故障診斷裝置和故障診斷方法

專利名稱：故障診斷裝置和故障診斷方法
技術領域：
本發明涉及一種用于例如鐵路運輸工具的軸或齒輪箱或者風力發電機的減速齒輪的機器設備的旋轉或滑動部件的故障診斷裝置和故障診斷方法。具體地說，本發明涉及一種指定部件的故障或故障預兆的存在與否、或其出故障部分的故障診斷裝置和故障診斷方法。
背景技術：
傳統地，在鐵路運輸工具、風力發電機等的旋轉部件中，在使用了恒定時間段之后，對軸承或其它旋轉部件進行定期檢查，以發現損壞、磨損等的故障是否存在。通過拆解與旋轉部件集成在一起的機器設備來進行定期檢查，并且通過負責人的光學觀察檢查來發現在旋轉部件處產生的損壞或磨損。此外，作為通過檢查而發現的主要缺陷，在軸承的情況下，存在通過侵蝕雜質而產生的壓痕、以及由于滾動疲勞或其它磨損等造成的脫落(exfoliation)，在齒輪的情況下，存在齒部的缺損(chipping)、磨損等，在輪子的情況下，存在磨平等，并且在任何情況下，當發現在新產品中不存在的凹陷和突起、磨損等時，則用新產品更換該產品。
然而，在拆解整個機器設備并且由負責人通過光學觀察來檢查的方法中，在從裝置拆除旋轉部件或滑動部件的拆解操作、或者在將旋轉部件或滑動部件重新集成到該裝置以便再次檢查的操作中，需要大量的勞力，從而引起了致使裝置維護成本顯著增高的問題。
此外，在重新集成裝置時，存在這樣的可能性，即檢查本身造成旋轉部件或滑動部件的缺陷，使得在旋轉部件或滑動部件等中產生在檢查之前不存在的撞痕(strike mark)。此外，當在有限的時間段內通過光學觀察來檢查大量軸承時，也引起仍然存在遺漏缺陷的可能性的問題。此外，在確定缺陷程度時存在個體差異，即使當基本上不存在缺陷時，也更換部件，因此產生了浪費的成本。
因此，已提出了各種方法，其在實際上操作的狀態中診斷旋轉部件的故障，而無需拆解與旋轉部件集成在一起的機器設備(例如，參考專利對比文件1到7)。作為最一般的方法，如在專利對比文件1中所述，以下這樣的方法是公知的，即，通過在軸承部分處安裝加速度計，測量軸承部分的振動的加速度，并且通過采用FFT(快速傅立葉變換)處理振動生成頻率分量的信號來提取該信號，而進行診斷。
根據在專利對比文件2中描述的裝置，在鐵路運輸工具中，通過將溫度傳感器安裝在其軸承箱處，并且在檢測溫度升高到參考值或更高時向駕駛室發出故障信號，或者從地面測量溫度，而監測軸承的故障。此外，根據在專利對比文件3中描述的裝置，在一般機器設備中，由振動或溫度傳感器一直監測軸承狀態，當各個值升高到參考值或更高時，輸出故障警報，或者停止該裝置的操作。
此外，以各種方式提出了檢測被稱作磨平(flat)的磨平部分的方法，其中該磨平部分是由于錯誤的剎車操作等而鎖住或滑動輪子從而與鐵軌發生磨損摩擦、在鐵路運輸工具的輪子的滾動面處產生的(例如，參考專利對比文件8到12)。專利對比文件8提出了通過振動傳感器、旋轉測量裝置等檢測鐵路輪子和火車經過的鐵路的缺陷狀態的裝置。
專利對比文件1未審查的日本專利公開No.JP-A-2002-22617專利對比文件2未審查的日本專利公開No.JP-A-9-79915專利對比文件3未審查的日本專利公開No.JP-A-11-125244專利對比文件4未審查的日本專利公開No.JP-A-2003-202276專利對比文件5未審查的歐洲專利公開No.1338873的說明書(對應于專利對比文件4的歐洲專利申請出版物)專利對比文件6未審查的日本專利公開No.JP-A-2004-257836專利對比文件7歐洲專利申請公開No.1548419的說明書(對應于專利對比文件6的歐洲專利申請出版物)專利對比文件8未審查的日本專利公開No.JP-T-9-500452專利對比文件9已審查的美國專利公開No.5,433,111(對應于專利對比文件8的美國專利出版物)專利對比文件10未審查的日本專利公開No.JP-A-4-148839專利對比文件11未審查的日本專利公開No.JP-T-2003-535755專利對比文件12PCT專利公開No.WO01/94175小冊子(對應于專利對比文件11的國際專利申請出版物)發明內容本發明所要解決的問題同時，根據在專利對比文件3中描述的裝置，僅僅安裝溫度傳感器和振動傳感器中的任一個傳感器，因此引起了這樣的問題，即，當檢測到故障時，旋轉部件的損壞程度常常變得嚴重，并且不能繼續使用該旋轉部件，并且需要緊急停止機器設備。對于在專利對比文件2中描述的裝置，類似地也引起了該問題，其中通過軸承溫度是否升高到參考值或更高來確定故障的存在與否。
具體地說，根據在專利對比文件3中描述的裝置，基于溫度傳感器和振動傳感器中的任一個傳感器的信號而確定旋轉部件的故障是否存在。因此，例如，在軸承的故障發作的情況下，難以在通過致使溫度升高而使軸承過熱之前發覺故障。此外，引起了這樣的問題，即妨礙穩定操作，使得由于突然干擾噪聲等的影響而造成錯誤操作，從而發出故障警報。除此之外，根據該裝置，還引起了這樣的問題，即，即使當發出故障警報并且停止機器設備的操作時，也不能指定異常部分。
此外，根據在專利對比文件3中描述的裝置，與用于將旋轉驅動力傳輸到旋轉部件的電機旋轉驅動裝置等一起安裝與旋轉部件集成在一起的裝置。因此，引起了這樣的問題，即，妨礙穩定操作，使得在驅動電機時，突然產生電磁聲音等的電干擾噪聲，關于故障診斷的SN比(信噪比)惡化，并且由于錯誤的診斷而發出故障警報。
常常在較寬的旋轉速度范圍內使用與旋轉部件集成在一起的裝置，也就是，從低速到高速使用旋轉部件。例如，在用于鐵路運輸工具的軸的軸承中，在輪副測試等中以低速旋轉定期檢查軸承。在這種情況下，與軸承集成在一起的機座(housing)的剛度高，因此，例如，即使當軸承的軌道面被損壞時，但是滾軸的滾動構件通過損壞處的沖擊力小，并且存在遺漏該軸承損壞的可能性。另一方面，在高速的情況下，來自旋轉驅動裝置的聲音或振動等變大，因此關于異常診斷的SN比惡化，并且類似于低速的情況而存在遺漏軸承損壞的可能性。
此外，甚至在專利對比文件1中描述的診斷故障的方法中，根據設置確定參考值的方式，診斷準確性也由于噪聲等的影響而惡化，并且引起了妨礙穩定操作使得由于錯誤診斷而發出故障警報的問題。
此外，雖然根據在專利對比文件1中描述的故障診斷方法，基于旋轉速度而計算振動生成頻率分量，但是在不能直接輸入實際旋轉速度的情況下，當用于計算的旋轉速度數據偏離實際旋轉速度時，引起了診斷準確性惡化的問題。
此外，在使用大量軸承作為旋轉部件的機器設備中，當軸承的內徑和外徑、寬度尺寸在每個旋轉部件之間相同時，即使其內部的設計尺寸的各個元素不同，也可以一起使用這些軸承。在這種情況下，當軸承的設計尺寸的各個元素不同時，用于故障診斷的設置值也不同，這樣，診斷變得復雜。因此，存在這樣的情況，即，在指定的部分處集成具有相同設計尺寸的各個元素的部件，從而引起了集成操作效率惡化的問題。
此外，根據上述故障診斷方法，積累了大量診斷結果，并且基于大量診斷結果而形成報告構成過度的負擔。
此外，根據在專利對比文件8中描述的檢測缺陷狀態的裝置，引起了這樣的問題，即不能識別表示從輪子、軸向軸承或鐵路或其它故障導出鐵路運輸工具中的異常振動的缺陷狀態。
本發明是鑒于上述情形而提出的，并且其目的是提供一種故障診斷裝置和故障診斷方法，其在實際操作狀態中診斷旋轉或滑動部件的故障，同時確保診斷準確性，而無需拆解與所述旋轉或滑動部件集成在一起的機器設備。
具體地說，本發明的第一目的是提供一種故障診斷裝置，其能夠在實際操作狀態中同時診斷部件故障的存在與否及其損壞程度，而無需拆解包括旋轉或滑動部件的機器設備，并且能夠通過防止由于突然干擾噪聲等的影響而造成的錯誤診斷，進行具有高SN比和高可靠性的故障診斷。
本發明的第二目的是提供一種故障診斷裝置和故障診斷方法，其能夠指定故障的存在與否以及異常部分，同時即使當不能直接輸入實際旋轉速度時也確保診斷準確性。
本發明的第三目的是提供一種故障診斷裝置，即使當具有相互不同的設計尺寸的各個元素的多個旋轉部件被集成到任意部分時，其也能夠指定故障的存在與否或者異常部分。
本發明的第四目的是提供一種故障診斷裝置和故障診斷方法，其能夠減輕形成診斷結果報告的負擔。
本發明的第五目的是提供一種故障診斷裝置和故障診斷方法，其能夠準確地檢測造成諸如鐵路運輸工具輪子的磨平等的部件故障的狀態，并且還指定輪子。
解決問題的手段本發明的目的由下述構造實現。
(1)一種故障診斷裝置，用于包括相對于靜止構件的旋轉或滑動部件的機器設備，該故障診斷裝置包括檢測部分，固定到所述旋轉或滑動部件或者靜止構件，并且包括振動傳感器、聲音傳感器、超聲波傳感器和AE傳感器中的至少一個振動系統傳感器；以及溫度傳感器；以及信號處理部分，用于根據由檢測部分輸出的檢測信號確定該部件的狀態；其中信號處理部分基于振動系統傳感器的測量結果和溫度傳感器的測量結果的組合，確定該部件的故障的是否存在、或者故障的是否存在以及損壞程度。
(2)根據(1)的故障診斷裝置，其中計算振動系統傳感器和溫度傳感器的測量值或者測量值在時間上的變化率至少一次；其中信號處理部分包括故障確定部分，用于通過將測量值或者變化率與預定值進行比較，而確定故障的是否存在、或者故障的是否存在以及損壞程度。
(3)一種故障診斷裝置，用于包括相對于靜止構件的旋轉或滑動部件的機器設備，該故障診斷裝置包括驅動裝置，用于驅動旋轉或滑動部件；檢測部分，固定到該部件或靜止構件，并且包括振動傳感器、聲音傳感器、超聲波傳感器和AE傳感器中的至少一個振動系統傳感器；以及溫度傳感器當中的至少一個；以及信號處理部分，用于從由檢測部分輸出的檢測信號確定該部件的狀態；其中在該部件在預定速度范圍內依靠慣性運動而不向驅動裝置通電時，信號處理部分基于檢測部分的振動或溫度檢測信號，診斷該部件的故障。
(4)一種故障診斷裝置，用于包括相對于靜止構件的旋轉部件的機器設備，該故障診斷裝置包括
驅動裝置，用于驅動旋轉該部件；檢測部分，固定到該部件或靜止構件，并且包括以下中的至少一個振動傳感器、聲音傳感器、超聲波傳感器和AE傳感器中的至少一個振動系統傳感器；和溫度傳感器；以及信號處理部分，用于從由檢測部分輸出的檢測信號確定該部件的狀態；其中當該部件在100min-1或更快和1500min-1或更慢的旋轉速度范圍內旋轉時，信號處理部分基于檢測部分的振動或溫度檢測信號，診斷該部件的故障。
(5)根據(4)的故障診斷裝置，其中當該部件在該旋轉速度范圍內依靠慣性旋轉而不向驅動裝置通電時，信號處理部分基于檢測部分的振動或溫度檢測信號，診斷該部件的故障。
(6)根據(3)或(5)的故障診斷裝置，其中通過重復通電和不通電來使用驅動裝置，并且該部件在不向驅動裝置通電的情況下可依靠慣性運動。
(7)根據(3)、(5)和(6)中的任一項的故障診斷裝置，其中基于驅動裝置的關斷信號，而檢測在不向驅動裝置通電的情況下依靠慣性使該部件運動的狀態。
(8)根據(3)到(7)中的任一項的故障診斷裝置，還包括旋轉速度傳感器，用于檢測驅動裝置的旋轉速度，其中與旋轉速度傳感器的旋轉速度檢測信號和檢測部分的振動或溫度檢測信號協同地診斷該部件的故障。
(9)根據(1)到(8)中的任一項的故障診斷裝置，其中信號處理部分包括比較和檢查部分，用于將基于旋轉速度信號而算出的由于部件損壞的頻率分量與基于由振動系統傳感器檢測的信號的測量數據的頻率分量進行比較；以及故障確定部分，用于確定該部件的故障的是否存在并且指定受損部分。
(10)根據(9)的故障診斷裝置，其中信號處理部分包括濾波處理部分，用于從由振動系統傳感器檢測的信號波形中去除不必要的頻帶；包絡處理部分，用于檢測在受到濾波處理之后從濾波處理部分傳送的波形的絕對值；以及頻率分析部分，用于分析從包絡處理部分傳送的波形的頻率。
(11)一種故障診斷裝置，用于包括至少一個旋轉或滑動部件的機器設備，該故障診斷裝置包括至少一個檢測部分，用于作為電信號輸出從機器設備生成的信號；以及信號處理部分，用于分析電信號的波形的頻率；提取大于參考值的頻譜峰值，其中參考值是基于通過分析頻率所提供的頻譜而計算的；比較和檢查峰值之間的頻率與基于旋轉速度信號或運動速度信號而算出的由于部件損壞的頻率分量；以及基于檢查結果而確定該部件的故障的是否存在及其異常部分。
(12)根據(11)的故障診斷裝置，其中信號處理部分使檢測信號經受放大處理和濾波處理中的至少一個，并且信號處理部分使這樣處理過的波形經受包絡處理。
(13)一種故障診斷裝置，用于包括至少一個旋轉或滑動部件的機器設備，該故障診斷裝置包括至少一個檢測部分，用于作為電信號輸出從機器設備生成的信號；以及信號處理部分，用于基于每單位時間的電信號的波形超過閾值的激波頻率、以及旋轉速度信號或運動速度信號，確定該部件的故障的是否存在及其異常部分。
(14)根據(13)的故障診斷裝置，其中信號處理部分使電信號波形經受濾波處理，并且將該波形轉換成全時整流波形，每當該波形超過閾值時，信號處理部分根據旋轉速度信號產生以下波形，該波形被轉換成在預定的時間段內使該波形保持為超過閾值的值，并且處理部分根據每預定旋轉數中該波形超過閾值的次數，通知在該部件內產生故障的可能性。
(15)根據(14)的故障診斷裝置，其中信號處理部分通過多次統計確定，根據每預定旋轉數的、被轉換以保持閾值的波形超過閾值的次數，確定在該部件內產生故障的可能性的真或假。
(16)根據(11)到(15)中的任一項的故障診斷裝置，其中當該部件的旋轉速度基本上恒定時，執行信號處理部分。
