受６０によって回転自在に支持される。そして、主軸２２は、風力を受けたブレード３０により発生する回転トルクを増速機４０の入力軸へ伝達する。ブレード３０は、主軸２２の先端に設けられ、風力を回転トルクに変換して主軸２２に伝達する。
【００３４】
主軸用軸受６０は、ナセル９０内において固設され、主軸２２を回転自在に支持する。主軸用軸受６０は、転がり軸受によって構成され、たとえば、自動調芯ころ軸受や円すいころ軸受、円筒ころ軸受、玉軸受等によって構成される。なお、これらの軸受は、単列のものでも複列のものでもよい。
【００３５】
増速機４０は、主軸２２と発電機５０との間に設けられ、主軸２２の回転速度を増速して発電機５０へ出力する。一例として、増速機４０は、遊星ギヤや中間軸、高速軸等を含む歯車増速機構によって構成される。なお、特に図示しないが、この増速機４０内にも、複数の軸を回転自在に支持する複数の軸受が設けられている。発電機５０は、増速機４０の出力軸に接続され、増速機４０から受ける回転トルクによって発電する。発電機５０は、たとえば、誘導発電機によって構成される。なお、この発電機５０内にも、ロータを回転自在に支持する軸受が設けられている。
【００３６】
ブレードピッチ可変機構は、ロータヘッド側に取り付けられたブレードピッチ変更用モータ２４と、モータ２４の回転軸に嵌合されたピニオンギヤによって回転されるリングギヤ２６とを含む。リングギヤ２６はブレード３０に固定された状態に取り付けられている。
【００３７】
ブレードピッチ可変機構は、複数のブレード３０を揺動（回動）させ、ブレード３０のピッチを変更（調整）する。ここで、この複数のブレード３０の基端部には、ブレード用軸受１２０が設けられており、ブレード３０はブレード用軸受１２０によってそれぞれ支持され、ブレード用軸受１２０の回転軸を中心として回転する。
【００３８】
発電機５０に負荷がかかっている場合には、風の方向とブレード３０の風受け面とがなす角度が角度θ（≠０）となるようにブレード３０のピッチが設定される。すると、ブレード３０の風受け面は、風からのエネルギーを受ける。そして複数のブレード３０は、ロータヘッド２０に接続された主軸２２を軸とし、ロータヘッド２０と共にタワー１００に対して回転する。この回転軸の回転は発電機へと伝達され、発電が行われる。
【００３９】
また強風時などには、風の方向とブレード３０の風受け面とが平行となるようにブレード３０のピッチが変更される。このように、風の方向とブレード３０のピッチとが平行となる状態（フェザリング）では、ブレード３０の風受け面は風からエネルギーをほとんど受けなくなる。このようにすることによって、ブレード３０およびロータヘッド２０の回転速度の異常上昇による風力発電装置１０の破損を防止することができる。
【００４０】
図３は、図２のブレード用軸受１２０を拡大して示した図である。
図３を参照してブレード用軸受１２０は、外輪１２２と、内輪１２４と、内輪の転走面と外輪の転走面との間に与圧をもって挟持された転動体１２６と、保持器１２８と、グリース等の潤滑剤をシールするシール部材１３０，１３２とを含む。
【００４１】
外輪１２２にはブレードを取り付けるためのボルト貫通孔１４２が設けられ、内輪１２４にはロータヘッドを取り付けるためのボルト貫通孔１４０が設けられている。
【００４２】
大型の風力発電装置の場合には、たとえば、ブレード用軸受１２０の外形は約２．６ｍ、重量は約２２００ｋｇにもなる。
【００４３】
図４は、本実施の形態における軸受の異常検出方法について説明するための図である。
図４を参照して、揺動運動するブレード用軸受１２０は、低速で回動するため、損傷モードは摩耗によるものと予想される。そのため、摩耗の大きさを検知することが求められている。
【００４４】
図５は、ブレード用軸受１２０をブレードおよびロータヘッドに取り付けた状態を示す部分断面図である。
【００４５】
図５を参照して、ブレード３０はボルト１５０およびナット１５２によって外輪１２２に固定される。ロータヘッド２０はボルト１５４およびナット１５６によって内輪１２４に固定される。そして、内輪１２４の内側に振動センサ１６０を取り付ける。振動センサ１６０は、ブレード用軸受１２０のロータヘッド側ハウジングに設置してもよい。
【００４６】
