JP2008139185A - 軸受の潤滑剤劣化検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 軸受内部の潤滑剤劣化状態を安定して精度良く検出できる軸受の潤滑剤劣化検出装置を提供する。
【解決手段】 転がり軸受の内外輪間の軸受空間に沿って円弧状に延びる光ファイバ４を設ける。この光ファイバ４の両端に発光素子および受光素子をそれぞれ配置する。光ファイバ４の中間に測定用ギャップ５を設け、この測定用ギャップ５を前記軸受空間内に配置する。光ファイバ４の前記測定用ギャップ５を形成する両側の対向面４ａを、それぞれ内輪側から外輪側へ、または外輪側から内輪側へ向かうように傾斜して、かつ互いに同軸上に位置して設ける。
【選択図】 図６

Description

この発明は、転がり軸受内に封入された潤滑剤の混入物などによる劣化状態を検出する軸受の潤滑剤劣化検出装置に関する。

潤滑剤を封入した軸受では、軸受内部の潤滑剤（グリース、油など）が劣化すると転動体の潤滑不良が発生し、軸受寿命が短くなる。転動体の潤滑不良を、軸受の振動状態などから判断するのでは、寿命に達して動作異常が発生してから対処することになるため、潤滑状態の異常をより早く検出できない。そこで、軸受内の潤滑剤の状態を定期的あるいはリアルタイムに観測し、異常やメンテナンス期間の予測を可能にすることが望まれる。

潤滑剤の劣化の主要な要因として、軸受の使用に伴って発生する摩耗粉が潤滑剤に混入することが挙げられる。
軸受の摩耗状態を検出するものとしては、軸受のシールの内側に電極やコイル等のセンサを配置し、摩耗粉の混入する潤滑剤の電気的特性を抵抗値・静電容量・磁気抵抗・インピーダンスなどの変化として検出するようにしたセンサ付き軸受が提案されている（例えば特許文献１）。
特開２００４−２９３７７６号公報

しかし、特許文献１のセンサ付き軸受は、潤滑剤の電気的特性を検出するものであるため、大量の摩耗粉が入って導通が起こるなどの状況にならなければ、特性変化として検出されず、混入物の検出が困難な場合がある。

このような課題を解決するものとして、例えば図８のように、両端にそれぞれ発光素子４２および受光素子４３を対向させる一つ割りのリング状の光ファイバ４４を設け、このリング状の光ファイバ４４の円周方向の一部に、潤滑剤４５を介在させる測定用ギャップ４７を設けた光学式の構成を考えた。
図８の構成では、発光素子４２から出射された光が光ファイバ４４を経由して測定用ギャップ４７に存在する潤滑剤４５を透過し、さらに光ファイバ４４を経由して受光素子４３で検出され、受光素子４３で検出される透過光量から潤滑剤４５に混入する鉄粉等の異物の量が推定される。

しかし、このような光学式のセンサを軸受内に組み込んで、軸受内部に封入された潤滑剤の劣化検出に用いる場合、光ファイバ４４に対する保護がされていないので、光ファイバ４４が潤滑剤の流動による荷重を受ける。そのため、光ファイバ４４が動くことによって出力が変動したり、光ファイバ４４が破損する可能性があり、安定した精度の良い検出ができない。

潤滑剤の流動によって光ファイバ４４が動くのを防止する対策として、光ファイバ４４の測定用ギャップ４７の近傍部を除く部分を覆うカバーを設けることが考えられる。
しかし、この場合には、軸受内の潤滑剤が転動体の回転に伴って保持器と共に移動する動きを前記カバーが制限してしまうので、測定用ギャップ４７に潤滑剤が入り込み難いことがある。また、潤滑剤が軸受の周方向に移動することから、測定用ギャップ４７が軸受の径方向に開通するように、測定用ギャップ４７を挟んで対峙する光ファイバ４４の対向面を設定すると、測定用ギャップ４７への潤滑剤の入り込みがさらに妨げられるので、やはり安定した精度の良い検出ができない。

