特開 2024-15759 演算装置および演算方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024015759

(43)【公開日】2024-02-06

(54)【発明の名称】演算装置および演算方法

(51)【国際特許分類】

   G01L 3/14 20060101AFI20240130BHJP

   G01M 99/00 20110101ALI20240130BHJP

【ＦＩ】

G01L3/14 G

G01M99/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022118049

(22)【出願日】2022-07-25

(71)【出願人】

【識別番号】000005119

【氏名又は名称】日立造船株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】深井 康宏

(72)【発明者】

【氏名】林 健人

(72)【発明者】

【氏名】津村 達也

(72)【発明者】

【氏名】杉本 巖生

【テーマコード（参考）】

2G024

【Ｆターム（参考）】

2G024AD17

2G024BA12

2G024CA12

2G024CA13

2G024CA27

2G024DA09

2G024FA06

2G024FA15

(57)【要約】

【課題】伝動軸の変動トルクの算出精度を向上させる。
【解決手段】演算装置（４）は、ピニオンギヤ（３６）とドラムギヤ（３７１）とのかみ合い率を整数に切り上げた数値をＮとした場合、かみ合い周波数成分の１次成分からＮ次成分までの中から選択される周波数成分に基づいて算出された振動と変動トルクとの関係を示す近似式を用いて、振動センサ（Ｄ２）が出力した振動信号から伝動軸（３５）の変動トルクを算出する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電動機の動力を回転機械へ伝達する伝動軸に固定された第１歯車の振動を検出する振動検出部から出力された振動信号に基づいて、前記伝動軸の変動トルクを算出する演算部を備え、
前記第１歯車と、該第１歯車にかみ合って前記動力を前記回転機械へ伝達する第２歯車とのかみ合い率を整数に切り上げた数値をＮとした場合、前記演算部は、かみ合い周波数成分の１次成分からＮ次成分までの中から選択される周波数成分に基づいて算出された振動と前記変動トルクとの関係を示す近似式を用いて、前記振動信号から前記変動トルクを算出する演算装置。

【請求項2】

前記近似式は、前記かみ合い周波数成分の１次成分および２次成分に基づいて算出される請求項１に記載の演算装置。

【請求項3】

前記演算部は、前記電動機に掛かる負荷を荷重評価値として測定する荷重測定部から出された前記荷重評価値と前記電動機の定格値とに基づいて、前記伝動軸の平均トルクを算出する請求項１または２に記載の演算装置。

【請求項4】

前記演算部は、前記平均トルクと前記変動トルクとを合算した値に基づいて損傷度を算出し、前記算出された損傷度の累積値に基づいて前記回転機械を備える設備の余寿命を推定する請求項３に記載の演算装置。

【請求項5】

電動機の動力を回転機械へ伝達する伝動軸に固定された第１歯車の振動を振動検出部によって検出する検出工程と、
前記振動検出部から出力された振動信号に基づいて、前記伝動軸の変動トルクを算出する演算工程と、を含み、
前記第１歯車と、該第１歯車にかみ合って前記動力を前記回転機械へ伝達する第２歯車とのかみ合い率を整数に切り上げた数値をＮとした場合、前記演算工程にて、かみ合い周波数成分の１次成分からＮ次成分までの中から選択される周波数成分に基づいて算出された振動と前記変動トルクとの関係を示す近似式を用いて、前記振動信号から前記変動トルクを算出する演算方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、伝動軸の変動トルクを演算により算出する演算装置および演算方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、回転機械を備える設備の保全を目的として、回転機械の稼働時の損傷度（機械負荷）を評価し設備の余寿命を推定することが行われている。この種の技術に関連して、特許文献１には、軸振動検出器により検出された伝動軸の振動に基づいて変動トルクを算出する方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１２－１２２９５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、検出された振動には、電気的なノイズまたは周囲環境の振動等の不要な情報が含まれる。このため、前記従来の技術では、伝動軸の変動トルクの算出精度を十分に確保することができない可能性があった。

【0005】

本発明の一態様は、前記従来の課題に鑑みてなされたものであって、伝動軸の変動トルクの算出精度を向上させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

前記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る演算装置は、電動機の動力を回転機械へ伝達する伝動軸に固定された第１歯車の振動を検出する振動検出部から出力された振動信号に基づいて、前記伝動軸の変動トルクを算出する演算部を備え、前記第１歯車と、該第１歯車にかみ合って前記動力を前記回転機械へ伝達する第２歯車とのかみ合い率を整数に切り上げた数値をＮとした場合、前記演算部は、かみ合い周波数成分の１次成分からＮ次成分までの中から選択される周波数成分に基づいて算出された振動と前記変動トルクとの関係を示す近似式を用いて、前記振動信号から前記変動トルクを算出する。

