JP2006113002A - Abnormality diagnosis system for mechanical equipment - Google Patents
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Abstract
【課題】異常信号と雑音信号とのS/N比が小さい条件下においても、雑音信号を異常信号と誤検出することなく高精度に異常診断を実施できる異常診断システムを提供すること。
【解決手段】検出信号のエンベロープを求めるエンベロープ処理部3と、エンベロープを周波数スペクトルに変換するFFT部4と、周波数スペクトルを移動平均化することにより平滑化し更にそのスペクトルを平滑化微分して微分係数の符号が正から負へ変化する周波数ポイントをピークとして検出し、所定の閾値以上のものを抽出し、それらをソーティングしてそのうち上位のものをピークとして検出するピーク検出部5と、検出されたピークに基づいて異常を診断する診断部Tとを備えた。
【選択図】図1To provide an abnormality diagnosis system capable of performing an abnormality diagnosis with high accuracy without erroneously detecting a noise signal as an abnormal signal even under a condition where the S / N ratio between the abnormal signal and the noise signal is small.
An envelope processing unit 3 for obtaining an envelope of a detection signal, an FFT unit 4 for converting the envelope into a frequency spectrum, smoothing by moving and averaging the frequency spectrum, and further smoothing and differentiating the spectrum to obtain a differential coefficient. A peak detection unit 5 that detects a frequency point where the sign of the signal changes from positive to negative as a peak, extracts those that exceed a predetermined threshold, sorts them, and detects a higher one as a peak, and a peak detection unit 5 And a diagnosis unit T for diagnosing an abnormality based on the peak.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、鉄道車両、航空機械、風力発電装置、工作機械、自動車、製鉄機械、製紙機械、回転機械、等といった、軸受を含む機械設備の異常診断技術に関し、より詳細には、機械設備から発生する音または振動を分析することにより、その機械設備内の軸受または軸受関連部材の異常を診断する機械設備の異常診断技術に関する。 The present invention relates to an abnormality diagnosis technique for mechanical equipment including a bearing such as a railway vehicle, an aeronautical machine, a wind power generator, a machine tool, an automobile, an iron making machine, a papermaking machine, a rotating machine, and the like. The present invention relates to an abnormality diagnosis technique for mechanical equipment that diagnoses abnormality of a bearing or a bearing-related member in the mechanical equipment by analyzing generated sound or vibration.
従来、この種の異常診断技術として、機械設備の摺動部材または摺動部材関連部材からの音または振動を表す信号を検出し、検出した信号またはそのエンベロープ信号の周波数スペクトルを求め、その周波数スペクトルから、機械設備の摺動部材または機械設備の摺動部材関連部材の異常に起因する周波数成分のみを抽出し、抽出した周波数成分の大きさにより、機械設備に使用されている摺動部材における異常の有無を診断するものが知られている(特許文献1参照)。 Conventionally, as this type of abnormality diagnosis technology, a signal representing sound or vibration from a sliding member of a mechanical equipment or a sliding member-related member is detected, and a frequency spectrum of the detected signal or its envelope signal is obtained, and the frequency spectrum is obtained. From this, only the frequency component due to the abnormality of the sliding member of the mechanical equipment or the sliding member related member of the mechanical equipment is extracted, and the abnormality in the sliding member used in the mechanical equipment is extracted according to the size of the extracted frequency component. What diagnoses the presence or absence of this is known (refer patent document 1).
また、回転体または回転体関連部材から発生する音または振動を検出し、検出した信号から診断に必要な周波数帯域の信号を取り出し、更に取り出した信号のエンベロープ(包絡線)を求め、求めたエンベロープを周波数解析し、周波数解析により回転体または回転体関連部材の異常に起因する周波数の基本周波数成分の大きさと、その自然数倍の周波数成分の大きさとを求め、求めた基本周波数成分の大きさと、その自然数倍の周波数成分の大きさとを比較し、少なくともその比較結果を、機械設備の異常を判断する基準として用いるようにしたものも知られている(特許文献2参照)。 Further, sound or vibration generated from the rotating body or the rotating body-related member is detected, a signal in a frequency band necessary for diagnosis is extracted from the detected signal, an envelope (envelope) of the extracted signal is obtained, and the obtained envelope The frequency analysis is performed to obtain the magnitude of the fundamental frequency component of the frequency caused by the abnormality of the rotating body or the rotor-related member and the magnitude of the frequency component that is a natural number multiple of the frequency component. It is also known that the magnitude of the frequency component that is a multiple of the natural number is compared, and at least the comparison result is used as a criterion for judging the abnormality of the mechanical equipment (see Patent Document 2).