この発明の目的は、軸受内部の潤滑剤劣化状態を安定して精度良く検出できる軸受の潤滑剤劣化検出装置を提供することである。

この発明の潤滑剤劣化検出装置は、転がり軸受の内外輪間の軸受空間に沿って円弧状に延びる光ファイバを設け、この光ファイバの両端に発光素子および受光素子をそれぞれ配置し、前記光ファイバの中間に測定用ギャップを設け、この測定用ギャップを前記軸受空間内に配置し、前記光ファイバの前記測定用ギャップを形成する両側の対向面を、それぞれ内輪側から外輪側へ、または外輪側から内輪側へ向かうように傾斜して、かつ互いに同軸上に位置して設けたことを特徴とする。
この構成によると、測定用ギャップを構成する光ファイバの対向面を、内輪側から外輪側へ、または外輪側から内輪側へ向かうように傾斜させ、軸受のピッチ円の接線に対して傾斜角度を持つようにしたので、転動体の回転に伴って軸受内を周方向に移動する潤滑剤が測定用ギャップに入り込み易くなる。その結果、軸受内部の潤滑剤劣化状態を安定して精度良く検出できる。

この発明において、前記光ファイバの前記測定用ギャップを、前記転がり軸受における転動体を保持する環状の保持器よりも内径側に配置しても良い。

この発明において、前記光ファイバを外輪に対して固定する固定具を設け、前記光ファイバの前記測定用ギャップを形成するギャップ形成端部の近傍に位置して、前記軸受空間内の潤滑剤が内輪と共に回転移動することに対して抵抗となる抵抗体を前記固定具に設けても良い。
このように抵抗体を設けた場合、測定用ギャップの近傍部で移動する潤滑剤を抵抗体の近傍に溜めることができる。これにより、抵抗体の近傍に溜められた潤滑剤が、それまで測定用ギャップに存在していた潤滑剤を押し出して、入れ代わりに測定用ギャップに入り込むという動きが順次繰り返されることから、常に潤滑に作用している潤滑剤を検出対象とすることになり、より安定的に精度良く潤滑剤の劣化検出を行うことができる。

この発明の軸受の潤滑剤劣化検出装置は、転がり軸受の内外輪間の軸受空間に沿って円弧状に延びる光ファイバを設け、この光ファイバの両端に発光素子および受光素子をそれぞれ配置し、前記光ファイバの中間に測定用ギャップを設け、この測定用ギャップを前記軸受空間内に配置し、前記光ファイバの前記測定用ギャップを形成する両側の対向面を、それぞれ内輪側から外輪側へ、または外輪側から内輪側へ向かうように傾斜して、かつ互いに同軸上に位置して設けたため、軸受内部の潤滑剤劣化状態を安定して精度良く検出できる。

この発明の一実施形態を図１ないし図６と共に説明する。図１は、この実施形態の潤滑剤劣化検出装置を組み込んだ転がり軸受の一例を示す。この転がり軸受２０は鉄道車両用軸受であって、内輪２１の両側に各々接して設けられた付属品である油切り２５および後ろ蓋２６とで鉄道車両用軸受ユニットを構成する。転がり軸受２０は、ころ軸受、詳しくは複列の円すいころ軸受からなり、各列のころ２３，２３に対して設けた分割型の内輪２１，２１と、一体型の外輪２２と、前記ころ２３，２３と、保持器２４とを備える。
油切り２５は、車軸４０に取付けられて外周にオイルシール３１を摺接させたものである。このオイルシール３１は、外輪２２の前記油切り２５に対応する一端部に取付けられる環状のシールケース２７の内径面に、断面Ｌ字状のリング部材２９を介して圧入嵌合される。前記シールケース２７の内側に潤滑剤劣化検出装置１が同心に取付けられる。
後ろ蓋２６は、車軸４０に軸受２０よりも中央側で取付けられて外周にオイルシール３２を摺接させたものである。このオイルシール３２は、外輪２２の前記後ろ蓋２６に対応する他端部に取付けられる環状のシールケース２８の内径面に、断面Ｌ字状のリング部材３０を介して圧入嵌合される。これら軸受２０の両端部に配置される両オイルシール３１，３２により軸受２０の内部に潤滑剤が封止され、かつ防塵・耐水性が確保される。

