JP2006017291A - 監視装置及び監視方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
迅速かつ正確に転動体を用いた装置を監視できる監視方法、加えて小型化や低コスト化が可能な監視装置を提供する。
【解決手段】
軸受５の運転状態が良好なら、転動体３も安定して回転するが、例えば転動体が軌道面の荒れた部分上を転動した等の影響で転動体の振動が大きくなる。したがって、測定している転動体の通過振動の振幅値が大きくなれば、例えば転動体が軌道面の荒れた部分上を転動したことを意味するため、その運転状態不良の異常を検知できることになる。潤滑不良の状態が続くと摩耗や破損などの大きな異常に発展するので、この段階で、潤滑剤の補充などの処置を行えば、異常などの被害を未然に防ぐことが可能となるとともに摩耗防止や長寿命化にも繁がる。本発明によれば、簡素な構成で転動体を用いた装置の状態を分解することなく監視でき、転動体の運転状態が不良であることを、運転状態不良に基づく損傷が発生する以前に検知できることとなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば減速機や電動機ならびに鉄道車両用の車軸支持装置であって、弾性流体潤滑下で用いられる転動体を有する装置の監視装置及び監視方法に関し、特に、上記装置を分解することなく異常を検出可能な監視装置及び監視方法に関するものである。

モータ等の回転装置の軸受部に対する異常診断技術としては、従来様々な方法が提案されている（特許文献１〜５）。最も一般的なものとしては、例えば特許文献３に開示されているように、軸受部に加速度計を設置し、該軸受部の振動加速度を計測し、更にこの信号にＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を行って特定周波数成分の信号を抽出し、その値から軸振動を検知して軸受診断を行う技術が知られている。
特開２００３−２３２６７４号公報 特開２０００−１４６７６２号公報 特開２００２−２２６１７号公報 特開２００３−２０２２７６号公報 特開２００１−３３４６９号公報

ここで、特許文献３に開示された異常診断技術では、周期的な現象である傷の有無や位置を軸受の寸法諸元と回転速度の条件から演算によって特定しているが、周期的ではない現象である運転状態の不良（例えば、潤滑不良、予圧のかかり具合や軸受の取付状態の不具合等）を診断するには新たな装置が必要となるという問題があった。

更に、特許文献４に開示された技術について説明する。図６は、特許文献４の図３に相当する図である。特許文献４によれば、転がり軸受の振動を測定することによって、図６に示す特定周波数成分を求め、それに基づいて内輪、外輪、転動体、保持器のいずれに異常が発生したかを特定できる。より具体的には、図６におけるＳｂは転動体の自転に基づく周波数成分であり、Ｓｃは保持器の回転に基づく周波数成分である。従って、Ｓｂが大きくなっていれば、転動体に異常が生じたものと判断でき、Ｓｃが大きくなっていれば、保持器に異常が生じたものと判断できる。しかしながら、異常診断のためには複数の振動成分を解析しなくてはならず、処理が複雑となる。

一方、特許文献５に開示された技術によれば、弾性流体潤滑下にある転がり軸受における転動体は、転がり軸受の動作時に転がり運動と滑り運動との複合運動を行っており、この際の滑りの割合を公転滑り率と定義し、滑り率が大きくなったときに、転がり軸受に異常が発生したと判断するものである。しかしながら、この滑り率を求めるためには、保持器は非磁性体でなくてはならず、また環境における磁場の大きさによっては、常に精度良い測定ができるとは限らないという問題がある。

本発明は、かかる従来技術に問題点に鑑み、従来とは異なる新規な発想に基づき、迅速かつ正確に転動体を用いた装置を監視できる監視方法、加えて小型化や低コスト化が可能な監視装置を提供することを目的とする。

第１の本発明の監視装置は、
潤滑される転動体を用いて支持される回転体を有する回転装置を監視する監視装置において、
少なくとも前記転動体の通過振動を検出するセンサと、
前記センサが検出した前記転動体の通過振動に基づいて、その振幅値を抽出する抽出手段と、
前記抽出手段が抽出した前記転動体の通過振動の振幅値と、基準値とに基づいて、前記回転装置に異常が発生したと判断する判断手段とを有することを特徴とする。

第２の本発明の監視装置は、
潤滑される転動体を用いて支持される回転体を有する回転装置を監視する監視装置において、
少なくとも前記転動体の通過振動を検出するセンサと、
前記センサが検出した前記転動体の通過振動に基づいて、その周期変動を抽出する抽出手段と、
前記抽出手段が抽出した前記転動体の周期変動と、基準周期とに基づいて、前記回転装置に異常が発生したと判断する判断手段とを有することを特徴とする。

第３の本発明の監視装置は、
潤滑される転動体を用いて支持される回転体を有する回転装置を監視する監視装置において、
少なくとも前記転動体の通過振動を検出するセンサと、
前記センサが検出した前記転動体の通過振動に基づいて、その周期変動を抽出する抽出手段と、
前記回転体の回転速度を検出する検出手段と、
前記抽出手段が抽出した前記転動体の公転速度と、前記検出手段が検出した前記回転体の回転速度との比を、所定値と比較することで、前記回転装置に異常が発生したと判断する判断手段とを有することを特徴とする。

第４の本発明の監視方法は、
潤滑される転動体を用いて支持される回転体を有する回転装置を監視する監視方法において、
少なくとも前記転動体の通過振動を検出するステップと、
検出された前記転動体の通過振動に基づいて、その振幅値を抽出するステップと、
抽出された前記転動体の通過振動の振幅値と、基準値とに基づいて、前記回転装置に異常が発生したと判断するステップとを有することを特徴とする。

第５の本発明の監視方法は、
潤滑される転動体を用いて支持される回転体を有する回転装置を監視する監視方法において、
少なくとも前記転動体の通過振動を検出するステップと、
検出された前記転動体の通過振動に基づいて、その周期変動を抽出するステップと、
抽出された前記転動体の周期変動と、基準周期とに基づいて、前記回転装置に異常が発生したと判断するステップとを有することを特徴とする。