また、機械設備から発生した音または振動のアナログ信号をA/D(アナログ・デジタル)変換によりデジタル信号に変換して実測デジタルデータを生成し、この実測デジタルデータに対して周波数分析およびエンベロープ分析等の適宜解析処理を行なって実測周波数スペクトルデータを生成し、機械設備の異常に起因した周波数成分の1次、2次、4次値に対する実測周波数スペクトルデータ上のピークの有無により、機械設備に対する異常の有無の診断を行なうものも知られている(特許文献3参照)。 In addition, analog signals of sound or vibration generated from mechanical equipment are converted into digital signals by A / D (analog / digital) conversion to generate measured digital data, and frequency analysis and envelope analysis are performed on this measured digital data. Measured frequency spectrum data is generated by performing appropriate analysis processing, and abnormalities in the mechanical equipment are determined by the presence or absence of peaks in the measured frequency spectrum data for the primary, secondary, and quadratic values of the frequency components caused by abnormalities in the mechanical equipment. There is also known one that diagnoses the presence or absence of (see Patent Document 3).
また、振動加速度のエンベロープ波形をデジタル信号に変換し、デジタル化した振動データの時間毎の振動スペクトル分布を求めると共に、振動測定時の転がり軸受の回転速度を時々刻々求めて、回転速度の時間変化パターンと振動スペクトル分布におけるピークスペクトルの周波数の時間変化パターンが一致し、さらに、任意の時刻におけるピークスペクトルの周波数が、転がり軸受の回転数と転がり軸受の幾何学的寸法とから求まる転がり軸受損傷の特徴周波数と一致する場合に、転がり軸受の特定部位に損傷が発生したと判定するものも知られている(特許文献4参照)。 In addition, the envelope waveform of vibration acceleration is converted into a digital signal, and the vibration spectrum distribution of the digitized vibration data for each time is obtained, and the rotation speed of the rolling bearing at the time of vibration measurement is obtained every moment, and the time change of the rotation speed is obtained. The time variation pattern of the frequency of the peak spectrum in the vibration spectrum distribution coincides with that of the vibration spectrum distribution. Further, the frequency of the peak spectrum at an arbitrary time is determined based on the rolling bearing rotation speed and the rolling bearing geometric dimension. It is also known that it is determined that damage has occurred in a specific part of a rolling bearing when it matches the characteristic frequency (see Patent Document 4).
これらの特許文献には異常を示す周波数のピークを検出する方法について明記されてないが、軸受の剥離寿命や機械の回転軸偏心等の異常が発生した場合、これらの異常を示す信号(異常信号)の周波数のピークは、周波数スペクトルの積算平均によって容易に求めることができる。積算平均は、ランダムノイズの除去に有効であるとして高速フーリエ変換(FFT)解析等といった周波数分析の分野でよく使用される手法である。
しかし、振動センサや音響センサには、外部からの衝撃音や摩擦音、移動体の場合には旋回による加速度が作用するため、これら非定常的な外乱に起因して異常が誤検出されることが多い。このため、積算平均による周波数のピーク検出方法は、積算回数を多くとると速度の変化や外部からの衝撃音等の影響を受けやすくなるので有効でない場合もある。 However, vibration and acoustic sensors are subject to external impact sounds and friction sounds, and in the case of moving objects, acceleration due to turning acts, so abnormalities may be erroneously detected due to these unsteady disturbances. Many. For this reason, the frequency peak detection method based on the integrated average may not be effective because it tends to be affected by a change in speed, an external impact sound, or the like if the number of integrations is increased.
また、寿命に至る前の小さな傷、剥離、錆、等による異常の場合、振動センサや音響センサからの信号のパワーは、機械的ノイズや電気的ノイズに埋もれやすいほど小さいことが多い。このため、寿命以前の異常予知段階においては、閾値を設けてその値よりもパワーの大きい信号のみ抽出する方法は使えない場合が多い。異常の予知を行なう上で、最も厄介な問題は、このように異常信号あるいは異常の予兆を示す信号(異常予兆信号)と雑音信号とのS/N比が小さい場合に、雑音信号を異常信号または異常予兆信号と誤判定してしまうことである。極小さな異常信号や異常予兆信号も見逃さないようにすることは、軸受等の異常予知の正確性を高める上で有利であるが、その結果雑音信号を異常信号や異常予兆信号と誤判定してしまうと、機械設備を頻繁に運転停止させて点検することになるため、運転コストの増大を招く。 In the case of an abnormality due to a small scratch, peeling, rust, etc. before reaching the end of its life, the signal power from the vibration sensor or acoustic sensor is often small enough to be buried in mechanical noise or electrical noise. For this reason, it is often impossible to use a method in which a threshold is set and only a signal having a power higher than that value is extracted at an abnormal prediction stage before the lifetime. The most troublesome problem in predicting an abnormality is that the noise signal is converted into an abnormal signal when the S / N ratio between the abnormal signal or the signal indicating the abnormal sign (abnormal predictive signal) and the noise signal is small. Or, it is erroneously determined as an abnormal sign signal. It is advantageous to improve the accuracy of abnormal prediction of bearings, etc., so as not to overlook extremely small abnormal signals and abnormal predictor signals, but as a result, noise signals are mistakenly determined as abnormal signals and abnormal predictor signals. As a result, the machine equipment is frequently stopped and inspected, resulting in an increase in operating costs.
