JP4599889B2 - 軸継手監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧延設備などの駆動軸に組込まれる十字軸継手を監視する軸継手監視装置に関する。

例えば鉄鋼用圧延設備では、圧延ローラと駆動モータとの間に接続された駆動軸の途中部分に十字軸継手を設けることにより、上記ローラが圧延中の鋼材に対し上下に動くのを許容した状態で、圧延処理を行っている。
上記のような十字軸継手では、例えば下記特許文献１に記載されているように、その十字軸の４つの各軸にベアリングカップを設けるとともに、このカップと軸との間にころを転動自在に配置して当該軸の外周面を転動面に利用するものが提供されている。そして、この十字軸継手では、駆動軸の駆動モータ側及び圧延ローラ側にそれぞれ配置される駆動軸部及び従動軸部の各端部を、相異なる直線上の２つの上記ベアリングカップに接続することで当該継手は駆動軸内に組込まれて駆動モータの回転力を圧延ローラ側に伝達する。

特開平１１−５１０７３号公報（第３頁、図４）

ところで、上記のような十字軸継手では、鉄鋼圧延時に上記圧延ローラ側から軸及び各ベアリングカップに作用する負荷荷重は極めて大きいものであり、使用時間などに応じて軸表面に剥離が生じ易かった。しかも、上記圧延ローラが上下に動いたときに、上記ベアリングカップが取り付けられた対応する軸に対して揺動することから、剥離や亀裂などの損傷が各軸に設けられた転動面の周方向で部分的に発生し易かった。さらには、４つの軸で表面剥離の程度が異なる場合があった。
ところが、圧延設備などでは、十字軸継手の十字軸は４つの上記ベアリングカップによって軸方向周りの部分が覆われるとともに、上記駆動軸部及び従動軸部の各端部が十字軸の中央部にほぼ密着するように繋がれて当該十字軸は外部にほとんど露出されることなく駆動軸内に組込まれている。このため、各軸に設けられた転動面での剥離などの損傷を検出するためのセンサを十字軸継手に取り付けることは困難であり、センサ検出結果による損傷検知を行うことも難しかった。それ故、圧延設備では、定期的に、駆動軸から十字軸継手を取外し、さらには軸とベアリングカップとを分離して十字軸継手を完全に分解することで、各軸での表面剥離の程度を目視確認することが要求されて、この定期点検作業に大変な労力と時間を要した。また、上記転動面に供給された使用済みのグリース内の鉄粉の含有量を測定することで、軸表面での損傷発生を類推することも行われているが、この方法では損傷検知を常時行うことができず、しかも、その類推結果による損傷発生の検知精度は低く、さらには軸単位の損傷検知を行うことは困難であった。

従って、本発明は、圧延設備などの駆動軸に組込まれる十字軸継手においても、その十字軸の各軸に設けられた転動面での剥離などの損傷を軸単位に精度よく、かつ早期に検知することができる新たな技術的手段を提供することを目的とする。

本発明は、十字軸の４つの各軸の外周面を転動体が転動する転動面として用いた十字軸継手を監視する軸継手監視装置であって、
前記転動面に向けて超音波を発信し、かつ、その転動面で反射した超音波を受信可能な超音波センサを前記軸の内部に配置したことを特徴とするものである。

上記のように構成された軸継手監視装置では、超音波センサから転動面に向けて超音波を発信させ、その転動面で反射した超音波を当該センサにて受信させることにより、本発明の発明者等は、剥離などの損傷が転動面に生じているか否かについて判別できることを見出した。すなわち、損傷が転動面に生じていない場合には、その転動面からの超音波の反射波はその超音波の発信波に対しほとんど減衰することなく、上記センサはその反射波を受信することができた。これに対して、損傷が転動面に生じている場合には、その損傷によって超音波が拡散され、センサ側に反射される反射波が著しく減衰したり、全くセンサで受信できなかったりした。本発明は、上述のような知見に基づいて完成されたものであり、転動面からの超音波の反射波の変化を検出することにてその転動面での損傷発生を即座に検知することができる。また、超音波センサは軸内部に配置されているので、圧延設備などのように十字軸継手の十字軸が外部にほとんど露出されることなく駆動軸内に組込まれる場合でも、転動面に対する高精度な損傷検知を軸単位に行うことができる。尚、上記超音波センサは、十字軸の４つの各軸に設けてもよいし、損傷が発生し易い軸のみに設置してもよい。