図４、図５を参照して、ブレード用軸受１２０は、４点接触の玉軸受を複数用いた構造が一般的である。また、ブレード用軸受１２０は、僅かな予圧を付して用いられる。ブレード用軸受の摩耗の進展は、この予圧の低下につながる。軸受の予圧が低下すると、ブレード用軸受１２０がブレード３０を支持する剛性が低下する。つまり、摩耗はブレード３０の支持部剛性の低下を招く。その結果、ブレード３０の曲げや並進変位などの軸受剛性が関係する固有振動数ｆ０が低下する。
【００４７】
そこで、本実施の形態では、振動センサ１６０によりブレード３０の固有振動数を検出し、この固有振動数の変化により、ブレード用軸受１２０の摩耗の進展を検知する。なお、固有振動モードが複数ある場合は、それらの変化を全て記録し、固有振動数の変化を検出する。その結果、ブレード用軸受１２０の摩耗が検出できることに加え、ブレード３０自体のクラック発生なども検出可能となる。
【００４８】
振動センサ１６０は、ブレード用軸受１２０に固設される。そして、振動センサ１６０は、ブレード３０の振動を検出し、その検出値をナセル内のデータ処理装置へ出力する。振動センサ１６０は、たとえば、圧電素子を用いた加速度センサによって構成される。
【００４９】
図６は、図１に示したデータ処理装置８０の構成を機能的に示す機能ブロック図である。図１のデータ処理装置８０は、ナセル９０内に設けられ、後に説明するブレード３０の振動の検出値を振動センサ１６０から受ける。そして、データ処理装置８０は、主軸用軸受６０の振動波形を用いて主軸用軸受６０の異常検出するための処理を行なう。
【００５０】
図６を参照して、データ処理装置８０は、ハイパスフィルタ（以下、「ＨＰＦ（Ｈｉｇｈ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）」と称する。）１６２と、周波数分析部１６４と、記憶部１６６と、異常検出部１７０の一部である変化率算出部１７２および送信部１７４とを含む。異常検出部１７０は、さらに送信部１７４から無線でデータを受信するデータ処理部３００を含む。
【００５１】
周波数分析部１６４は、ＨＰＦ１６２を通過した振動センサ１６０の出力を周波数分析する。
【００５２】
図７は、周波数分析部１６４の処理を説明するための図である。
図６、図７を参照して、周波数分析部１６４は、振動センサ１６０で検出された信号のノイズ成分がＨＰＦ１６２で除去されたのちに、高速フーリエ変換によりフーリエスペクトルを求める。フーリエスペクトルにおいては、固有振動数はピーク値で示される。その際、固有振動数の箇所では、スペクトルの位相が反転するため、位相差スペクトルは０をクロスする。好ましくは、周波数分析部１６４はこの位相反転に基づいて固有振動数を検出する。周波数分析部１６４は、たとえば、竣工時の軸受がまだ摩耗していない状態で固有振動数を記憶部１６６に記録する。そして、この値を固有振動数の初期値として用いる。変化率算出部１７２は、固有振動数の初期値を記憶部から読出し、新たに周波数分析部１６４で検出された固有振動数と比較し、固有振動数の初期値からの変化率（たとえば％で表示される）を求める。この変化率は固有振動数とともに送信部１７４からデータ処理部３００に無線などの方法により送信される。
【００５３】
データ処理部３００では、別途求めておいた限界の軸受摩耗状態における固有振動数の変化率を閾値とし、各固有振動数の初期値に対する変化率が先の閾値を超えた場合に、異常であると検出する。このような異常検出装置は、加速度センサと信号処理のみで実現でき、安価で検出装置の耐久性も高い。
【００５４】
なお、フーリエ変換時には、市販のＦＦＴアナライザと同様に、アンチエイリアスフィルタを通った波形に対しＨａｎｎｉｎｇ窓関数を乗じ、スペクトルへ反映する。
【００５５】
またＨＰＦは必須のものではない。
なお、図６で示した各機能ブロックは、デジタル信号処理を用いソフトウエアによって実現することも可能である。
【００５６】
図８は、ブレードの固有振動数に及ぼすブレード支持剛性の影響を数値解析した結果を示す図である。図８に示した結果は、ブレード用軸受の転動体が接触する位置で１本の羽（ブレード）を拘束し、その時の固有値を計算したものである。
【００５７】
図８に、６箇所×２列で拘束した場合と、３箇所×２列で拘束した場合との固有値解析の結果を示す。図８では、６箇所×２列で拘束した場合は強い拘束での固有値（Ｈｚ）と示され、３箇所×２列で拘束した場合は弱い拘束での固有値（Ｈｚ）と示されている。
