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JP2008164578A - Physical quantity detection device and rolling device - Google Patents

Physical quantity detection device and rolling device Download PDF

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JP2008164578A
JP2008164578A JP2007136938A JP2007136938A JP2008164578A JP 2008164578 A JP2008164578 A JP 2008164578A JP 2007136938 A JP2007136938 A JP 2007136938A JP 2007136938 A JP2007136938 A JP 2007136938A JP 2008164578 A JP2008164578 A JP 2008164578A
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JP
Japan
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physical quantity
signal
sensor
detection
noise
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Application number
JP2007136938A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Juntaro Sawara
淳太郎 佐原
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NSK Ltd
Original Assignee
NSK Ltd
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Publication date
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Abstract

【課題】変化の激しい環境、あるいは騒音ないし振動のノイズの大きい環境が与える異常診断の精度の低下を抑制することのできる物理量検出装置及び転動装置を提供する。
【解決手段】鉄道車両、鉄鋼圧延機、工作機械などに組み込まれる転動装置の異常診断において、検出用振動センサと参照用振動センサを配設して、検出用振動センサと参照用振動センサとの両者の信号をAD変換器(ADC)172でデジタル変換して、DSP回路173で当該デジタル出力信号に基いて最適フィルタを用いてノイズを推定し、その分を差し引いて出力された信号でもって異常診断を行う。
【選択図】図4
The present invention provides a physical quantity detection device and a rolling device that can suppress a decrease in accuracy of abnormality diagnosis caused by a rapidly changing environment or an environment where noise or vibration noise is large.
In an abnormality diagnosis of a rolling device incorporated in a railway vehicle, a steel rolling mill, a machine tool, or the like, a detection vibration sensor and a reference vibration sensor are provided, and the detection vibration sensor and the reference vibration sensor are provided. These signals are digitally converted by an AD converter (ADC) 172, and the DSP circuit 173 estimates noise using an optimum filter based on the digital output signal, and subtracts the amount to output the signal. Perform abnormality diagnosis.
[Selection] Figure 4

Description

本発明は、鉄道車両、工作機械等の機械装置に用いられる転動装置(車軸軸受、歯車、車輪または軸受など)に異常診断のため付設される物理量検出装置に関し、特に、転動装置の異常診断の際発生するノイズを除去できるように構成した物理量検出装置及び当該物理量検出装置が付設された転動装置に関する。   The present invention relates to a physical quantity detection device attached to a rolling device (such as an axle bearing, a gear, a wheel, or a bearing) used in a machine device such as a railway vehicle or a machine tool for abnormality diagnosis, and in particular, an abnormality of the rolling device. The present invention relates to a physical quantity detection device configured to be able to remove noise generated during diagnosis and a rolling device provided with the physical quantity detection device.

従来、鉄道車両あるいは工作機械などの機械装置に組み込まれる転動装置は、一定期間使用した後に、転がり軸受やその他の回転部品について、損傷や摩耗等の異常の有無が定期的に検査される。この検査において、振動センサなどの物理量検出装置を取付けて、転動装置が組み込まれた機械装置を分解することなく、実稼動状態で転動装置の異常診断を行なうことができるものが様々提案されている(例えば、特許文献1〜3参照)。最も、代表的なものとしては、特許文献1に記載されるように、例えば軸受部に振動センサを設置して計測し、更に、この信号にFFT(高速フーリエ変換)処理を行なって振動発生周波数成分の信号を抽出して診断を行なう方法が知られている。   2. Description of the Related Art Conventionally, a rolling device incorporated in a machine device such as a railway vehicle or a machine tool is periodically inspected for abnormalities such as damage and wear after the rolling bearing and other rotating parts are used for a certain period. In this inspection, various devices have been proposed that can attach a physical quantity detection device such as a vibration sensor and diagnose the abnormality of the rolling device in an actual operation state without disassembling the mechanical device incorporating the rolling device. (For example, refer to Patent Documents 1 to 3). As a typical example, as described in Patent Document 1, for example, a vibration sensor is installed in a bearing portion and measured, and further, an FFT (Fast Fourier Transform) process is performed on the signal to generate a vibration generation frequency. A method for performing diagnosis by extracting component signals is known.

また、これら異常診断を行う際には、振動センサから出力された信号内に表出してしまうノイズを除去するため、バンドパスフィルタを施して信号のSN比を向上させることが一般的に行われる(例えば、特許文献4参照)。   Further, when performing these abnormality diagnoses, in order to remove noise that appears in the signal output from the vibration sensor, it is generally performed to apply a band-pass filter to improve the signal-to-noise ratio of the signal. (For example, refer to Patent Document 4).

しかしながら、バンドパスフィルタを利用しようとする場合、予めノイズの周波数帯域を把握する必要があり、例えば鉄道車両のように運転条件、走行路条件、荷重条件などの要因によってノイズの周波数帯域が刻々と変動して異常診断の精度に複雑に影響してしまうことがある。さらに、工作機械では、騒音ないし電磁などのノイズのレベルは高く高範囲域であることが多く、工作機械に組み込まれる転動装置の剥離ないし摩耗などの検知を行うためには振動センサも高帯域のものを使用しなければならず、したがってバンドパスフィルタの帯域も広くせざるを得ず、事実、高周波として表出する電磁ノイズを除去することができても、騒音ノイズを充分に除去することは難しかった。   However, when using a band-pass filter, it is necessary to grasp the noise frequency band in advance. For example, the frequency band of noise is constantly being affected by factors such as driving conditions, traveling road conditions, and load conditions as in a railway vehicle. It may fluctuate and affect the accuracy of abnormality diagnosis in a complicated manner. In addition, the level of noise or electromagnetic noise is often high and in a high range in a machine tool, and the vibration sensor also has a high band to detect peeling or wear of a rolling device incorporated in the machine tool. Therefore, it is necessary to widen the band of the band pass filter, and in fact, even if the electromagnetic noise expressed as a high frequency can be removed, noise noise should be sufficiently removed. Was difficult.

これに対し、バンドパスフィルタを用いず、2個のセンサ(ピックアップ)を用いて、各センサで検出された信号を位相差がゼロとなるように補正してノイズを除去するものがある(例えば、特許文献5および6参照)。   On the other hand, there is one that uses two sensors (pickups) without using a bandpass filter and corrects the signals detected by each sensor so that the phase difference is zero to remove noise (for example, And Patent Documents 5 and 6).

特開2002−22617号公報JP 2002-22617 A 特開2003−202276号公報JP 2003-202276 A 特開2004−257836号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-257836 特開平9−113416号公報JP-A-9-113416 特開平6−288806号公報JP-A-6-288806 特開平9−33310号公報JP-A-9-33310

しかし、特許文献5および6に記載のものではセンサ間に介在する、例えば剛性、粘弾性などの動的な特性(信号処理上での伝達特性)を考慮しておらず、異常診断の対象として用いたい信号にまで影響を与えてしまうことがあり、異常診断の精度向上に改善の余地があった。   However, those described in Patent Documents 5 and 6 do not consider dynamic characteristics (transmission characteristics in signal processing) such as rigidity and viscoelasticity that are interposed between sensors, and are not subject to abnormality diagnosis. This may affect the signal to be used, and there is room for improvement in improving the accuracy of abnormality diagnosis.

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、変化の激しい環境、あるいは騒音ないし振動のノイズの大きい環境が与える異常診断の精度の低下を抑制することのできる物理量検出装置及び転動装置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 detect a physical quantity that can suppress a decrease in accuracy of abnormality diagnosis caused by a rapidly changing environment or an environment where noise or vibration is large. It is in providing a device and a rolling device.