潤滑剤劣化検出装置１は軸受２０に組み込まれて軸受内部に封入された潤滑剤の劣化検出を行うものであり、図２にその概略構成図を示すように、発光素子２および受光素子３と、円弧状の光ファイバ４と、前記受光素子３の出力により潤滑剤の劣化を判定する判定手段６とを備える。前記光ファイバ４の一端は前記発光素子２の発光面に、他端は前記受光素子３の受光面にそれぞれ対向して配置される。また、光ファイバ４の円周方向の一部には，潤滑剤５を介在させる測定用ギャップ７が設けられている。
このように円弧状の光ファイバ４の円周方向の一部に、検出対象の潤滑剤５を介在させる測定用ギャップ７を設けることにより、発光素子２から出射された光が光ファイバ４を介して潤滑剤５を透過し、その透過光がさらに光ファイバ４を介して受光素子３に入射される。

前記発光素子２としては、ＬＥＤ、ＥＬ、有機ＥＬなどを用いることができ、発光回路８によって駆動される。前記受光素子３としては、フォトダイオード、フォトトランジスタなどを用いることができ、その出力を受ける受光回路９によって受光素子３の受光量が検出される。

光ファイバ４は、固定具１０〜１３を介して前記転がり軸受２０の外輪２２側に設けられる。１つの固定具１２は、光ファイバ４の前記測定用ギャップ７の近傍部を除く部分を覆って検出対象の潤滑剤５の流動による荷重から光ファイバ４を保護するカバーを兼ねる円弧状の部材であり、図２のＢ−Ｂ矢視断面図を示す図３（Ｂ）のように、断面概形がＳ字状の剛性材料、例えば合成樹脂または金属材料からなる。具体的には、カバ−兼用の固定具１２は、円弧状の光ファイバ４に対するその円弧中心軸方向の片側（図３（Ｂ）では右側）を少なくとも覆うものとされる。この潤滑剤劣化検出装置１を軸受内に設置する場合、前記固定具１２の表面側（図３（Ｂ）では右側面）が軸受内に封入される潤滑剤に晒されるように配置される。

光ファイバ４を固定する他の１つの固定具１０は、カバー兼用の前記固定具１２の裏面（図３（Ｂ）では左側面）下半部に接合される円弧状の部材であり、この固定具１０に光ファイバ４の両端が固定され、さらに発光素子２および受光素子３もこの固定具１０に固定される。また、図３（Ｂ）のように、表面側の固定具１２と裏面側の固定具１０とで挟まれて形成される円弧状空間１６内に光ファイバ４の測定ギャップ７の近傍部以外の部分が配置される。これにより、潤滑剤５の流動による荷重から、光ファイバ４、発光素子２および受光素子３が保護される。光ファイバ４を固定するさらに他の１つの固定具１１は、図２のＡ−Ａ矢視断面図を示す図３（Ａ）のように、前記固定具１０の前面側に固定され、この固定具１１に光ファイバ４の測定用ギャップ７の近傍部が固定されて位置決めされている。

光ファイバ４の測定用ギャップ７に対応する位置であるカバー兼用の固定具１２の円周方向中間部には、図２に正面図で示すように円周方向に延びるスリット状の開口１４が設けられ、これにより測定用ギャップ７が軸受内部の潤滑剤５に晒される。図４に平面図で示すように、固定具１１は、光ファイバ４の測定用ギャップ７の近傍部を支持する部分が、カバー兼用の固定具１２の開口１４から固定具１２の表面側に向けて二股状に突出した突出部１１ａとされている。これにより、光ファイバ４の測定用ギャップ７の近傍部が、カバー兼用の固定具１２から外側に突出させられる。

光ファイバ４の測定用ギャップ７の近傍部を拡大して平面図および正面図で示す図５（Ａ），（Ｂ）のように、さらに他の１つの固定具１３はパイプからなり、光ファイバ４の測定用ギャップ７の近傍部以外の部分が前記パイプ状固定具１３内に略隙間なく挿通される。この固定具１３により光ファイバ４の変形が防止される。

