JP2000329654A

JP2000329654A - 回転機械の軸受試験装置

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Publication number: JP2000329654A
Application number: JP11142787A
Authority: JP
Inventors: Tomio Nakamura; 富男中村; Katsuaki Kikuchi; 勝昭菊地; Takao Konno; 隆雄今野; Toshihiko Horiuchi; 敏彦堀内; Yoichi Murai; 洋一村井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-05-24
Filing date: 1999-05-24
Publication date: 2000-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な構成で回転機械の実機試験と同等な軸受
の性能試験，耐久試験が可能な試験装置及び試験方法を
提供する。【解決手段】回転機械の回転機構系を供試軸受と模擬回
転軸と加振機に置き換え、模擬回転軸を回転させながら
軸受ハウジングに発生する反力を計測して、回転機械の
回転運動を計算機により算出して、それを加振機より加
振することにより、回転機械に組込まれた実機による軸
受試験と同様の条件下で軸受の性能試験及び耐久試験が
できるので、経済的で高精度な試験が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は回転機械の回転機構
において、荷重を受けながら回転する軸を支持する軸受
の試験装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】回転機械の軸系の振動は軸，羽根車等の
回転体（一般的には円板としてモデル化）の構成によっ
て決定されるが、さらにこれら軸系を支持する軸受の静
的特性及び動的特性に大きく影響される。また、逆に軸
受の特性は支持させる軸系の構成用件にも大きく左右さ
れることになる。従って、このような軸受及び軸系の振
動特性を実際の回転機械で調べるには、このような条件
を持ったモデル又は実機で試験しなければならず大変な
作業となる。一般に軸系の特性は比較的明確に知ること
ができるが、軸受の特性は、形状，潤滑剤，回転数，温
度分布などの多くの因子が絡む複雑なものとなる。

【０００３】従来技術では実公昭52−1936号公報に開示
されているように供試軸受を油圧ジャッキ等で静的に荷
重を負荷して、軸受の静的特性といわれる損失，温度上
昇，負荷容量などを測定している。また、軸にコアを嵌
着し、ハウジング側に磁石を取り付けることにより軸と
非接触で動的荷重と加え、動特性も試験できる方式が出
願されている。この方式は、供試軸受に入力されるべき
加振振動そのものが供試軸受の応答と連成するため、精
度の高い加振が不可能で、実際の使用状態における回転
体の不釣り合い力，継ぎ手の偏芯による荷重，歯車又は
タイミングベルトによるトルク伝達要素からの歯の噛み
合いによる変動荷重を忠実に模擬した軸受の試験装置に
ならないという問題がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、軸受
の性能試験或いは耐久試験において、軸系部を数値モデ
ルに置き換え、軸部は実物又は等価モデルのハードとし
た組合せ試験ができれば良いとの考えに基づき、実際の
動的荷重及び静的荷重を忠実に模擬し負荷できる軸受試
験装置及び試験方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】図１２を用いて、回転機
械の軸受試験の課題を解決するための手法を以下に説明
する。図１２（ａ）は回転機械の構成（例）である。
軸，羽根車，歯車等の回転体及びこれらを支持する軸受
及びハウジング、更に図示されていない回転体を回転さ
せる回転駆動源から構成されている。軸受ハウジングは
固定壁等に固定さている。図１２（ｂ）は軸及び回転体
のモデル化の考え方を示したものである。回転体の質量
を等価質量と動的荷重である不釣り合い量，歯車等の回
転体に加わる伝達荷重の荷重条件，軸受の支持方法の拘
束条件，境界条件，物性値等によりモデル化する。この
モデル化の計算を計算機内で逐次実施する。図１２
（ｃ）は試験対象の供試軸受の試験構成例を示す。供試
軸受は両端を固定壁に固定した別な軸受及びハウジング
に支持された軸に嵌め合わされ、剛壁と供試軸受ハウジ
ングとの間に加振機を配置し、図示されていない回転機
構により回転軸を回転させ、軸受ハウジングから加振機
に伝わる反力を計測し、加振機を図１２（ｂ）で示した
計算機内で計算した回転体の回転運動の回転挙動通りに
加振制御させることにより、回転機械に組込まれた供試
軸受の使用状態と同等な試験環境を作ることができる。

【０００６】上記の解決手段を詳しく述べる。供試軸受
のハウジング部分又は回転機械の荷重を受けながら回転
する軸部分を模擬した軸部を受ける軸受ハウジング部分
に取り付けられた少なくとも１台の加振機と、加振機を
コントロールする制御装置と、上記ハウジング又は軸の
変位を計測する手段と、ハウジング又は軸から加振機に
伝わる反力を計測する手段と、実物又は模型を用いてモ
デル化した供試軸受実物モデルを同定して数値モデルと
組み合わせて回転機械の回転軸受機構全体の振動応答を
算出する計算機と、所定の入力信号を該計算機に入力す
る波形発振器とを備える。

