旋转机的异常诊断装置、旋转机的异常诊断方法以及旋转机与流程

本发明涉及一种诊断具备第一旋转体和与第一旋转体之间隔开规定的间隙而配置的第二旋转体的旋转机所发生的异常的技术。

背景技术：

现有技术中已提出有诊断旋转机(例如压缩机、马达、发电机)的异常的各种技术。例如，提出有具有如下特征的压缩机的诊断方法，即：在检测压缩机的转子旋转时因公转子和母转子的接触而发生的AE波和此时的转子的旋转信号，并基于该检测出的AE信号和旋转信号进行转子接触的诊断的压缩机的诊断方法中，对所述AE信号进行增幅及检波，对该输出进行频率解析及加算平均处理，并基于所述旋转信号将其结果与判定基准进行比较，来进行转子接触的有无等诊断(例如，参照专利文献1)。

此外，提出有具有如下特征的异常接触检测方法，即：在检测第一转子及第二转子成对而旋转的旋转机械的异常接触状态的异常接触检测方法中，对从所述旋转机械放出的弹性波信号进行检波，在所述检波的弹性波信号中包含规定程度以上的所述第一转子的旋转频率成分及所述第二转子的旋转频率成分的至少其中之一的情况下，判定转子相互间发生接触，在所述检波信号中包含规定程度以上的所述第一转子的叶片的个数乘以转子的旋转频率的频率成分及所述第二转子的叶片的个数乘以转子的旋转频率的频率成分的情况下，判定转子与壳体间发生接触，在从所述旋转机械放出的弹性波信号的波形级别大于规定级别但不能判定所述的转子互相接触及转子壳体间接触的情况下，判定密封件与转子之间发生接触(例如，参照专利文献2)。

而且，提出有检测旋转机的振动并进行连续小波变换，将该变换信号加算到频率轴向，根据该加算结果辨别是否异常的异常诊断装置(例如，参照专利文献3)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利公开公报特开平5-231361号

专利文献2：日本专利公开公报特开平9-133577号

专利文献3：日本专利公开公报特开2001-74616号

技术实现要素：

在具备第一旋转体、与第一旋转体隔开规定的间隙而被配置的第二旋转体、以及收容第一旋转体和第二旋转体的壳体的旋转机中，旋转机中发生的异常有第一旋转体与第二旋转体的接触以及这些旋转体与壳体的接触。前者由于直接导致旋转机的故障，因此，要求能够准确地判定第一旋转体与第二旋转体是否接触的技术。

本发明的目的在于提供一种能够准确地判定第一旋转体与第二旋转体是否接触的技术。

本发明一方面所涉及的旋转机的异常诊断装置，用于诊断旋转机的异常，其中，所述旋转机包含具有多个凸部的第一旋转体和具有与所述多个凸部的个数不同的个数的多个凹部的第二旋转体，其中，所述第二旋转体与所述第一旋转体隔开规定的间隙而配置，所述第一旋转体与所述第二旋转体通过旋转，所述多个凸部及所述多个凹部之中对应的凸部与凹部依次啮合，所述旋转机的异常诊断装置包括：传感器，检测从所述旋转机产生的弹性波，并输出表示所述弹性波的强度与时间之间的关系的信号；解析部，对从所述传感器输出的所述信号进行时频解析；提取部，从所述解析部进行所述时频解析而获得的数据即第一数据中提取表示规定的频率成分的强度与时间之间的关系的数据即第二数据；以及判定部，设所述第一旋转体的旋转周期为T1、所述第二旋转体的旋转周期为T2、所述多个凸部的个数与所述多个凹部的个数的比率为a:b，在所述第二数据中包含T1×b＝T2×a表示的周期的强度变动的情况下，判定所述第一旋转体与所述第二旋转体有接触。