(17)一種故障診斷裝置，用于包括至少一個旋轉或滑動部件的機器設備，該故障診斷裝置包括至少一個檢測部分，用于作為電信號輸出從機器設備生成的信號；以及信號處理部分，用于分析電信號的波形的頻率；以可變容許寬度比較和檢查通過分析頻率而提供的測量頻譜數據的頻率分量與由于該部件的頻率分量；以及基于檢查結果而確定該部件的故障的是否存在及其異常部分。
(18)一種故障診斷裝置，用于包括旋轉部件的機器設備，該故障診斷裝置包括至少一個檢測部分，用于作為電信號輸出從機器設備生成的信號；以及信號處理部分，用于分析電信號的波形的頻率；以容許寬度比較和檢查通過分析頻率而提供的測量頻譜數據的頻率分量與由于旋轉部件的頻率分量；以及基于檢查結果而確定旋轉部件的故障的是否存在及其異常部分；其中將具有都是從旋轉部件的旋轉速度和旋轉部件的尺寸規格算出的上限和下限的范圍分成至少一個范圍，計算所劃分范圍內的中心值，并且將容許寬度至少設置為相對于中心值而給出的具有任意大小的范圍，并且其中信號處理部分至少以每個容許寬度比較和檢查測量頻譜數據的頻率分量與由于旋轉部件的頻率分量。
(19)根據(18)的故障診斷裝置，其中對于旋轉部件包括具有相互不同的尺寸規格的多個旋轉部件的情況、和旋轉部件的旋轉速度變化的情況中的至少一個，給出容許寬度。
(20)根據(17)到(19)中的任一項的故障診斷裝置，其中當頻率分量變成高頻率分量時，增大容許寬度。
(21)根據(17)到(20)中的任一項的故障診斷裝置，其中根據頻率分量的頻帶來增大或減小容許寬度。
(22)根據(17)或(18)的故障診斷裝置，其中根據旋轉速度來增大或減小容許寬度。
(23)一種故障診斷裝置，用于具有至少一個旋轉或滑動部件的機器設備，該故障診斷裝置包括至少一個檢測部分，用于作為電信號輸出從機器設備生成的信號；以及信號處理部分，用于分析電信號的波形的頻率；比較和檢查通過分析頻率而提供的測量頻譜數據的頻率分量與由于該部件的頻率分量；以及基于檢查結果而確定該部件的故障的是否存在及其異常部分；其中基于測量頻譜數據的受限頻率范圍而計算用于比較和檢查的參考值。
(24)一種故障診斷裝置，用于包括至少一個旋轉或滑動部件的機器設備，該故障診斷裝置包括至少一個檢測部分，用于作為電信號輸出從機器設備生成的信號；信號處理部分，用于分析電信號的波形的頻率；比較和檢查通過分析頻率而提供的測量頻譜數據的頻率分量與由于該部件的頻率分量；以及基于檢查結果而確定該部件的故障的是否存在及其異常部分；存儲部分，用于存儲由信號處理部分診斷的診斷結果；輸出部分，用于以預定樣式輸出診斷結果；以及報告形成部分，用于基于至少一個程序，而根據由輸出部分輸出的輸出結果形成報告。
(25)根據(11)到(24)中的任一項的故障診斷裝置，其中檢測部分包括集成型傳感器，其中除了用于檢測從機器設備生成的振動的傳感器之外，還將用于檢測機器設備的溫度的溫度傳感器和用于檢測旋轉部件的旋轉速度的旋轉速度傳感器中的至少一個容納在單個柜體(cabinet)內。
(26)根據(25)的故障診斷裝置，其中機器設備包括構成旋轉部件的軸承和用于固定該軸承的軸承箱；其中集成型傳感器被固定到軸承箱的平坦部分。
(27)根據(1)到(26)中的任一項的故障診斷裝置，還包括數據傳送單元，其傳送信號處理部分的確定結果。
(28)根據(1)到(27)中的任一項的故障診斷裝置，還包括微型計算機，其執行信號處理部分的處理、以及將確定結果輸出到控制系統的處理。
(29)根據(1)到(28)中的任一項的故障診斷裝置，其中該機器設備是鐵路運輸工具的軸承裝置。
(30)根據(1)到(28)中的任一項的故障診斷裝置，其中該機器設備是風力發動機的軸承裝置。
(31)根據(1)到(28)中的任一項的故障診斷裝置，其中該機器設備是機床主軸的軸承裝置。
(32)一種故障診斷方法，用于包括至少一個旋轉或滑動部件的機器設備，該故障診斷方法包括以下步驟檢測從機器設備生成的信號，并且作為電信號輸出該信號；分析檢測信號的波形的頻率；提取大于參考值的頻譜峰值，其中參考值是基于通過分析步驟提供的頻譜而計算的，并且比較和檢查峰值之間的頻率與基于旋轉速度信號或運動速度信號而算出的由于部件損壞的頻率分量的步驟；以及基于比較步驟的檢查結果而確定該部件的故障的是否存在及其異常部分。
(33)一種故障診斷方法，用于包括至少一個旋轉或滑動部件的機器設備，該故障診斷方法包括以下步驟檢測從機器設備生成的信號，并且作為電信號輸出該信號；以及基于每單位時間周期的電信號波形超過閾值的激波頻率、以及旋轉速度信號或運動速度信號，確定該部件的故障的是否存在。
(34)一種故障診斷方法，用于包括至少一個旋轉或滑動部件的機器設備，該故障診斷方法包括以下步驟檢測從機器設備生成的信號，并且作為電信號輸出該信號；分析檢測信號的波形的頻率；以可變容許寬度比較和檢查在分析步驟提供的測量頻譜數據的頻率分量與由于該部件的頻率分量；以及基于比較步驟的檢查結果而確定該部件的故障的是否存在及其異常部分。
(35)一種故障診斷方法，用于包括旋轉部件的機器設備，該故障診斷方法包括以下步驟檢測從機器設備生成的信號，并且作為電信號輸出該信號；分析檢測信號的波形的頻率；
設置至少一個容許寬度，使得將具有都是從旋轉部件的旋轉速度和旋轉部件的尺寸規格算出的上限和下限的范圍分成至少一個范圍，計算所劃分范圍內的中心值，并且將容許寬度至少設置為相對于中心值而給出的具有任意大小的范圍；以至少一個容許寬度中的每一個比較和檢查通過分析頻率而提供的測量頻譜數據的頻率分量與由于旋轉部件的頻率分量；以及基于比較步驟的檢查結果而確定旋轉部件的故障的是否存在及其異常部分。
(36)一種故障診斷方法，用于包括至少一個旋轉或滑動部件的機器設備，該故障診斷方法包括以下步驟檢測從機器設備生成的信號，并且作為電信號輸出該信號；分析檢測信號的波形的頻率；比較和檢查在分析步驟提供的測量頻譜數據的頻率分量與由于該部件的頻率分量；以及基于比較步驟的檢查結果而確定該部件的故障的是否存在及其異常部分；其中基于測量頻譜數據的受限頻率范圍而計算用于比較和檢查的參考值。
(37)一種故障診斷方法，用于包括至少一個旋轉或滑動部件的機器設備，該故障診斷方法包括以下步驟檢測從機器設備生成的信號，并且作為電信號輸出該信號；分析檢測信號的波形的頻率；比較和檢查在分析步驟提供的測量頻譜數據的頻率分量與由于該部件的頻率分量；基于比較步驟的檢查結果而確定該部件的故障的是否存在及其異常部分；存儲至少通過分析、比較和確定步驟之一提供的診斷結果；以預定樣式輸出診斷結果；以及基于至少一個程序而根據通過輸出步驟輸出的輸出結果形成報告。
本發明的優點根據(1)的本發明，同時檢測根據旋轉部件的旋轉狀態或者滑動部件的滑動狀態而生成的溫度和振動信息；基于振動系統傳感器的測量結果和溫度傳感器的測量結果的組合，同時確定故障的是否存在和損壞程度。因此，可以確定利用旋轉或滑動部件的異常模式關于振動和溫度的特征的損壞程度。此外，可以通過防止由于突然干擾噪聲等的影響而造成的錯誤診斷，來進行具有高可靠性的故障診斷。此外，由于可以在實際操作狀態中同時檢測故障的是否存在和損壞程度而無需拆解包括旋轉或滑動部件的機器設備，因此可以知道更換旋轉部件的最佳時刻，并且可以進行高效的維護。
根據(3)的本發明，當旋轉或滑動部件在預定速度范圍內依靠慣性操作而不向驅動裝置通電時，基于傳感器的振動或溫度檢測信號而診斷部件故障。因此，可以在實際操作狀態中診斷部件故障，而無需拆解包括旋轉或滑動部件的機器設備，可以通過抑制驅動裝置的電干擾噪聲而以高靈敏度和高SN比(信噪比)檢測信號。
此外，根據(4)的本發明，當在等于或快于100min-1且等于或慢于1500min-1的旋轉速度范圍內旋轉該旋轉部件時，基于傳感器的振動或溫度檢測信號而診斷旋轉部件的故障。因此，由于可以在實際操作狀態中診斷旋轉部件的故障而無需拆解與旋轉部件集成在一起的機器設備，因此可以以高SN比檢測由于軸承脫落或輪子磨平等的損壞的振動力，這樣可以進行具有高可靠性的故障診斷。
根據(11)和(32)的本發明，提取大于參考值的頻譜峰值，其中參考值是基于通過分析頻率所提供的頻譜而計算的；比較和檢查峰值之間的頻率與基于旋轉速度信號或運動速度信號而算出的由于旋轉或滑動部件的損壞的頻率分量；以及基于檢查結果而確定部件的故障的是否存在及其異常部分。因此，在不能直接輸入實際旋轉速度的情況下，即使當用于計算的旋轉速度數據偏離實際旋轉速度時，也可以準確地指定故障的是否存在和異常部分。此外，可以通過簡單的構造來指定故障的是否存在和異常部分，而無需拆解包括旋轉或滑動部件的機器設備，可以減輕拆解或集成該裝置所需的勞力，并且可以防止由于拆解或集成而損壞部件。
此外，根據(13)和(33)的本發明，基于從由機器設備生成的信號輸出的電信號的每單位時間段的波形超過閾值的激波的頻率、以及旋轉速度信號或運動速度信號，確定部件的故障的是否存在及其異常部分。因此，通過準確地檢測造成鐵路運輸工具等中的輪子磨平的部件故障的狀態，可以指定輪子。
根據(17)和(34)的本發明，以可變容許寬度比較和檢查通過分析頻率而提供的測量頻譜數據的頻率分量與由于旋轉或滑動部件的頻率分量，基于檢查結果而確定該部件的故障的是否存在及其異常部分。因此，在不能直接輸入實際旋轉速度的情況下，即使當用于計算的旋轉速度數據偏離實際旋轉速度時，也能準確地指定故障的是否存在或者異常部分。此外，可以通過簡單的構造來指定故障的是否存在和異常部分，而無需拆解包括旋轉或滑動部件的機器設備，可以減輕拆解或集成該裝置所需的勞力，并且可以防止由于拆解或集成而損壞部件。
此外，根據(18)和(35)的本發明，將具有從旋轉部件的旋轉速度和旋轉部件的尺寸規格算出的上限值和下限值的范圍分成至少一個范圍，計算每個劃分范圍的中心值，并且以相對于中心值具有任意大小的至少一個容許寬度進行比較和檢查。因此，即使當將具有相互不同的尺寸規格的多個旋轉部件集成到任意位置時或者即使當旋轉速度變化時，也可以指定故障的是否存在和異常部分。
此外，根據(23)和(36)的本發明，當比較和檢查測量頻譜數據的頻率分量和由于旋轉或滑動部件的頻率分量時，基于測量頻譜數據的受限頻率范圍而計算用于比較和檢查的參考值。因此，通過使得難以產生噪聲的影響，可以提高診斷準確性，可以指定故障的是否存在和異常部分。此外，可以通過簡單的構造來指定故障的是否存在和異常部分，而無需拆解包括旋轉或滑動部件的機器設備，可以減輕拆解或集成該裝置所需的勞力，并且可以防止拆解或集成所伴隨的部件損壞。
此外，根據(24)和(37)的本發明，以預定樣式輸出故障的是否存在、異常部分、診斷中的頻譜波形(測量頻譜數據)的診斷結果，并且基于至少一個程序而由輸出結果形成報告。因此，有助于基于診斷結果而形成報告的操作。


圖1是故障診斷裝置的概要圖，其中根據本發明第一實施例的診斷對象以包括雙行錐形滾柱軸承的鐵路運輸工具的滾動軸承裝置作為目標；圖2是故障診斷裝置的信號處理路線的方框圖；圖3是示出在造成軸承故障發作時振動值的時效變化的圖；圖4是示出在造成軸承故障發作時外環的外周面(peripheral face)的溫度的時效變化的圖；圖5是示出滾動軸承的損壞部分和由于損壞而生成的振動生成頻率之間的關系的圖；圖6是用于說明通過使齒輪相互嚙合而生成的異常振動頻率的關系的圖；圖7是根據本發明第二實施例的故障診斷裝置的信號處理路線的方框圖；圖8是根據第二實施例的旋轉狀態確定部分的處理流程的流程圖；圖9是根據本發明第三實施例的故障診斷裝置的旋轉狀態確定部分的處理流程的流程圖；圖10是根據本發明第四實施例的故障診斷裝置的概要圖；圖11是圖10的信號處理部分的方框圖；圖12是示出根據本發明第四實施例的故障診斷方法的處理流程的流程圖；圖13是示出根據本發明第五實施例的故障診斷方法的處理流程的流程圖；圖14是示出根據本發明第六實施例的故障診斷方法的處理流程的流程圖；圖15是根據本發明第七實施例的故障診斷裝置的概要圖；圖16是示出根據本發明第七實施例的故障診斷方法的處理流程的流程圖；圖17是根據本發明第八實施例的故障診斷裝置的概要圖；圖18是作為與故障診斷裝置的檢測部分集成在一起的機器設備的、鐵路運輸工具的軸承裝置的截面圖；圖19是與本發明的第八實施例和第七實施例集成在一起的故障診斷裝置的概要圖；圖20是根據本發明第九實施例的故障診斷裝置的概要圖；圖21是圖20所示的故障診斷模塊的方框圖；圖22是示出圖20所示的故障診斷模塊的處理流程的流程圖；圖23A和23B圖示了用于說明根據本發明第九實施例的故障診斷的處理波形的圖；
圖24是根據本發明第十實施例的故障診斷模塊的萬框圖；圖25是圖24所示的故障診斷模塊的錯誤操作的說明圖；圖26是根據本發明第十一實施例的故障診斷模塊的方框圖；圖27圖示了用于說明圖26所示的數字處理部分的處理波形的圖；圖28是示出在根據本發明第二實施例的測試2中，當不向電機通電時振動傳感器的振動波形的圖；圖29是示出在根據第二實施例的測試2中，當向電機通電時振動傳感器的振動波形的圖；圖30圖示了在根據本發明第三實施例的測試3中分析在改變旋轉速度時機座的振動頻率的圖；圖31是用于說明在根據本發明第四實施例的測試4中示例3的故障診斷的圖；圖32是用于說明在根據第四實施例的測試4中示例4的故障診斷的圖；圖33是用于說明在根據第四實施例的測試4中示例5的故障診斷的圖；圖34是用于說明在根據本發明第五實施例的測試5中的故障診斷的圖；圖35是用于說明在根據第五實施例的測試5中背景技術的故障診斷的圖；圖36是用于說明在根據本發明第六實施例的測試6中的故障診斷的圖；圖37是用于說明在根據第六實施例的測試6中的故障診斷的其它圖；圖38圖示了用于說明在根據第六實施例的測試7中的故障診斷的圖；圖39是用于說明在根據第七實施例的測試8中的故障診斷的圖；以及圖40是用于說明在根據第七實施例的測試8中背景技術的故障診斷的圖。
