JP2008286612A - すべり軸受の寿命判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自励振動の有無を検出することにより、すべり軸受に傷などが発生しない状態にて、その寿命を判定し得るすべり軸受の寿命判定方法を提供する。
【解決手段】軸受と回転軸体との隙間をパラメータに含むゾンマーフェルト数と摩擦係数とで表される軸受潤滑指標を用いると共に、この軸受潤滑指標の式に、実験で得られた回転軸体が自励振動を起こす軸受潤滑指標の限界値を代入して限界値での隙間δを求め、或る運転時間の経過後に測定される測定隙間に基づき比摩耗量を求め、この求められた比摩耗量に基づき、軸受の隙間が上記限界値での隙間に至るまでの運転時間ｈ、すなわち余寿命を算出するようにした寿命判定方法である。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えば攪拌装置の回転軸体を支持するすべり軸受の寿命判定方法に関する。

回転機器を有する装置、例えば攪拌装置においては、液体が充填された槽内に攪拌翼を有する回転軸体が回転自在に設けられたもので、またこの回転軸体の少なくとも、下部はすべり軸受により支持されている。

このような攪拌装置においては、すべり軸受と回転軸体との間の隙間が大きくなると回転軸体が自励振動を起こし、すべり軸受または回転軸体が損傷することになる。勿論、この状態を放置しておくと攪拌機自体が動かなくなってしまう。

このため、従来、すべり軸受の状態、すなわち軸受の寿命については、作業者が目視により判断していた。
ところで、機械的に軸受の寿命を推定（予知）する方法として、アコースティックエミッションを用いる方法が知られている（特許文献１参照）。

この方法は、軸受から発生するアコースティックエミッション信号を受信し、その信号の中から、クラックなどに起因する信号の有無を判定するものであった。
特公平０７−２６９４１号公報

しかし、上述したように、すべり軸受の寿命を推定するのに、作業者の経験に頼る場合には、作業者の個人の能力に依存するため、寿命の推定にばらつきが生じてしまう。また、アコースティックエミッションを用いる場合には、クラックなどに起因する信号の有無を判定するものであるため、クラックなどの実際に損傷が発生する前に、例えば自励振動の発生の有無により早期に寿命を判定したい場合には、アコースティックエミッションを用いることができない。

そこで、本発明は、自励振動の有無を検出することにより、すべり軸受に傷などが発生する前に、その寿命を判定し得るすべり軸受の寿命判定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係るすべり軸受の寿命判定方法は、回転軸体を支持するすべり軸受の寿命を軸受潤滑指標を用いて判定する方法であって、
軸受潤滑指標として、軸受と回転軸体との隙間をパラメータに含むゾンマーフェルト数｛（軸径／隙間）^２×（粘度×回転数／面圧）｝と摩擦係数とで表した式を採用するとともに、予め実験により求められた回転軸体が自励振動を起こす軸受潤滑指標の限界値に基づき上記隙間を求める隙間算出ステップと、
或る運転時間が経過した後、軸受と回転軸体との隙間を測定するとともに、この経過時間と上記測定された隙間とから、当該軸受における時間当たりの摩耗量である比摩耗量を求める比摩耗量算出ステップと、
この比摩耗量算出ステップにて求められた比摩耗量に基づき、軸受の隙間が上記限界値に至る時間を算出することにより軸受寿命を判定する判定ステップとを具備した寿命判定方法である。

また、請求項２に係るすべり軸受の寿命判定方法は、請求項１に記載の寿命判定方法における軸受潤滑指標が、下記の演算式で表される寿命判定方法である。
軸受潤滑指標値＝ゾンマーフェルト数×（基準摩擦係数／対象摩擦係数）
但し、基準摩擦係数は基準材料に対する回転軸体の摩擦係数であり、対象摩擦係数は基準材料に対する軸受の摩擦係数である。

また、請求項３に係るすべり軸受の寿命判定方法は、請求項１に記載の寿命判定方法における軸受潤滑指標が、下記の演算式で表される寿命判定方法である。
軸受潤滑指標＝（ゾンマーフェルト数／摩擦係数）
但し、摩擦係数は、回転軸体と軸受との間の係数である。