根据本发明，能够准确地判定第一旋转体与第二旋转体是否接触。

附图说明

图1是表示旋转机的一例的示意图。

图2是表示本实施方式所涉及的旋转机的异常诊断装置的结构的框图。

图3是说明本实施方式所涉及的旋转机的异常诊断装置的动作的流程图的前半部分。

图4是说明本实施方式所涉及的旋转机的异常诊断装置的动作的流程图的后半部分。

图5是表示对从传感器输出的信号进行时频解析而获得的数据(第一数据)的一例的坐标图。

图6是示出表示由提取部提取的数据(第二数据)的函数的第一例的坐标图。

图7是示出表示由提取部提取的数据(第二数据)的函数的第二例的坐标图。

图8是表示图6的坐标图所示的函数的自相关函数的坐标图。

图9是表示图7的坐标图所示的函数的自相关函数的坐标图。

具体实施方式

下面，基于附图详细说明本发明的一实施方式。图1是表示旋转机1的一例的示意图。旋转机1包括第一旋转体2、与第一旋转体2隔开规定的间隙G而被配置的第二旋转体3、以及收容第一旋转体2及第二旋转体3的壳体4。

第一旋转体2包括旋转轴5，以旋转轴5为中心沿箭头A方向(例如，逆时针方向)被旋转驱动。第二旋转体3包括旋转轴6，以旋转轴6为中心沿与箭头A方向相反的箭头B方向(例如，顺时针方向)被旋转驱动。

在第一旋转体2的周面形成有多个凸部(未图示)。在第二旋转体3的周面形成有不同于多个凸部的个数的多个凹部(未图示)。下面，多个凸部是指形成在第一旋转体2的周面的多个凸部，凸部是指该多个凸部中的任一个。多个凹部是指形成在第二旋转体3的周面的多个凹部，凹部是指该多个凹部中的任一个。

通过第一旋转体2沿箭头A方向旋转且第二旋转体3沿箭头B方向旋转，从而多个凸部及多个凹部中，对应的凸部与凹部依次啮合。即，通过第一旋转体2沿箭头A方向旋转且第二旋转体3沿箭头B方向旋转，从而某一凸部与某一凹部啮合，通过进一步旋转，它们的啮合消除，下一凸部与下一凹部啮合，通过进一步旋转，它们的啮合消除，下下一个凸部与下下一个凹部啮合。反复此种啮合。

凸部与凹部啮合是指凸部进入凹部中，但在正常状态下凸部与凹部不接触，具有间隙G。凸部与凹部的接触意味着第一旋转体2与第二旋转体3接触。

在壳体4的外壁安装有传感器11。传感器11检测从旋转机1产生的弹性波，并输出表示弹性波的强度与时间之间的关系的信号S。弹性波例如指振动波或超声波。

图2是表示本实施方式所涉及的旋转机的异常诊断装置10的结构的框图。旋转机的异常诊断装置10包括传感器11及计算机12。

本实施方式所涉及的旋转机的异常诊断装置10能够分辨并检测出(1)第一旋转体2与第二旋转体3的接触、(2)第一旋转体2与壳体4的接触、以及(3)第二旋转体3与壳体4的接触。

具体说明(1)，是指当第一旋转体2及第二旋转体3旋转时，每当多个凸部的某一凸部与多个凹部的某一凹部啮合，这些啮合的凸部和凹部接触。具体说明(2)，是指当第一旋转体2及第二旋转体3旋转时，多个凸部依次接触于壳体4的内壁的某一部位，或者当第一旋转体2及第二旋转体3旋转时，多个凸部的某一凸部接触于壳体4的内壁的某个部位。具体说明(3)，是指当第一旋转体2及第二旋转体3旋转时，规定多个凹部的各个入口的部分依次接触于壳体4的内壁的某一部位，或者当第一旋转体2及第二旋转体3旋转时，规定多个凹部的某个凹部的入口的部分接触于壳体4的内壁的某一部位。

传感器11能够检测出因所述(1)～(3)的接触而产生的弹性波即可。将基于接触而产生的超声波作为弹性波而检测出的情况下，使用AE(Acoustic Emission)传感器。将基于接触而产生的振动作为弹性波而检测出的情况下，使用振动传感器。在本实施方式中，以AE传感器为例说明传感器11。

计算机12包括显示部13及控制部14。显示部13是如液晶面板那样的显示器。控制部14包括CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、以及RAM(Random Access Memory)。在ROM中存储有用于执行旋转机的异常诊断的各种程序以及软件。

