JP2006234026A - 駆動軸損傷診断ユニットおよび駆動軸監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】 圧延設備等の駆動軸の損傷を診断するに際して、センサの出力を取り出すことが困難であるという問題を解消するとともに、多局通信可能でかつそのためのＩＤ設定機能を親機側から行うことが可能な駆動軸損傷診断ユニットおよびこのユニットを複数有する駆動軸監視システムを提供する。
【解決手段】 駆動軸損傷診断ユニット11は、センサ14b、ワイヤレス通信機15およびマイコン21等を有し、ベアリングカップ9に内蔵されている。ユニット11のマイコン21の不揮発メモリ22に、書き換え不可能なユニット固有番号レジスタ22aおよび外部からの信号によって書き換え可能でワイヤレス通信の指標となる送信ＩＤ番号レジスタ22bが備えられている。子機として使用される駆動軸損傷診断ユニット11は、親機19から送信されてくるユニット固有番号と自ユニットの固有番号とを比較して、一致している場合には、親機19から送信されてきた送信ＩＤ番号をその送信ＩＤ番号レジスタ22bに登録する。
【選択図】 図５

Description

この発明は、圧延設備等の駆動軸の損傷を診断するための駆動軸損傷診断ユニットおよび駆動軸監視システムに関する。

鉄鋼の圧延設備では、駆動軸に大きな負荷が掛かるため、駆動軸が損傷しやすく、損傷を早く検知して故障を防止することが重要となっている。そのため、定期的に分解検査が行われているが、この検査に手間および時間が掛かるため、分解検査に代わる稼働中での検査が望まれており、駆動軸の損傷を監視するニーズが高いものとなっている。圧延設備の駆動軸は、それ自体が回転するため、これを監視するにはワイヤレス化が不可欠となる。

一方、特許文献１には、自動車の駆動軸に設けられている十字軸継手において、クロスの中央部にセンサ設置孔が設けられており、同孔内に、温度センサおよび送信部を有するセンサ装置が設けられているものが提案されている。
特開２００１−３０４９７５号公報

圧延設備の駆動軸の損傷を診断するには、上記特許文献１の自動車の駆動軸用構成を圧延設備の駆動軸用として適用することが考えられるが、圧延設備用駆動軸は圧延する機構上、２つの駆動軸が密着していて、十字軸継手の外部に隙間が無く、センサの出力の取り出すためのアンテナを外部に取り付けることができないという問題がある。

また、十字軸継手のクロスの各軸部は、損傷の進行の程度が互いに異なっているので、各軸部毎に損傷診断を行うことが好ましく、そのためには、各軸部に１つずつ駆動軸損傷診断ユニットを配置して、単一の親機との間で多局通信可能とし、どの軸部からのデータであるかが親機側で把握できることが必要となる。さらにまた、この種の設備は、２４時間連続稼働である上、駆動軸の径が非常に大きいため、駆動軸損傷診断ユニットを十字軸継手に取り付けた後では、ユニット（子機）側における操作を避け、親機側からの操作によって種々の設定を可能とすることが好ましい。

この発明の目的は、圧延設備等の駆動軸の損傷を診断するに際して、センサの出力を取り出すことが困難であるという問題を解消するとともに、多局通信可能でかつそのためのＩＤ設定機能を親機側から行うことが可能な駆動軸損傷診断ユニットおよびこのユニットを複数有する駆動軸監視システムを提供することにある。

この発明による駆動軸損傷診断ユニットは、十字軸継手のクロスに結合されるベアリングカップに設けられる駆動軸損傷診断ユニットであって、ベアリングカップに設けられたケース挿入孔に挿入される有底円筒状ケースと、ケースに設けられて十字軸継手のクロスの状態を検出するセンサと、ケース内に配されたワイヤレス通信機および制御手段とを備え、多局通信可能なようにＩＤ設定機能が付加されており、制御手段の不揮発メモリに、書き換え不可能なユニット固有番号レジスタおよび外部からの信号によって書き換え可能でワイヤレス通信の指標となる送信ＩＤ番号レジスタが備えられていることを特徴とするものである。