【０００７】計算機は入力に対する回転機械の回転軸受
機構全体の振動応答を計算して、実物又は模型を用いて
モデル化した供試軸受実物モデルと数値モデルの部分の
応答値を算出して制御装置に入力し、制御装置はこれに
従って加振機を動作させ、計算機は実物又は模型を用い
てモデル化した供試軸受実物の応答から変位と反力との
伝達関数を逐次算出して実物又は模型を用いてモデル化
した供試軸受実物の振動モデルを同定することで実物又
は模型を用いてモデル化した供試軸受実物の振動モデル
を繰返し修正しながら加振する。

【０００８】また、計算機は算出した実物又は模型を用
いてモデル化した供試軸受実物の伝達関数のグラフ、及
び、同定した実物又は模型を用いてモデル化した供試軸
受実物の振動モデルのパラメータを試験中に逐次表示し
てもよい。また、所定の入力信号による本加振を実施す
る前に、ランダム信号を制御装置に入力して加振機を動
作させて実物又は模型を用いてモデル化した供試軸受実
物を予備加振することで伝達関数を求め、同定した実物
又は模型を用いてモデル化した供試軸受実物の振動モデ
ルを本加振の初期設定モデルとして用いてもよい。ま
た、入力信号はあらかじめ前記計算機に蓄えられていて
もよい。

【０００９】また、計算機はディジタル計算機とし、加
振機は油圧式加振機、または電動式加振機、または油圧
式加振機と電動式加振機の両方とし、実物又は模型を用
いてモデル化した供試軸受実物の変位を計測する手段は
油圧式加振機または電動式加振機に具備された変位計と
し、軸受ハウジングから加振機に伝わる反力を計測する
手段は実物又は模型を用いてモデル化した軸受ハウジン
グと加振機との間に取り付けられたロードセルとしても
よい。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図を
用いて説明する。図１から図３に本発明の一実施例を示
す。５は２個の軸受３で支持された回転軸で、図示して
いない駆動源により回転駆動され、剛壁１２に固定され
た加振機６により、ハウジング４を介して試験対象の回
転機械系の荷重を受けながら回転する軸部分を模擬す
る。本軸受３及びハウジング４は１組でもかまわない。
１は回転軸５の中央付近に装着された供試軸受、２は供
試軸受１を収納するハウジング，ハウジング２と剛壁１
２との間に回転機械の荷重を模擬した回転軸５から供試
軸受１に加わる反力(荷重)を計測する計測装置７を置
く。

【００１１】反力計測装置７の計測値は信号伝達手段１
６により伝達され信号入力手段１０を介してディジタル
計算機１１に入力される。ディジタル計算機１１からは
加振信号が信号出力手段９から出力され信号伝達手段１
７により伝達され加振機の制御装置８に入力される。こ
の信号によって模擬回転軸５が実機回転荷重を忠実に模
擬する。

【００１２】この構成において、伝達される信号は例え
ば電圧信号であり、信号伝達手段はケーブルであり、信
号入力装置は例えばＡ／Ｄ変換器であり、信号出力装置
は例えばＤ／Ａ変換器である。しかし、これらの構成要
素は他のものであってもよく上記の限定されるものでは
ない。

【００１３】また、本実施例はすべりラジアル軸受のラ
ジアル荷重の試験例であるが、すべりスラスト軸受又は
ころがり軸受のスラスト荷重試験の場合、スラスト
（軸）方向に加振機及び反力測定器を配置すれば、軸受
のスラスト荷重試験も同様に扱える。

【００１４】図４は図１のディジタル計算機１１の実施
する機能を具体的に示したものである。信号入力手段１
０によって入力された反力計測値は回転機械系の回転運
動算出手段１８へ入力される。回転運動算出手段１８に
は予めデジタル計算機の補助装置（図示せず）によって
回転機械系の回転運動を運動方程式として表記した数値
モデルが入力保持されている。回転運動算出手段１８で
は前記回転運動数値モデルにしたがって、反力計測値を
外力として運動方程式を数値積分することにより、反力
計測時刻から予め定められた一定時間後の運動状態を算
出する。数値積分法は例えば中央差分法であるが、それ
に限定されるものではなく様々な手段を使用することが
できる。この結果は加振信号計算手段１９に入力され一
定時間後に供試軸受と模擬軸の接続点の運動が前記回転
運動算出手段１８の算出結果になるような加振機への指
令信号が生成される。この結果は信号出力手段９により
出力される。以上の機能は時間管理手段２０によって管
理され、一定時間後の回転運動計算結果が実際に一定時
間後に実現するように実施される。