【００５８】
これらの結果は、ブレード用軸受の摩耗によるすきまの増加によるものとは厳密には拘束条件が異なるが、ブレードを支持する部分の支持剛性の変化を再現できることから、ブレード全体の固有値の変化傾向は同じになる。
【００５９】
以下、変形モードのイメージを図示して説明する。
図９は、「羽面垂直方向のブレードの傾き」変形モードを示す図である。
【００６０】
図８、図９を参照して、羽面垂直方向のブレードの傾き変形モードの場合は、強い拘束での固有値（固有振動数）は２．７Ｈｚ、弱い拘束での固有値は２．３６Ｈｚであり、固有値変化率は１３％であった。
【００６１】
図１０は、「羽面接線方向のブレードの傾き」変形モードを示す図である。
図８、図１０を参照して、羽面接線方向のブレードの傾き変形モードの場合は、強い拘束での固有値（固有振動数）は３．２２Ｈｚ、弱い拘束での固有値は２．６６Ｈｚであり、固有値変化率は１７％であった。
【００６２】
図１１は、「羽面垂直方向の曲げ一次」変形モードを示す図である。
図８、図１１を参照して、羽面垂直方向の曲げ一次変形モードの場合は、強い拘束での固有値（固有振動数）は９．５０Ｈｚ、弱い拘束での固有値は８．４４Ｈｚであり、固有値変化率は７．０％であった。
【００６３】
図１２は、「羽面接線方向の曲げ一次」変形モードを示す図である。
図８、図１２を参照して、羽面接線方向の曲げ一次変形モードの場合は、強い拘束での固有値（固有振動数）は１６．２Ｈｚ、弱い拘束での固有値は１５．１Ｈｚであり、固有値変化率は６．８％であった。
【００６４】
図１３は、「羽面垂直方向の曲げ二次」変形モードを示す図である。
図８、図１３を参照して、羽面垂直方向の曲げ二次変形モードの場合は、強い拘束での固有値（固有振動数）は２１．４Ｈｚ、弱い拘束での固有値は２０．４Ｈｚであり、固有値変化率は４．７％であった。
【００６５】
図１４は、「伸縮」変形モードを示す図である。
図８、図１４を参照して、伸縮変形モードの場合は、強い拘束での固有値（固有振動数）は３３．７Ｈｚ、弱い拘束での固有値は２４．０Ｈｚであり、固有値変化率は２９％であった。
【００６６】
なお、図９〜図１４において、矢印はブレードが振動する方向を示し、破線は変形前の形状を示し、実線は振動中のある瞬間の形状を示す。
【００６７】
図８からわかるように、羽の曲げの固有値モードにおける支持部の剛性変化による固有値の変化は小さい。これは羽自体の特性が強く影響するためである。他方、羽の傾きおよび伸縮の変形パターンでは、固有値の変化率が大きい。これらの変形モードでは、支持部の剛性の影響が強いためである。
【００６８】
したがって、羽の傾き変形および伸縮変形パターンの固有値の変化を観測すると、特に支持部の剛性変化を検出しやすいので好ましい。なかでも、羽面接線方向の傾き変形の方が羽面垂直方向の傾き変形よりも変化率が大きい。通常の風車運転中でも風力や遠心力が加振力として働くのでこのような固有振動数は検出することはできる。しかし、振動の振幅を大きくするには何らかのより大きな加振力が加わった瞬間の方が観測しやすい。羽面接線方向の傾き変形が発生しやすい条件として、羽面を風の方向と平行にした状態が挙げられる。このような状態は、強風時に風車の運転を停止させる場合などに見られる。強風時は加振力も大きい。そこで、たとえば、風速がしきい値を超えた場合にブレードを回転させて風の方向と羽面とを平行にし、固有振動数を観測する。そしてこの固有振動数の経年の変化を観測し続ければブレード用軸受の摩耗劣化を検出するのに好ましい。
【００６９】
また、羽の傾き変形の固有値があまり変化していないのに、羽の曲げ変形の固有値が大きく変化した場合には、ブレード自体のクラックなどの損傷であると判断することもできる。
【００７０】
以上説明したように、本実施の形態によれば、揺動軸受の摩耗の進展による異常を検知できる。また、ブレード自体のクラックなどの異常も併せて検知できる。
【００７１】
なお、本実施の形態は、風力発電装置のブレード用軸受の異常検出を例にあげて説明した。しかし、棒状の形状物を支持し、その形状物の向きを棒状形状の軸を中心に回動させるような用途の軸受であれば、本願発明は種々の軸受にも適用できる。
