JP6953747B2 - 転がり軸受の状態監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、転がり軸受の状態監視装置に関し、より詳細には、転動体の通過に伴って観測される固定輪のひずみ波形から転がり軸受の運転状態を監視する転がり軸受の状態監視装置に関する。

特許文献１には、磁気センサにより転動体の磁ひずみを計測して軸受の荷重、回転数、及び回転速度を検知するようにした転がり軸受が開示されている。また、特許文献２には、回転体に作用するトルクにより変形する部材の歪量を歪ゲージで電気信号として検出し、該電気信号の振幅から回転体に作用するトルクを算出すると共に、電気信号の変動周期に基づいて回転体の回転数を算出することで、１つの歪ゲージの電気信号からトルクと回転数の両方を検出するようにした回転状態検出装置が開示されている。

特開２００４−８４７３７号公報 特開２０１２−２０２７９１号公報

特許文献１に記載の転がり軸受では、所定以上の磁ひずみ定数を有する金属をセラミックスに分散させて転動体を形成し、転動体の磁ひずみを磁気センサで計測することで、パルサーリングを装着することなく軸受の荷重、回転数、回転速度を検知可能として、転がり軸受の構成の大幅な簡素化と小型化を図っている。しかしながら、ベース材料であるセラミックに磁ひずみ定数を有する金属を分散させて転動体を形成するので、一般的な転がり軸受に適用することができない。また、コストの上昇や、衝撃がある部位には使用できないなどの問題があり、改善の余地があった。

また、特許文献２では、ころの通過周期からころの回転数（公転数）を求めているが、転がり軸受の運転状態を監視するものではない。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、センサで観測される１つのデータから複数の情報を求めて転がり軸受の運転状態を監視することができる転がり軸受の状態監視装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 固定輪と、回転輪と、前記固定輪と前記回転輪との間に転動自在に配設された複数の転動体と、を有する転がり軸受の状態監視装置であって、
前記固定輪に配設されて、前記転動体の通過による前記固定輪のひずみを検出するひずみゲージと、
前記ひずみゲージにより観測される前記固定輪のひずみ観測波形から前記転がり軸受の状態を監視する演算部と、
を備えることを特徴とする転がり軸受の状態監視装置。
（２） 前記演算部は、前記ひずみ観測波形の周期から前記転動体の公転数を求め、さらに式（１）から前記回転輪の回転数を算出することを特徴とする（１）に記載の転がり軸受の状態監視装置。

ただし、ｎｃ：転動体の公転数、Ｄｗ：転動体直径、α：接触角、Ｄｐｗ：転動体ピッチ径、ｎｉ：回転輪の回転数
（３） 前記演算部は、前記ひずみ観測波形の振幅から前記転がり軸受に作用するラジアル荷重を算出することを特徴とする（１）又は（２）に記載の転がり軸受の状態監視装置。
（４） 前記転がり軸受は、玉軸受であり、
前記演算部は、前記ひずみ観測波形の周期から求められた前記転動体の公転数に基づいて、前記玉軸受に作用するアキシャル荷重を算出することを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の転がり軸受の状態監視装置。

本発明の転がり軸受の状態監視装置によれば、固定輪に配設されて転動体の通過による固定輪のひずみを検出するひずみゲージと、ひずみゲージにより観測される固定輪のひずみ観測波形から転がり軸受の状態を監視する演算部と、を備えるので、部品点数の増大を招くことなく、転がり軸受の状態を監視することができる。

（ａ）は、本発明の一実施形態に係る転がり軸受の状態監視装置の構成を示す斜視図、（ｂ）は、図１（ａ）のＩ部拡大側面図である。 （ａ）は、転動体通過により観測されるひずみ観測波形のグラフ、（ｂ）は、図２（ａ）のＩＩに対応する、一対の転動体がひずみゲージを跨いで位置する状態を示す転がり軸受の要部側面図、（ｃ）は、図２（ａ）のＩＩ’に対応する、転動体がひずみゲージの位置を通過する状態を示す転がり軸受の要部側面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る転がり軸受の監視装置を図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の転がり軸受の監視装置１０は、転がり軸受２０の外輪２１に配設されたひずみゲージ３０と、演算部４０と、を備える。

本実施形態の転がり軸受の監視装置１０は、ひずみゲージ３０により観測される１つのひずみ観測波形から演算部４０によって複数の情報を求め、該複数の情報に基づいて転がり軸受２０の運転状態を監視可能とすることを主目的としている。

本実施形態において、ひずみゲージ３０の観測波形から得られ、転がり軸受２０の運転状態を監視するための複数の情報としては、転動体の公転数、転動体の転がり確認、回転輪の回転数、ラジアル荷重、異常振動波形などであり、転がり軸受が玉軸受の場合には、さらにアキシャル荷重も対象となる。
なお、以下の説明においては、外輪２１を固定輪、内輪２２を回転輪として説明するが、外輪２１を回転輪、内輪２２を固定輪とすることもできる。