【００１５】以上の実施例によれば、実際の回転機械を
動かすことなく、実稼働運転と同等の軸受試験が可能と
なるので経済的な軸受の機能，性能評価が可能となる。
また、回転機械系の回転軸モデルを変更することで様々
な使用条件ないし回転体の負荷条件に対する性能が評価
可能となるという効果がある。

【００１６】本発明による軸受試験機装置の試験方法の
一実施例を図５を用いて説明する。これは図１に示した
ように試験対象である供試軸受１のハウジング２部分又
は回転機械の荷重を受けながら回転する軸部分を模擬し
た軸部５を受ける軸受ハウジング４部分に取り付けられ
た少なくとも１台の加振機６からなる模擬軸受試験装置
において、次の手順により軸受の試験を行うものであ
る。

【００１７】（１）軸受ハウジングから発生する反力を
計測するステップ。

【００１８】（２）反力計測装置による計算値をディジ
タル計算機に入力するステップ。

【００１９】（３）ディジタル計算機で予め入力されて
いた軸受回転モデルに基づき前記反力計測値を用いて反
力が計算された時刻から一定時間後の軸受回転モデルの
運動を計算するステップ。

【００２０】（４）軸受回転モデルの運動計算結果のう
ち、模擬回転軸の運動状態を実現するための加振指令信
号を算出するステップ。

【００２１】（５）指令信号を一定時間後に出力するス
テップ。

【００２２】（６）指令信号に基づき、加振機を駆動さ
せるステップ。

【００２３】（７）終了判定ステップ。

【００２４】の各ステップを順次実施するものである。
終了判定は予め定められた時間が経過した後か、或いは
加振機制御装置に停止信号が与えられたかを判断するも
のであるが、上記手段の別の場所に置かれてもよい。

【００２５】図６から図８に本発明の別の実施例を示
す。５は２個の軸受３で支持された回転軸で、図示して
いない駆動源により回転駆動され、剛壁１２に固定され
た反力計測器７により、ハウジング４を介して試験対象
の回転機械系の荷重を受けながら回転する軸部分を模擬
する。本軸受３及びハウジング４は１組でもかまわな
い。１は回転軸５の中央付近に装着された供試軸受、２
は供試軸受１を収納するハウジング，ハウジング２と剛
壁１２との間に加振機６を置く。

【００２６】反力計測装置７の計測値は信号伝達手段１
６により伝達され信号入力手段１０を介してディジタル
計算機１１に入力される。ディジタル計算機１１からは
加振信号が信号出力手段９から出力され信号伝達手段１
７により伝達され加振機の制御装置８に入力される。こ
の信号によって模擬回転軸５が実機回転荷重を忠実に模
擬する。本実施例は供試軸受の左右の荷重が対称の場合
に最適である。

【００２７】この構成において、伝達される信号は例え
ば電圧信号であり、信号伝達手段はケーブルであり、信
号入力装置は例えばＡ／Ｄ変換器であり、信号出力装置
は例えばＤ／Ａ変換器である。しかし、これらの構成要
素は他のものであってもよく上記の限定されるものでは
ない。

【００２８】図９から図１１に非接触式磁気加振機を用
いた一実施例を示す。５は１個の供試軸受１で支持され
た回転軸で、図示していない駆動源により回転駆動さ
れ、剛壁１２に固定された反力計測器７により、ハウジ
ング２を介して試験対象の回転機械系の荷重を受けなが
ら回転する軸部分を模擬する。１３は回転軸５の両端部
に嵌着されたコアで、磁石１４と作用して軸受荷重を与
えるようになっている。磁石１４は剛壁１２に固定され
たギャップ調整装置１５に連結されている。コア１３と
磁石１４とのギャップはギャップ調整装置１５によって
設定する。磁石１４に永久磁石を使用する場合は磁石１
４とギャップとによって荷重の大きさが変わるので荷重
の変化幅は小さいが、電磁石を使用する場合は、電流の
強さによっても荷重の大きさを変化させることができる
のでその変化幅は大きく取れる。本装置によれば、非接
触で軸荷重を与えることができる。本コア１３及び磁石
１４は１組でもかまわない。