附圖標記描述10 滾動軸承裝置(機器設備)11 雙行錐形滾柱軸承(旋轉部件)12 軸承箱(靜止構件)31、70 檢測部分32 振動傳感器(振動系統傳感器)33 溫度傳感器35 濾波處理部分
37 包絡處理部分38 頻率分析部分39 比較和檢查部分42 故障確定部分52 旋轉狀態確定部分60、120 機器設備62 滾動軸承(旋轉部件)72 傳感器80 控制器81、82 信號處理部分84 控制部分90 輸出裝置93 監視器94 警報器95 報告形成部分96 存儲部分97 數據輸出部分100 數據累積和分配部分102 旋轉分析部分104 濾波處理部分106 振動分析部分108 比較和確定部分110 內部數據保存部分200 鐵路運輸工具(機器設備)201 振動傳感器202、220、230 故障診斷模塊203 通信網絡204 輪子(旋轉或滑動部件)205 數字處理模塊206 旋轉速度傳感器207、236 LPF
208 ADC209 波形整形電路210 TCNT211 CPU212 通信協議IP213 SIO214 線驅動器215 包絡電路216、235 HPF217 全波整流電路218 峰值保持219、231 數字處理部分232 包絡處理233 希耳伯特變換234 振幅解碼237 閾值計數238 診斷部分具體實施方式
如下將參考附圖詳細說明根據本發明各個實施例的故障診斷裝置和故障診斷方法。
(第一實施例)首先，將參考圖1到圖6說明根據本發明第一實施例的故障診斷裝置。
如圖1所示，包括應用了故障診斷裝置的機器設備的鐵路運輸工具的滾動軸承裝置10包括雙行錐形滾柱軸承11，組成旋轉部件；以及軸承箱12，組成構成鐵路運輸工具的機架(carriage)的一部分的靜止構件。此外，該故障診斷裝置包括檢測部分31，用于檢測從滾動軸承裝置10生成的信號；控制器80，包括信號處理部分81，其用于根據由檢測部分31輸出的電信號而確定雙行錐形滾柱軸承11的故障狀態等；控制部分84，用于對驅動該滾動軸承裝置10進行控制；以及監視器93、警報器94等的輸出裝置90。
該雙行錐形滾柱軸承11包括一對內環14、14，可旋轉地支持構成轉軸的鐵路運輸工具的軸13，并且具有以圓錐形外表面的形狀在其外周面處傾斜的內環軌道面15、15，該軸13由構成驅動裝置的驅動電機13a驅動旋轉；單個外環16，具有以圓錐形內表面的形狀在其內周面處傾斜的一對外環軌道面17、17；錐形滾柱18、18，構成沿雙行且多個地布置在內環14、14的內軌道面15、15和外環16的外軌道面17、17之間的滾動構件；環形的穿孔保持器(punched-out retainer)19、19，用于可滾動地保持(retain)錐形滾柱18、18；以及一對密封構件20、20，沿著外環16的軸向分別地安裝到兩端部分。此外，通過反復通電(導通)和斷電(關斷)來使用驅動電機13a，并且當不向驅動電機13a通電時，雙行錐形滾柱軸承11隨同軸13一起依靠慣性旋轉。
軸承箱12包括構成鐵路運輸工具的機架的側框的機座21。以圓柱形形成機座21，以覆蓋外環16的外周面。此外，前蓋22布置在沿機座21的軸向的前端部分側，并且后蓋23布置在沿機座21的軸向的后端部分側。
內環間隔座24布置在內環對14、14之間。軸13與內環對14、14和內環間隔座24壓合，并且外環16與機座21配合。雙行錐形滾柱軸承11負有由于各個構件的重量等的徑向負荷、以及任意軸向負荷，并且外環16的圓周方向(peripheral direction)上的上側部分構成負荷區域。這里，負荷區域是指負荷被施加到滾動構件的區域。
布置在軸13的前端部分側的一個密封構件20被集成在外環16的外側端部和前蓋21之間，并且布置在后端部分側的另一個密封構件20被集成在外環16的外側端部和后蓋23之間。
在基本上處于雙行錐形滾柱軸承11的軸向上的中心部分處的位置，在機座21的外周邊部分處形成在直徑方向上穿透的通孔26，并且通孔26與構成故障診斷裝置的一部分的檢測部分31以包含在單個柜體27內的狀態被固定在一起。
檢測部分31是復合集成型傳感器，其中集成地包含振動傳感器、AE(聲發射)、聲音傳感器、超聲波傳感器中的至少一個的、能夠檢測振動的振動系統傳感器、以及溫度傳感器，以固定在柜體27的內部。此外，圖1所示的檢測部分31包括振動傳感器32和溫度傳感器33。
振動傳感器32是壓電元件等的振動測量元件，并且用于檢測雙行錐形滾柱軸承11的內環和外環軌道面15、15、17、17的脫落；齒輪的缺損；輪子的磨平等。此外，振動傳感器32可以能夠從加速度、速度或位移類型等的振動形成電信號，并且當附連到充滿噪聲的機器設備時，優選地使用絕緣類型，這是因為在其上不受到噪聲的影響。此外，作為聲音傳感器，可以使用能夠采集作為聲波從軸部等發出的聲音以將其形成為電信號的麥克風，并且具有方向性的麥克風對于采集聲音是優選的。
溫度傳感器33是熱敏電阻溫度測量元件、鉑溫度測量電阻器、熱電偶等的非接觸型溫度測量元件，并且布置在柜體27內部、外環16的外周面的附近。此外，作為溫度傳感器33，可以使用溫度保險絲，當環境溫度超過調整值(rectified value)時，通過分離雙金屬觸點或者熔化以切斷該點而不向該溫度保險絲通電。在這種情況下，當滾動軸承裝置10的溫度超過調整值時，通過中止溫度保險絲的通電來檢測溫度故障。
此外，檢測部分31附連到負有與雙行錐形滾柱軸承11的非旋轉側軌道環配合的軸承箱12的徑向負荷的區域。因此，例如，當軸承軌道面被損壞時，在滾動部件經過受損部分時產生的沖擊力在負荷區域中比在非負荷區域中更大，并且軸承負荷區域側可以以優良的靈敏度檢測異常振動。
此外，檢測部分31可以根據除了諸如雙行錐形滾柱軸承11的滾動軸承之外的機器設備的構造，檢測齒輪或輪子的振動和溫度(兩者都未示出)。
此外，本實施例具有編碼器等的旋轉速度傳感器40(參考圖2)，其用于檢測雙行錐形滾柱軸承11的旋轉速度。
根據信號處理部分81，如圖2所示，與在放大振動信號之后通過振動測量值分析部分50將振動傳感器32的振動信號輸出到故障確定部分42同時地，在放大溫度信號之后，通過溫度測量值分析部分51將溫度傳感器33的溫度信號輸出到故障確定部分42。故障確定部分42基于振動和溫度的各自測量值在時間上的各自變化率的組合，而確定雙行錐形滾柱軸承11的故障的是否存在及其損壞程度。這里，各自測量值可以是任意時候的有效值或峰值也就是，當在軸承軌道面處產生脫落損壞時，每當滾動構件經過受損部分時都產生碰撞，因此振動值的變化變大。然而，溫度在其預兆處或者緊接其后幾乎不變化。另一方面，當在軸承處造成故障發作時，作為預兆，存在振動和溫度的變化在測量時間段期間增大的特征。以這種方式，根據本實施例，利用了振動和溫度的變化方式按照故障種類而不同的旋轉部件的異常模式的特征，并且可以通過組合振動和溫度的各自測量值在時間上的各自變化率來確定雙行錐形滾柱軸承11的故障的是否存在及其損壞程度。
圖3示出了在軸承處造成故障發作之前的振動的時效變化，并且圖4示出了在軸承處造成故障發作之前的溫度的時效變化。
參考圖3和4，作為在軸承處造成發作的預兆，振動從點A快速增大，然而，溫度幾乎不改變。此后，振動從點B進一步增大，并且溫度從該時間點升高。可以知道，在進一步增大振動之后，在點C處造成發作，發作之后的溫度進一步升高，并且使軸承過熱。
因此，通過基于圖3和圖4所示的測量結果而計算振動和溫度在點A、B、C或在時間上的測量值的變化率，并且將這些值與預先設置的調整值進行比較，而確定雙行錐形滾柱軸承11的故障的是否存在及其損壞程度。
此外，根據本實施例，關于振動傳感器32的振動信息，通過使振動波形經受濾波處理、然后是包絡處理，來執行頻率分析，以能夠確定軸承損壞等的損壞的是否存在并且指定受損部分，從而確保故障診斷的可靠性。
也就是，如圖2所示，由振動傳感器32生成的振動信號通過有線或無線信號傳送單元34放大并且進行模/數轉換的轉換，然后傳送到濾波部分35。濾波部分35基于存儲到特征頻率存儲部分36的、雙行錐形滾柱軸承11的特征頻率，從振動信號僅僅提取與特征頻率相對應的預定頻帶。此外，可以在傳送之前執行振動信號的放大和模/數轉換，并且可以顛倒放大和模/數轉換的次序。
通過振動作為測量對象的雙行錐形滾柱軸承11，使附連到測量對象的振動檢測器或者通過撞擊而發出的聲音經受頻率分析，可以容易地計算特征頻率。此外，當測量對象是雙行錐形滾柱軸承時，測量對象具有由于內環、外環、滾動構件、保持器等中的任一個的特征頻率。通常，存在機器部件的多個自然頻率，并且特征頻率處的振幅電平增大，因此測量靈敏度優良。
此后，在包絡處理部分37處，對由濾波部分35提取的預定頻帶執行用于檢測波形絕對值的絕對值檢測處理。此外，在頻率分析部分38處執行分析波形頻率的處理，并且將測量值數據傳送到比較和檢查部分39。
另一方面，在理論頻率計算部分41處，將基于旋轉速度傳感器40而算出的由于軸承脫落、齒輪缺損、輪子磨平等的旋轉部件損壞的頻率的計算值數據傳送到比較和檢查部分39。此外，當旋轉部件是滾柱軸承時，該計算值數據如圖5所示為由于內環、外環、滾動構件、保持器的損壞的頻率數據。此外，當旋轉部件是齒輪時，該計算值數據如圖6所示為由于損壞的頻率數據。
此外，在比較和檢查部分39處比較和檢查測量值數據和計算值數據，并且在故障確定部分42處，確定故障的是否存在，指定異常部分，并且確定損壞程度。輸出裝置90輸出確定雙行錐形滾柱軸承11的故障的是否存在、損壞程度以及指定異常部分的結果，并且當檢測到故障時，發出警報等的警告，并且將確定結果輸入到存儲部分。這里，通過有線或無線數據傳送單元92將信息從故障確定部分42傳送到輸出裝置90。此外，可以將確定結果輸出到用于控制驅動滾動軸承裝置10的機構的操作的控制部分84，并且可以反饋根據確定結果的控制信號。
此外，根據放大之后的振動信號處理，執行各種數據處理和操作，例如，計算機或專用微芯片等可以用于此。此外，可以在將檢測信號存儲到存儲器等的存儲裝置之后執行操作處理。
以這種方式，根據本實施例，同時檢測根據構成旋轉部件的雙行錐形滾柱軸承11的旋轉狀態的振動和溫度信息，基于振動傳感器、聲音傳感器、超聲波傳感器或AE傳感器等的振動系統傳感器的測量結果和溫度傳感器的測量結果的組合，同時確定故障的是否存在和損壞程度，因此通過利用關于振動和溫度的雙行錐形滾柱軸承11的異常模式的特征，可以確定損壞程度。此外，通過防止由于突然干擾噪聲等的影響而引起的錯誤診斷，可以執行具有高可靠性的故障診斷。此外，可以在實際操作狀態中同時檢查雙行錐形滾柱軸承11的故障的是否存在和損壞程度，而無需拆解與雙行錐形滾柱軸承11集成在一起的鐵路運輸工具的滾動軸承裝置10。結果，可以知道更換雙行錐形滾柱軸承11的最佳時刻，并且可以進行高效的維護。特別地，根據本發明，通過組合振動和溫度的測量值或變化率，多次診斷以確定故障的是否存在。
此外，關于振動信息，通過比較基于旋轉速度信號而算出的由于雙行錐形滾柱軸承11的損壞的頻率分量、與通過使由振動傳感器32檢測的信號的振動波形經受濾波處理和包絡處理而提供的測量數據的頻率分量，可以確定雙行錐形滾柱軸承11的故障的是否存在并可以指定受損部分，并且可以進一步確保故障診斷的可靠性。
(第二實施例)接下來，將參考圖7和圖8詳細說明根據本發明第二實施例的故障診斷裝置。此外，等同于第一實施例中部分的部分附有相同的標記，并且將省略或簡化其說明。
根據本實施例，基于驅動電機13a的關斷信號、以及旋轉速度傳感器40，由信號處理部分81檢測在不向驅動電機13a(參見圖1)通電時、在預定旋轉速度范圍內依靠慣性旋轉雙行錐形滾柱軸承11的狀態，并且在檢測時，基于振動傳感器32和溫度傳感器33的檢測信號而診斷雙行錐形滾柱軸承11的故障。
首先，如圖7所示，在放大和模/數轉換之后，通過信號傳送單元34將由振動傳感器32生成的振動信號、由溫度傳感器33生成的溫度信號傳送到旋轉速度確定部分52。此外，可以在傳送之前執行振動信號的放大和數/模轉換，此外，可以顛倒放大和數/模轉換的次序。
旋轉狀態確定部分52確定在驅動以使驅動電機13a在預定旋轉速度范圍內操作之后，驅動電機13a是否落在依靠不向驅動電機13a通電的慣性的旋轉范圍內。例如，如圖8的處理流程所示，旋轉狀態確定部分52確定是否輸出了驅動電機側的關斷信號(步驟S11)，并且確定來自旋轉速度傳感器40的、雙行錐形滾柱軸承11的旋轉速度信息是否落在預先設置的預定旋轉速度范圍內(步驟S12)。此外，當沒有輸出驅動電機側的關斷信號(不通電)、或者來自旋轉速度傳感器40的雙行錐形滾柱軸承11的旋轉速度信息沒有落在預先設置的預定旋轉速度范圍內時，操作返回到步驟S11，以重復處理。另一方面，當將驅動電機側的關斷信號輸出到旋轉速度確定部分52，并且來自旋轉速度傳感器40的雙行錐形滾柱軸承11的旋轉速度信息落在預先設置的預定旋轉速度范圍內時，檢測該時間點的振動信號和溫度信號，并且將其傳送到濾波部分35、溫度測量值分析部分51(步驟S13)。
此外，當確認雙行錐形滾柱軸承11的旋轉速度信息落在該旋轉速度范圍內時，旋轉速度確定部分52可以基于驅動電機的關斷信號的輸出而檢測振動信號和溫度信號。或者，當確定由于旋轉速度傳感器40的旋轉速度信息的變化而使驅動電機13a進入非通電狀態時，可以與旋轉速度傳感器40的旋轉速度檢測信號和檢測部分31的振動或溫度檢測信號相協作地診斷旋轉部件的故障。