図１に示すように、潤滑剤劣化検出装置１の軸受２０への取付けにおいて、シールケース２７における大径段部の内径面に潤滑剤劣化検出装置１のカバー兼用固定具１２が嵌め込まれ、続いて圧入される圧入リング３４により、シールケース２７の大径段部端面とリング部材２９（図３（Ｂ））の立板部にわたって潤滑剤劣化検出装置１が押し当てられる。これにより、潤滑剤劣化検出装置１が軸方向に位置決め固定され、転がり軸受２０の内外輪２１，２２間の軸受空間に円周方向に延びる光ファイバ４が配置される。

光ファイバ４の測定用ギャップ７の近傍部と軸受内輪２１との関係を正面図で示す図６のように、測定用ギャップ７を形成する光ファイバ４の両対向面４ａは、測定用ギャップ７の周方向位置における内輪２１の接線方向Ａに対して傾斜角度αを持たせてある。すなわち、内輪２１側から外輪２２側へ、または外輪２２側から内輪２１側へ向かうように傾斜させてある。この場合、光ファイバ４の対向面４ａは、互いに同軸上に位置し、光ファイバ４の軸心方向Ｐに対しては略垂直とされるが、光ファイバ４の測定用ギャップ７を形成するギャップ形成端部４ｂを、内輪２１の接線方向Ａに対して傾斜角度β（９０°−α）を持つ向きに設定することで、前記対向面４ａに内輪２１の接線方向Ａに対する傾斜角度αを持たせている。

潤滑剤５が新品のときには透明に近い状態にあり、発光素子２から光ファイバ４を経由して投光され潤滑剤５を透過する透過光の強度は高い。ところが、潤滑剤５に混入する鉄粉（摩耗粉）などの異物の量が多くなると、透過光の強度が徐々に低下する。そこで、判定手段６は、透過光の強度に対応する受光素子３の出力から、潤滑剤５に混入している異物の量を検出する。潤滑剤５に混入する異物の量の増加は潤滑剤５の劣化の進行を意味するので、検出された異物の量から潤滑剤５の劣化具合を推定することができる。

このように、この軸受の潤滑剤劣化検出装置１では、転がり軸受２０の内外輪２１，２２間の軸受空間に、円周方向に延びる光ファイバ４を設け、この光ファイバ４の両端に発光素子２および受光素子３をそれぞれ配置し、前記光ファイバ４の中間に測定用ギャップ７を設け、この測定用ギャップ７を構成する光ファイバ４の対向面４ａに、前記測定用ギャップ７の周方向位置における内輪２１の接線方向Ａ（図６）に対して傾斜角度αを持たせているので、測定用ギャップ７の開通方向が軸受２０の径方向とならず、ころ２３の回転に伴って保持器２４と共に軸受内を周方向に移動する潤滑剤が測定用ギャップ７に入り込み易くなる。その結果、軸受内部の潤滑剤劣化状態を安定して精度良く検出できる。

光ファイバ４の前記対向面４ａを軸心に対して傾斜した角度とすることで、内輪２１の接線方向Ａに対して対向面４ａに傾斜角度αを持たせることもできるが、この場合には測定用ギャップ７の設定が難しくなる。
この実施形態では、図６のように光ファイバ４の前記測定用ギャップ７を形成する対向面４ａを、光ファイバ４の軸心方向Ｐに対して略垂直とし、光ファイバ４の測定用ギャップ７を形成するギャップ形成端部４ｂが、内輪２１の接線方向Ａに対して傾斜角度βを持つようにすることで、測定用ギャップ７の周方向位置における内輪２１の接線方向Ａに対して光ファイバ４の対向面４ａに前記傾斜角度αを持たせているので、測定用ギャップ７のギャップ量を一定量に設定する作業が容易となる。