また、上記軸継手監視装置において、前記超音波センサは、当該超音波センサが受信する前記転動面からの超音波の反射波が増幅されるように、その超音波の発信波の位相を、前記転動面に損傷が生じていないときにその転動面から反射される超音波の反射波の位相に合わせて、当該発信波を前記転動面に向けて発信するものである。
この構成により、送信波と反射波との干渉作用により、超音波センサに入力される転動面からの超音波の振幅を大きくすることができ、当該転動面に対する損傷検知精度を向上させることができる。

また、上記軸継手監視装置において、前記４つの各軸には、ベアリングカップが揺動可能に装着されるとともに、前記超音波センサは、前記ベアリングカップ側に固定された状態で、前記軸の内部に設けられた配置スペースに配置されていることが好ましい。
この場合、超音波センサがベアリングカップに固定されているので、そのカップが対応する軸に対して揺動したときに、当該センサもともに揺動して、その転動面上の超音波の発信先の箇所（センシング箇所）を移動させることができる。つまり、超音波センサは、上記カップの揺動に応じて、転動面を順次センシングすることができ、超音波の発信範囲を大きくすることなく必要な範囲に超音波を照射することができるとともに、当該転動面における損傷発生の箇所を特定することも可能となる。

また、上記軸継手監視装置において、前記超音波センサは、前記配置スペースの壁面に密接した状態で、前記転動面に向けて超音波を発信してもよい。
この場合、超音波センサと転動面との間の超音波の伝播経路上に界面が生じるのを防ぐことができ、界面による屈折などの超音波の伝播経路が変更されるのを防止して、転動面の所望箇所に対する超音波センシングを確実に行わせることができる。

また、上記軸継手監視装置において、前記超音波センサは、前記軸に形成されたグリース通路用の孔の内部に配置されてもよい。
この場合、超音波センサを軸内部に配置するための穴や凹部等を当該軸に設けることなく、当該センサを設置することができる。

本発明によれば、十字軸の軸内部に設けた超音波センサがその軸の外周面を用いて構成された転動面に向けて超音波を発信して、その転動面からの超音波の反射波の変化を検出することにより、転動面での損傷発生を即座に検知できるので、圧延設備などの駆動軸に組込まれる十字軸継手においても、上記転動面に対する損傷検知を十字軸の軸単位に精度よく、かつ早期に行うことができる。

以下、本発明の軸継手監視装置の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。尚、以下の説明では、圧延設備の駆動軸に組込まれる十字軸継手に適用した場合を例示して説明する。

実施形態１

図１は鉄鋼メーカの圧延設備に使用される駆動軸を示す斜視図であり、図２は本発明の一実施形態に係る軸継手監視装置の主要部を駆動軸の軸方向から見た図である（一部断面を含む。）。図において、駆動軸１０の両端部近傍には十字軸継手１１が使用されており、この継手１１を介在させて、当該駆動軸１０の一端側及び他端側には図示を省略した駆動モータ及び鉄鋼用圧延ローラがそれぞれ連結されている。つまり、駆動軸１０には、２つの十字軸継手１１の間に配置される中間軸部（第１軸部）１０ａに加えて、上記モータ及びローラ側にそれぞれ接続される駆動軸部（第２軸部）１０ｂ及び従動軸部（第３軸部）１０ｃが設けられており、一方の十字軸継手１１にて中間軸部１０ａと駆動軸部１０ｂとが連結され、他方の十字軸継手１１にて中間軸部１０ａと従動軸部１０ｃとが連結されている（図１参照）。また、圧延設備では、２本の駆動軸１０が互いに平行に配置されており、各駆動軸１０に連結された２つの上記ローラ間にスラブ等を通すことで圧延処理が施された鋼材を製造するように構成されている。また、この圧延処理の際に、各十字軸継手１１は、接続された駆動軸１０がその軸方向から傾くのを許容した状態で上記駆動モータの回転力を圧延ローラに伝達する。さらに、各十字軸継手１１を設けることにより、各圧延ローラが摩耗したときや鋼材の圧延幅を変更するときに上下のローラ芯間を容易に調整できるようになっている。

