JP2004347401A - 転がり軸受の診断方法及び診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で効率的に精度良く転がり軸受の異常の有無を判断できる転がり軸受の診断方法及び診断装置を提供する。
【解決手段】潤滑剤を封入した転がり軸受１０の外輪に取り付けられた振動センサ１１は、振動をピックアップして電気信号に変換する。振動センサ１１から出力された電気信号は、アンプ１２で増幅され、１０ｋＨｚ以下の周波数の信号をカットするハイパスフィルタ１３を通り、絶対値検波回路１４で絶対値とされた後、ＦＦＴ１５で周波数分析処理が行われ、得られたスペクトル波形は、軸受１０の回転速度比例成分が除去されバックグラウンドノイズ成分のみを含んでおり、更に異常判定器１６で閾値と比較される。転がり軸受１０の潤滑剤が正常な場合に得られるスペクトル波形Ａと、潤滑剤が劣化した場合に得られるスペクトル波形Ｂとでは、その平均値が異なっており、従って、その間に閾値ＴＨ１を設定することで、その閾値ＴＨ１を超えたときに潤滑剤が劣化したと判断できる。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動作中の転がり軸受の異常などを診断できる転がり軸受の診断方法及び診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般機械に用いられている転がり軸受に供給または封入された潤滑剤には、通常経時劣化が生じるが、その劣化速度は使用条件によって異なる。劣化した潤滑剤を使用しつづけると、軸受寿命が低下するだけでなく、転がり軸受が用いられる各種機械の他の部分まで影響を及ぼす恐れがある。そこで、潤滑剤の劣化度合いを検知し、それに応じて新しい潤滑剤を補給するなどの処置を施すことが望まれている。ところが、機械によっては連続的に動作するものもあり、潤滑剤の劣化度合いを調べるために、いちいち機械を止めることができないという場合もある。このため、実験や経験などから、潤滑剤の劣化に関わらず、ある程度余裕を持ったメンテナンスサイクルで、潤滑剤の交換を行っているのが実情である。しかしながら、まだ使用限界に達していない潤滑剤を交換することは、ランニングコストを増大し、又資源の有効利用に反するという問題がある。
【０００３】
これに対し、潤滑剤が劣化すると軸受のころがり接触部に油膜切れが生じ、更に油膜切れにより金属接触が生じるので、これを利用した油膜の状態監視の一つとして、回転軸と軸受との間の電気抵抗を測定することによって油膜切れを検出する方法が開発されている。しかるに、この方法によれば、直接潤滑油膜の状態を知ることができるものの、測定方法が複雑であるため、実機上で使いにくいという問題がある。
【０００４】
また、転がり軸受の振動を加速度センサ等を用いて測定し、転がり軸受の異常か否かを、測定した振動の絶対レべル、すなわちピーク値、実効値（ＲＭＳ）やクレストファクタ（ピーク値／実効値）などを、予め定められた閾値と比較することによって判断する第１の手法も、従来から行われている。例えば、動作中の転がり軸受において、図１（ａ）に示すような小さな振幅の振動が発生している場合には正常と判断し、図１（ｂ）に示すような大きな振幅の振動が発生している場合には異常と判断することができる。ところが、この測定方法では、異常の発生部位や原因を特定できないという問題がある。又、ピーク値が増大したような場合でも、直ちに転がり軸受に異常が生じたとはいえない場合もある。
【０００５】
一方、軸受などの回転部品におけるキズや周期的に発生する損傷を検出し、損傷箇所を特定する第２の手法として、振動センサまたはＡＥ（ＡｃｏｕｓｔｉｃＥｍｉｓｓｉｏｎ）センサの出力信号を、必要に応じてローパスフィルタを介して、絶対値処理を施した後、周波数分析を行うことによって処理することも知られている。
【０００６】
例えば、図２（ａ）において、不図示の振動センサ等から出力された信号を、絶対値検波回路１にて処理した後、ローパスフィルタ２を通過させてノイズ成分を除去し、更にＦＦＴ装置３で周波数分析としてのＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理を行うことで、図２（ｂ）に示すようなスペクトル波形を得ることができる。図２（ｂ）に示す周波数スペクトルの例では、周期１／Ｔごとにピーク値が生じているが、これは、例えば外輪や内輪の軌道面にキズなどが生じた転がり軸受を測定することで得られる。具体的には、キズのある部分を転動体が通過する際に顕著な衝撃が発生することから、周波数スペクトルにおいて、回転数に比例した振動のピークが生じたものである。従って、軌道面にキズなどがなければ、周波数スペクトルには顕著なピークは存在しないことになる。
【０００７】
即ち、第２の手法によれば、得られたスぺクトル波形において、ピークの高い周波数成分に着目し、そのときの周波数と軸受などの回転部品の持つ周波数とを照合し、周波数が一致した部品にキズや損傷があると診断し、また、ピークが現れない場合は、キズなどのような周期的な損傷がないと診断することができる。このような診断手法は、非特許文献１に記載されている。
【非特許文献１】
五十嵐、野田、「転がり軸受の異常の検出および予知について」、潤滑、潤滑学会、第２３巻、第３号（１９７８） ｐ１８３〜１８７