本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、異常信号や異常予兆信号と雑音信号とのS/N比が小さい条件下においても、雑音信号を異常あるいは異常予兆信号と誤検出することなく、高精度に異常診断を実施できる、機械設備の異常診断システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to make a noise signal abnormal or abnormal sign signal even under a condition where the S / N ratio between the abnormal signal or abnormal sign signal and the noise signal is small. It is an object of the present invention to provide an abnormality diagnosis system for mechanical equipment that can perform abnormality diagnosis with high accuracy without erroneous detection.
上記目的を達成するため、本発明に係る機械設備の異常診断システムは、下記(1)、(2)、(3)、(4)、(5)および(6)を特徴としている。
(1) 機械設備から発生する音または振動を検出し、その検出信号を分析することにより、機械設備内の軸受または軸受関連部材の異常を診断する異常診断システムであって、
前記検出信号のエンベロープを求めるエンベロープ処理部と、
当該エンベロープ処理部により得られたエンベロープを周波数スペクトルに変換するFFT部と、
当該FFT部により得られた周波数スペクトルを移動平均化処理することにより平滑化してそのピークを検出するピーク検出部と、
前記ピーク検出部によって検出された周波数スペクトルのピークに基づいて異常を診断する診断部と、
を備えたこと。
(2) 上記(1)の構成の異常診断システムにおいて、前記ピーク検出部が、前記FFT部により得られた周波数スペクトルに対して平滑化微分処理を実施し、得られた微分値の符号が変化する周波数ポイントを周波数スペクトルのピークとして抽出する平滑化微分ピーク抽出部を備えていること。
(3) 上記(1)または(2)の構成の異常診断システムにおいて、前記移動平均化処理における重み係数が左右対称(現時点を基準にして前後対象)であること。
(4) 上記(2)または(3)の構成の異常診断システムにおいて、前記ピーク検出部が、前記平滑化微分ピーク抽出部により抽出されたピークのうち、振幅レベルの二乗平均平方根が閾値以上のものを選別する第1の選別部を備えていること。
(5) 上記(4)の構成の異常診断システムにおいて、前記ピーク検出部が、前記第1の選別部により選別されたピークのうち、振幅レベルの二乗平均平方根が大きい方から所定の個数までのピークを選別する第2の選別部を備えていること。
(6) 上記(1)〜(5)のいずれか構成の異常診断システムにおいて、前記診断部が、前記ピーク検出部によって検出された周波数スペクトルのピークのうち振動の主成分に対応するピークあるいは振動の主成分および高次成分に対応するピークと診断対象の異常を示す周波数との一致度を求め、その一致度の複数回分の累計結果を評価することにより異常を診断すること。
In order to achieve the above object, the machine equipment abnormality diagnosis system according to the present invention is characterized by the following (1), (2), (3), (4), (5) and (6).
(1) An abnormality diagnosis system for diagnosing an abnormality in a bearing or a bearing-related member in a mechanical facility by detecting sound or vibration generated from the mechanical facility and analyzing the detection signal,
An envelope processing unit for obtaining an envelope of the detection signal;
An FFT unit for converting the envelope obtained by the envelope processing unit into a frequency spectrum;
A peak detector for smoothing the frequency spectrum obtained by the FFT unit by moving average processing and detecting the peak;
A diagnosis unit for diagnosing an abnormality based on the peak of the frequency spectrum detected by the peak detection unit;
Having provided.
(2) In the abnormality diagnosis system configured as described in (1) above, the peak detection unit performs a smoothing differential process on the frequency spectrum obtained by the FFT unit, and the sign of the obtained differential value changes. A smoothing differential peak extraction unit that extracts frequency points to be extracted as frequency spectrum peaks.
(3) In the abnormality diagnosis system having the above configuration (1) or (2), the weighting coefficient in the moving averaging process is symmetrical (target before and after the current time).