第６の本発明の監視方法は、
潤滑される転動体を用いて支持される回転体を有する回転装置を監視する監視方法において、
少なくとも前記転動体の通過振動を検出するステップと、
前記転動体の通過振動に基づいて、その周期変動を抽出するステップと、
前記回転体の回転速度を検出するステップと、
前記転動体の公転速度と、前記回転体の回転速度との比を、所定値と比較することで、前記回転装置に異常が発生したと判断するステップとを有することを特徴とする。

第１の本発明の監視装置によれば、潤滑される転動体を用いて支持される回転体を有する回転装置を監視する監視装置において、少なくとも前記転動体の通過振動を検出するセンサと、前記センサが検出した前記転動体の通過振動に基づいて、その振幅値を抽出する抽出手段と、前記抽出手段が抽出した前記転動体の通過振動の振幅値と、基準値とに基づいて、前記回転装置に異常が発生したと判断する判断手段とを有するので、前記転動体の通過振動の振幅値を監視するのみで異常判断を容易に且つ確実に行うことができる。

なお、ここで転動体の通過振動とは、負荷域にある各転動体の位置によって荷重の分担が変化し、転動体が転動する部材（例えば回転軸）の変位量と変位の方向が微小に変化するために発生する振動であり、転動体の通過振動数（ｆｃ）は以下の式で表される。
ｆｃ＝（ｆｒ／２）（１−（Ｄａ／ｄｍ）・ｃｏｓα） ［Ｈｚ］・・（１）
ここで、ｆｒ：内輪回転速度（Ｈｚ）、Ｄａ：転動体直径（ｍｍ）、ｄｍ：ピッチ円直径（ｍｍ）、α：接触角である。

もし、転動体を用いた装置の運転状態が良好なら、転動体も安定して回転するが、例えば転動体が軌道面の荒れた部分上を転動した等の影響で転動体の振動が大きくなる。したがって、測定している転動体の通過振動の振幅値が大きくなれば、例えば転動体が軌道面の荒れた部分上を転動したことを意味するため、その運転状態不良の異常を検知できることになる。潤滑不良の状態が続くと摩耗や破損などの大きな異常に発展するので、この段階で、潤滑剤の補充などの処置を行えば、異常などの被害を未然に防ぐことが可能となるとともに摩耗防止や長寿命化にも繁がる。本発明によれば、簡素な構成で転動体を用いた装置の状態を分解することなく監視でき、転動体の運転状態が不良であることを、運転状態不良に基づく損傷が発生する以前に検知できることとなる。尚、「転動体を用いた装置」とは、転がり軸受、ボールねじ機構、リニアガイド等を含む。

前記基準値とは、前記回転装置が正常に動作しているときに、前記センサが検出した前記転動体の通過振動に基づいて抽出される、その振幅値であり、前記判断手段は、前記転動体の通過振動の振幅値と、前記基準値との差が所定値を超えていた場合に、前記回転装置に異常が発生したと判断すると好ましい。

前記基準値とは、前記回転装置が正常に動作しているときに、前記センサが検出した前記転動体の通過振動に基づいて抽出される、その振幅値であり、前記判断手段は、前記転動体の通過振動の振幅値と、前記基準値との比が所定値を超えていた場合に、前記回転装置に異常が発生したと判断すると好ましい。

第２の本発明の監視装置は、潤滑される転動体を用いて支持される回転体を有する回転装置を監視する監視装置において、少なくとも前記転動体の通過振動を検出するセンサと、前記センサが検出した前記転動体の通過振動に基づいて、その周期変動を抽出する抽出手段と、前記抽出手段が抽出した前記転動体の周期変動と、基準周期とに基づいて、前記回転装置に異常が発生したと判断する判断手段とを有するので、前記転動体の通過振動の周期変動を監視するのみで異常判断を容易に且つ確実に行うことができる。

もし、転動体を用いた装置の運転状態が良好なら、転動体も安定して回転するが、運転状態不良が生じると部分的にすべり摩擦が大きくなる等の影響で転動体の回転が不安定になる。したがって、測定している転動体の通過振動の周期が大きくなれば、例えば転動体が軌道面上を滑るようになったことを意味するため、その運転状態不良の異常を検知できることになる。

前記基準周期とは、前記回転装置が正常に動作しているときに、前記センサが検出した前記転動体の通過振動に基づいて抽出される、その周期であり、前記判断手段は、前記転動体の通過振動の周期変動と、前記基準周期との差が所定値を超えていた場合に、前記回転装置に異常が発生したと判断すると好ましい。

第３の本発明の監視装置は、潤滑される転動体を用いて支持される回転体を有する回転装置を監視する監視装置において、少なくとも前記転動体の通過振動を検出するセンサと、前記センサが検出した前記転動体の通過振動に基づいて、その周期変動を抽出する抽出手段と、前記回転体の回転速度を検出する検出手段と、前記抽出手段が抽出した前記転動体の公転速度と、前記検出手段が検出した前記回転体の回転速度との比を、所定値と比較することで、前記回転装置に異常が発生したと判断する判断手段とを有するので、前記回転装置の異常判断を容易に且つ確実に行うことができる。

例えば、前記回転装置が軸受であり、且つ外輪が固定され内輪が回転する回転体である場合、転動体の周期変動は、正常な運転時には保持器の回転速度に対応する。保持器の回転速度は、ｆｃ＝（ｆｒ／２）（１−（Ｄａ／ｄｍ）・ｃｏｓα）で求まる。ここで、内輪の速度が一定であるにもかかわらず、転動体の周期変動が変化した場合、軌道面に荒れなどが生じて滑り率が変化したためであり、それに基づき前記回転装置の異常判断を容易に且つ確実に行うことができる。

