TW202346729A - 軸承裝置之狀態之檢測方法、檢測裝置及程式 - Google Patents
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Abstract
本發明之檢測包含圓錐滾子軸承之軸承裝置之狀態之檢測方法係在向前述軸承裝置賦予規定之荷重之狀態下，向由外方構件、內方構件、及複數個滾子構成之電路施加交流電壓，測定前述交流電壓施加時之前述電路之阻抗及相位角，基於前述阻抗及前述相位角，使用與前述電路對應之算出式，導出前述內方構件與前述複數個滾子之間、或前述內方構件與前述複數個滾子之間之至少一者之油膜厚度及金屬接觸比例。
Description
本申請案發明係關於一種軸承裝置之狀態之檢測方法、檢測裝置及程式。
先前，於軸承裝置中，廣泛普及使用潤滑劑(例如，潤滑油或潤滑脂)、對其旋轉予以潤滑之構成。另一方面，對於軸承裝置等之旋轉零件藉由定期地進行狀態診斷，而早期檢測損傷或磨耗從而進行旋轉零件之故障等之產生之抑制。
於使用潤滑劑之軸承裝置中，為了診斷其動作狀態，而要求適切地檢測與潤滑劑相關之狀態。例如，在專利文獻1中，揭示一種將直流之低電壓施加於軸承，根據所測定之電壓而診斷軸承之油膜狀態之手法。又，在專利文獻2中，揭示將油膜作為電容器而模型化，對軸承之旋轉環以非接觸之狀態施加交流電壓，基於所測定之靜電電容而推定軸承裝置之油膜狀態之方法。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1] 日本實公平05-003685號公報
[專利文獻2]日本專利第4942496號公報
[發明所欲解決之課題]
近年來，要求軸承裝置之進一步之低扭矩化。與該低扭矩化對應地推進在軸承裝置中使用之潤滑劑之低黏度化或低油量化。另一方面，例如，在風車等大型裝置中使用之軸承裝置中，負載更大之荷重。在如此之狀況中，軸承裝置內部之油膜斷裂之可能性、或滑動部之金屬接觸比例變高。因此，除了油膜厚度以外，亦追求適切地檢測軸承裝置內部之零件間之接觸狀態。軸承裝置中使用之軸承之構成具有各種各樣者。需要根據構成而考量潤滑劑周圍之零件間之接觸狀態。例如，作為軸承裝置中使用之軸承之一例，可舉出圓錐滾子軸承。圓錐滾子軸承為了使滾動體之位置穩定(導引)，而有在內環側設置擋邊之情形。如此之擋邊與滾動體因在圓錐滾子軸承動作時產生接觸，故需要考量該等之接觸而進行測定。
鑒於上述課題，本申請案發明之目的在於同時精度良好地進行包含圓錐滾子軸承之軸承裝置內部之油膜厚度及滑動部之金屬接觸比例之檢測。
[解決課題之技術手段]
為了解決上述課題，本申請案發明具有以下之構成。即，一種檢測方法，其特徵在於係對包含含有外方構件、內方構件、及複數個滾子而構成之圓錐滾子軸承之軸承裝置之狀態進行檢測者，
在向前述軸承裝置賦予規定之荷重之狀態下，向由前述外方構件、前述內方構件、及前述複數個滾子構成之電路施加交流電壓，
測定前述交流電壓之施加時之前述電路之阻抗及相位角，
基於前述阻抗及前述相位角，使用與前述電路對應之算出式導出前述內方構件與前述複數個滾子之間、或前述內方構件與前述複數個滾子之間之至少一者之油膜厚度及金屬接觸比例。
又，本申請案發明之又一形態具有以下之構成。即，一種檢測裝置，其特徵在於係對包含含有外方構件、內方構件、及複數個滾子而構成之圓錐滾子軸承之軸承裝置之狀態進行檢測者，且包含：
取得機構，其在向前述軸承裝置賦予規定之荷重之狀態下，取得在向由前述外方構件、前述內方構件、及前述複數個滾子構成之電路施加交流電壓時獲得之前述交流電壓之施加時之前述電路之阻抗及相位角；及
導出機構，其基於前述阻抗及前述相位角，使用與前述電路對應之算出式導出前述內方構件與前述複數個滾子之間、或前述內方構件與前述複數個滾子之間之至少一者之油膜厚度及金屬接觸比例。
又，本申請案發明之又一形態具有以下之構成。亦即，一種程式，
其使電腦作為下述部分發揮功能：
取得機構，其在向包含含有外方構件、內方構件、及複數個滾子而構成之圓錐滾子軸承之軸承裝置賦予規定之荷重之狀態下，取得在向由前述外方構件、前述內方構件、及前述複數個滾子構成之電路施加交流電壓時獲得之前述交流電壓之施加時之前述電路之阻抗及相位角；及
導出機構，其基於前述阻抗及前述相位角，使用與前述電路對應之算出式導出前述內方構件與前述複數個滾子之間、或前述內方構件與前述複數個滾子之間之至少一者之油膜厚度及金屬接觸比例。
[發明之效果]
根據本申請案發明，可同時精度良好地進行包含圓錐滾子軸承之軸承裝置內部之油膜厚度及滑動部之金屬接觸比例之檢測。
以下，參照圖式等對於用於實施本申請案發明之形態進行說明。再者，以下所說明之實施形態係用於說明本申請案發明之一實施形態，並非意圖限定本申請案發明而解釋者，又各實施形態中所說明之所有構成並不限於為了解決本申請案發明之課題而為必須之構成。又，於各圖式中，對於相同之構成要素，藉由賦予相同之參考符號而表示對應關係。
