CN110168341A - 转动装置的诊断方法 - Google Patents

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Abstract

一种转动装置的诊断方法，所述转动装置包括外侧构件、内侧构件及转动体，其中，对由外侧构件、转动体与内侧构件所构成的电气电路施加交流电压，测定交流电压的施加时的电气电路的阻抗及相位角，基于测定出的阻抗及相位角，算出外侧构件与转动体之间、或者内侧构件与转动体之间的至少一者的润滑膜厚度及金属接触比例。

Description

转动装置的诊断方法
技术领域
本发明涉及一种转动装置的诊断方法。
背景技术
诸如轴承的转动装置被用于汽车、各种工业机械等广范围的产业领域中。基于机械的顺畅动作、转动装置的寿命确保等观点，掌握转动装置内部的润滑状态是极为重要的事项，通过适当掌握，能够不早不晚地在最佳时期进行各种润滑剂(油、润滑脂等)的供给或转动装置的更换等维护。但是，由于难以直接通过目测来观察润滑状态，因此作为转动装置的诊断方法，提出有对振动、声音、油膜状态进行监控(monitoring)的方法。
专利文献1能够以非接触状态对转动装置的旋转轮施加交流电压，使用所测定出的静电电容来推测轴承的油膜状态。即，将油膜视为电容器(condenser)来对电气等效电路进行模型(model)化，以非接触状态对转动装置的旋转轮施加交流电压，测定油膜的静电电容。由于静电电容与油膜厚度(润滑膜厚度)存在相关关系，因此根据此相关关系来推测油膜的状态。
[现有技术文献]
[专利文献]
专利文献1：日本专利第4942496号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]
根据专利文献1所公开的技术，能够测定油膜厚度。但是，此方法中，只能算出油膜厚度，而难以掌握其他对润滑状态造成影响的因素。
本发明提供一种转动装置的诊断方法，能够不仅考虑润滑膜厚度，还考虑金属接触比例来掌握转动装置的润滑状态。
[解决问题的技术手段]
本发明的所述目的通过下述结构而达成。
本发明的诊断方法是一种转动装置的诊断方法，所述转动装置包括外侧构件、内侧构件及转动体，其中，对由所述外侧构件、所述转动体与所述内侧构件所构成的电气电路施加交流电压，测定所述交流电压的施加时的所述电气电路的阻抗及相位角，基于测定出的所述阻抗及所述相位角，算出所述外侧构件与所述转动体之间、或者所述内侧构件与所述转动体之间的至少一者的润滑膜厚度及金属接触比例。
[发明的效果]
根据本发明，不仅能掌握转动装置的润滑膜厚度，还能掌握金属接触比例，从而能够更详细且更准确地诊断转动装置的润滑状态。
附图说明
图1是表示外轮或内轮与转动体的接触区域的概念图，(a)表示对接触区域的结构进行模型化的模型图，(b)表示与(a)的模型对应的电气电路(等效电路)。
图2是表示外轮或内轮与转动体的接触区域的表面上的凹凸的概念图。
图3表示轴承装置的诊断的电气电路(等效电路)的图。
图4是测试装置的概略图。
图5是表示轴承装置的诊断工序的流程图。
图6是表示实施例的润滑膜厚度及金属接触比例的经时变化的图表。
具体实施方式
以下，基于附图来详细说明本发明的转动装置的诊断方法的实施方式。
图1是作为成为诊断对象的转动装置的轴承装置的概念图。轴承装置10包括：经固定的外轮(外侧构件)1；内轮(内侧构件)3，为嵌合于未图示的旋转轴的旋转侧轮；以及多个转动体5，介隔在形成于外轮1的内周面的轨道面与形成于内轮3的外周面的轨道面之间。进而，在外轮1与转动体5之间以及内轮3与转动体5之间，存在油膜(润滑膜)9，所述油膜(润滑膜)9是由为了润滑而供给的油、润滑脂等润滑剂所构成。轴承装置10被适用于诸如汽车、二轮车、铁道车辆等移动体或者工业机械、工作机械等，但所适用的装置并无特别限定。而且，本图中，表示了在内轮侧存在旋转轴的所谓内轮旋转型的轴承装置10，但本申请发明并不限定于此，也可适用于在外轮侧存在旋转轴的所谓外轮旋转型的轴承装置。