前記センサは、加速度センサを含むと好ましい。

前記センサは、歪みゲージを含むと好ましい。

第４の本発明の監視方法は、潤滑される転動体を用いて支持される回転体を有する回転装置を監視する監視方法において、少なくとも前記転動体の通過振動を検出するステップと、検出された前記転動体の通過振動に基づいて、その振幅値を抽出するステップと、抽出された前記転動体の通過振動の振幅値と、基準値とに基づいて、前記回転装置に異常が発生したと判断するステップとを有するので、前記回転装置の異常判断を容易に且つ確実に行うことができる。

前記基準値とは、前記回転装置が正常に動作しているときに、検出された前記転動体の通過振動に基づいて抽出される、その振幅値であり、前記転動体の通過振動の振幅値と、前記基準値との差が所定値を超えていた場合に、前記回転装置に異常が発生したと判断すると好ましい。

前記基準値とは、前記回転装置が正常に動作しているときに、検出された前記転動体の通過振動に基づいて抽出される、その振幅値であり、前記転動体の通過振動の振幅値と、前記基準値との比が所定値を超えていた場合に、前記回転装置に異常が発生したと判断すると好ましい。

第５の本発明の監視方法は、潤滑される転動体を用いて支持される回転体を有する回転装置を監視する監視方法において、少なくとも前記転動体の通過振動を検出するステップと、検出された前記転動体の通過振動に基づいて、その周期変動を抽出するステップと、抽出された前記転動体の周期変動と、基準周期とに基づいて、前記回転装置に異常が発生したと判断するステップとを有するので、前記回転装置の異常判断を容易に且つ確実に行うことができる。

前記基準周期とは、前記回転装置が正常に動作しているときに、検出された前記転動体の通過振動に基づいて抽出される、その周期であり、前記判断手段は、前記転動体の通過振動の周期変動と、前記基準周期との差が所定値を超えていた場合に、前記回転装置に異常が発生したと判断すると好ましい。

第６の本発明の監視方法は、潤滑される転動体を用いて支持される回転体を有する回転装置を監視する監視方法において、少なくとも前記転動体の通過振動を検出するステップと、前記転動体の通過振動に基づいて、その周期変動を抽出するステップと、前記回転体の回転速度を検出するステップと、前記転動体の公転速度と、前記回転体の回転速度との比を、所定値と比較することで、前記回転装置に異常が発生したと判断するステップとを有するので、前記回転装置の異常判断を容易に且つ確実に行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、第１の実施の形態にかかる監視装置の概略構成図である。図１において、監視装置１０は、内輪１と外輪２と両輪間を転動するボール３と保持器４とからなる軸受５を回転装置として、その異常を検出するものである。尚、ここでは外輪２が固定され、内輪１が不図示の回転軸に嵌合されて回転する回転体となっており、ボール３が転動体を構成する。

図１において転動体通過振動を検出するための加速度センサ１１が固定輪である外輪２に固定されている、センサ１１の固定方法は、ボルト固定、接着、ボルト固定と接着やモールド材による埋め込み、ボルト固定時には回り止め機能を装着した方法が適用できる。このようにセンサ１１をモールドすると水分の浸入を防止することができ、さらに外部からの加振に対する防振性が向上するため、センサ自体の信頼性を飛躍的に向上することができる

なお、ここでは、転動体通過振動を検出するセンサとして、加速度センサを示したが、ほかに、ＡＥ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）センサ、超音波センサ、ショックパルスセンサなど、あるいは速度、ひずみ、応力、変位型など、振動を電気信号化できるものであればいかなるセンサを用いても良く、ノイズが多いような機械に取り付ける時には、絶縁型を使用したほうがノイズの影響を受けることが少ないので好ましい。また、転動体通過時におけるひずみの変化を利用して、その転動体通過周期を求めても良い。また、圧電素子など振動検出素子をプラスチックなどにモールドして転動体通過振動検出センサの形にしても良い。

センサ１１から出力された信号は、抽出手段である信号処理器１２に入力され、ここで転動体の通過振動の振幅値或いは周期が抽出された後、それは判断手段である制御装置１３に入力される。転動体の通過振動の振幅値或いは周期に基づいて軸受異常と判断した場合、制御装置１３は、出力装置（モニタ、警報機等）１４にアラーム信号を送信し、軸受５の異常を示す表示等を行って、ユーザーの注意を喚起するようになっている。尚、信号処理器１２と制御装置１３とを統合して、制御器１５と呼ぶこととする。

次に、監視装置１０の具体的動作について説明する。まず、制御装置１３は、初期状態での転動体の通過振動の振幅値或いは周期を基準値として記憶する。図２（ａ）は、正常な状態でのセンサ１１から出力される信号を示すグラフであり、図２（ｂ）は、異常な状態でのセンサ１１から出力される信号を示すグラフである。正常な状態では、転動体通過振動成分Ａ_０は、１１０Ｈｚ前後にピークとして現れる。

ここで、軸受５に、例えば異常なモーメント荷重がかかった場合、予圧やすきまなどに影響し、軸受の運転状態が不良になる。また、潤滑状態が不良である場合には、部分的にすべり摩擦が大きくなるため、転動体の回転が不安定になり転動体通過振動の振幅変動が大きくなる（振幅値は大きく変動する）。

より具体的には、正常な状態での転動体通過振動成分Ａ_０に対して、転動体の滑りが大きくなると、転動体の通過振動の周期は遅くなるから、異常な状態での転動体通過振動成分Ａ_１のピークは左にずれることとなる。又、軌道面が荒れていたりした場合、正常な状態での転動体通過振動成分Ａ_０に対して、異常な状態での転動体通過振動成分Ａ_１のピークは増大することとなる。

