TWI896245B - 自動運轉機器之狀態監視裝置及自動運轉機器之狀態監視方法 - Google Patents

Abstract

本發明之目的在於提供一種於監視具有旋轉軸之自動運轉機器之運轉狀態之狀態監視裝置中，即使對象軸系之旋轉速度較低且振動能量較小之情形時，亦可精度良好地實施自動運轉機器之診斷之自動運轉機器之狀態監視裝置。 本發明係具有包含增速機或減速機之旋轉軸系之自動運轉機器之狀態監視裝置，其特徵在於具備：高速信號收集部，其收集上述旋轉軸系之高速側之高速軸系之振動資料；低速信號收集部，其收集上述旋轉軸系之低速側之低速軸系之振動資料；信號分析部，其對振動資料進行頻率分析，獲得分析資料；高速軸速度推定部，其基於上述高速軸系之分析資料，推定上述高速軸系之旋轉速度；低速軸速度計算部，其基於上述增速機之增速比或上述減速機之減速比，及藉由上述高速軸速度推定部推定出之高速軸系之旋轉速度，計算上述低速軸系之旋轉速度；及特徵振動擷取部，其使用藉由上述低速軸速度計算部計算出之低速軸系之旋轉速度，自上述低速軸系之分析資料中擷取特徵振動成分。

Description

自動運轉機器之狀態監視裝置及自動運轉機器之狀態監視方法

本發明係關於一種監視自動運轉機器之運轉狀態之狀態監視裝置之構成及其狀態監視方法，尤其關於一種適用於具有旋轉軸之自動運轉機器之狀態監視之有效技術。

於自動運轉控制之設備機器中，存在以大致無人狀態運行之設備，此種情形時，代替設備檢查員診斷機器之穩固性之計測裝置之必要性較高。

例如，一般之風力發電設備中，由於自動控制發電運轉，故兼作操作員之設備檢查員待在機械室內，不常確認機器之運轉狀態。此種情形時，有時安裝評估機器之穩固性之計測裝置，計測運轉中之機器之狀態，對離開系統之監視所傳輸計測結果，監視運轉是否正常進行。

此種狀態監視裝置中，例如監視對象為滾動軸承之情形時，藉由使用設置於對象軸承附近之振動感測器計測軸承之振動，分離擷取振動信號所含之軸承特有之頻率成分，記錄觀察其時間變化，而可評估軸承之穩固性。

振動信號所含之特徵頻率成分之擷取藉由如下而完成：由軸承規格等掌握軸承每轉1圈產生振動之次數，將計測時之軸承之旋轉速度與此相乘而求得特徵頻率，對振動信號進行頻率分析，取得振動之頻譜，讀取頻譜之特徵頻率之振動振幅。換言之，對於監視對象之穩固性診斷，除取得頻率分析之振動頻譜外，需要掌握對象之軸系每轉1圈產生之特徵振動之次數與軸系之旋轉速度。

軸系之旋轉速度使用安裝於旋轉軸之旋轉感測器計測，大多傳遞至設備之運轉控制裝置，狀態監視裝置與設備運轉控制裝置結合之情形時，容易通過設備運轉控制裝置掌握軸系之旋轉速度。

另一方面，監視對象設備中，有運行開始後不久，附加安裝監視裝置之情形。該情形視為通過設備運行之經驗，認定需要監視裝置之狀態監視之情形。此時，有無法將監視裝置與設備運轉控制裝置結合，且無法容易掌握軸系之旋轉速度之情況。

作為本技術領域之先前技術，例如有如專利文獻1般之技術。專利文獻1之狀態監視裝置具備記憶部與運算部，記憶部記憶自將以等間隔之時間取樣來自設置於機器之感測器之信號之資料行分割後之複數個分割資料行分別取得之複數個結果。運算部自累積於記憶部之複數個結果，推定分別對應於複數個分割資料行之複數個旋轉速度。

