JPS6031036A - 転がり軸受の診断方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は転がり軸受の異常の状態等の診断方法に関する
。

転がり軸受は各種機械の回転部分に用いられる一般的な
軸受であり、円形の外輪、内輪夫々の軌道を有し、その
間に、ころ、玉等を転動体として使用することにより転
がり運動を取入れて低摩擦を実現しているが、滑り運動
も残っているため、その滑り運動により軸受の摩擦が進
行する虞れがあり、またその転走面に、転がり疲れによ
るフレーキング、ごみ等の異物の侵入、潤滑不良等によ
り損傷を来し、さらには二次故障を起こす虞れがある。

このため、転がり軸受に生じる損傷等を早期に発見して
対処すべく種々の診断方法が採用されている。

この転がり軸受の状態を診断する有力な方法として、転
がり軸受に損傷等の異常が発生した場合に、この異常に
起因して生じる振動を捉えることにより異常の程度を検
出する振動法があり、この振動法においても、精度の向
上を図った各種の方法の開発が進んでいる。

従来の振動法としては、転がり軸受の損傷による加速度
振動のピーク値、実効値、平均値を計測し、ピーク値と
実効値の比若しくはピーク値と平均値の比をめて、この
値の時系列変化により異常判定する方法、実効値又は平
均値を転がり軸受の軸径又は回転数で補正して正規化す
る方法等が一般的であった。

さらに近時では、高精度の監視方法として、転がり軸受
の振動の４次のモーメントを用いて転がり軸受の異常を
判定する方法が開発されている。

これは転がり軸受の正常時の振動は不規則に変動するが
、その確率分布はガウス分布に従う。確率密度関数Ｐ　
（ｘ）は４次のモーメントによって４乗平均と関連づけ
られるので、確率密度関数Ｐ（Ｘ）から得られる４乗平
均を、標準偏差で正規化することにより得られる値にて
軸受の損傷を判定するものである。

即ち、確率密度関数Ｐ　（ｘ）は Ｔ：平均値　σ：標準偏差 で表わされ、また４乗平均Ｙ７は、４次のモーメントに
よって で得られるので、この４乗平均７を標準偏差で正規化す
ることにより、フートシス（Ｋｕｒｔｏｓｉｓ　）値と
呼ばれる転がり軸受の振動に関する値がまり、このクー
トシス値に基づいて軸受の損傷の程度をｊｌ’ｌ＋断す
る。クーミーシス値は通常、転がり軸受が正當であれば
３．０の値となり、転がり軸受に異常が生じればフート
シス値は３．０より太き（なるので、転ガリ軸受の１０
傷の程度の判断が可能となる。

一般に転がり軸受に生じる損傷形態は、フレーキング等
により代表される外輪、内輪、転動体に生しる局所的欠
陥と、潤滑不良、転勤面の摩耗等に代表される全体的欠
陥とに大別される。しかしながら前述のフートシス値を
用いて異常を判定する方法は、全体的欠陥に対しては有
効であるが一１局所的欠陥に対しては精度のよい評価は
できない。

これは、全体的欠陥の場合には振動の周波数成分はあま
り変化せず全域において周波数成分が増加するために、
欠陥の状態を精度よく判定することば可能であるが、局
所的欠陥の場合には転がり軸受に生じる振動の周波数は
、外輪、内輪、転動体の各特性周波数成分の変動のため
に大きく変化し、損傷の程度等を正確に捉えることがで
きないためである。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、異常
に起因する振動の外輪、内輪、転動体の特性周波数成分
に着目して、各部に発生ずる異常の程度を的確に評価す
る転がり軸受の診断方法の提供を目的とする。

本発明は転がり軸受の振動を測定し、この測定振動波の
周波数分析により、転がり軸受の外輪。

内輪、転動体の各部の特性周波数及びその高調波の成分
の強度の２乗和平方根値と全周波数域の振動強度の実効
値との比を、各部における劣化指数として夫々算出し、
各劣化指数から各部の劣化確率を夫々算出することを特
徴とする。

以下本発明を図面に基づいて詳述する。

第１図は転がり軸受の横断面図、第２図はその縦断面図
である。図においてｌは内側にあって通常、軸に取付け
られる内輪、２は外側にあって通常ハウジングに取付け
られる外輪であり、内輪１と外輪２との間に複数の玉を
用いた転動体３，３・・・が保持器（図示せず）によっ
て所定間隔離隔して内輪１．外輪２間を転動するように
配設されている。

今、ピッチ円（転動体の中心がつくる円）の直径を１〕
、転動体の直径をｄ、接触角をαとし、内輪（軸）の回
転周波数をｆａとすると、外輪の一点がＩＩＩＩＪの転
動体と接触する周波数ｆＯは次式で表わされる。

