ベアリングエンベロープ解析

ベアリング解析入門

回転機器を備えた製造工場や加工工場では、ベアリングの故障が最も一般的な機械故障です。振動解析は転がり軸受の状態監視と故障検出に役立つため、これらの問題の診断に不可欠です。ベアリングエンベロープ解析（BEA）は、機械の振動信号から周期的な衝撃を抽出することで、ベアリングの故障を特定および診断します。

DEWESoftのエンベロープ解析は、高品質のデータ収録ユニットと強力なソフトウェアを組み合わせることで、費用対効果の高いソリューションを提供します。使いやすいインタフェースと迅速な設定に加え、レコーダ，ベアリングデータベース，カスタマイズ可能なエンベロープ設定，調整可能な信号帯域幅，定義済みの帯域幅オプション（エンベロープ1～4）などの機能を備えています。

エンベロープ検出

エンベロープ検出は主に振動解析において、ベアリングやギアなどの回転機械の故障を検出・診断するために使用される信号処理技術です。また、ローラーベアリングの故障を検出・診断するためにも使用されます。

この技術は、高周波振動データから変調信号（またはエンベロープ）を抽出することで機能します。これにより、ベアリングやギアの欠陥などによって引き起こされる、繰り返し発生する衝撃のような事象を分離・特定することができます。

ベアリング要素が局所的な断層に衝突すると、衝撃が発生します。これらの衝撃はベアリングの形状と回転速度に応じて、異なる繰り返し周波数で発生します。繰り返し率つまりベアリング周波数は、ベアリングの種類ごとに異なり、特定の演算を用いて計算されます。​

衝撃により、次のような特定のベアリング通過周波数で信号が変調されます。

• ケージパス頻度（CPF）
• ボールパス周波数アウターレース（BPFO）
• ボールパス周波数インナーレース（BPFI）
• ボールフォルト頻度（BFF）

これらの周波数は、ベアリングの動作の固有の特性と関連しています。

エンベロープ解析は、変調信号のFFT（高速フーリエ変換）周波数スペクトルに基づいています。元の信号が振幅変調されている場合、エンベロープ解析は振幅復調によって変調信号を抽出します。その結果得られる変調信号の時間履歴は、次のいずれかになります。

• 時間領域で直接解析する
• 周波数領域でさらに解析する

このプロセスにより、信号の挙動を詳細に把握できます。DEWESoftはエンベロープ検出のための、高度なソリューションを提供しています。

対応センサ

DEWESoftのデータ収録システムは、差動電圧，IEPE，電荷出力など、業界標準の幅広い加速度センサをサポートしています。特許取得済みのDualCoreADC®テクノロジーにより、レンジ切り替えなしで幅広い信号振幅を計測できます。さらにチャネルごとに追加のカウンタ（ACC+）を搭載することで、コンパクトな筐体で振動と回転数（RPM）を同期して計測できます。

主な機能

• コネクタタイプ：BNC，DB9，LEMOコネクタ
• 入力オプション：電圧，IEPE，充電
• 対応センサ：単軸または多軸加速度計
• 速度とRPMの収録オプション：タコメータ，テープセンサ，エンコーダ，ギアトゥース，5V TTL信号出力を備えた任意のRPMセンサ
• 速度とRPM収録入力：カウンタ，角度演算付きアナログ入力

このセットアップにより、さまざまなアプリケーションで多用途かつ高精度な計測が可能になります。 さらにTEDS センサもサポートしているので、センサの接続と構成をプラグアンドプレイで行うことができます。

エンベロープ解析の応用

エンベロープ解析は、次のような回転機械を利用する業界で広く使用されています。

• 製紙業
• 化学処理
• 繊維生産
• 発電
• 鉱業
• 鉄鋼生産

主な用途

• ローラーベアリングの健全性の非侵入型モニタリング
• ベアリングの内輪と外輪の両方における亀裂の特定
• ローラーの欠陥，摩耗，潤滑不良の検出

この技術は、回転機器の状態の保守と診断に重要な洞察を提供します。

ベアリングとギアの解析

エンベロープ加速度は、高周波加速度スパイクをベアリングの故障やギアの噛み合いパターンに関連する、特性周波数に復調する強力な手法です。これにより回転機械部品内の亀裂，摩耗，ずれなどの故障を検出できます。

DEWESoftのソフトウェアには、幅広いベアリングモデルを収録した包括的なベアリングデータベースが搭載されており、特定のベアリングの解析を容易に行うことができます。データベースはカスタマイズ可能で、ユーザーは必要に応じて新しいベアリングを追加できるため、さまざまなアプリケーションに柔軟に対応できます。