此外，當驅動電機13a進入非通電狀態時，如圖7所示類似于第一實施例而處理振動信息，并且故障確定部分42確定雙行錐形滾柱軸承11的振動中的故障是否存在，并且指定異常部分。輸出裝置90輸出確定雙行錐形滾柱軸承11中的故障并且指定異常部分的結果，發出警報等的警告，或者將確定結果輸入到存儲部分。
另一方面，由溫度測量值分析部分51處理在驅動電機側的關斷信號被輸出并且雙行錐形滾柱軸承11的旋轉速度信息落在預先設置的預定旋轉速度范圍內時所檢測的溫度信號，然后將其輸出到故障確定部分42。
故障確定部分42確定是否超過預先設置的閾值，當沒有超過閾值時，確定在軸承處沒有造成故障，當超過閾值時，確定在軸承處造成故障的發作等，由輸出裝置90輸出確定雙行錐形滾柱軸承11中的故障的結果，并且發出警報等的警告。
以這種方式，根據本實施例，當驅動電機13a進入非通電狀態時，在預定旋轉速度范圍內依靠慣性旋轉雙行錐形滾柱軸承11的狀態中，信號處理部分81基于振動傳感器32和溫度傳感器33的檢測信號，確定雙行錐形滾柱軸承11中的故障，因此可以在實際操作狀態中診斷雙行錐形滾柱軸承11的故障，而不拆解與雙行錐形滾柱軸承11集成在一起的鐵路運輸工具的滾動軸承裝置10，可以通過抑制驅動驅動電機13a時的電磁聲音等的電干擾噪聲，而以高靈敏度檢測高SN比(信噪比)的信號，并且可以以高可靠性診斷故障。
根據本實施例，在對驅動電機13a進行驅動時，與在溫度傳感器33中相比，在振動傳感器32中，電磁聲音的電干擾噪聲的影響更大，因此，可以通過信號傳送單元34至少將來自振動傳感器32的信號傳送到旋轉狀態確定部分52，并且可以將來自溫度傳感器33的信號傳送到溫度測量值分析部分51，而不經過旋轉狀態確定部分52。
此外，其它構造和操作與第一實施例的類似。
(第三實施例)接下來，將參考圖9說明根據本發明第三實施例的故障診斷裝置。此外，等同于第二實施例中部分的部分附有相同的標記，并且將省略或簡化其說明。
根據本實施例的故障診斷裝置，如圖9的流程圖所示，旋轉狀態確定部分52(參考圖7)確定來自旋轉速度傳感器40的雙行錐形滾柱軸承11的旋轉速度信息是否落在等于或快于100min-1且等于或慢于1500min-1的旋轉速度范圍內(步驟S21)。此外，當雙行錐形滾柱軸承11的旋轉速度信息在等于或快于100min-1且等于或慢于1500min-1的旋轉速度范圍之外時，操作返回到步驟S21，以重復處理。另一方面，當雙行錐形滾柱軸承11的旋轉速度信息落在等于或快于100rmin-1且等于或慢于1500min-1的旋轉速度范圍內時，檢測該時間點的振動信號和溫度信號，并且將其傳送到濾波部分35、溫度測量值分析部分51(步驟S22)。
因此，根據本實施例的故障診斷裝置，圖7的旋轉速度確定部分52被構造成確定雙行錐形滾柱軸承11是否落在等于或快于100min-1且等于或慢于1500min-1的旋轉速度范圍內，而不使用驅動電機13a的關斷信號的輸出。
然而，同樣在本實施例的故障診斷裝置中，類似于第二實施例，旋轉狀態確定部分52可以通過使用驅動電機13a的關斷信號的輸出、或者通過旋轉速度傳感器40的旋轉速度信息的變化，而確定驅動電機13a進入非通電狀態。因此，通過當雙行錐形滾柱軸承11在等于或快于100min-1且等于或慢于1500min-1的旋轉速度范圍內依靠慣性旋轉時檢測振動信號和溫度信號，而消除了向驅動電機13a導電時電磁分量的影響，并且可以以較高精度診斷故障。
因此，根據本實施例的故障診斷裝置，當雙行錐形滾柱軸承11在等于或快于100min-1且等于或慢于1500min-1的旋轉速度范圍內旋轉時，基于振動傳感器32和溫度傳感器33的檢測信號而診斷雙行錐形滾柱軸承11的故障，因此，可以在實際操作狀態中診斷雙行錐形滾柱軸承11的故障，而無需拆解與雙行錐形滾柱軸承11集成在一起的鐵路運輸工具的滾動軸承裝置10，可以以高SN比檢測由于雙行錐形滾柱軸承11的脫落、輪子的損壞或磨平等而引起的振動力，而不受干擾噪聲等的影響，結果，可以以高可靠性診斷故障。
特別地，在與具有等于或大于Φ200mm的外徑(內徑Φ100mm，寬度150mm)的雙行錐形滾柱軸承11集成在一起的鐵路運輸工具的滾動軸承裝置10中，通過當雙行錐形滾柱軸承11在旋轉速度范圍內旋轉時診斷故障，可以以高可靠性診斷故障。
其它構造和操作與第二實施例的類似。
此外，存在這樣的情況，其中根據機器設備，通過使用聯軸器機構等來間斷性地進行齒輪系的嚙合，除了第二和第三實施例之外，還通過基于在采用聯軸器的齒輪系的嚙合分離時振動傳感器32和溫度傳感器33的檢測信號而診斷雙行錐形滾柱軸承11的故障，不受到齒輪系的機械噪聲和電噪聲的影響，并且可以以較高SN比診斷故障。此外，當在分離齒輪系的嚙合時將信號輸出到驅動電機側、并且在驅動電機進入非通電狀態之后檢測振動和溫度信號并診斷故障時，可以實現高效形式的診斷。
此外，在由鐵路運輸工具使用時，除了第二和第三實施例之外，通過基于當沒有鐵路的接合處(joint)或路岔(switch)并且鐵路運輸工具正在直線行駛時振動傳感器32和溫度傳感器33的檢測信號，而診斷雙行錐形滾柱軸承11的故障，可以實現類似的操作和效果。在這種情況下，當在將信號輸出到駕駛室側或驅動電機側時驅動電機進入非通電狀態之后(例如，當鐵路運輸工具經過以下地方時，其中從該地方開始鐵路運輸工具沿直線行駛)檢測振動和溫度信號并且診斷故障時，可以實現高效形式的診斷。
(第四實施例)接下來，將參考圖10到12說明根據第四實施例的故障診斷裝置。如圖10所示，該故障診斷裝置包括檢測部分70，用于檢測從機器設備60生成的信號；控制器80，包括信號處理部分82，其用于從由檢測部分70輸出的檢測信號確定機器設備60的旋轉部件的故障等，以及控制部分84，其用于控制驅動該機器設備60；以及監視器93、警報器94等的輸出裝置90。
機器設備60例如具有構成旋轉部件的滾動軸承62，并且滾動軸承62包括內環64，其構成朝外與轉軸(未示出)配合的旋轉環；外環66，構成朝內與機座(未示出)配合的固定環；滾珠68，構成布置在內環64和外環66之間的多個滾動構件，以及保持器(未示出)，用于可滾動地支持滾珠68。
檢測部分70包括傳感器72，其用于檢測在操作機器設備60時從機器設備60生成的振動。通過螺栓的固定、粘合、螺栓的固定和粘合、或者模制(mold)構件的嵌入，將傳感器72固定到外環附近的機座。此外，當通過螺栓固定時，可以提供停止旋轉的功能。此外，當模制傳感器72時，實現防水性能，促進振動隔離性能以防來自外部的振動，因此可以顯著促進傳感器72本身的可靠性。
此外，傳感器72可以是能夠檢測振動的振動系統傳感器，并且可以能夠將振動轉換成振動傳感器、以及AE(聲發射)傳感器、超聲波傳感器、沖擊脈沖傳感器等、或者加速度、速度、張力、應力、位移類型等的電信號。此外，當附連到充滿噪聲的機器設備時，優選地使用絕緣類型，這是因為絕緣類型較少受到噪聲的影響。此外，當傳感器72使用壓電元件等的振動檢測元件時，該元件可以通過用塑料等模制而構成。除此之外，根據本實施例的機器設備60，不同于滾動軸承62，還可以由傳感器72檢測齒輪或輪子(也未示出)等的振動。
此外，類似于圖1的檢測部分31，檢測部分70可以是集成型傳感器，其用于在單個柜體內容納用于檢測從機器設備生成的振動的傳感器72、用于檢測機器設備的溫度的溫度傳感器、以及旋轉速度傳感器。在這種情況下，優選地將集成傳感器固定到用于固定滾動軸承62的軸承箱平坦部分(參考圖18)。溫度傳感器可以是當溫度變為特定調整值時通過分離雙金屬觸點、或者熔化觸點而不通電的類型的溫度保險絲。從而，當溫度等于或高于特定調整值時，溫度保險絲不通電，因此可以檢測故障。
包括信號處理部分82和控制部分84的控制器80由用于通過數字傳送單元74從傳感器72接收電信號的微型計算機(IC芯片、CPU、MPU、DSP等)構成。
如圖11所示，信號處理部分82包括數據累積和分配部分100、旋轉分析部分102、濾波處理部分104、振動分析部分106、比較和確定部分108、內部數據保存部分110。數據累積和分配部分100具有收集和分配功能，其用于接收來自傳感器72的電信號和關于旋轉速度的電信號，以根據信號種類將信號臨時存儲和分配到分析部分102、106中的任一個。在傳送到數據累積和分配部分100之前，通過未示出的模數轉換器的模/數轉換將各個信號轉換成數字信號，并且在由未示出的放大器放大之后，將其傳送到數據累積和分配部分100。此外，可以顛倒模/數轉換和放大的次序。
旋轉分析部分102基于來自用于檢測旋轉速度的傳感器(未示出)的輸出信號而計算內環64即轉軸的旋轉速度，并且將算出的旋轉速度傳送到比較和確定部分108。此外，當檢測元件由附連到內環64的編碼器和磁鐵以及附連到外環66的磁性檢測元件構成時，由檢測元件輸出的信號為根據編碼器的形狀和旋轉速度的脈沖信號。旋轉分析部分102具有根據編碼器形狀的預定轉換函數或轉換表，并且根據該函數或表從脈沖信號計算內環64和轉軸的旋轉速度。
濾波處理部分104基于構成旋轉部件的滾動軸承62、齒輪、輪子等的特征頻率，從振動信號中僅僅提取與特征頻率相對應的預定頻帶，并且消除不必要的頻帶。通過采用撞擊方法振動作為測量對象的旋轉部件并且使附連到測量對象的振動檢測器或者通過撞擊而發出的聲音經受頻率分析，可以容易地計算特征頻率。此外，當測量對象是滾動軸承時，提供了由于內環、外環、滾動構件、保持器等中的任一個的特征頻率。通常，存在機械部件的多個自然頻率，此外，特征頻率處的振幅電平高，因此測量靈敏度優良。
振動分析部分106基于來自傳感器72的輸出信號，分析在軸承62、齒輪、或輪子處生成的振動的頻率。具體地說，振動分析部分106是用于計算振動信號的頻譜的FFT計算部分，并且基于FFT算法而計算振動頻譜。將算出的頻譜傳送到比較和確定部分108。此外，振動分析部分106可以執行絕對值處理或包絡處理，作為執行FFT的預處理，以僅僅轉換為診斷所需的頻率分量。必要時，振動分析部分106也將包絡處理之后的包絡數據輸出到比較和確定部分108。
比較和確定部分108比較振動分析部分106的振動頻譜和從該頻譜算出的用于分析故障的參考值，從該頻譜中提取大于參考值的峰值分量，并且計算峰值之間的頻率值。另一方面，比較和確定部分108根據圖5和6所示的關系，計算由于各個旋轉部件的異常而生成的旋轉部件的振動生成頻率分量，也就是，軸承的損壞分量Sx(內環損壞分量Si、外環損壞分量So、滾動構件損壞分量Sb和保持器損壞分量Sc)、與齒輪的嚙合相對應的損壞分量Sg、輪子等的旋轉構件的磨損或者其失衡分量Sr，并且比較振動生成頻率分量和峰值之間的頻率值。此外，比較和確定部分108確定故障的是否存在，并且基于確定結果而指定異常部分。
此外，可以在此之前執行振動生成頻率分量的計算，并且當在此之前執行類似診斷時，可以將數據存儲到內部數據保存部分110，并且可以使用該數據。此外，預先輸入和存儲用于計算的各個旋轉部件的設計的各個元素數據。
此外，比較和確定部分108的確定結果可以保存在存儲器、HDD等的內部數據保存部分110處，或者可以通過數據傳送單元92傳送到輸出裝置90。此外，可以將確定結果輸出到用于控制驅動機器設備60的機構的操作的控制部分84，并且可以反饋根據該確定結果的控制信號。
此外，輸出裝置90可以實時地向監視器等顯示確定結果，或者可以在檢測到故障時通過使用警報器、蜂鳴器等來通知故障。此外，數據傳送單元74、92可以能夠精確地傳送和接收信號，考慮到網絡，它可以是有線的、或者可以利用無線。
接下來，將參考圖12說明基于振動信號的故障診斷的處理流程的具體示例。
首先，傳感器72檢測各個旋轉部件的振動(步驟S101)。所檢測的振動信號由模/數轉換器轉換成數字信號(步驟S102)，按照預定放大因數放大(步驟S103)，然后，執行由濾波處理部分104僅僅提取與旋轉部件的自然頻率相對應的預定頻帶的濾波處理(步驟S104)。此后，在振動分析部分106處，對濾波處理之后的數字信號執行包絡處理(步驟S105)，并且計算包絡處理之后的數字信號的頻譜(步驟S106)。
接下來，根據圖5和圖6所示的關系，基于旋轉速度信號而計算由于旋轉部件的異常而生成的頻率分量(軸承損壞分量Sx(內環損壞分量Si、外環損壞分量So、滾動構件損壞分量Sb和保持器損壞分量Sc)、與齒輪的嚙合相對應的損壞分量Sg、輪子等的旋轉構件的磨損和失衡分量Sr)(步驟S107)。
另一方面，從由振動分析部分106提供的頻譜計算用于故障診斷的參考值(例如，聲壓級或電壓電平)(步驟S108)。此外，參考值可以是任意時候的測量頻譜數據的數字信號的有效值或峰值，或者可以基于這些值而計算。
接下來，從在步驟S106提供的頻譜提取大于在步驟S108算出的參考值的峰值分量，并且計算峰值之間的頻率值(步驟S109)。此外，比較峰值之間的頻率值和在步驟S107的旋轉部件的振動生成頻率分量(步驟S110)，并且當所有分量都不一致時，確定在旋轉部件中沒有故障(步驟S111)。另一方面，當任何分量彼此一致時，確定存在故障并且指定異常部分(步驟S112)，并且將檢查結果輸出到控制部分84、以及監視器93、警報器94等的輸出裝置90(步驟S113)。