根據專利文獻1，即使計測中旋轉速度變動之情形時亦掌握此，且可精度良好地進行旋轉機器之分析。

又，專利文獻2中，揭示有「一種滾筒式洗衣機，其藉由一面使滾筒於偏心載荷位置之相反側旋轉，一面自噴射部向偏心載荷消除位置噴射水，而強制地保持平衡，基於由馬達電流檢測與滾筒位置檢測部判定是否正確保持該平衡之判定部之判定值，以調整部調整噴射部之噴射量，藉此可進行確實之偏心載荷之消除，並立即確實地進行高速旋轉下之脫水」。

根據專利文獻2，可消除脫水啟動時滾筒內之不平衡，使諧振點轉數迅速通過並上升至恒定轉數，防止振動、噪音、故障之產生。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開2018-36124號公報 [專利文獻2]日本專利特開2012-143428號公報

[發明所欲解決之問題]

然而，例如一般之風力發電設備中，有時因靠近發電機之軸系高速旋轉，故其振動能量較大，可自計測之振動資料推定軸系之旋轉速度，但因靠近風力渦輪軸之軸系之旋轉速度較低，故振動能量較小，難以由計測之振動資料推定軸系之旋轉速度。

上述專利文獻1及專利文獻2中，對於此種由振動資料推定低速旋轉之軸系之旋轉速度毫無提及。

因此，本發明之目的在於提供一種於監視具有旋轉軸之自動運轉機器之運轉狀態之狀態監視裝置中，即使對象軸系之旋轉速度較低，振動能量較小之情形時，亦可精度良好地實施自動運轉機器之診斷之自動運轉機器之狀態監視裝置及其狀態監視方法。 [解決問題之技術手段]

為了解決上述問題，本發明係具有包含增速機或減速機之旋轉軸系之自動運轉機器之狀態監視裝置，其特徵在於具備：高速信號收集部，其收集上述旋轉軸系之高速側之高速軸系之振動資料；低速信號收集部，其收集上述旋轉軸系之低速側之低速軸系之振動資料；信號分析部，其對振動資料進行頻率分析，獲得分析資料；高速軸速度推定部，其基於上述高速軸系之分析資料，推定上述高速軸系之旋轉速度；低速軸速度計算部，其基於上述增速機之增速比或上述減速機之減速比、及藉由上述高速軸速度推定部推定出之高速軸系之旋轉速度，計算上述低速軸系之旋轉速度；及特徵振動擷取部，其使用藉由上述低速軸速度計算部計算出之低速軸系之旋轉速度，自上述低速軸系之分析資料中擷取特徵振動成分。

又，本發明係具有包含增速機或減速機之旋轉軸系之自動運轉機器之狀態監視方法，其特徵在於具有如下步驟：(a)收集上述旋轉軸系之高速側之高速軸系之振動資料及上述旋轉軸系之低速側之低速軸系之振動資料；(b)對上述(a)步驟中收集到之振動資料進行頻率分析，取得分析資料；(c)基於上述(b)步驟中取得之上述高速軸系之分析資料，推定上述高速軸系之旋轉速度；(d)基於上述增速機之增速比或上述減速機之減速比、及上述(c)步驟中推定出之高速軸系之旋轉速度，計算上述低速軸系之旋轉速度；(e)使用上述(d)步驟中計算出之低速軸系之旋轉速度，自上述低速軸系之分析資料中擷取特徵振動成分。 [發明之效果]

根據本發明，可實現於監視具有旋轉軸之自動運轉機器之運轉狀態之狀態監視裝置中，即使對象軸系之旋轉速度較低，振動能量較小之情形時，亦可精度良好地實施自動運轉機器之診斷之自動運轉機器之狀態監視裝置及其狀態監視方法。

上述以外之問題、構成及效果根據以下之實施形態之說明而明確。

以下，使用圖式說明本發明之實施例。另，於各圖式中，對相同構成標註相同符號，對於重複部分省略其詳細說明。 [實施例1]

參照圖1至圖3及圖6，對本發明之實施例1之自動運轉機器之狀態監視裝置及自動運轉機器之狀態監視方法進行說明。

圖1係顯示本實施例之機器狀態監視裝置之概略構成之圖。圖2係模式性顯示高速軸系之振動頻譜之圖。圖3係模式性顯示低速軸系之振動頻譜之圖。圖6係顯示本實施例之機器狀態監視方法之流程圖。