本发明的发明人特别研究了在外轮1与转动体5之间或者内轮3与转动体5的接触区域中，对图1(a)那样的接触区域的结构进行模型化的模型图。即，在此种接触区域中，外轮1、内轮3、转动体5等各构件不仅存在被油膜(润滑剂)覆盖的部分，而且存在金属即构成外轮1、内轮3、转动体5等各构件的金属相接触的金属接触部。因此，将特定范围的接触区域的整体面积假定为S，将所述金属部分的接触区域中的被油膜覆盖的面积与产生了金属接触的面积的比例假定为1-α：α。此时，金属相接触的金属接触部7的面积成为αS。h表示油膜9的厚度即润滑膜厚度(油膜厚度)。
此处，如图1(a)的外轮1与转动体5的接触区域的放大图所示，若将油膜9视为介电质，将外轮1与转动体5当作电极，则油膜9形成电容器C1。油膜9同时具有电阻R1。妥当的是，在油膜(润滑膜)9中也有电流流动时，油膜(润滑膜)9具有电阻成分，从而不仅作为电容器发挥作用，也作为电阻发挥作用。
另一方面，金属相接触的金属接触部7具有电阻R2。其结果，导出图1(b)所示那样的、与图1(a)的模型对应的电气电路(等效电路)E1(由外轮1或内轮3与转动体5所形成的电路)。油膜9形成电容器C1(静电电容C1)与电阻R1(电阻值R1)的并联电路，所述并联电路与金属接触部7所形成的电阻R2(电阻值R2)并联连接。如后所述，本发明使用所述电气电路，不仅能算出润滑膜厚度，还能算出金属接触部7相对于接触区域的整体面积所占的面积的比例即金属接触比例α，从而诊断转动装置的润滑状态。
图2表示外轮1或内轮3与转动体5所形成的接触区域的放大图。外轮1、内轮3、转动体5的表面虽被研磨得光滑，但在微观上来看，如本图那样产生细小的凹凸。在由此种凹凸所产生的空间形成有油膜9，而且，如虚线所示，由外轮1或内轮3与转动体5直接接触的部分形成金属接触部7。而且，润滑膜厚度h可根据规定范围的接触区域内的油膜9的平均厚度而获得。
图3表示轴承装置10的诊断的一实施方式的电气电路(等效电路)的图。如上所述，在各转动体5与外轮1或内轮3之间，形成有如图1(b)所示那样的电气电路(等效电路)E1。由于各转动体5接触至外轮1及内轮3这两者，因此如图3所示，关于各转动体5，形成串联连接有两个电气电路E1(外轮1-转动体5间及内轮3-转动体5间)的电气电路(等效电路)E2。
进而，在轴承装置10中设有n个转动体5的情况下，n个电气电路E2并联连接。因而，如图3所示，包含所有n个转动体5的轴承装置10将形成电气电路(等效电路)E3。在本实施方式的轴承装置10的诊断时，在将线圈的电感L、电阻R串联连接于轴承装置10的状态下，从电源对轴承装置10的外轮1与内轮3之间施加交流电压，因此形成图3所示的整体的电气电路(等效电路)E4。但是，线圈的电感L、电阻R的连接只不过是一实施方式，并非必须采用电气电路(等效电路)E4。
理想的是，交流电压的频率为1Hz以上、且小于1GHz。若频率小于1Hz或者为1GHz以上，则所测定的阻抗及相位角(后述)中会包含大量接触区域外的信息(噪声)，因此有可能无法准确获得接触区域内的信息。而且，对于交流电压的电压，理想的是1μV以上、且小于100V。若电压小于1μV，则无电流流经轴承装置10，因此无法进行监控，而且，若为100V以上，则存在轴承装置10引起电蚀的危险性。