上記十字軸継手１１は、十字軸１２と、４個のベアリングカップ１３とを備えており、ベアリングカップ１３が十字軸１２の軸方向周りの部分を覆うように当該十字軸１２の４つの各軸１２ａに揺動可能に取り付けられている。各ベアリングカップ１３は、カップ部１３１と、その内部に保持され、上記軸１２ａに転がり接触する複数のころ１３２とを具備しており、カップ部１３１の内周面及び軸１２ａの外周面をそれぞれ外輪軌道及び内輪軌道としている。また、図２における上下一対のベアリングカップ１３は当該十字軸継手１１から見て軸方向一方側の駆動軸１０の軸部（例えば、上記駆動軸部１０ｂ）に、左右一対のベアリングカップ１３は軸方向他方側の駆動軸１０の軸部（例えば、上記中間軸部１０ａ）に、それぞれ接続されている。詳細には、カップ部１３１の左右両端部側に設けられたボルト穴１３１ａに螺着されるボルトを介して駆動軸１０の対応する軸部の端部に形成されたフランジ部が当該カップ部１３１に連結されており、十字軸１２の左右両側の中央部が軸部端部にほぼ密接して、当該十字軸１２が外部にほとんど露出されることなく駆動軸１０内に組込まれた状態で各軸部が接続されている。

上記カップ部１３１の周方向中央にはグリース注入用の孔１３１ｂが形成されている。また、上記十字軸１２の各軸１２ａには、上記孔１３１ｂと同軸的に、当該軸１２ａの中心軸周りに孔１２ｂが後述の転動面としての外周面に同心に形成されており、十字軸継手１１の内部で互いに連結されている。この孔１２ｂは、上記ころ１３２の軸外周面及びカップ部内周面との転がり接触部を潤滑するグリースが流されるグリース用通路を構成している。
また、上記孔１３１ｂには、蓋１４が着脱可能に取り付けられており、上記転がり接触部から当該孔１３１ｂを介して外部にグリースが漏れ出るのを防ぐようになっている。詳細にいえば、この蓋１４には、例えば段差状に形成された孔１３１ｂの内周面と密接して当該孔１３１ｂを実質的に密閉する平底碗状の取付部１４ａと、その底部から軸１２ａの軸方向に延設されてその軸側の上記孔１２ｂに挿入された丸棒状の支持部１４ｂとを有している。

また、上記十字軸１２の各軸１２ａでは、その孔１２ｂの内部に本発明の軸継手監視装置に含まれた超音波センサ１５１、１５２、１５３、１５４が配置されており、対応する軸１２ａの外周面を用いた上記ころ１３２の転動面での剥離や亀裂などの損傷の検知を行うように構成されている。
具体的には、図３に例示するように、超音波センサ１５１は、配置スペースとしての上記孔１２ｂの内部において、超音波の発信部及び受信部が構成されたセンサ端部が孔１２ｂの内壁面１２ｂ１に密接した状態で、軸１２ａの外周面からなる上記転動面１２ａ１に向けて超音波の発信波Ｓを発信し、かつその転動面１２ａ１からの超音波の反射波Ｒを受信可能に構成されている。また、この超音波センサ１５１は、ブラケット等の取付手段（図示せず）にて軸１２ａ側に固定されたものであり、上記センサ端部と内壁面１２ｂ１との間に同図に点にて示すグリースを介在させることなく孔１２ｂ内部に配置されている。

また、超音波センサ１５１は、超音波を発生するピエゾ素子と受信するピエゾ素子とを含んだものであり、十字軸継手１１の回転動作時に、上記転動面１２ａ１において最大負荷が作用する箇所の範囲であって、当該転動面１２ａ１で上記の損傷が最も発生し易い軸１２ａの先端部（ベアリングカップ１３）側に存在する最大負荷範囲Ａの全域を一周期でカバーできる超音波を発信するようになっている。
詳細には、上記駆動軸１０では、圧延ローラ側の従動軸部１０ｃが上下方向に動くのを許容するため、従動軸部１０ｃ及び中間軸部１０ａはそれぞれ中間軸部１０ａ及び駆動軸部１０ｂに対して、所定の作動角（例えば、最大５deg）の範囲内で上下方向に揺動可能に対応する十字軸継手１１を介して連結されている。それ故、例えば図４（ａ）に示すように、中間軸部１０ａが駆動軸部１０ｂに対して最大作動角で上方向に傾いている場合には、例えば中間軸部１０ａに連結された各ベアリングカップ１３は、同図（ｂ）の二点鎖線にて示すように、その装着された軸１２ａに対し図の右端部が上方向に傾いた状態となっている。また、中間軸部１０ａが上記図４（ａ）に示す状態から最大作動角を維持した状態で９０deg及び１８０deg回転すると、このカップ１３も中間軸部１０ａの回転動作に応じて、同図（ｂ）の実線及び点線にて示すように、軸１２ａに対して揺動する。すなわち、十字軸継手１１では、当該継手１１が駆動軸１０とともに回転したときに、各ベアリングカップ１３はその駆動軸１０に設定された最大作動角の２倍の角度範囲（例えば、＋５〜−５deg）で軸１２ａの中心Ｏに対して揺動（往復回動）するようになっている。