本発明の目的は、下記の構成により達成される。
(1) 機械装置に組み込まれる転動装置から発せられる振動、音、超音波、応力、変位または歪みのいずれかの物理量を検出する検出用センサと、
所定の位置に配設されて前記物理量を検出する参照用センサと、
前記検出用センサからの信号と前記参照用センサからの信号とを取り込み、最適フィルタを施すことによって前記転動装置以外から発生するノイズ信号を除去して前記物理量を推定する信号処理部と、
を備える
ことを特徴とする物理量検出装置。
(2) 前記信号処理部は、
さらに、
前記推定された物理量に基づき周波数分布を求めて前記転動装置の異常診断を行う診断処理部を備える、
上記(1)に記載の物理量検出装置。
(3) 前記参照用センサは、前記検出用センサが取付けられた部材に、同じく取付けられる
ことを特徴とする上記(1)又は(2)に記載の物理量検出装置。
(4) 前記参照用センサは、前記信号処理部内に配設される、
上記(1)又は(2)に記載の物理量検出装置。
(5) 前記参照用センサは、前記検出用センサと同じ方向の前記物理量を検出し得るように配設される、
上記(1)〜(4)のいずれか1つに記載の物理量検出装置。
(6) 前記最適フィルタはカルマンフィルタ又はウィナーフィルタの少なくともいずれかである、
上記(1)〜(5)のいずれか1つに記載の物理量検出装置。
(7) 前記最適フィルタはLMSアルゴリズム又はRLSアルゴリズムの少なくともいずれかである、
上記(1)〜(5)のいずれか1つに記載の物理量検出装置。
(8) 上記(1)〜(7)のいずれか1つに記載の物理量検出装置が取付けられた転動装置。
The object of the present invention is achieved by the following constitution.
(1) a detection sensor for detecting any physical quantity of vibration, sound, ultrasonic wave, stress, displacement, or strain emitted from a rolling device incorporated in a mechanical device;
A reference sensor disposed at a predetermined position to detect the physical quantity;
A signal processing unit that takes in a signal from the detection sensor and a signal from the reference sensor and applies an optimal filter to remove a noise signal generated from other than the rolling device and estimate the physical quantity;
A physical quantity detection device comprising:
(2) The signal processing unit
further,
A diagnosis processing unit that performs frequency diagnosis of the rolling device based on the estimated physical quantity to perform abnormality diagnosis of the rolling device;
The physical quantity detection device according to (1) above.
(3) The physical quantity detection device according to (1) or (2), wherein the reference sensor is similarly attached to a member to which the detection sensor is attached.
(4) The reference sensor is disposed in the signal processing unit.
The physical quantity detection device according to (1) or (2) above.
(5) The reference sensor is disposed so as to detect the physical quantity in the same direction as the detection sensor.
The physical quantity detection device according to any one of (1) to (4) above.
(6) The optimum filter is at least one of a Kalman filter or a Wiener filter.
The physical quantity detection device according to any one of (1) to (5) above.
(7) The optimum filter is at least one of an LMS algorithm and an RLS algorithm.
The physical quantity detection device according to any one of (1) to (5) above.
(8) A rolling device to which the physical quantity detection device according to any one of (1) to (7) is attached.

本発明によれば、検出用センサと参照用センサとの両者の信号を取り込んで最適フィルタを用いてノイズを推定し、その分を差し引いて出力された信号でもって物理量を検出ができ、またこの検出結果に基づき異常診断を行うことができるので、変化の激しい環境、あるいは騒音ないし振動のノイズの大きい環境が与える物理量検出および異常診断の精度の低下を抑制することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to detect the physical quantity from the signal output by taking the signals of both the detection sensor and the reference sensor, estimating the noise using the optimum filter, and subtracting that amount. Since abnormality diagnosis can be performed based on the detection result, it is possible to suppress a decrease in accuracy of physical quantity detection and abnormality diagnosis which is caused by a rapidly changing environment or an environment where noise or vibration noise is large.

また、本発明では、参照用センサが、検出用センサが取付けられた部材(例えば、鉄道車両であれば転動装置のハウジングなど)に同じく取付けられることが好ましい。これにより、ノイズの推定の精度をより高めると共に、迅速な物理量検出および異常診断を行うことができる。   In the present invention, it is preferable that the reference sensor is also attached to a member to which the detection sensor is attached (for example, a rolling device housing in the case of a railway vehicle). As a result, the accuracy of noise estimation can be further improved, and rapid physical quantity detection and abnormality diagnosis can be performed.

以下、本発明に係る第1〜3実施形態について図を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, first to third embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1(a)は本発明に係る第1実施形態の物理量検出装置が付設された転動装置を搭載した鉄道車両の概略平面図、図1(b)は同鉄道車両の概略側面図であり、図2は第1実施形態の転動装置を説明するための断面図であり、図3は物理量検出装置の信号処理装置のブロック構成図であり、図4は信号処理装置のフィルタ処理部のブロック構成図であり、図5はフィルタ処理部の動作を示すブロック図であり、図6はフィルタ処理部の別の動作を示すブロック図であり、図7は本発明の第2実施形態に係る物理量検出装置を搭載した鉄鋼圧延機の概略図であり、図8は本発明の第3実施形態に係る物理量検出装置を搭載し切削工具であるドリルが装着された工作機械の概略図であり、図9は検出用センサの出力信号と最適フィルタ処理後の出力信号の周波数スペクトル比較を示す図であり、(a)は転動装置の回転速度が360rmp(min−1)の場合、(b)は転動装置の回転速度が88rpm(min−1)であり、図10は第1実施形態に係る振動センサの別の取付方法を示す図であり、図11は第1実施形態に係る信号処理部の変形例を示すブロック構成図である。 FIG. 1A is a schematic plan view of a railway vehicle equipped with a rolling device provided with the physical quantity detection device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a schematic side view of the railway vehicle. 2 is a cross-sectional view for explaining the rolling device of the first embodiment, FIG. 3 is a block configuration diagram of a signal processing device of the physical quantity detection device, and FIG. 4 is a diagram of a filter processing unit of the signal processing device. FIG. 5 is a block diagram showing the operation of the filter processing unit, FIG. 6 is a block diagram showing another operation of the filter processing unit, and FIG. 7 is related to the second embodiment of the present invention. FIG. 8 is a schematic diagram of a steel rolling machine equipped with a physical quantity detection device, FIG. 8 is a schematic diagram of a machine tool equipped with a drill that is a cutting tool and equipped with a physical quantity detection device according to a third embodiment of the present invention; Fig. 9 shows the output signal of the detection sensor and the optimal filter processing Is a diagram showing a frequency spectrum comparison of the force signal, with (a) the rotational speed of the rolling device is 360rmp For (min -1), (b) the rotational speed of the rolling device is 88rpm is (min -1) FIG. 10 is a diagram showing another method of attaching the vibration sensor according to the first embodiment, and FIG. 11 is a block configuration diagram showing a modification of the signal processing unit according to the first embodiment.

(第1実施形態)
まず、図1〜図3に従って、本発明の第1実施形態に係る物理量検出装置が付設された転動装置(回転支持装置)が組み込まれた鉄道車両について説明する。
(First embodiment)
First, a railway vehicle incorporating a rolling device (rotation support device) provided with a physical quantity detection device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1に示すように、一両の鉄道車両100は前後2つの車台によって支持され、各車台には4個の車輪101が取り付けられている。各車輪101の回転支持装置(転動装置)110には、回転支持装置110から発せられる物理量(例えば、振動、超音波、応力、変位、歪み又は角速度)を検出するため、検出用振動センサ(検出用センサ)111と、参照用振動センサ(参照用センサ)117とがそれぞれ付設されている。
なお、前記検出用振動センサ111は、運転中に回転支持装置110から発生する振動を、後述する異常診断を行うために検出し、そして、前記参照用振動センサ117は、同じく回転支持装置110から発生する振動を検出して、前記検出用振動センサ111で検出された検出信号に含まれるノイズを除去するために用いられる。
As shown in FIG. 1, one rail vehicle 100 is supported by two front and rear chassis, and four wheels 101 are attached to each chassis. The rotation support device (rolling device) 110 of each wheel 101 includes a detection vibration sensor (for example, vibration, ultrasonic wave, stress, displacement, distortion, or angular velocity) emitted from the rotation support device 110. A detection sensor (111) and a reference vibration sensor (reference sensor) 117 are provided.
The detection vibration sensor 111 detects vibration generated from the rotation support device 110 during operation in order to perform an abnormality diagnosis to be described later, and the reference vibration sensor 117 is also detected from the rotation support device 110. It is used to detect the generated vibration and remove noise contained in the detection signal detected by the detection vibration sensor 111.