＜第1實施形態＞
以下，對於本申請案發明之第1實施形態進行說明。再者，在以下之說明中，作為滾動軸承而舉出在其內部可能產生線接觸之圓錐滾子軸承為例進行說明，但不限定於此，本申請案發明亦可適用於其他構成之滾動軸承。例如，若為在其內部具有與圓錐滾子軸承相同之擋邊之滾動軸承、及利用如此之滾動軸承之裝置，則可適用本申請案發明之手法。又，在軸承裝置中，作為產生線接觸之構成可舉出齒輪等，對於該等亦可適用。
[裝置構成]
圖1顯示利用本實施形態之診斷裝置1進行診斷時之整體構成之一例之概略構成圖。圖1中設置有適用本實施形態之診斷方法之軸承裝置2、及進行診斷之診斷裝置1。再者，圖1所示之構成係一例，亦可根據軸承裝置2之構成等使用不同之構成。又，於圖1中，顯示軸承裝置2具備一個滾動軸承之構成，但並不限定於此，亦可於一個軸承裝置2具備複數個滾動軸承。
在軸承裝置2中，徑向型之圓錐滾子軸承即滾動軸承可旋地支持旋轉軸7。旋轉軸7經由作為旋轉零件之滾動軸承受覆蓋旋轉軸7之外側之罩殼(未圖示)支持。滾動軸承包含：外環(外方構件)3，其係內嵌於殼體之固定環；內環(內方構件)4，其係外嵌於旋轉軸7之旋轉環；複數個滾動體5即複數個滾子，其等配置於內環4及外環3之間；及保持器(未圖示)，其滾動自如地保持滾動體5。此處，設為將外環3予以固定之構成，但亦可為如內環4被固定、外環3旋轉之構成。又，在內環4側，設置用於使滾動面處之滾動體5之位置穩定之擋邊6。換言之，擋邊6在滾動體5之滾動面進行導引。又，雖然在圖1中未圖示，但亦可設置用於防止向滾動體5周邊之灰塵之侵入或潤滑油之洩漏之周邊構件即密封件。在滾動軸承內部，藉由規定之潤滑方式，減輕內環4(進而擋邊6)與滾動體5之間、及外環3與滾動體5之間之摩擦。潤滑方式並無特別限定，例如使用脂潤滑或油潤滑等，供給至滾動軸承內部。對於潤滑劑之種類亦無特別限定。
馬達10係驅動用馬達，對旋轉軸7供給藉由旋轉而產生之動力。旋轉軸7經由旋轉連接器9連接於LCR測試儀8。旋轉連接器9例如可使用碳刷構成，但並不限定於此。又，軸承裝置2亦電性連接於LCR測試儀8，此時，LCR測試儀8作為針對軸承裝置2之交流電源發揮功能。
診斷裝置1作為可執行本實施形態之檢測方法之檢測裝置而動作。診斷裝置1在診斷時，對LCR測試儀8作為輸入而指示交流電源之角頻率ω、及交流電壓V，自LCR測試儀8取得軸承裝置2之阻抗|Z|(|Z|表示Z之絕對值)、及相位角θ作為與其對應之輸出。然後，診斷裝置1使用該等值進行軸承裝置2之油膜厚度或金屬接觸比例之檢測。關於檢測方法之詳情將於後述。
診斷裝置1例如可利用包含未圖示之控制裝置、記憶裝置、及輸出裝置而構成之資訊處理裝置而實現。控制裝置可由CPU(Central Processing Unit，中央處理單元)、MPU(Micro Processing Unit，微處理單元)、DSP(Digital Single Processor，數位訊號處理器)、或専用電路等構成。記憶裝置係由HDD(Hard Disk Drive，硬碟機)、ROM(Read Only Memory，唯讀記憶體)或RAM(Random Access Memory，隨機存取記憶體)等揮發性及不揮發性之記憶媒體構成，可藉由來自控制裝置之指示而進行各種資訊之輸入輸出。輸出裝置係由揚聲器或燈、或者液晶顯示器等顯示器件等構成，藉由來自控制裝置之指示進行向作業者之報知。由輸出裝置執行之報知方法並無特別限定，例如可為藉由聲音而實現之聽覺性之報知，亦可為藉由畫面輸出而實現之視覺性之報知。又，輸出裝置可為具備通訊功能之網路介面，亦可藉由經由網路(未圖示)之向外部裝置(未圖示)之資料發送而進行報知動作。此處之報知內容例如在基於檢測結果進行異常診斷之情形下，並不限定於檢測到異常時之報知，亦可包含軸承裝置2係正常之主旨之報知。
[實體模型]
使用圖2對於軸承裝置2中之滾動體5與外環3(或內環4)之接觸狀態進行說明。圖2顯示輥片與環片接觸時之實體模型之圖。輥片對應於滾動體5即滾子，環片對應於外環3(或內環4)。f(x)軸表示油膜厚度方向。又，圖2所示之各變數分別如以下所述般。再者，在以下之說明中使用之各式之變數中，相同之變數賦予相同之符號而建立對應關係。
S：赫茲接觸面積
a：輥片(滾子)之短邊方向(此處為x軸方向)上之接觸寬度
α：油膜之斷裂率(金屬接觸比例)(0≦α＜1)
r：輥片之半徑
αS：實際接觸區域(油膜之斷裂區域)
h：油膜厚度
h
1：赫茲接觸區域內之油膜厚度
O：輥片之旋轉中心
於赫茲接觸區域中，金屬所接觸之面積與未接觸之面積之比例為α：(1-α)。又，在輥片與環片不接觸之理想狀態下，在α=0且x=0時，h＞0。
圖2所示之油膜厚度h藉由以下之式(1)表示。
h=f(x)=h
1+√(r
2-a
2)-√(r
2-x
2) (-r≦x＜-a、或a＜x≦r) …(1)
