JP2013250204A - ピンタイプ保持器の荷重測定装置および測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ピンに作用する力をより正確に算出できて、ピンの破損をより正確に予測できるピンタイプ保持器の荷重測定装置および測定方法を提供すること。
【解決手段】貫通穴を有する環状部１に固定される固定部４と、固定部４から円錐ころ３２のピン挿通穴５５の延在方向の中央に到達しない位置までピン挿通穴５５内を延在する軸部４１と、軸部４１の外周面から軸部４１の径方向の外方に延在すると共に、ピン挿通穴５５の内周面に接触してその内周面から荷重が付与される環状のフランジ部４２と、軸部４１の外周面に固定された歪みゲージ５とを備えたピンタイプ保持器の荷重測定装置で実測を行う。そして、この実測値と、モデルとの合わせ込みを行って、ピンに生じる歪み分布を予測する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ピンタイプ保持器の荷重測定装置および測定方法に関する。

従来、軸受部品にかかる荷重を測定する荷重測定装置としては、特開２０１１−１４９５３８号公報（特許文献１）に記載されているものがある。この荷重測定装置は、ピンタイプ保持器によって保持されるころが受ける荷重を測定するようになっている。この荷重測定装置は、歪ゲージと、位置センサと、データロガーとを備え、上記歪みゲージは、ころの貫通穴の内周面に貼り付けられている。

この荷重測定装置は、ころに付与された荷重を歪みゲージによって検出し、その検出信号をデータロガーに記録・蓄積するようになっており、また、位置センサによって、検出信号がデータロガーに記録されたころの公転方向の回転位置を検出できるようになっている。この荷重測定装置は、歪みゲージによって検出された検出信号と、ころの公転方向の回転位置とを対応させることができるから、解析結果の信頼性を向上させることができる。

しかしながら、上記従来の荷重測定装置では、ころの貫通穴の内面の歪みを検出しているため、ピンへ作用する力を実測できなくて、それに基づく解析を行うことができず、ピン型保持器において従来、長年慢性的に発生しているピンの破損を予測できないという問題がある。

また、他の装置で、ピンへ作用する力を実測しようとしても、センサを取り付ける部位が軸受の内部になるという理由や、センサの取付先が保持器等の回転体でありデータ出力が複雑になるという理由で、実測が実現していないという問題がある。

また、ピンと中空ころ内径の接触状態により、同じ作用力でも多数の測定出力パターンが考えられ、検出が困難であるといった理由から、解析手法も確立していないという問題がある。

したがって、ピンタイプ保持器のピンへ作用する力の実測・解析が困難であり、現在、ピンへ作用する力を実測する手段が、存在していないという問題がある。

特開２０１１−１４９５３８号公報

そこで、本発明の課題は、ピンタイプ保持器のピンに作用する力をより正確に算出できて、ピンの破損をより正確に予測できるピンタイプ保持器の荷重測定装置および測定方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明のピンタイプ保持器の荷重測定装置は、
貫通穴を有する環状部に固定される固定部と、
上記固定部からころのピン挿通穴内に延在可能な軸部と、
上記軸部の外周面から上記軸部の径方向の外方に延在すると共に、上記ピン挿通穴の内周面内に位置して、その内周面に接触可能な円環状のフランジ部と、
上記軸部の外周面に固定された荷重センサと
を備えることを特徴としている。

本発明によれば、ころと接触する部分が、円環状のフランジ部の縁部であるから、ころと、フランジ部とで点接触に近い接触を実現できて、フランジ部に点荷重（集中荷重）に近い荷重を付与できる。したがって、ピンの歪み分布のモデルを単純化できると共に、そのモデルにおける境界条件をより正確に決めることができる。したがって、ピンに作用する力をより正確に算出できて、ピンの破損をより正確に予測できる。仮に、フランジ部に付与する荷重が、広範囲に広がる分布荷重であれば、モデルが構築しにくくなり、境界条件も正確に定めることができなくなるのである。

また、一実施形態では、
上記環状部に固定されると共に、上記荷重センサからの信号を記録する記録装置を備える。

上記実施形態によれば、スリップリングやテレメータを使用した信号の抽出に比べて、簡易な構成で信号の抽出を行うことができると共に、コストを低減することができる。また、ノイズの影響を小さくすることができて、断線の危険性も格段に低減することができる。