【００７２】
［実施の形態２］
ナセル９０（図１）は、高所に設置されるので、上述した異常診断装置は、その装置自体のメンテナンス性を考慮すると、本来的にはナセル９０から離れた場所に設置するのが望ましい。しかしながら、振動センサ１６０を用いて測定されるブレード用軸受１２０の振動波形そのものを遠隔地へ転送することは、転送速度の高い送信手段が必要であり、コスト増を招く。また、上述のようにナセル９０が高所に設置されていることを考慮すると、ナセル９０から外部への通信手段には、無線通信を用いることが望ましい。
【００７３】
そこで、この実施の形態２では、周波数分析処理で求めた固有振動数については、ナセル９０内に設けられるデータ処理装置において算出され、算出された固有振動数およびその変化率の各データが無線によってナセル９０から外部へ送信される。そして、ナセル９０から無線送信されたデータは、インターネットに接続された通信サーバによって受信され、インターネットを介して診断サーバに送信されてブレード用軸受１２０の異常診断が実施される。
【００７４】
図１５は、実施の形態２による異常診断システムの全体構成を概略的に示した図である。
【００７５】
図１５を参照して、異常診断システムは、風力発電装置１０と、通信サーバ３１０と、インターネット３２０と、軸受状態診断サーバ３３０とを備える。
【００７６】
風力発電装置１０の構成は、図１、図２で説明したとおりである。なお、図１５の通信サーバ３１０、インターネット３２０および軸受状態診断サーバ３３０が図６のデータ処理部３００に対応する。
【００７７】
図６の送信部１７４は、算出された固有振動数およびその変化率を無線により通信サーバ３１０へ出力する。
【００７８】
通信サーバ３１０は、インターネット３２０に接続される。そして、通信サーバ３１０は、風力発電装置１０から無線により送信されたデータを受信し、インターネット３２０を介してその受信したデータを軸受状態診断サーバ３３０へ出力する。軸受状態診断サーバ３３０は、インターネット３２０に接続される。そして、軸受状態診断サーバ３３０は、通信サーバ３１０からインターネット３２０を介してデータを受信し、風力発電装置１０において算出された固有振動数およびその変化率に基づいて、風力発電装置１０に設けられるブレード用軸受１２０（図２）の異常診断を行なう。
【００７９】
なお、上記においては、ナセル９０と通信サーバ３１０との間は無線通信が行なわれるものとしたが、ナセル９０と通信サーバ３１０との間を有線で接続することも可能である。この場合は、配線が必要となるものの、無線通信装置を別途設ける必要がなくなり、かつ、一般的には有線の方が多くの情報を伝達可能であるので、ナセル９０内においてメイン基板上に処理を集約することができる。
【００８０】
また、上述した異常診断システムは、既存の発電監視システムとは独立して構成することが望ましい。このように構成することによって、既存のシステムに変更を加えることなく、異常診断システムの導入コストを抑制することができる。
【００８１】
以上のように、この実施の形態２によれば、風力発電装置１０に設けられる軸受の異常
診断を、遠隔地に設けられる軸受状態診断サーバ３３０において実施するので、メンテナンス負荷およびコストを低減することができる。
【００８２】
また、ナセル９０は高所に設置されるので作業環境が劣悪であるが、無線通信部２８０および通信サーバ３１０を設けることによりナセル９０からの信号出力を無線化したので、ナセル９０における配線工事を最小限に抑えることができ、ナセル９０を支持するタワー１００内の配線工事も不要となる。
【００８３】
最後に、再び各図を参照して、本願実施の形態について総括する。図１、図６を参照して、本実施の形態の異常検出装置は、被支持体（例えばブレード３０）を支持体（たとえばロータヘッド２０）に回動可能に支持する軸受の異常検出装置であって、振動センサ１６０と、振動センサ１６０で検出された振動信号の周波数を分析して固有振動数を検出する周波数分析部１６４と、周波数分析部１６４によって検出された固有振動数を記憶する記憶部１６６と、検出された固有振動数の変化に基づいて、軸受の異常を検出する異常検出部１７０とを備える。
【００８４】