また、十字軸継手１１では、その回転動作時に４つの各軸１２を有する十字軸１２は、駆動軸１０の回転に応じて同一平面内で回転しているが、各軸１２に装着されたベアリングカップ１３は上記のように揺動する。このため、図４（ｂ）に示した軸１２ａの端部が同図の紙面に垂直な平面内でその図の下側に向けて回転するときには、その軸１２ａの転動面１２ａ１（図３）においてベアリングカップ１３側からの最大負荷が作用する箇所は、当該カップ１３の軸１２ａに対する揺動に応じて移動することとなり、上記最大負荷範囲Ａは同図（ｂ）に両矢印にて示す範囲となる。また、この最大負荷範囲Ａの転動面１２ａ１の周方向寸法Ｎは、当該転動面１２ａ１の円周Ｌと、駆動軸１０の最大作動角の２倍の角度である十字軸継手１１の作用角Ｍ（例えば、１０deg）とを用いて、Ｎ＝Ｌ×Ｍ÷３６０degで求められる。
さらに、十字軸継手１１から中間軸部１０ａに伝えられる回転力は、軸１２ａからこの軸先端部側に設けられたベアリングカップ１３を介して中間軸部１０ａに伝えられることから、最大負荷範囲Ａは転動面１２ａ１の軸先端部側であり、超音波センサ１５１は、図２に示したように、上記最大負荷範囲Ａに対応すべく孔１２ｂ内で転動面１２ａ１（図３）の軸先端部側に対向配置されている。

また、超音波センサ１５１は、図３に示したように、最大負荷範囲Ａ全域を一周期でカバーできる超音波として、上記周方向寸法Ｎに等しい振幅を有する横波超音波、または同寸法Ｎに等しい拡散幅を有する縦波超音波の上記発信波Ｓを転動面１２ａ１に発信している。また、この発信波Ｓの周波数は、超音波の伝播媒体としての軸１２ａ内の伝播経路上で著しく減衰されない値が選択されている。
また、図３（ａ）に示すように、転動面１２ａ１に損傷（剥離Ｈ）が生じていない場合には、超音波センサ１５１の発信部が転動面１２ａ１に向けて発射した発信波Ｓは、当該転動面１２ａ１にて反射されて、その発信後から所定時間を経過した後に反射波Ｒとしてセンサ１５１の受信部で受信される。そして、超音波センサ１５１は、受信した反射波Ｒに応じた検出信号（電圧信号）を後述のセンサ回路に出力する。

一方、図３（ｂ）に示すように、転動面１２ａ１に損傷（剥離Ｈ）が生じている場合には、超音波センサ１５１の発信部から転動面１２ａ１への発信波Ｓは当該剥離Ｈにて拡散される。このため、超音波センサ１５１の受信部が、同図（ｂ）に示すように、反射波Ｒを全く受信できなかったり、あるいはセンサ１５１は拡散された一部の超音波を上記所定時間経過後に剥離Ｈが生じていない場合に比べて大幅に小さい反射波Ｒを受信したりする。このように、剥離Ｈの有無によって超音波センサ１５１の受信部が受信する反射波Ｒが変化し、さらに当該センサ１５１から上記センサ回路に出力される検出信号も同様に変化する。

また、超音波センサ１５１では、図５に示すように、上記発信波Ｓは、超音波センサ１５１が受信する超音波の反射波Ｒが増幅されるように、その位相が調整されて発信されている。つまり、発信波Ｓの位相は、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、転動面１２ａ１に損傷が生じていないときにその転動面１２ａ１から反射される超音波の反射波Ｒ０の位相に合わせられたものであり、当該転動面１２ａ１に損傷が発生していないときには、これらの発信波Ｓ及び反射波Ｒ０の干渉作用により、同図（ｃ）に示すように、超音波センサ１５１は最大ピーク値Ｐ（発信波Ｓ×２−ころへの透過分）を有する反射波Ｒを受信するようになっている。

図２に戻って、上記超音波センサ１５１には、蓋１４の内部又は表面に設けた溝を通したケーブル１６を介して当該センサ１５１の検出結果を外部に送信する子機１が接続されている。
また、他の３箇所の軸１２ａについても同様に、蓋１４（図示せず）、超音波センサ１５２、１５３、及び１５４にそれぞれ接続された子機２、３、及び４が設けられており、合計４個の子機１〜４からそれぞれ検出信号（結果）データを発信することができる。