又，在赫茲接觸區域內，會存在被稱為馬蹄形之油膜較薄之區域，但在本實施形態中，使用赫茲接觸區域內之平均油膜厚度即平均油膜厚度h
a。因此，於在赫茲接觸區域內產生油膜之斷裂之情形下，藉由以下之式(2)而求出h
a。
h
a=(1-α)h
1…(2)
在圖2中，O為x=0，圖2中之O之座標係以O(0,h
1+√(r
2-a
2))表示。
[等效電路]
圖3係藉由在電性上等效之電路(等效電路)顯示圖2所示之實體模型之圖。等效電路E1係由電阻R
1、電容器C
1、及電容器C
2構成。電阻R
1相當於斷裂區域(=αS)之電阻。電容器C
1相當於藉由赫茲接觸區域內之油膜形成之電容器，設為靜電電容C
1。電容器C
2相當於藉由赫茲接觸區域之周邊(圖2之-r≦x＜-a、及a＜x≦r)之油膜形成之電容器，設為靜電電容C
2。赫茲接觸區域之接觸面積(=S)形成圖3之等效電路E1中之電阻R
1與電容器C
1之並聯電路。進而，對於由該電阻R
1與電容器C
1構成之電路，並聯地連接有電容器C
2。此時，設為在赫茲接觸區域之周邊(圖2之-r≦x＜-a、及a＜x≦r)，填充有潤滑劑。
將等效電路E1之阻抗利用Z表示。此處，施加於等效電路E1之交流電壓V、流經等效電路E1之電流I、及等效電路E1整體之複阻抗Z藉由以下之式(3)至(5)表示。
V=|V|exp(jωt) …(3)
I=|I|exp(j(ωt-θ)) …(4)
Z=V/I=|V/I|exp(jθ)=|Z|exp(jθ) …(5)
j：虛數
ω：交流電壓之角頻率
t：時間
θ：相位角(電壓與電流之相位之偏移)
如式(5)所示般，複阻抗Z利用Z之絕對值|Z|與相位角θ之2個獨立之變數表示。此意指藉由測定複阻抗Z，而可測定相互獨立之2個參數(在本實施形態中，為以下所示之h
a及α)。圖3所示之等效電路整體之複阻抗Z如以下之式(6)般表示。
Z
-1=R
1 -1+jω(C
1+C
2) …(6)
R
1：電阻R
1之電阻值
C
1：電容器C
1之靜電電容
C
2：電容器C
2之靜電電容
|Z|：動態接觸狀態下之阻抗
進而，藉由式(6)可導出以下之式(7)、式(8)。
R
1=|Z|/cosθ …(7)
ω(C
1+C
2)=-sinθ/|Z| …(8)
此處，式(7)中之R
1與接觸面積具有反比例之關係，因此可如以下之式(9)般表示。
R
1=R
10/α …(9)
R
10：靜止時(即α=1)之電阻值
R
10可如以下之式(10)般表示。
R
10=|Z
0|/cosθ
0…(10)
|Z
0|：靜態接觸狀態下之阻抗
θ
0：靜態接觸狀態下之相位角
因此，斷裂率α可根據式(7)、式(9)、式(10)而如以下之式(11)般表示。再者，如上述般在將θ
0設為靜態接觸狀態下之相位角之情形下，可將θ視為在動態接觸狀態下之相位角。
[數1]
另一方面，式(6)、式(8)中之C
1可如以下之式(12)般表示。再者，在設想線接觸之情形下，關於圖2所示之赫茲接觸區域之接觸面積S，在將滾動體5之滾子之長度(此處為長度方向之接觸寬度)設為L時，S=2aL。
[數2]
ε：潤滑劑之介電常數
又，式(6)、式(8)中之C
2可如以下之式(13)般表示。
[數3]
[與接觸狀態相應之靜電電容]
此處，對於點接觸下之C
2進行說明。圖4係用於說明滾動體為滾珠時(例如滾珠軸承)之圖。此處，為了將說明容易化而將h
1之值顯示為較大，但實際上，如圖2所示般，為小至產生接觸(該情形下為點接觸)之程度。該情形下，可在滾動體與軌道盤之間產生點接觸。與圖2同樣地，在將滾動體之半徑設為r、將油膜厚度設為h
1之情形下，圖3所示之等效電路中之電容器C
2之靜電電容可利用以下之式(14)而算出。
[數4]
π：圓周率
r：滾珠之半徑
ε：潤滑劑之介電常數
ln：對數函數
接著對於產生在本實施形態中處理之線接觸之情形進行說明。圖5係用於說明滾動體為滾子之情形(例如，圓錐滾子軸承)之圖。此處，與圖4同樣地，為了將說明容易化而將h
1之值顯示為較大，但實際上，如圖2所示般，為小至產生接觸(該情形下為線接觸)之程度。該情形下，可能在滾動體與軌道盤之間產生線接觸。與圖2同樣地，在將滾動體之半徑設為r、將油膜厚度設為h
1之情形下，圖3所示之等效電路中之電容器C
2之靜電電容可利用藉由上述之式(13)所示之式而算出。
再者，如圖5所示般，滾動軸承中所使用之滾子有將端部倒角而形成之情形。該情形下，可將可能產生線接觸之直線部分作為L而處理。又，在因倒角而產生之長度方向之長度ΔL相對於L為極小時，可使用包含倒角部分之長度L’(=L+2ΔL)而算出電容器C
2。對於該倒角部分之影響之詳情將於後述。
此時，在使用圖2及圖5所示之符號時，因線接觸引起之接觸面積(即赫茲接觸區域之接觸面積)如上述般可藉由2aL表示。
又，對於未倒角之部分有可能產生點接觸，而非線接觸。因此，對於該部分可進一步使用點接觸之C
2之算出式(例如，上述之式(14))將電容器C