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した第１の手法と第２の手法とを組み合わせることで、より精度の高い診断を行うことができる。しかしながら、これらは潤滑剤の状態を直接測定するものではなく、軸受に異常が生じた後にそれを検出するものであるため、異常を検出したときには既に軸受に損傷が生じており、その交換のために装置全体を停止しなければならないという恐れもある。
【０００９】
本発明は、かかる従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、従来とは異なる、より簡素で精度の良い転がり軸受の診断方法及び診断装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の転がり軸受の診断方法は、
転がり軸受の内輪及び外輪の少なくとも一方の振動を検出して電気信号に変換するステップと、
前記電気信号に対して、ローパスフィルタを通過させることなく少なくともバックグラウンドノイズ成分を抽出するステップと、
抽出された前記バックグラウンドノイズ成分を閾値と比較するステップとを有することを特徴とする。
【００１１】
【作用】
本発明においては、転がり軸受の振動に対応する電気信号に対して、ローパスフィルタを通過させることなく、少なくともバックグラウンドノイズ成分を抽出し、潤滑剤の状態を判断するため、従来技術のごとく振動のピーク値や実効値などを用いる方法とは全く異なる。すなわち、本発明者らは、鋭意研究の結果、従来の診断手法では除去されていた振動のバックグラウンドノイズ成分に着目し、その変化が、潤滑剤の劣化度合い、油膜厚さの変化等に対応づけられることを見出したのである。この知見に基づく本発明によれば、閾値と比較しつつバックグラウンドノイズ成分を監視することで、転がり軸受の動作中において、潤滑剤の劣化度合い等を精度良く推定し、転がり軸受の異常に至る前に潤滑剤の補給や交換などの措置をとることができるのである。尚、「バックグラウンドノイズ成分」とは、周波数スペクトルにおいて回転速度比例成分等のピークを持たない成分をいう。更に、「振動を検出して電気信号に変換する」手段としては、振動センサ、加速度センサ、ＡＥセンサ、超音波センサ、ピエゾケーブルセンサ、ピエゾフィルムセンサ、レーザドップラセンサなどがある。又、本明細書中、「転がり軸受」は、潤滑油やグリース等の潤滑剤を介して移動体を支持する構成の総称として用いており、その中にはボールねじ、リニアガイド、リニアボールベアリングなども含まれる。
【００１２】
更に、前記抽出するステップにおいて、前記電気信号は、増幅された後、絶対値処理を施され、更に周波数分析が行われると好ましい。
【００１３】
更に、前記抽出するステップにおいて、前記電気信号は、５〜２０ｋＨｚ以下の周波数をカットするハイパスフィルタを通過すると、効果的に転がり軸受の回転速度比例成分を除去できるため、バックグラウンドノイズ成分を抽出しやすくなる。
【００１４】
更に、抽出された前記バックグラウンドノイズ成分以外の成分（例えば回転速度比例成分）に基づいて、前記転がり軸受に生じた不具合の内容を推定するステップを有すると、例えば内外輪の軌道面にキズが生じているなど、異常の内容を迅速に把握できるので好ましい。
【００１５】
更に、前記転がり軸受の診断方法を用いて転がり軸受を診断することを特徴とする転がり軸受の診断装置において、抽出された前記バックグラウンドノイズ成分が前記閾値を上回ったときに、アラームを発報すると、異常の生じた転がり軸受を用いている装置を手動で又は自動で停止させるなどの処理を行えるので好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図３は、本実施の形態にかかる転がり軸受の診断方法を用いた診断装置の概略構成図である。図３において、潤滑剤を封入した転がり軸受１０の外輪に取り付けられた振動センサ（ＡＥセンサ、超音波センサでもよい）１１は、振動をピックアップして電気信号に変換する。振動センサ１１から出力された電気信号は、アンプ１２で増幅され、５〜２０ｋＨｚ（ここでは１０ｋＨｚであるが、転がり軸受の仕様に応じて変更可）以下の周波数の信号をカットするハイパスフィルタ１３を通り、絶対値検波回路１４で絶対値とされた後、ＦＦＴ１５で周波数分析処理が行われ（バックグラウンドノイズ成分を抽出するステップ）、得られたスペクトル波形は、軸受１０の回転速度比例成分が除去されバックグラウンドノイズ成分のみを含んでおり、更に異常判定器１６で閾値と比較される（比較するステップ）。
【００１７】
例えば、図４に示すグラフにおいて、転がり軸受１０の潤滑剤が正常な場合に得られるスペクトル波形Ａと、潤滑剤が劣化した場合に得られるスペクトル波形Ｂとでは、その平均値が異なっており、従って、その間に閾値ＴＨ１を設定することで、その閾値ＴＨ１を超えたときに潤滑剤が劣化したと判断できる。
【００１８】
比較される閾値ＴＨ１は、閾値設定器１７より入力できるようになっており、スペクトル波形が閾値ＴＨ１より高い場合、異常アラーム１８が発報して、作業者に軸受１０の異常を知らせるようになっている。尚、異常アラーム１８の発報に応じて、転がり軸受１０を用いている装置を自動的に停止させても良い。
【００１９】