以這種方式，根據本實施例，提取大于基于通過頻率分析而提供的頻譜而算出的參考值的頻譜峰值，比較和檢查峰值之間的頻率與基于旋轉速度信號而計算的由于旋轉部件損壞的頻率分量，確定旋轉部件的異常的是否存在，并且基于檢查結果而指定異常部分，因此，在不能直接輸入實際旋轉速度的情況下，即使當用于計算的旋轉速度數據偏離實際旋轉速度時，也可以以優良的精度確定異常是否存在并且指定異常部分。
此外，根據本發明的故障診斷裝置和故障診斷方法，通過簡單的構造，可以確定異常是否存在，并且可以指定異常部分，而不拆解與旋轉部件集成在一起的機器設備，可以減輕拆解或集成該裝置所需的勞力，并且可以防止由于拆解或集成而損壞部件。
此外，根據本實施例的故障診斷裝置和故障診斷方法，信號處理部分由微型計算機構成，因此使信號處理部分統一化，并且可以實現故障診斷裝置的小型形成或模塊形成。
(第五實施例)接下來，將參考圖13說明根據第五實施例的故障診斷裝置。此外，等同于第四實施例中部分的部分附有相同的標記，并且將省略或簡化其說明。
本實施例在信號處理部分82的比較和確定部分108處的處理上不同于第四實施例。根據本實施例的比較和確定部分108以可變的容許寬度比較和檢查由于滾動軸承62、齒輪、輪子的頻率分量和振動分析部分106的振動測量頻譜數據的頻率分量。根據本實施例，盡管比較和確定部分108從測量頻譜數據計算參考值(例如，聲壓級或電壓電平)，但是比較和確定部分108通過使用圖5和圖6所示的關系而計算由于滾動軸承和齒輪的損壞的頻率(振動生成頻率)，從測量頻譜數據提取在向振動生成頻率提供可變容許寬度的范圍內的聲壓級(或電壓電平)，以與參考值進行比較。此外，比較和確定部分108確定故障的是否存在，并且基于確定結果而指定異常部分。
此外，可以類似于第四實施例而在此之前執行振動生成頻率的計算，并且當在此之前執行了類似診斷時，可以將其數據存儲到內部數據保存部分110，并且可以使用數據。此外，輸入用于計算的各個旋轉部件的設計的各個元素數據以進行預先存儲。
此外，當通過設置頻率分量而使得頻率分量越高則可變容許寬度越大、從而可變容許寬度與構成對象的頻帶或旋轉速度協作時，比較和檢查步驟中的可變容許寬度可以對應于實際旋轉速度的變化(由于鐵路運輸工具中的輪子磨損等的影響而引起的變化)。
將參考圖13說明基于振動信號的故障診斷的處理流程的具體示例。
首先，同樣在本實施例中，執行與第四實施例的步驟S101到步驟S106類似的處理(步驟S201到步驟S206)。
接下來，根據圖5和圖6所示的關系，基于旋轉速度信號而計算由于各個旋轉部件的異常而生成的振動生成頻率(步驟S207)，計算具有相對于算出的頻率可變的容許寬度的各個旋轉部件的異常頻帶的聲壓級(在滾動軸承62的情況下，軸承損壞分量Sx，也就是，內環損壞分量Si、外環損壞分量So、滾動構件損壞分量Sb和保持器損壞分量Sc，在齒輪的情況下，與嚙合相對應的齒輪損壞分量Sg，并且在輪子等的旋轉構件的情況下，旋轉構件的磨損或失衡分量Sr)(步驟S208)。
另一方面，類似于第四實施例，根據從振動分析部分106提供的頻譜，計算用于故障診斷的參考值(例如，聲壓級或電壓電平)(步驟S209)。
緊接著，依次針對具有不同的各個設計元素的相應旋轉部件，而比較在步驟S208算出的相應旋轉部件的異常頻帶的聲級(或電壓電平)與在步驟S209算出的參考值。當所有分量都不與其一致時，確定旋轉部件不異常(步驟S211)。另一方面，當任何分量與其一致時，確定存在故障并且指定異常部分(步驟S212)，并且將檢查結果輸出到控制部分84以及監視器93、警報器94等的輸出裝置90(步驟S213)。
以這種方式，根據本實施例，以可變的容許寬度比較和檢查通過頻率分析而提供的測量頻譜數據的頻率分量與由于旋轉部件的頻率分量，基于檢查結果而確定旋轉部件的故障的是否存在和異常部分，因此在不能直接輸入實際旋轉速度的情況下，即使當用于計算的旋轉速度數據偏離實際旋轉數據時，也可以以優良的精度確定異常的是否存在并且指定異常部分。
其它構造和操作與第四實施例的類似。
(第六實施例)接下來，將參考圖14詳細說明根據本發明第六實施例的故障診斷裝置和故障診斷方法。此外，等同于第五實施例中部分的部分附有相同的標記，并且將省略或簡化其說明。
本實施例在信號處理部分82的比較和確定部分108處的處理上不同于第五實施例。另外在本實施例中，如圖14的處理流程所示，類似于第四實施例的步驟S101到步驟S106而執行步驟S301到步驟S306。
接下來，根據圖5和圖6所示的關系，基于旋轉速度信號而計算由于各個旋轉部件的異常而生成的振動生成頻率(步驟S307)。此外，計算容許寬度、以及這些寬度的中心，其中，容許寬度構成具有相應各元素的旋轉部件的損壞分量的上限頻率和下限頻率的范圍，所述上限頻率和下限頻率根據旋轉部件的旋轉速度和旋轉部件的尺寸規格而計算(步驟S308)。此外，在步驟S308，必要時，將容許寬度分成一個或多個寬度，計算關于各個寬度的中心頻率，并且向中心頻率提供具有任意大小的寬度的容許寬度。此外，可以將容許寬度設置成與頻帶相對應地增大。
此后，計算對于在步驟S307算出的頻率具有容許寬度的旋轉部件的異常頻帶的聲壓級(在滾動軸承62的情況下，軸承損壞分量Sx，也就是，內環損壞分量Si、外環損壞分量So、滾動構件損壞分量Sb和保持器損壞分量Sc，在齒輪的情況下，與嚙合相對應的齒輪損壞分量Sg，并且在輪子等的旋轉構件的情況下，旋轉構件的磨損或失衡分量Sr)(步驟S309)。
另一方面，類似于第五實施例，從在振動分析部分106處提供的頻譜計算用于故障診斷的參考值(例如，聲壓級或電壓電平)(步驟S310)，依次針對具有不同的各個設計元素的各個旋轉部件而比較在步驟S309算出的各個旋轉部件的異常頻帶的聲壓級(或電壓電平)與在步驟S310算出的參考值(步驟S311)。此外，在步驟S311，按照劃分頻率的容許寬度的次數的數量而重復比較。
此外，當所有分量都不與其一致時，確定旋轉部件不異常(步驟S312)。另一方面，當任何分量與其一致時，確定存在故障并且指定異常部分(步驟S313)，并且將檢查結果輸出到控制部分84以及監視器93、警報器94等的輸出裝置90(步驟S314)。
此外，在旋轉部件中存在故障的情況下，當在步驟S308劃分容許寬度時，存在確定在任何所劃分容許寬度處存在故障的情況。因此，當執行兩個容限寬度的數量的診斷時，在步驟S311，在作為第一寬度的診斷的結果而確定存在故障的時間點，有可能不執行第二寬度的診斷，在按照第一寬度診斷為正常之后，執行第二寬度的診斷。
如圖5和圖6的關系所示通過旋轉速度和尺寸規格提供在步驟S309由于各個旋轉部件的異常而生成的振動生成頻率，因此旋轉的變化和設計尺寸的各個元素的差異妨礙高精度診斷。因此，當以具有相互不同的尺寸規格的多個旋轉部件提供旋轉部件時，或者當不能直接輸入實際旋轉速度信號并且旋轉部件的旋轉速度變化時，作為步驟S308設置容許寬度是有效的。
例如，即使當不能直接輸入實際旋轉速度信號時，也存在在以恒定旋轉速度旋轉時旋轉速度的變化寬度是已知的情況。在這種情況下，通過基于下限旋轉速度和上限旋轉速度計算由于旋轉部件損壞的特征頻率分量，而計算容許寬度，當容許寬度大時，包括除了旋轉部件的損壞分量之外的多個頻率分量，并且診斷精度惡化。因此，必要時劃分容許寬度，計算關于各個所劃分寬度的中心頻率，對中心頻率提供具有任意大小的寬度的容許寬度，按照所劃分容許寬度的數目的數量執行比較和檢查，并且可以以高精度執行診斷，而不受旋轉速度變化的影響。
因此，根據本實施例的故障診斷裝置和故障診斷方法，將具有從旋轉部件的旋轉速度和旋轉部件的尺寸規格算出的上限值和下限值的范圍劃分成至少一個范圍，計算各個所劃分范圍的中心值，通過提供至少一個向中心值提供的任意大小的容許寬度來執行比較和檢查，因此，即使當具有相互不同的尺寸規格的多個旋轉部件被集成到任意部分時，或者即使當旋轉部件的旋轉速度變化時，也可以肯定地指定故障的是否存在或者異常部分，并且可以以高精度執行診斷。此外，從而，可以節省如同在背景技術中一樣集成具有相同的各個元素的部件所需的勞力，即使當集成具有不同的各個元素的部件時，也可以進行診斷，因此，可以促進操作效率，并且可以進行有效的維護。
此外，甚至在以具有相互不同的尺寸規格的多個旋轉部件提供旋轉部件并且旋轉部件的旋轉速度變化的機器設備的情況下，本實施例的故障診斷也是有效的。
此外，在軸承的故障診斷中，圖5所示的各個頻率分量通過將旋轉頻率乘以整數而構成，因此，當預先知道軸承的各個元素時，也可以根據旋轉速度的變化來計算中心頻率而無需計算上和下頻率。
此外，本實施例的故障診斷不僅適用于執行包絡處理的頻譜，而且適用于從旋轉速度信息診斷由于旋轉部件損壞的頻率分量的是否存在的任何方法。
(第七實施例)接下來，將參考圖15和16描述根據第七實施例的故障診斷裝置。此外，等同于第四實施例的部分附有相同的標記，并且將省略或簡化其說明。
如圖15所示，該故障診斷裝置包括檢測部分70，用于檢測從機器設備60生成的信號；控制器80，包括信號處理部分82，其具有類似于圖11的構造，用于從由檢測部分70輸出的電信號確定機器設備60的故障狀態等，以及控制部分84，用于控制驅動機器設備60；以及監視器93、警報器94、報告形成部分95等的輸出裝置90。
信號處理部分82的比較和確定部分108比較和檢查由于滾動軸承62、齒輪、輪子的頻率分量與振動分析部分106的振動測量頻譜數據的頻率分量。根據本實施例，盡管比較和確定部分108從測量頻譜數據的受限頻率范圍計算參考值(例如，聲壓級或電壓電平)，但是比較和確定部分108通過使用圖5和圖6所示的關系來計算由于滾動軸承或齒輪的損壞的頻率(振動生成頻率)，從測量頻譜數據提取振動生成頻率處的聲壓級，以與參考值進行比較。此外，比較和確定部分108確定故障的是否存在，并且基于確定結果而指定異常部分。
此外，可以在此之前執行振動生成頻率的計算，當在此之前執行了類似的診斷時，可以將數據存儲到內部數據保存部分110，并且可以使用該數據。此外，輸入用于計算的各個旋轉部件的設計的各個元素數據以進行預先存儲。
此外，比較和確定部分108的確定結果可以保存在存儲器、HDD等的內部數據保存部分110處、或者通過數據傳送單元92傳送到輸出裝置90。此外，可以將確定結果輸出到用于控制驅動機器設備60的機構的操作的控制部分84，并且可以反饋根據確定結果的控制信號。
此外，輸出裝置90可以實時地在監視器93等處顯示確定結果，或者可以在檢測到故障時通過使用光警報器94、蜂鳴器等來通知故障。
此外，輸出裝置90包括存儲部分96，用于存儲由信號處理部分82提供的故障的是否存在、異常部分、診斷中的頻譜波形(測量頻譜數據)的診斷結果；數據輸出部分97，用于以預定樣式輸出診斷結果；以及報告形成部分95，用于基于至少一個程序，從由數據輸出部分97輸出的輸出結果形成報告。從而，報告形成部分95可以容易地基于診斷結果而執行形成報告的操作。
這里，預定樣式是為報告形成部分95處的處理請求的樣式。此外，可以輸出所有對象數據，以由報告形成部分95選擇，或者可以選擇對象數據，然后在數據輸出部分97處輸出。
接下來，將參考圖16說明基于振動信號的故障診斷的處理流程的具體示例。
同樣在本實施例中，如圖16的處理所示，類似于第四實施例的步驟S101到S106而執行步驟S401到S406。
接下來，根據圖5和圖6所示的關系，基于旋轉速度信號而計算由于各個旋轉部件的異常而生成的振動生成頻率(步驟S407)，計算與算出的頻率相對應的各個旋轉部件的異常頻帶的聲壓級(在滾動軸承62的情況下，軸承損壞分量Sx，也就是，內環損壞分量Si、外環損壞分量So、滾動構件損壞分量Sb和保持器損壞分量Sc，在齒輪的情況下，與嚙合相對應的齒輪損壞分量Sg，并且在輪子等的旋轉構件的情況下，旋轉構件的磨損或失衡分量Sr)(步驟S408)。
另一方面，從由振動分析部分106提供的頻譜計算用于故障診斷的參考值(例如，聲壓級或電壓電平)(步驟S409)。這里，通過使用任意時候的測量頻譜數據的受限頻率范圍來計算本實施例的參考值。也就是，參考值可以是通過從所提供的頻率范圍去除多個頻譜(例如，上十條和下十條)以便降低DC分量的噪聲影響而算出的、預定頻率范圍內的頻譜數據的有效值(頻譜的均方根)，或者可以基于該有效值、基于以下等式(1)和(2)而計算。
(參考值)＝(有效值)+α…(1)(參考值)＝(有效值)×β …(2)其中α、β按照數據種類而可變的預定值。
此外，可以通過使用任意時候的測量頻譜數據的平均值或峰值來代替有效值而計算參考值。
緊接著，依次針對具有不同的各個設計元素的各個旋轉部件，比較在步驟S408算出的各個旋轉部件的異常頻帶的聲壓級(或電壓電平)與在步驟S409算出的參考值。當所有分量都不與其一致時，確定旋轉部件不異常(步驟S411)。同時，當任何分量與其一致時，確定存在故障，并且指定異常部分(步驟S412)，并且將檢查結果輸出到控制部分84以及監視器93、警報器94等的輸出裝置90(步驟S413)。此外，在步驟S413，將在步驟S411、S412提供的診斷結果存儲到輸出裝置90的存儲部分96。此外，當形成報告時，將存儲到存儲部分96的診斷結果傳送到數據輸出部分97，并且從傳送到數據輸出部分97的數據中選擇對象數據(步驟S414)。此外，將所選對象數據傳送到具有報告形成程序的報告形成部分95，并且形成基于該診斷結果的報告。
以這種方式，根據本實施例，當比較和檢查測量頻譜數據的頻率分量與由于部件的頻率分量時，基于測量頻譜數據的受限頻率范圍，通過有效值、平均值或峰值而計算用于比較和檢查的參考值，因此，可以通過使得難以產生DC分量等的噪聲影響來提高診斷精度，可以確定故障的是否存在，并且可以指定異常部分。