十字軸継手は、２つの回転軸の端部にそれぞれ設けられたフランジヨーク間に配されるクロス（十字軸）および４つのクロスベアリングからなる。クロスベアリングは、ベアリングカップおよび複数のころからなり、ベアリングカップとフランジヨークとがボルトで結合されることにより、２つの回転軸は、相対的な揺動が可能とされかつ回転が確実に伝達するように結合される。クロスとベアリングカップとの相対的揺動は、一方の回転軸から他方の回転軸に回転運動を伝達する際の衝撃を緩和するバッファー機能を果たす。

ベアリングカップには、グリースを供給するための孔が設けられており、この孔がケース挿入孔として使用される。

駆動軸損傷診断ユニットは、十字軸継手のクロスの各軸部（トラニオン）にそれぞれ設けられるもので、１つの駆動軸損傷診断ユニットは、アンテナおよびワイヤレス基板からなるワイヤレス通信機と、センサおよびセンサ基板からなるセンサユニットと、これらの電源となる電池とからなる。センサ基板には、プリアンプおよび電源回路などが内蔵される。

制御手段は、マイクロコンピュータ（以下「マイコン」と称す）またはこれと同等のものとされる。マイコンは、例えば、センサ基板に設置され、そのメモリには、電源が切れた時でも記録された内容が維持される記憶手段である不揮発メモリが備えられる。

書き換え不可能なユニット固有番号レジスタには、例えば、駆動軸損傷診断ユニットに設けられているセンサの製造番号などの重複することがない番号が予め設定される。送信ＩＤ番号レジスタには、クロスのどの軸部に位置しているかを示すために、例えば、０から３までの４つの数字が割り当てられる。例えば、送信ＩＤ番号レジスタが１のユニットが交換される場合、ユニット固有番号レジスタは当然変更されるが、送信ＩＤ番号レジスタとしては同じ１を与えることにより、送信ＩＤ番号が複雑となることが回避される。

センサは、十字軸継手の損傷（剥離）を検知するためのもので、例えば、変位センサ（センサからクロス表面までの距離の変化によって損傷を検出する）とされるが、これに限定されるものではなく、圧電型加速度ピックアップにより損傷を振動で検知する振動センサ、損傷部から発生するＡＥ（アコースティック・エミッション）を検知して損傷を診断するＡＥセンサ、損傷を温度上昇で検知する温度センサ、損傷をクロスからころを介してベアリングカップに作用する力に伴う歪量の増大で検知する非接触歪センサ（歪によって損傷を検出する）、その他のセンサが適宜使用される。

この発明による駆動軸監視システムは、十字軸継手のクロスの各軸部にそれぞれ取り付けられたベアリングカップに設けられた上記の駆動軸損傷診断ユニットと、各駆動軸損傷診断ユニット（子機）と送受信してセンサ出力を取得するとともに必要な指示を子機に与える親機と、親機に接続されかつセンサ出力を処理して損傷の程度について判別する制御手段とを備えており、送信ＩＤ番号レジスタの設定は、親機より送信されてくるＩＤ設定要求信号を駆動軸損傷診断ユニット側で受信した場合のみ行われることを特徴とするものである。

親機は、複数の子機と多局通信可能なものとされ、十字軸継手のクロスのどの軸部からのデータであるかが親機側の制御手段（例えばパソコン）で把握される。

この発明の駆動軸監視システムによると、親機を介して子機へ固有ユニット番号取得および各固有ユニット番号に対して重複しないＩＤ番号の設定が可能となるとともに、通信可能な子機の固有ユニット番号の一覧表示も可能となり、ワイヤレス通信によって子機ＩＤを設定することができる。

上記駆動軸損傷診断ユニットがベアリングカップに設けられる際には、駆動軸損傷診断ユニットのケースおよびベアリングカップのケース挿入孔がいずれも段付き状に形成されているとともに、ケース開口端部がケース挿入孔から突出するようになされて、その突出部外周におねじ部が設けられており、このおねじ部にナットがねじ合わされることにより、駆動軸損傷診断ユニットが着脱自在に内蔵されていることが好ましい。このようなベアリングカップは、駆動軸損傷診断ユニットが内蔵されていないベアリングカップに代えてこれを使用することにより、既存の圧延設備における駆動軸損傷診断を容易に行うことができる。