また、本発明のピンタイプ保持器の荷重測定方法は、
一端に円環状のフランジ部を有する一方、他端に固定部を有する軸部に荷重センサを設けた荷重検出ピンを用意するステップと、
上記荷重検出ピンの固定部を、ピンタイプ保持器の環状部に固定すると共に、上記フランジ部を、ころのピン挿通穴内に配置するステップと、
上記フランジ部が上記ピン挿通穴の内周面から受ける荷重を表す上記荷重センサの出力に基づいてピンタイプ保持器のピンが受ける荷重分布モデルの境界条件を決定するステップと
を備えることを特徴としている。

本発明によれば、ころと接触する部分が、円環状のフランジ部の縁部であるから、ころと、フランジ部とで点接触に近い接触を実現できて、フランジ部に点荷重（集中荷重）に近い荷重を付与できる。したがって、ピンの歪み分布のモデルを単純化できると共に、そのモデルにおける境界条件をより正確に決めることができる。したがって、ピンに作用する力をより正確に算出できて、ピンの破損をより正確に予測できる。仮に、フランジ部に付与する荷重が、広範囲に広がる荷重であれば、モデルが構築しにくくなり、境界条件も正確に定めることができなくなるのである。

また、一実施形態では、
上記荷重分布モデルは、上記ピンと上記ころとの摩擦係数と、上記ころと内輪の鍔とのすべり接触部の摩擦係数と、上記ころと軌道との転がり摩擦部の摩擦係数とを含むパラメータで構築され、
上記境界条件を決定するステップは、上記三つの摩擦係数を含むパラメータを実測に合うように決定することにより行う。

上記実施形態によれば、解析条件設定をより適切に行うことができて、保持器の寿命検証をより正確に行うことができる。

本発明によれば、ピンタイプ保持器のピンに作用する力をより正確に算出できて、ピンの破損をより正確に予測できるピンタイプ保持器の荷重測定装置および測定方法を実現できる。

本発明の一実施形態の荷重測定装置を示す図である。 荷重測定装置が取り付けられていない円錐ころの軸中心を通過する軸方向の断面図である。 歪み用データロガーの取り付け前において、第２ピンが存在する周方向の位相において、小径環状部の軸方向の端面の軸方向の外方側からその端面を見たときの模式図である。 図３のＡＡ線断面図である。 図４のＢＢ線断面図である。 図１および図２に示す実機を、その実機の小径環状部の軸方向の外方側から見たときの図である。 本実施形態の荷重測定装置の測定系統図である。

以下、本発明を図示の形態により詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態のピンタイプ保持器の荷重測定装置を示す図であり、荷重測定装置が取り付けられている一の円錐ころ３２の軸方向の断面図を含む断面図である。

この荷重測定装置は、外輪３０と内輪３１との間に配置された複数の中空の円錐ころ３２のうちの一の円錐ころ３２に取り付けられるようになっている。図１に示すように、この荷重測定装置は、大径環状部１と、小径環状部２と、荷重検出ピンとしての第１ピン３と、荷重検出ピンとしての第２ピン４と、荷重センサの一例としての第１歪みゲージ５および第２歪みゲージ６と、記録装置の一例としての歪み用データロガー７とを備える。

上記大径環状部１は、円錐ころ３２の大径端面側に位置する一方、小径環状部２は、円錐ころ３２の小径端面側に位置している。上記大径環状部１は、複数の貫通穴を有し、それら複数の貫通穴は、大径環状部１の周方向に互いに間隔をおいて配置されている。また、上記小径環状部２も、複数の貫通穴を有し、それら複数の貫通穴は、小径環状部２の周方向に互いに間隔をおいて配置されている。

上記第１ピン３は、固定部４０と、軸部４１と、フランジ部４２とを有する。固定部４０は、円板状の形状を有し、固定部４０の直径は、大径環状部１の貫通穴の内径よりも大きくなっている。上記固定部４０は、大径環状部１の複数の貫通穴のうちの一の貫通穴の小径環状部２側とは反対側の開口を塞ぐように配置されている。上記軸部４１は、大径円筒部５０と、小径円筒部５１とを有し、大径円筒部５０は、固定部４０の大径環状部１側の端面から小径環状部２側に突出している。上記大径円筒部５０は、上記一の貫通穴に嵌合している。