以下，对具体方法进行说明。本实施方式的轴承装置10的诊断方法也如图3所示，是通过对轴承装置10施加交流电压，求出润滑膜厚度h与金属接触比例α，由此进行轴承装置10的状态诊断。在使用图3的电气电路E4的情况下，润滑膜厚度h与金属接触比例α通过下式(1)、(2)而导出。
[数学式1]
各符号的含义如下。
ω：交流电压的频率
ε1：润滑剂的介电常数
S：使各接触区域近似为接触椭圆时的各接触椭圆的面积的平均值
n：轴承装置10的转动体5的数量(珠数)
Z：电气电路E4整体的阻抗
θ：相位角
R20：完全无油膜9的状态下的金属接触部7的电阻
θ1：完全有油膜9的状态(无金属部分的接触区域的状态)下的相位角
L：串联连接于轴承装置10的电感L
R：串联连接于轴承装置10的电阻R
如上所述，润滑膜厚度h为轴承装置10的外轮1或内轮3与转动体5的所有接触区域内的油膜9的平均厚度。金属接触比例α为金属接触部7的面积相对于所述所有接触区域的比例。
图4是测试装置的一例的概略图。贯穿轴承装置10的驱动轴的一端经由旋转连接器12而连接于一般的LCR计量表20(也兼交流电压)，并且驱动轴的另一端连接于驱动用的马达14。旋转连接器12可对驱动轴一端的旋转轮安装碳刷(carbon brush)而构成，或者对驱动轴安装集电环(collector ring)而构成，但并无特别限定。
轴承装置10的状态诊断是使用根据式(1)、(2)求出的润滑膜厚度h与金属接触比例α来进行。图5是表示使用图4的测试装置的、轴承装置10的状态诊断方法的工序的流程图。首先，在驱动马达14而使驱动轴旋转的状态下，操作员对LCR计量表20输入交流电压的频率ω、交流电压的电压V(步骤S1)。接受输入，LCR计量表20输出阻抗Z、相位角θ(步骤S2)。接受此输出，未图示的计算机(computer)等通过(1)、(2)式，来算出润滑膜厚度h、金属接触比例α(步骤S3)。步骤S2的输出、步骤S3的算出是按照时间序列，例如每隔规定时间(1秒间隔等)而多次进行。进而，计算机或操作员根据润滑膜厚度h、金属接触比例α，来诊断轴承装置10(步骤S4)。
相对于外轮1、内轮3、转动体5的表面粗糙度，润滑膜厚度h具有充分的大小，在未产生金属接触部7的情况下h＞0、α＝0，作为轴承装置10为理想的状态。但是，实际上由于润滑剂、运转条件、运转时间等各种因素，润滑膜厚度h、金属接触比例α时时刻刻地发生变化。关于润滑膜厚度h与金属接触比例α的时间变化，考虑如下所述的情况(case)。
(1)润滑膜厚度h增加，而金属接触比例α减少。
(2)润滑膜厚度h减少，而金属接触比例α增加。
(3)润滑膜厚度h增加，金属接触比例α也增加。
(4)润滑膜厚度h减少，金属接触比例α也减少。
(1)的状态可认为表示了下述过程：由于产生金属接触，因而内外轮的表面粗糙度变小(所谓的轻微的相容)。
(2)的状态可认为表示了转动体5与外轮1及/或内轮3逐渐接触的过程。
(3)的状态可认为表示下述现象：因磨损而产生的导通的磨损粉侵入两面间(外轮1-转动体5间或内轮3-转动体5间)，由此，两面的间隙变大，其结果，润滑膜厚度(准确而言，为两面间的间隙)h增加，金属接触比例α也增加。即，(3)的状态可认为表示了因磨损而导通的磨损粉侵入接触区域的过程。
(4)的状态可认为是：因磨损而产生的导通的磨损粉从两面间被排除，由此，润滑膜厚度(准确而言，为两面间的间隙)h减少，金属接触比例也减少。即，(4)的状态可认为表示了因磨损而导通的磨损粉从接触区域被排除的过程。