上記子機１は、図６に示すように、超音波センサ１５１からの検出信号を入力するとともに、図示しないボルト等の固定手段によって取付部１４ａの底部に固定されるセンサ基板３１と、このセンサ基板３１の上方に配置されたワイヤレス基板３２と、このワイヤレス基板３２の上方に配置されたバッテリー電源３３とを備えている。また、子機１では、互いに接離自在なコネクタにて各基板３１、３２と電源３３とが順次接続されるようになっており、当該ユニット１はビス穴１４ｃ内に挿入されるビス（図示せず）によって上記孔１３１ｂに装着される蓋１４の内部に収納されている。すなわち、センサ基板３１及びワイヤレス基板３２は、それぞれ設けられた勘合コネクタ３１ｃ及び３２ｃとが互いに連結されることでこれらの基板３１及び３２が電気的に接続され、またワイヤレス基板３２及びバッテリー電源３３は、それぞれ設けられた勘合コネクタ３２ｄ及び３３ａとが互いに連結されることでこれらの基板３２及び電源３３が電気的に接続されている。なお、図６では、図面の簡略化のために、上記支持部１４ｂの図示は省略している。また、各基板３１及び３２はモールド樹脂によりコーティングされたものであり、これら基板３１及び３２の回路等の電子部品にグリースや湿気などによる悪影響が極力生じないよう構成されている。

上記センサ基板３１は、超音波センサ１５１からの検出信号にアナログ／デジタル変換を施し検出信号データを生成するＡ／Ｄ変換機能を有するセンサ回路３１ａと、上記バッテリー電源３３に含まれた二本の単三形電池３３ａからの直流をユニット各部に適宜分配供給するための電源回路３１ｂとを備えている。
上記ワイヤレス基板３２には、例えばＤＳＰを用いて構成された送受信回路３２ａと、この送受信回路３２ａや上記センサ回路３１ａなどで使用されるプログラム等のデータを保持するメモリ３２ｂとを備えており、当該ワイヤレス基板３２が超音波センサ１５１の検出信号データを無線送信するデータ送信部を構成している。上記送受信回路３２ａには、所定周波数の発信波（搬送波）を発振する発振機能、この搬送波に検出信号データを乗せるための変調機能が付与されている。また、送受信回路３２ａは、後述の親機５（図７）からの発信波を受信して、その受信した発信波を復調してその発信波に含まれた同親機５からの指示信号を抽出する復調機能を有しており、前記指示信号によって子機１の各部はその駆動制御が行われるようになっている。また、送受信回路３２ａには、バッテリー電源３３の上方で蓋１４の開口端付近に配置されるアンテナ３４が接続されており、このアンテナ３４が上記検出信号データのシリアルデータ列を含んだ送信波を外部に発信する。尚、この説明以外に、アンテナ３４をベアリングカップ１３の外表面に沿わせて配置する構成でもよい。

また、他の子機２〜４も子機１と同様に上下三段に分割配置された基板及び電源を有しており、対応する超音波センサ１５２〜１５４からの検出信号データを発信するようになっている。
また、上記子機１〜４及び超音波センサ１５１〜１５４は、上記軸継手監視装置Ｔに含まれたものであり、各子機１〜４にはそれぞれ識別子としての連続した整数のＩＤ番号０，１，２，３が割り当てられており、各子機１〜４の上記送受信回路３２ａでは、センサ検出結果の送信を行うときに例えばヘッダー部に割り当てられたＩＤ番号を含めて、送信波を発信するように構成されている。そして、軸継手監視装置Ｔ内で各子機１〜４と超音波センサ１５１〜１５４とを特定可能になっている。

図７に示すように、上記軸継手監視装置Ｔは、超音波センサ１５１〜１５４（図２）と、対応するセンサ１５１〜１５４が接続された子機１〜４と、これらの各子機１〜４からの送信波を受信する親機５を備えている。この親機５には、例えばＲＳ２３２Ｃに準拠した通信線６ａを介して圧延設備内に配置されたパネルコンピュータ７が接続されている。また、このパネルコンピュータ７には、例えば１０Ｂａｓｅ−Ｔ線を用いたＬＡＮ ６ｂを介して、圧延設備から離れた監視室内などに設置されたパソコン（以下、“ＰＣ”と略称する。）８が接続されており、このＰＣ ８は、インターネット等の通信ネットワーク２０を介在させて例えば十字軸継手１１の製造メーカやそのメンテナンス会社などの情報処理端末２１に接続可能に構成されている。尚、軸継手監視装置Ｔでは、上記２本の駆動軸１０に組付けられた４つの各十字軸継手１１に子機１〜４が装着されており、パネルコンピュータ７及びＰＣ ８は当該監視装置Ｔ内に含まれた全ての各子機からの送信データを上記ＩＤ番号を基に判別し、各十字軸継手１１の監視を上記軸１２ａ単位に行えるようになっている。