本實施例之機器狀態監視裝置例如適於如風力發電設備般自動運轉之設備機械中，隨附於旋轉軸系之軸承或齒輪等旋轉零件之狀態監視用途。

如圖1所示，本實施例之機器狀態監視裝置作為主要構成，具備：複數個振動感測器21～24，其等設置於作為監視對象之自動運轉機器；信號收集裝置60，其經由振動感測器21～24取得自動運轉機器之運轉狀態相關之資訊；及信號分析裝置70，其分析由信號收集裝置60取得之資訊。

圖1所示之一般之風力發電設備之旋轉軸系中，發電機31藉由高速軸接頭32連接於增速機33，增速機33藉由主軸接頭34連接於主軸36，主軸36由主軸承35可旋轉地受支持。藉由風力等外力，主軸36以每分鐘轉15至20圈左右之較低之速度旋轉，增速機33中旋轉速度增速至數十倍，發電機31以每分鐘轉數百至2000圈左右之高速旋轉。

如上之旋轉軸系中，以主軸承35或增速機33內部之齒輪(未圖示)等旋轉零件為狀態監視對象，將發電機用振動感測器21、增速機用高速振動感測器22、增速機用低速振動感測器23、主軸承用振動感測器24各自安裝於各機器之殼體表面。

作為振動感測器21～24之具體例，列舉加速度感測器、聲波發射(Acoustic Emission)感測器等。

另，此處，以具有包含增速機33之旋轉軸系之自動運轉機器為例進行說明，但根據自動運轉機器之種類或用途，亦有設置減速機來取代增速機33之情形，本發明亦可適用於具有包含減速機之旋轉軸系之自動運轉機器。

以高速軸系為對象之振動感測器即發電機用振動感測器21及增速機用高速振動感測器22與高速信號收集部11連接，以低速軸系為對象之振動感測器即增速機用低速振動感測器23及主軸承用振動感測器24與低速信號收集部12連接，以兩者構成信號收集裝置60。

高速信號收集部11與低速信號收集部12分別連接於信號分析部13，連接於信號分析部13之高速軸速度推定部14連接於低速軸速度計算部15。信號分析部13、高速軸速度推定部14、低速軸速度計算部15皆連接於特徵振動擷取部16，藉此構成信號分析裝置70。

高速信號收集部11與低速信號收集部12分別按照預先設定之每時間間隔，收集一定長度之振動波形且送出至信號分析部13。信號分析部13將振動波形進行傅立葉變換，輸出變換為對應於振動頻率之振動振幅之形態之振動頻譜。

圖2顯示將高速軸系之振動波形進行傅立葉變換而得之高速軸系振動之頻譜之例。高速軸系振動之頻譜41中，橫軸表示振動頻率，縱軸表示振動振幅，相對於高速軸系振動之雜訊位準42，高速軸系振動之特徵頻率成分43經觀察為突出之峰值。

例如，已知有於軸承之情形時，為滾動體通過頻率等，於齒輪之情形時，為嚙合頻率等，該等旋轉零件之軸轉1圈期間，產生該零件固有之次數之振動。因此，讀取振動頻譜中突出之峰值之頻率，與滾動體通過頻率或嚙合頻率等特徵頻率對照，藉此可推定軸之旋轉速度。由於高速軸系之旋轉速度較高，振動能量較大，故該等特徵頻率成分較大，作為峰值檢測並不困難。

另一方面，如圖3作為一例顯示，旋轉軸系之旋轉速度較低，振動能量不大之情形時，低速軸系振動之頻譜44中，有相對於低速軸系振動之雜訊位準45，低速軸系振動之特徵頻率成分46不大幅突出之情形。此種情形時，難以將其作為峰值明確檢測，其結果，難以精度良好地推定軸系之旋轉速度。

因此，本實施例之機器狀態監視裝置中，根據圖1所示之構成，將高速軸系中採取之時間軸波形以信號分析部13傅立葉變換，高速軸速度推定部14中，藉由檢測特徵頻率成分之峰值而推定高速軸速度，低速軸速度計算部15中，基於預先設定之旋轉軸系之速度比，計算低速軸系之旋轉速度。