上記小径円筒部５１の外径は、大径円筒部５０の外径よりも小さくなっている。上記小径円筒部５１は、大径円筒部５０の固定部４０側とは反対側の端面から小径環状部２側に突出している。上記フランジ部４２は、円環状である。上記フランジ部４２は、小径円筒部５１の小径環状部２側の端部から径方向に延在している。上記小径円筒部５１の上記端部およびフランジ部４２の両方は、円錐ころ３２の貫通穴５５内における延在方向の中央よりも大径環状部１側に位置している。

上記フランジ部４２は、探触子の役割を果たしている。上記フランジ部４２が、円錐ころ３２の貫通穴５５の内周面に接触することで、第１ピン３が荷重を受けるようになっている。そして、この荷重に基づいて、第１ピン３に発生する歪みを算出するようになっている。

一方、上記第２ピン４は、小径環状部２の複数の貫通穴のうちの一の貫通穴の大径環状部１とは反対側の開口を塞ぐように配置されている。上記第２ピン４と、第１ピン３とは、内外輪３０,３１の間に配置されている円錐ころ３２の軸方向に対向している。図１に示すように、上記第２ピン４は、固定部６０の形状のみが、第１ピン３と異なっている。上記第２ピン４は、軸方向の外方側の端面６１が、内輪３１の軸方向に向いている。上記第２ピン４の軸方向の端面６１の法線方向は、内輪３１の軸方向に略一致している。上記第２ピン４の他の構成は、第１ピン３と一致している。

上記第１歪みゲージ５は、第１ピン３の小径円筒部５１に接着剤等により貼り付けられている。上記第１歪みゲージ５は、周知の構成からなり、薄い絶縁体上にジグザグ形状にレイアウトされた金属の抵抗体(金属箔)を取り付けてなっている。上記第１歪みゲージ５は、変形による電気抵抗の変化を測定することによりひずみ量に換算するようになっている。第１ピン３の小径円筒部５１が、変形すると、第１歪みゲージ５も同率で変形する。上記第１歪みゲージ５は、細い金属抵抗体を有し、この細い金属抵抗体は、伸びにより断面積が減るとともに長さが長くなり、その結果抵抗値が増える。上記第１歪みゲージ５は、この抵抗変化を測定に利用するようになっている。この抵抗変化は微小であり、その検出は、所謂ストレインアンプと呼ばれるブリッジ回路と、電圧増幅器とを使用して行う。上記第２歪みゲージ６は、第２ピン４の小径円筒部に接着剤等により貼り付けられている。上記第２歪みゲージ６は、第１歪みゲージ５と同一である。また、上記歪み用データロガー７は、第１および第２歪みゲージ５,６の夫々に存在するリード線を通じて、第１および第２歪みゲージ５,６からの信号を受けて、歪み情報を記録するようになっている。

図２は、荷重測定装置が取り付けられていない円錐ころ３２の軸中心を通過する軸方向の断面図である。

図２に示すように、周方向において第１歪みゲージ５（第１ピン３）が存在しない箇所では、大径環状部１の貫通穴は、ねじ穴になっており、大径環状部１と、小径環状部２とは、一体型のピン（ピンタイプ保持器で使用されるピン）７０によって結合されている。大径環状部１のねじ穴と、ピン７０の一端部とは、螺合により固定されている。一方、小径環状部２と、ピン７０の他端部とは、フランジ付きナット７１によって、固定されている。詳しくは、ピン７０の他端部の外周面に環状の圧入ブッシュ７２を外嵌した後、圧入ブッシュ７２の軸方向の外方側からフランジ付きナット７１を、螺合させて、更に、フランジ付きナット７１のフランジ面を、小径環状部２の貫通穴に存在する段部に押圧している。このようにして、ピン７０と、圧入ブッシュ７２と、小径環状部２の貫通穴の内周面と、フランジ付きナット７１とを、互いに相対移動不可にし、ピン７０の他端部が小径環状部２に対して相対移動不可になるようにしている。