これを利用し、制御装置１３は、安定期（正常運転時）の転動体通過振動の振幅（基準値）Ａ_０と現在の転動体通過振動の振幅Ａ_１との差の比（｜Ａ_０−Ａ_１｜／Ａ_０）を求めて、その値が設定値（０．１）を上回った場合（｜Ａ_０−Ａ_１｜／Ａ_０＞０．１）に、軸受５が潤滑不良の状態にあると判定し、出力装置１４によりアラーム信号を送信することができる。

なお、本実施の形態では、設定値を０．１としたが、この値は運転状態やアプリケーションに応じて任意に設定・変更（好ましくは０．１〜０．３）が可能である。

また、別な例としては、制御装置１３は、安定期（正常運転時）の転動体違過振動の振幅Ａ_０と現在の転動体通過振動の振幅Ａ_１との比（Ａ_１／Ａ_０）が許容範囲（０．９〜１．１）から外れた場合（Ａ_１／Ａ_０＜０．９、１．１＜Ａ_１／Ａ_０）に、軸受５の運転状態が不良であると判定し、出力装置１４にアラーム信号を送信することができる。なお、本実施の形態では、許容範囲を（０．９〜１．１）としたが、この範囲は運転状態やアプリケーションに応じて任意に設定・変更（好ましくは（０．７〜１．３の任意の範囲）が可能である。

また、転動体通過振動の発生周期に着目した場合も、設定値又は許容範囲を回転装置の運転状態やアプリケーションに応じて決定することで、上記と同様の方法で対応できる。

更に、制御装置１３は、転動体の通過振動に基づいて、その周期変動を抽出し、内外輪の回転速度差より保持器４の回転速度を求め、それらの比を所定値と比較することで、軸受５に異常が発生したと判断することもできる。

なお、ここでは、転動体通過振動の振幅や発生周期として、振幅や周期の瞬時値（ピーク値）を用いて比較を行ったが、所定の時間内における自乗平均値などの平均値やオーバーオールなどの計算値を用いてもよい。

また、異常値を示した部位やその順序を記憶する記憶手段を制御装置等に設けることによって、異常部位の特定を容易に行うことができ修理や交換等などの処置を迅速に行うことが可能となる。

なお、回転装置などによっては、運転中に局部的に潤滑不良の状態が出現して、僅かな時間の後に復旧する場合もある、このため、制御装置１３が潤滑不良と判定した瞬間に運転を停止させたり警報を発したりすると、回転装置の緊急停止等が必要以上に行われる可能性がある。そこで、潤滑不良の状態が所定時間（数秒）継続して検出された場合にのみ、回転装置の停止させたり警報を発させたりすることもできる。

制御装置１３はマイコン等を利用すれば、ユニット化が可能となり、小型化やモジュール化が図れるのでなお良い。なお、信号処理器１２，制御装置１３及び出力装置１４を設置する場所は、軸受装置に内蔵するようにしてもよいし、機械設備内に監視システムとして設置することができる。かかる場合、監視装置は１つでも良いが、軸受に対応して複数設けても良い。

以下、監視装置を含む監視システムについて、図面を参照して詳細に説明する。図３は、かかる機械設備の監視システムの概略構成図である。この機械設備の監視システム１００は、鉄道車両の車軸を支承する転がり軸受５に対して、転がり軸受５の各構成部品の摩耗や破損による異常の発生を検出するものである。

本実施形態の場合、軸受５は、軸受の通過振動を検出して電気信号として出力するセンサ１１を、軸受の構成部品である外輪に組み付けたセンサ付軸受である。一つの車両には、複数個のセンサ付軸受５が使用される。

本実施形態の機械設備の監視システム１００は、軸受５毎に装備された検出器としての複数個のセンサ１１と、各センサ１１の出力を所定の演算処理によって分析し、分析結果を予め用意しておいた基準値等と比較して軸受５における異常の有無を判定する抽出手段及び判断手段としての信号処理部２０と、この信号処理部２０の分析結果や判定結果を所定の表示形態で表示したり、前記判定結果に応じた制御信号を鉄道車両の制御系にフィードバックしたりする制御処理部３０とを備えている。

上述した実施の形態と同様に、センサ１１は、軸受５の回転状態に応じて変化する物理量として、転動体の通過振動を検出し、電気信号に変換して信号処理部２０へと送信する。

信号処理部２０は、例えば専用に開発された１チップマイクロコンピュータ、又は１ボードマイクロコンピュータであり、図３に示すように、各センサ１１からマイコン１６を介して送信された検出データを一時的に蓄積すると共に、蓄積したデータをそのデータの種類に応じて装備された分析部２３、２４に分配するデータ収集・分配機能部２１と、軸受５の諸元（転動体の数等）及び軸受５の正常時の振動等の各種の物理量を基準値として蓄積している内部メモリ２６と、各分析部２３、２４における分析結果を内部メモリ２６に蓄積されている基準値等と比較することによって、異常の有無の判定及び異常部位の特定を行う判断部である比較判定機能部２５とを備え、各分析部２３、２４における分析結果及び比較判定機能部２５における判定結果を制御処理部３０に出力する。

本実施形態の場合、分析部２３は振動情報の分析用であり、振動に含まれる周波数スぺクトルを求める。分析部２４は回転速度情報の分析用で軸受の回転速度を求める。各分析部２３、２４は、入力情報を、基準値との比較が可能なように、不要部分（ノイズ）のカットや必要部分の明確化等を含めた規定の分析処理を行う。

具体的に説明すると、センサ１１が検出した振動情報の場合は、データ収集・分配機能部２１と分析部２３との間に装備されたフィルタ処理機能部２２によってノイズ成分の除去又は特定の周波数成分を抽出するフィルタ処理を受け、フィルタ処理後の振動信号が分析部２３に入力される。

分析部２３は、入力する振動信号に対して、絶対値処理又はエンべロープ処理及び周波数分析等の規定の分析処理を行って、入力した振動データを基準値との比較が可能な周波数領域のデータに変換する。

比較判定機能部２５は、分析部２３の分析結果によって得た振動周波数データと、内部メモリ２６に格納されている基準値とを比較し、上述したようにして軸受５が異常か否かを判定する。