控制部14包括解析部15、提取部16及判定部17来作为功能块。关于这些功能块将在后面说明。

说明本实施方式所涉及的旋转机的异常诊断装置10的动作。图3及图4是说明其动作的流程图。设第一旋转体2的旋转周期为T1、第二旋转体3的旋转周期为T2、多个凸部的个数与多个凹部的个数的比率为a:b。

第一旋转体2及第二旋转体3旋转的状态下，从传感器11输出的信号S连续地被发送到计算机12，控制部14连续地取得信号S(步骤S1)。

关于第一旋转体2与第二旋转体3的接触、第一旋转体2与壳体4的接触以及第二旋转体3与壳体4的接触，均在接触时信号S的强度首先在较宽的频带发生变动。利用该现象，将信号S的时间性的强度变动在多个频带同时发生的时刻设为接触的时刻。即，将表示信号S的函数A(t)以时间微分的值大于预先规定的阈值φ的时间设为接触的时刻。

控制部14判定是否有将表示在步骤S1取得的信号S的函数A(t)以时间微分的值大于预先规定的阈值φ的时间(步骤S2)。另外，确定接触的时刻是为了减少后面说明的时频解析的计算量。因此，确定接触的时刻并不是用于判定所述(1)～(3)的接触的必需的处理。

当控制部14判断没有将函数A(t)以时间微分的值大于阈值φ的时间时(在步骤S2为否)，判定部17判定未发生接触(步骤S3)。

当控制部14判断有将函数A(t)以时间微分的值大于阈值φ的时间时(在步骤S2为是)，解析部15对于在该时间前后(主要在该时间后)从传感器11输出的信号S进行时频解析(步骤S4)。时频解析是指使用短时傅里叶变换(short-time Fourier transform)或小波变换(wavelet transform)来将从传感器11输出信号S变换为表示时间与频率之间的关系的信息的处理。

图5是表示对于从传感器11输出的信号S进行时频解析而获得的数据(第一数据)的一例的坐标图。横轴表示时间，纵轴表示频率。在图5中，白色表示频率成分的强度大，灰色表示频率成分的强度小。可知低频率成分的强度变高。这意味着在低频率成分中较多地含有因旋转机1的固有的振动等而产生的噪声。

在时频解析中，解析的时间间隔被设定为能够将时间充分分解为第一旋转体2的旋转周期T1、第二旋转体3的旋转周期T2、以及旋转周期T1×b表示的周期(换言之，旋转周期T2×a表示的周期)的程度的值。

另外，当包含在信号S的噪声以及信号S的不均较大的情况下，也可在控制部14设置降噪处理部，对信号S进行降噪处理(noise reduction processing)后，解析部15进行时频解析。作为降噪处理有移动平均处理以及包络处理(envelope processing)。

提取部16利用解析部15进行的时频解析的结果，提取作为表示规定的频率成分的强度与时间之间的关系的数据的第二数据(步骤S5)。即，提取部16从所述第一数据提取第二数据。如上所述，低频率成分中较多地包含噪声，因此，优选将不怎么包含噪声的频率成分(例如150kHz以上)作为规定的频率成分而选择。在本实施方式中，选择200kHz的频率成分。因此，提取部16在图5中提取200kHz的频率成分的数据。

图6是示出表示提取部16提取的第二数据的函数的第一例的坐标图。图7是示出表示提取部16提取的第二数据的函数的第二例的坐标图。横轴表示时间，纵轴表示200kHz的频率成分的强度。

如后说明，图6表示第一旋转体2与壳体4的接触或第二旋转体3与壳体4的接触，图7表示第一旋转体2与第二旋转体3的接触。

判定部17为了明确表示第二数据的函数的周期性，计算出该函数的自相关函数(步骤S6)。图8是示出表示图6的坐标图的函数的自相关函数的坐标图。图9是示出表示图7的坐标图的函数的自相关函数的坐标图。在图8及图9中，横轴表示时间，纵轴表示相关系数。另外，也能使用互相关函数或傅里叶变换来明确所述数据的周期性。

判定部17对于在步骤S6计算出的自相关函数提取相关系数的值大于规定的阈值(例如0.9)的极大点(步骤S7)。阈值并不限定于0.9，根据作为异常诊断的对象的旋转机1而设定最适合的值。