【００２９】反力計測装置７の計測値は信号伝達手段１
６により伝達され信号入力手段１０を介してディジタル
計算機１１に入力される。ディジタル計算機１１からは
加振信号が信号出力手段９から出力され信号伝達手段１
７により伝達され磁石１４の制御装置８に入力される。
この信号によって模擬回転軸５が実機回転荷重を忠実に
模擬する。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、回転機械の回転体の振
動挙動応答を計算機により算出し、加振機により実現す
るので数値モデルを計算機上で変更することにより種々
の条件での軸受の性能試験あるいは耐久試験ができる。
また、支持される軸系は計算機内で数値モデルとして任
意に与えられるので、供試軸受で支持された各種の回転
機械の軸振動特性をシミュレーションすることができ
る。従って、本試験装置及び試験方法によれば、本来な
らば実機あるいは実機大のモデルを使わなければならな
い試験が、より少ない費用で、しかも、効率よく実施で
きる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における構成図である。

【図２】図１の中央部の供試軸受部断面図。

【図３】図１の両端の軸受部断面図。

【図４】本発明による試験装置の実施例の詳細ブロック
図

【図５】本発明による試験方法の一実施例のフローチャ
ート。

【図６】本発明の別の一実施例における構成図である。

【図７】図６の中央部の供試軸受部断面図。

【図８】図６の両端の軸受部断面図。

【図９】本発明の別の一実施例における構成図である。

【図１０】図９の中央部の供試軸受部断面図。

【図１１】図９の両端のコア部断面図。

【図１２】回転機械の回転体のモデル化と軸受試験方法
の考え方の説明図。

【符号の説明】

１…供試軸受、２，４…ハウジング、３…軸受、５…回
転軸、６…加振機、７…反力計測器、８…制御装置、９
…信号出力手段、１０…信号入力手段、１１…ディジタ
ル計算機、１２…剛壁、１３…コア、１４…磁石、１５
…ギャップ調整装置、１６，１７…信号伝達手段、１８
…回転運動計算手段、１９…加振信号算出手段、２０…
時間管理手段。