好ましくは、周波数分析部１６４は、被支持体が固有振動数を検出するために好ましい力が働く条件下（たとえば、風車回転時や強風時の回転停止時など）において、固有振動数を判定するために振動信号の周波数の分析を行なう。
【００８５】
図１、図２に示すように、好ましくは、被支持体は、風力発電装置１０のブレード３０である。軸受は、ブレード３０の角度が変更可能なようにブレードを支持するためのブレード用軸受１２０である。
【００８６】
図８で説明した固有値の変化率は、羽面接線方向傾き変形モードの固有値の変化率が大きいので、より好ましくは、周波数分析部１６４は、ブレード３０の風受け面が風向に対して平行になっているときに固有振動数を判定するために振動信号の周波数の分析を行なう。
【００８７】
また、羽面接線方向傾き変形以外の曲げ一次、二次変形で固有値の変化があった場合には、ブレードに損傷が発生したと考えられるので、より好ましくは、異常検出部１７０は、ブレード用軸受１２０の異常に加えて、ブレード３０の損傷についても判定を行なう。
【００８８】
図６、図１５に示すように、より好ましくは、異常検出部１７０は、被支持体および支持体から離れた場所に設けられ、周波数分析部によって検出された固有振動数の初期状態からの変化率を受信するデータ処理部３００を含む。
【００８９】
図６に示すように、さらに好ましくは、異常検出部１７０は、記憶部１６６に記憶された初期固有振動数に対する周波数分析部によって検出された固有振動数の変化率を算出する変化率算出部１７２と、変化率算出部１７２からデータ処理部３００に至る送信経路上に設けられ、変化率を無線を用いて送信する送信部１７４とを含む。
【００９０】
好ましくは、振動センサは、加速度センサを含む。
図７に示すように、好ましくは、周波数分析部は、振動信号の位相差スペクトルが位相反転することに基づいて、固有振動数を検出する。
【００９１】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００９２】
１０ 風力発電装置、２０ ロータヘッド、２２ 主軸、２４ ブレードピッチ変更用モータ、２６ リングギヤ、３０ ブレード、４０ 増速機、５０ 発電機、６０ 主軸用軸受、８０ データ処理装置、９０ ナセル、１００ タワー、１２０ ブレード用軸受、１２２ 外輪、１２４ 内輪、１２６ 転動体、１２８ 保持器、１３０，１３２ シール部材、１４０，１４２ ボルト貫通孔、１５０，１５４ ボルト、１５２，１５６ ナット、１６０ 振動センサ、１６４ 周波数分析部、１６６ 記憶部、１７０ 異常検出部、１７２ 変化率算出部、１７４ 送信部、２８０ 無線通信部、３００ データ処理部、３１０ 通信サーバ、３２０ インターネット、３３０ 軸受状態診断サーバ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被支持体を支持体に回動可能に支持する軸受の異常検出装置であって、
振動センサと、
前記振動センサで検出された振動信号の周波数を分析して固有振動数を検出する周波数分析部と、
前記周波数分析部によって検出された固有振動数を記憶する記憶部と、
前記検出された固有振動数の変化に基づいて、前記軸受の異常を検出する異常検出部とを備える、軸受の異常検出装置。
【請求項２】
前記周波数分析部は、前記被支持体が前記固有振動数を検出するために好ましい力が働く条件下において、前記固有振動数を判定するために前記振動信号の周波数の分析を行なう、請求項１に記載の軸受の異常検出装置。
【請求項３】
前記被支持体は、風力発電装置のブレードであり、
前記軸受は、前記ブレードの角度が変更可能なように前記ブレードを支持するための軸受である、請求項１または２に記載の軸受の異常検出装置。
【請求項４】
前記周波数分析部は、前記ブレードの風受け面が風向に対して平行になっているときに前記固有振動数を判定するために前記振動信号の周波数の分析を行なう、請求項３に記載の軸受の異常検出装置。
【請求項５】
前記異常検出部は、前記軸受の異常に加えて、前記ブレードの損傷についても判定を行なう、請求項３または４に記載の軸受の異常検出装置。
【請求項６】
前記異常検出部は、
前記被支持体および前記支持体から離れた場所に設けられ、前記周波数分析部によって検出された固有振動数の初期状態からの変化率を受信するデータ処理部を含む、請求項３〜５のいずれか１項に記載の軸受の異常検出装置。