さらに、請求項４に係るすべり軸受の寿命判定方法は、請求項１乃至３のいずれかに記載の寿命判定方法において、回転軸体が縦型の攪拌装置に設けられている方法である。

上記寿命判定方法によると、或る材質の回転軸体に対するすべり軸受の寿命を判定するのに、ゾンマーフェルト数と摩擦係数とで表される軸受潤滑指標を作成するとともに、この軸受潤滑指標に対して回転軸体の自励振動が発生する値を実験にて予め求めておき、この実験にて求められた値に対応する隙間を軸受潤滑指標の式から求め、そして実際の運転時における回転軸体の比摩耗量すなわち隙間量を測定し、この隙間量に基づき、自励振動が発生すると考えられる限界値に達するまでの時間を求めるようにしたので、例えば実際に軸受が損傷するまで分からないようなアコースティックエミッションを用いる方法とは異なり、損傷が発生する前に、すべり軸受の寿命を判定することができる。

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態に係るすべり軸受の寿命判定方法を、図１〜図５に基づき説明する。

本実施の形態に係るすべり軸受は、例えば異なる液体が混合された混合液体を攪拌するための攪拌装置に設けられる軸受として説明する。
図１に示すように、この攪拌装置１は、混合液体が充填される縦長の攪拌槽２と、この攪拌槽２に配置される縦型の攪拌機３とから構成されている。

この攪拌機３は、攪拌槽２の上部から内部に挿通して配置された鉛直方向の回転軸体４と、この回転軸体４の下部に配置された攪拌翼５と、上記回転軸体４を回転させる減速機付き電動機６とから構成されている。

そして、この攪拌機３は、回転軸体４を介して攪拌槽２に取り付けられる。すなわち、回転軸体４は、攪拌槽２の上面に設けられる上部軸受７と、攪拌槽２の底部に支持ブラケット９を介して設けられる下部軸受８とにより支持されており、また上部軸受７については、スラスト方向とラジアル方向の力を受けるような軸受構造が用いられており、また下部軸受８については、ラジアル方向の力を受ける構造、具体的には、すべり軸受形式のものが用いられている。

そして、本発明に係る寿命判定方法が用いられる軸受は、すべり軸受形式にされた下部軸受８であり、以下このすべり軸受形式の下部軸受８の寿命判定方法について説明する。
なお、支持される回転軸体４の材料としては、例えばコバルト基合金（コバルトの含有量は、５０〜６０質量％であり、ステライトともいう）が用いられ、また下部軸受８の材料としては、フッ素樹脂例えばＰＴＦＥ（四フッ化エチレン樹脂）が用いられる。勿論、これらの材料に限定されるものではない。

ところで、このような攪拌装置１の寿命、つまり攪拌槽２内の液体（例えば溶媒）に浸漬された下部軸受８の寿命の判定を行うに際し、その基準となるのは自励振動が発生するか否か、すなわち自励振動が発生する隙間に達しているか否かであり、ゾンマーフェルト数と摩擦係数とをパラメータとする軸受潤滑指標が用いられる。

本実施の形態では、この軸受潤滑指標として、下記（１）式に示す演算式（演算値）が用いられる。
軸受潤滑指標＝ゾンマーフェルト数×（基準摩擦係数／対象摩擦係数） ・・・（１）
上記（１）式中、ゾンマーフェルト数は、潤滑油によって潤滑されているすべり軸受と回転軸体との潤滑の状態を評価するための無次元数であり（したがって、軸受潤滑指標も無次元数である）、下記（２）式にて表される。

ゾンマーフェルト数＝（軸径／隙間）^２×（粘度×回転数／面圧）・・・（２）
但し、（２）式中、軸径は回転軸体の径であり、隙間は回転軸体と軸受内面との隙間であり、粘度は攪拌槽内の液体の粘度であり、回転数は回転軸体の回転数（回転速度）であり、面圧は軸受内面に作用する面圧である。

ここで、上記（１）式の後段部の（基準摩擦係数／対象摩擦係数）である摩擦係数比について説明しておく。
この摩擦係数比は、対象摩擦係数に対する基準摩擦係数の比である。基準摩擦係数は、回転軸体４の材料であるコバルト基合金（ステライトなどが用いられる）Ａに対する基準金属（例えば、コバルト基合金で、この場合も、コバルトの含有量は５０〜６０質量％である）Ｓの値（Ｓ／Ａ）であり、また対象摩擦係数は、回転軸体４の材料であるコバルト基合金（ステライトなどが用いられる）Ａに対する軸受材料（例えば、ＰＴＦＥ）Ｂの値（Ｂ／Ａ）である。具体的には、基準摩擦係数が０．３３で、対象摩擦係数が０．０２であると、摩擦係数比は１６．５（０．３３／０．０２）となる。