フロントページの続き (72)発明者今野隆雄茨城県土浦市神立町603番地株式会社日立製作所土浦事業所内 (72)発明者堀内敏彦茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者村井洋一茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内Ｆターム(参考） 2G024 AC00 BA11 BA12 CA11 CA13 DA01 DA09 DA12 FA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転機械の回転軸を支持する供試軸受と、
これに対向する回転軸部（ジャーナル）を実物又は模型
を用いてモデル化した軸部実物モデルと、回転機械の軸
部全体を計算機中に数値モデルに構成した軸部数値モデ
ルとし、前記供試軸受と軸部実物モデルと軸部数値モデ
ルとで回転機械の軸受−軸系全体を軸受部モデルとして
構成し、任意の回転条件で軸受部にて生じる静的荷重，
動的荷重及びジャーナルの変位を計算し、前記軸受部モ
デルにおける測定値を回転軸部全体の数値モデルでの計
算結果と一致させるように制御したことを特徴とする回
転機械の軸受試験装置。
【請求項２】請求項１において、供試軸受又は軸部実物
モデル、あるいは供試軸受と軸部実物モデルの両方に取
り付けられた一個若しくは複数個の加振機と、該加振機
の制御装置と、該加振機に供試軸受又は軸部実物モデ
ル、あるいは供試軸受と軸部実物モデルの両方からの反
力を測定する反力測定装置と、軸部数値モデルの振動応
答を計算するディジタル計算機と、前記反力測定値をデ
ィジタル計算機に入力する手段と、前記ディジタル計算
機の振動応答計算値を加振信号として前記加振機の制御
装置へ出力する手段とを備え、前記ディジタル計算機に
は加振機に加えられる反力の測定値が一定時間刻みごと
に入力され、該反力測定値と既知の外力値を用いて供試
軸受と軸部実物モデルとの反力を計測した時刻から前記
一定時間経過後の振動応答を計算し、前記加振機の制御
装置にこの振動応答計算結果から算出される加振信号を
与えることにより、前記一定時間経過後に加振機の応答
を前記振動応答計算値に一致させるものであることを特
徴とする回転機械の軸受試験装置。
【請求項３】請求項１において、供試軸受又は軸部実物
モデル、あるいは供試軸受と軸部実物モデルの両方に取
り付けられた一個若しくは複数個の加振機と、該加振機
の制御装置と、該加振機に供試軸受又は軸部実物モデ
ル、あるいは供試軸受と軸部実物モデルの両方からの反
力を測定する反力測定装置と、軸部数値モデルの振動応
答を計算するディジタル計算機と、前記反力測定値をデ
ィジタル計算機に入力する手段と、前記ディジタル計算
機の振動応答計算値を加振信号として前記加振機の制御
装置へ出力する手段とを備え、前記ディジタル計算機に
は加振機に加えられる反力の測定値が一定時間刻みごと
に入力され、該反力測定値と既知の外力値を用いて供試
軸受と軸部実物モデルとの反力を計測した時刻から前記
一定時間経過後の振動応答を計算し、前記加振機の制御
装置にこの振動応答計算結果から算出される加振信号を
与えるものであるとともに、軸部数値モデルで計算され
る振動応答が生じる時刻とその振動応答が加振機で供試
軸受又は軸部実物モデルの振動応答として実現する時刻
を一致させるものであることを特徴とする回転機械の軸
受試験装置。
【請求項４】請求項２または３において、前記ディジタ
ル計算機は軸部数値モデルの振動応答の算出と前記加振
機の制御装置に与える加振信号の算出を平行して行い、
かつ該加振機加振信号算出の時間刻みが振動応答算出の
時間刻みと同じか若しくは短いものであることを特徴と
する回転機械の軸受試験装置。
【請求項５】請求項２または３において、前記ディジタ
ル計算機は少なくとも２つのＣＰＵを有し、少なくとも
一つのＣＰＵは軸部数値モデルの振動応答の算出を行う
ものであり、異なる少なくとも一つのＣＰＵは並列して
加振機の制御装置に与える加振信号の算出を行うもので
あり、かつ加振機の加振信号算出の時間刻みは振動応答
算出の時間刻みと同じか若しくは短いものであることを
特徴とする回転機械の軸受試験装置。
【請求項６】請求項２または３において、前記ディジタ
ル計算機は一つのメモリにデータを入出力参照可能な少
なくとも２つのＣＰＵを有し、少なくとも一つのＣＰＵ
は軸部数値モデルの振動応答の算出を行い結果を前記メ
モリに保存するものであり、異なる少なくとも一つのＣ
ＰＵは並列して加振機の制御装置に与える加振信号を前
記メモリ上の前記算出結果を参照して算出を行うもので
あり、かつ加振機加振信号算出の時間刻みは振動応答算
出の時間刻みと同じか若しくは短いものであることを特
徴とする回転機械の軸受試験装置。
【請求項７】請求項２乃至６のいずれか１項において、
前記加振機で実現する振動応答は変位，速度及び加速度
のいずれか又はこれらの組合せであることを特徴とする
回転機械の軸受試験装置。
【請求項８】請求項２乃至７のいずれか１項において、
前記加振機の変位測定装置と、前記測定装置による測定
値をディジタル計算機に入力する手段を有し、ディジタ
ル計算機はディジタル計算機の振動応答計算値を実現す
べき時刻の加振機の変位測定値を入力し、実際の変位の
計算値に対する誤差を評価し、次の一定時間後において
その誤差を補償するように加振信号を加振機の制御装置
に与えるものであることを特徴とする回転機械の軸受試
験装置。
【請求項９】請求項２乃至８のいずれか１項において、
前記ディジタル計算機は軸部数値モデルの振動応答を計
算する機能を有し、一定時間ごとに軸部数値モデルの任
意の位置の振動応答計算値のデータを保存するメモリ
と、そのメモリに前記データを保存する手段を有するこ
とを特徴とする回転機械の軸受試験装置。
【請求項１０】請求項９において、前記供試軸受又は軸
部実物モデルに設置されたセンサの計測値を入力する手
段を有し、かつ一定時間ごとに計測値および軸部数値モ
デルの振動応答計算値のデータを保存するメモリに前記
計測値を保存する手段を有することを特徴とする回転機
械の軸受試験装置。
【請求項１１】請求項１乃至１０のいずれか１項におい
て、前記ディジタル計算機は数値モデルの振動応答を計
算し、一定時間ごとのその任意の位置の計算値を、軸部
数値モデルの振動応答の計算値が加振機の振動応答とし
て実現されるのと同時刻に出力する装置を有することを
特徴とする回転機械の軸受試験装置。
【請求項１２】請求項１１において、前記振動応答の出
力方法が電圧値であることを特徴とする回転機械の軸受
試験装置。
【請求項１３】請求項２乃至１２のいずれか１項におい
て、加振機として、軸部実物モデル部にコアを嵌着し、
前記コアと対向してコアとギャップを調節自在にした磁
石を供試軸受側固定部に取り付け、コアと磁石とで供試
軸受に所定の荷重を与えるようにしたことを特徴とする
回転機械の軸受試験装置。