【請求項７】
前記異常検出部は、
前記記憶部に記憶された初期固有振動数に対する前記周波数分析部によって検出された固有振動数の変化率を算出する変化率算出部と、
前記変化率算出部から前記データ処理部に至る送信経路上に設けられ、前記変化率を無線を用いて送信する送信部とを含む、請求項６に記載の軸受の異常検出装置。
【請求項８】
前記振動センサは、加速度センサを含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の軸受の異常検出装置。
【請求項９】
前記周波数分析部は、前記振動信号の位相差スペクトルが位相反転することに基づいて、前記固有振動数を検出する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の軸受の異常検出装置。
【請求項１０】
被支持体を支持体に回動可能に支持する軸受の異常検出方法であって、
振動センサで検出された振動信号の周波数を分析して固有振動数を検出するステップと、
前記検出された固有振動数を記憶するステップと、
前記検出された固有振動数の変化に基づいて、前記軸受の異常を検出するステップとを備える、軸受の異常検出方法。
【請求項１１】
前記固有振動数を検出するステップは、前記被支持体が前記固有振動数を検出するために好ましい力が働く条件下において、前記固有振動数を判定するために前記振動信号の周波数の分析を行なう、請求項１０に記載の軸受の異常検出方法。
【請求項１２】
前記被支持体は、風力発電装置のブレードであり、
前記軸受は、前記ブレードの角度が変更可能なように前記ブレードを支持するための軸受である、請求項１０または１１に記載の軸受の異常検出方法。
【請求項１３】
前記固有振動数を検出するステップは、前記ブレードの風受け面が風向に対して平行になっているときに前記固有振動数を判定するために前記振動信号の周波数の分析を行なう、請求項１２に記載の軸受の異常検出方法。
【請求項１４】
前記異常を検出するステップは、前記軸受の異常に加えて、前記ブレードの損傷についても判定を行なう、請求項１２または１３に記載の軸受の異常検出方法。
【請求項１５】
前記異常を検出するステップは、
前記被支持体および前記支持体から離れた場所において、前記検出された固有振動数の初期状態からの変化率を受信するステップを含む、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の軸受の異常検出方法。
【請求項１６】
前記異常を検出するステップは、
記憶された初期固有振動数に対する前記検出された固有振動数の変化率を算出するステップと、
前記変化率を算出するステップから前記変化率を受信するステップに至る送信経路上において、前記変化率を無線を用いて送信するステップとを含む、請求項１５に記載の軸受の異常検出方法。
【請求項１７】
前記振動センサは、加速度センサを含む、請求項１０〜１６のいずれか１項に記載の軸受の異常検出方法。
【請求項１８】
前記固有振動数を検出するステップは、前記振動信号の位相差スペクトルが位相反転することに基づいて、前記固有振動数を検出する、請求項１０〜１７のいずれか１項に記載の軸受の異常検出方法。
【請求項１】
被支持体を支持体に回動可能に支持する軸受の異常検出装置であって、
振動センサと、
前記振動センサで検出された振動信号の周波数を分析して固有振動数を検出する周波数分析部と、
前記周波数分析部によって検出された固有振動数を記憶する記憶部と、
前記検出された固有振動数の変化に基づいて、前記軸受の異常を検出する異常検出部とを備える、軸受の異常検出装置。
【請求項２】
前記周波数分析部は、前記被支持体が前記固有振動数を検出するために好ましい力が働く条件下において、前記固有振動数を判定するために前記振動信号の周波数の分析を行なう、請求項１に記載の軸受の異常検出装置。
【請求項３】
前記被支持体は、風力発電装置のブレードであり、
前記軸受は、前記ブレードの角度が変更可能なように前記ブレードを支持するための軸受である、請求項１または２に記載の軸受の異常検出装置。
【請求項４】
前記周波数分析部は、前記ブレードの風受け面が風向に対して平行になっているときに前記固有振動数を判定するために前記振動信号の周波数の分析を行なう、請求項３に記載の軸受の異常検出装置。