(4) In the abnormality diagnosis system configured as described in (2) or (3) above, the peak detection unit has a root mean square of amplitude levels equal to or greater than a threshold value among the peaks extracted by the smoothed differential peak extraction unit A first sorting unit for sorting things is provided.
(5) In the abnormality diagnosis system configured as described in (4) above, the peak detection unit is configured to select a peak from a larger root mean square of amplitude levels to a predetermined number of peaks selected by the first selection unit. A second sorting unit for sorting the peaks is provided.
(6) In the abnormality diagnosis system according to any one of (1) to (5) above, the diagnosis unit includes a peak or vibration corresponding to a main component of vibration among the peaks of the frequency spectrum detected by the peak detection unit. The degree of coincidence between the peak corresponding to the main component and the higher-order component and the frequency indicating the abnormality of the diagnosis target is obtained, and the abnormality is diagnosed by evaluating the cumulative result of the coincidence multiple times.
上記(1)の構成の異常診断システムによれば、機械設備から発生する音または振動を検出し、その検出信号のエンベロープを求め、そのエンベロープを周波数スペクトルに変換し、得られた周波数スペクトルを移動平均化することにより平滑化した上でそのピークを検出し、検出されたピークに基づいて異常を診断するので、異常信号や異常予兆信号と雑音信号とのS/N比が小さい条件下においても、雑音信号を異常あるいは異常予兆信号と誤検出することなく、高精度に異常診断を実施できる。
上記(2)の構成の異常診断システムによれば、周波数スペクトルに対して平滑化微分処理(即ち、同じ点を中心にして複数の区間の差分と区間長の積和)を行ない、その微分値の符号が変化する周波数ポイントを周波数スペクトルのピークとして抽出するので、雑音に埋もれた周波数スペクトルのピーク検出を高精度に行なうことができる。
上記(3)の構成の異常診断システムによれば、移動平均化処理における重み係数が左右対称であるので、雑音信号を誤って異常信号や異常予兆信号として検出してしまうのを防止できる。
上記(4)の構成の異常診断システムによれば、抽出されたピークのうち、振幅レベルの二乗平均平方根が閾値以上のものを選別するので、ピーク雑音に埋もれた周波数スペクトルのピーク検出をより高精度に行なうことができる。
上記(5)の構成の異常診断システムによれば、振幅レベルの二乗平均平方根が閾値以上のピークのうち、振幅レベルの二乗平均平方根が大きい方から所定の個数までのピークを選別するので、異常診断を行なう上で有効なピークに絞り込んで異常診断を高精度に且つ効率良く行なうことができる。
上記(6)の構成の異常診断システムによれば、検出された周波数スペクトルのピークのうち振動の主成分に対応するピークあるいは振動の主成分および高次成分に対応するピークと診断対象の異常を示す周波数との一致度を求め、その一致度の複数回分の累計結果を評価することにより異常を診断するので、異常診断を高精度に実施できる。
According to the abnormality diagnosis system configured as described in (1) above, sound or vibration generated from mechanical equipment is detected, an envelope of the detection signal is obtained, the envelope is converted into a frequency spectrum, and the obtained frequency spectrum is moved. Since the peak is detected after smoothing by averaging, and abnormality is diagnosed based on the detected peak, even under conditions where the S / N ratio between the abnormal signal or abnormal sign signal and the noise signal is small The abnormality diagnosis can be performed with high accuracy without erroneously detecting the noise signal as an abnormality or an abnormal sign signal.
According to the abnormality diagnosis system having the configuration of (2) above, smoothed differential processing (that is, the sum of products of differences and lengths of a plurality of sections centered on the same point) is performed on the frequency spectrum, and the differential value is obtained. Since the frequency point where the sign of is changed is extracted as the peak of the frequency spectrum, the peak of the frequency spectrum buried in the noise can be detected with high accuracy.
According to the abnormality diagnosis system having the configuration (3) above, since the weighting coefficients in the moving averaging process are symmetrical, it is possible to prevent the noise signal from being erroneously detected as an abnormal signal or an abnormal sign signal.
According to the abnormality diagnosis system configured as described in (4) above, the extracted peaks whose root mean square of amplitude levels is greater than or equal to the threshold are selected, so that the peak detection of the frequency spectrum buried in the peak noise is further improved. It can be done with accuracy.
According to the abnormality diagnosis system having the configuration of (5) above, the peaks having the root mean square of the amplitude level larger than the threshold are selected from the peaks having the root mean square of the amplitude level greater than or equal to the threshold value. Abnormality diagnosis can be performed with high accuracy and efficiency by narrowing down to a peak effective for diagnosis.