同様に内輪の一点が１個の転動体と接触する周波数ｆｊ
は 転動体の一点が内輪または外輪と接触する周波数ｆｂは で夫々表わされる。

さて、外輪２に傷が生じている場合に、この傷が転動体
３に接触することにより、外輪に生じる振動の特性周波
数Ｆ。は、転動体の数をＺとすると、（３）式から で表わされ、同様に内輪１．転動体３に生じている傷に
基づく振動の特性周波数Ｆｉ、　Ｆｂは夫々・・・（５
）′ で表わされる。

従って外輪に異常があれば（３）２式よって、また内輪
、転動体に異常があれば＋４１　’　、　ｆ５５式によ
って夫々の異常に起因する振動の特性周波数が理論的に
算定できる。

通常、転がり軸受全体の振動には、外輪、内輪。

転動体の振動が重畳しており、第３図に示すように不規
則なものである。しかしながら、外輪、内輪、転動体に
おける異常に起因する振動の特性周波数は−上述したご
と＜（３１’　、　（４１’　、　（５１’により理論
的にまるので、軸受全体の振動を、外輪。

内輪、転動体における異常に起因する振動の特性周波数
に基づいて周波数分析すれば、各部の特性周波数におけ
る振動強度がまる。即ち、第３図に示す軸受全体の振動
に対して、所定の方法による周波数分析をすることによ
り、各部の異常に起因する高調波の成分の強度が抽出で
き、この特性周波数における高調波の成分の強度が軸受
の全体の振動強度に対する占有率、換言すれば、高調波
の成分の強度の２乗和平方根値と、全周波数域の振０Ｊ
強度の実効値との比を算出すれば、これが転がり軸受の
各部における異常の程度を表わす劣化指数となる。

即ら、外輪の特性周波数成分の３次高調波の各成分強度
をＳｌｌ、Ｓ１２．　Ｓ１３とすれば、この２乗和平方
根値は　Ｓｌｌ　＋Ｓ１２　＋Ｓ１３　で表われれ、ま
た軸受全体の振動強度の実効値をＳ　ｒｍｓとすると、
外輪の劣化指数Ｆ４１は となる。

同様に内輪の特性周波数成分の３次高調波の各成分強度
を夫々５２１．　Ｓ２２．　Ｓ２３、転動体の特性周波
数成分の３次高調波の各成分強度を夫々８３１゜３３２
、　３３３とすると、内輪、転動体の各劣化指数Ｆ４２
．　Ｐ　４３は、 となる。なお、２乗和平方根値をめるに際し、３次の高
調波の成分強度を用いることとしたがこれに限らず４次
以上の高調波の成分強度、若しくは２次の高調波の成分
強度を用いてもよい。

ざらに本発明においては劣化指数から劣化確率を算出し
、これに基づいて転がり軸受の異常の程度を評価するよ
うにしている。一般に信頼性理論では偶発故障確率Ｒ（
ｔ）は 一λｔ Ｒ（ｔ）＝１−ｅ でまり、指数分布に従うものとされている。そこで本１
頭発明者は実験の結果、下記（９）式を得た。

即ち、劣化確率をＰｉ（ｘ）、劣化指数をＦｌｉとする
（ただしｉ＝ｌ〜３の値をとり、ｉ＝ｌのときは外輪、
ｉ＝２のときは内輪、ｔ＝３のときは転動体における劣
化指数を夫々示す）と、１１ＪＬ／Ｌｏ：Ｎ常が発生し
ていないと考えられる場合（Ｐｉ　（ｘ）　−〇）の劣 化指数の最大値 Ｍｏ　：寿命（Ｐｉ　（ｘ）　＝１．０　）　（Ｄ劣化
指数の最大値 Ｘｏ　：劣化確率が０．５になるときの劣化指数 ｎに　：指数曲線の傾き（軸受の種類等により定まる） となる。（９）式をグラフに表わすと第５図のようにな
る。

従って（９）式に転がり軸受の各部位の劣化指数を代入
すると、劣化確率が算定でき、転がり軸受の各部の異常
の程度を数値にて確実に評価することが可能となる。

第６図は本発明方法の実施に使用する装置のブロック図
である。検査対象とする転がり軸受１ｏには振動を検出
する振動センサ１１が取付けられており、その検出結果
は振動処理回路１２にて増幅されて周波数分析部１３に
入力されている。周波数分析部１３では、前述した（３
］’、　＋４１’、　（５１’式に基づいて外輪、内輪
、転動体の異常に起因する振動の特性周波数の理論値を
め、軸受１０全体の振動を各特性周波数に基づいて前述
した如（周波数分析して軸受各部の特性周波数における
高調波の成分の強度を抽出し、その抽出結果を演算部１
４に与え、該演算部１４にて、前記（６１，（７１，（
８１式に基づいて劣化指数を演算すると共に、（９）式
に基づいて劣化確率を演算し、これを適宜の表示部１５
にて表示する。