此外，根據本實施例的故障診斷裝置和故障診斷方法，提供了存儲部分96，用于存儲由信號處理部分82提供的故障的是否存在、異常部分、診斷中的頻譜波形(測量頻譜數據)的診斷結果；數據輸出部分97，用于通過預定樣式輸出診斷結果；以及報告形成部分95，基于至少一個程序根據由數據輸出部分97輸出的輸出結果而形成報告，因此通過在必要時以構成對象的部分的數據的預定樣式輸出大量累積的診斷結果，可以簡單地形成報告。
其它構造和操作與第四實施例的類似。
此外，雖然根據本實施例，在輸出裝置90的內部提供了用于存儲診斷結果的存儲部分96，但是可以在控制器80的內部提供存儲部分96，并且可以在形成報告時通過數據傳送單元92將診斷結果傳送到數據輸出部分97。
(第八實施例)接下來，將參考圖17到19詳細說明根據本發明第八實施例的故障診斷裝置和故障診斷方法。此外，等同于第四實施例的部分附有相同的標記，并且將省略或簡化其說明。
根據本實施例，作為包括多個滾動軸承62、62的機器設備120的故障診斷裝置，與包括傳感器72的檢測部分和包括微型計算機130的信號處理部分集成在一起的單個處理單元140被集成到滾動軸承62的軸承裝置中。從而，故障診斷裝置可以集中地執行控制，因此可以執行高效的監測。此外，通過將單個處理單元集成到軸承裝置的內部，實現了使整個裝置小型化的優點，這是優選的。此外，可以通過將單個處理單元集成到機器設備的內部來實現小型化形成，此外，可以為多個滾動軸承構造單個處理單元。
例如，根據圖18所示的鐵路運輸工具的軸承裝置，軸13通過雙行錐形滾柱軸承62(11)而由構成鐵路運輸工具的機架的一部分的軸承箱12可旋轉地支持，檢測部分70(31)、70(31)固定到軸承箱12的徑向負荷的負荷區域，并且通過檢測軸承箱12的振動來診斷故障。同樣在這種情況下，來自各個檢測部分70(31)、70(31)的電信號可以由單個處理單元140處理。
其它構造和操作與第四實施例的類似，并且也適用于第五到第七實施例。此外，圖19示出了將本實施例應用到第七實施例的示例。
(第九實施例)接下來，將參考圖20到圖23詳細說明根據本發明第九實施例的故障診斷裝置和故障診斷方法。
如圖20所示，一個鐵路運輸工具200由兩個前后機架支持，并且每個機架附有四個輪子204。每個輪子204的軸承箱附有振動傳感器201，其構成包括壓電型加速度傳感器等的檢測部分，用于輸出正交于地面的方向上的振動加速度。此外，還可以附連用于測量鐵路運輸工具200的前進方向上或輪子的軸向上的振動加速度的振動傳感器。
振動傳感器210的輸出由故障診斷模塊202處理，其中故障診斷模塊202構成安裝在運輸工具200的控制面板處的信號處理部分。如圖21所示，故障診斷模塊202包括數字處理模塊205，其用于通過數字處理來診斷故障。通過低通濾波器(LPF)207由模數轉換器(ADC)208將由振動傳感器201檢測的振動波形轉換成離散值，并且將其輸入到CPU 211。這里，由于構成輪子204的故障的磨平而生成的振動的頻率集中到在其能量上低于1kHz的頻率范圍，并且也加寬到高于1kHz的范圍。低通濾波器207通過減弱具有大噪聲分量的、等于或大于1kHz的頻率來提高S/N比。
此外，通過由時間計數器(TCNT)210對脈沖進行計數，由波形整形電路209將由編碼器的旋轉速度傳感器206等檢測的脈沖信號整形為脈沖，將旋轉速度信號輸入到CPU 211，并且CPU 211基于振動波形和旋轉速度信號而執行故障診斷。
此外，基于配置傳送單元的通信協議IP 212，通過線驅動器214將由CPU211診斷的診斷結果從例如USB等的串行接口(SIO)213傳送到通信網絡203。因此，根據本實施例，數字處理模塊205由模數轉換器208、定時計數器210、CPU 111、通信協議IP 212、串行接口213、線驅動器214構成。
當由旋轉速度傳感器206檢測的旋轉速度信號基本上為恒定的預定速度(根據本實施例為185到370min-1)時，CPU 211通過處理其中使采樣頻率fs和樣本數Ns恒定的波形塊數據來檢測輪子204的磨平。具體地說，當fs＝2kHz，Ns＝2000時，塊數據的部分長度＝1秒。通過將在1秒內對由于磨平的振動波形脈沖進行計數的次數與從由旋轉速度傳感器206檢測的運輸工具速度導出的1秒內旋轉輪子204的次數進行比較，而檢測磨平。
產生輪子204處的磨平的狀態中的振動加速度常常較大，并且由于正常運輸工具的振動而產生的振動加速度的值常常小于上述振動頻率。此外，鐵軌接合處的振動構成等于或大于磨平的振動加速度的電平。此外，在鐵軌的彎道處由于鐵軌和輪子204的摩擦而得到的振動加速度的電平也與磨平和鐵軌接合處的等同。
另一方面，盡管對于每一次旋轉，由于磨平而產生一次碰撞，但是在鐵軌接合處的碰撞的情況下，在較長的時段內產生碰撞，在由于與鐵軌的摩擦的碰撞的情況下，無規律地產生碰撞。因此，根據本實施例，注意到產生超過特定于磨平的振動加速度閾值的碰撞(脈沖)的規律性，對按照基本恒定的速度的每單位時間的激波的次數進行計數，并且當其計數與輪子的旋轉數一致時，故障被診斷為存在產生磨平的高可能性。
此外，根據本實施例，設計了這樣的處理算法，即通過使用安裝到運輸工具200的傳感器201、206、以及故障診斷模塊202，重復診斷相同輪子204，并且在考慮脈沖數的計數的變化、噪聲影響等的情況下，通過統計確定方法來提高故障診斷的可靠性。
將參考圖22的流程圖詳細說明執行這種處理的故障診斷方法。
首先，由模數轉換器208將由振動傳感器201檢測的信號轉換成數字信號(步驟S500)，并且從旋轉速度傳感器206輸入旋轉速度信號。當旋轉速度落在185到370min-1的范圍內時，在基本上以恒定速度行駛的區域內執行本實施例的故障診斷，因此確定數據的區域長度中的旋轉速度是否由于快速的加速或減速而改變15％或更多(步驟S501)。此外，當旋轉速度改變15％或更多時，輸出內部輸出“N”，并且不執行故障診斷(步驟S502)。
另一方面，當確定運輸工具基本上以恒定速度行駛時，將由模數轉換器208轉換的數字信號形成為絕對值，以構成全波整流波形(步驟S503)，并且通過峰值保持處理來僅僅按照恒定時間周期(τ)將超過閾值的數據保持為超過閾值的值(步驟S504)。保持時間周期(τ)由輪子的旋轉速度確定，并且使其為比旋轉輪子的數量短一次的值。通過用于將數據形成為絕對值以保持恒定時間周期的峰值保持處理，可以穩定地測量峰值。
此外，作為事件計數處理而對脈沖超過閾值的次數進行計數(步驟S505)，并且確定該計數是否與輪子的旋轉數一致(步驟S506)。當該計數被識別為與輪子的旋轉數一致時，確定存在磨平，并且輸出內部輸出“F”(磨平)(步驟S507)，并且當該計數與輪子的旋轉數不一致時，確定不存在磨平，并且向外部輸出“G”(良好)(步驟S508)。此外，根據本實施例，存在受到鐵軌接合處的影響的情況，因此(輪子旋轉數+1)的計數也被認為與輪子旋轉數一致。
例如，輪子的旋轉速度基本上恒定為185min-1，也就是，每秒大約3次旋轉，并且圖23A示出了在一秒的波形中生成3次激波的行為。根據故障診斷，使得峰值保持時間周期τ為30ms，在激波絕對值超過閾值一次的30ms期間，絕對值被保持為超過閾值的值而與原始數據無關。當自第一次超過閾值的時間點起過去了30ms時，重復相同的處理，并且當數據達到1秒的數量時，從轉換后的波形(閾值保持波形)對超過閾值的次數進行計數。通過使圖23A的波形經受絕對值處理和峰值保持處理而產生圖23B的波形。
此外，根據本實施例，通過使用按照每秒一次而提供的輸出，執行基于例如任何下面條件的簡單統計確定，使得實現具有高可靠性的診斷結果(步驟S509)。
(1)輸出連續3次“F”。
(2)在過去10次的有效數據中，輸出6次或更多次“F”。
在與(1)、(2)相對應的情況下，肯定地確定輪子產生磨平，并且最終輸出“F”作為外部輸出(步驟S510)，在不同于(1)、(2)的其它情況下，輸出“G”作為外部輸出(步驟S511)。
此外，即使當沒有產生磨平時也輸出“F”的情況是由于輪子和鐵軌等之間的摩擦的聲音噪聲的影響、或者通過軸或鐵軌等從產生磨平的輪子傳播到正常輪子的影響的情況。與輪子產生磨平的情況相比，在這種情況下，輸出“F”的頻率更小，因此，可以如同在(1)、(2)中一樣通過多次統計處理來執行準確的確定。
此外，當在步驟S510輸出“F”作為外部輸出時，通過通信網絡203從串行接口213、線驅動器214輸出故障信號，以從警報器等的輸出裝置警報輪子磨平等故障的發生。
因此，根據本實施例的故障診斷裝置和故障診斷方法，在按照N旋轉輪子204的時間周期期間受到低通濾波的每單位時間的振動加速度波形中，其中N從附連到輪子204的軸承箱的振動傳感器201的振動加速度波形和旋轉速度傳感器206的輪子204旋轉速度信號而導出，在當超過預先設置的閾值時、以根據旋轉速度的特定時間周期保持超過閾值的狀態的波形中，對超過閾值的次數進行計數，并且通過識別計數的次數與輪子的旋轉數一致而警報發生輪子磨平的故障發生，因此可以通過相對簡單的電路或軟件準確地指定旋轉部件的故障。
此外，根據本實施例，基于形成絕對值之后的所有全波整流波形而診斷故障，而沒有將磨平的波形轉換為包絡檢測波形，因此操作量小，并且可以簡單地執行診斷。
此外，雖然根據本實施例，將低通濾波器(LPF)207插入在振動傳感器201和模數轉換器208之間，但是，根據在傳感器的內部包括LPF的類型，LPF 207可以簡單地由LC濾波器等構成，另外，當抑制不同于磨平的頻率分量時，也可以在數字處理模塊205的內部提供數字濾波器。在這種情況下，數字濾波器也可以實現為CPU的軟件。
(第十實施例)接下來，將參考圖24和圖25詳細說明根據本發明第十實施例的故障診斷裝置和故障診斷方法。盡管根據第九實施例，模/數轉換處理之后的數字信號受到通過位處理的峰值保持，但是根據本實施例，在模/數轉換處理之前的模擬信號的階段執行峰值保持處理。此外，等同于第九實施例的部分附有相同的標記，并且將省略或簡化其說明。
如圖24的故障診斷模塊的方框圖所示，根據第十實施例的診斷模塊220由將模擬處理的包絡電路215插入在振動傳感器201和ADC 208之間的構造構成。包絡電路215由低通濾波器、作為絕對值電路的全波整流器217、模擬式峰值保持電路218等構成。
因此，根據本實施例，在模/數轉換之前執行步驟S503和步驟S504的絕對值處理和峰值保持處理(步驟S500)，數字處理部分219執行與第九實施例的步驟S501、S502、S505到S511類似的處理，對在恒定時間周期內超過閾值的次數進行計數，并且在根據輪子旋轉速度的值的情況下，通過確定該值構成磨平而輸出警報信號。
根據本實施例，與第九實施例相比，雖然單獨需要模擬電路，但是簡化了數字化之后的處理，并且可以使得包括峰值保持電路的模數轉換器208處的模/數轉換的采樣率變低。
具有直到約1kHz的頻帶的激波形由輪子的磨平構成，因此，在如同在第九實施例中一樣通過經過低通濾波器207而構成的波形的情況下，除非采用約2kHz的采樣率，否則存在降低碰撞加速度的峰值的擔憂，然而，當如同在本實施例中一樣將峰值保持電路218插入到位于模數轉換器208的前級的模擬電路時，甚至通過約200Hz的采樣，也能構成足夠的速度來檢測輪子的磨平。
另外，根據數毫秒到數十毫秒的運輸工具速度范圍，恰當地選擇這種情況下的峰值保持電路218的時間常量(τ)。優選的是，對于通過全波整流電路217的包絡檢測而檢測的波形，也通過將低通濾波器207插入到模數轉換器208的前級來削減噪聲。
此外，根據本實施例，在包絡電路215的前級提供高通濾波器(HPF)216。高通濾波器216被插入，其用于消除DC分量和與其非常近似的低頻分量，并且它可以是簡單的AC耦合電容器。包絡波形的DC分量的波動(ripple)可以由高通濾波器216抑制。
此外，雖然根據由圖25中的虛線標示的波形，存在由于波動的影響而在對超過閾值的次數進行計數時產生錯誤操作的情況，但是可以通過改變閾值高度例如升高VH和降低VL來避免錯誤操作。根據本實施例，如圖25所示，當在升高時越過VH，并且在降低中相繼地越過設為低于VH的VL之后構成一次計數時，甚至如虛線所示的波形也能被準確地計數。自然地，即使當通過硬件執行計數時，這樣的處理也保持相同。
此外，其它構造和操作與第九實施例的類似。
(第十一實施例)接下來，將參考圖26詳細說明根據本發明第十一實施例的故障診斷裝置和故障診斷方法。根據本實施例，進行數字處理以替代根據第十實施例的包絡電路。此外，等同于第十實施例的部分附有相同的標記，并且將省略或簡化其說明。
根據第十一實施例的診斷模塊230，如圖26所示，位于模數轉換器208的后級的數字處理部分231由DSP等的高速處理器構成，由數字高通濾波器(HPF)235消除低頻分量，振幅通過振幅解碼234來解碼，以便由包絡處理電路232的希耳伯特變換濾波器233從實數部分和虛數部分的復數信號計算均方根，以提供包絡波形，此外，由數字LPF 236削減剩余噪聲，由閾值計數器237對次數進行計數，并且由診斷部分238確定輪子磨平的是否存在。
如上所述構造的本實施例的數字處理部分231可以通過利用DSP等高速處理器實時地執行提供包絡波形的軟件，而不妨礙診斷時段。圖27B的波形由生成包絡波形所產生的波形構成，其中通過使由前級的高通濾波器235消除了低頻分量的圖27A所示的輸入波形經受包絡處理232并且由低通濾波器236消除噪聲來生成該包絡波形。類似于第十實施例，以這種方式處理的波形受到通過閾值計數237和診斷部分238而確定輪子磨平等的處理。具體地說，可以知道，通過圖27B所示的波形，在1秒內生成3次激波。