【発明の効果】

【0007】

本発明の一態様によれば、伝動軸の変動トルクの算出精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の実施形態に係る水門システムを示す模式図である。

【図2】図１に示される演算装置の機能構成を示すブロック図である。

【図3】平均トルクおよび変動トルクと、機械負荷（稼働トルク）との関係を示すグラフである。

【図4】電流と平均トルクとの関係の一例を示すグラフである。

【図5】振動と変動トルクとの関係の一例を示すグラフである。

【図6】水門設備の余寿命の推定処理の一例を示すフローチャートである。

【図7】累積損傷度と余寿命との関係の一例を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の一実施形態について、図１～図７に基づいて説明する。本実施形態では、本発明の一態様に係る演算装置を備える水門システムの構成例について説明する。ただし、以下の説明は本発明の演算装置の一例であり、本発明の技術的範囲は図示例に限定されるものではない。

【0010】

〔水門システム１の構成〕
図１は、本実施形態に係る水門システム１の構成を示す模式図である。水門システム１は、扉体２と、水門開閉装置３と、演算装置４とを備える。演算装置４は、扉体２および水門開閉装置３から構成される水門設備の保全を目的として、水門設備の余寿命を推定する処理を実行する。

【0011】

（扉体２）
扉体２は、水路を横断するように設けられる略板状であり、例えば金属により構成される。扉体２は、水門開閉装置３により昇降されることにより、水路における水の流通を調整する。扉体２において、幅方向（図１中の左右方向）の両端面には、複数のローラ２２が設けられる。複数のローラ２２は、水路の両側に固定されるガイドレール２３に係合する。これにより、ガイドレール２３に沿って高さ方向（図１中の上下方向）へ移動可能（昇降可能）なように、扉体２がガイドレール２３により支持される。

【0012】

扉体２の上端面には、滑車（シーブ）２１が設けられる。滑車２１は、扉体２と共に昇降する動滑車である。図１の例示では、扉体２の上端面のうち幅方向両側に各々１つの滑車２１が設けられる。なお、扉体２の構造は任意に変更されてよく、例えば、扉体２が上段扉および下段扉を含み、両者が連動して、または、個別に昇降する構造であってもよい。例えば上段扉および下段扉が個別に昇降する構造の場合、上段扉および下段扉の各々に水門開閉装置３が個別に接続される。

【0013】

（水門開閉装置３）
水門開閉装置３は、例えばワイヤロープウィンチ式であり、扉体２を昇降させて水路の開閉を行う。水門開閉装置３は、電動機３１と、電磁ブレーキ３２と、油圧押上式ブレーキ３３と、減速機３４と、伝動軸３５と、２つのピニオンギヤ（第１歯車）３６と、２つのドラム（回転機械）３７と、２本の金属製のワイヤロープ３８と、２つの固定部３９とを備える。

【0014】

電動機３１は、例えば誘導モータ等であり、電磁ブレーキ３２と油圧押上式ブレーキ３３と減速機３４とを介して、伝動軸３５を回転させる。電動機３１は、伝動軸３５の回転方向を正回転および逆回転で切り替えることが可能になっている。

【0015】

伝動軸３５は、電動機３１の動力をドラム３７へ伝達する回転シャフトである。伝動軸３５は、減速機３４に連結され、減速機３４から幅方向両側へ延出する。２つのピニオンギヤ３６が、伝動軸３５の両端に固定される。２つのドラム３７にはドラムギヤ（第２歯車）３７１が設けられ、各ドラムギヤ３７１は２つのピニオンギヤ３６とそれぞれ歯合する。また、ドラム３７は、図１中に破線で示すギヤカバー３７２を備え、ピニオンギヤ３６とドラムギヤ３７１とがギヤカバー３７２により覆われている。伝動軸３５が回転することにより、２つのドラム３７が正回転または逆回転する。

