JP2021032769A - 転がり軸受の状態監視方法及び状態監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】実機での実施が容易な手法で、軸受の公転滑りを監視することで、軸受の不具合発生の予測、又は該不具合発生を防止することができる転がり軸受の状態監視方法及び状態監視装置を提供する。【解決手段】転がり軸受の状態監視方法は、転がり軸受の外輪、外輪が嵌合するハウジング、内輪、又は内輪が嵌合する軸に取り付けられた超音波センサのプローブから外輪、又は内輪に向けて超音波を発生させ、外輪と転動体との境界、ハウジングと外輪との境界、内輪と転動体との境界、又は軸と内輪との境界からの反射波を受信し、該受信した反射波のエコー高さの変動に基づいて、転動体の実測公転数を求める工程と、転がり軸受の内輪、外輪、該内輪が嵌合する回転軸、又は該外輪が嵌合するハウジングの回転数を回転センサにより検出し、該回転数に基づいて、転動体の理論公転数を求める工程と、転動体の実測公転数と転動体の理論公転数を比較することで、転がり軸受の公転滑りを監視する工程と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、転がり軸受の状態監視方法及び状態監視装置に関する。

転がり軸受は、回転軸を支持するため、風力発電用増速機や自動車用トランスミッションなど、機械装置や車両に多数使用されている。一方、はく離など、転がり軸受の損傷は、装置の回転精度に影響を及ぼすだけでなく、損傷度合いによっては、部品の交換が必要となる。このため、これらの不具合を予測或いは早期に発見すべく、転がり軸受の状態を監視する手法が種々考案されている。

特許文献１では、軸受ハウジングに取り付けられる超音波探触子から超音波を軸受外輪に向けて発生させ、軸受外輪とボールとの境界からの反射波を測定することにより、軸受外輪とボールの間に存在する潤滑油や潤滑状態を観測することが知られている。

また、特許文献２では、転動体と固定輪との間の接触面積の変化を超音波センサのエコーで測定することで、転がり軸受に作用する荷重を求めることが行われている。
また、特許文献３では、転動体を挟んで磁石とホール素子を配置して転動体の公転数を測定しており、特許文献４では、回転センサにて保持器と回転体の回転数を測定し、演算することにより、軸受の公転滑り率を算出することが行なわれている。

特開２０１０−１８１２３７号公報 特許第４８９９４４４号公報 特開２００１−３３４６９号公報 特開２００６−１２５４７５号公報

ところで、転がり軸受の運転時に、転動体の転走面が内輪又は外輪の軌道面に対して滑りながら公転する、所謂、公転滑りもまた、摩耗の進展、スキッディング、また、白色はく離など、転がり軸受の不具合発生原因となる。このため、公転滑りを監視することが求められるが、従来、公転数を正確に測定することは困難であった。

例えば、近接センサ等を用いてころの通過を測定することも可能であるが、近接センサをハウジングの内部の転動体に近い場所に設置する必要があり、実機で実施するのは困難であった。特許文献１及び２では、いずれも公転数の測定を監視対象としておらず、装置の構成や監視のロジックが大きく異なる。
また、特許文献３や、特許文献４に示すようにホール素子や渦電流式の回転センサを用いることも可能であるが、これもハウジング内部の転動体に近い場所にホール素子センサや渦電流式の回転センサを設置する必要があり実機で実施するのは困難である。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、実機での実施が容易な手法で、転がり軸受の公転滑りを監視することで、転がり軸受の不具合発生の予測、又は該不具合発生を防止することができる転がり軸受の状態監視方法及び状態監視装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 転がり軸受の状態を監視する軸受の状態監視方法であって、
前記転がり軸受の外輪、該外輪が嵌合するハウジング、内輪、又は該内輪が嵌合する軸の少なくともいずれか１つに取り付けられた超音波センサのプローブから前記外輪、又は前記内輪に向けて超音波を発生させ、前記外輪と転動体との境界、前記外輪と前記ハウジングとの境界、又は前記内輪と前記転動体との境界、あるいは前記内輪と前記軸との境界からの反射波を受信し、該受信した反射波のエコー高さの変動に基づいて、前記転動体の実測公転数を求める工程と、
前記転がり軸受が内輪回転の場合は、前記内輪、又は前記軸、外輪回転の場合は前記外輪、又は前記ハウジングの回転数を回転センサにより検出し、該回転数に基づいて、前記転動体の理論公転数を求める工程と、
前記転動体の実測公転数と前記転動体の理論公転数を比較することで、前記転がり軸受の公転滑りを監視する工程と、
を備えることを特徴とする転がり軸受の状態監視方法。
（２） 転がり軸受の状態を監視する軸受の状態監視装置であって、
前記転がり軸受の外輪、該外輪が嵌合するハウジング、内輪、又は該内輪が嵌合する軸の少なくともいずれか１つに取り付けられたプローブを有する超音波センサと、
前記転がり軸受が内輪回転の場合は、前記内輪、又は前記軸、外輪回転の場合は前記外輪、又は前記ハウジングの回転数を検出する回転センサと、
前記転動体の実測公転数と前記転動体の理論公転数を比較することで、前記転がり軸受の公転滑りを監視する演算部と、
を備え、請求項１に記載の転がり軸受の状態監視方法を用いることを特徴とする軸受の状態監視装置。