比較判定機能部２５では、周波数成分の比較による判定等を行う際に、他の分析部２４から入手する回転速度等、及び内部メモリ２６に蓄積されている仕様諸元等の各種データを参照し、判定の正確性を期す。

なお、分析部２３、２４や比較判定機能部２５における具体的な処理は、詳述しないが、上記の方法に限るものではなく、公知の種々の方法、或いは本願出願人が先に提案している各種の判定手法（特開２００３−１３０７６３、特開２００３−２０２２７６、特開２００３−１３０７２４等）など、複数の方法を使用することができる。

制御処理部３０は、信号処理部２０の分析結果や判定結果を所定の表示形態で表示する表示手段としての結果出力部３１と、軸受５が組み込まれている車両の駆動機構の動作を制御する制御系に前記比較判定機能部２５の判定結果に応じた制御信号をフィードバックする制御器３２とを備えている。

結果出力部３１は、具体的には、モニターへの画像表示やプリンタヘの印刷出力によって、信号処理部２０の分析結果や判定結果を通知する他、信号処理部２０の判定結果が異常有りの場合には、警告灯の点滅や警報機の作動による通知を行う。なお、判定結果は、メモリやＨＤＤなどの記憶媒体に保存されてもよく、結果出力部３１を介してリアルタイムに表示されてもよい。

制御器３２は、例えば、信号処理部２０の判定結果が異常有りの場合に、異常の程度に応じて、車両の走行停止や減速等を示す制御信号を車両の走行制御器に送る。

以上に説明した本実施形態の機械設備の監視システムでは、転がり軸受５に組み込まれているセンサ１１の出力を信号処理部２０によって分析すると共に、その分析結果を予め用意しておいた基準値と比較することで、転がり軸受５の異常の有無を判定するため、転がり軸受５自体或いは転がり軸受５を含む鉄道車両自体を分解せずに通常の使用状態のままで判定することができるという利点がある。

従って、手間のかかる分解・組み立て作業の頻度を減少させて保守・管理コストを低減させることができる。また、規定の演算処理による分析や比較で機械的に判定を行うため、従来の目視検査と比較すると、検査担当者の熟練度や個人差によって判定がばらつく虞がなく、異常の有無の診断の信頼性を向上させることができる。

また、信号処理部２０自体は、１チップ又は１ボードの小さな専用ユニットとすることができるため、情報処理装置として汎用のパーソナルコンピュータを使用する従来の監視システムと比較すると、システム全体を大幅にコンパクト化でき、装備に必要な占有スぺースが少なくて済むため、軸受を含む機械設備（即ち、鉄道車両等）への装備が容易になる。

図４は、本実施の形態にかかる監視装置を用いた潤滑剤補給装置を示す概略構成図である。図４に示すように、軸受５は、外輪２と、内輪１と、両輪１，２間に転動自在に配置された転動部材である複数のころ３と、ころ３を保持する保持器４とからなる。

軸受５の外径側は供給管６を介してポンプＰに接続されている。ポンプＰから押し出されるグリースは、供給管６を通じて軸受部５内部に挿入され、軸受部５の外輪２、内輪１の軌道面ところ３の接触面および外輪２と保持器４の接触面に付着して適宜潤滑を行うようになっている。転動体の通過振動を測定するセンサ１１は、外輪２に配置されている。

軸受５に潤滑剤（ここではグリース）を補給する潤滑剤補給装置は、グリースが貯留されるグリースタンク７と、グリースタンク７から供給管６を介してグリースを軸受５へ送り出すポンプＰと、ポンプＰを駆動するモータＭと、軸受５の転動体振動を測定するセンサ１１と、センサ１１から出力される信号を入力して、軸受５の異常の有無を判定する抽出手段及び判断手段を兼ねる制御部８とを有する。

予めグリースタンク７には、適切な量のグリースが貯留されている。グリースタンク７内に貯留されたグリースは、ポンプＰの駆動によって供給管６に導かれるようになっている。供給管６は、一方がグリースタンク７に接続され、他方がポンプＰを介して軸受５に接続されている。本実施の形態においては、ポンプＰは、モータＭの回転によって駆動するように構成されている。また、軸受５には、グリースをその内部空間から排出するための排出管（図示せず）があっても良い。

軸受５は、その内部空間に供給管６からグリースが補給されるように構成されている。ここでは、外輪２に設けられたグリース補給穴を介して、供給管６から供給されたグリースが軸受５の内部空間に補給されるように構成されている。

本実施の形態にかかる潤滑剤補給装置の動作について説明する。軸受５の運転開始した後、センサ１１から出力された信号に基づいて、制御部８は振動の初期状態を把握する。更に運転が継続されたとき、センサ１１から出力された信号に基づいて、制御部８は、例えば軌道面に面荒れが起きつつあるなど軸受５に異常が発生したか否かを判定し、異常と判断すれば、モータＭを駆動制御し、ポンプＰを動作させてグリースを供給管６を介して供給する。それにより、軸受５の寿命を長く保つことが可能となる。

図５は、センサ１１を組み付けてなる、懸架装置に対し車輪を支持するハブユニット（回転装置）の断面図である。中空円筒状に形成したハブ１１４の外端部外周面に形成したフランジ１１０には、図示しない複数本のスタッドにより、車輪を構成するホイールと、制動装置を構成するディスクロータとが固定される。この様なハブ１１４の中間部外周面には外側の内輪軌道１０１ａを形成し、内端部に形成した段部１１６には、外周面に内側の内輪軌道１０１ａを有する内輪１０１を外嵌固定して、回転輪１１３を構成している。この様な回転輪１１３を構成する上記ハブ１１４の中心部に形成したスプライン孔１１７には、自動車への組み付け状態で、図示しない等速ジョイントに付属したスプライン軸を挿入する。

