轴承装置振动分析方法、轴承装置振动分析器以及滚动轴承状态监视系统的制作方法

轴承装置振动分析方法、轴承装置振动分析器以及滚动轴承状态监视系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种轴承装置振动分析方法、轴承装置振动分析器W及滚动轴承状态 监视系统，尤其设及一种通过计算机分析包括滚动轴承及其壳体的轴承装置的振动的技 术，并设及使用该分析结果的滚动轴承状态监视系统。
【背景技术】
[0002] 日本特开No. 2006-234785(专利文献1)披露了一种用于滚动轴承的异常诊断装 置。通过运种异常诊断装置，对来自振动传感器的电信号执行频率分析，基于从频率分析获 得的频谱计算基准值。采样大于基准值的频谱的峰值。然后将峰值之间的频率与基于回转 速度计算出的并归因于轴承损坏的频率分量相互比较和核对。基于核对结果，判定滚动轴 承是否存在异常W及异常出现在哪里(参见专利文献1)。
[0003] 引用列表
[0004] 专利文献
[000引专利文献1:日本专利特许公开No. 2006-234785
[0006] 非专利文献
[0007] 非专利文南犬 1:''The Practical Equipment Diagnosis through Vibration Method-Answer Questions in the Field(通过现场中的振动方法-回答疑问的实际设备 诊断)"，No;riaki Inoue著，日本工厂维护协会，PP.65-71

【发明内容】

[000引技术问题
[0009] 当振动波形的峰值大小超出预定阔值时，前述异常诊断装置判定轴承有异常。同 时，为了选择用于异常诊断的此阔值，需要事先识别当轴承有异常时的振动状态。识别当轴 承有异常时的振动状态的技术例如可W是如下技术:有意地将损坏的轴承纳入到实际机器 中或使实际机器保持运作直到轴承损坏为止，由此采集关于轴承有异常时表现出的振动的 数据。
[0010] 然而，运种技术难W应用到如下状态下的设备:设备具有大尺寸或长使用寿命，或 者是昂贵的。具体地，风力发电设施满足运种条件，并难W选择阔值，该阔值被用于通过状 态监视系统作出关于轴承的异常的判定，该状态监视系统监视风力发电设施的状态。因此， 对于诸如风力发电设施的大尺寸设施，用于作出关于异常的判定的阔值是通过统计地处理 所采集的实际数据而无视例如结构细节的差别和机器类型的差别来确定的。
[0011] 因此预期可事先通过计算机来分析当轴承发生异常时所表现出的振动状态。如果 可通过计算机进行分析来预测轴承装置的振动状态，则可容易地设定用于作出关于大尺寸 设施(诸如风力发电设施）的异常的判定的阔值。此外，在同样要重新定位用于检测轴承装 置的振动的传感器的情形下，可设定作出关于异常的判定的阔值而不需要用实际机器重新 采集数据。
[0012] 作出本发明W解决上述问题，并且本发明的目的是提供一种振动分析方法和振动 分析器，用于通过计算机分析包括滚动轴承及其壳体的轴承装置的振动。
[0013] 本发明的另一目的是提供一种滚动轴承状态监视系统，其使用根据该振动分析方 法的分析结果。
[0014] 此外，在用于滚动轴承的上述异常诊断装置中，振动传感器检测包括滚动轴承及 其壳体的轴承装置的振动。当由振动传感器所检测的振动波形的峰值超过预定阔值时，判 定滚动轴承具有异常。
[0015] 为了增强异常诊断的精确度，需求振动传感器能够用高灵敏度检测由于轴承损伤 而发生的振动。因此有必要在可获得高检测灵敏度的位置设置振动传感器。关于振动传感 器的运种设置位置，例如非专利文献1("通过现场中的振动方法-回答疑问的实际设备诊 断"，Noriaki Inoue著，日本工厂维护协会，PP.65-71)描述了预期在靠近要被测量的轴承 且具有高刚度的位置处设置振动传感器。运是因为，如果振动传感器的设置位置处的刚度 低，那么由于轴承损伤而发生的高频分量可能衰减，导致无法检测轴承的异常。
[0016] 然而，如非专利文献1所公开的用于选择设置振动传感器的设置位置的方法是定 性方法。因此，此方法不可能在轴承损伤时识别实际附连到轴承装置的振动传感器所检测 的振动波形W前，判定选择的设置位置是否适当。因此存在如下问题:难W在检测灵敏度高 的位置处设置振动传感器且不能确保振动传感器的适当检测灵敏度。尤其在诸如风力发电 设施之类的大尺寸设施的情形中，不易纳入损伤的轴承W实验性地识别振动波形。前述选 择方法因此不实用。因此，难W在早期检测轴承损伤。