【0016】

各ドラム３７には、ワイヤロープ３８の一端が固定されると共に、ワイヤロープ３８の一部が巻かれる。各ワイヤロープ３８においてドラム３７に巻かれていない部分は、扉体２に設けられた２つの滑車２１に掛けられると共に、その他端に固定部３９が設けられる。固定部３９は、堤体等に固定される。例えば、ドラム３７が正回転することにより、ワイヤロープ３８がドラム３７に巻き取られ、扉体２が上昇する。一方、ドラム３７が逆回転することにより、ワイヤロープ３８がドラム３７から送り出され、扉体２が下降する。なお、ドラム３７の正回転および逆回転は、便宜的なものである。ワイヤロープ３８の巻き取りがドラム３７の逆回転と捉えられ、ワイヤロープ３８の送り出しがドラム３７の正回転と捉えられてもよい。

【0017】

水門開閉装置３では、図１の例示のようにドラム３７およびワイヤロープ３８が複数設けられてもよいが、ドラム３７およびワイヤロープ３８の１つの組合せのみが設けられてもよい。また、ワイヤロープ３８に代えて、ワイヤロープ３８以外のロープ、またはチェーン等が用いられてもよい。さらに、水門開閉装置３は、ウィンチ式の開閉装置に限られず、ラックを用いるラック式の開閉装置、スピンドルを用いるスピンドル式の開閉装置または弧状の扉体を回転させるラジアルゲート式の開閉装置等であってもよい。

【0018】

水門開閉装置３は、電流センサ（荷重測定部）Ｄ１と、２つの振動センサ（振動検出部）Ｄ２と、２つのトルクセンサＤ３とをさらに備える。電流センサＤ１は、電動機３１の駆動電流を検出する。電流センサＤ１は、検出した電流に応じた電流信号（荷重評価値）を演算装置４へ出力する。なお、電流センサＤ１は、電動機３１を制御する制御盤内のケーブル等に接続されていてもよい。

【0019】

振動センサＤ２は、ピニオンギヤ３６の振動を検出する。振動センサＤ２は、ピニオンギヤ３６の振動を検出可能な位置に設置される。図１の例示では、ピニオンギヤ３６が固定される伝動軸３５の各軸受に、各々１つの振動センサＤ２が設置される。なお、振動センサＤ２は、ピニオンギヤ３６とドラムギヤ３７１とを覆うギヤカバー３７２、または伝動軸３５に連結される減速機３４に設置されてもよい。また、振動センサＤ２の設置方向、つまり設置される振動センサＤ２の向きは特に限定されず、ピニオンギヤ３６の振動を検出可能であればどのような向きで設置されていてもよい。振動センサＤ２は、検出した振動に応じた振動信号を演算装置４へ出力する。

【0020】

トルクセンサＤ３は、伝動軸３５のトルクを検出する。図１の例示では、伝動軸３５の周面であって各ピニオンギヤ３６の近傍に、各々１つのトルクセンサＤ３が設置される。トルクセンサＤ３は、例えば、歪ゲージにより測定するもの、または、伝動軸３５の周面上の２点の捩じり位相を測定するものであってもよい。トルクセンサＤ３は、検出した歪または捩じり位相に応じたトルク信号を演算装置４へ出力する。

【0021】

歪ゲージ等のトルクセンサＤ３は、伝動軸３５への設置作業に時間を要し、また耐用年数が短いため、維持管理費用の観点から常設が難しい。水門システム１では、トルクセンサＤ３を後述する近似式の算出のために使用する。このため、トルクセンサＤ３は、近似式の算出の際に伝動軸３５に設置されていればよく、常設されている必要性はない。

【0022】

なお、水門開閉装置３は、電流センサＤ１、振動センサＤ２およびトルクセンサＤ３以外の他のセンサを備えていてもよい。水門開閉装置３は、例えば、伝動軸３５の回転量を検出することにより扉体２の開度を測定する開度計、水面に浮かべられたフロートの位置を検出することにより水位を測定する水位計、またはワイヤロープ３８の張力を測定する張力センサ等を備えていてもよい。

【0023】

（演算装置４）
図２は、演算装置４の機能構成を示すブロック図である。図２に示すように、演算装置４は、信号受信部４１と、演算部４２と、記憶部４３と、表示部４４とを含む。

【0024】

信号受信部４１は、各種信号を有線または無線で受信する。例えば、信号受信部４１は、電流センサＤ１からの電流信号、振動センサＤ２からの振動信号およびトルクセンサＤ３からのトルク信号を受信し、各信号データを演算部４２へ出力する。また、信号受信部４１は、各信号データを記憶部４３へ出力し、履歴情報として記憶させる。