次に本発明方法の実施結果を示す。診断対象の転がり軸
受として６２０６仕様の軸受を用い、この転ガリ軸受の
状態が、ｆ＋１正常の場合、（２）外輪に４．１ｍｍＸ
　２．１ｍｍＸ深さ０．４ｍｍのスポット欠陥がある場
合、（３）外輪に４．１ｍｍＸ　５．２ｎ＋ｍＸ深さ０
．６ｍｍのスポット欠陥がある場合、について本発明方
法により診断した。この転がり軸受の外輪、内輪２転動
体の異常に起因する振動の各特性周波数Ｆｏ、Ｆｉ。

Ｆｂは、内輪（軸）の回転数をｆａとすると、Ｆｎ＝３
．６７ｆａ、Ｆｉ　＝５．３３ｆａ、Ｆｂ　＝５．２３
ｆａとなる。

なお劣化指数は簡１′！のため、２次高調波における振
動強度の２乗和平方根値を使用した。夫々の結１ 果を以下に示す。

（１）の場合 ５１１＝１．２５ｘｌＯ’　５１２＝５．２７ｘｌＯ−
５Ｓ　ｒｎ＋ｓ　＝　１．０３８　Ｘ　１０−５外輪の
劣化指数 外輪の劣化確率Ｐ　１（ｘ　）　＝０．０３３７（２）
の場合 ５１１＝２．０４９　ｘｌＯ’　５１２＝２．０２２　
ｘｌＯ−’Ｓｒｍ５　＝６．５８１　Ｘｌ０−２ Ｆ４１＝３．１２Ｘ１０’ Ｐ＋　（ｘ）　＝０．３７８ （３）の場合 ５ｌｌ＝５．２３ｘｌＯ’　５１２＝４．３３８　ｘｌ
ｏ−’Ｓ　ｒｒｎｓ　＝　１．０７　Ｘ　１Ｏ−２Ｆ４
１＝４．９０６　ｘｌＯ’ Ｐ＋　（ｘ）　＝０．７７５ ＋１１．　（２１，（３１の結果を第７．第８．第９図
のグラフに夫々示す。

２ 各種実験から、外輪の劣化確率が０．１以上になると外
輪に何らかの異常が発生していることが判明しており、
上述の実施結果においても正常時には０．１以上、異常
時には０．１以下となっている。

従来から実施されている振動の平均値、ピーク値を用い
て軸受の異常を表現する方法により、前記ｉ１１．　（
２１，＋３１の場合を表わすと次のようになる。

（１１の場合（圧密時） 平均値＝０．１ｇ　ピーク値＝１．５ｇ（２）の場合（
スポット欠陥４．１ｘ２．１　ｘＯ，４）平均値−１，
５ｇ　ピーク値−２５ｇ （３）の場合（スポット欠陥４．１ｘ５．２　ｘｏ、６
　）平均値−３，０ｇ　ピーク値−１３０ｇ欠陥の大き
さに比例して夫々の値が大きくなっていくことがわかる
が、どの部分におけるどの程度の損傷であるかを推定す
ることは困難であり、またこれらの値は回転数、軸径等
で補正しなければならず、軸受の状態を的確に把握でき
なかった。

しかしながら本発明方法によれば、転がり軸受の異常が
各部の確率として表わされているために軸受の各部にお
ける状態を的確に捉えることができ、転がり軸受の診断
が容易にかつ高精度に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は転がり軸受の横断面図、第２図はその縦断面図
、第３図は転がり軸受の振動を表わすグラフ、第４図は
特性周波数に基づく周波数分析結果を示すグラフ、第５
図は劣化指数を劣化確率との関係を示すグラフ、第６図
は本発明方法の実施に使用する装置のブロック図、第７
〜第９図は本発明方法の実施例における劣化指数と劣化
確率との関係を示すグラフである。 ■・・・内輪　２・・・外輪　３・・・転動体　１０・
・・転がり軸受　１１・・・振動センサ 特　許　出願人　住友金属工業株式会社代理人　弁理士
　河　野　登　夫 ５ 第３図 第４図 −１９６− タ６　イｌ−オー　番梵 第９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、転がり軸受の振動を測定し、この測定振動波の周波
   数分析により、転がり軸受の外輪。 内輪、転動体の各部の特性周波数及びその高調波の成分
   の強度の２乗和平方根値と全周波数域の振動強度の実効
   値との比を、各部における劣化指数として夫々算出し、
   各劣化指数から各部の劣化確率を夫々算出することを特
   徴とする転がり軸受の診断方法。