このソフトウェアは、内輪・外輪の欠陥，ケージ通過周波数，ギア噛み合い周波数など、スペクトル内の重要な周波数を自動的に特定します。これらの周波数は、ベアリングまたはギアシステムの各部品ごとに強調表示されるため潜在的な問題を容易に特定し、タイムリーなメンテナンスを確実に実施できます。

この診断機能は、機械の信頼性の向上，ダウンタイムの短縮，回転部品の寿命延長に役立ちます。

エンベロープ検出によるベアリング故障検出

エンベロープ検出は、ボールベアリングの障害を早期に検出するための標準的な手順です。

ボールベアリングに故障が発生すると、その固有振動数に対応する周波数のリンギングが発生します。このリンギングは、ボールの損傷部分がリングに衝突する、あるいはその逆のたびに繰り返されます。さらに内輪，外輪，ケージ，ボールはベアリングの形状と回転周波数に応じて、それぞれ異なる典型的な繰り返し周波数を持ちます。

DewesoftXでは、ベアリング部品のデータがベアリングデータベースによって自動的に管理されます。エンベロープ検出とベアリングデータベースを使用することで、特定のベアリング部品に関連する重要な周波数成分をピンポイントで特定し、キネマティックカーソルを使用できるようになります。

エンベロープ検出 - 利用可能なエネルギーとピーク

エンベロープ検出アルゴリズムは高度に構成可能で、いくつかの主要な機能を提供します。

• ハイパスフィルタ周波数に制限なし: 特に0 ～ 10kHzのフラットな周波数応答を持つDEWESoftのASI-1xVIB加速度センサと併用する場合、低速回転機械に最適です。
• エネルギーとピークの検出：RMS値とPEAK値を計算できます。RMSはスパイクのエネルギーを表し、PEAKは最大スパイク値を取込みます。

エンベロープ信号は、次のようなさまざまなプロットタイプで視覚化できます。

• 時間波形
• 周波数スペクトル（横軸にHzまたはRPMを表示）
• オーダースペクトル

このバージョンでは明確な構造により読みやすさが向上し、重要なポイントが効果的に強調されます。

FFT解析（高速フーリエ変換）

FFT解析モジュールは、高度な平均化，選択可能な分解能（最大64000ライン），または帯域幅の直接指定（0.01Hz）など、スペクトル解析に必要なすべての機能を備えています。複数のチャネルを同じFFTビジュアルディスプレイに表示できるため、比較が容易です。

FFT機能

• 複数のカーソルとマーカ：マークされた周波数値に簡単にアクセスできます。フリー，RMS，最大値，サイドバンド，高調波，ダンピングのマーカが利用可能です。
• 方位カーソル:方位周波数を識別するために使用します。
• エンベロープ： エンベロープ検出は、ボールベアリングの欠陥を早期に検出するための手順です。
• 自己相関および相互相関
• ケプストラム
• 短時間FFT

カーソルとマーカ多目的周波数カーソル機能

DEWESoft FFTアナライザでは複数の処理マーカを設定して、さまざまなパラメータを自動検出できます。当社の周波数アナライザは、以下のマーカを提供しています。

• フリーマーカ：フリーマーカは自由に追加できます。マーカは選択したグラフ位置の軸位置と振幅を示します。
• 最大マーカ：スペクトル内の最大振幅を見つけます。
• RMS マーカ：選択したバンド内のすべてのFFTラインを合計し、RMS値を計算します。
• サイドバンド マーカ：選択した中心線から左右の変調周波数を監視します。
• 高調波マーカ:基本周波数の高調波を表示し、信号の歪みや非線形性を調査するために使用できます。
• 減衰マーカ：伝達関数の減衰特性を調べたい場合のモーダルテストに最適です。選択したピークのQ値，減衰比，または減衰率に関心がある場合に使用します。
• デルタ マーカ：マーカの 2 つの位置間のチャネル値の差を表示します。
• キネマティックマーカ：高度なエンベロープ検出により、ベアリングの周波数とベアリングの不具合を特定します。キネマティックマーカは、計測中の不具合検出を簡素化します。データベースに独自のベアリングセットを作成できます。
• ズームマーカ：チャネルの選択領域を簡単に拡大できます。
• ベクトル カット マーカ：スペクトルのユーザー定義領域を新しいチャネルとして出力します。
• トリガマーカ：関連する信号が、ユーザー定義のトリガレベルを超えたかどうかに応じて0または1を出力します。

すべての処理マーカは派生演算チャネルとして機能し、保存して追加の解析に使用可能な新規チャネルを作成します。

キネマティックマーカ

キネマティックマーカは、ベアリングの周波数とベアリングの欠陥を識別するために使用されます。DewesoftXソフトウェアは、キネマティックカーソルエディタを使用して新しいベアリングを簡単に追加する方法を提供しています 。