一方、回転輪１１３の周囲には、内周面に複列の外輪軌道１０２ａ、１０２ａを、外周面に取付部１０２ｂを、それぞれ形成した静止輪である外輪１０２を、回転輪１１３と同心に配置している。このうちの取付部１０２ｂは、ナックル等の図示しない懸架装置に対し外輪１０２を支持固定する為に使用される。又、各外輪軌道１０２ａ、１０２ａと上記各内輪軌道１０１ａ、１０１ａとの間に、それぞれが転動体である玉１０３、１０３を複数個ずつ設けて、懸架装置に固定する外輪１０２の内径側に、ホイールを含む車輪を固定する回転輪１１３を、回転自在に支持できる様にしている。尚、重量の嵩む自動車用の転がり軸受ユニットの場合には、上記各転動体として、図示の様な玉１０３、１０３に代えて、円すいころを使用する場合もある。又、外側の内輪軌道１０１ａを、ハブ１１４の外周面に直接形成するのに代えて、別体の内輪の外周面に形成する場合もある。

又、外輪１０２の両端部内周面と、ハブ１１４の中間部外周面及び内輪１０１の内端部外周面との間には、それぞれシールリング１１１、１１１を装着して、複数の玉１０３、１０３を設けた空間１１２の両端開口部を塞いでいる。そして、この空間１１２内に封入したグリースが外部に漏洩したり、外部に浮遊する異物がこの空間１１２内に侵入する事を防止している。

一方、外輪１０２の軸方向中間部のボス１０２ｄに、取付孔１０２ｃを外輪１０２の外周面から内周面にまで貫通する状態で形成している。そして、この取付孔１０２ｃにセンサ１１を含むセンサユニット１１８を取り付けている。センサユニット１１８は、上述した実施の形態のように振動を検出するセンサ１１と、回転速度センサ１１９とからなる。センサ１１の出力信号は、抽出手段である信号処理器１２に入力され、ここでハブユニット１０５の転動体の通過振動の振幅値或いは周期が抽出された後、それは判断手段である制御装置１３に入力される。転動体の通過振動の振幅値或いは周期に基づいて軸受異常と判断した場合、制御装置１３は、出力装置（モニタ、警報機等）にアラーム信号を送信し、ハブユニット１０５の異常を示す表示等を行って、ドライバーやユーザーの注意を喚起することができるようになっている。

センサ１１の信号より求まる転動体通過振動の測定値と、回転速度センサ１１９の信号とを用いて、理論速度比ｆｃｔ／ｆｒに基づき閾値ＴＨを設定し、実測速度比ｆｃ／ｆｒを閾値ＴＨと比較して、それを超えた場合に異常があると判定できる（図７参照）。尚、ｆｃｔは、理論上の保持器回転速度（転動体通過振動に等しい）であり、ｆｒは、内輪回転速度であり、ｆｃは、実測した保持器回転速度である。これらは、上述した（１）式（図６参照）により求まるものである。

図８は、変形例にかかるハブユニットの断面図である。図８に示す実施の形態は、図５に示す実施の形態に対し、センサユニット１１８’において、センサ１１及び回転速度センサ１１９の他に、加速度検出用のセンサ１１ａを設けている。加速度検出用のセンサ１１ａは、自動車のＡＢＳ用センサや鉄道車両のＣＴＳ用センサとしての機能を有し、転動体通過振動の測定用のセンサ１１及び回転速度センサ１１９と連動して、車両の速度制御及び異常検知の精度を向上させることができる。この場合、転動体通過振動の測定用のセンサ１１及び加速道検出用のセンサ１１ａは２方向を測定可能な一体のセンサを用いることができる。また、信号処理を工夫することにより、１個の進行方向の加速度検出用のセンサを、速度制御用のセンサと共に異常検出用センサとして用いることができる。

ところで、上述の実施の形態においては、加速度センサを軸受近傍に取り付け軸受の異常振動を検知して軸受診断を行っている。しかしながら、加速度センサによる異常診断では、軸受軌道面の剥離等によってできた傷による周期的な振動を主として検知するために、潤滑不良によって生じる油膜切れや公転滑りによる摩耗の発生等を早期に検知するためには、更に工夫が必要となる。そこで、以下の実施の形態では、振動センサによる異常診断法に加え、歪みゲージを用いて転動体の公転速度を計測することにより高精度の異常診断を可能としている。

図９は、第２の実施の形態にかかる監視装置の概略構成図である。図９において、監視装置２１０は、回転軸Ｓに固定された内輪２０１と、ハウジングＨに固定された外輪２０２と、両輪間を転動するボール（転動体）２０３と、保持器２０４とからなる転がり軸受２０５を回転装置として、その異常を検出するものである。

図９において、外輪２０２の外周面には切欠２０２ａが形成され、ここに歪みゲージ２１１を接着剤などで貼り付けるようになっている。センサとしての歪みゲージ２１１は、外輪２０２に生じた歪みに応じて変形したときに、内部導線の抵抗変化に対応する電気信号を出力するものであり、従って、かかる電気信号を取り出すためのブリッジボックス２１２に接続されている。

ブリッジボックス２１２から出力された電気信号は、ストレインアンプ２１３及びＤＣアンプ２１４で増幅されてＤＣ電圧に変換され、更にフィルタ２１５を通過することでノイズが処理され、その後コンパレータ２１６で基準電圧と比較されることで、ボール２０３通過時の外輪２０２の通過歪みが抽出され、単位時間当たりの通過歪みをカウントすることで、保持器回転速度（即ち転動体通過振動）ｆｃを求めることができる。求められた保持器回転速度は、判定器２１７より、デジタル処理部２１８へと送信される。

一方、外輪２０２の半径方向外側であって、ハウジングＨの外周面に、振動センサ２４１が取り付けられている。振動センサ２４１から出力された信号は、アンプ２４２で増幅され、フィルタ２４３を通過してノイズ処理され、Ａ／Ｄ変換器２４４でＡ／Ｄ変換が行われるようになっている。求められた振動Ｖは、Ａ／Ｄ変換器２４４からデジタル処理部２１８へと送信される。