2累加至算出式(13)。
此處，對於源自於如圖1或圖5所示之圓錐滾子軸承之構成所應考量之影響進行說明。在本實施形態中，對於圓錐滾子軸承所具有之擋邊6、及圖5所示之倒角之影響進行研究。在本例中，作為在內環4側設置擋邊6、在外環3側無擋邊者進行說明。
首先，對於因在擋邊6與滾動體5之間產生之接觸所產生之靜電電容之影響進行說明。圖6係概念性地顯示與因在滾動體5(滾子)周圍產生之接觸區域引起之靜電電容對應之等效電路之圖。圖6之上側之電路表示在滾動體5與外環3之間產生之電容，左下側之電路表示在滾動體5與內環4之滾動面之間產生之電容，右下側之電路表示在滾動體5與內環4之擋邊6之間產生之電容。下側之2個電容器作為並聯電路而示出。此處，為了將說明簡單化，將左下側之電容與右下側之電容之赫茲接觸區域之接觸面積S及油膜厚度h作為相同者進行說明。
圖7係基於圖6所示之等效電路，用於說明擋邊6之影響之圖。在圖7中，縱軸表示無視在擋邊6產生之靜電電容而計算之油膜厚度h
無視擋邊、和滾動體5與內環4之滾動面之間之油膜厚度h(即，實際想要測定之油膜厚度)之比。又，在圖7中，橫軸表示在擋邊6產生之油膜厚度h
擋邊和滾動體5與內環4之滾動面之間之油膜厚度h之比。又，圖上之值表示擋邊6與滾動體5之赫茲接觸面積S
擋邊和滾動體5與內環4之滾動面之赫茲接觸面積S之比。
例如，在考量圓錐滾子軸承之構造之情形下，設定為相較於滾動體5與內環4之滾動面之接觸面積，滾動體5與內環4之擋邊6之接觸面積變小。即，設想為S
擋邊＜S。然後，參照圖7，在S
擋邊/S=0.1之曲線中，特別是在h
擋邊/h之值超過4時，h
無視擋邊/h之值大致成為1。換言之，無論有無擋邊，皆可獲得大致相同之值。即，即便無視擋邊而進行後述之測定，亦可獲得大致同等之測定精度。或者可知即便在任何條件下，h
無視擋邊/h＞0.5。一般而言h
擋邊/h≒4，但即便在h
擋邊非常薄、且S
擋邊/S非常大之情形下，無視在擋邊產生之靜電電容而獲得之h
無視擋邊，與實際想要測定之滾動體5與內環4之滾動面之間之油膜厚度h相比不會評估為薄50%以上。又，即便在任何條件下因h
無視擋邊/h＜1，故即便無視在擋邊產生之靜電電容與實際相比評估亦不會為更厚，因此作為監測潤滑狀態之裝置，在考量了安全率之狀態下進行判斷。
接著，對於如圖5所示之滾動體5中之倒角之影響進行說明。圖8(a)顯示與圖5同樣地設置倒角之滾動體之例，圖8(b)顯示未設置倒角之滾動體之例。在圖8(a)中，R
C表示倒角(***)之曲率半徑。又，將圖8(a)之有倒角之滾動體之電容設為C
2、將圖8(b)之無倒角之滾動體之電容設為C
2S進行說明。又，設為滾動體之長度方向之長度L’了，設為自L’去除了倒角部分之長度L。此時，L＜L’。
圖9A係用於說明倒角之影響之圖。在圖9A中，縱軸表示C
2S與C
2之比(C
2S/C
2)，橫軸表示油膜厚度h。C
2S/C
2之值愈接近1，則倒角之影響愈變小。參照圖9A可知，若h＜1.0×10
4[nm](=10[μm])，則C
2S/C
2之值漸近1，故即便無視在倒角產生之靜電電容對油膜測定精度亦基本不會產生影響。
圖9B係用於說明使曲率半徑R
C之值變化時之C
2S/C
2、與油膜厚度h之關係之圖。縱軸表示C
2S與C
2之比(C
2S/C
2)，橫軸表示油膜厚度h。此處，顯示R
C=0.1、1、5、10、20[m]之5個結果。參照圖9B，即便為任一曲率半徑R
C，與圖9A相同，若h＜1.0×10
4[nm](=10[μm])，則可無視倒角。換言之，無關於有無倒角，可進行後述之測定。
圖9C係用於說明使滾動體之長度方向之長度L’、與長度L之比之值變化時之L/L’、與油膜厚度h之關係之圖。縱軸表示C
2S與C
2之比(C
2S/C
2)，橫軸表示油膜厚度h。此處，顯示L/L’=0、0.25、0.5、0.75之4個結果。參照圖9C，若為任一L/L’≦0.5，則與圖9A相同，在h＜1.0×10
4[nm](=10[μm])下，即便無視倒角亦無問題。然而，可知在L/L’＞0.5之範圍下，無法無視在倒角產生之靜電電容對油膜測定精度帶來之影響。惟，一般而言，流通之滾子軸承滿足L/L’≦0.5。
根據上述之結果，在本實施形態中，無視圓錐滾子軸承之構成中之擋邊或倒角而進行測定。即便在如此般處理之情形下，可根據圓錐滾子軸承之構成，以一定程度之精度進行測定。再者，即便在外環3與內環4之兩者設置擋邊之情形下，亦可適用本實施形態之方法。
圖10係基於圖3中所示之等效電路E1，顯示圖1之滾動體5周圍之在電性上等效之電路之圖。在著眼於複數個滾動體5中之1個滾動體5時，在外環3與滾動體5之間、及內環4與滾動體5之間形成等效電路E2。此處，以上側為利用外環3與滾動體5形成之電路、以下側為利用內環4與滾動體5形成之電路進行說明，但亦可為相反。在1個滾動體5之周圍，該等電路、即圖3之等效電路E1串聯連接而形成等效電路E2。