【0025】

演算部４２は、算出部４２１と、推定部４２２とを含む。算出部４２１は、各種信号に対する処理を実行し、水門設備の稼働時の損傷度（機械負荷）を算出する。具体的には、算出部４２１は、近似式を用いて伝動軸３５の平均トルクおよび変動トルクを算出し、平均トルクおよび変動トルクを合算した稼働トルクに基づいて損傷度を算出する。なお、変動トルクの増加度に対する平均トルクの増加度は一定とは限らない。このため、変動トルクとは別に平均トルクも算出した上で損傷度を算出することが好ましい。

【0026】

図３は、平均トルクおよび変動トルクと、機械負荷（稼働トルク）との関係を示すグラフである。図３に示すように、稼働時の機械負荷、つまり損傷度は、平均トルクと変動トルクとを合算した稼働トルクに基づいて算出することができる。具体的には、算出部４２１は、記憶部４３に予め記憶された電流と平均トルクとの関係を示す電流－平均トルク近似式を用いて、電流データに基づいて平均トルクを算出する。また、算出部４２１は、記憶部４３に予め記憶された振動と変動トルクとの関係を示す振動－変動トルク近似式を用いて、振動データに基づいて変動トルクを算出する。そして、算出部４２１は、予め記憶部４３に記憶された稼働トルクと損傷度との関係式を用いて、平均トルクと変動トルクとを合算した値である稼働トルクから単位時間毎の損傷度を算出する。
なお、算出部４２１は、単位時間毎の損傷度のほか、例えば水門設備の１稼働（１運転）毎、つまり扉体２の上昇毎および扉体２の下降毎の損傷度を算出してもよい。これにより、損傷度を算出するための処理量を低減することができる。

【0027】

なお、平均トルクを算出するための電流－平均トルク近似式および変動トルクを算出するための振動－変動トルク近似式は、水門システム１の設置初期に算出され、記憶部４３へ予め記憶されている。これらの近似式の算出方法については後述する。

【0028】

推定部４２２は、算出部４２１が算出した単位時間毎の損傷度を累積した累積損傷度に基づいて水門設備の余寿命を推定する。具体的には、推定部４２２は、記憶部４３に予め記憶された累積損傷度と余寿命との関係式を参照し、累積損傷度から余寿命を算出する。推定部４２２は、算出した余寿命を表示部４４へ出力し、表示部４４に表示させる。なお、推定部４２２は、表示部４４と共に、または表示部４４に代えて、インターネットを通じて、スマートフォンまたはタブレット等の端末装置に算出した余寿命を遠隔で表示させてもよい。

【0029】

記憶部４３は、演算装置４が使用する各種情報を記憶する。例えば記憶部４３は、電流－平均トルク近似式および振動－変動トルク近似式を記憶する。これらの近似式は、例えば水門システム１の設置時に算出され、記憶部４３へ予め記憶される。また、記憶部４３は、稼働トルクと損傷度との関係式、累積損傷度と余寿命との関係式、および水門システム１の稼働中に信号受信部４１が受信した各種信号データを記憶する。

【0030】

〔演算装置４の処理〕
次に、演算装置４が実行する各種処理について説明する。まず、電流－平均トルク近似式および振動－変動トルク近似式の算出処理について説明する。これらの近似式の算出処理は、例えば水門システム１の設置初期に算出部４２１が実行する。ただし、水門設備の経年劣化等を鑑みて、所定期間経過毎に近似式の算出処理を実行してもよい。また、扉体２が開く場合の近似式と、扉体２が閉じる場合の近似式との両方を別々に算出してもよい。これにより、水門設備の余寿命の推定精度をより高めることができる。

【0031】

（電流－平均トルク近似式の算出処理）
算出部４２１は、電流センサＤ１が検出した電流データおよびトルクセンサＤ３が検出したトルクデータに基づいて、電流－平均トルク近似式を算出する。

【0032】

図４は、電流と平均トルクとの関係の一例を示すグラフである。図４に示すように、電流と平均トルクとの関係は、電動機３１の特性に応じた近似曲線で示される。このため、算出部４２１は、電流データおよびトルクデータと、電動機３１の特性として予め定められる電動機定格値（例えば、定格電流、定格トルク、定格回転速度等）とに基づいて、電流－平均トルク近似式を算出する。

【0033】

具体的には、算出部４２１は、電流センサＤ１が検出した電流データおよび２つのトルクセンサＤ３が検出した各トルクデータを一定の単位時間（例えば約１．０秒）刻みで実効値計算し、電動機定格値に応じた電流－平均トルク近似式を算出する。