判定部17判定在步骤S6计算出的自相关函数是否包含第一旋转体2的旋转周期T1表示的强度变动(步骤S8)。该判定利用在步骤S7提取的极大点。判定部17当判定例如图8所示地在每旋转周期T1发生相同数的极大点时，判定在步骤S6计算出的自相关函数包含旋转周期T1表示的强度变动(在步骤S8为是)。这意味着第一旋转体2与壳体4接触。因此，控制部14利用显示部13通知第一旋转体2与壳体4的接触(步骤S9)。

接着，判定部17当判定在步骤S6计算出的自相关函数不包含旋转周期T1表示的强度变动时(在步骤S8为否)，判定在步骤S6计算出的自相关函数是否包含第二旋转体3的旋转周期T2表示的强度变动(步骤S10)。该判定利用在步骤S7提取的极大点。判定部17当判定例如图8所示地在每旋转周期T2发生相同数的极大点时，判定在步骤S6计算出的自相关函数包含旋转周期T2表示的强度变动(在步骤S10为是)。这意味着第二旋转体3与壳体4接触。因此，控制部14利用显示部13通知第二旋转体3与壳体4的接触(步骤S11)。

判定部17当判定在步骤S6计算出的自相关函数不包含旋转周期T2表示的强度变动时(在步骤S10为否)，判定在步骤S6计算出的自相关函数是否包含T1×b＝T2×a表示的周期的强度变动(步骤S12)。该判定利用在步骤S7提取的极大点。多个凸部与多个凹部的比率a:b例如设为1:2，且设旋转周期T1为20msec、旋转周期T2为40msec。判定部17当判定例如图9所示在每40msec(＝20msec×2)发生极大点时，判定在步骤S6计算出的自相关函数包含T1×b＝T2×a表示的周期的强度变动(在步骤S12为是)。这意味着第一旋转体2与第二旋转体3接触。因此，控制部14利用显示部13通知第一旋转体2与第二旋转体3的接触(步骤S13)。

判定部17当判定在步骤S6计算出的自相关函数不包含T1×b＝T2×a表示的周期的强度变动时(在步骤S12为否)，判定发生了除第一旋转体2与壳体4的接触、第二旋转体3与壳体4的接触及第一旋转体2与第二旋转体3的接触以外的现象。因此，控制部14利用显示部13通知该情况(步骤S14)。

另外，说明了在步骤S5提取的第二数据为一个的情况，但也可为多个。此时，判定部17使用多个第二数据的每一个判定第一旋转体2与壳体4的接触、第二旋转体3与壳体4的接触及第一旋转体2与第二旋转体3的接触。当在步骤S5提取的第二数据为一个时，如果该数据中包含噪声，则无法准确地判定所述接触。通过使用多个第二数据的每一个来判定接触，从而能够更准确地判定接触。

如果表示第二数据的函数的周期性明确，也可省略步骤S6。此时，对于表示第二数据的函数进行步骤S7以后的处理。因此，判定部17在表示第二数据的函数包含T1表示的周期的强度变动时判定第一旋转体2与壳体4接触，在包含T2表示的周期的强度变动时判定第二旋转体3与壳体4接触，在包含T1×b＝T2×a表示的周期的强度变动时判定第一旋转体2与第二旋转体3接触。

说明本实施方式的主要的效果。考虑对从传感器11输出的信号S进行快速傅里叶变换，从通过该变换而获得的数据中提取表示规定的频率成分的强度的数据，并利用该提取的数据判定第一旋转体2与第二旋转体3的接触的情况。第一旋转体2与第二旋转体3的接触在第一旋转体2及第二旋转体3旋转时，并不是每当凸部与凹部啮合时这些啮合的凸部与凹部接触，在大多情况下，每当多个凸部的某一凸部与多个凹部的某一凹部啮合时，这些啮合的凸部与凹部接触。

具体地说明，设第一旋转体2具备第一凸部、第二凸部及第三凸部，第二旋转体3具备第一凹部及第二凹部。当第一旋转体2及第二旋转体3旋转时，第一凸部与第一凹部啮合，接着第二凸部与第二凹部啮合，接着第三凸部与第一凹部啮合，接着第一凸部与第二凹部啮合，接着第二凸部与第一凹部啮合，接着第三凸部与第二凹部啮合。反复此种啮合。接触并不是在这些每次啮合时发生，例如，每当第三凸部与第一凹部啮合时发生。