【請求項５】
前記異常検出部は、前記軸受の異常に加えて、前記ブレードの損傷についても判定を行なう、請求項３または４に記載の軸受の異常検出装置。
【請求項６】
前記異常検出部は、
前記被支持体および前記支持体から離れた場所に設けられ、前記周波数分析部によって検出された固有振動数の初期状態からの変化率を受信するデータ処理部を含む、請求項３〜５のいずれか１項に記載の軸受の異常検出装置。
【請求項７】
前記異常検出部は、
前記記憶部に記憶された初期固有振動数に対する前記周波数分析部によって検出された固有振動数の変化率を算出する変化率算出部と、
前記変化率算出部から前記データ処理部に至る送信経路上に設けられ、前記変化率を無線を用いて送信する送信部とを含む、請求項６に記載の軸受の異常検出装置。
【請求項８】
前記振動センサは、加速度センサを含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の軸受の異常検出装置。
【請求項９】
前記周波数分析部は、前記振動信号の位相差スペクトルが位相反転することに基づいて、前記固有振動数を検出する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の軸受の異常検出装置。
【請求項１０】
被支持体を支持体に回動可能に支持する軸受の異常検出方法であって、
振動センサで検出された振動信号の周波数を分析して固有振動数を検出するステップと、
前記検出された固有振動数を記憶するステップと、
前記検出された固有振動数の変化に基づいて、前記軸受の異常を検出するステップとを備える、軸受の異常検出方法。
【請求項１１】
前記固有振動数を検出するステップは、前記被支持体が前記固有振動数を検出するために好ましい力が働く条件下において、前記固有振動数を判定するために前記振動信号の周波数の分析を行なう、請求項１０に記載の軸受の異常検出方法。
【請求項１２】
前記被支持体は、風力発電装置のブレードであり、
前記軸受は、前記ブレードの角度が変更可能なように前記ブレードを支持するための軸受である、請求項１０または１１に記載の軸受の異常検出方法。
【請求項１３】
前記固有振動数を検出するステップは、前記ブレードの風受け面が風向に対して平行になっているときに前記固有振動数を判定するために前記振動信号の周波数の分析を行なう、請求項１２に記載の軸受の異常検出方法。
【請求項１４】
前記異常を検出するステップは、前記軸受の異常に加えて、前記ブレードの損傷についても判定を行なう、請求項１２または１３に記載の軸受の異常検出方法。
【請求項１５】
前記異常を検出するステップは、
前記被支持体および前記支持体から離れた場所において、前記検出された固有振動数の初期状態からの変化率を受信するステップを含む、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の軸受の異常検出方法。
【請求項１６】
前記異常を検出するステップは、
記憶された初期固有振動数に対する前記検出された固有振動数の変化率を算出するステップと、
前記変化率を算出するステップから前記変化率を受信するステップに至る送信経路上において、前記変化率を無線を用いて送信するステップとを含む、請求項１５に記載の軸受の異常検出方法。
【請求項１７】
前記振動センサは、加速度センサを含む、請求項１０〜１６のいずれか１項に記載の軸受の異常検出方法。
【請求項１８】
前記固有振動数を検出するステップは、前記振動信号の位相差スペクトルが位相反転することに基づいて、前記固有振動数を検出する、請求項１０〜１７のいずれか１項に記載の軸受の異常検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１１−１８５６３２（Ｐ２０１１−１８５６３２Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４８７６３（Ｐ２０１０−４８７６３）
【出願日】平成２２年３月５日（２０１０．３．５）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月５日（２０１０．３．５）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]