鉄道車両100の制御盤115には、4チャネル分の前記検出用振動センサ111と4チャンネル分の前記参照用振動センサ117とから出力されたセンサ信号をそれぞれ同時(ほぼ同時)に取り込んで異常診断を行うため信号処理を実施する信号処理装置(信号処理部)150が2つ搭載されている。即ち、各車台に設けられている8つの振動センサ111,117の出力信号が各々信号線(有線)116を介して車台毎に別の信号処理装置150に絶えず入力される。また、信号処理装置150には、車輪101の回転速度を検出する回転速度センサ(不図示)からの回転速度パルス信号も入力されている。なお、信号線116の有線に代えて、無線による信号伝達を行っても構わない。
このようにして、物理量検出装置50は、前記検出用振動センサ111と前記参照用振動センサ117と信号処理装置150とを備えて構成されて、前記回転支持装置110に付設されることとなる。
The control panel 115 of the railway vehicle 100 takes in sensor signals output from the detection vibration sensor 111 for four channels and the reference vibration sensor 117 for four channels simultaneously (substantially simultaneously), and diagnoses an abnormality. Two signal processing devices (signal processing units) 150 for performing signal processing are installed. That is, the output signals of the eight vibration sensors 111 and 117 provided in each chassis are continuously input to different signal processing devices 150 for each chassis via signal lines (wired) 116. The signal processing device 150 also receives a rotation speed pulse signal from a rotation speed sensor (not shown) that detects the rotation speed of the wheel 101. Note that, instead of the signal line 116 being wired, wireless signal transmission may be performed.
In this manner, the physical quantity detection device 50 includes the detection vibration sensor 111, the reference vibration sensor 117, and the signal processing device 150, and is attached to the rotation support device 110.

そして、図2に示すように、本発明に係る物理量検出装置50、即ち振動センサ111,117などを備える鉄道車両100の回転支持装置110は、両端部で車輪101に連結される車軸213を回転自在に支持するため、回転部品である複列円すいころ軸受211と、鉄道車両100の台車の一部を構成する静止部材である軸受箱212と、を備える。   As shown in FIG. 2, the physical quantity detection device 50 according to the present invention, that is, the rotation support device 110 of the railway vehicle 100 including the vibration sensors 111 and 117 rotates the axle 213 connected to the wheels 101 at both ends. In order to support freely, a double row tapered roller bearing 211 that is a rotating part and a bearing box 212 that is a stationary member that constitutes a part of the carriage of the railway vehicle 100 are provided.

複列円すいころ軸受211は、回転軸である鉄道車両の車軸213を回転自在に支持しており、外周面に円すい外面状に傾斜した内輪軌道面215,215を有する一対の内輪214,214と、内周面に円すい内面状に傾斜した一対の外輪軌道面217,17を有する単一の外輪216と、内輪214,214の内輪軌道面215,215と外輪216の外輪軌道面217,217との間に複列で複数配置された転動体である円すいころ218,218と、円すいころ218,218を転動自在に保持する環状の打ち抜き保持器219,219と、外輪216の軸方向の両端部にそれぞれ装着された一対のシール部材220,220と、を備えて構成される。   The double row tapered roller bearing 211 rotatably supports an axle 213 of a railway vehicle, which is a rotating shaft, and has a pair of inner rings 214 and 214 having inner ring raceway surfaces 215 and 215 inclined like a cone outer surface on the outer circumferential surface. A single outer ring 216 having a pair of outer ring raceways 217 and 17 inclined like a conical inner surface on the inner peripheral surface, inner ring raceways 215 and 215 of the inner rings 214 and 214, and outer ring raceways 217 and 217 of the outer ring 216, Tapered rollers 218 and 218 that are a plurality of rolling elements arranged in a double row between them, annular punching cages 219 and 219 that hold the tapered rollers 218 and 218 in a freely rolling manner, and both axial ends of the outer ring 216 And a pair of seal members 220 and 220 respectively attached to the parts.

軸受箱212は、鉄道車両の台車の側枠を構成するハウジング221を備えており、このハウジング221は外輪216の外周面を覆うように、中間部でフランジ部を有して円筒状に形成されている。また、ハウジング221の軸方向外端部側(図中の左方向)の外方には、周辺から発生するノイズを捉えるべく前記参照用振動センサ117が取付けられ、ハウジング221の軸方向の中間の外方には、複列円すいころ軸受11のラジアル方向の振動を捉えるべく検出用振動センサ111が取付けられている。なお、いずれの振動センサ111,117も同じ方向、即ち重力方向の振動加速度を検出し得る姿勢に保持され得るように配設され、また同一の部材(ハウジング221)に取付けられている。   The bearing box 212 includes a housing 221 that constitutes a side frame of the bogie of the railway vehicle. The housing 221 is formed in a cylindrical shape having a flange portion at an intermediate portion so as to cover the outer peripheral surface of the outer ring 216. ing. In addition, the reference vibration sensor 117 is attached to the outside of the housing 221 on the outer end side in the axial direction (left direction in the drawing) in order to capture noise generated from the periphery. A vibration sensor 111 for detection is attached to the outside so as to capture the radial vibration of the double row tapered roller bearing 11. Both vibration sensors 111 and 117 are arranged so as to be held in a posture capable of detecting vibration acceleration in the same direction, that is, in the direction of gravity, and are attached to the same member (housing 221).

一対の内輪214,214の間には、内輪間座224が配置されている。一対の内輪214,214及び内輪間座224には車軸213が圧入されており、外輪216はハウジング221に嵌合されている。複列円すいころ軸受211には、種々部材の重量等によるラジアル荷重と任意のアキシアル荷重とが負荷されており、外輪216の周方向の上側部が負荷圏(転動体に対して荷重が負荷される領域)になっている。   An inner ring spacer 224 is disposed between the pair of inner rings 214 and 214. An axle 213 is press-fitted into the pair of inner rings 214, 214 and the inner ring spacer 224, and the outer ring 216 is fitted in the housing 221. The double-row tapered roller bearing 211 is loaded with a radial load due to the weight of various members and an arbitrary axial load, and the upper side in the circumferential direction of the outer ring 216 is loaded in the load zone (the load is applied to the rolling elements). Area).

車軸213の前端部側に配置された一方のシール部材220は、外輪216の軸方向端部で、内輪214と外輪216とで画成される隙間空間を塞ぐように組み付けられている。   One seal member 220 disposed on the front end side of the axle shaft 213 is assembled at an axial end portion of the outer ring 216 so as to close a gap space defined by the inner ring 214 and the outer ring 216.