本発明の転がり軸受の状態監視方法及び状態監視装置によれば、実機での実施が容易な手法で、転がり軸受の公転滑りを監視することができ、転がり軸受の不具合発生の予測、又は運転条件の変更により該不具合発生を防止することができる。

本発明の第1実施形態に係る軸受の状態監視装置の概略構成図である。 図１の軸受の状態監視装置を軸方向から見た概略構成図であり、（ａ）は超音波の音軸が転動体間に位置する状態を示し、（ｂ）は、超音波の音軸上に転動体が位置する状態を示す。 図１の軸受の状態監視装置で超音波センサで検出された第１反射波のエコー高さを示すグラフのイメージ図である。 本発明の第２実施形態に係る軸受の状態監視装置の概略構成図である。 図４の軸受の状態監視装置を軸方向から見た概略構成図であり、（ａ）は超音波の音軸が転動体間に位置する状態を示し、（ｂ）は、超音波の音軸上に転動体が位置する状態を示す。 図４の軸受の状態監視装置で超音波センサで検出された反射波のエコー高さを示すグラフであり、（ａ）は第1反射波のイメージ図であり、（ｂ）は第２反射波のイメージ図である。

以下、本発明の各実施形態に係る転がり軸受の状態監視方法及び状態監視装置を図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１に示すように、第１実施形態の転がり軸受の状態監視装置１０は、深溝玉軸受（転がり軸受）１の状態を監視するための装置である。深溝玉軸受１は、内輪２と、外輪３と、内外輪２，３間に転動自在に配設された転動体である複数の玉４と、複数の玉４を回動自在に保持する保持器５と、を備える。内輪２は回転軸６に嵌合固定され、外輪３はハウジング７に嵌合固定されている。

状態監視装置１０は、超音波センサ２０と、回転センサ２２と、演算部３０とを備える。なお、演算部３０は、例えばパーソナルコンピュータ等によって構成される。

超音波センサ２０は、外輪３に取り付けられたプローブ２１と接続されており、プローブ２１から外輪３に向けて超音波を発生させるように、プローブ２１を駆動させる。また、超音波センサ２０は、信号処理や、受信した反射波の表示・解析なども行う。超音波の音軸ｓは、深溝玉軸受１の回転中心の方向を向いており、超音波は、外輪３と玉４との境界に向けて照射される。

図２（ａ）に示すように、超音波の音軸ｓが玉４間に位置する状態では、超音波は、外輪３の内周面の位置で第１反射波ｗ１として受信される。
一方、図２（ｂ）に示すように、超音波の音軸ｓ上に玉４が位置する状態では、外輪３と玉４との境界で超音波は玉４へ透過し、一部が第１反射波ｗ１としてプローブ２１で受信される。

したがって、深溝玉軸受１の運転時に、玉４が公転することで、図３に示すような第１反射波ｗ１の波形（エコー高さ）のグラフが取得される。エコー高さの変動は、玉４の通過により生じるため、演算部３０は、エコー高さの変動の間隔Ｔを抽出することで、玉４の実測公転数を求めることができる。

