JP4495119B2 - ころがり軸受の劣化診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、ころがり軸受の劣化診断方法に関するものであり、特に鋼帯を搬送するハースロールやブライドルロールのような大型低速回転体の軸を支持する回転ころがり軸受に適した劣化診断方法に関するものである。

例えば鋼帯の焼鈍ラインなどには、炉内で鋼帯を走行させるために多数の大型ロールが用いられている。これらのロールのような大型低速回転体の軸はころがり軸受で支持されているが、永年にわたり連続使用されていると軸受の内輪や外輪、あるいは軸受内部のボールやコロなどの転動体が劣化して疵付くことがある。このような劣化を放置しておくと軸受が焼損してしまい、ライン停止などの重大なトラブルを引き起こすおそれがある。

そこで従来から、軸受の劣化状態を定期的に診断することにより、トラブルを未然に防止するための努力がなされてきた。その代表的な方法は、熟練した作業員が回転中の軸受の音を聴き、異常の有無によって劣化状態を判断する聴音法である。しかしこの方法は作業員による個人差が大きいため、劣化を見逃す危険性がある。

また従来から行われてきた他の代表的な方法は、特許文献１に示すように、振動ピックアップを軸受に当てて振動を検出する振動法である。この方法では、転動体が疵を通過する時間間隔を特徴周波数として捉え、その周波数成分を評価する。すなわち、疵付いた部分を転動体が周期的に通過することによって生ずる一定周波数の振動を、振動ピックアップにより検出する方法である。しかしこの方法は、３００ｒｐｍ以上の高速回転領域では優れた検出率を発揮するが、それよりも低速回転領域では発生周波数が数Ｈｚであって振動エネルギーが低いため、低速回転ころがり軸受では検出率が低下するという問題があった。
特開２００１−２９６２１３号公報

本発明は上記した従来の問題点を解決し、ころがり軸受の回転速度が低速である場合にも、疵の有無を精度よく検出することができ、劣化状態を正しく判断できるころがり軸受の劣化診断方法を提供することを目的とするものである。

上記の課題を解決するためになされた本発明のころがり軸受の劣化診断方法は、ころがり軸受を、内輪−バネ−転動体−バネ−外輪の連成振動系としてその固有振動周波数を求めておき、回転中のころがり軸受が発生する振動および／または音響を周波数解析して、１００〜１０００Ｈｚの周波数領域に含まれる前記固有振動周波数成分のピーク値の大小によって劣化状態を判断することを特徴とするものである。前記連成振動系のバネは非線形バネであることが好ましい。好ましい実施形態では、ころがり軸受が低速回転ころがり軸受であり、低速回転中の振動および／または音響を検出する。回転中の音響はマイクロフォンにより検出することができ、回転中の振動は加速度計または振動計により検出することができる。

本発明のころがり軸受の劣化診断方法は、回転中のころがり軸受が発生する振動および／または音響を利用して疵の有無を検出することは従来と同様であるが、従来のように疵付いた部分を転動体が周期的に通過することによって生ずる特徴周波数の振動や音響をピックアップするのではなく、ころがり軸受自体を内輪−バネ−転動体−バネ−外輪の連成振動系と見て、その固有振動周波数成分のピーク値の大小で劣化状態を判断する。

ころがり軸受の内部に疵付いた部分があると、全体の振動や音響も増加するが必ずこの固有振動周波数成分も増加するため、そのピーク値の大小によって正確な診断が可能である。しかもこの固有振動周波数は回転速度に依存せず、低速回転する軸受であっても１００〜１０００Ｈｚとなるから、マイクロフォン、加速度計、振動計などにより確実に検出することができる。従って、本発明によればころがり軸受の劣化状態を正確に診断することができ、軸受が焼損してライン停止に至るなどの重大なトラブルを未然に回避することができる。

以下に本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
本発明においては先ず、診断対象となるころがり軸受の固有振動周波数を求める。このためには図１に示すように、内輪１と外輪２との間に多数の転動体３を配置したころがり軸受４を、連成振動系としてモデル化する。

ここでバネ５とバネ６は、接触している場合は荷重が変位の３分の２乗に比例し、接触していない場合は荷重が０となるような数１で表すことのできる非線形バネである。ただしk1、k2はヘルツ理論を用いて内輪１と外輪２との径、内輪１や外輪２や転動体３のヤング率、ポアソン比を用いて求める。

内輪１や外輪２や転動体３のヤング率はそれぞれ多少異なるが、通常工業分野で使用されるベアリングでは、これらの値を同一としてこの後のシミュレーションを実施しても大きな影響がなく差し支えない。これは内輪１や外輪２や転動体３のポアソン比についても同様である。