[因徑向荷重而產生之靜電電容]
圖11係用於說明在對滾動軸承施加徑向荷重之情形之負載圈及非負載圈之圖。此處，在滾動軸承中，設為徑向荷重F
r經由旋轉軸7而施加。該情形下，在複數個滾動體5中，將產生如圖2所示之赫茲接觸區域之範圍稱為負載圈，將其以外之範圍稱為非負載圈。再者，負載圈之範圍可能根據徑向荷重之大小或滾動軸承之構成等而變動。
首先，對於負載圈內之電容器C
1之靜電電容進行說明。圖12A及圖12B係用於說明藉由位於負載圈之滾動體5而形成之電容器C
1之概念之圖。此處，使用負載圈包含5個滾動體，藉由各滾動體形成電容器C
1(1)～C
1(5)之例而說明。在負載圈中，赫茲接觸區域之大小根據滾動體之位置而不同。該情形下，如圖12A所示般，亦設想為在負載圈中愈遠離中央則靜電電容愈小。
然而，如圖2中所示般，設為赫茲接觸區域內之油膜厚度h
1不易受徑向荷重之影響，在本實施形態中，假定負載圈內之油膜厚度為一定。根據該情形，如圖12B所示般，將赫茲接觸面積S平均化、將藉由負荷圏內之複數個滾動體5各者形成之電容器C
1之靜電電容設為均一而處理。因此，藉由位於負載圈之複數個滾動體5形成之電容器C
1之靜電電容可利用以下之式(15)導出。
[數5]
m：表示位於負載圈之滾動體之自然數(1≦m≦n
1)
n
1：位於負載圈之滾動體數
C
1(m)：滾動體m之赫茲接觸區域之靜電電容
C
1¯：C
1(m)之平均值
接著，對於非負載圈內之電容器C
3之靜電電容進行說明。在非負載圈中，產生滾動體5與外環3之間隙、及滾動體5與內環4之間隙。如圖11所示般，在將位於非負載圈之滾動體5中位於中央之滾動體5a與外環3及滾動體5a與內環4之間隙設為徑向間隙h
gap時，位於非負載圈之複數個滾動體5各者與外環3之間隙可根據以下之式(16)導出。再者，設為滾動體5a與外環3之間隙、及滾動體5a與內環4之間隙相同(h
gap/2)而進行說明。再者，徑向間隙h
gap可根據徑向荷重F
r、及滾動軸承之規格等導出。
[數6]
m：表示位於非負載圈之滾動體之自然數(1≦m≦(n-n
1))
n：所有滾動體數
n
1：位於負載圈之滾動體數
然後，基於式(16)，非負載圈整體之靜電電容C
3可根據以下之式(17)而導出。
[數7]
m：表示位於非負載圈之滾動體之自然數(1≦m≦(n-n
1))
n：所有滾動體數
n
1：位於負載圈之滾動體數
ε：潤滑劑之介電常數
C
3(m)：滾動體m之赫茲接觸區域之靜電電容
π：圓周率
L：滾動體(滾子)之長度
R
tx：滾動體(滾子)之有效半徑
h
gap：徑向間隙
圖13係顯示考量了在上述之負載圈及非負載圈內形成之電容器之軸承裝置2整體之在電性上等效之等效電路之圖。與位於負載圈之n個滾動體5對應地，並聯連接有n個等效電路E2。此時，如使用圖12A及圖12B所說明般，赫茲接觸區域內之靜電電容使用C
1¯。
又，與位於非負載圈之(n-n
1)個滾動體5對應地，並聯連接有(n-n
1)個等效電路E3。再者，與負載圈同樣地，因在外環3與滾動體5之間、及內環4與滾動體5之間各者形成有電容器，故等效電路E
3為2個電容器C
3串聯連接之構成。此處，係將上側設為利用外環3與滾動體5形成之電路，將下側設為利用內環4與滾動體5形成之電路，但亦可為相反。然後，對藉由圖13所示之軸承裝置2整體構成之等效電路E4，在診斷時供給由LCR測試儀8產生之交流電源。
[油膜厚度及油膜之斷裂率之導出]
在本實施形態中，使用徑向荷重下之潤滑劑之油膜厚度h及油膜之斷裂率α而檢測潤滑狀態。在本實施形態中，為了導出徑向荷重下之潤滑劑之油膜厚度h及油膜之斷裂率α，使用上述之式(17)及以下之式(18)至(21)。
[數8]
[數9]
[數10]
[數11]
n：軸承內之所有滾動體(滾子)之數目
n
1：位於負載圈之滾動體(滾子)之數目
b¯：滾動體(滾子)之平均接觸寬度
L：滾動體(滾子)之長度
R
tx：滾動體(滾子)之有效半徑
S
t1¯：平均接觸區域
S
i1(m)：滾動體(滾子)m與內環之間之接觸區域
S
o1(m)：滾動體(滾子)m與外環之間之接觸區域
ω：交流電壓之角頻率
ε：潤滑劑之介電常數
k：軸承之數目
Ψ：無量綱常數
h
gap：徑向間隙
m：表示位於非負載圈之滾動體之自然數(1≦m≦(n-n
1))
|Z
0|：靜態接觸狀態下之阻抗
θ
0：靜態接觸狀態下之相位
|Z|：動態接觸狀態下之阻抗
θ：動態接觸狀態下之相位
在圖2之說明中，利用2a表示輥片之接觸寬度，但因滾動體5複數個，故在上述之式(21)中，使用該等之平均即2b¯。
[處理流程]
圖14係本實施形態之診斷處理之流程圖。本處理係利用診斷裝置1而執行，例如可藉由診斷裝置1所含之控制裝置(未圖示)自記憶裝置(未圖示)讀出並執行用於實現本實施形態之處理之程式而實現。