なお、軸受潤滑指標に、ゾンマーフェルト数を用いたのは、主として、油膜切れを考慮したもので、また摩擦係数を考慮したのは、異なる材料に対して評価を行い得るようにするためである。

ところで、使用温度から使用可能な材料を選択すると、例えば使用温度が１９０℃以下であれば、軸体材料および軸受材料ともにコバルト基合金を用いることができ、また使用温度が２６０℃以下であれば、軸体材料としてコバルト基合金および軸受材料としてＰＴＦＥを使用することができる。

また、軸受潤滑指標と攪拌槽２内の液体である溶媒の温度と粘度との関係を、図２のグラフに示しておく。このグラフに基づき、その使用温度から粘度が求められる。
ところで、或る２種類の攪拌装置Ａ，Ｂ、つまり或る条件（軸径、隙間、回転数、粘度、面圧などの条件）に係る軸受についての使用温度と軸受潤滑指標との関係をグラフで示すと図３のようになる。

そして、実験により、自励振動が発生する軸受潤滑指標値つまり限界値を求めると、その値は０．０１９であった。この限界値より小さい範囲が、振動発生領域となる。
図３のグラフから、攪拌装置Ａについては１９０℃を超えると振動発生領域に入り、また攪拌装置Ｂについては２６０℃を超えると振動発生領域に入ることが分かる。したがって、攪拌装置Ａの軸受材料としてＰＴＦＥが適していることが、また攪拌装置Ｂの軸受材料としてはコバルト基合金を用い得ることが分かる。

また、攪拌装置に対しては、限界値に対応する隙間を上記（１）式に基づき求めるとともに、現時点における軸受での単位時間当たりの摩耗量、つまり比摩耗量を検出することにより、残りの運転可能時間、すなわち軸受の余寿命を知ることができる。すなわち、或る運転時間が経過した後、実際の軸受の隙間を測定して比摩耗量を算出することにより、軸受の残りの寿命が求められる。

なお、この比摩耗量について説明しておくと、この値は摩耗体積であり、ここでは円筒形状に対する摩耗体積となるが、摩耗面積の増加分は、２πｒ・Δｒ＋π（Δｒ）^２≒２πｒ・Δｒとなり（但し、軸受の半径がｒからｒ＋Δｒに変化したとした場合）、半径方向の摩耗量を考慮するだけで、差し支えないことが分かる。

ここで、再度、軸受の余寿命について具体的に説明する。
すなわち、回転軸体の材料がコバルト基合金（ステライト）で、軸受の材料がＰＴＦＥである場合について考える。

そして、この場合（軸受材料がＰＴＦＥである場合）の限界値（０．０１９）に対応する隙間を上記（１）式に基づき求めると、４．８１ｍｍであった。したがって、例えば初期隙間が０．９ｍｍであった場合、４．８１ｍｍとの差は３．９１ｍｍであり、この３．９１ｍｍが摩耗するまでが軸受の運転可能時間となる。比摩耗量が１×１０^−８ｍｍ^３／（Ｎ・ｍｍ）である場合、２．４６×１０^６時間となる。軸受の材料がＰＴＦＥである場合の運転時間ｈと隙間δとの関係をグラフにすると、図４の実線Ｃのようになる。

したがって、現時点での運転時間を考慮すれば、上記運転可能時間から現時点での運転時間（稼動時間）を差し引けば、残りの運転可能時間、つまり余寿命を推定することができる。

因みに、図５に、軸受の材料がコバルト基合金である場合の運転時間ｈと隙間δとの関係を実線Ｄにて示しておく。この場合、自励振動が発生するまでの時間が２５１８ｈであり、現時点での運転時間が８１２ｈであることから、残りの運転可能時間、つまり寿命は１７０６ｈであることが分かる。