前記振動センサ111,117は、圧電素子等の振動測定素子であり、複列円すいころ軸受211の内外輪軌道面215,215,217,217の剥離や、歯車の欠損、車輪のフラット摩耗等を検出するのに用いられる。
なお、当該検出用振動センサ111には、加速度センサ、AE(acoustic emission)センサ、超音波センサ、ショックパルスセンサ等、種々のものを採用することができるが、加速度の検出方向性と回路の組込み容易性とを考慮するとMEMS加速度センサが好適である。また、振動センサ111,117は、AE(Acoustic Emission)センサ、音響センサ、超音波センサの少なくとも1つの振動を検出可能な振動系センサと温度センサとを一体に筐体内に収納固定した複合型センサとして構成してもよい。
The vibration sensors 111 and 117 are vibration measuring elements such as piezoelectric elements, and the inner and outer ring raceway surfaces 215, 215, 217, and 217 of the double row tapered roller bearing 211 are peeled off, the gears are lost, the wheels are worn flat, and the like. Used to detect.
For the detection vibration sensor 111, various sensors such as an acceleration sensor, an AE (acoustic emission) sensor, an ultrasonic sensor, a shock pulse sensor, and the like can be adopted. In consideration of easiness, a MEMS acceleration sensor is preferable. The vibration sensors 111 and 117 are composite sensors in which a vibration system sensor capable of detecting at least one vibration of an AE (Acoustic Emission) sensor, an acoustic sensor, and an ultrasonic sensor and a temperature sensor are integrally housed in a housing. You may comprise as.

図3に示すように、信号処理装置150は、センサ信号処理部150Aと、異常診断処理部(MPU)150Bとを有する。そして、センサ信号処理部150Aは、1つのフィルタ処理部151と1つの波形整形回路155とを備えており、4つの振動センサ111の出力信号と4つ参照用振動センサ117の出力信号とが一括してフィルタ処理部151に、そして回転速度センサからの速度比例正弦波または回転速度パルス信号などの回転速度信号が波形整形回路155に、それぞれ入力される。前記フィルタ処理部151は、アナログアンプの機能とアンチエリアシングフィルタの機能とを兼ね備えており、入力された8チャンネルの出力信号(アナログ信号)を適宜増幅・濾波処理を施してデジタル信号に変換し、後述するノイズ除去演算を行っている。これら演算された8チャンネルのデジタル信号は、異常診断処理部(MPU)150Bに取り込まれる。   As shown in FIG. 3, the signal processing device 150 includes a sensor signal processing unit 150A and an abnormality diagnosis processing unit (MPU) 150B. The sensor signal processing unit 150A includes one filter processing unit 151 and one waveform shaping circuit 155, and the output signals of the four vibration sensors 111 and the output signals of the four reference vibration sensors 117 are collectively displayed. Then, a rotational speed signal such as a speed proportional sine wave or a rotational speed pulse signal from the rotational speed sensor is input to the filter processing unit 151 and the waveform shaping circuit 155, respectively. The filter processing unit 151 has the function of an analog amplifier and the function of an anti-aliasing filter, and appropriately amplifies and filters the input 8-channel output signal (analog signal) to convert it into a digital signal. The noise removal calculation described later is performed. These calculated 8-channel digital signals are taken into the abnormality diagnosis processing unit (MPU) 150B.

一方、回転速度信号は、波形整形回路155によって整形された後、タイマカウンタ(不図示)により単位時間当りのパルス数がカウントされ、その値が回転速度信号として異常診断処理部(MPU)150Bに入力される。異常診断処理部(MPU)150Bは、振動センサ111,117により検出された振動波形信号(後述する、推定信号S´)と回転速度センサにより検出された回転速度信号とをもとに異常診断を実行する。異常診断処理部(MPU)150Bによる診断結果はラインドライバ(LD)156を介して通信回線120(図1参照)に出力される。通信回線120は警報機に接続されており、車輪101のフラット等の異常発生時には然るべき警報動作がなされるようになっている。 On the other hand, after the rotation speed signal is shaped by the waveform shaping circuit 155, the number of pulses per unit time is counted by a timer counter (not shown), and the value is sent to the abnormality diagnosis processing unit (MPU) 150B as the rotation speed signal. Entered. The abnormality diagnosis processing unit (MPU) 150B diagnoses an abnormality based on a vibration waveform signal (estimated signal S n ′ described later) detected by the vibration sensors 111 and 117 and a rotation speed signal detected by the rotation speed sensor. Execute. The diagnosis result by the abnormality diagnosis processing unit (MPU) 150B is output to the communication line 120 (see FIG. 1) via the line driver (LD) 156. The communication line 120 is connected to an alarm device, and an appropriate alarm operation is performed when an abnormality such as a flatness of the wheel 101 occurs.

また、この信号処理装置150は、電源が供給されなくてもデータを保持するために、バックアップ電池(Batt)161を有するスタティックランダムアクセスメモリー(SRAM)162を備えている。   The signal processing device 150 includes a static random access memory (SRAM) 162 having a backup battery (Batt) 161 in order to retain data even when power is not supplied.

異常診断処理部150Bは、フィルタ処理部151と波形整形回路155との出力信号に基づいて、回転支持装置110のうち複列円すいころ軸受211に発生している振動の周波数分析を行う。具体的には、前記フィルタ処理部151の出力信号に絶対値処理を施した後、FFTのアルゴリズムに基づいて、振動の周波数スペクトルを算出する。なお、FFTを行う前処理として、振動信号の包絡線を求めるエンベロープ処理を行ってもよい。   The abnormality diagnosis processing unit 150B performs frequency analysis of vibration generated in the double-row tapered roller bearing 211 in the rotation support device 110 based on output signals from the filter processing unit 151 and the waveform shaping circuit 155. Specifically, after an absolute value process is performed on the output signal of the filter processing unit 151, a frequency spectrum of vibration is calculated based on an FFT algorithm. Note that as preprocessing for performing FFT, envelope processing for obtaining an envelope of a vibration signal may be performed.

一般に、複列円すいころ軸受211の回転に起因して生じる振動の異常周波数帯は、軸受の大きさ、転動体の数等の軸受諸元に依存して決まっている。例えば、内輪214、外輪216、円すいころ(転動体)218、打ち抜き保持器(保持器)219などの車軸軸受の各部材の欠陥と、各部材で発生する異常振動周波数の関係は、表1に示すとおりである。したがって、前記振動処理部150Bは、上述した前記フィルタ処理部151の出力信号から周波数スペクトルを算出する一方、表1で示される演算式に基づき前記回転速度信号と軸受諸元とから、複列円すいころ軸受211の各部材における異常振動周波数を基準値として算出してRAMなどの記憶媒体に記憶保持する。   In general, the abnormal frequency band of vibration caused by the rotation of the double row tapered roller bearing 211 is determined depending on the bearing specifications such as the size of the bearing and the number of rolling elements. For example, Table 1 shows the relationship between defects in each member of an axle bearing such as the inner ring 214, the outer ring 216, the tapered roller (rolling element) 218, and the punched cage (retainer) 219 and the abnormal vibration frequency generated in each member. It is shown. Therefore, the vibration processing unit 150B calculates a frequency spectrum from the output signal of the filter processing unit 151 described above, and on the basis of the rotational speed signal and the bearing specifications based on the arithmetic expression shown in Table 1, a double row cone is obtained. The abnormal vibration frequency in each member of the roller bearing 211 is calculated as a reference value and stored in a storage medium such as a RAM.

Figure 2008164578
Figure 2008164578

そして、異常診断処理部150Bは、前記周波数スペクトルの算出結果と、前記基準値とを比較し、異常振動が発生しているかどうかを判定する。この異常診断の判定は、例えば周波数スペクトルの算出結果よりピーク周波数を算出し、前記基準値との一致度、一致回数から判定を行っているが、これに代えて一定期間に振幅閾値を超えた回数から判定を行ってもよく、この場合には回転速度信号を検出する必要がない。   Then, the abnormality diagnosis processing unit 150B compares the calculation result of the frequency spectrum with the reference value to determine whether abnormal vibration has occurred. For this abnormality diagnosis, for example, the peak frequency is calculated from the calculation result of the frequency spectrum, and the determination is made from the degree of coincidence and the number of coincidences with the reference value. The determination may be made from the number of times, and in this case, it is not necessary to detect the rotation speed signal.