再者，特徵振動擷取部16中，使用推定之高速軸速度，擷取較高速軸系之振動頻譜更高速軸系之特徵頻率成分，使用計算之低速軸速度，擷取較低速軸系之振動頻譜更低速軸系之特徵頻率成分，精度良好地診斷軸承或齒輪等旋轉零件之穩固性。

圖6之流程圖顯示本實施例之機器狀態監視方法。

首先，步驟S1中，藉由高速信號收集部11收集旋轉軸系之高速側之高速軸系之振動資料，藉由低速信號收集部11收集旋轉軸系之低速側之低速軸系之振動資料。

接著，步驟S2中，將收集之高速軸系及低速軸系之各振動資料以信號分析部13進行頻率分析，取得分析資料。

接著，步驟S3中，基於高速軸系之分析資料，藉由高速軸速度推定部14推定高速軸系之旋轉速度。

接著，步驟S4中，基於增速機之增速比或減速機之減速比、及高速軸系之旋轉速度，藉由低速軸速度加算部15計算低速軸系之旋轉速度。

接著，步驟S5中，使用高速軸系之旋轉速度、低速軸系之旋轉速度，藉由特徵振動擷取部16，自高速軸系、低速軸系之各分析資料擷取高速軸系、低速軸系之各特徵振動成分。

最後，步驟S6中，基於高速軸系及低速軸系之旋轉速度、特徵振動成分，診斷旋轉軸系(自動運轉機器)之運轉狀態。

如上說明，本實施例之自動運轉機器之狀態監視裝置為具有包含增速機33(或減速機)之旋轉軸系之自動運轉機器之狀態監視裝置，其具備：高速信號收集部11，其收集旋轉軸系之高速側之高速軸系之振動資料；低速信號收集部12，其收集旋轉軸系之低速側之低速軸系之振動資料；信號分析部13，其對振動資料進行頻率分析，獲得分析資料；高速軸速度推定部14，其基於高速軸系之分析資料，推定高速軸系之旋轉速度；低速軸速度計算部15，其基於增速機33之增速比(或減速機之減速比)、及藉由高速軸速度推定部14推定之高速軸系之旋轉速度，計算低速軸系之旋轉速度；及特徵振動擷取部16，其使用藉由低速軸速度計算部15計算之低速軸系之旋轉速度，自低速軸系之分析資料擷取特徵振動成分。

藉此，即使對象軸系之旋轉速度較低，振動能量較小之情形時，亦可精度良好地實施自動運轉機器之診斷。

另，旋轉軸系使用運轉控制裝置(未圖示)自動運轉，但不自運轉控制裝置取得旋轉軸系之速度資訊。即，本實施例之自動運轉機器之狀態監視裝置及運轉控制裝置不具有取得旋轉軸系之速度資訊之速度感測器。

例如，亦考慮於旋轉軸設置遮光板或齒輪，藉由光感測器等計測遮光板或齒輪之轉數，藉此計測旋轉軸系之旋轉速度，但附加安裝監視裝置之情形時，設置空間或成本成為問題。

因此，如本實施例般，基於高速軸系之分析資料推定高速軸系之旋轉速度，自推定之高速軸系之旋轉速度計算低速軸系之旋轉速度，藉此可不使用速度感測器而獲得低速軸系之旋轉速度資訊。 [實施例2]

參照圖4，對本發明之實施例2之自動運轉機器之狀態監視裝置及自動運轉機器之狀態監視方法進行說明。

圖4係顯示本實施例之風車農場之概略構成之圖。

如圖4所示，本實施例中，於風車農場54設有風車51至53之3架風車，分別具備信號收集裝置61至63。所有信號收集裝置61～63連接於網際網路71。於設置於風車農場54之遠處之分析站點74，配置有連接於網際網路71之分析站點用電腦72，藉由組入電腦之軟體，實現信號分析裝置之功能。其以外之構成為與實施例1同樣。