また、この実施形態では、カバー兼用の固定具１２等で、光ファイバ４における測定用ギャップ７の近傍部を除く部分が覆われているので、光ファイバ４を潤滑剤５の流動による荷重から保護でき、光ファイバ４の破損が保護される。
さらに、この実施形態では、固定具１１の突出部１１ａで光ファイバ４の測定用ギャップ７を形成するギャップ形成端部４ｂの近傍部を支持することで、光ファイバ４の測定用ギャップ７の近傍部を、カバー兼用の固定具１２から突出させているので、カバー兼用の固定具１２が測定用ギャップ７の付近での潤滑剤５の移動の妨げとならない。これらの構成により、軸受内部の潤滑剤劣化状態をより安定して精度良く検出できる。

図７は、潤滑剤劣化検出装置１における光ファイバ４の測定用ギャップ７近傍部の他の構成例での軸受内輪２１との関係の正面図を示す。この構成例では、光ファイバ４の測定用ギャップ７を形成するギャップ形成端部４ｂの近傍に位置して、軸受空間内の潤滑剤５が内輪２１と共に回転移動することに対して抵抗となる抵抗体１７を位置させている。具体的には、前記抵抗体１７は、光ファイバ４を挿通させるパイプからなる固定具１３における測定用ギャップ７の近傍に設けられ、光ファイバ４の周囲を囲む筒状とされている。両側の抵抗体１７の対向面１７ａは、互いに平行で、かつ光ファイバ４に対して傾斜させてある。抵抗体１７の対向面１７ａの傾斜方向は、光ファイバ４の対向面４ａの傾斜をさらに強める方向としてある。その他の構成は図１〜６図の場合の構成と同じである。

このように抵抗体１７を設けた場合、測定用ギャップ７の近傍部で移動する潤滑剤５を抵抗体１７の近傍に溜めることができる。これにより、抵抗体１７の近傍に溜められた潤滑剤５が、それまで測定用ギャップ７に存在していた潤滑剤５を押し出して、入れ代わりに測定用ギャップ７に入り込むという動きが順次繰り返されることから、常に潤滑に作用している潤滑剤５を検出対象とすることになり、より安定的に精度良く潤滑剤５の劣化検出を行うことができる。

この発明の一実施形態に係る潤滑剤劣化検出装置を搭載した軸受の断面図である。 同潤滑剤劣化検出装置の概略構成図である。 （Ａ）は図２におけるＡ−Ａ矢視断面図、（Ｂ）は図２におけるＢ−Ｂ矢視断面図、（Ｃ）は図２における矢印Ｃ方向から見た側面図である。 潤滑剤劣化検出装置の部分平面図である。 （Ａ）は図４の一部を拡大した平面図、（Ｂ）は同正面図である。 光ファイバの測定用ギャップ近傍部と軸受内輪との関係を示す正面図である。 光ファイバの測定用ギャップ近傍部の他の構成例の軸受内輪との関係を示す正面図である。 潤滑剤劣化検出装置の提案例の概略構成図である。

符号の説明

１…潤滑剤劣化検出装置
２…発光素子
３…受光素子
４…光ファイバ
４ａ…対向面
４ｂ…ギャップ形成端部
５…潤滑剤
７…測定用ギャップ
１０〜１３…固定具
１７…抵抗体
２０…転がり軸受
２１…内輪
２２…外輪

Claims (3)

1. 転がり軸受の内外輪間の軸受空間に沿って円弧状に延びる光ファイバを設け、この光ファイバの両端に発光素子および受光素子をそれぞれ配置し、前記光ファイバの中間に測定用ギャップを設け、この測定用ギャップを前記軸受空間内に配置し、前記光ファイバの前記測定用ギャップを形成する両側の対向面を、それぞれ内輪側から外輪側へ、または外輪側から内輪側へ向かうように傾斜して、かつ互いに同軸上に位置して設けたことを特徴とする軸受の潤滑剤劣化検出装置。
2. 請求項１において、前記光ファイバの前記測定用ギャップを、前記転がり軸受における転動体を保持する環状の保持器よりも内径側に配置した軸受の潤滑剤劣化検出装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記光ファイバを外輪に対して固定する固定具を設け、前記光ファイバの前記測定用ギャップを形成するギャップ形成端部の近傍に位置して、前記軸受空間内の潤滑剤が内輪と共に回転移動することに対して抵抗となる抵抗体を前記固定具に設けた軸受の潤滑剤劣化検出装置。

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