According to the abnormality diagnosis system configured as described in (6) above, the peak corresponding to the main component of the vibration or the peak corresponding to the main component and higher order component of the vibration and the abnormality of the diagnosis target are detected. Since the degree of coincidence with the indicated frequency is obtained and the abnormality is diagnosed by evaluating the cumulative results of the coincidence for a plurality of times, the abnormality diagnosis can be performed with high accuracy.
本発明によれば、異常信号や異常予兆信号と雑音信号とのS/N比が小さい条件下においても、雑音信号を異常あるいは異常予兆信号と誤検出することなく、高精度に異常診断を実施できる。 According to the present invention, even when the S / N ratio between the abnormal signal or the abnormal sign signal and the noise signal is small, the abnormality diagnosis is performed with high accuracy without erroneously detecting the noise signal as an abnormal or abnormal signal. it can.
以下、本発明を実施するための最良の形態について、転がり軸受を含む機械設備を対象とし、機械設備内の転がり軸受の傷といった異常の有無を判断する場合を例にとし説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described by taking as an example the case of determining whether there is an abnormality such as a scratch on a rolling bearing in a mechanical facility, targeting a mechanical facility including a rolling bearing.
図1は本発明の異常診断システムの形態例を示すブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram showing an example of an abnormality diagnosis system according to the present invention.
図1に示すように、本発明の異常診断システムは、アンプ・フィルタ(フィルタ処理部)1、A/D変換器2、エンベロープ処理部3、FFT部4、ピーク検出部5、診断部6、および診断結果出力部7を備えている。
As shown in FIG. 1, the abnormality diagnosis system of the present invention includes an amplifier / filter (filter processing unit) 1, an A /
アンプ・フィルタ1には、診断対象の機械設備から発生する音または振動を検出するセンサ(振動センサ、音響センサ、等)により検出された信号が入力される。アンプ・フィルタ1は、入力された信号を所定のゲインで増幅するとともに、所定周波数以上の信号を遮断する。
The amplifier /
A/D変換器2は、アンプ・フィルタ1を通過したアナログ信号を、所定のサンプリング周波数でサンプリングし、デジタル信号に変換する。
The A /
エンベロープ処理部3は、A/D変換器2により生成されたデジタル信号のエンベロープ(包絡線波形)を求める。
The
FFT部4は、エンベロープ処理部3により求められたエンベロープを周波数解析し、周波数スペクトルに変換する。
The
ピーク検出部5は、FFT部4により得られた周波数スペクトルのピークを検出する。
The
診断部6は、転がり軸受に設けられた図示しない回転センサにより検出された回転速度と軸受の内部諸元とで決まる特徴周波数と、ピーク検出部5により得られたピークとを比較し、その一致度を評価することにより異常を診断する。
The
診断結果出力部7は、診断部6による診断結果を出力する。
The diagnosis
ピーク検出部5は、移動平均化処理部5aと、平滑化微分ピーク抽出部5bと、第1選別部5cと、第2選別部5dとを備えている。
The
移動平均化処理部5aは、FFT部4により得られた周波数スペクトル(周波数領域の離散データ)を左右対称に重み付けして移動平均化する。たとえば、5点の移動平均では、FFT部4により得られた周波数スペクトルに対し、次式の演算を施すことにより、
平滑化微分ピーク抽出部5bは、移動平均化処理部5aによる移動平均化処理後、移動平均されたスペクトルをさらに平滑して微分値を得て、微分係数の符号が変化する周波数ポイントを周波数スペクトルのピークとして抽出する。
The smoothed differential
すなわち、平滑化微分ピーク抽出部5bは、次式(2)の値(平滑化微分係数yj)が正から負へ変化する周波数ポイントを周波数スペクトルのピークの候補とみなす。
この式(2)からわかるように、隣接するデータよりも離れた点同士の傾きの方が重みが大きいと見ることができる。ピーク検出部5は、FFT部4により得られた周波数スペクトルに対して、式(2)からわかるようにj点を中心にして複数の区間の差分とその区間長の積和を行なう平滑化微分処理を実施し、得られた微分値の符号が変化する周波数ポイントを周波数スペクトルのピークとして抽出する平滑化微分ピーク抽出部5bを備えていることになる。
As can be seen from this equation (2), it can be seen that the slope between the distant points is greater in weight than the adjacent data. The
したがって、式(2)によれば、式(1)を用いずとも雑音に埋もれたピークの検出が可能であるが、式(1)と併用してもよい。 Therefore, according to Equation (2), it is possible to detect a peak buried in noise without using Equation (1), but it may be used in combination with Equation (1).