此外，其它構造和操作與第十實施例的類似。
此外，本發明不局限于上述實施例，而是可以在不偏離本發明的要旨的范圍內對其進行恰當的修改。
本發明的機器設備可以包括構成故障診斷對象的旋轉或滑動部件，并且包括鐵路運輸工具的軸承裝置、風力發動機的軸承裝置、機床主軸的軸承裝置等。
此外，旋轉或滑動部件可以是滾動軸承、齒輪、軸、輪子、滾珠螺桿等的旋轉部件，或者是直線導軌、直線滾珠軸承等的滑動部件，并且可以是由于損壞而生成周期性振動的部件。此外，雖然作為用于計算由于旋轉部件損壞的頻率分量的速度信號，使用了旋轉速度信號，但是作為滑動部件的情況下的速度信號，使用移動速度信號。
此外，固定到軸承箱的滾動軸承的外環被包括在作為相對于靜止構件的旋轉或滑動部件的滾動軸承中。
此外，由檢測部分檢測的信號包括聲音、振動、超聲波(AE)、應力、位移、張力等，并且在這些信號中，當在包括旋轉或滑動部件的機器設備中存在缺陷或故障時，該信號包括表示所述缺陷或故障的信號分量。
此外，上述實施例可以通過恰當地組合各個實施例來實施。
示例(測試1)通過如下使用根據本發明第一實施例的故障診斷裝置來兩次診斷滾動軸承的故障。作為示例1和2的滾動軸承，使用外徑為62mm、內徑為30mm、寬度為16mm、并且滾珠數為7的滾珠軸承，振動傳感器固定到軸承箱，并且溫度傳感器附連到軸承外環的外周面。內環以3000min-1旋轉，并且軸承負有徑向負載。
表1和表2示出了示例1中的、與圖3和圖4相對應的各個測量點A、B、C的振動和溫度的測量值、以及在時間上的變化率(相對于前面測量值的放大因數)，表3和表4示出了示例2中的、各個測量點A、B、C的振動和溫度的測量值、以及在時間上的變化率。此外，除了振動和溫度測量值的調整值(設置值)(表1、表3)和變化率(表2、表4)之外，表1到表4還示出了通過使振動波形經受包絡分析而得到的由于軸承損壞(脫落)的頻率分量的是否存在。






在示例1中，如表1所示，振動的測量值在B點、C點都超過調整值，并且在C點，溫度的測量值也超過調整值。此外，在振動中不存在軸承的損壞分量，因此可以知道，在軸承處造成故障發作，并且可以知道，需要緊急更換軸承。此外，根據示例1，也能從表2的變化率進行類似的確定。
此外，在示例2中，如圖3所示，雖然振動的測量值在B點、C點都超過參考值，但是在溫度上沒有識別到變化。此外，在振動中存在軸承的損壞分量，因此可以知道，在軸承處產生脫落故障。此外，根據示例2，也能從圖4的變化率進行類似的確定。
因此，根據該示例，通過組合振動和溫度的測量值或變化率，多次診斷以確定故障的是否存在，因此即使當如同在背景技術中一樣由于突然的噪聲而快速增大測量值時，也不確定故障，并且可以進行具有高于背景技術的可靠性的故障診斷。
(測試2)
這里，為了確認在使用根據本發明第二實施例的故障診斷裝置時診斷結果的可靠性，如下執行測試2。在測試2中，將在外環軌道面處具有缺陷的錐形滾柱軸承(外徑＝245mm，內徑＝130mm，寬度＝170mm)集成到軸承箱的機座，在內環以150min-1旋轉時生成的振動由附連到該機座的壓電型絕緣型加速度傳感器檢測dao，并且放大之后的信號受到頻率分析(包絡分析)以便進行比較。
圖28示出了當軸承的內環處于150min-1時，在通過使用于向軸承傳遞旋轉的驅動電機進入非通電狀態(關斷狀態)而依靠慣性旋轉軸承時，使機座的振動經受頻率分析(包絡分析)的結果的示例。此外，圖29示出了當軸承的內環處于150min-1時，在通過使用于向軸承傳遞旋轉的驅動電機進入通電狀態(導通狀態)而驅動旋轉軸承時，使機座的振動經受頻率分析(包絡分析)的結果的示例。
從圖28和圖29可以知道，在通過讓驅動電機進入非通電狀態(關斷狀態)而依靠慣性旋轉軸承時的振動波形中，顯著存在多個由于外環損壞的頻率分量，而在通過讓驅動電機進入通電狀態(導通狀態)而驅動旋轉軸承時的振動波形中，對驅動電機進行驅動而引起的電磁分量的影響相當大，并且生成了上述顯著的噪聲分量。
因此，可以知道，當旋轉狀態確定部分不操作旋轉驅動裝置時，通過檢測依靠慣性旋轉的范圍內的振動，可以執行具有高SN比的故障診斷，而不受到振動干擾噪聲的影響。
(測試3)接下來，為了確認在使用根據本發明第三實施例的故障診斷裝置時診斷結果的可靠性，如下執行測試3。在測試3中，將在外環軌道面處具有缺陷的錐形滾柱軸承(外徑＝208mm，內徑＝130mm，寬度＝152mm)集成到軸承箱的機座，在內環以50到2000min-1旋轉時生成的振動由附連到該機座的負荷區域的壓電型絕緣型加速度傳感器檢測，并且放大之后的信號受到頻率分析(包絡分析)。
通過在各個旋轉速度處是否存在使用圖5的等式算出的由于外環缺陷的特征頻率分量，可以確定是否檢測到缺陷。
圖30示出了當軸承的內環以50min-1、100min-1、150min-1、300min-1、650min-1、1000min-1、1500min-1、1600min-1旋轉時，使機座的振動經受頻率分析(包絡分析)的結果的示例。
這里，粗線標示基于振動數據的包絡頻譜，并且虛線標示基于圖5所示的軸承的各個設計元素的、由于外環損壞的頻率分量。從該結果可以知道，雖然當內環以50min-1、1600min-1旋轉時，不存在顯著的峰值，但是在100min-1到1500min-1處，在由于外環損壞的頻率分量上存在顯著的峰值，因此外環被損壞。
表5概括了基于各個旋轉速度的分析而確定故障的是否存在的結果。○表示在分析中存在由于外環缺陷的特征頻率分量的情況，并且×標示不存在特征頻率分量的情況。


從上述分析結果可以知道，雖然在旋轉速度為100min-1到1500min-1時的振動波形中，顯著存在多個由于外環損壞的分量，但是在該旋轉速度范圍內不同于這些速度的振動波形中，不存在特征頻率分量。因此，通過檢測錐形滾柱軸承在該旋轉速度范圍內旋轉時的振動，可以以高SN比診斷故障，而不受干擾噪聲等的影響。
(測試4)關于使用根據本發明第四實施例的故障診斷裝置及其方法對旋轉部件的故障診斷，如下示出了具體的示例。
作為示例3，圖31示出了當在外環軌道面處具有缺陷的單行深槽軸承以150min-1旋轉時，在包絡處理之后使機座的振動經受頻率分析的結果。在附圖中，粗線標示基于測量振動數據的包絡頻譜，并且虛線標示參考值。
從圖31的結果可以診斷，在頻譜中存在超過參考值的峰值分量，峰值之間的頻率值與由于外環損壞的頻率分量(64.4Hz)一致，因此軸承的外環被損壞。
作為示例4，圖32示出了當正常單行深槽軸承以1500min-1旋轉時，在包絡處理之后使機座的振動經受頻率分析的結果。結果，可以知道，在頻譜中不存在超過參考值的峰值分量，并且軸承不異常。
作為示例5，圖33示出了當在外環軌道面處具有缺陷的單行深槽軸承實際上以2430min-1旋轉時，在包絡處理之后使機座的振動經受頻率分析的結果。然而，用于計算的旋轉速度數據為2400min-1，其偏離實際旋轉速度，并且點劃線標示基于2400min-1的旋轉速度的由于外環損壞的頻率分量。
如在圖33中所見到的那樣，可以知道，當實際旋轉速度和用于診斷的旋轉速度之間的差值大時，所生成頻率的高頻分量顯著地偏離，從而對診斷準確性產生影響。然而，可以知道，當應用本發明的診斷裝置和方法時，通過使用峰值之間的頻率值，而確定故障的是否存在并且指定異常部分，因此減小與實際旋轉速度偏離的影響，并且進行具有優良準確性的診斷。
(測試5)關于使用根據本發明第五實施例的故障診斷裝置及其方法對旋轉部件的故障診斷，將示出具體的示例。
圖34示出了當在外環軌道面處具有缺陷的單行深槽軸承實際上以2430min-1旋轉時，在包絡處理之后使機座的振動經受頻率分析的結果。然而，用于計算的旋轉速度數據為2400min-1，其偏離實際旋轉速度。在附圖中，粗線示出基于測量振動數據的包絡頻譜，并且虛線示出參考值。此外，各個網狀范圍表示基于2400min-1的旋轉速度、由于外環損壞引起的頻率分量及其高頻波，并且比較和檢查的容許寬度與頻帶相對應地增加。結果，超過參考值的峰值與具有可變容許寬度的、由于外環損壞的頻率分量一致，因此可以診斷軸承的外環被損壞。
另一方面，圖35示出了在與圖34的情況相同的條件下，固定比較和檢查的容許寬度(1Hz)的情況。結果，超過參考值的峰值與由于外環損壞的頻率分量不一致，因此存在確定不存在故障的擔憂。也就是，可以知道，當實際旋轉速度和用于診斷的旋轉速度之間的差值大時，所生成頻率的高頻分量顯著地偏離，從而對診斷的準確性產生影響。
從該結果可以知道，通過基于第五實施例而執行故障診斷，可以以優良的準確性確定旋轉部件的故障是否存在并且指定異常部分。
(測試6)接下來，關于使用根據本發明第六實施例的故障診斷裝置及其方法對旋轉部件的故障診斷，將示出具體的示例。
作為旋轉部件，準備了三種錐形滾柱軸承(A、B、C)，其雖然內外徑尺寸相同(軸承外徑220mm、軸承內徑120mm、軸承寬度150mm)，但卻具有不同的內部部分的各個設計元素，并且缺陷附于這些軸承的各自外環軌道面，并且將各個軸承集成到機座。此外，在內環以200min-1旋轉時生成的振動由附連到機座的壓電型絕緣型加速度傳感器檢測到，并且放大之后的信號受到頻率分析(包絡分析)，以便基于根據第六實施例的處理流程而比較。
圖36示出了當旋轉三種軸承時，在包絡處理之后使機座的振動經受頻率分析的結果。這里，粗線標示基于測量振動數據的包絡頻譜，并且虛線標示參考值。
此外，各個網狀范圍示出了基于200min-1的旋轉速度以及3種軸承(A、B、C)的內部部分的各個元素、由于外環損壞的頻率分量的下限頻率和上限頻率的中心頻率的容許寬度，并且比較和檢查的容許寬度與頻帶相對應地增加。
根據該測試，從圖5計算基于軸承的各個元素、由于外環損壞的頻率分量，計算下限頻率和上限頻率之間的中心頻率fCL1，此外，為中心頻率fCL1提供容許寬度Δf。此外，與頻帶相對應地，將容許寬度Δf設為2Hz。
從該結果可以診斷，在任何軸承中都存在多個超過參考值的峰值，不過其頻率不同，此外，峰值被包括在由網狀范圍表示的、由于外環損壞的頻率內，因此，可以診斷，在這些具有不同各個元素的軸承內的任一個中，外環被損壞。
另一方面，圖37示出了將第六實施例的故障診斷應用于沒有損壞的正常軸承的情況。此外，軸承的各個元素與軸承A的類似。
從圖37所示的結果可以診斷，在正常軸承中，由于超過參考值的顯著峰值沒有包括在由網狀范圍表示的、由于外環損壞的頻率內，因此外環未被損壞。
(測試7)接下來，雖然內部部分的各個設計元素相同，但是當旋轉速度輕微變化時，通過使用第六實施例的處理流程來執行測試。
圖38示出了當對錐形滾柱軸承的外環軌道面產生缺陷、由附連到機座的壓電型絕緣型加速度傳感器檢測在內環以200min-1和170min-1旋轉時生成的振動、并且使放大之后的信號經受頻率分析(包絡分析)以便比較的結果。此外，在圖38中，各個網狀范圍示出關于基于軸承的內部部分的各個元素的、由于外環損壞的頻率分量的中心頻率的容許寬度，以及其高頻波寬度，并且與頻帶相對應地增大比較和檢查的容許寬度。此外，網狀范圍取決于改變旋轉速度的寬度，并且被設置成當旋轉承載寬度大時，網狀范圍擴大。
雖然在該狀態下可以通過包括在網狀范圍內的分量的是否存在來執行故障診斷，但是當網狀范圍擴大時，包括了大量不同于軸承損壞分量的頻率分量，因此，存在惡化診斷準確性的可能性。因此，根據該測試，將對應網狀范圍分成兩個區域(A，B)，計算與區域寬度相對應的中心頻率(fCLA，fCLB)，此外，提供關于其中心頻率的容許寬度Δf。
具體地說，根據該測試，基于改變170到200min-1的旋轉速度的寬度，計算下限和上限頻率以及中心頻率，將容許寬度Δf設為2Hz，并且與頻帶相對應地將容許寬度設成較大。
結果，在200min-1的旋轉速度的情況下，在區域A中不存在由于損壞的峰值，然而，在區域B中存在峰值，因此，可以將該峰值確定為外環損壞。另一方面，在170min-1的旋轉速度的情況下，在區域A中存在由于損壞的峰值，因此，雖然在區域B中不存在峰值，但是可以確定外環被損壞。
(測試8)接下來，關于使用根據本發明第七實施例的故障診斷裝置及其方法對旋轉部件的故障診斷，將示出具體的示例。
圖39示出了在以200min-1旋轉在外環軌道面處具有缺陷的錐形滾柱軸承時包含噪聲的情況下，在包絡處理之后使機座的振動經受頻率分析的結果。在附圖中，粗線標示基于測量振動結果的包絡頻譜，虛線標示參考值(這里為有效值+6dB)，并且點劃線標示基于200min-1的旋轉速度的、由于外環損壞的頻率分量(f1到f5)。此外，網狀范圍示出用于計算參考值的頻率范圍，這里為f1-3Hz到f5+3Hz。從該結果可以確定，由于超過參考值的峰值與由于外環損壞的頻率分量一致，因此軸承的外環被損壞。
另一方面，圖40示出了用于計算參考值的頻率范圍由在與圖39的情況相同的條件下提供的頻率分析的結果的總區域構成的情況。在圖40中，由于外環損壞的頻率分量不超過參考值，因此存在確定不存在故障的擔憂。因此，從圖39和圖40可以確認，通過從有限范圍的測量頻譜數據計算用于比較和檢查的參考值，難以產生噪聲的影響，并且可以進行具有優良準確性的診斷。
雖然參考具體實施例詳細說明了本發明，但是本領域的技術人員應當清楚，可以以各種方式改變或修改本發明，而不偏離本發明的精神和范圍。