上記パネルコンピュータ７には、そのコンピュータ機能として、各超音波センサ１５１〜１５４からの検出信号データに基づいた対応する軸１２ａでの損傷の有無についての判別・診断機能が付与されている。つまり、パネルコンピュータ７は、各センサ１５１〜１５４の上記発信部が超音波の発信波Ｓを発射した後、対応する上記受信部で受信される超音波の反射波Ｒの変化、例えばその最大ピーク値を監視しており、この監視している最大ピーク値が図５（ｃ）に示した（発信波Ｓ×２−ころへの透過分）の値に到達したときには、監視対象の転動面１２ａ１に損傷が生じていないと判別する。一方、監視している最大ピーク値が上述の２倍の値に達しなかったときには、監視対象の転動面１２ａ１に損傷が生じたと判別する。また、このコンピュータ７には、各子機１〜４のバッテリー電源３３での電池容量の残量管理などの監視装置Ｔの構成要素のメンテナンス作業に必要な情報管理機能、及び各検出データの波形や上記検出信号データの変化等の所定の履歴情報をディスプレイに表示するモニタリング機能がソフトウェアにて与えられている。
また、ＰＣ ８には、パネルコンピュータ７が有する上記のコンピュータ機能に加えて、入力した検出データやそれに基づく損傷の診断結果などのデータを保存したり、他の情報処理端末２１に上記の保存データを提供するＷｅｂサーバとして働いたりするようなサーバ機能が付与されている。

以上のように構成された本実施形態では、十字軸１２の各軸１２ａの内部に超音波センサ１５１〜１５４を設けるとともに、各超音波センサ１５１〜１５４から対応する軸１２ａの転動面１２ａ１に向けて超音波を発信させ、かつその転動面１２ａ１からの反射波Ｒを受信させている。そして、パネルコンピュータ７またはＰＣ ８が反射波Ｒの変化を基に転動面１２ａ１での損傷発生やその進行度合いを判別している。従って、圧延設備などの駆動軸に組込まれる十字軸継手においても、転動面１２ａ１に対する損傷検知を含む十字軸継手１１の監視・診断を軸１２ａ単位に精度よく、かつ早期に行うことができる。この結果、従前の定期点検作業及びこれに伴う十字軸継手１１の分解作業を実施することなく、高精度な診断結果に基づくメンテナンス作業を的確なタイミングで適切に行わせることができる。

また、本実施形態では、各超音波センサ１５１〜１５４は、転動面１２ａ１に損傷が生じていないときにその転動面１２ａ１から反射される超音波の反射波Ｒ０の位相に、送信波Ｓの位相を合わせて当該送信波Ｓを発信しているので、各センサ１５１〜１５４が受信する超音波の振幅を大きくすることができ、対応する転動面１２ａ１に対する損傷検知の精度を向上させることができる。
また、本実施形態では、各超音波センサ１５１〜１５４は、孔１２ｂの内壁面１２ｂ１に密接した状態で、転動面１２ａ１に向けて超音波を発信しているので、これらセンサ１５１〜１５４と各転動面１２ａ１との間の超音波の伝播経路上に界面が生じるのを防ぐことができる。従って、界面による屈折などの超音波の伝播経路が変更されるのを防止して、転動面１２ａ１の所望箇所に対する超音波センシングを確実に行わせることができる。

実施形態２

図８は、別の実施形態に係る軸継手監視装置の超音波センサを示す図である。図において、本実施形態と上記実施形態との主な相違点は、超音波センサの固定位置を、軸側からベアリングカップ側に変更した点である。
図８において、本実施形態では、各軸１２ａの内部に設けられたセンサ、例えば超音波センサ１５１は、上記蓋１４の支持部１４ｂ（図２）に取り付けられた固定部材１４ｄにより、当該蓋１４を介してベアリングカップ１３に固定された状態で、孔１２ｂの内部に配置されている。また、本実施形態の超音波センサ１５１は、孔１２ｂの内壁面１２ｂ１から離間した状態で、その発信部から超音波の発信波Ｓを転動面１２ａ１に向けて発信し、かつその受信部にて転動面１２ａ１からの反射波Ｒを受信するようになっている。また、このように、超音波センサ１５１は内壁面１２ｂ１に対し離間配置されて、軸１２ａと密度が異なるグリースを介在させているので、当該超音波センサ１５１では、密度が異なる物質同士の界面を通過するので発信波Ｓが表面波となって転動面１２ａ１に伝播されない可能性のある横波超音波よりも、表面波とならない縦波超音波を発信する方が好ましい。また、超音波センサ１５１の内壁面１２ｂ１に対する離間距離を小さくしてセンサ１５１を内壁面１２ｂ１に近接配置する方が好ましい。