風車農場54中採取之旋轉軸系之振動波形資料藉由信號收集裝置61～63，經由網際網路71送出至分析站點用電腦72，於電腦上進行頻率分析、高速軸系之旋轉速度推定、低速軸系之旋轉速度計算、特徵頻率成分之擷取，精度良好地診斷軸承或齒輪等旋轉零件之穩固性。

此處，亦可將圖4中未圖示之複數個風車農場信號收集裝置經由網際網路71，連接於分析站點用電腦72。又，亦可使用硬體而非軟體，實現信號分析裝置之功能。

如上說明，本實施例之自動運轉機器之狀態監視裝置中，信號分析部13配置於與配置有高速信號收集部11及低速信號收集部12之站點分開之站點，高速信號收集部11及低速信號收集部12經由網際網路71與信號分析部13連接。

藉由設為此種構成，可將振動波形資料匯集於分析站點，且無需於農場個別設置信號分析裝置，可抑制狀態監視系統之整體成本。 [實施例3]

參照圖5，對本發明之實施例3之自動運轉機器之狀態監視裝置及自動運轉機器之狀態監視方法進行說明。

圖5係顯示本實施例之風車農場之概略構成之圖。

如圖5所示，本實施例中，於風車農場54設有風車51至53之3架風車，其各自具備信號收集裝置61至63。信號收集裝置61～63與設置於風車農場54內之風車農場用電腦64經由區域網路65連接，藉由組入電腦之軟體而實現信號分析裝置之功能。風車農場用電腦64連接於網際網路71，於設置於風車農場54之遠處之分析站點74，配置有顯示用終端73。上述以外之構成與實施例2相同。

於風車農場54中採取到之旋轉軸系之振動波形資料，藉由信號收集裝置61～63經由區域網路65被送出至設置於風車農場54內之風車農場用電腦64，於電腦上進行頻率分析、高速軸系之旋轉速度推定、低速軸系之旋轉速度計算、特徵頻率成分之擷取，進而將該等經由網際網路71向分析站點74之顯示用終端73送出。在顯示用終端73中，基於接收到之擷取資料，精度良好地診斷軸承、齒輪等旋轉零件之穩固性。

此處，亦可將圖5中未圖示之複數個風車農場之風車農場用電腦64連接於顯示用終端73。又，亦可使用硬體而非軟體，實現信號分析裝置之功能。再者，可與信號收集裝置一體構成信號分析裝置，省略風車農場用電腦64，亦可不將信號分析裝置或風車農場用電腦64連接於網際網路71。

有時風車農場54設置於山區等遠處，會有因降雪等氣象條件惡化而與分析站點74之通信中斷之情形。此種情形時，藉由如本實施例般提高狀態監視裝置之獨立性，即使與分析站點74之通信中斷之情形時，亦可由農場單獨持續收集信號。該情形時，將通信恢復後收集到之信號送出，或由操作員以人工操作將收集信號下載至記憶媒體。

又，藉由設為如本實施例之構成，有削減經由網際網路71之通信量之效果，可簡化風車農場54與分析站點74間之通信方式，且可縮減設備導入費用。

另，本發明並非限定於上述實施例者，包含各種變化例。例如，上述實施例係為了容易理解本發明地說明而詳細說明者，未必限定於具備說明之所有構成。又，可將某實施例之構成之一部分置換為其他實施例之構成，又，亦可對某實施例之構成添加其他實施例之構成。又，可對各實施例之構成之一部分追加、刪除、置換其他構成。

11:高速信號收集部 12:低速信號收集部 13:信號分析部 14:高速軸速度推定部 15:低速軸速度計算部 16:特徵振動擷取部 21:發電機用振動感測器 22:增速機用高速振動感測器 23:增速機用低速振動感測器 24:主軸承用振動感測器 31:發電機 32:高速軸接頭 33:增速機 34:主軸接頭 35:主軸承 36:主軸 41:高速軸系振動之頻譜 42:高速軸系振動之雜訊位準 43:高速軸系振動之特徵頻率成分 44:低速軸系振動之頻譜 45:低速軸系振動之雜訊位準 46:低速軸系振動之特徵頻率成分 51:風車1號機 52:風車2號機 53:風車3號機 54:風車農場 60:信號收集裝置 61:風車1號機之信號收集裝置 62:風車2號機之信號收集裝置 63:風車3號機之信號收集裝置 64:風車農場用電腦 65:區域網路 70:信號分析裝置 71:網際網路 72:分析站點用電腦 73:顯示用終端 74:分析站點 S1～S6:步驟