詳細には、転がり軸受２０は、内周面に外輪軌道面２１ａが形成された固定輪である外輪２１と、外周面に内輪軌道面２２ａ（図２参照）が形成された回転輪である内輪２２と、外輪軌道面２１ａと内輪軌道面２２ａとの間に転動自在に配置された複数のころ２３と、を備える。なお、保持器の有無は、特に限定されない。また、転がり軸受２０の材料は、軸受鋼、浸炭鋼等が使用可能であるが、焼入れ処理が可能であれば特に限定されない。

外輪２１の外周面２１ｂには、軸方向に延びる、断面略コの字型の切欠き２５が形成されている。切欠き２５の底面には、ひずみゲージ３０が接着などにより固定されている。ひずみゲージ３０は、外輪２１に作用する応力により外輪２１が弾性変形すると、そのひずみ量を電気的に検出し、ひずみ量に比例した電気信号を演算部４０に送出する。

ひずみゲージ３０の取り付け位置は特に限定されないが、他の部位と比較して機械的強度が弱い切欠き２５に配置することで、ひずみ検出感度が向上する。同様の理由により、ひずみゲージ３０は、転がり軸受２０の負荷圏に配置するのが好ましい。また、ひずみゲージ３０は、外輪２１に直接接着しても、ひずみゲージ３０が固定された不図示の基材を外輪２１に固定するようにしてもよい。

このように構成された転がり軸受２０の外輪２１を固定して内輪２２を回転させると、複数のころ２３は、外輪軌道面２１ａと内輪軌道面２２ａとの間で自転しつつ公転する。外輪２１には、ころ２３の通過に伴って周方向に引っ張り力が作用し、ひずみが生じる。ひずみゲージ３０は、この外輪２１のひずみを検出し、ひずみ量に比例した電気信号に変換する。

図２（ａ）は、ころ２３の通過に伴って観測されるひずみ観測波形のグラフであり、図２（ｂ）に示すように、２つのころ２３が、ひずみゲージ３０を跨いで位置するとき、ひずみゲージ３０で観測されるひずみ量は小さくなり、ひずみ観測波形のグラフでは谷Ｖが形成される。

また、図２（ｃ）に示すように、ひずみゲージ３０が配設された位置の近傍をころ２３が通過するとき、大きなひずみがひずみゲージ３０によって観測され、ひずみ観測波形のグラフではピークＰが形成される。

演算部４０は、例えば、マイクロコンピュータなどで構成される情報処理部であり、ひずみゲージ３０で観測されたひずみ観測波形から複数の情報を求める。具体的には、ころ２３が、ひずみゲージ３０の近傍を通過するごとにひずみ観測波形に出現するピークＰ間の周期Ｔからころ２３の通過周期や通過状態を知ることができる。

また、ひずみ観測波形の周期や振幅に発生する不規則な変動やノイズの有無を確認することで、ころ２３の剥離や、保持器の破損などの転がり軸受２０の異常の検出が可能となり、異常を初期段階で発見できる可能性が高くなる。

転がり軸受２０のころ２３の数は、転がり軸受２０の設計諸元から分かっているので、ピークＰ間の周期Ｔによって、ころ２３の公転数ｎｃが求められる。

さらに、求められたころ２３の公転数ｎｃ、及び転がり軸受２０の他の設計諸元（ころ２３の直径Ｄｗ、ころ２３のピッチ円直径Ｄｐｗ、接触角α）を式（１）に入力することで、内輪２２の回転数ｎｉが算出できる。

ただし、ｎｃ：転動体の公転数、Ｄｗ：転動体直径、α：接触角、Ｄｐｗ：転動体ピッチ径、ｎｉ：回転輪の回転数

従って、ころ２３の公転数ｎｃや、内輪２２の回転数ｎｉからも転がり軸受２０の運転状態を監視することができる。

従来、内輪２２の回転数ｎｉを知るためには多極磁石やスリット板などの専用部材が必要であったが、本実施形態の転がり軸受の状態監視装置１０によれば、これらの専用部材を設けることなく、内輪２２の回転数ｎｉを知ることができる。

さらに、ひずみ観測波形の振幅Ｗは、外輪２１に作用するラジアル荷重に比例するので、予め、振幅Ｗとラジアル荷重との関係を求めておけば、ひずみ観測波形の振幅Ｗの大きさを観測することで、転がり軸受２０に作用するラジアル荷重の大きさが推定可能となる。

また、転がり軸受２０が玉軸受の場合、玉軸受にアキシャル荷重が作用すると、ころ２３の接触角αが変化し、その結果として、ころ２３の公転数ｎｃが変化するので、ころ２３の公転数ｎｃを観測することで玉軸受のアキシャル荷重を推測することができる。