以上のように構成された本実施形態では、超音波センサ１５１がベアリングカップ１３側に固定されているので、当該カップ１３が駆動軸１０の揺動に応じて対応する軸１２ａに対し揺動したときに、当該センサ１５１の発信波Ｓの到達箇所、すなわち転動面１２ａ１上の超音波のセンシング箇所も上記最大負荷範囲Ａ内を揺動（往復回動）する。従って、転動面１２ａ１に剥離Ｈが生じていない場合には、図８（ａ）に示すように、上記実施形態１と同様に、超音波センサ１５１の発信部から転動面１２ａ１への発信波Ｓは、当該転動面１２ａ１にて反射されて、その発信後から所定時間を経過した後に反射波Ｒとしてセンサ１５１の受信部で受信される。また、ベアリングカップ１３の揺動に伴って、超音波センサ１５１の照射箇所が、図８（ａ）に示した状態から同図の右側に揺動して、図８（ｂ）に示す状態となると、上記発信部から転動面１２ａ１への発信波Ｓは、その転動面１２ａ１上の剥離Ｈによって拡散されて、正常な反射波Ｒをセンサ１５１が受信できずに剥離Ｈ（損傷）の発生を検知可能となる。この結果、超音波センサ１５１側からパネルコンピュータ７側に送信される剥離Ｈの検出波形は、例えば図１０の波形５０に示すように、当該剥離Ｈの検出箇所のみ電圧値が低下した波形となる。

また、本実施形態では、超音波センサ１５１のセンシング箇所が、最大負荷範囲Ａ内を揺動するので、上記実施形態１と異なり、当該負荷範囲Ａ全域を一周期でカバー可能な高振幅・高出力の超音波を発信する必要がなく、同実施形態１に比べて低出力の超音波で損傷検知を行うことができる。
さらに、上記パネルコンピュータ７やＰＣ ８において、十字軸継手１１（駆動軸１０）の回転数を検知することにより、転動面１２ａ１における損傷の発生箇所を特定することも可能となる。具体的には、ベアリングカップ１３は、軸１２ａの中心Ｏに対して順次揺動すると、超音波センサ１５１はベアリングカップ１３に固定されているので、このセンサ１５１の発信波Ｓに対する軸１２ａの相対的な動作は図９（ａ）〜（ｄ）になる。また、剥離Ｈも図９（ａ）に示す状態から図９（ｂ）に示す状態、及び同（ｂ）に示す状態から図９（ｃ）に示す状態に相対的に移動し、上記最大負荷範囲Ａ内で揺動する間に２回、センサ１５は反射波Ｒを受信できなかったり、正常な最大ピーク値Ｐ（図５（ｃ））よりも著しく小さくなった反射波Ｒを受信したりする。そこで、例えばパネルコンピュータ７は、図示しない位置センサから十字軸継手１１（または駆動軸１０）の回転絶対角情報を取得し、転動面１２ａ１での損傷発生位置を特定するよう構成されている。つまり、ベアリングカップ１３の揺動動作と十字軸継手１１の回転動作とは、互いに相関関係を有しており、パネルコンピュータ７はその相関関係に基づき予め入力設定されたテーブルなどを参照することで、取得した十字軸継手１１の回転絶対角情報からベアリングカップ１３の揺動状態（揺動角度・位置）を判別することができる。そして、パネルコンピュータ７は、上記揺動状態の情報と超音波センサ１５１の検出結果とを用いて、転動面１２ａ１上での剥離位置を特定できる。

尚、上記の説明では、圧延設備の駆動軸に組込まれる十字軸継手に適用した場合について説明したが、本発明は十字軸の軸内部に転動面に向けて超音波を発信しその転動面からの反射波を受信可能に構成された超音波センサを設置したものであればよく、例えば鉄道車両に組付けられる駆動軸の十字軸継手の監視に本発明を用いることもできる。
また、上記の説明では、超音波センサの検出結果を外部に送信する子機を設けた構成について説明したが、子機の代わりに、同センサの検出結果を記憶するメモリを設置して、このメモリで保持した検出結果を基に損傷監視を行う構成でもよい。但し、上記のように、子機がセンサ検出結果を逐次送信する場合の方が、転動面の損傷検知をよりリアルタイムに行うことができる点で好ましい。