一方、転がり軸受の制御部２４０からは、回転軸Ｓの回転速度信号（即ち内輪回転速度）ＳＰがデジタル処理部２１８へと送信されるようになっている。

本実施の形態によれば、図７を参照して、歪みゲージ２１１の信号より求まる転動体通過振動の測定値（ｆｃ）と、転がり軸受の制御部２４０から出力される回転軸Ｓの回転速度信号（ＳＰ＝ｆｒ）とを用いて、予め決められた閾値と比較して、それを超えた場合に異常があると判定できる。尚、本実施の形態で、振動センサ２４１を用いているのは、転がり軸受２０５の振動を同時に検出してバックアップを行うためであり、万が一歪みゲージ２１１が断線したときなど、不適切信号が出力された場合には、振動センサ２４１からの信号を用いて転動体通過振動の測定値（ｆｃ）を求めることができる。

図１０は、転がり軸受の外輪の外周面に形成した切欠の例を示す斜視図である。図１０（ａ）に示す切欠２０２ａは、外輪２０２の軸線方向全幅にわたって形成されており、切欠２０２ａの底面は、外輪２０２の軸線を中心とした円筒面となっている。図１０（ｂ）に示す切欠２０２ａ’は、外輪２０２の軸線方向の中央のみに形成されており、切欠２０２ａ’の底面は、外輪２０２の軸線を中心とした円筒面となっている。図１０（ｃ）に示す切欠２０２ａ”は、外輪２０２の軸線方向全幅にわたって形成されており、切欠２０２ａ”の底面は、平面となっている。図１０（ｄ）に示す切欠２０２ａ’”は、外輪２０２の軸線方向の中央のみに形成されており、切欠２０２ａ’”の底面は、平面となっている。

図１１は、歪みゲージからの配線例を示す転がり軸受の軸線直交方向断面図である。図１１（ａ）に示す例では、切欠２０２ａに貼り付けられた歪みゲージ２１１のリード線Ｗは、ハウジングＨに形成された半径方向貫通孔Ｈａを介して、その外周面に取り出され、不図示のブリッジ回路に接続されている。図１１（ｂ）に示す例では、切欠２０２ａに貼り付けられた歪みゲージ２１１のリード線Ｗは、外輪２０２の軸線方向端面側に取り出され、不図示のブリッジ回路に接続されている。従って、切欠２０２ａは、図１０（ａ）又は図１０（ｃ）に示すタイプであると好ましいが、リード線Ｗの取り回し用の溝を外輪外周に形成しても良い。図１１（ｃ）に示す例では、切欠２０２ａに貼り付けられた歪みゲージ２１１のリード線Ｗは、ハウジングＨに形成された接線方向貫通孔Ｈａを介して、その外周面に取り出され、不図示のブリッジ回路に接続されている。

図１２は、歪みゲージを用いたブリッジ回路の構成例を示す図である。図１２（ａ）に示す例の場合は、一つの歪みゲージを用いて、２線式の１アクティブゲージ法でブリッジ回路を組んでいる。図１２（ｂ）に示す例の場合は、一つの歪みゲージを用いているが、リード線の温度影響を消去するために、３線式の１アクティブゲージ法でブリッジ回路を組んでいるので、安定した出力が得られる。図１２（ｃ）に示す例の場合は、２つの歪みゲージを用いて、２線式の２アクティブゲージ法でブリッジ回路を組んでおり、それにより２倍の出力が得られる。図１２（ｄ）に示す例の場合は、２つの歪みゲージを用いて、３線式の対辺２アクティブゲージ法でブリッジ回路を組んでいるので、２倍の出力が得られると共に温度補償も行える。尚、歪みゲージを貼り付ける位置は、転動体の転走面上にゲージ部Ｇ（図１０参照）が位置するように貼り付けるのが好ましい。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、その発明の範囲内で変更・改良が可能であることはもちろんである。

第１の実施の形態にかかる監視装置の概略構成図である。 図２（ａ）は、正常な状態でのセンサ１１から出力される信号を示すグラフであり、図２（ｂ）は、異常な状態でのセンサ１１から出力される信号を示すグラフである。 監視装置を含む監視システムの概略構成図である。 監視装置を用いた潤滑剤補給装置を示す概略構成図である。 センサ１１を組み付けてなる、懸架装置に対し車輪を支持するハブユニットの断面図である。 従来例を説明するための図である。 縦軸に速度比、横軸に時間をとって示すグラフである。 変形例にかかるハブユニットの断面図である。 第２の実施の形態にかかる監視装置の概略構成図である。 転がり軸受の外輪の外周面に形成した切欠の例を示す斜視図である。 歪みゲージからの配線例を示す転がり軸受の軸線直交方向断面図である。 歪みゲージを用いたブリッジ回路の構成例を示す図である。

符号の説明

１ 内輪
２ 外輪
３ ボール
４ 保持器
５ 軸受
６ 供給管
７ グリースタンク
８ 制御部
１０ 監視装置
１１ センサ
１１ａ 加速度検出用のセンサ
１２ 信号処理器
１３ 制御装置
１４ 出力装置
２０ 信号処理部
２１ 分配機能部
２２ フィルタ処理機能部
２３ 分析部
２３ 各分析部
２４ 分析部
２５ 比較判定機能部
２６ 内部メモリ
３０ 制御処理部
３１ 結果出力部
３２ 制御器
１００ 監視システム
１０１ 内輪
１０１ａ 内輪軌道
１０２ 外輪
１０２ａ 外輪軌道
１０２ｂ 取付部
１０２ｃ 取付孔
１０３ 玉
１１０ フランジ
１１１ シールリング
１１２ 空間
１１３ 回転輪
１１４ ハブ
１１６ 段部
１１７ スプライン孔
１１８ センサユニット
１１９ 回転速度センサ
２０１ 内輪
２０２ 外輪
２０２ａ 切欠
２０３ ボール
２０４ 保持器
２０５ 軸受
２１０ 監視装置
２１１ ゲージ
２１２ ブリッジボックス
２１３ ＤＣストレインアンプ
２１４ アンプ
２１５ フィルタ
２１６ コンパレータ
２１８ デジタル処理部
２２１ 振動センサ
２２２ アンプ
２２３ フィルタ
２２４ 変換器
２４０ 制御部
Ｇ ゲージ部
Ｈ ハウジング
Ｈａ 半径方向貫通孔
Ｈａ 接線方向貫通孔
Ｓ 回転軸
Ｖ 振動
Ｗ リード線
Ｍ モータ
Ｐ ポンプ