在S1401中，診斷裝置1對軸承裝置2以向規定之荷重方向賦予徑向荷重Fr之方式進行控制。此處，對內環4賦予徑向荷重F
r。再者，賦予徑向荷重F
r之控制亦可藉由不同於診斷裝置1之其他裝置進行。此時，測定靜態接觸狀態下之相位與阻抗。
在S1402中，診斷裝置1藉由馬達10開始旋轉軸7之旋轉。藉此開始連接於旋轉軸7之內環4之旋轉。再者，馬達10之控制亦可藉由不同於診斷裝置1之其他裝置進行控制。
在S1403中，診斷裝置1對LCR測試儀8以使用LCR測試儀8所具備之交流電源(未圖示)將角頻率ω之交流電壓V賦予軸承裝置2之方式進行控制。藉此，於軸承裝置2施加有角頻率ω之交流電壓。
在S1404中，診斷裝置1而自LCR測試儀8取得阻抗|Z|及相位角θ作為對於S1403之輸入之輸出。即，LCR測試儀8將阻抗|Z|及相位角θ作為對於作為輸入之交流電壓V及交流電壓之角頻率ω的軸承裝置2之檢測結果，輸出至診斷裝置1。
在S1405中，診斷裝置1藉由將在S1404中取得之阻抗|Z|及相位角θ、在S1403中使用之交流電壓之角周波數ω適用於式(17)至(21)而導出油膜厚度h及斷裂率α。
在S1406中，診斷裝置1使用在S1405中導出之油膜厚度h及斷裂率α診斷軸承裝置2之潤滑狀態。再者，此處之診斷方法例如可對於油膜厚度h或斷裂率α設置臨限值，藉由與該臨限值之比較而判斷潤滑狀態。然後，結束本處理流程。
[試驗]
對基於上述之診斷方法而進行之試驗之結果進行說明。試驗時之構成係以圖1所示之構成為基礎，試驗條件如以下所述般。
(試驗條件)
試驗軸承：圓錐滾子軸承
潤滑劑：渦輪油
徑向荷重：53.5[kN]
軸向荷重：0[N]
溫度：室溫(開始時)
轉速：50～1200[min
-1]
交流電壓：1.1[V]
交流電源之頻率：100[kHz]
圖15A係顯示根據在上述之試驗條件下進行試驗之結果而獲得之油膜厚度h、時間、及斷裂率α(金屬接觸比例)之關係之圖。在圖15A中，橫軸表示自試驗開始之時間[hr]，左縱軸表示油膜厚度[μm]，右縱軸表示斷裂率。標繪1501表示斷裂率之變化，與右側之刻度對應。標繪1503表示油膜厚度之變化，與左側之刻度對應。曲線1502係油膜厚度之理論值。
圖15B係顯示根據在上述之試驗條件下進行試驗之結果而獲得之轉速、時間、軸承之溫度之關係之圖。在圖15B中，橫軸表示自試驗開始經過之時間[hr]，左縱軸表示轉速[rpm]，右縱軸表示軸承外環溫度[℃]。曲線1511表示溫度之變化，與右側之刻度對應。曲線1512表示轉速之變化，與左側之刻度對應。再者，設為圖15A與圖15B之橫軸相對應。
參照圖15A或圖15B，例如，在時間經過0.5[hr]時，斷裂率上升，與其對應地，油膜厚度亦減少。因此時軸承之轉速較高，故預料會產生枯竭潤滑從而油膜斷裂。又，因本實施形態之手法之油膜厚度之算出值無視在擋邊產生之靜電電容，故成為較理論值更趨安全之值，亦即可較為早期地檢測出油膜厚度不足之情形。因此，在本實施形態之診斷裝置1中，可早期地檢測出軸承裝置2之狀態變化、特別是油膜厚度不足之情形。
以上，根據本實施形態，可同時精度良好地進行包含圓錐滾子軸承之軸承裝置內部之油膜厚度及滑動部之金屬接觸比例之檢測。
＜其他實施形態＞
又，於本申請案發明中，亦可實現如下之處理，即：使用網路或記憶媒體等將用於實現上述1個以上之實施形態之功能之程式或應用軟體供給至系統或裝置，由該系統或裝置之電腦中之一個以上之處理器讀出並執行程式。
又，亦可藉由實現一個以上之功能之電路(例如，ASIC(Application Specific Integrated Circuit，特定應用積體電路)或FPGA(Field Programmable Gate Array，現場可程式化閘陣列))而實現。
如上述般，本發明並非限定於上述之實施形態者，將實施形態之各構成進行相互組合之情形、或基於說明書之記載、以及周知之技術，本領域技術人員進行變更、應用之情形亦為本發明之計劃實施者，包含於要求保護之範圍內。
如以上所述般，本說明書揭示如下之事項。
(1) 一種檢測方法，其係對包含含有外方構件、內方構件、及複數個滾子而構成之圓錐滾子軸承之軸承裝置之狀態進行檢測者，其特徵在於：
在向前述軸承裝置賦予規定之荷重之狀態下，向由前述外方構件、前述內方構件、及前述複數個滾子構成之電路施加交流電壓，
測定前述交流電壓之施加時之前述電路之阻抗及相位角，
基於前述阻抗及前述相位角，使用與前述電路對應之算出式導出前述內方構件與前述複數個滾子之間、或前述內方構件與前述複數個滾子之間之至少一者之油膜厚度及金屬接觸比例。
根據該構成，可同時精度良好地進行包含圓錐滾子軸承之軸承裝置內部之油膜厚度及滑動部之金屬接觸比例之檢測。特別是考量在滾子軸承裝置內部產生之線接觸，而可精度良好地進行檢測。
(2) 如(1)之檢測方法，其中用於導出前述油膜厚度h及前述金屬接觸比例α之前述算出式為，
[數12]
[數13]
[數14]
[數15]
[數16]