圖1係顯示本發明之實施例1之機器狀態監視裝置之概略構成之圖。 圖2係模式性顯示高速軸系之振動頻譜之圖。 圖3係模式性顯示低速軸系之振動頻譜之圖。 圖4係顯示本發明之實施例2之風車農場之概略構成之圖。 圖5係顯示本發明之實施例3之風車農場之概略構成之圖。 圖6係顯示本發明之實施例1之機器狀態監視方法之流程圖。

11:高速信號收集部

12:低速信號收集部

13:信號分析部

14:高速軸速度推定部

15:低速軸速度計算部

16:特徵振動擷取部

21:發電機用振動感測器

22:增速機用高速振動感測器

23:增速機用低速振動感測器

24:主軸承用振動感測器

31:發電機

32:高速軸接頭

33:增速機

34:主軸接頭

35:主軸承

36:主軸

60:信號收集裝置

70:信號分析裝置

Claims (6)

1. 一種自動運轉機器之狀態監視裝置，上述自動運轉機器係具有包含增速機或減速機之旋轉軸系者，且上述狀態監視裝置具備：高速信號收集部，其收集上述旋轉軸系之高速側之高速軸系之振動資料；低速信號收集部，其收集上述旋轉軸系之低速側之低速軸系之振動資料；信號分析部，其對振動資料進行頻率分析，獲得分析資料；高速軸速度推定部，其基於上述高速軸系之分析資料，推定上述高速軸系之旋轉速度；低速軸速度計算部，其基於上述增速機之增速比或上述減速機之減速比、及藉由上述高速軸速度推定部推定出之高速軸系之旋轉速度，計算上述低速軸系之旋轉速度；及特徵振動擷取部，其使用藉由上述低速軸速度計算部計算出之低速軸系之旋轉速度，自上述低速軸系之分析資料中擷取特徵振動成分。
2. 如請求項1之自動運轉機器之狀態監視裝置，其中上述信號分析部配置於與配置有上述高速信號收集部及上述低速信號收集部之站點分開之站點；上述高速信號收集部及上述低速信號收集部經由網際網路與上述信號分析部連接。
3. 如請求項1之自動運轉機器之狀態監視裝置，其中上述信號分析部配置於與配置有上述高速信號收集部及上述低速信號收集部之站點相同之站點；上述高速信號收集部及上述低速信號收集部經由區域網路與上述信號分析部連接。
4. 如請求項1之自動運轉機器之狀態監視裝置，其中上述高速信號收集部及上述低速信號收集部與上述信號分析部一體構成。
5. 如請求項1之自動運轉機器之狀態監視裝置，其中上述高速信號收集部及上述低速信號收集部自設置於上述自動運轉機器之振動感測器收集振動資料；上述振動感測器為加速度感測器或聲波發射感測器之任一者。
6. 一種自動運轉機器之狀態監視方法，上述自動運轉機器具有包含增速機或減速機之旋轉軸系，且上述狀態監視方法具有如下步驟：(a)收集上述旋轉軸系之高速側之高速軸系之振動資料及上述旋轉軸系之低速側之低速軸系之振動資料；(b)對上述(a)步驟中收集到之振動資料進行頻率分析，取得分析資料；(c)基於上述(b)步驟中取得之上述高速軸系之分析資料，推定上述高速軸系之旋轉速度；(d)基於上述增速機之增速比或上述減速機之減速比、及上述(c)步驟中推定出之高速軸系之旋轉速度，計算上述低速軸系之旋轉速度；(e)使用上述(d)步驟中計算出之低速軸系之旋轉速度，自上述低速軸系之分析資料中擷取特徵振動成分。