次に、フィルタ処理部151について図4に従って詳細に説明する。
フィルタ処理部151は、図4に示すように、DSP回路173を中心として、マルチプレクサ(MUX)171とAD変換器(ADC)172とを備えて構成される。入力された8チャネルのアナログ信号は、マルチプレクサ(MUX)171にて1チャネルごとの信号に切換えられて、AD変換器(ADC)172にてデジタル信号にそれぞれ変換される。変換された信号はRAMなどの記憶媒体に一時的に蓄積された後に、DSP回路173は、これらデジタル信号を前記記憶媒体から適宜取り出して、参照用振動センサ117から出力されたデジタル信号と、検出用振動センサ111から出力されたデジタル信号と、に基づいて最適フィルタを施して、ノイズを除去した上で診断処理部150Bにデジタル信号を出力する。なお、この最適フィルタの処理は、同一の回転支持装置110に取付けられた振動センサ111,117の組合単位(例えば、図4中の点線枠内毎)でそれぞれ実施されることとなる。
Next, the filter processing unit 151 will be described in detail with reference to FIG.
As shown in FIG. 4, the filter processing unit 151 includes a multiplexer (MUX) 171 and an AD converter (ADC) 172 with a DSP circuit 173 as a center. The input 8-channel analog signal is switched to a signal for each channel by a multiplexer (MUX) 171 and converted into a digital signal by an AD converter (ADC) 172. After the converted signals are temporarily stored in a storage medium such as a RAM, the DSP circuit 173 appropriately takes out these digital signals from the storage medium, detects the digital signals output from the reference vibration sensor 117, and detects them. An optimal filter is applied based on the digital signal output from the vibration sensor 111 and noise is removed, and then the digital signal is output to the diagnostic processing unit 150B. Note that the processing of the optimum filter is performed for each combination unit of vibration sensors 111 and 117 attached to the same rotation support device 110 (for example, every dotted frame in FIG. 4).

さらに、前記最適フィルタの処理(ノイズ除去演算)の基本構成について図5を参照して説明する。
検出用振動センサ111では、前記複列円すいころ軸受211それぞれにおいて、ある特定のノイズ源から発生されるノイズ信号x(ただしn=1,2,3,4、以降同じ)は、例えば前記ノイズ源と前記検出用振動センサ111各々との間に介在する粘弾特性などの未知な伝達関数Hにより乗じられたノイズ信号H・xとして検出される。このため、各検出用振動センサ111の出力信号dは本来異常診断の対象となるべき所望信号Sと、ノイズ信号H・xとが加わった信号として検出される。ここで、ノイズ源から発生されるノイズxが別途検出できる箇所、本実施形態では、即ち、検出用振動センサ111が取付けられている部材に、同じく参照用振動センサ117が取付けられている。
Further, a basic configuration of the optimum filter processing (noise removal calculation) will be described with reference to FIG.
In the detection vibration sensor 111, in each of the double-row tapered roller bearings 211, a noise signal x n (where n = 1, 2, 3, 4, and so on) generated from a specific noise source is, for example, the noise. It is detected as a noise signal H n · x n multiplied by an unknown transfer function H n such as a viscoelastic characteristic interposed between the source and the detection vibration sensor 111. Therefore, a desired signal S n output signals d n should be subject to the original diagnosis of each detecting vibration sensor 111, and the noise signal H n · x n is detected as added signals. Here, the reference vibration sensor 117 is also attached to a location where the noise xn generated from the noise source can be separately detected, that is, the member to which the detection vibration sensor 111 is attached in the present embodiment.

このため、フィルタ処理部151では、4つの参照用振動センサ117の出力信号と4つの検出用振動センサ111の出力信号とを取り込んで、同じ部材に取付けられた、これら振動センサ111,117の組合毎に、これら両信号に対し最適フィルタを施すことでノイズ信号xを推定して、ノイズが除去された推定信号S´を算出することができる。なお、最適フィルタとしては、時間領域で逐次実施可能と知られる、カルマンフィルタまたはウィナーフィルタなどを用いることができるが、本実施形態では図5に示すように、係数可変フィルタを用いたアルゴリズム、即ち、出力信号dと係数可変フィルタの出力yの差e(前記推定信号S´と等価)が最小化される方向に係数可変フィルタの係数が更新されるアルゴリズムを採用するのが好適である。
なお、係数可変フィルタの係数は、振動センサ111,117の信号に最適フィルタが逐次施される度に更新され、当該更新は所望信号Sと推定信号S´との差(誤差)の2乗平均値が最小になるように実施される。
For this reason, the filter processing unit 151 takes in the output signals of the four reference vibration sensors 117 and the output signals of the four detection vibration sensors 111 and is a combination of the vibration sensors 111 and 117 attached to the same member. Each time, by applying an optimum filter to both signals, the noise signal x n can be estimated, and the estimated signal S n ′ from which the noise has been removed can be calculated. As the optimum filter, a Kalman filter or a Wiener filter, which is known to be sequentially executable in the time domain, can be used, but in this embodiment, as shown in FIG. 5, an algorithm using a coefficient variable filter, that is, is preferable to employ an algorithm coefficients of variable coefficient filter in the direction difference e n of the output signal d n and the output y n of the variable coefficient filter (the estimated signal S n 'equivalent) is minimized is updated is there.
Note that the coefficient of the coefficient variable filter is updated each time the optimum filter is sequentially applied to the signals of the vibration sensors 111 and 117, and the update is 2 of the difference (error) between the desired signal S n and the estimated signal S n ′. It is carried out so that the root mean square value is minimized.

このような係数可変フィルタを用いて係数を更新するアルゴリズムとして、勾配型のアルゴリズム又は最小二乗法によるアルゴリズムが知られており、本実施形態では、特に実用性の高いLMS(最小平均二乗)アルゴリズムまたはRLS(逐次最小二乗)アルゴリズムなどの最適フィルタを採用することができるが、実験の結果、RLS(逐次最小二乗)アルゴリズム、勾配型結合過程アルゴリズムがより好適であることが確認された。   As an algorithm for updating a coefficient using such a coefficient variable filter, a gradient type algorithm or an algorithm based on a least square method is known. In this embodiment, an LMS (minimum mean square) algorithm or a particularly practical utility is used. Although an optimal filter such as an RLS (Sequential Least Squares) algorithm can be employed, the RLS (Sequential Least Squares) algorithm and a gradient coupled process algorithm have been confirmed to be more suitable as a result of experiments.

これらアルゴリズムはいずれも、過去の推定信号S´の推定結果に及ぼす影響を小さくするため、前記係数に対し忘却係数を取り入れることで非定常性によく対応できる。そして、これらアルゴリズムのうち、特にRLSアルゴリズムは非定常現象が発生したときの適応性が迅速であり、また勾配型結合過程アルゴリズムについても同じく実用性が高い。なお、RLSアルゴリズムはカルマンフィルタに、勾配型結合過程アルゴリズムはウィナーフィルタに、属するものであり、これらアルゴリズムの実装方法を工夫(例えば、組合せなど)することで種々の最適フィルタとして実現可能である。 Any of these algorithms can cope with non-stationarity well by incorporating a forgetting coefficient into the coefficient in order to reduce the influence on the estimation result of the past estimated signal S n ′. Among these algorithms, the RLS algorithm is particularly adaptable when a non-stationary phenomenon occurs, and the gradient type coupling process algorithm is also highly practical. Note that the RLS algorithm belongs to the Kalman filter, and the gradient combination process algorithm belongs to the Wiener filter, and can be realized as various optimum filters by devising (for example, combining) the implementation methods of these algorithms.

さらに、勾配型のアルゴリズムとして代表的なものとしては、LMSアルゴリズムがあり、このアルゴリズムは係数に対し忘却係数を取り入れるとともに、ステップサイズパラメータを入力信号の振幅に応じて可変にする正規化アルゴリズムをも取り入れた正規化LMSアルゴリズムを用いることで非定常性に対応できて、実用的なレベルとすることができる。   Furthermore, a typical gradient type algorithm is the LMS algorithm, which incorporates a forgetting factor into the factor and a normalization algorithm that makes the step size parameter variable according to the amplitude of the input signal. By using the normalized LMS algorithm that has been adopted, non-stationarity can be dealt with, and a practical level can be achieved.