通常のピンタイプ保持器では、溶接による熱影響で、環状部に反りや曲がりが発生し、この環状部の反りや曲がりが、このころのＰ．Ｃ．Ｄの真円度を狂わせたり、保持器と、ころとの軸方向すきまを変動させたりする。その結果、ころの挙動が変化し、ころと保持器との衝突力に影響ができることがある。この実施形態では、小径環状部２側の固定を、フランジ付きナット７１で行い、溶接を使用していないので、溶接の影響を排除した寿命測定を行うことができて、より正確なピンの寿命の検証を行うことができる。

図３は、歪み用データロガー７の取り付け前において、第２ピン４が存在する周方向の位相において、小径環状部２の軸方向の端面の軸方向の外方側からその端面を見たときの模式図である。

図３に示すように、第２ピン４の固定部６０は、圧入ガイド用穴８０と、リード線引出し用穴８１とを有し、小径環状部２は、引抜き用タップ穴８２を有する。上記歪みゲージ５,６の貼り付け部は、目視確認できないため、計測用の第１および第２ピン３,４を環状部１,２に圧入する際、何の方策も講じないと、歪みゲージ５,６の歪みの測定方向が、円筒部上の歪みを測定したい方向に一致しないことになる。

本実施形態では、第２ピン４の固定部６０に圧入ガイド穴８０を設けると共に、小径環状部２の側面に引抜き用タップ穴８２を設けているから、キャップボルトをガイドにして第２ピン４を圧入することができて、第２ピン４の周方向の位置ずれを防止することができる。

図４は、図３のＡＡ線断面図であり、図５は、図４のＢＢ線断面図である。図４および図５に示すように、第２歪みゲージ６は、歪みの測定方向が、円錐ころ軸受の径方向に略平行になるように配置されている。第２歪みゲージ６は、このようにして、径方向に垂直である図５に矢印Ａで示す荷重作用方向の歪みを、正確かつ効率良く検出できるようにしている。

図６は、図１および図２に示す実機を、その実機の小径環状部の軸方向の外方側から見たときの図である。尚、図６においては、外輪３０および内輪３１の図示を省略している。

図６に示すように、小径環状部２には、歪み用データロガー７と、振動用データロガー８８と、データロガー用電池８９とが固定されている。上記振動用データロガー８８は、保持器の振動加速度を測定するために設けられ、これによって、ピンに及ぼされる作用力に対する保持器の振動の寄与を調査できるようになっている。また、データロガー用電池８９は、歪み用データロガー７と、振動用データロガー８８とに電力を供給するために設けられている。尚、図６において、参照番号１０２は、３軸振動加速度ピックアップを示している。

図７は、本実施形態の測定系統図である。

図７に示すように、この荷重測定装置では、歪み計測は、第１,２歪みゲージ５,６からの信号を、リード線を介して歪み用データロガー７に記憶するようになっている。そして、歪み用データロガー７に記憶された情報を解析する際には、通信ケーブルを介して歪み用データロガー７に記憶された情報を通信アダプタ１００に取り出し、更に、その情報を、ＵＳＢケーブルを介してパソコン１０１に取り込んで解析するようになっている。

また、本実施形態の荷重測定装置では、振動加速度計測は、３軸振動加速度ピックアップ１０２からの信号を、ローノイズケーブルを介して振動用データロガー８８に記憶するようになっている。そして、振動用データロガー８８に記憶された情報を解析する際には、通信ケーブルを介して振動用データロガー８８に記憶された情報を通信アダプタ１０３に取り出し、更に、その情報を、ＵＳＢケーブルを介してパソコン１０１に取り込んで解析するようになっている。尚、歪みゲージ５,６および３軸振動加速度ピックアップ１０２の位置の計測は、特開２０１１−１４９５３８号公報等に記載の周知の方法で、レーザポインタ１０５によって行うようになっている。そして、歪みゲージ５,６および３軸振動加速度ピックアップ１０２の位置と、歪みおよび振動とを照合できるようになっている。

この荷重測定装置では、第１および第２ピン３,４の円板状のフランジ部４２の径方向の外方側の端部を、円錐ころ３２の貫通穴の内周面に点接触に近い接触をさせることにより、第１および第２ピン３,４の局所に付与される荷重を精密に計測するようになっている。そして、実測された測定値と、モデルで予測される当該局所的な箇所における荷重が一致するように、二つの片持ち梁構造の第１および第２ピン３,４においてモデルの境界条件を求めるようになっている。