本申請基于2004年9月13日提交的日本專利申請(日本專利申請No.2004-265009)，2004年9月13日提交的日本專利申請(日本專利申請No.2004-265219)，2005年1月11日提交的日本專利申請(日本專利申請No.2005-004128)，2005年1月26日提交的日本專利申請(日本專利申請No.2005-018338)，2005年1月26日提交的日本專利申請(日本專利申請No.2005-018339)，2005年1月26日提交的日本專利申請(日本專利申請No.2005-018340)，2005年6月8日提交的日本專利申請(日本專利申請No.2005-168204)，2005年6月16日提交的日本專利申請(日本專利申請No.2005-176505)，2005年6月16日提交的日本專利申請(日本專利申請No.2005-176507)，在此將其內容引作參考。
工業應用性可以在實際操作狀態中診斷用于諸如鐵路運輸工具的軸或齒輪箱或者風力發電機的減速齒輪的機器設備的旋轉或滑動部件的故障，同時確保診斷的準確性，而無需拆解機器設備。
權利要求
1.一種故障診斷裝置，用于包括相對于靜止構件的旋轉或滑動部件的機器設備，該故障診斷裝置包括檢測部分，固定到所述旋轉或滑動部件或者靜止構件，并且包括振動傳感器、聲音傳感器、超聲波傳感器和AE傳感器中的至少一個振動系統傳感器；以及溫度傳感器；以及信號處理部分，用于從由檢測部分輸出的檢測信號確定該部件的狀態；其中該信號處理部分基于振動系統傳感器的測量結果和溫度傳感器的測量結果的組合，確定該部件的故障的是否存在、或者該故障的是否存在以及損壞程度。
2.根據權利要求1的故障診斷裝置，其中計算振動系統傳感器和溫度傳感器的測量值或者測量值在時間上的變化率至少一次；其中該信號處理部分包括故障確定部分，用于通過將測量值或者變化率與預定值進行比較，而確定故障的是否存在、或者故障的是否存在以及損壞程度。
3.一種故障診斷裝置，用于包括相對于靜止構件的旋轉或滑動部件的機器設備，該故障診斷裝置包括驅動裝置，用于驅動所述旋轉或滑動部件；檢測部分，固定到該部件或靜止構件，并且包括振動傳感器、聲音傳感器、超聲波傳感器和AE傳感器中的至少一個振動系統傳感器；以及溫度傳感器當中的至少一個；以及信號處理部分，用于從由檢測部分輸出的檢測信號確定該部件的狀態；其中在該部件在預定速度范圍內依靠慣性運動而不向驅動裝置通電時，信號處理部分基于檢測部分的振動或溫度檢測信號，而診斷該部件的故障。
4.一種故障診斷裝置，用于包括相對于靜止構件的旋轉部件的機器設備，該故障診斷裝置包括驅動裝置，用于驅動以旋轉該部件；檢測部分，固定到該部件或靜止構件，并且包括以下中的至少一個振動傳感器、聲音傳感器、超聲波傳感器和AE傳感器中的至少一個振動系統傳感器；和溫度傳感器；以及信號處理部分，用于從由檢測部分輸出的檢測信號確定該部件的狀態；其中當該部件在100min-1或更快和1500min-1或更慢的旋轉速度范圍內旋轉時，該信號處理部分基于檢測部分的振動或溫度檢測信號，診斷該部件的故障。
5.根據權利要求4的故障診斷裝置，其中當該部件在該旋轉速度范圍內依靠慣性旋轉而不向驅動裝置通電時，該信號處理部分基于檢測部分的振動或溫度檢測信號，診斷該部件的故障。
6.根據權利要求3或5的故障診斷裝置，其中通過重復通電和不通電來使用驅動裝置，并且在不向驅動裝置通電的情況下，該部件可依靠慣性運動。
7.根據權利要求3、5和6中的任一項的故障診斷裝置，其中基于驅動裝置的關斷信號，而檢測在不向驅動裝置通電的情況下依靠慣性使該部件運動的狀態。
8.根據權利要求3到7中的任一項的故障診斷裝置，還包括旋轉速度傳感器，用于檢測驅動裝置的旋轉速度，其中與旋轉速度傳感器的旋轉速度檢測信號和檢測部分的振動或溫度檢測信號協同地診斷該部件的故障。
9.根據權利要求1到8中的任一項的故障診斷裝置，其中該信號處理部分包括比較和檢查部分，用于將基于旋轉速度信號而算出的由于部件損壞的頻率分量與基于由振動系統傳感器檢測的信號的測量數據的頻率分量進行比較；以及故障確定部分，用于確定該部件的故障的是否存在并且指定受損部分。
10.根據權利要求9的故障診斷裝置，其中該信號處理部分包括濾波處理部分，用于從由振動系統傳感器檢測的信號波形中去除不必要的頻帶；包絡處理部分，用于檢測在受到濾波處理之后從濾波處理部分傳送的波形的絕對值；以及頻率分析部分，用于分析從包絡處理部分傳送的波形的頻率。
11.一種故障診斷裝置，用于包括至少一個旋轉或滑動部件的機器設備，該故障診斷裝置包括至少一個檢測部分，用于作為電信號輸出從機器設備生成的信號；以及信號處理部分，用于分析電信號的波形的頻率；提取大于參考值的頻譜峰值，其中該參考值是基于通過分析頻率所提供的頻譜而計算的；比較和檢查峰值之間的頻率與基于旋轉速度信號或運動速度信號而算出的由于部件損壞的頻率分量；以及基于檢查結果而確定該部件的故障的是否存在以及異常部分。
12.根據權利要求11的故障診斷裝置，其中信號處理部分使檢測信號經受放大處理和濾波處理中的至少一個，并且信號處理部分使這樣處理過的波形經受包絡處理。
13.一種故障診斷裝置，用于包括至少一個旋轉或滑動部件的機器設備，該故障診斷裝置包括至少一個檢測部分，用于作為電信號輸出從機器設備生成的信號；以及信號處理部分，用于基于每單位時間的電信號的波形超過閾值的激波頻率、以及旋轉速度信號或運動速度信號，而確定該部件的故障的是否存在及其異常部分。
14.根據權利要求13的故障診斷裝置，其中信號處理部分使電信號波形經受濾波處理，并且將該波形轉換成全時整流波形，每當該波形超過閾值時，信號處理部分根據旋轉速度信號產生以下波形，該波形被轉換成在預定的時間段內使該波形保持為超過閾值的值，并且處理部分根據每預定旋轉數中該波形超過閾值的次數，通知在該部件內產生故障的可能性。
15.根據權利要求14的故障診斷裝置，其中信號處理部分通過多次統計確定，根據每預定旋轉數中被轉換以保持閾值的波形超過閾值的次數，確定在該部件內產生故障的可能性的真或假。
16.根據權利要求11到15中的任一項的故障診斷裝置，其中當該部件的旋轉速度基本上恒定時，執行該信號處理部分。
17.一種故障診斷裝置，用于包括至少一個旋轉或滑動部件的機器設備，該故障診斷裝置包括至少一個檢測部分，用于作為電信號輸出從機器設備生成的信號；以及信號處理部分，用于分析電信號的波形的頻率；以可變容許寬度比較和檢查通過分析頻率而提供的測量頻譜數據的頻率分量與由于該部件的頻率分量；以及基于檢查結果而確定該部件的故障的是否存在及其異常部分。
18.一種故障診斷裝置，用于包括旋轉部件的機器設備，該故障診斷裝置包括至少一個檢測部分，用于作為電信號輸出從機器設備生成的信號；以及信號處理部分，用于分析電信號的波形的頻率；以容許寬度比較和檢查通過分析頻率而提供的測量頻譜數據的頻率分量與由于旋轉部件的頻率分量；以及基于檢查結果而確定旋轉部件的故障的是否存在及其異常部分；其中將具有都是從旋轉部件的旋轉速度和旋轉部件的尺寸規格算出的上限和下限的范圍分成至少一個范圍，計算所劃分范圍內的中心值，并且將該容許寬度至少設置為相對于中心值而給出的具有任意大小的范圍，并且其中信號處理部分至少以每個容許寬度比較和檢查測量頻譜數據的頻率分量與由于旋轉部件的頻率分量。
19.根據權利要求18的故障診斷裝置，其中對于旋轉部件包括具有相互不同的尺寸規格的多個旋轉部件的情況、和旋轉部件的旋轉速度變化的情況中的至少一個，給出容許寬度。
20.根據權利要求17到19中的任一項的故障診斷裝置，其中當頻率分量變成高頻率分量時，增大容許寬度。
21.根據權利要求17到20中的任一項的故障診斷裝置，其中根據頻率分量的頻帶來增大或減小容許寬度。
22.根據權利要求17或18的故障診斷裝置，其中根據旋轉速度來增大或減小容許寬度。
23.一種故障診斷裝置，用于具有至少一個旋轉或滑動部件的機器設備，該故障診斷裝置包括至少一個檢測部分，用于作為電信號輸出從機器設備生成的信號；以及信號處理部分，用于分析電信號的波形的頻率；比較和檢查通過分析頻率而提供的測量頻譜數據的頻率分量與由于該部件的頻率分量；以及基于檢查結果而確定該部件的故障的是否存在及其異常部分；其中基于測量頻譜數據的受限頻率范圍而計算用于比較和檢查的參考值。
24.一種故障診斷裝置，用于包括至少一個旋轉或滑動部件的機器設備，該故障診斷裝置包括至少一個檢測部分，用于作為電信號輸出從機器設備生成的信號；信號處理部分，用于分析電信號的波形的頻率；比較和檢查通過分析頻率而提供的測量頻譜數據的頻率分量與由于該部件的頻率分量；以及基于檢查結果而確定該部件的故障的是否存在及其異常部分；存儲部分，用于存儲由信號處理部分診斷的診斷結果；輸出部分，用于以預定樣式輸出該診斷結果；以及報告形成部分，用于基于至少一個程序而根據由輸出部分輸出的輸出結果形成報告。
25.根據權利要求11到24中的任一項的故障診斷裝置，其中該檢測部分包括集成型傳感器，其中除了用于檢測從機器設備生成的振動的傳感器之外，還將用于檢測機器設備的溫度的溫度傳感器和用于檢測旋轉部件的旋轉速度的旋轉速度傳感器中的至少一個容納在單個柜體內。
26.根據權利要求25的故障診斷裝置，其中該機器設備包括構成旋轉部件的軸承和用于固定該軸承的軸承箱；其中集成型傳感器固定到該軸承箱的平坦部分。
27.根據權利要求1到26中的任一項的故障診斷裝置，還包括數據傳送單元，其傳送信號處理部分的確定結果。
28.根據權利要求1到27中的任一項的故障診斷裝置，還包括微型計算機，其執行信號處理部分的處理、以及將確定結果輸出到控制系統的處理。
29.根據權利要求1到28中的任一項的故障診斷裝置，其中該機器設備是鐵路運輸工具的軸承裝置。
30.根據權利要求1到28中的任一項的故障診斷裝置，其中該機器設備是風力發動機的軸承裝置。
31.根據權利要求1到28中的任一項的故障診斷裝置，其中該機器設備是機床主軸的軸承裝置。
32.一種故障診斷方法，用于包括至少一個旋轉或滑動部件的機器設備，該故障診斷方法包括以下步驟檢測從機器設備生成的信號，并且作為電信號輸出該信號；分析檢測信號的波形的頻率；提取大于參考值的頻譜峰值，其中該參考值是基于通過分析步驟提供的頻譜而計算的，并且比較和檢查峰值之間的頻率與基于旋轉速度信號或運動速度信號而算出的由于部件損壞的頻率分量的步驟；以及基于比較步驟的檢查結果而確定該部件的故障的是否存在及其異常部分。
33.一種故障診斷方法，用于包括至少一個旋轉或滑動部件的機器設備，該故障診斷方法包括以下步驟檢測從機器設備生成的信號，并且作為電信號輸出該信號；以及基于每單位時間周期的電信號波形超過閾值的激波頻率、以及旋轉速度信號或運動速度信號，而確定該部件的故障的是否存在。
34.一種故障診斷方法，用于包括至少一個旋轉或滑動部件的機器設備，該故障診斷方法包括以下步驟檢測從機器設備生成的信號，并且作為電信號輸出該信號；分析檢測信號的波形的頻率；以可變容許寬度比較和檢查在分析步驟提供的測量頻譜數據的頻率分量與由于該部件的頻率分量；以及基于比較步驟的檢查結果而確定該部件的故障的是否存在及其異常部分。
35.一種故障診斷方法，用于包括旋轉部件的機器設備，該故障診斷方法包括以下步驟檢測從機器設備生成的信號，并且作為電信號輸出該信號；分析檢測信號的波形的頻率；設置至少一個容許寬度，使得將具有都是根據旋轉部件的旋轉速度和旋轉部件的尺寸規格算出的上限和下限的范圍分成至少一個范圍，計算所劃分范圍內的中心值，并且將容許寬度至少設置為相對于中心值而給出的具有任意大小的范圍；以至少一個容許寬度中的每一個比較和檢查通過分析頻率而提供的測量頻譜數據的頻率分量與由于旋轉部件的頻率分量；以及基于比較步驟的檢查結果而確定旋轉部件的故障的是否存在及其異常部分。
36.一種故障診斷方法，用于包括至少一個旋轉或滑動部件的機器設備，該故障診斷方法包括以下步驟檢測從機器設備生成的信號，并且作為電信號輸出該信號；分析檢測信號的波形的頻率；比較和檢查在分析步驟提供的測量頻譜數據的頻率分量與由于該部件的頻率分量；以及基于比較步驟的檢查結果而確定該部件的故障的是否存在及其異常部分；其中基于測量頻譜數據的受限頻率范圍而計算用于比較和檢查的參考值。
37.一種故障診斷方法，用于包括至少一個旋轉或滑動部件的機器設備，該故障診斷方法包括以下步驟檢測從機器設備生成的信號，并且作為電信號輸出該信號；分析檢測信號的波形的頻率；比較和檢查在分析步驟提供的測量頻譜數據的頻率分量與由于該部件的頻率分量；基于比較步驟的檢查結果而確定該部件的故障的是否存在及其異常部分；存儲至少通過分析、比較和確定步驟之一提供的診斷結果；以預定樣式輸出診斷結果；以及基于至少一個程序而根據通過輸出步驟輸出的輸出結果形成報告。
全文摘要
一種異常診斷裝置，用于具有相對于靜止構件旋轉和滑動的部件的機器設備，該異常診斷裝置具有檢測部分(31)和信號處理部分(81)。檢測部分(31)固定到所述旋轉或滑動部件或者靜止構件，并且具有振動傳感器(32)和溫度傳感器(33)。信號處理部分(81)基于由檢測部分(31)檢測和輸出的信號而確定部件狀態。信號處理部分(81)確定在該部件中是否存在異常、或者在該部件中是否存在異常以及該部件的損壞程度。
文檔編號G01M99/00GK1906473SQ20058000183
公開日2007年1月31日 申請日期2005年9月13日 優先權日2004年9月13日
發明者宮坂孝范, 武藤泰之, 佐原淳太郎 申請人:日本精工株式會社