。
根據該構成，可同時精度良好地進行包含圓錐滾子軸承之軸承裝置內部之油膜厚度及滑動部之金屬接觸比例之檢測。
(3) 如(1)或(2)之檢測方法，其中前述算出式對於前述複數個滾子各者無關於是否被進行倒角而可適用。
根據該構成，無關於在圓錐、或圓柱滾子軸承內之滾動體是否設置倒角，可同時精度良好地進行油膜厚度及滑動部之金屬接觸比例之檢測。
(4) 如(1)至(3)中任一項之檢測方法，其中前述算出式無關於前述外方構件、及前述內方構件之至少一者是否具有供導引前述複數個滾子之擋邊而可適用。
根據該構成，無關於在圓錐、或圓柱滾子軸承內之外環或內環之任一者是否設置擋邊，可同時精度良好地進行油膜厚度及滑動部之金屬接觸比例之檢測。
(5) 如(1)至(4)中任一項之檢測方法，其進一步使用前述油膜厚度及前述金屬接觸比例而診斷前述軸承裝置。
根據該構成，可基於油膜厚度及金屬接觸比例，診斷圓錐、或圓柱滾子軸承之與潤滑劑相關之狀態。
(6) 一種檢測裝置，其係對包含含有外方構件、內方構件、及複數個滾子而構成之圓錐滾子軸承之軸承裝置之狀態進行檢測者，且其特徵在於包含：
取得機構，其在向前述軸承裝置賦予規定之荷重之狀態下，取得在向由前述外方構件、前述內方構件、及前述複數個滾子構成之電路施加交流電壓時獲得之前述交流電壓之施加時之前述電路之阻抗及相位角；及
導出機構，其基於前述阻抗及前述相位角，使用與前述電路對應之算出式導出前述內方構件與前述複數個滾子之間、或前述內方構件與前述複數個滾子之間之至少一者之油膜厚度及金屬接觸比例。
根據該構成，可同時精度良好地進行包含圓錐滾子軸承之軸承裝置內部之油膜厚度及滑動部之金屬接觸比例之檢測。特別是考量在滾子軸承裝置內部產生之線接觸，而可精度良好地進行檢測。
(7) 一種程式，其使電腦作為如下機構發揮功能：
取得機構，其在向包含含有外方構件、內方構件、及複數個滾子而構成之圓錐滾子軸承之軸承裝置賦予規定之荷重之狀態下，取得在向由前述外方構件、前述內方構件、及前述複數個滾子構成之電路施加交流電壓時獲得之前述交流電壓之施加時之前述電路之阻抗及相位角；及
導出機構，其基於前述阻抗及前述相位角，使用與前述電路對應之算出式導出前述內方構件與前述複數個滾子之間、或前述內方構件與前述複數個滾子之間之至少一者之油膜厚度及金屬接觸比例。
根據該構成，可同時精度良好地進行包含圓錐滾子軸承之軸承裝置內部之油膜厚度及滑動部之金屬接觸比例之檢測。特別是考量在滾子軸承裝置內部產生之線接觸，而可精度良好地進行檢測。
以上，一面參照圖式一面對於各種實施形態進行了說明，當然本發明並不限定於所述之例。只要係本領域技術人員，顯然可在申請專利範圍所記載之範疇內想到各種變更例或修正例，應瞭解其等當然亦屬本發明之技術性範圍內。又，在不脫離發明之旨趣之範圍內，可任意地組合上述實施形態中之各構成要素。
以上，對於各種實施形態進行了說明，當然本發明並不限定於所述之例。只要係本領域技術人員，顯然可在申請專利範圍所記載之範疇內想到各種變更例或修正例，應瞭解其等當然亦屬本發明之技術性範圍內。又，在不脫離發明之旨趣之範圍內，可任意地組合上述實施形態中之各構成要素。
再者，本申請案係基於2022年4月13日申請之日本專利申請案(發明專利申請2022-066449)者，其內容在本申請案之中作為參照而被援用。
1:診斷裝置
2:軸承裝置
3:外環(外方構件)
4:內環(內方構件)
5,5a:滾動體(滾子)
6:擋邊
7:旋轉軸
8:LCR測試儀
9:旋轉連接器
10:馬達
1501,1502,1503,1511,1512:標繪
a:輥片(滾子)之短邊方向上之接觸寬度
C
1,C
2:電容器
C
2S:電容
C
3:電容器/靜電電容
E
1,E
2,E
3,E
4:等效電路
F
r:徑向荷重
h,h
擋邊:油膜厚度
h
1:赫茲接觸區域內之油膜厚度
h
gap:徑向間隙
L,L’,ΔL:長度
n:軸承內之所有滾動體(滾子)之數目
n
1:位於負載圈之滾動體數
O:輥片之旋轉中心
r:輥片之半徑/滾珠之半徑/滾動體之半徑
R
1:電阻
R
C:曲率半徑
S,S
擋邊:赫茲接觸區域之接觸面積/赫茲接觸面積
x:軸
Z,|Z|:阻抗
α:油膜之斷裂率(金屬接觸比例)
αs:實際接觸區域(油膜之斷裂區域)
圖1係顯示本申請案發明之第1實施形態之診斷時之裝置構成之例之概略圖。
圖2係顯示本申請案發明之第1實施形態之軸承裝置之實體模型之圖。
圖3係用於說明本申請案發明之第1實施形態之軸承裝置之等效電路之電路圖。
圖4係用於說明軸承裝置之滾動體(滾珠)之圖。
圖5係用於說明軸承裝置之滾動體(滾子)之圖。
圖6係用於說明圓錐滾子軸承之擋邊之影響之電路圖。
圖7係用於說明圓錐滾子軸承之擋邊之影響之圖。
圖8(a)、(b)係用於說明圓錐滾子軸承之倒角之影響之概略圖。
圖9A係用於說明圓錐滾子軸承之倒角之影響之圖。
圖9B係用於說明圓錐滾子軸承之倒角之影響之圖。