そして、この境界条件に矛盾しないように、一体型のピンに作用する荷重を、上記境界条件を含む複数のパラメータで一般化して表すようになっている。尚、この一般化は、機構解析ソフトで行うことができる。そして、最後に、実際に一体型のピンを用いて、試験を行い、ＦＥＭ（有限要素法：Finite Element Method）解析により、破損起点部の応力を求め、モデルと、実測とが、矛盾しないか否かを確認するようになっている。すなわち、この実施形態では、梁要素モデルを採用し、目的であるピンへの作用力のアウトプットを算出できるようにしている。尚、今回の解析は、動解析におけるピン部のモデルは、剛体で行っている。

以下は、本実施形態において、測定値と、解析値との合わせこみを行う各ステップについての簡単な説明である。

（１）先ず、円錐ころ軸受において、ピンを、周方向の一箇所において、二分割の実測形状のピン（二つの片持ち梁構造のピン）とし、歪みゲージを貼り付けている箇所の歪みを実測し、モデルにおいて対応する箇所での計算上の歪みを、その実測した歪みに合わせるように、モデルのパラメータを決定する。

（２）ここで、実測値に対し、モデルの計算歪みが合わない場合には、保持器の公転速度を合わせるようにする。この合わせ込みは、モデルに存在するパラメータのうちの、ピンところとの接触部の摩擦係数、ころと内輪鍔とのすべり接触部の摩擦係数、および、ころと軌道との転がり摩擦における摩擦係数をチューニングして行う。

（３）二つの片持ち梁構造での歪みの合せ込みが完了したら、続いて、実機での構造（通常の一本のピン。両端固定梁。）で、これまでのステップで決定した境界条件が適用可能かどうかを確認する。詳しくは、二つの片持ち梁構造での歪みの合せ込みで決定した境界条件を、全数、通常の一本のピンの機構解析モデルに適用し、ピンところの作用力（最大衝突力）と各作用力の発生頻度を算出する。尚、このステップからは、歪みは使用しない。また、この時の算出条件は、過去に実機やベンチでの再現耐久試験で起こった破損事例での運転条件（回転速度、回転速度の加減速、軸受荷重）を使用する。一方、作用力とピンの破損回数のＳ−Ｎ線図（以下、この線図を（Ａ）の線図という）を、別の試験で事前に作成しておく。ここで、作用力は、ＦＥＭ解析により破損起点部の応力を算出し、ピンの疲労度と比較し、線図の妥当性を確認する。この結果、縦軸が応力、横軸が破損までの繰返し数の一般解化されたＳ−Ｎ線図（データベース）を別に用意することができる（例えば、特開２００４−２８６０６６号公報など）。そして、機構解析により求めた作用力・発生頻度から、上記（Ａ）の線図を元に、マイナー則を用いて、破損までの時間を求め、実機や試験機での時間と合致すれば、計算条件が妥当と判断する。

（４）計算値が妥当であれば、動解析の計算モデルの解析条件設定を決定し、現実の設計を行う。そして、この解析条件設定に基づいて保持器の強度や寿命を算出する。尚、風力発電機用の円錐ころ軸受は、通常、２０〜２５年の計算寿命検証が必要になる。本実施形態の手法により、現状で行われている軌道輪の疲労寿命検証に加えて、保持器の寿命検証も可能になる。

上記実施形態の荷重測定装置および方法によれば、従来、存在しなかった、実測のステップを組み込んだモデルを、構築することができる。したがって、風力発電機等の主軸を支持する軸受等の大型の軸受のピンの破損等の予言を、従来よりも格段に正確に行うことができる。

また、上記実施形態の荷重測定装置および方法によれば、円錐ころ３２と接触する部分が、円環状のフランジ部４２の縁部であるから、円錐ころ３２と、フランジ部４２とで点接触に近い接触を実現できて、フランジ部４２に点荷重（集中荷重）に近い荷重を作用させることができる。したがって、ピンの歪み分布のモデルを格段に単純化できると共に、そのモデルにおける境界条件をより正確に決めることができる。したがって、ピンに作用する力をより正確に算出できて、ピンの破損をより正確に予測できる。仮に、フランジ部に付与する荷重が、広範囲に広がる分布荷重であれば、モデルが構築しにくくなり、境界条件も正確に定めることができなくなるのである。