各ベアリングデータベースには、ベアリングデータ (1Hzでのコンポーネント (ケージ，転動体，外輪，内輪) のベースと、周波数領域でコンポーネントがピークになる周波数) が含まれています。

キネマティクスマーカのプロパティ

• 電流値：マーカの電流値のみを表示し、保存中に操作可能です。
• 完全な履歴：計算結果を出力チャネルに保存し、他のモジュールの入力として使用可能です。
• データポイントにスナップ：マーカの位置がFFTビンにスナップします。それ以外の場合は、マーカを任意の周波数に配置でき、値はその正確な周波数で補間されます。
• 領域内のピークを検索：マーカはマーカの位置を中心にして、選択した周波数帯域内のピークを自動的に検索します。
• ピーク精度の向上：ピークの位置と値が FFT データから補間されます。
• キネマティックカーソル：キネマティックカーソル エディタから適切なマーカを割り当てます。
• 位置情報ソース：ウィジェットマーカとチャネルの2つのモードがあります。ウィジェットマーカを選択した場合、位置は手動で定義されます。チャネルモードでは、選択したチャネルの電流値によって位置が定義されます。
• 回転周波数：キネマティックマーカの位置を決定します。周波数は手動で入力する必要があり、HzまたはRPMで定義できます。

設定後キネマティックカーソルデータベースで定義された周波数で、キネマティックマーカが表示されます。また、各周波数がどの機械部品に関連しているかも表示されます。

キネマティックマーカは DewesoftX 3Dグラフでも表示できます。

可変RPM - 実際の速度に追従するFFT
ベアリングマーカ

現代の多くのアプリケーションでは、回転機械はさまざまな速度で動作します。例えばケーブルカーは風の状態が変化すると、速度を落とす場合があります。このような状況下でベアリングの状態を継続的に監視するには、FFTマーカ（外輪，内輪，ケージ，ベアリング要素）が変化する速度に動的に適応する必要があります。

DewesoftXソフトウェアのキネマティックマーカは、計算の基準として入力チャネルを選択できるようにすることで、この問題を解決します。ソフトウェアは、実際の速度に合わせてマーカ間の比率を継続的に計算・調整します。動的な「チャネル制限」機能と組み合わせることで、特定の速度範囲に合わせて条件付き制限値を設定できます。

さらに、DewesoftXは個々のベアリング振幅ごとに専用の出力チャネルを生成し、データの完全な履歴を提供します。これにより、時間の経過に伴う傾向の解析が容易になり、得られた値をさらなる演算に利用できるようになります。

クロススペクトラムとオートスペクトラム

FFT解析で一般的に使用される結果は、個々の入力チャネルから得られるパワースペクトル（オートスペクトル）です。相関関係や位相関係の解析に複数のチャネルにまたがる特性が必要な場合は、クロスパワースペクトルが使用されます。

クロススペクトルでは参照チャネルが選択され、その参照チャネルを基準としてすべてのチャネルのクロススペクトルが計算されます。

オーダートラッキング解析

オーダートラッキングモジュールを使用すると、時間領域データを収録し、角度（オーダー）領域に変換することが容易になります。任意の数の高調波（振幅と位相角）を抽出し、ボード線図，ナイキスト線図，3D FFT，リアルタイムXYプロット，軌道プロットで表示できます。平面図FFTでは、励振力，固有振動数，およびすべての共振を明確に表示し、機械の動的挙動を明確に把握できます。

マイク，加速度計，ねじり振動モジュールの出力（下記参照）など、あらゆる入力を使用できます。特許取得済みのデジタルカウンタ技術（Super counter®）により、非常に正確で再現性の高い計測が可能です。計測結果は3Dカラースペクトログラムと2Dグラフで表示され、RPMにおける選択した次数と位相を抽出できます。

主な特徴

オーダートラッキングモジュールの機能

• シンプルで簡単にセットアップ可能
• 高精度な次数分離のための専用再サンプリング法
• すべての利点を維持するための時間領域での計測
• 順序領域または周波数領域における2D，3Dウォーターフォール
• 振幅，位相抽出
• 後処理での再計算
• 12.5 ns 分解能の位相同期回転数入力

ケプストラム解析による振動特性の特定

ケプストラム解析計算は音声解析における特性の特定や、ギアボックスやベアリング周波数などの振動特性の解析強化に使用できます。Dewesoftは、ミラースペクトル，低周波および高周波出力を提供します。

Dewesoft ケプストラム演算では次の設定が提供されます。

• 選択可能なブロックサイズ
• ウィンドウ
• リフティング
• 重複と平均化

右の画面は、マイクの入力信号にケプストラム演算を使用して、スピーカー名を判別する様子を示しています。