以上の実施の形態では、ハイパスフィルタ１３を通過させることで、軸受１０の回転速度比例成分を除去しているが、ハイパスフィルタ１３を通過させることなく回転速度比例成分を合わせて抽出し、それから転がり軸受の不具合の内容を推定することもできる。ハイパスフィルタ１３を通過させることなく得られた周波数スペクトルの例を、図５に示す。図５において、スペクトル波形Ａ’は、転がり軸受１０の軌道面などにキズがあり且つ潤滑剤が正常な場合に得られるものであり、スペクトル波形Ｂ’は、転がり軸受１０の軌道面などにキズがあり且つ潤滑剤が劣化した場合に得られるものである。即ち、図５に示す波形Ａ’、Ｂ’では、外輪のキズに応じて周期的にピーク（回転速度比例成分）が生じており、潤滑油の劣化度合いの他、転がり軸受１０の異常を推定する手がかりとなる。
【００２０】
このように、転がり軸受の異常診断の判定の根拠として、従来技術では除去されていたバックグラウンドノイズ成分を用いることにより、転がり軸受の油膜状態とともに周期的な損傷の有無を同時に検出できるので、診断装置の構成が簡素化される。それによって、メンテナンススケジュールにあわせて、適切に潤滑剤の補充、軸受の交換などを実施することができる。
【００２１】
図６は、本発明者らの行った試験により得られたデータを示す図である。以下に、かかる実験の条件を示す。
供試転がり軸受：６２０６（内径３０ｍｍ、外径６２ｍｍ、幅１６ｍｍ）
回転速度：３０００ｒｐｍ^−１
荷重：５０Ｎ（アキシャル荷重のみ）
潤滑剤：鉱油ＶＧ３２
試験雰囲気：室温
【００２２】
転がり軸受を、鉱油ＶＧ３２を貯留した油槽に浸漬し、油槽から引き上げて上記試験に供試し、図３に示す診断装置を介して、スペクトル波形を得た。供試直後におけるスペクトル波形Ａで示すバックグラウンドノイズ成分は、時間経過と共に増大し、所定時間後にスペクトル波形Ｂに示す水準となった。更に試験を続行したところ、スペクトル波形Ｂが得られた３時間後に、転がり軸受に焼き付きが生じた。すなわち、スペクトル波形Ｂが得られた時点で、試験を中断すれば、転がり軸受に焼き付きは生じなかったこととなり、本発明の診断方法は効果があることが確認された。
【００２３】
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、本例では、バックグラウンドノイズの原波形を用いて診断を行ったが、バックグラウンドノイズの実効値または平均値を用いて診断を行っても、同様な効果が得られる。更に、本例では、１０ｋＨｚ以下の周波数帯域をカットしているが、周波数分析機器の能力に応じて、より低い周波数帯域をカットしても、同様な効果が得られる。また、機械的騒音やノイズのある環境下での測定の場合、１０ｋＨｚのハイパスフィルターを介すると、よりノイズの少ない測定ができる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明により、簡素な構成で効率的に精度良く転がり軸受の異常の有無を判断できる転がり軸受の診断方法及び診断装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】転がり軸受の振動波形を示す図である。
【図２】従来技術におけるＦＦＴを用いた周波数分析方法を示す図である。
【図３】本実施の形態にかかる転がり軸受の診断方法を用いた診断装置の概略構成図である。
【図４】本診断装置により得られたスペクトル波形の例である。
【図５】本診断装置により得られたスペクトル波形の別の例である。
【図６】本発明者らの行った試験により得られたデータを示す図である。
【符号の説明】
１０ 転がり軸受
１１ 振動センサ
１２ アンプ
１３ ハイパスフィルタ
１４ 絶対値検波回路
１５ ＦＦＴ
１６ 異常判定器
１７ 閾値設定器
１８ 異常アラーム

Claims (6)

1. 転がり軸受の診断方法において、
   転がり軸受の内輪及び外輪の少なくとも一方の振動を検出して電気信号に変換するステップと、
   前記電気信号に対して、ローパスフィルタを通過させることなく少なくともバックグラウンドノイズ成分を抽出するステップと、
   抽出された前記バックグラウンドノイズ成分を閾値と比較するステップとを有することを特徴とする転がり軸受の診断方法。
2. 前記抽出するステップにおいて、前記電気信号は、増幅された後、絶対値処理を施され、更に周波数分析が行われることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受の診断方法。
3. 前記抽出するステップにおいて、前記電気信号は、５〜２０ｋＨｚ以下の周波数をカットするハイパスフィルタを通過することを特徴とする請求項２に記載の転がり軸受の診断方法。
4. 抽出された前記バックグラウンドノイズ成分以外の成分に基づいて、前記転がり軸受に生じた不具合の内容を推定するステップを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の転がり軸受の診断方法。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の転がり軸受の診断方法を用いて転がり軸受を診断することを特徴とする転がり軸受の診断装置。
6. 抽出された前記バックグラウンドノイズ成分が前記閾値を上回ったときに、アラームを発報することを特徴とする請求項５に記載の転がり軸受の診断装置。

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