圖9C係用於說明圓錐滾子軸承之倒角之影響之圖。
圖10係用於說明本申請案發明之第1實施形態之軸承裝置之等效電路之電路圖。
圖11係用於說明本申請案發明之第1實施形態之負載圈及非負載圈之圖。
圖12A係用於說明本申請案發明之第1實施形態之負載圈之靜電電容之圖。
圖12B係用於說明本申請案發明之第1實施形態之負載圈之靜電電容之圖。
圖13係用於說明本申請案發明之第1實施形態之等效電路之電路圖。
圖14係本申請案發明之第1實施形態之測定時之處理之流程圖。
圖15A係顯示本申請案發明之第1實施形態之測定結果之圖。
圖15B係顯示本申請案發明之第1實施形態之測定結果之圖。
1:診斷裝置
2:軸承裝置
3:外環(外方構件)
4:內環(內方構件)
5:滾動體(滾子)
6:擋邊
7:旋轉軸
8:LCR測試儀
9:旋轉連接器
10:馬達
Claims (7)
- 一種檢測方法，其特徵在於，其係對包含含有外方構件、內方構件、及複數個滾子而構成之圓錐滾子軸承之軸承裝置之狀態進行檢測者，且 在向前述軸承裝置賦予規定之荷重之狀態下，向由前述外方構件、前述內方構件、及前述複數個滾子構成之電路施加交流電壓， 測定前述交流電壓施加時之前述電路之阻抗及相位角， 基於前述阻抗及前述相位角，使用與前述電路對應之算出式，導出前述內方構件與前述複數個滾子之間、或前述內方構件與前述複數個滾子之間之至少一者之油膜厚度及金屬接觸比例。
- 如請求項1之檢測方法，其中用於導出前述油膜厚度h及前述金屬接觸比例α之前述算出式為： [數1] [數2] [數3] [數4] [數5] n：軸承內之所有滾動體(滾子)之數目 n 1：位於負載圈之滾動體(滾子)之數目 b¯：滾動體(滾子)之平均接觸寬度 L：滾動體(滾子)之長度 R tx：滾動體(滾子)之有效半徑 S t1¯：平均接觸區域 S i1(m)：滾動體(滾子)m與內環之間之接觸區域 S o1(m)：滾動體(滾子)m與外環之間之接觸區域 ω：交流電壓之角頻率 ε：潤滑劑之介電常數 k：軸承之數目 Ψ：無量綱常數 h gap：徑向間隙 m：表示位於非負載圈之滾動體之自然數(1≦m≦(n-n 1)) |Z 0|：靜態接觸狀態下之阻抗 θ 0：靜態接觸狀態下之相位 |Z|：動態接觸狀態下之阻抗 θ：動態接觸狀態下之相位。
- 如請求項1之檢測方法，其中前述算出式對於前述複數個滾子各者無論是否已進行倒角皆可適用。
- 如請求項1之檢測方法，其中前述算出式無論前述外方構件及前述內方構件之至少一者是否具有導引前述複數個滾子之擋邊皆可適用。
- 如請求項1至4中任一項之檢測方法，其進一步使用前述油膜厚度及前述金屬接觸比例而診斷前述軸承裝置。
- 一種檢測裝置，其特徵在於，其係對包含含有外方構件、內方構件、及複數個滾子而構成之圓錐滾子軸承之軸承裝置之狀態進行檢測者，且包含： 取得機構，其在向前述軸承裝置賦予規定之荷重之狀態下，取得在向由前述外方構件、前述內方構件、及前述複數個滾子構成之電路施加交流電壓時獲得之前述交流電壓施加時之前述電路之阻抗及相位角；及 導出機構，其基於前述阻抗及前述相位角，使用與前述電路對應之算出式，導出前述內方構件與前述複數個滾子之間、或前述內方構件與前述複數個滾子之間之至少一者之油膜厚度及金屬接觸比例。
- 一種程式，其使電腦作為如下機構發揮功能： 取得機構，其在向包含含有外方構件、內方構件、及複數個滾子而構成之圓錐滾子軸承之軸承裝置賦予規定之荷重之狀態下，取得在向由前述外方構件、前述內方構件、及前述複數個滾子構成之電路施加交流電壓時獲得之前述交流電壓施加時之前述電路之阻抗及相位角；及 導出機構，其基於前述阻抗及前述相位角，使用與前述電路對應之算出式，導出前述內方構件與前述複數個滾子之間、或前述內方構件與前述複數個滾子之間之至少一者之油膜厚度及金屬接觸比例。
Applications Claiming Priority (2)
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| JP2022-066449 | 2022-04-13 |
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Family Applications (1)
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-
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Also Published As
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| WO2023199655A1 (ja) | 2023-10-19 |
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