第1選別部5cは、平滑化微分ピーク抽出部5bにより抽出されたピークのうち、振幅レベルの二乗平均平方根が閾値以上のものを選別する。閾値には、平滑化微分ピーク抽出部5bにより抽出されたピークのパワー平均値や二乗平均平方根に応じて決まる相対的な値を用いる。絶対的な閾値は、相対雑音レベルが低い場合には有効であるが、雑音レベルが大きい場合には必ずしも有効とは言えない。
The
第2選別部5dは、第1選別部5cで選別されたピークのうち、振幅レベルの二乗平均平方根が大きい方から所定の個数までのピークを選別する。その最も簡単な方法として、たとえば公知のソーティングアルゴリズムを用いて複数のピークをレベルに関して降順あるいは昇順ソートした後、上位のもの、即ち、値の大きなものから順に選別する方法をあげることができる。
The
図2に周波数スペクトル波形の例を示す。この例は、傷ありと診断されたスペクトルとその移動平均処理結果を示している。ここでの移動平均は、次式に示すような7点の移動平均である。
重み係数wは、上記の値に限らないが、j=0に関して対称でj=0の点の重みを一番大きくするという条件は外さないことが望ましい。 The weighting factor w is not limited to the above value, but it is desirable not to remove the condition that the weight of a point that is symmetric with respect to j = 0 and j = 0 is maximized.
図2の例では、比較的S/N比が良好であるので、軸受外輪の傷による基本波成分f1と高調波成分f2、f3、f4は、移動平均処理の前後において際だって見えるが、移動平均処理後では雑音による偽のピークが極めて少なくなったのがわかる。 In the example of FIG. 2, since the S / N ratio is relatively good, the fundamental wave component f1 and the harmonic components f2, f3, and f4 due to scratches on the bearing outer ring are clearly seen before and after the moving average process. It can be seen that the number of false peaks due to noise is extremely small after the averaging process.
図2のように移動平均処理されたスペクトルを移動平均化処理部5aで平滑化微分し、平滑化微分ピーク抽出部5bで微分係数の符号が正から負へ変化する周波数ポイントをピークとして検出した後、第1選別部5cで閾値以上のものを抽出し、それらを第2選別部5dでソーティングしてそのうちの上位5個までをピークとして抽出することにより、ピーク周波数f1、f2、f3、f4が求められる。その際の平滑化微分係数yiは、離散化周波数スペクトルをxiとすると、次式で表される。
通常の数値微分と異なり、この式では平滑化の効果を持たせるために、より離れたポイント同士の差分により大きな重み付けをしているので、整数演算だけで微分演算が可能であるし、割り算も必要ない。したがって、浮動小数点演算ユニット(FPU)や除算命令を持たないマイクロコンピュータでも無理なく演算することができる。 Unlike ordinary numerical differentiation, this formula gives a smoothing effect so that a greater weight is given to the difference between more distant points, so differentiation can be done only with integer arithmetic, and division is also possible. unnecessary. Therefore, even a microcomputer without a floating point arithmetic unit (FPU) or a division instruction can be operated without difficulty.
上記のようにして第2選別部5dにより得られた周波数スペクトル(エンベロープ周波数分布)のピークのデータが、診断部6に入力される。
The peak data of the frequency spectrum (envelope frequency distribution) obtained by the
診断部6は、入力された周波数スペクトルのピークのうち振動の主成分に対応するピークあるいは振動の主成分および高次成分に対応するピークと診断対象の異常を示す周波数とを比較し、その一致度を求める。そして、求めた一致度に点数を付けて累計することで、信頼性の高い診断を行なう。たとえば、主成分、2次、4次の3成分と異常を示す周波数との比較を行ない、主成分とその他の成分とが検出されれば、傷が発生している可能性があると判断して、予め設定された点数テーブル内の該当するポイント数を加算する。点数テーブルの例を下記の表1に示す。図2の例では、主成分、2次、4次の3成分とも検出されているので、4点が加算されることになる。
The
図3に示す周波数スペクトル波形の例では、外部衝撃によるノイズを受けながらも軸受外輪の傷による周波数のピークが抽出されている。図2の場合と同様に、平滑化微分を行なってピーク検出を行なった後、閾値以上のものをソーティングして上位5個までをピークとして抽出した結果、主成分と2次成分とが検出されている。この場合の加算ポイント数は2点である。 In the example of the frequency spectrum waveform shown in FIG. 3, the frequency peak due to the scratch on the outer ring of the bearing is extracted while receiving noise due to external impact. As in the case of FIG. 2, smoothing differentiation is performed and peak detection is performed, and then the result is sorted as a peak by extracting values above the threshold to detect the main component and the secondary component. ing. In this case, the number of addition points is two points.