这样，本实施方式中，前提是：由作为外侧构件的外轮1、转动体5与作为内侧构件的内轮3构成电气电路，对此电气电路施加交流电压。并且，LCR计量表20测定交流电压的施加时的电气电路的阻抗Z及相位角θ并输出。基于此测定的阻抗Z及相位角θ，例如使用计算机等运算装置，算出外轮1与转动体5之间或者内轮3与转动体5之间的至少一者的润滑膜厚度h及金属接触比例α。通过此种值的算出，能够简便且准确地诊断作为转动装置的轴承装置10的状态，尤其是润滑状态。
尤其，本实施方式中，按照时间序列来多次测定阻抗Z及相位角θ，并且按照时间序列来多次算出润滑膜厚度h及金属接触比例。其结果，如所述(1)～(4)中所列举那样，能够掌握润滑膜厚度h及金属接触比例α的时间变化，并能根据此时间变化来进行与转动装置的润滑状态相关的诊断。
以下，对具体的实施例进行说明。
使用封入有作为润滑剂的聚α-烯烃(polyalphaolefin)、PAO(17mm2/s，40℃)的内径8mm、外径22mm、高度7mm的单列深沟滚珠轴承(型号：608)，进行润滑膜厚度h及金属接触比例α的测定。测试条件为：轴向负荷为19.6N，转速为500rpm，温度为常温，润滑剂的封入量为0.04g，使用图4所示的测试装置来进行测定。
图6是表示从停止状态开始旋转直至一小时后为止的、润滑膜厚度h及金属接触比例α的经时变化的图表。本测试条件下，由于表面粗糙度大于润滑膜厚度h，因此可知旋转测试刚开始后便产生了金属接触。根据图6可知的是，在测试开始前(停止时)，润滑膜厚度为0nm，金属接触比例为100％，与此相对，当开始旋转测试时，润滑膜厚度h增加，金属接触比例α减少。可认为这表示了下述过程：由于产生金属接触，因而内外轮的表面粗糙度变小(轻微的相容)。另外，本实施例中的各值如下。Zbefore为轴承静止时的电气电路E4整体的阻抗，cosθbefore为轴承静止时的相位角的cos成分。
V：1.0V
ω：1MHz
ε1：1.98
n：7个
R20＝(n/2)(Zbefore×cosθbefore-R)
Zbefore：43.4Ω
cosθbefore≒0.99
θ1：-89度
L：0
R：0
S：2.92577×10-8m2
另外，本发明并不限定于所述的实施方式，可适当进行变形、改良等。除此以外，所述实施方式的各构成元件的材质、形状、尺寸、数值、形态、数量、配置部位等只要能够达成本发明，则为任意，并无限定。
本申请主张基于2017年1月6日在日本专利厅申请的日本专利特愿2017-001019号的优先权，在本申请中引用日本专利特愿2017-001019号的所有内容。
[符号的说明]
1：外轮(外侧构件)
3：内轮(内侧构件)
5：转动体
7：金属接触部
9：油膜(润滑膜)
10：轴承装置(转动装置)
12：旋转连接器
14：马达
20：LCR计量表

Claims (4)

1.一种转动装置的诊断方法，所述转动装置包括外侧构件、内侧构件及转动体，所述转动装置的诊断方法中，
对由所述外侧构件、所述转动体与所述内侧构件所构成的电气电路施加交流电压，
测定所述交流电压的施加时的所述电气电路的阻抗及相位角，
基于测定出的所述阻抗及所述相位角，算出所述外侧构件与所述转动体之间、或者所述内侧构件与所述转动体之间的至少一者的润滑膜厚度及金属接触比例。
2.根据权利要求1所述的转动装置的诊断方法，其中，
按照时间序列来测定所述电气电路的阻抗及相位角，并且按照时间序列来算出所述润滑膜厚度及所述金属接触比例，
基于所述润滑膜厚度及所述金属接触比例的时间变化，来进行与转动装置的润滑状态相关的诊断。
3.根据权利要求1所述的转动装置的诊断方法，其中，
所述交流电压的频率为1 Hz以上、且小于1 GHz。
4.根据权利要求1所述的转动装置的诊断方法，其中，
所述交流电压为1μV以上、且小于100 V。
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