一方、回転センサ２２は、回転軸６に対向配置されて回転軸６の回転を検出し、演算部３０に入力する。演算部３０は、回転センサ２２で検出された回転軸６の回転から、回転軸６の回転速度を求め、この回転速度に基づいて、玉４の理論公転数を求める。

そして、演算部３０は、玉４の実測公転数と理論公転数とを比較することで、深溝玉軸受１の公転滑りを監視する。例えば、実測公転数と理論公転数との差分を理論公転数で割った公転滑り率を算出し、公転滑り率の大きさに応じて、転がり軸受の不具合発生の予測、又は運転条件の変更により該不具合発生を防止する。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態の転がり軸受の状態監視装置１０を示す。

超音波センサ２０は、ハウジング７に取り付けられたプローブ２１と接続されており、プローブ２１から外輪３に向けて超音波を発生させるように、プローブ２１を駆動させる。また、超音波センサ２０は、信号処理や、受信した反射波の表示・解析なども行う。超音波の音軸ｓは、深溝玉軸受１の回転中心の方向を向いており、超音波は、ハウジング７と外輪３との境界、外輪３と玉４との境界に向けて照射される。

プローブ２１から照射された超音波は、ハウジング７と外輪３との境界で一部が反射し、第１反射波としてプローブ２１で受信される。また、超音波の一部は、ハウジング７と外輪３との境界を透過するが、超音波が透過する量は、ハウジング７と外輪３との間に作用する面圧の大きさに依存し、面圧が大きいほど透過しやすい。

図５（ａ）に示すように、超音波の音軸ｓが玉４間に位置する状態では、第１反射波ｗ１の大きさは大きくなり、ハウジング７と外輪３との境界を反射した超音波は、外輪３の内周面の位置で第１反射波ｗ１として受信される。
一方、図５（ｂ）に示すように、超音波の音軸ｓ上に玉４が位置する状態では、面圧が大きいので、外輪３内へ透過する超音波の量は多くなり、第１反射波ｗ１の大きさは小さくなる。また、外輪３を透過した超音波は、外輪３と玉４との境界で超音波は玉４へ透過し、一部が第２反射波ｗ２としてプローブ２１で受信され、残りが玉４へと透過する。

したがって、深溝玉軸受１の運転時に、玉４が公転することで、図６（ａ）に示すような第１反射波ｗ１の波形（エコー高さ）、図６（ｂ）に示すような第２反射波ｗ２の波形（エコー高さ）のグラフが取得される。エコー高さの変動は玉４の通過により生じるため、演算部３０は、エコー高さの変動の間隔Ｔを抽出することで、玉４の実測公転数を求めることができる。

一方、回転センサ２２は、回転軸６に対向配置されて回転軸６の回転を検出し、演算部３０に入力する。演算部３０は、回転センサ２２で検出された回転軸６の回転から、回転軸６の回転速度を求め、この回転速度に基づいて、玉４の理論公転数を求める。

そして、演算部３０は、玉４の実測公転数と理論公転数とを比較することで、深溝玉軸受１の公転滑りを監視する。例えば、実測公転数と理論公転数との差分を理論公転数で割った公転滑り率を算出し、公転滑り率の大きさに応じて、転がり軸受の不具合発生の予測、又は運転条件の変更により該不具合発生を防止する。