図4に示す周波数スペクトル波形の例では、外部衝撃によるノイズが大き過ぎたため、ピークが検出されていない。この場合の加算ポイント数は0点である。 In the example of the frequency spectrum waveform shown in FIG. 4, no noise is detected due to excessive noise due to external impact. In this case, the number of addition points is 0.
図5は衝撃性のノイズが入ったときの振動波形の例を示している。このように振幅が大きく且つ突発的な衝撃性のノイズが入った振動波形のエンベロープの周波数分析結果は、DC(直流)成分に近い低周波側が大きくなってしまい、図4の例のように微小傷による振動のピークが隠れてしまう。このような場合には無理に傷による信号成分を検出するための処理を行なう必要はない。 FIG. 5 shows an example of a vibration waveform when impact noise is entered. The frequency analysis result of the envelope of the vibration waveform having such a large amplitude and sudden shocking noise becomes large on the low frequency side close to the DC (direct current) component, and is small as in the example of FIG. The peak of vibration due to scratches is hidden. In such a case, there is no need to forcibly perform processing for detecting a signal component due to a flaw.
この異常診断システムは、図6に示すように、上述の振動信号検出から異常ポイント数判定までの一連の処理を所定回数N(たとえば30回)繰り返して上記ポイント数を累計し、その累計ポイント数によって異常診断を行なう。図6において、nは現在の回数、PAは1回のスペクトル測定における診断ポイントを、PACCはPAの累積値をそれぞれ示している As shown in FIG. 6, this abnormality diagnosis system repeats a series of processes from the above-described vibration signal detection to abnormality point number determination a predetermined number of times N (for example, 30 times), and accumulates the number of points. The abnormality diagnosis is performed by. In FIG. 6, n is the current number, PA is a diagnostic point in one spectrum measurement, and PACC is a cumulative value of PA.
図2、図3および図4に例示した周波数スペクトル波形を各々1回サンプリングして異常診断するのに要する時間は1秒程度である。したがって、診断結果を得るために許容される時間が40〜60秒程度あれば、約40〜60回の診断を繰り返して上記ポイント数を累計し、その累計ポイント数によって異常診断を行なうことが可能である。ただ1回のみのサンプリングによる異常診断では、図2〜図4のようにどのようなスペクトルが得られるか不明であるが、周波数ピーク検出を繰り返してその都度、診断ポイント数を加算していき、ポイント数の累計値を評価することにより、スペクトルのばらつきの影響を軽減して異常診断を高精度に行なうことができる。 The time required to perform abnormality diagnosis by sampling the frequency spectrum waveforms illustrated in FIGS. 2, 3, and 4 once is about 1 second. Therefore, if the time allowed for obtaining the diagnosis result is about 40 to 60 seconds, it is possible to repeat the diagnosis about 40 to 60 times, accumulate the above points, and perform an abnormality diagnosis based on the accumulated points. It is. In abnormality diagnosis by sampling only once, it is unclear what kind of spectrum is obtained as shown in FIGS. 2 to 4, but the frequency peak detection is repeated and the number of diagnosis points is added each time, By evaluating the cumulative value of the number of points, an abnormality diagnosis can be performed with high accuracy by reducing the influence of spectrum variation.
図7は、傷のない正常な軸受の診断スペクトルであり、ピーク検出を行なった結果、傷による振動の周波数成分が検出されなかった実測結果を示している。移動平均化された周波数分析結果に一見何か特徴がありそうに見えるが、閾値およびソーティングによる選別処理の結果、軸受異常による周波数成分とは無関係であったため、表1の異常診断ポイントは加算されない。 FIG. 7 shows a diagnostic spectrum of a normal bearing without a flaw, and shows a measurement result in which a frequency component of vibration due to a flaw was not detected as a result of performing peak detection. The moving averaged frequency analysis result seems to have some features at first glance, but the result of selection processing by threshold and sorting is not related to the frequency component due to bearing abnormality, so the abnormality diagnosis points in Table 1 are not added. .