したがって、本実施形態によれば、鉄道車両などに組み込まれる転動装置に異常診断において、検出用振動センサと参照用振動センサとの両者の出力信号から最適フィルタを用いてノイズを推定し、その分を差し引いて出力された信号でもって物理量検出、そして異常診断を行うので、変化の激しい環境、あるいは騒音ないし振動のノイズの大きい環境が与える検出精度の低下を抑制し、検出精度を向上させることができる。   Therefore, according to the present embodiment, in an abnormality diagnosis for a rolling device incorporated in a railway vehicle or the like, noise is estimated from the output signals of both the detection vibration sensor and the reference vibration sensor using an optimum filter, Since physical quantity detection and abnormality diagnosis are performed with the signal output by subtracting the minute, the degradation of detection accuracy caused by a rapidly changing environment or an environment with a lot of noise or vibration is suppressed, and the detection accuracy is improved. Can do.

また、この効果に加えて、本実施形態によれば、最適フィルタはノイズの伝達関数Hを推定するのと等価であり、また参照用センサ117を検出用センサ111の近傍、即ち同一部材に対しそれぞれ取付けられるので、推定演算する伝達関数Hの次数を低く抑制できて、DSP回路173などの演算負担を低減して、迅速且つ精度よく異常診断の対象となる推定信号S´を算出することもできる。 In addition to this effect, according to the present embodiment, the optimum filter is equivalent to estimating the noise transfer function H n , and the reference sensor 117 is arranged in the vicinity of the detection sensor 111, that is, the same member. Since the order of the transfer function H n to be estimated and calculated can be suppressed low, the calculation load of the DSP circuit 173 and the like can be reduced, and the estimated signal S n ′ subject to abnormality diagnosis can be calculated quickly and accurately. You can also

(第2実施形態)
次に、図7に従って本発明に係る第2実施形態について説明する。
なお、以下説明する実施形態において、上述した第1実施形態と重複する構成要素および機能的に同様な構成要素などについては、図中に同一あるいは相当符号を付すことによって説明を簡略化あるいは省略する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG.
Note that in the embodiments described below, the same or equivalent components in the drawings are simplified or omitted by giving the same or equivalent reference numerals to the components that are the same as those in the first embodiment described above and functionally similar components. .

本実施形態は、検出用振動センサ111と参照用検出センサ117と信号処理装置150とを備えた物理量検出装置350を鉄鋼圧延機300に適用したものである。本実施形態に係る鉄鋼圧延機300は、上ワークロール301および下ワークロール302を備えて、支持軸受303によって回転自在に支持されているとともに、スピンドル304に連結されている。当該スピンドル304は、例えばカップリングなどの継手305により減速機306に接続される。当該減速機306は、モータ軸に継手307が装着されたモータ308により回動駆動される。即ち、モータ308が回転駆動されることにより、上下ワークロール301,302が協調回動して、当該上下ワークロール301,302の間を例えば金属などの被圧延材309が通過することで圧延される。なお、本実施形態の支持軸受303は、例えば4列円すいころ軸受若しくは4列円筒ころ軸受、または複列円すいころ軸受などが用いられるが、特に限定されるものではなく、本発明の範囲内で任意に選択される。   In the present embodiment, a physical quantity detection device 350 including a detection vibration sensor 111, a reference detection sensor 117, and a signal processing device 150 is applied to a steel rolling mill 300. The steel rolling mill 300 according to the present embodiment includes an upper work roll 301 and a lower work roll 302, is rotatably supported by a support bearing 303, and is coupled to a spindle 304. The spindle 304 is connected to the speed reducer 306 by a joint 305 such as a coupling. The speed reducer 306 is rotationally driven by a motor 308 having a joint 307 mounted on the motor shaft. That is, when the motor 308 is driven to rotate, the upper and lower work rolls 301 and 302 rotate in a coordinated manner, and the material to be rolled 309 such as metal passes between the upper and lower work rolls 301 and 302 and is rolled. The As the support bearing 303 of this embodiment, for example, a four-row tapered roller bearing, a four-row cylindrical roller bearing, or a double-row tapered roller bearing is used, but it is not particularly limited and is within the scope of the present invention. Arbitrarily selected.

また、検出用振動センサ111は、支持軸受303各々に付設されている。さらに、本実施形態では、稼動時における主なノイズ源が減速機306であることが予想されるため、参照用振動センサ117は前記減速機306に付設されている。そして、検出用振動センサ111と参照用検出振動117とにより検出された5チャンネルのアナログ信号は異常診断装置150に入力される。
それ以外の態様、即ち検出用振動センサ111および参照用振動センサ117から検出された信号に基づいた異常診断は、第1実施形態と同様である。
The detection vibration sensor 111 is attached to each support bearing 303. Furthermore, in this embodiment, since the main noise source during operation is expected to be the speed reducer 306, the reference vibration sensor 117 is attached to the speed reducer 306. The 5-channel analog signals detected by the detection vibration sensor 111 and the reference detection vibration 117 are input to the abnormality diagnosis device 150.
Other aspects, that is, abnormality diagnosis based on signals detected from the detection vibration sensor 111 and the reference vibration sensor 117 are the same as those in the first embodiment.

したがって、本実施形態によれば、鉄鋼圧延機においても第1実施形態と同様な効果を奏する。   Therefore, according to the present embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained in the steel rolling mill.

(第3実施形態)
図8に従って第3実施形態について説明する。
本実施形態は、検出用振動センサ111と参照用検出センサ117と信号処理装置150とを備えた物理量検出装置450を、ドリル研削機400に適用したものである。工作機械であるドリル研削機400は、内部に回転軸(転動装置)401と当該回転軸を回転自在に支持する支持軸受(不図示)を備えた主軸402と、当該主軸402を保持するハウジング403と、当該ハウジング403を、リニアガイド404を介して支持するとともにワークWを固定支持するテーブル405を備えた本体部406と、伝達機構407を介して回転軸401を回転駆動するモータ408とを備えている。なお、モータ408は回転軸401と平行となるようにブラケット409により主軸402に取付けられており、伝達機構407はベルト407aとプーリ407bとで構成されてモータ408の駆動力を主軸402に伝達している。
(Third embodiment)
A third embodiment will be described with reference to FIG.
In the present embodiment, a physical quantity detection device 450 including a detection vibration sensor 111, a reference detection sensor 117, and a signal processing device 150 is applied to a drill grinding machine 400. A drill grinding machine 400, which is a machine tool, includes a rotation shaft (rolling device) 401, a main shaft 402 including a support bearing (not shown) that rotatably supports the rotation shaft, and a housing that holds the main shaft 402. 403, a main body 406 including a table 405 that supports the housing 403 via a linear guide 404 and fixes and supports the workpiece W, and a motor 408 that rotationally drives the rotary shaft 401 via a transmission mechanism 407. I have. The motor 408 is attached to the main shaft 402 by a bracket 409 so as to be parallel to the rotating shaft 401, and the transmission mechanism 407 includes a belt 407 a and a pulley 407 b and transmits the driving force of the motor 408 to the main shaft 402. ing.

そして、回転軸401の先端部にドリルTが装着されて、リニアガイド404に案内支持されながら、ドリルTが装着された回転軸401が、テーブル405に配されたワークWに対して進退移動(図中では上下方向)することにより研削を行う。   Then, while the drill T is mounted on the tip of the rotating shaft 401 and guided and supported by the linear guide 404, the rotating shaft 401 to which the drill T is mounted moves forward and backward with respect to the workpiece W arranged on the table 405 ( Grinding is performed by making the vertical direction in the figure.