【0034】

図４に例示する近似曲線では、電流データから得られた電流が例えば８０（Ａ）の場合、算出される平均トルクは約５０００（Ｎ・ｍ）である。このような電流－平均トルク近似式を用いることにより、電流データに基づいて平均トルクを算出することができる。従って、電流センサＤ１により電流を検知することによって、高い精度で平均トルクを算出することができる。算出部４２１は、算出した電流－平均トルク近似式を記憶部４３に記憶させる。

【0035】

なお、上述した説明は、平均トルクに関する近似式を算出する方法の一例であり、平均トルクに関する近似式を算出する方法はこれに限定されない。算出部４２１は、電流センサＤ１が検出した電流データに代えて、例えば前記張力センサ（荷重測定部）が測定したワイヤロープ３８の張力の測定値（荷重評価値）等を用いて、平均トルクの近似式を算出してもよい。この場合、算出部４２１は、電動機３１に掛かる負荷を評価するための荷重評価値としてワイヤロープ３８の張力の測定値を用い、滑車効率、ドラム外径および歯車の減速比等から平均トルクを算出してもよい。例えば、ワイヤロープ３８の張力の計測値をＦ、滑車効率をη、ワイヤロープ３８が巻かれているドラム３７の直径をＤ、ドラム３７のトルクをＴとした場合、Ｔ＝Ｆ／η・Ｄ／２となる。このドラム３７のトルクＴを、伝動軸３５までの歯車減速段の減速比で割ることで、伝動軸３５の平均トルクを算出してもよい。

【0036】

（振動－変動トルク近似式の算出処理）
算出部４２１は、振動センサＤ２が検出した振動データおよびトルクセンサＤ３が検出したトルクデータに基づいて、振動－変動トルク近似式を算出する。

【0037】

伝動軸３５とドラム３７とは、ピニオンギヤ３６とドラムギヤ３７１とのかみ合い部分で接線力を及ぼし合うことでトルクを伝達する。伝達されるトルクが変動している場合、その変動トルクはピニオンギヤ３６の振動に現れる。

【0038】

ここで、振動センサＤ２が検出した振動データには、電気的なノイズまたは周囲環境の振動等の不要な情報が含まれる。また、伝動軸３５の動力をドラム３７へ伝達する際のトルク変動および振動特性に対して、ピニオンギヤ３６とドラムギヤ３７１とがかみ合う最中のかみ合い剛性の変動が大きな影響を及ぼす。このため、振動－変動トルク近似式を算出する際、必要な情報を選択的に抽出し、それ以外の情報を除去することが好ましい。

【0039】

そこで、算出部４２１は、振動－変動トルク近似式を算出する過程において、ピニオンギヤ３６とドラムギヤ３７１とのかみ合い率を基準にして、ピニオンギヤ３６とドラムギヤ３７１とのかみ合い周波数成分を選択的に抽出する。かみ合い率とは、かみ合う歯の枚数を示した設計指標であり、歯車の形状・寸法により決まる固定値である。

【0040】

具体的には、ピニオンギヤ３６とドラムギヤ３７１とのかみ合い率を整数に切り上げた数値をＮとした場合、算出部４２１は、かみ合い周波数成分の１次成分からＮ次成分までの中から選択される周波数成分に基づいて、振動－変動トルク近似式を算出する。

【0041】

ピニオンギヤ３６とドラムギヤ３７１とのかみ合い率をｉとした場合、かみ合う歯の枚数はｉ→ｉ＋１→ｉ→ｉ＋１…と交互に変化する。例えばピニオンギヤ３６とドラムギヤ３７１とのかみ合い率が１．５の場合、かみ合う歯の枚数は概ね１→２→１→２…と交互に変化する。この場合、算出部４２１は、かみ合い周波数成分の１次成分から２次成分までの中から選択される周波数成分に基づいて、振動－変動トルク近似式を算出する。また、ピニオンギヤ３６とドラムギヤ３７１とのかみ合い率が２．５の場合、かみ合う歯の枚数は概ね２→３→２→３…と交互に変化する。この場合、算出部４２１は、かみ合い周波数成分の１次成分から３次成分までの中から選択される周波数成分に基づいて、振動－変動トルク近似式を算出する。このように、かみ合い率を基準にして、振動データからかみ合い周波数成分を選択的に抽出して振動－変動トルク近似式を算出することにより、変動トルクの算出精度を向上させることができる。