在此，设第一旋转体2的旋转周期为T1、第二旋转体3的旋转周期为T2、多个凸部的个数与多个凹部的个数的比率为a:b。在后一方式中，以T1×b＝T2×a的周期发生从传感器11输出的信号S的强度变动。本发明人发现，在对信号S进行快速傅里叶变换的情况下，通过快速傅里叶变换而获得的数据不包含时间信息，因此，难以准确地判定是否包含T1×b＝T2×a的周期的强度变动。

对此，本实施方式所涉及的旋转机的异常诊断装置10对从传感器11输出的信号S进行时频解析，从据此获得的数据即第一数据中提取表示规定的频率成分的强度与时间之间的关系的数据即第二数据，并利用第二数据判定第一旋转体2与第二旋转体3的接触。由于第二数据中包含时间信息，因此，能够准确地判定第二数据(即、规定的频率成分)中是否包含T1×b＝T2×a的周期的强度变动。由此，根据本实施方式所涉及的旋转机的异常诊断装置10，能够准确地判定第一旋转体2与第二旋转体3是否接触。

此外，根据本实施方式，如在步骤S8、S9、S10、S11说明，能够区分第一旋转体2与壳体4的接触、第二旋转体3与壳体4的接触而判定。

如图9所示的T1×b＝T2×a表示的周期的强度变动中包含T1表示的周期的强度变动及T2表示的周期的强度变动。对此，根据本实施方式，先判定自相关函数是否包含T1表示的周期的强度变动和T2表示的周期的强度变动(步骤S8、S10)，然后判定是否包含T1×b＝T2×a表示的周期的强度变动(步骤S12)。据此，能够准确地判定自相关函数中是否包含T1×b＝T2×a表示的周期的强度变动。

作为利用本实施方式所涉及的旋转机的异常诊断装置10的异常诊断对象的旋转机1例如为压缩机，但并不限定于压缩机。

(实施方式的概括)

第一方面所涉及的旋转机的异常诊断装置，用于诊断旋转机的异常，其中，所述旋转机包含具有多个凸部的第一旋转体和具有与所述多个凸部的个数不同的个数的多个凹部的第二旋转体，其中，所述第二旋转体与所述第一旋转体隔开规定的间隙而配置，所述第一旋转体与所述第二旋转体通过旋转，所述多个凸部及所述多个凹部之中对应的凸部与凹部依次啮合，所述旋转机的异常诊断装置包括：传感器，检测从所述旋转机产生的弹性波，并输出表示所述弹性波的强度与时间之间的关系的信号；解析部，对从所述传感器输出的所述信号进行时频解析；提取部，从所述解析部进行所述时频解析而获得的数据即第一数据中提取表示规定的频率成分的强度与时间之间的关系的数据即第二数据；以及判定部，设所述第一旋转体的旋转周期为T1、所述第二旋转体的旋转周期为T2、所述多个凸部的个数与所述多个凹部的个数的比率为a:b，在所述第二数据中包含T1×b＝T2×a表示的周期的强度变动的情况下，判定所述第一旋转体与所述第二旋转体有接触。

凸部与凹部啮合是指凸部进入凹部但在正常的状态下凸部与凹部不接触，具有所述规定的间隙的情况。凸部与凹部的接触意味着第一旋转体与第二旋转体的接触。

考虑对从检测弹性波的所述传感器输出的信号进行快速傅里叶变换，从通过该变换而获得的数据中提取表示规定的频率成分的强度的数据，并利用该提取的数据判定第一旋转体与第二旋转体的接触。第一旋转体与第二旋转体的接触在第一旋转体及第二旋转体旋转时，并不是每当凸部与凹部啮合时这些啮合的凸部与凹部接触的方式，在大多情况下，每当多个凸部的某一凸部与多个凹部的某一凹部啮合时，这些啮合的凸部与凹部接触的方式。