具体的には、玉軸受を一定回転数で回転させて、アキシャル荷重の無負荷状態におけるころ２３の公転数ｎｃと負荷状態におけるころ２３の公転数ｎｃとの差と、アキシャル荷重との関係を予め求めておくことで、アキシャル荷重負荷時に観測されるころ２３の公転数ｎｃと無負荷状態におけるころ２３の公転数ｎｃとの差からアキシャル荷重を推測することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態の転がり軸受の状態監視装置１０によれば、外輪２１に配設されてころ２３の通過による外輪２１のひずみを検出するひずみゲージ３０と、ひずみゲージ３０により観測される外輪２１のひずみ観測波形から転がり軸受２０の状態を監視する演算部４０と、を備えるので、部品点数の増大を招くことなく、転がり軸受２０の状態を監視することができる。

また、演算部４０が、ひずみ観測波形の周期Ｔからころ２３の公転数ｎｃを求め、さらに内輪２２の回転数ｎｉを算出するので、１つのひずみ観測波形から得られる複数の情報によって転がり軸受２０の状態を監視することができる。

また、演算部４０が、ひずみ観測波形の振幅Ｗから転がり軸受２０に作用するラジアル荷重を算出するので、転がり軸受２０に作用するラジアル負荷を含む複数の情報によって転がり軸受２０の状態を監視することができる。

また、転がり軸受２０が玉軸受の場合には、演算部４０が、ひずみ観測波形の周期Ｔから求められたころ２３の公転数ｎｃに基づいて、玉軸受に作用するアキシャル荷重を算出するので、さらに精度よく転がり軸受２０の状態を監視することができる。

このように、１つのひずみゲージ３０の観測波形からころ２３の公転数ｎｃ、ころ２３の転がり確認、内輪２２の回転数ｎｉ、ラジアル荷重の大きさ、異常振動波形など、さらに転がり軸受２０が玉軸受の場合にはアキシャル荷重の大きさなどの多くの情報を得ることができ、部品点数の増大を招くことなく、転がり軸受２０の運転状態を監視することができる。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。例えば、上記説明では、ひずみゲージ３０により外輪２１のひずみを検出するようにしたが、外輪２１のひずみを検出可能であれば特にひずみ検出方式は問わず、光ファイバセンサなどであってもよい。また、演算部４０が軸受異常検出部を備え、該軸受異常検出部が異常を検出したとき、警報を発するようにすることもできる。

１０ 転がり軸受の状態監視装置
２０ 転がり軸受（玉軸受）
２１ 外輪（固定輪）
２２ 内輪（回転輪）
２３ ころ（転動体）
３０ ひずみゲージ
４０ 演算部
Ｄｐｗ ピッチ円直径
Ｄｗ 転動体直径
ｎｃ 転動体の公転数
ｎｉ 回転輪の回転数
Ｔ 周期
Ｗ 振幅
α 接触角

Claims (5)

1. 固定輪と、回転輪と、前記固定輪と前記回転輪との間に転動自在に配設された複数の転動体と、を有する転がり軸受の状態監視装置であって、
   前記固定輪に配設されて、前記転動体の通過による前記固定輪のひずみを検出するひずみゲージと、
   前記ひずみゲージにより観測される前記固定輪のひずみ観測波形から前記転がり軸受の状態を監視する演算部と、
   を備え、
   前記ひずみ観測波形は、前記転動体が前記ひずみゲージの近傍の通過の際にピークが形成され、
   前記演算部は、ピーク間の周期およびピークの振幅と前記転がり軸受に対する負荷状態との予め求められた関係、および、前記ひずみ観測波形におけるピーク間の周期およびピークの振幅に基づいて、前記ひずみ観測波形における不規則な変動またはノイズの有無の少なくとも一方を確認することで異常を検出することを特徴とする転がり軸受の状態監視装置。
2. 前記演算部は、前記ひずみ観測波形の周期から前記転動体の公転数を求め、さらに式（１）から前記回転輪の回転数を算出することを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受の状態監視装置。
   

   

   ただし、ｎｃ：転動体の公転数、Ｄｗ：転動体直径、α：接触角、Ｄｐｗ：転動体ピッチ径、ｎｉ：回転輪の回転数
3. 前記演算部は、前記ひずみ観測波形の振幅から前記転がり軸受に作用するラジアル荷重を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の転がり軸受の状態監視装置。
4. 前記転がり軸受は、玉軸受であり、
   前記演算部は、前記回転輪の回転数が一定の回転数の場合における、前記ひずみ観測波形の周期から求められた前記転動体の公転数と予め規定された前記転動体の公転数との差に基づいて、前記玉軸受に作用するアキシャル荷重を算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の転がり軸受の状態監視装置。
5. 前記固定輪は、前記回転輪の方向に延びる切欠きが形成され、
   前記ひずみゲージは、前記切欠きに配設される
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の転がり軸受の状態監視装置。

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