【0042】

図５は、振動と変動トルクとの関係の一例を示すグラフである。図５に示すように、算出部４２１は、かみ合い周波数成分の１次成分および２次成分を選択的に抽出し、これらの１次成分および２次成分に基づいて振動－変動トルク近似式を算出してもよい。

【0043】

かみ合い率をｉとした場合、１枚の歯のかみ合い始めから終わりまでの間に、概ね「ｉ枚かみ合い→ｉ＋１枚かみ合い→ｉ枚かみ合い」と２回変化する。このため、一般的に、歯のかみ合い枚数の変化に起因する振動は、かみ合い周波数の１次成分と２次成分とが支配的である。従って、かみ合い周波数成分の１次成分および２次成分に基づいて振動－変動トルク近似式を算出することにより、変動トルクの算出精度を確保しつつ、振動－変動トルク近似式を算出するための処理量を低減することができる。ただし、かみ合い周波数成分の３次成分以上を使用して振動－変動トルク近似式を算出してもよい。これにより、変動トルクの算出精度をより高めることができる。

【0044】

図５の例示では、算出部４２１は、振動センサＤ２が検出した振動データおよびトルクセンサＤ３が検出した各トルクデータを一定の単位時間（かみ合い周波数が１０．８Ｈｚである場合は例えば約１．６秒）刻みでＦＦＴ解析（周波数解析）する。そして、算出部４２１は、かみ合い周波数の１次成分および２次成分（図５中にかみ合い１次＋２次）について最小二乗法により振動－変動トルク近似式を算出する。なお、ＦＦＴ解析を実行する単位時間（サンプリング間隔）は、周波数分解能との兼ね合いで適宜設定される。

【0045】

図５に例示する近似直線では、振動データから得られた振動速度が例えば０．８（ｍｍ／ｓ）の場合、算出される変動トルクは約４３０（Ｎ・ｍ）である。このような振動－変動トルク近似式を用いることにより、振動データに基づいて変動トルクを算出することができる。従って、振動センサＤ２により振動を検知することによって、高い精度で変動トルクを算出することができる。算出部４２１は、算出した振動－変動トルク近似式を記憶部４３に記憶させる。

【0046】

〔余寿命の推定処理〕
次に、演算部４２の算出部４２１および推定部４２２が実行する水門設備の余寿命の推定処理について説明する。余寿命の推定処理は、水門設備の稼働中に随時実行されてもよく、または所定期間毎（例えば１日毎）に纏めて実行されてもよい。以下では、余寿命の推定処理を所定期間毎（１日毎）に纏めて実行する一例について説明する。

【0047】

図６は、水門設備の余寿命の推定処理の一例を示すフローチャートである。図６に示すように、水門システム１では、扉体２の移動時、つまり扉体２が上昇または下降を行う際、電流センサＤ１により電動機３１の駆動電流が検出されると共に、振動センサＤ２によりピニオンギヤ３６の振動が検出される（ステップＳ１、検出工程）。検出された電流および振動は信号受信部４１へ入力され、信号受信部４１は履歴情報として電流データおよび振動データを記憶部４３に記憶させる（ステップＳ２）。これにより、所定期間における電流データおよび振動データが記憶部４３に蓄積される。

【0048】

次に、所定期間経過後、算出部４２１は、損傷度の計算を実行する。まず、算出部４２１は、記憶部４３に記憶された振動データを読み出し（ステップＳ３）、読み出した振動データをＦＦＴ解析して、ピニオンギヤ３６とドラムギヤ３７１とのかみ合い率を基準にかみ合い周波数成分を抽出する（ステップＳ４）。このとき、算出部４２１は、振動－変動トルク近似式の算出時に用いたかみ合い周波数成分を抽出する。そして、算出部４２１は、記憶部４３に記憶された振動－変動トルク近似式を用いて、抽出した周波数成分に基づいて変動トルクを算出する（ステップＳ５、演算工程）。

【0049】

次に、算出部４２１は、記憶部４３に記憶された電流データを読み出す（ステップＳ６）。そして、算出部４２１は、読み出した電流データを実効値計算し、予め記憶部４３に記憶された電流－平均トルク近似式を用いて、平均トルクを算出する（ステップＳ７）。

【0050】

次に、算出部４２１は、ステップＳ５で算出した変動トルクとステップＳ７で算出した平均トルクとを合算して稼働トルクを算出する（ステップＳ８）。そして、算出部４２１は、予め記憶部４３に記憶された稼働トルクと損傷度との関係式および単位時間における荷重繰返し数を用いて単位時間当たりの損傷度を算出する（ステップＳ９）。算出部４２１は、水門設備の１稼働当たり、つまり扉体２の上昇毎および扉体２の下降毎に単位時間当たりの損傷度を積算し、１稼働当たりの損傷度を算出する（ステップＳ１０）。