Claims (14)

1. 潤滑される転動体を用いて支持される回転体を有する回転装置を監視する監視装置において、
   少なくとも前記転動体の通過振動を検出するセンサと、
   前記センサが検出した前記転動体の通過振動に基づいて、その振幅値を抽出する抽出手段と、
   前記抽出手段が抽出した前記転動体の通過振動の振幅値と、基準値とに基づいて、前記回転装置に異常が発生したと判断する判断手段とを有することを特徴とする監視装置。
2. 前記基準値とは、前記回転装置が正常に動作しているときに、前記センサが検出した前記転動体の通過振動に基づいて抽出される、その振幅値であり、前記判断手段は、前記転動体の通過振動の振幅値と、前記基準値との差が所定値を超えていた場合に、前記回転装置に異常が発生したと判断することを特徴とする請求項１に記載の監視装置。
3. 前記基準値とは、前記回転装置が正常に動作しているときに、前記センサが検出した前記転動体の通過振動に基づいて抽出される、その振幅値であり、前記判断手段は、前記転動体の通過振動の振幅値と、前記基準値との比が所定値を超えていた場合に、前記回転装置に異常が発生したと判断することを特徴とする請求項１又は２に記載の監視装置。
4. 潤滑される転動体を用いて支持される回転体を有する回転装置を監視する監視装置において、
   少なくとも前記転動体の通過振動を検出するセンサと、
   前記センサが検出した前記転動体の通過振動に基づいて、その周期変動を抽出する抽出手段と、
   前記抽出手段が抽出した前記転動体の周期変動と、基準周期とに基づいて、前記回転装置に異常が発生したと判断する判断手段とを有することを特徴とする監視装置。
5. 前記基準周期とは、前記回転装置が正常に動作しているときに、前記センサが検出した前記転動体の通過振動に基づいて抽出される、その周期であり、前記判断手段は、前記転動体の通過振動の周期変動と、前記基準周期との差が所定値を超えていた場合に、前記回転装置に異常が発生したと判断することを特徴とする請求項４に記載の監視装置。
6. 潤滑される転動体を用いて支持される回転体を有する回転装置を監視する監視装置において、
   少なくとも前記転動体の通過振動を検出するセンサと、
   前記センサが検出した前記転動体の通過振動に基づいて、その周期変動を抽出する抽出手段と、
   前記回転体の回転速度を検出する検出手段と、
   前記抽出手段が抽出した前記転動体の公転速度と、前記検出手段が検出した前記回転体の回転速度との比を、所定値と比較することで、前記回転装置に異常が発生したと判断する判断手段とを有することを特徴とする監視装置。
7. 前記センサは、加速度センサを含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の監視装置。
8. 前記センサは、歪みゲージを含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の監視装置。
9. 潤滑される転動体を用いて支持される回転体を有する回転装置を監視する監視方法において、
   少なくとも前記転動体の通過振動を検出するステップと、
   検出された前記転動体の通過振動に基づいて、その振幅値を抽出するステップと、
   抽出された前記転動体の通過振動の振幅値と、基準値とに基づいて、前記回転装置に異常が発生したと判断するステップとを有することを特徴とする監視方法。
10. 前記基準値とは、前記回転装置が正常に動作しているときに、検出された前記転動体の通過振動に基づいて抽出される、その振幅値であり、前記転動体の通過振動の振幅値と、前記基準値との差が所定値を超えていた場合に、前記回転装置に異常が発生したと判断することを特徴とする請求項９に記載の監視方法。
11. 前記基準値とは、前記回転装置が正常に動作しているときに、検出された前記転動体の通過振動に基づいて抽出される、その振幅値であり、前記転動体の通過振動の振幅値と、前記基準値との比が所定値を超えていた場合に、前記回転装置に異常が発生したと判断することを特徴とする請求項９又は１０に記載の監視方法。
12. 潤滑される転動体を用いて支持される回転体を有する回転装置を監視する監視方法において、
    少なくとも前記転動体の通過振動を検出するステップと、
    検出された前記転動体の通過振動に基づいて、その周期変動を抽出するステップと、
    抽出された前記転動体の周期変動と、基準周期とに基づいて、前記回転装置に異常が発生したと判断するステップとを有することを特徴とする監視方法。
13. 前記基準周期とは、前記回転装置が正常に動作しているときに、検出された前記転動体の通過振動に基づいて抽出される、その周期であり、前記判断手段は、前記転動体の通過振動の周期変動と、前記基準周期との差が所定値を超えていた場合に、前記回転装置に異常が発生したと判断することを特徴とする請求項１２に記載の監視方法。
14. 潤滑される転動体を用いて支持される回転体を有する回転装置を監視する監視方法において、
    少なくとも前記転動体の通過振動を検出するステップと、
    前記転動体の通過振動に基づいて、その周期変動を抽出するステップと、
    前記回転体の回転速度を検出するステップと、
    前記転動体の公転速度と、前記回転体の回転速度との比を、所定値と比較することで、前記回転装置に異常が発生したと判断するステップとを有することを特徴とする監視方法。
    
    

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