また、参照用振動センサ117はモータ408と近傍配置となるようにブラケット409に付設されるとともに検出用振動センサ111はテーブルに取付けられる。   The reference vibration sensor 117 is attached to the bracket 409 so as to be arranged in the vicinity of the motor 408, and the detection vibration sensor 111 is attached to the table.

したがって、本実施形態によれば、工作機械においても第1実施形態と同様な効果を奏する。   Therefore, according to the present embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained in the machine tool.

ここで、本発明の第1実施形態の転動装置を用いた場合の最適フィルタの有効性を確認するため、試験を行った。この試験結果が得た周波数スペクトルを図9に示す。なお、この試験では、複列円すい転がり軸受の内輪軌道に人工きずを加工し、この状態で振動を検出して、検出用振動センサ111から出力されたそのままの信号(観測信号:図中の下段)dとフィルタ処理部151で最適フィルタが施された後の推定信号(最適フィルタ処理後の出力:図中の上段)S´とをそれぞれFFT変換して周波数スペクトルを取って比較した。なお、最適フィルタのアルゴリズムは、RLS(逐次最小二乗)アルゴリズムを用いた。 Here, a test was conducted to confirm the effectiveness of the optimum filter when the rolling device of the first embodiment of the present invention was used. The frequency spectrum obtained by this test result is shown in FIG. In this test, an artificial flaw is processed on the inner ring raceway of the double row cone rolling bearing, the vibration is detected in this state, and the signal as it is output from the detection vibration sensor 111 (observation signal: lower stage in the figure) ) d n and filtering unit 151 at the optimal filter after estimation signal (optimum filter process after having been subjected output: were compared taking the frequency spectrum in Fig upper) S n 'and the by FFT transform, respectively. Note that the RLS (Sequential Least Squares) algorithm was used as the optimal filter algorithm.

図9(a)は、転動装置の回転速度が360rpm(min−1)であるときの試験結果であり、最適フィルタが施された信号ではノイズが殆ど除去され、異常を示すピークとその高調波ピークが強調されていることが確認できる。また、図9(b)は回転速度が88rpm(min−1)であるときの試験結果であり、検出用振動センサ111からそのまま出力された信号波形ではノイズしか確認できず異常を示すピークはそのノイズに完全に埋もれてしまい、全く確認できないが、最適フィルタが施された信号ではノイズが除去されて異常を示すピークが確認され、且つ基本波から3次の高調波まで精度よく確認できる。
即ち、このような試験を通じて表2に示す知見が得ることができた。
FIG. 9A shows a test result when the rotational speed of the rolling device is 360 rpm (min −1 ). In the signal to which the optimum filter is applied, noise is almost removed, and a peak indicating abnormality and its harmonics are shown. It can be confirmed that the wave peak is emphasized. FIG. 9B shows the test result when the rotation speed is 88 rpm (min −1 ). Only the noise can be confirmed in the signal waveform output as it is from the vibration sensor for detection 111, and the peak indicating abnormality is shown in FIG. Although it is completely buried in noise and cannot be confirmed at all, the noise-removed peak is confirmed in the signal subjected to the optimum filter, and an abnormal peak is confirmed, and the fundamental wave to the third harmonic can be confirmed with high accuracy.
That is, the knowledge shown in Table 2 could be obtained through such a test.

Figure 2008164578
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したがって、この試験により、検出用振動センサ111と参照用振動センサ117との両者の出力信号から最適フィルタを用いてノイズを推定し、その分を差し引いて出力された信号でもって異常診断を行うことで、従来では難しいとされていた中低速の回転速度においても異常診断を迅速且つ精度よく行えることが分かる。   Therefore, by this test, noise is estimated from the output signals of both the detection vibration sensor 111 and the reference vibration sensor 117 using an optimum filter, and the abnormality is diagnosed with the output signal after subtracting the noise. Thus, it can be seen that abnormality diagnosis can be performed quickly and accurately even at medium and low rotational speeds, which has been considered difficult in the past.

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこれら実施形態に限られるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。なお、検出用振動センサと参照用振動センサとは同じ種類のセンサである必要はなく、例えば検出用振動センサとして耐久性に優れた圧電セラミックセンサを使用し、参照用振動センサとして加速度の検出方向に優れ、容易に演算回路に組み込み可能なMEMS加速度センサを用いてもよい。   This is the end of the description of specific embodiments. However, aspects of the present invention are not limited to these embodiments, and modifications, improvements, and the like can be made as appropriate. The vibration sensor for detection and the vibration sensor for reference do not need to be the same type of sensor. For example, a piezoelectric ceramic sensor having excellent durability is used as the vibration sensor for detection, and the acceleration detection direction is used as the vibration sensor for reference. A MEMS acceleration sensor that is excellent in performance and can be easily incorporated into an arithmetic circuit may be used.

また、転動装置としては、転がり軸受、歯車、車軸、工作機械やボールねじ等の回転部品や、リニアガイド、リニアボールベアリング等の部品であってもよく、損傷によって周期的な振動を発生する部品であれば良い。また、回転部品の損傷に起因する周波数成分を算出するための速度信号としては、回転速度信号を例示して説明したが、摺動部品の場合の速度信号として移動速度信号も用いることができる。   The rolling device may be a rolling bearing, a gear, an axle, a rotating part such as a machine tool or a ball screw, or a part such as a linear guide or a linear ball bearing, and generates periodic vibrations due to damage. Any parts can be used. Further, as the speed signal for calculating the frequency component due to the damage of the rotating part, the rotating speed signal has been exemplified, but a moving speed signal can also be used as the speed signal in the case of the sliding part.

また、上記実施形態では、デジタル処理の大部分をソフトウエアによって行なっているが、その一部またはそのすべてをFPGA(Field Programmable Gate Array)等のハードウエアで実現してもよい。さらに、入力される信号のSN比を向上させるため、フィルタ処理部の前段に増幅処理ないしはアンチエリアシングフィルタ処理を施す演算部を設けてもよい。   In the above embodiment, most of the digital processing is performed by software, but part or all of the digital processing may be realized by hardware such as an FPGA (Field Programmable Gate Array). Furthermore, in order to improve the signal-to-noise ratio of the input signal, an arithmetic unit that performs amplification processing or anti-aliasing filter processing may be provided before the filter processing unit.

また、機械装置は異常診断対象である転動装置を備えたものであればよく、上述したもの以外に、風車用軸受装置、工作機械主軸用軸受装置などを含むことができる。   Moreover, the mechanical apparatus should just be provided with the rolling device which is an abnormality diagnosis object, In addition to what was mentioned above, the bearing apparatus for windmills, the bearing apparatus for machine tool main spindles, etc. can be included.

さらに、検出される信号を振動として例示して説明したが、これに代えて音、超音波(AE)、応力、変位、歪みなどの機械量、物理量を含み、これらの信号では、回転あるいは摺動部品を含む機械設備に欠陥または異常がある場合に、その欠陥または異常を示す信号成分を含んでいるので、異常診断の対象信号とすることができる。   Furthermore, although the detected signal has been exemplified and described as vibration, instead of this, it includes mechanical quantities and physical quantities such as sound, ultrasonic waves (AE), stress, displacement, and distortion. When there is a defect or abnormality in the mechanical equipment including the moving parts, a signal component indicating the defect or abnormality is included, so that it can be a target signal for abnormality diagnosis.

また、第1実施形態では検出用振動センサ111と参照用振動センサ117とが同じ部材に取付けられるとして説明したが、参照用振動センサ117がノイズを含んだ信号を検出できるように配設されればよく、例えば信号処理装置150内に制御基盤に配設されるようにしても、本発明の目的を達成することができる。   In the first embodiment, the detection vibration sensor 111 and the reference vibration sensor 117 are described as being attached to the same member. However, the reference vibration sensor 117 is arranged to detect a signal including noise. For example, the object of the present invention can be achieved even when the signal processing device 150 is disposed on the control board.