【0051】

算出部４２１は、ステップＳ３からステップＳ１０までの処理、つまり１稼働当たりの損傷度の算出処理を、所定期間における全稼働分の損傷度が算出されるまで繰り返し実行する。そして、全稼働分の損傷度を算出した後、算出部４２１は、それ以前に累積された累積損傷度、つまり前日までに累積された累積損傷度に全稼働分の損傷度を積算し（ステップＳ１１）、累積損傷度を更新する。算出部４２１は、更新後の累積損傷度を推定部４２２へ出力すると共に、更新後の累積損傷度を記憶部４３に記憶させる。

【0052】

次に、推定部４２２は、算出部４２１から出力された累積損傷度に基づいて、水門設備の余寿命を推定する（ステップＳ１２）。水門設備の余寿命は、累積損傷則（マイナー則）等の公知の手法を用いて推定することができる。

【0053】

図７は、累積損傷度と余寿命との関係の一例を示すグラフである。例えば１稼働当たりの機械負荷Ｆｉがｎｉ回作用した際の損傷度ｎｉ／Ｎｉとした場合、図７に示すように、推定部４２２は、累積疲労度Σ（ｎｉ／Ｎｉ）＝１を機械寿命として、累積疲労度の近似直線から現在の余寿命を推定する。

【0054】

このように演算部４２は、振動－変動トルク近似式を用いて算出した変動トルクに基づいて累積損傷度を算出し、累積損傷度から水門設備の余寿命を推定する。従って、余寿命の推定精度を向上させることができる。

【0055】

なお、余寿命の推定は、水門設備の構成部品毎に実行される。つまり、伝動軸３５、ピニオンギヤ３６およびドラム３７等の構成部品毎に損傷度が累積され、累積損傷度に応じて構成部品毎の余寿命が推定される。

【0056】

〔演算装置４のまとめ〕
以上のように、本実施形態に係る演算装置４は、電動機３１の動力をドラム３７へ伝達する伝動軸３５に固定されたピニオンギヤ３６の振動を検出する振動センサＤ２から出力された振動信号に基づいて、伝動軸３５の変動トルクを算出する演算部４２を備える。ピニオンギヤ３６と、該ピニオンギヤ３６にかみ合って電動機３１の動力をドラム３７へ伝達するドラムギヤ３７１とのかみ合い率を整数に切り上げた数値をＮとした場合、演算部４２は、かみ合い周波数成分の１次成分からＮ次成分までの中から選択される周波数成分に基づいて算出された振動と前記変動トルクとの関係を示す近似式を用いて、振動信号から変動トルクを算出する。

【0057】

演算装置４では、かみ合い周波数成分の１次成分からＮ次成分までの中から選択される周波数成分に基づいて算出された近似式を用いて、振動信号から変動トルクを算出する。従って、演算装置４によれば、振動信号から必要な情報を選択的に抽出して変動トルクを算出するため、変動トルクの算出精度を向上させることができる。

【0058】

なお、本開示に係る演算装置４が適用される対象は、水門設備に限定されない。演算装置４は、例えばごみ焼却施設、風車等の歯車を用いた回転機械を有する装置全般に適用可能である。

【0059】

〔ソフトウェアによる実現例〕
演算装置４の機能は、当該装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、当該装置の各制御ブロックとしてコンピュータを機能させるためのプログラムにより実現することができる。

【0060】

この場合、前記装置は、前記プログラムを実行するためのハードウェアとして、少なくとも１つの制御装置（例えばプロセッサ）と少なくとも１つの記憶装置（例えばメモリ）を有するコンピュータを備えている。この制御装置と記憶装置により前記プログラムを実行することにより、前記実施形態で説明した各機能が実現される。

【0061】

前記プログラムは、一時的ではなく、コンピュータ読み取り可能な、１または複数の記録媒体に記録されていてもよい。この記録媒体は、前記装置が備えていてもよいし、備えていなくてもよい。後者の場合、前記プログラムは、有線または無線の任意の伝送媒体を介して前記装置に供給されてもよい。