ここで、上述した寿命判定方法の要部を、ステップ形式にて記載すると、下記のようになる。
すなわち、この寿命判定方法は、回転軸体を支持するすべり軸受の寿命を軸受潤滑指標を用いて判定する方法であって、
軸受潤滑指標として、軸受と回転軸体との隙間をパラメータに含むゾンマーフェルト数｛（軸径／隙間）^２×（粘度×回転数／面圧）｝と摩擦係数とで表した式を採用するとともに、予め実験により求められた回転軸体が自励振動を起こす軸受潤滑指標の限界値に基づき上記隙間を求める隙間算出ステップと、
或る運転時間が経過した後、軸受と回転軸体との隙間を測定するとともに、この経過時間と上記測定された隙間とから、当該軸受における時間当たりの摩耗量である比摩耗量を求める比摩耗量算出ステップと、
この比摩耗量算出ステップにて求められた比摩耗量に基づき、軸受の隙間が上記限界値に至る時間を算出することにより軸受寿命を判定する判定ステップとを具備した方法である。

このように、或る材質の回転軸体に対するすべり軸受の寿命を判定するのに、ゾンマーフェルト数と摩擦係数とで表される軸受潤滑指標を作成するとともに、この軸受潤滑指標に対して回転軸体の自励振動が発生する値を実験にて予め求めておき、この実験にて求められた値に対応する隙間を軸受潤滑指標の式から求め、そして実際の運転時における回転軸体の比摩耗量すなわち隙間量を測定し、この隙間量に基づき、自励振動が発生すると考えられる限界値に達するまでの時間を求めるようにしたので、例えば実際に軸受が損傷するまで分からないようなアコースティックエミッションを用いる方法とは異なり、損傷が発生する前にすべり軸受の寿命を判定することができる。

ところで、上記実施の形態においては、軸受潤滑指標として（１）式で示したが、例えば下記（３）式にて表される軸受潤滑指標を用いてもよい。
軸受潤滑指標＝（ゾンマーフェルト数／摩擦係数） ・・・（３）
但し、この摩擦係数は、回転軸体とすべり軸受との摩擦係数である。

本発明の実施の形態に係る寿命判定方法の実施対象となる攪拌装置の概略構成を示す断面図である。 同寿命判定方法を説明するための温度と粘度との関係を示すグラフである。 同寿命判定方法を説明するための液体の温度と軸受潤滑指標との関係を示すグラフである。 同寿命判定方法を説明するための運転時間と隙間との関係を示すグラフである。 同寿命判定方法を説明するための運転時間と隙間との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 攪拌装置
２ 攪拌槽
３ 攪拌機
４ 回転軸体
５ 攪拌翼
６ 電動機
７ 上部軸受
８ 下部軸受

Claims (4)

1. 回転軸体を支持するすべり軸受の寿命を軸受潤滑指標を用いて判定する方法であって、
   軸受潤滑指標として、軸受と回転軸体との隙間をパラメータに含むゾンマーフェルト数｛（軸径／隙間）^２×（粘度×回転数／面圧）｝と摩擦係数とで表した式を採用するとともに、予め実験により求められた回転軸体が自励振動を起こす軸受潤滑指標の限界値に基づき上記隙間を求める隙間算出ステップと、
   或る運転時間が経過した後、軸受と回転軸体との隙間を測定するとともに、この経過時間と上記測定された隙間とから、当該軸受における時間当たりの摩耗量である比摩耗量を求める比摩耗量算出ステップと、
   この比摩耗量算出ステップにて求められた比摩耗量に基づき、軸受の隙間が上記限界値に至る時間を算出することにより軸受寿命を判定する判定ステップと
   を具備したことを特徴とするすべり軸受の寿命判定方法。
2. 軸受潤滑指標が、下記の演算式で表されることを特徴とする請求項１に記載のすべり軸受の寿命判定方法。
   軸受潤滑指標値＝ゾンマーフェルト数×（基準摩擦係数／対象摩擦係数）
   但し、基準摩擦係数は基準材料に対する回転軸体の摩擦係数であり、対象摩擦係数は基準材料に対する軸受の摩擦係数である。
3. 軸受潤滑指標が、下記の演算式で表されることを特徴とする請求項１に記載のすべり軸受の寿命判定方法。
   軸受潤滑指標＝（ゾンマーフェルト数／摩擦係数）
   但し、摩擦係数は、回転軸体と軸受との間の係数である。
4. 回転軸体が縦型の攪拌装置に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のすべり軸受の寿命判定方法。

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