さらに、第1実施形態では1つの検出用振動センサ111で異常診断を行っているが、複列円すいころ軸受211の負荷圏を考慮して、図10に示すように、複列円すいころ軸受211のそれぞれの内外輪軌道面215,215,217,217に対峙し得るように、検出用振動センサを1つの回転支持装置110につき2つ配設するように構成してもよく、この場合にはより迅速且つ精度よく異常診断することができる。   Furthermore, in the first embodiment, abnormality diagnosis is performed with one detection vibration sensor 111. However, in consideration of the load range of the double row tapered roller bearing 211, as shown in FIG. 10, the double row tapered roller bearing 211 is provided. In order to be able to face the inner and outer ring raceway surfaces 215, 215, 217, and 217, two detection vibration sensors may be provided for each rotation support device 110. Abnormalities can be diagnosed more quickly and accurately.

そして、上記実施形態では、1つのフィルタ処理151で振動センサ111,117全部の信号を取り込んで最適フィルタ処理を実施するようにしたが、図11に示すように、フィルタ処理部551を検出用振動センサ111と参照用振動センサ117との組合に応じて個々に配設するようにしてもよい。この場合には、演算量を増やすことができ、収束の早いアルゴリズム、例えばRLSアルゴリズムを実装することができる。   In the above embodiment, the signal of all the vibration sensors 111 and 117 is acquired by one filter processing 151 and the optimum filter processing is performed. However, as shown in FIG. You may make it arrange | position individually according to the combination of the sensor 111 and the vibration sensor 117 for a reference. In this case, the amount of calculation can be increased, and an algorithm with quick convergence, for example, an RLS algorithm can be implemented.

また、フィルタ処理部151,251と異常診断処理部150Bを別体として設けた構成としたが、これら共通のCPUを用いて一体として構成するようにしてもよい。この場合には、製造コストを抑制することができる。   In addition, although the filter processing units 151 and 251 and the abnormality diagnosis processing unit 150B are provided separately, they may be configured as a single unit using these common CPUs. In this case, the manufacturing cost can be suppressed.

(a)は本発明の異常診断装置を搭載した鉄道車両の概略平面図、そして(b)は同鉄道車両の概略側面図である。(A) is a schematic plan view of the railway vehicle carrying the abnormality diagnosis device of the present invention, and (b) is a schematic side view of the railway vehicle. 第1実施形態の転動装置を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the rolling device of 1st Embodiment. 物理量検出装置の信号処理装置のブロック構成図である。It is a block block diagram of the signal processing apparatus of a physical quantity detection apparatus. 信号処理装置のフィルタ処理部のブロック構成図である。It is a block block diagram of the filter process part of a signal processing apparatus. フィルタ処理部の動作を示すブロック図である。It is a block diagram which shows operation | movement of a filter process part. フィルタ処理部の別の動作を示すブロック図である。It is a block diagram which shows another operation | movement of a filter process part. 本発明の第2実施形態に係る物理量検出装置を搭載した鉄鋼圧延機の概略図である。It is the schematic of the steel rolling mill carrying the physical quantity detection apparatus which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る物理量検出装置を搭載し切削工具であるドリルが装着された工作機械の概略図である。It is the schematic of the machine tool carrying the physical quantity detection apparatus which concerns on 3rd Embodiment of this invention, and with which the drill which is a cutting tool was mounted | worn. 検出用センサの出力信号と最適フィルタ処理後の出力信号の周波数スペクトル比較を示す図であり、(a)は転動装置の回転速度が360rmp(min−1)の場合、(b)は転動装置の回転速度が88rpm(min−1)である。It is a figure which shows the frequency spectrum comparison of the output signal of a sensor for detection, and the output signal after an optimal filter process, (a) is the rotational speed of 360 rolling (min < -1 >), (b) is rolling The rotation speed of the apparatus is 88 rpm (min −1 ). 第1実施形態に係る振動センサの別の取付方法を示す図である。It is a figure which shows another attachment method of the vibration sensor which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る信号処理部の変形例を示すブロック構成図である。It is a block block diagram which shows the modification of the signal processing part which concerns on 1st Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

50,350,450 物理量検出装置
100 鉄道車両
101 車輪
110 回転支持装置(転動装置)
111 検出用振動センサ(検出用センサ)
117 参照用振動センサ(参照用センサ)
150 信号処理装置
151,551 フィルタ処理部
150A センサ信号処理部
150B 診断処理部
173 DSP回路
211 複列円すいころ軸受
221 ハウジング
300 鉄鋼圧延機
303 支持軸受(転動装置)
400 ドリル研削機
401 回転軸(転動装置)
50, 350, 450 Physical quantity detection device 100 Railway vehicle 101 Wheel 110 Rotation support device (rolling device)
111 Detection Vibration Sensor (Detection Sensor)
117 Reference vibration sensor (reference sensor)
150 Signal processor 151,551 Filter processor 150A Sensor signal processor 150B Diagnosis processor 173 DSP circuit 211 Double row tapered roller bearing 221 Housing 300 Steel rolling mill 303 Support bearing (rolling device)
400 Drill grinding machine 401 Rotating shaft (rolling device)

Claims (8)

機械装置に組み込まれる転動装置から発せられる振動、音、超音波、応力、変位または歪みのいずれかの物理量を検出する検出用センサと、
所定の位置に配設されて前記物理量を検出する参照用センサと、
前記検出用センサからの信号と前記参照用センサからの信号とを取り込み、最適フィルタを施すことによって前記転動装置以外から発生するノイズ信号を除去して前記物理量を推定する信号処理部と、
を備える
ことを特徴とする物理量検出装置。
A detection sensor for detecting any physical quantity of vibration, sound, ultrasonic wave, stress, displacement, or strain emitted from a rolling device incorporated in a mechanical device;
A reference sensor disposed at a predetermined position to detect the physical quantity;
A signal processing unit that takes in a signal from the detection sensor and a signal from the reference sensor and applies an optimal filter to remove a noise signal generated from other than the rolling device and estimate the physical quantity;
A physical quantity detection device comprising:
前記信号処理部は、
さらに、
前記推定された物理量に基づき周波数分布を求めて前記転動装置の異常診断を行う診断処理部を備える、
請求項1に記載の物理量検出装置。
The signal processing unit
further,
A diagnosis processing unit that performs frequency diagnosis of the rolling device based on the estimated physical quantity to perform abnormality diagnosis of the rolling device;
The physical quantity detection device according to claim 1.
前記参照用センサは、前記検出用センサが取付けられた部材に、同じく取付けられる
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の物理量検出装置。
The physical quantity detection device according to claim 1, wherein the reference sensor is also attached to a member to which the detection sensor is attached.
前記参照用センサは、前記信号処理部内に配設される、
請求項1又は2に記載の物理量検出装置。
The reference sensor is disposed in the signal processing unit.
The physical quantity detection device according to claim 1 or 2.
前記参照用センサは、前記検出用センサと同じ方向の前記物理量を検出し得るように配設される、
請求項1〜4のいずれか一項に記載の物理量検出装置。
The reference sensor is disposed so as to detect the physical quantity in the same direction as the detection sensor.
The physical quantity detection apparatus as described in any one of Claims 1-4.
前記最適フィルタはカルマンフィルタ又はウィナーフィルタの少なくともいずれかである、
請求項1〜5のいずれか一項に記載の物理量検出装置。
The optimal filter is at least one of a Kalman filter or a Wiener filter.
The physical quantity detection apparatus as described in any one of Claims 1-5.
前記最適フィルタはLMSアルゴリズム又はRLSアルゴリズムの少なくともいずれかである、
請求項1〜5のいずれか一項に記載の物理量検出装置。
The optimal filter is at least one of an LMS algorithm or an RLS algorithm,
The physical quantity detection apparatus as described in any one of Claims 1-5.
請求項1〜7のいずれか一項に記載の物理量検出装置が取付けられた転動装置。   A rolling device to which the physical quantity detection device according to any one of claims 1 to 7 is attached.
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