以上説明したように、本実施形態の転がり軸受の状態監視方法によれば、深溝玉軸受１の外輪３、あるいは外輪３が嵌合するハウジング７に取り付けられた超音波センサ２０のプローブ２１から外輪３に向けて超音波を発生させ、プローブ２１を外輪３に取り付ける場合は、外輪３と玉４からの第１反射波ｗ１、プローブ２１を、例えば、前述の風力発電用増速器等のハウジングに取り付ける場合はハウジング７と外輪３の境界からの第１反射波ｗ１、外輪３と玉４との境界からの第２反射波ｗ２を受信し、該受信した反射波ｗ１、又はｗ２のエコー高さの変動に基づいて、玉４の実測公転数を求める工程と、深溝玉軸受１の内輪２、又は該内輪２が嵌合する回転軸６の回転数を回転センサ２２により検出し、該回転数に基づいて、玉４の理論公転数を求める工程と、玉４の実測公転数と玉４の理論公転数を比較することで、深溝玉軸受１の公転滑りを監視する工程と、を備える。これにより、実機での実施が容易な手法で、例えば、前述の風力発電用増速器等の様に、人が点検し難いような場所に設置される設備に使用される転がり軸受である深溝玉軸受１の公転滑りを監視することができ、深溝玉軸受１の不具合発生の予測、又は運転条件の変更により該不具合発生を防止することができる。

なお、本実施形態の転がり軸受の状態監視装置１０は、深溝玉軸受１の外輪３、あるいは外輪３が嵌合するハウジング７に取り付けられたプローブ２１を有する超音波センサ２０と、深溝玉軸受１の内輪２、又は該内輪２が嵌合する回転軸６の回転数を検出する回転センサ２２と、玉４の実測公転数と玉４の理論公転数を比較することで、深溝玉軸受１の公転滑りを監視する演算部３０と、を備えて、上記状態監視方法を実現する。

尚、本発明は、前述した各実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、上記実施形態では、測定対象として、深溝玉軸受を挙げたが、任意の転がり軸受が測定可能である。また、本発明は、保持器無し軸受への適用も可能である。
また、転がり軸受が外輪回転の場合、プローブは内輪、あるいは内輪が嵌合する軸に取り付けることも可能である。この場合、プローブは、内輪に向けて超音波を発生させ、プローブを内輪に取り付ける場合は、内輪と転動体からの第１反射波ｗ１、プローブを軸に取り付ける場合は、軸と内輪の境界からの第１反射波ｗ１、内輪と転動体との境界からの第２反射波ｗ２を受信し、該受信した反射波ｗ１、又はｗ２のエコー高さの変動に基づいて、転動体の実測公転数を求める。また、回転センサは、外輪、又はハウジングの回転数を回転センサにより検出し、該回転数に基づいて、転動体の理論公転数を求める。

１ 深溝玉軸受（転がり軸受）
１０ 軸受の状態監視装置
２０ 超音波センサ
２１ プローブ
２２ 回転センサ
３０ 演算部

Claims (2)

1. 転がり軸受の状態を監視する軸受の状態監視方法であって、
   前記転がり軸受の外輪、該外輪が嵌合するハウジング、内輪、又は該内輪が嵌合する軸の少なくともいずれか１つに取り付けられた超音波センサのプローブから前記外輪、又は前記内輪に向けて超音波を発生させ、前記外輪と転動体との境界、前記外輪と前記ハウジングとの境界、又は前記内輪と前記転動体との境界、あるいは前記内輪と前記軸との境界からの反射波を受信し、該受信した反射波のエコー高さの変動に基づいて、前記転動体の実測公転数を求める工程と、
   前記転がり軸受が内輪回転の場合は、前記内輪、又は前記軸、外輪回転の場合は前記外輪、又は前記ハウジングの回転数を回転センサにより検出し、該回転数に基づいて、前記転動体の理論公転数を求める工程と、
   前記転動体の実測公転数と前記転動体の理論公転数を比較することで、前記転がり軸受の公転滑りを監視する工程と、
   を備えることを特徴とする転がり軸受の状態監視方法。
2. 転がり軸受の状態を監視する軸受の状態監視装置であって、
   前記転がり軸受の外輪、該外輪が嵌合するハウジング、内輪、又は該内輪が嵌合する軸に取り付けられたプローブを有する超音波センサと、
   前記転がり軸受が内輪回転の場合は、前記内輪、又は前記軸、外輪回転の場合は前記外輪、又は前記ハウジングの回転数を検出する回転センサと、
   前記転動体の実測公転数と前記転動体の理論公転数を比較することで、前記転がり軸受の公転滑りを監視する演算部と、
   を備え、請求項１に記載の軸受の状態監視方法を用いることを特徴とする転がり軸受の状態監視装置。

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