[0017] 为了解决此问题，预期能够事先通过计算机分析轴承装置的振动状态。如果计算 机有可能分析和预测设置振动传感器的设置位置处的振动状态，则可容易地选择具有高检 测灵敏度的设置位置。此外，可找到具有高灵敏度的设置位置而无需将振动传感器附连到 实际装置。因此，即使对于诸如风力发电设施之类的大尺寸设施，可容易地选择振动传感器 的设置位置。
[0018] 作出本发明W解决上述问题，且本发明的目的是使滚动轴承状态监视系统使用通 过计算机分析包括滚动轴承及其壳体的轴承装置的振动的振动分析方法的结果，能够容易 且适当地选择在轴承装置上设置振动传感器的设置位置。
[0019] 问题的解决手段
[0020] 根据本发明，轴承装置振动分析方法是通过计算机分析轴承装置的振动的轴承装 置振动分析方法，该轴承装置包括滚动轴承和滚动轴承的壳体，且该方法包括W下步骤:输 入关于滚动轴承的滚动元件与滚道表面之间的接触部分所受到的损伤的形状的数据;计算 由损伤导致的滚动轴承的内环与外环之间的位移;通过用于分析轴承装置的振动模式的模 式分析程序来计算振动特性模型，振动特性模型代表轴承装置的振动特性；W及通过对振 动特性模型应用在滚动轴承上发生的激励力的历史来计算轴承装置上的预定位置处的振 动波形，通过将在计算位移的步骤中所计算的内环与外环之间的位移乘W内环与外环之间 的弹黃常数来获得激励力的历史。
[0021] 优选地，在计算振动波形的步骤中，将激励力的历史施加至振动特性模型中的滚 动轴承的旋转环的中屯、轴上的至少一个点。应当注意，为了将力矩的影响考虑在内，它可被 施加至旋转环(例如内环)的中屯、轴上的多个点。
[0022] 优选地，轴承装置振动分析方法还包括下列步骤:使用在计算振动波形的步骤中 计算出的振动波形确定振动大小的阔值W便确定滚动轴承有异常。
[0023] 优选地，计算内环与外环之间的位移的步骤包括下列步骤:通过进行滚动轴承的 动态分析的动态分析程序，计算在滚动轴承的旋转轴的旋转期间由损伤所造成的内环与外 环之间的位移的历史。
[0024] 优选地，滚动轴承是球轴承。计算内环与外环之间的位移的历史的步骤包括下列 步骤:通过用于分析滚动轴承的滚动元件和滚道表面之间的接触的接触分析程序，计算由 受到的损伤造成的滚动元件和滚道表面之间的接近量的变化;并通过动态分析程序，计算 在滚动轴承的旋转轴的旋转期间由于接近量的变化所造成的内环与外环之间的位移的历 史。
[0025] 优选地，滚动轴承是滚子(roller巧由承。对于动态分析程序，使用切分方法，藉此 对于每个微小宽度分段计算接触负载，该微小宽度分段是通过对沿滚子的轴向在滚子和滚 道表面之间的接触部分作切分而获得的。振动分析方法还包括下列步骤:对于每个切片，计 算由受到的损伤造成的滚子和滚道表面之间的接近量的变化。计算内环与外环之间的位移 的历史的步骤包括下列步骤:通过使用切分方法的动态分析程序来计算内环与外环之间的 位移的历史。
[0026] 优选地，在计算内环与外环之间的位移的历史的步骤中，假设滚动轴承的固定环 是通过线性弹黃沿轴承径向在负载施加区内的滚动元件的位置处连接至壳体。
[0027] 优选地，在计算振动波形的步骤中，依赖于由负载施加区内每个滚动元件所支承 的力的份额，将内环与外环之间的位移的历史应用到负载施加区内的滚动元件。
[0028] 根据本发明，轴承装置振动分析器是用于分析包括滚动轴承和滚动轴承的壳体的 轴承装置的振动的轴承装置振动分析器，并且包括输入单元、位移计算单元、振动特性计算 单元和振动波形计算单元。输入单元配置为输入关于滚动轴承的滚动元件与滚道表面之间 的接触部分所受到的损伤的形状的数据。位移计算单元配置为计算由损伤导致的滚动轴承 的内环与外环之间的位移。振动特性计算单元配置为通过用于分析轴承装置的振动模式的 模式分析程序来计算振动特性模型，振动特性模型代表轴承装置的振动特性。振动波形计 算单元配置为通过对由振动特性计算单元所计算的振动特性模型施加发生在滚动轴承上 的激励力的历史来计算轴承装置上的预定位置处的振动波形，通过将位移计算单元所计算 的内环与外环之间的位移乘W内环与外环之间的弹黃常数来获得激励力的历史。
[0029] 优选地，通过用于进行滚动轴承的动态分析的动态分析程序，位移计算单元计算 在滚动轴承的旋转轴的旋转期间由损伤造成的内环与外环之间的位移的历史。