【0062】

また、前記各制御ブロックの機能の一部または全部は、論理回路により実現することも可能である。例えば、前記各制御ブロックとして機能する論理回路が形成された集積回路も本発明の範疇に含まれる。この他にも、例えば量子コンピュータにより前記各制御ブロックの機能を実現することも可能である。

【0063】

〔補足〕
本発明の態様１に係る演算装置は、電動機の動力を回転機械へ伝達する伝動軸に固定された第１歯車の振動を検出する振動検出部から出力された振動信号に基づいて、前記伝動軸の変動トルクを算出する演算部を備え、前記第１歯車と、該第１歯車にかみ合って前記動力を前記回転機械へ伝達する第２歯車とのかみ合い率を整数に切り上げた数値をＮとした場合、前記演算部は、かみ合い周波数成分の１次成分からＮ次成分までの中から選択される周波数成分に基づいて算出された振動と前記変動トルクとの関係を示す近似式を用いて、前記振動信号から前記変動トルクを算出する。

【0064】

前記構成では、かみ合い周波数成分の１次成分からＮ次成分までの中から選択される周波数成分に基づいて算出された近似式を用いて、振動信号から変動トルクを算出する。従って、前記構成によれば、振動信号から必要な情報を選択的に抽出して変動トルクを算出するため、変動トルクの算出精度を向上させることができる。

【0065】

本発明の態様２に係る演算装置では、前記態様１において、前記近似式は、前記かみ合い周波数成分の１次成分および２次成分に基づいて算出されてもよい。

【0066】

一般的に、歯のかみ合い枚数の変化に起因する振動は、かみ合い周波数の１次成分と２次成分とが支配的である。従って、前記構成によれば、変動トルクの算出精度を確保しつつ、振動－変動トルク近似式の算出処理量を低減することができる。

【0067】

本発明の態様３に係る演算装置では、前記態様１または２において、前記演算部は、前記電動機に掛かる負荷を荷重評価値として測定する荷重測定部から出された前記荷重評価値と前記電動機の定格値とに基づいて、前記伝動軸の平均トルクを算出してもよい。

【0068】

前記構成によれば、電動機に掛かる負荷を荷重評価値として測定することによって、高い精度で平均トルクを算出することができる。

【0069】

本発明の態様４に係る演算装置では、前記態様３において、前記演算部は、前記平均トルクと前記変動トルクとを合算した値に基づいて損傷度を算出し、前記算出された損傷度の累積値に基づいて前記回転機械を備える設備の余寿命を推定してもよい。

【0070】

前記構成では、演算部は、前記近似式を用いて算出された変動トルクに基づいて設備の余寿命を推定する。従って、前記構成によれば、余寿命の推定精度を高めることができる。

【0071】

本発明の態様５に係る演算方法は、電動機の動力を回転機械へ伝達する伝動軸に固定された第１歯車の振動を振動検出部によって検出する検出工程と、前記振動検出部から出力された振動信号に基づいて、前記伝動軸の変動トルクを算出する演算工程と、を含み、前記第１歯車と、該第１歯車にかみ合って前記動力を前記回転機械へ伝達する第２歯車とのかみ合い率を整数に切り上げた数値をＮとした場合、前記演算工程にて、かみ合い周波数成分の１次成分からＮ次成分までの中から選択される周波数成分に基づいて算出された振動と前記変動トルクとの関係を示す近似式を用いて、前記振動信号から前記変動トルクを算出する。

【0072】

前記方法では、かみ合い周波数成分の１次成分からＮ次成分までの中から選択される周波数成分に基づいて算出された近似式を用いて、振動信号から変動トルクを算出する。従って、前記方法によれば、振動信号から必要な情報を選択的に抽出して変動トルクを算出するため、変動トルクの算出精度を向上させることができる。

【0073】

本発明の各態様に係る演算装置は、コンピュータによって実現してもよく、この場合には、コンピュータを前記演算装置が備える各部（ソフトウェア要素）として動作させることにより前記演算装置をコンピュータにて実現させる演算装置の制御プログラム、およびそれを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本発明の範疇に入る。

【0074】

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、実施形態に開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0075】

４ 演算装置
３１ 電動機
３５ 伝動軸
３６ ピニオンギヤ（第１歯車）
３７ ドラム（回転機械）
４２ 演算部
３７１ ドラムギヤ（第２歯車）
４２１ 算出部（演算部）
４２２ 推定部（演算部）
Ｄ１ 電流センサ（荷重測定部）
Ｄ２ 振動センサ（振動検出部）
Ｓ１ 検出工程
Ｓ５ 演算工程

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】