また、上記実施形態の荷重測定装置および方法によれば、スリップリングやテレメータを使用した信号の抽出に比べて、簡易な構成で信号の抽出を行うことができると共に、コストを低減することができる。また、ノイズの影響を小さくすることができて、断線の危険性も格段に低減することができる。

尚、上記実施形態では、３軸振動加速度ピックアップ１０２を有して、振動測定が可能であったが、この発明では、振動測定装置が存在しなくて、振動の測定ができなくても良い。

また、上記実施形態では、実測と、モデルとの合わせ込みを行うのに、ピンところとの接触部の摩擦係数、ころと内輪鍔とのすべり接触部の摩擦係数、および、ころと軌道との転がり摩擦における摩擦係数を、パラメータとしてチューニングを行ったが、この発明では、これらのパラメータにころの自転速度をパラメータとして加えて、モデルと実測のチューニングを行っても良い。また、二本の片持ち梁ピンの荷重差があり、ころのスキューの影響が大きそうな場合などには、ころの挙動（スキュー）の状態の合わせ込みを行っても良い。また、計測ピンの剛性も、常識の範囲で調整しても良い。また、実測と、モデルとの合わせ込みを行うパラメータとして、上記記載のもの以外のものを使用しても良いことは、言うまでもない。

また、上記実施形態では、測定用の二分割ピン（第１,２ピン３,４）を、実測機の周方向の位相の一箇所に配置したが、この発明では、測定用の二分割ピン（第１,２ピン）を、実測機の周方向の位相の複数箇所に配置しても良い。

また、歪みの分布を計算するための機構解析ソフトは、公知の如何なるソフトを使用しても良い。

また、上記実施形態では、測定したのが、中空の円錐ころ３２の内周面に接触するピンの歪み分布であったが、この発明では、測定するのが、中空の円筒ころの内周面に接触するピンの歪み分布であっても良く、または、中空の凸面ころの内周面に接触するピンの歪み分布であっても良い。

１,２ 環状部
３ 第１ピン
４ 第２ピン
５ 第１歪みゲージ
６ 第２歪みゲージ
７ 歪み用データロガー
３２ 円錐ころ
４０,６０ 固定部
４１ 軸部
４２ フランジ部
５５ ピン挿通穴

Claims (4)

1. 貫通穴を有する環状部に固定される固定部と、
   上記固定部からころのピン挿通穴内に延在可能な軸部と、
   上記軸部の外周面から上記軸部の径方向の外方に延在すると共に、上記ピン挿通穴の内周面内に位置して、その内周面に接触可能な円環状のフランジ部と、
   上記軸部の外周面に固定された荷重センサと
   を備えることを特徴とするピンタイプ保持器の荷重測定装置。
2. 請求項１に記載の荷重測定装置において、
   上記環状部に固定されると共に、上記荷重センサからの信号を記録する記録装置を備えることを特徴とするピンタイプ保持器の荷重測定装置。
3. 一端に円環状のフランジ部を有する一方、他端に固定部を有する軸部に荷重センサを設けた荷重検出ピンを用意するステップと、
   上記荷重検出ピンの固定部を、ピンタイプ保持器の環状部に固定すると共に、上記フランジ部を、ころのピン挿通穴内に配置するステップと、
   上記フランジ部が上記ピン挿通穴の内周面から受ける荷重を表す上記荷重センサの出力に基づいてピンタイプ保持器のピンが受ける荷重分布モデルの境界条件を決定するステップと
   を備えることを特徴とするピンタイプ保持器の荷重測定方法。
4. 請求項３に記載のピンタイプ保持器の荷重測定方法において、
   上記荷重分布モデルは、上記ピンと上記ころとの摩擦係数と、上記ころと内輪の鍔とのすべり接触部の摩擦係数と、上記ころと軌道との転がり摩擦部の摩擦係数とを含むパラメータで構築され、
   上記境界条件を決定するステップは、上記三つの摩擦係数を含むパラメータを実測に合うように決定することにより行うことを特徴とするピンタイプ保持器の荷重測定方法。

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