振動信号に内在する非線形性に着目したカオス時系列解析による軸受診断

2013 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 25420188
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 関口 泰久 広島大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60226644)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 異常診断 / 振動診断 / 転がり軸受 / カオス時系列解析

Research Abstract

本年度の研究で用いた実験装置の基本部分は，軸受を保持・回転させる主軸と，駆動用のモータ，モータ回転数を制御するインバータ，および加速試験を行うために軸受に負荷をかける機構からなる．軸受の回転中は常時振動加速度を測定し，データレコーダに取り込んだ後，解析を行った．本年度中には1個の軸受に対して寿命まで転動疲労試験を行い，振動加速を採取した．また，より信頼性の高いデータ解析を行うために，現在も新たな軸受の試験を行っている．
データ解析に際しては，まずアトラクタを描いた．この際に遅れ時間を決定した．次に相関指数解析を行った．さらに，アトラクタの性質を表す定量的な指標のひとつである，リアプノフ指数を用いて診断を行い，異常状態の進行状況の把握に取り組んだ．また，軌道平行測度の計算を行い，多面的に異常状態の数値化を試みた．最後に，周波数分析結果や，歪度，尖度，および波高率といった，従来用いられることが多いパラメータについても計算を行い，カオス時系列解析を用いた解析結果との比較，検討を行った．
実験，解析の結果として，予め傷を設けた軸受による診断時とは異なり，この度の転動疲労実験ではリアプノフ指数による異常診断は誤差が大きく，有用性に欠けることがわかった．しかし新たに用いた軌道平行測度では，軸受が寿命に到達する前にその値が変化し，異常診断に用いるパラメータとして有効であることがわかった．しかしながら，800時間ほどの総運転時間に対し，傷が検知できるのは寿命の2時間前であり，今後はいかに早期に傷検知を行うか，についてさらに研究の必要性があることもわかった．上記の通り現在も実験を引き続き行っているのはそのためである．
また，従来の診断法においては，周波数分析や歪度は診断に有用であったが，尖度と波高率については値の変動が大きく，これらのパラメータを用いた診断は困難であることがわかった．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

当初の予定では，3個程度の軸受の転動疲労実験を完了し，カオス時系列解析の有用性の確認と，診断法の確立が今年度の目標であった．現状では1個の軸受の試験を終了し，現在2個目の試験の最終段階と思われる状況である．その軸受の現状での総運転時間は1000時間程度であるが，まだ傷は生じていないようであり，引き続き実験を行っている．
ただし，研究実績で述べた通り，カオス時系列解析と従来法による診断結果の比較など，一定の実績を得ることができたと考えており，今後は精度向上などのための実験に取り組みたいと考えている．

Strategy for Future Research Activity

今後はまず診断法の確立のために，引き続き転動疲労実験により軸受が発生する振動データの採取を行う．その際に従来は着目してこなかった，より高周波数のデータまでの採取を行い，診断に用いることを考えている．これは転動体が外輪や内輪の傷上を通過する際に発生する振動周波数だけでなく，転がり軸受そのものの固有振動数帯域にまで振動周波数を拡張することにつながり，より幅広いデータの採取につながると考えている．
また，上記の実験と同時に，当初計画通りに音のデータについても採取し，解析をすすめる．音のデータによる診断が可能となれば，より簡便な異常診断が可能となり，有用な異常診断法の確立が可能となると考えている．
さらに振動と音の情報を組み合わせ，互いの利点を有効に使用できるような診断方が可能であれば有用であると考えている．

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

予定していた通りには実験が進まず，軸受購入にかかる費用が不必要となったためであると考えている．
少額であるため研究計画に大きな変更は無いが，可能であればより高周波数帯域まで加速度を測定できるセンサの購入を考えている．