次に、転動体３の位置を極座標表示で（ＰＣＤ／２＋pi,θi）とすると、連成振動系の運動方程式は数２により表すことができる。ここでdは転動体３の径、ｚは転動体３の数、Ｍは転がり軸受４の質量、ｍは転動体３の質量、fiはi番目の転動体において内輪１から転動体３に加わる荷重、giはi番目の転動体において外輪２から転動体３に加わる荷重、ｘは内輪１の水平方向変位、yは内輪１の垂直方向変位、gは重力加速度、tは時間である。

上記の運動方程式を数値シミュレーションにより解き周波数解析を実施すると、上記の連成振動系は図２のような周波数特性を示し、診断対象となるころがり軸受４の固有振動周波数を求めることができる。この固有振動周波数成分はころがり軸受４に疵のない場合にも軸の回転に伴って必ず発生し、ころがり軸受４の内部に疵があるとその疵に転動体３が接触するためにより強く発生する。しかも大小さまざまのころがり軸受４について計算した結果、ほとんど１００〜１０００Ｈｚの周波数領域に含まれることが確認できた。

そこで図３に示すように、診断対象となるころがり軸受４が回転中に発生する音響をマイクロフォン７により検出し、周波数解析装置８によって周波数解析を行う。そして予め求めた固有振動周波数成分のピーク値の大小により、劣化状態を判断する。この本発明の方法によれば、実施例のデータに示すとおり、ころがり軸受４の疵の有無を非常に精度よく検出することができる。

上記のようにころがり軸受４が回転中に発生する音響をマイクロフォン７により検出するほか、図４に示すようにころがり軸受４が回転中に発生する振動を加速度計または振動計９により検出し、周波数解析装置８によって周波数解析を行う方法を取ることもできる。この実施形態では振動計９として地震計のような高感度振動計（高感度加速度計）を使用している。ころがり軸受４が回転中に発生する振動のピーク周波数は軸受全体による連成振動計の固有振動数と一致するから、このピーク値の大小により、劣化状態を判断することができる。

下記の表１に示される３種類のころがり軸受について、連成振動系の固有振動周波数とを前記式によって計算で求めるとともに、回転中のころがり軸受の実際の音響をマイクロフォンで検出し、周波数解析を行った。その結果を図５、図６、図７に示した。これらの図に示されるように、実際の音響中に連成振動系の固有振動周波数成分が含まれており、明確なピークを示すことが確認できた。

実際の装置に対して、本発明の方法と、従来の聴音法と、従来の振動法とによる劣化診断を行ったところ、表２の通りの結果が得られた。

このデータからも明らかなように、本発明の方法によれば、ころがり軸受の回転速度が低速である場合にも、またころがり軸受の大小にかかわらず、疵の有無を精度よく検出することができ、ころがり軸受の劣化状態を正しく判断することができる。

ころがり軸受を連成振動系としてモデル化した説明図である。 連成振動系の周波数特性を示すグラフである。 本発明の音響による劣化診断方法の模式図である。 本発明の振動による劣化診断方法の模式図である。 中型のころがり軸受について、連成振動系の固有振動周波数と実際の音響を周波数解析した結果を示すグラフである。 小型のころがり軸受についての同様のグラフである。 大型のころがり軸受についての同様のグラフである。

符号の説明

１ 内輪
２ 外輪
３ 転動体
４ ころがり軸受
５ バネ
６ バネ
７ マイクロフォン
８ 周波数解析装置
９ 振動計

Claims (5)

1. ころがり軸受を、内輪−バネ−転動体−バネ−外輪の連成振動系としてその固有振動周波数を求めておき、回転中のころがり軸受が発生する振動および／または音響を周波数解析して、１００〜１０００Ｈｚの周波数領域に含まれる前記固有振動周波数成分のピーク値の大小によって劣化状態を判断することを特徴とするころがり軸受の劣化診断方法。
2. 前記連成振動系のバネは非線形バネであることを特徴とする請求項１記載のころがり軸受の劣化診断方法。
3. ころがり軸受が低速回転ころがり軸受であり、低速回転中の振動および／または音響を検出することを特徴とする請求項１または２に記載のころがり軸受の劣化診断方法。
4. 回転中の音響をマイクロフォンにより検出することを特徴とする請求項３に記載のころがり軸受の劣化診断方法。
5. 回転中の振動を加速度計または振動計により検出することを特徴とする請求項３に記載のころがり軸受の劣化診断方法。

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