図8は、軸受の微小傷品と正常品の異常診断を40回繰り返しその診断ポイントの累計数を棒グラフにして示したものである。微小傷品と正常品とでは累計ポイント数に大きな開きがあるため、累計ポイントを40回分程度累計することにより、軸受の異常診断を正確に行なえることがわかる。また、微小な傷であるにもかかわらず正常品との間に大きな差が生じることから、図8に示すように閾値の範囲を大きく取れるため、この範囲をグレーゾーンとして段階的な警報を発するようにすることも可能である。 FIG. 8 is a bar graph showing the cumulative number of diagnosis points after 40 times of abnormal diagnosis of a bearing with a minute flaw and a normal product. It can be seen that there is a large difference in the number of accumulated points between the micro-flawed product and the normal product, so that it is possible to accurately diagnose the bearing abnormality by accumulating the accumulated points for about 40 times. In addition, since a large difference is generated between the normal product and the fine product even though it is a minute scratch, the threshold range can be increased as shown in FIG. It is also possible to do so.
以上説明したように、この形態例の異常診断システムでは、機械設備から発生する音または振動を検出し、その検出信号のエンベロープを求め、そのエンベロープを周波数スペクトルに変換し、得られた周波数スペクトルを移動平均化処理し、更にそのスペクトルを平滑化微分して、微分係数の符号が正から負へ変化する周波数ポイントをピークとして検出した後、所定の閾値以上のものを抽出し、それらをソーティングしてそのうちの上位所定数個をピークとして抽出し、それらのピークのうち振動の主成分に対応するピークあるいは振動の主成分および高次成分に対応するピークと診断対象の異常を示す周波数との一致度を求め、その一致度に点数を付けて複数回分累計し、その累計値を評価することにより異常を診断するので、異常信号や異常予兆信号と雑音信号とのS/N比が小さい条件下においても、雑音信号を異常あるいは異常予兆信号と誤検出することなく、極めて高精度に且つ高効率に異常診断を実施できる。 As described above, in the abnormality diagnosis system of this embodiment, sound or vibration generated from mechanical equipment is detected, an envelope of the detection signal is obtained, the envelope is converted into a frequency spectrum, and the obtained frequency spectrum is converted into a frequency spectrum. After moving average processing, the spectrum is smoothed and differentiated, and the frequency point at which the sign of the derivative changes from positive to negative is detected as a peak, then those above the predetermined threshold are extracted and sorted. The peak number corresponding to the main component of the vibration or the peak corresponding to the main component of vibration and the higher-order component is matched with the frequency indicating the abnormality of the diagnosis target. The degree of coincidence is scored, accumulated several times, and the accumulated value is evaluated to diagnose the abnormality. Even under conditions S / N ratio is small and or abnormal sign signal and the noise signal, without detecting false noise signals and abnormality or abnormal sign signal can be performed abnormality diagnosis very and high efficiency with high accuracy.
なお、本発明は上記形態例に限定されない。たとえば、図1中に破線ブロックで示すように、A/D変換器2とエンベロープ処理部3との間にデジタルフィルタ(LPF・HPF)8を設け、高域の雑音成分を除くとともにDCオフセットを除くことが望ましい。また、FFT部4の前にデシメーション部9を設け、必要な周波数に応じて間引き処理(デシメーション)を行なうようにしてもよい。エンベロープ処理の後で信号の間引き処理を行なって、エンベロープ波形解析のためのFFT演算のポイント数を少なくすることにより、検出された信号の周波数分解能の向上とFFT演算の効率向上とを両立させて、軸受の異常診断を高精度に且つ高効率に実施することができる。
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, as shown by a broken line block in FIG. 1, a digital filter (LPF / HPF) 8 is provided between the A /
1 アンプ・フィルタ
2 A/D変換器
3 エンベロープ処理部
4 FFT部
5 ピーク検出部
6 診断部
7 診断結果出力部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記検出信号のエンベロープを求めるエンベロープ処理部と、
当該エンベロープ処理部により得られたエンベロープを周波数スペクトルに変換するFFT部と、
当該FFT部により得られた周波数スペクトルを移動平均化処理することにより平滑化してそのピークを検出するピーク検出部と、
前記ピーク検出部によって検出された周波数スペクトルのピークに基づいて異常を診断する診断部と、
を備えたことを特徴とする機械設備の異常診断システム。 An abnormality diagnosis system for diagnosing an abnormality in a bearing or a bearing-related member in a mechanical facility by detecting sound or vibration generated from the mechanical facility and analyzing the detection signal,
An envelope processing unit for obtaining an envelope of the detection signal;
An FFT unit for converting the envelope obtained by the envelope processing unit into a frequency spectrum;
A peak detection unit for smoothing the frequency spectrum obtained by the FFT unit by moving average processing and detecting the peak;
A diagnosis unit for diagnosing an abnormality based on the peak of the frequency spectrum detected by the peak detection unit;
An abnormality diagnosis system for mechanical equipment, characterized by comprising:
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