具体地说明，设第一旋转体具备第一凸部、第二凸部及第三凸部，第二旋转体具备第一凹部及第二凹部。当第一旋转体及第二旋转体旋转时，第一凸部与第一凹部啮合，接着第二凸部与第二凹部啮合，接着第三凸部与第一凹部啮合，接着第一凸部与第二凹部啮合，接着第二凸部与第一凹部啮合，接着第三凸部与第二凹部啮合。反复此种啮合。接触并不是在每当这些啮合时发生，例如，每当第三凸部与第一凹部啮合时发生。

在此，设第一旋转体的旋转周期为T1、第二旋转体的旋转周期为T2、多个凸部的个数与多个凹部的个数的比率为a:b。在后一方式中，以T1×b＝T2×a的周期发生从传感器11输出的信号S的强度变动。本发明人发现，在对该信号S进行快速傅里叶变换的情况下，通过快速傅里叶变换而获得的数据不包含时间信息，因此，难以准确地判定是否包含T1×b＝T2×a的周期的强度变动。

对此，第一方面所涉及的旋转机的异常诊断装置对从检测弹性波的传感器输出的信号进行时频解析，从据此获得的数据即第一数据中提取表示规定的频率成分的强度与时间之间的关系的数据即第二数据，并利用第二数据判定第一旋转体与第二旋转体的接触。由于第二数据包含时间信息，因此，能够准确地判定第二数据(即、规定的频率成分)中是否包含T1×b＝T2×a的周期的强度变动。由此，根据第一方面所涉及的旋转机的异常诊断装置，能够准确地判定第一旋转体与第二旋转体是否接触。

在所述结构中，所述旋转机还包括收容所述第一旋转体及所述第二旋转体的壳体，所述判定部，在所述第二数据中包含所述T1表示的周期的强度变动的情况下，判定所述第一旋转体与所述壳体有接触，在所述第二数据中包含所述T2表示的周期的强度变动的情况下，判定所述第二旋转体与所述壳体有接触。

根据该结构，能够区分判定第一旋转体与壳体的接触、第二旋转体与壳体的接触。

在所述结构中，所述判定部在进行了所述第一旋转体与所述壳体是否有接触的判定及所述第二旋转体与所述壳体是否有接触的判定之后，判定所述第一旋转体与所述第二旋转体是否有接触。

T1×b＝T2×a表示的周期的强度变动中包含T1表示的周期的强度变动及T2表示的周期的强度变动。对此，如果先判定第二数据中是否包含T1表示的周期的强度变动和T2表示的周期的强度变动，然后判定是否包含T1×b＝T2×a表示的周期的强度变动，则能够准确地判定第二数据是否包含T1×b＝T2×a表示的周期的强度变动。

第二方面所涉及的旋转机的异常诊断方法，用于诊断旋转机的异常，其中，所述旋转机包括具有多个凸部的第一旋转体和具有与所述多个凸部的个数不同的个数的多个凹部的第二旋转体，其中，所述第二旋转体与所述第一旋转体隔开规定的间隙而配置，所述第一旋转体与所述第二旋转体通过旋转，所述多个凸部及所述多个凹部中对应的凸部与凹部依次啮合，所述旋转机的异常诊断方法包括以下步骤：检测步骤，检测从所述旋转机产生的弹性波，并输出表示所述弹性波的强度与时间之间的关系的信号；解析步骤，对在所述检测步骤输出的所述信号进行时频解析；提取步骤，从在所述解析步骤进行所述时频解析而获得的数据即第一数据中提取表示规定的频率成分的强度与时间之间的关系的数据即第二数据；以及判定步骤，设所述第一旋转体的旋转周期为T1、所述第二旋转体的旋转周期为T2、所述多个凸部的个数与所述多个凹部的个数的比率为a:b，在所述第二数据中包含T1×b＝T2×a表示的周期的强度变动的情况下，判定所述第一旋转体与所述第二旋转体有接触。

第二方面所涉及的旋转机的异常诊断方法，基于与所述第一方面所涉及的旋转机的异常诊断装置一样的理由，能够准确地判定第一旋转体与第二旋转体是否接触。

第三方面所涉及的旋转机是具备所述旋转机的异常诊断装置的旋转机。