また、上記の説明では、グリース通路用の孔の内部に超音波センサを配置した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば当該センサを配置するための穴や凹部等の配置スペースを十字軸の軸に設けて配置する構成でもよい。但し、上記のように、軸に形成されたグリース通路用孔の内部に超音波センサを配置する場合の方が、当該孔を上記配置スペースとして活用することができ、センサを簡単に、かつコスト安価に取り付けることができる点で好ましい。
また、上記の説明では、パネルコンピュータまたはＰＣにおいて、超音波センサの検出結果に基づく損傷有無やその進行度合いの判別処理を行わせる構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば上記センサ回路に設けたＤＳＰ等のデータ処理部において上記の判別処理を実行させてもよい。

また、図８に示した実施形態２では、超音波センサを孔の内壁面から離した状態でベアリングカップ側に固定した構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば超音波センサのセンサ先端部が上記内壁面に常に密接されるように当該センサ先端部を内壁面側に付勢するバネ等の付勢手段を介してセンサをベアリングカップ側に固定する構成でもよい。このように構成した場合には、上記実施形態１のものと同様に、超音波の伝播経路上に密度が異なる物質同士の界面が生じるのを防ぐことができることから、ベアリングカップの揺動に応じて超音波の走査位置を変更して損傷位置を特定できる実施形態２での当該損傷位置の特定精度が上記界面によって低下するのを確実に防止することができたり、横波超音波を用いることもできたりする。

鉄鋼メーカの圧延設備に使用される駆動軸を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る軸継手監視装置の主要部を駆動軸の軸方向から見た図である（一部断面を含む。）。 上記軸継手監視装置の超音波センサを示す図であり、（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ損傷が発生していない場合及び損傷が発生している場合での同センサの具体的な動作例を示す図である。 図２に示した十字軸継手における揺動動作を示す図であり、（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ上記駆動軸の作動角及びこの作動角によって軸に対して揺動するベアリングカップを示す図である。 上記超音波センサの具体的な動作波形を示す図であり、（ａ）は同センサの発信波を示す波形図であり、（ｂ）は上記十字軸継手の軸の外周面（転動面）に損傷が生じていないときにその転動面から反射される反射波を示す波形図であり、（ｃ）は上記軸の転動面に損傷が生じていないときに同センサが実際に受信する反射波を示す波形図である。 上記軸継手監視装置に含まれた子機の要部構成例を示す図である。 上記軸継手監視装置の具体的な全体構成例を示すブロック図である。 別の実施形態に係る軸継手監視装置の超音波センサを示す図であり、（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ損傷が発生していない場合及び損傷が発生している場合での同センサの具体的な動作例を示す図である。 図８に示した軸継手監視装置での損傷発生箇所の特定方法を示す図であり、（ａ）〜（ｄ）は損傷発生箇所と上記ベアリングカップの揺動に伴って変化する超音波センサの検出位置との関係を示す図である。 図７に示したパネルコンピュータ側に入力される超音波センサの具体的な検出波形を示すグラフである。

符号の説明

１１ 十字軸継手
１２ 十字軸
１２ａ 軸
１２ａ１ 転動面
１２ｂ （グリース通路用の）孔（配置スペース）
１２ｂ１ 内壁面
１３ ベアリングカップ
１５１〜１５４ 超音波センサ
Ｔ 軸継手監視装置

Claims (4)

1. 十字軸の４つの各軸の外周面を転動体が転動する転動面として用いた十字軸継手を監視する軸継手監視装置であって、
   前記転動面に向けて超音波を発信し、かつ、その転動面で反射した超音波を受信可能な超音波センサが前記軸の内部に配置され、
   前記超音波センサは、当該超音波センサが受信する前記転動面からの超音波の反射波が増幅されるように、その超音波の発信波の位相を、前記転動面に損傷が生じていないときにその転動面から反射される超音波の反射波の位相に合わせて、当該発信波を前記転動面に向けて発信することを特徴とする軸継手監視装置。
2. 前記４つの各軸には、ベアリングカップが揺動可能に装着されるとともに、
   前記超音波センサは、前記ベアリングカップ側に固定された状態で、前記軸の内部に設けられた配置スペースに配置されていることを特徴とする請求項１に記載の軸継手監視装置。
3. 前記超音波センサは、前記配置スペースの壁面に密接した状態で、前記転動面に向けて超音波を発信することを特徴とする請求項２に記載の軸継手監視装置。
4. 前記超音波センサは、前記軸に形成されたグリース通路用の孔の内部に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の軸継手監視装置。
   

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