[0030] 根据本发明，滚动轴承状态监视系统包括振动传感器和判定单元。振动传感器配 置为测量包括滚动轴承和滚动轴承的壳体的轴承装置的振动。判定单元配置为当用振动传 感器测得的振动的大小超出预定阔值时判定滚动轴承有异常。在此，预定的阔值是通过使 用根据振动分析方法计算出的振动波形而确定的，振动分析方法通过计算机分析轴承装置 的振动。振动分析方法包括下列步骤:输入关于滚动轴承的滚动元件与滚道表面之间的接 触部分所受到的损伤的形状的数据;计算由损伤导致的滚动轴承的内环与外环之间的位 移;通过用于分析轴承装置的振动模式的模式分析程序来计算振动特性模型，振动特性模 型代表轴承装置的振动特性；w及通过对振动特性模型应用发生在滚动轴承上的激励力的 历史来计算轴承装置上的振动传感器的设置位置处的振动波形，通过将在计算内环与外环 之间的位移的步骤中所计算的内环与外环之间的位移乘W内环与外环之间的弹黃常数来 获得激励力的历史。
[0031] 优选地，计算内环与外环之间的位移的步骤包括下列步骤:通过进行滚动轴承的 动态分析的动态分析程序，计算在滚动轴承的旋转轴的旋转期间由损伤所造成的内环与外 环之间的位移的历史。
[0032] 优选地，使用根据振动分析方法计算出的振动波形来选择振动传感器的设置位 置。计算振动波形的步骤包括下列步骤:通过对振动特性模型应用激励力的历史来计算轴 承装置上任意位置处的振动波形。
[0033] 优选地，使用振动分析方法对相应多个候选位置计算多个振动波形，该多个候选 位置可被设置为振动传感器的设置位置。从多个候选位置中选择振动的加速度振幅最大的 候选位置，作为振动传感器的设置位置。
[0034] 优选地，轴承装置包括设置于风力发电设施的主轴的轴承装置。对于多个候选位 置中的每个，计算根据振动分析方法计算的振动的加速度振幅相对于由发生在主轴上的激 励力所激励的轴承装置的振动的加速度振幅的比率。从多个候选位置中，将比率为最大比 率的候选位置选择为振动传感器的设置位置。
[0035] 优选地，轴承装置包括设置于风力发电设施的变速箱的轴承装置。对于多个候选 位置中的每个，计算根据振动分析方法计算出的振动的加速度振幅相对于由发生在变速箱 的齿轮上的激励力所激励的轴承装置的振动的加速度振幅的比率。从多个候选位置中，将 比率为最大比率的候选位置选择为振动传感器的设置位置。
[0036] 优选地，轴承装置包括设置于风力发电设施的发电机的轴承装置。发电机通过禪 合部连接至风力发电设施的变速箱。对于多个候选位置中的每个，计算根据振动分析方法 计算出的振动的加速度振幅相对于由发生在禪合部上的激励力所激励的轴承装置的振动 的加速度振幅的比率。从多个候选位置中，将比率为最大比率的候选位置选择为振动传感 器的设置位置。
[0037] 优选地，滚动轴承状态监视系统还包括选择单元，其配置为使用根据振动分析方 法计算出的振动波形来选择振动传感器的设置位置。
[0038] 优选地，预定的阔值是使用当异常发生在滚动轴承上时预期在振动传感器的所选 设置位置处呈现的振动波形来确定的。
[0039] 发明的有益效果
[0040] 根据本发明，输入关于轴承的损伤的形状的数据，并且计算由于损伤而发生在滚 动轴承上的内环与外环之间的位移。然后，通过将内环与外环之间的计算位移乘W内环与 外环之间的弹黃常数获得的发生在滚动轴承上的激励力的历史被应用到由模式分析程序 所计算的振动装置的振动特性模型。由此，计算了轴承装置上的预定位置(设置振动传感器 的设置位置)处的振动波形。W此方式，可通过计算机预测在轴承内发生损伤的情况中的轴 承装置的振动波形。由此，根据本发明，可使用此预测的结果适当地确定由滚动轴承状态监 视系统用来作出关于滚动轴承的异常的判定的阔值。
[0041] 此外，根据本发明，可使用此预测的结果W通过轴承装置状态监视系统容易且适 当地选择在轴承装置上设置振动传感器的设置位置。
【附图说明】
[0042] 图1是示出根据本发明的第一实施例通过振动分析方法分析的轴承装置的模型的 图。
[0043] 图2是示出根据第一实施例的振动分析器的硬件配置中的主要组件的框图。
[0044] 图3是功能地示出图2所示的振动分析器的配置的功能框图。
[0045] 图4是示出由图2所示的振动分析器执行的振动分析方法的处理步骤的流程图。
[0046] 图5是示意地示出对其采用滚动轴承状态监视系统的风力发电设施的配置的图。
[0047] 图6是功能地示出图5所示的数据处理器的配置的功能框图。
[0048] 图7是示出当轴承装置没有异常时的轴承装置的振动波形的图。
[0049] 图8是示出当在轴承装置的滚道上发生表面粗糖或不充分的润滑时表现出的轴承 装置的振动波形的图。
[0050] 图9是示出轴承装置的滚道出现剥落(peeling)