この発明の駆動軸損傷診断ユニットによると、ベアリングカップに設けられたケース挿入孔に挿入される有底円筒状ケースと、ケースに設けられて十字軸継手のクロスの状態を検出するセンサと、ケース内に配されたワイヤレス通信機および制御手段とを備えているとともに、多局通信可能なようにＩＤ設定機能が付加されているので、これを十字軸継手のクロスに結合されるベアリングカップのそれぞれに設けることにより、クロスの各軸部毎の損傷の診断が可能となり、その結果を多局通信の形で親機側に送信することができる。また、制御手段の不揮発メモリに、書き換え不可能なユニット固有番号レジスタおよび外部からの信号によって書き換え可能でワイヤレス通信の指標となる送信ＩＤ番号レジスタが備えられているので、十字軸継手が駆動軸に組み込まれた状態で親機側からの操作により送信ＩＤ番号の変更が可能となる。

この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。

図１は、この発明による駆動軸損傷診断ユニットが使用される圧延設備の駆動軸(1)の一部を示している。駆動軸(1)は、図示省略した圧延ローラと駆動モータとを接続して、駆動モータの回転を圧延ローラに伝達するもので、圧延ローラに一端部が結合されたローラ回転軸(2)と、ローラ回転軸(2)の他端部に十字軸継手(4)を介して一端部が結合された中間回転軸(3)と、中間回転軸(3)の他端部に十字軸継手を介して一端部が結合され、他端部が駆動モータに結合されたモータ回転軸とからなる。十字軸継手(4)による結合部分の構成は、モータ回転軸側とローラ回転軸(2)側とで同じであり、１対の回転軸(2)(3)がこれらの結合端部に介在された十字軸継手(4)により相対的に揺動可能に結合されている。

一方の回転軸(2)の結合端部には、角度にして９０°の大きさのフランジヨーク(5)が１８０°離れて対向するように設けられており、他方の回転軸(3)の結合端部には、角度にして９０°の大きさのフランジヨーク(6)が一方の回転軸(2)と９０°ずれた位置に１８０°離れて対向するように設けられている。十字軸継手(4)は、４つの軸部（トラニオン）(7a)を有しているクロス（十字軸）(7)と、クロス(7)と各ヨーク(5)(6)との結合部位に設けられる４つのクロスベアリング(8)とからなる。各クロスベアリング(8)は、図２に示すように、ベアリングカップ(9)およびこれに支持された複数のころ(10)からなる。各フランジヨーク(5)(6)には、めねじ部(5a)(6a)が設けられ、各ベアリングカップ(9)には、ボルト挿通孔(9a)が設けられており、一方の回転軸(2)の突き合わせ端部において、１対のフランジヨーク(5)とこれらに対応する１対のベアリングカップ(9)とがボルトで結合されるとともに、他方の回転軸(3)の突き合わせ端部において、１対のフランジヨーク(6)とこれらに対応する１対のベアリングカップ(9)とがボルトで結合されることにより、回転軸(2)(3)同士が互いに回転を伝達するように結合されている。クロス(7)とベアリングカップ(8)とは、ころ(10)を介して接触することにより、相対的に揺動可能であり、一方の回転軸(2)から他方の回転軸(3)に回転運動を伝達する際の衝撃を緩和するバッファー機能を果たしている。こうして、圧延ローラの移動が許容されることにより、駆動軸(1)への衝撃が緩和されている。しかしながら、十字軸継手(4)には、衝撃等による大きな負荷が掛かるため、長期間の使用により損傷が進行していくことになる。この損傷の進行を監視するため、各ベアリングカップ(9)には、クロス(7)の損傷を検知する駆動軸損傷診断ユニット(11)が内蔵されている。

図２に示すように、ベアリングカップ(9)には、クロス(7)の軸部(7a)を収納するクロス軸部収納空間(9b)が内周側から設けられており、複数のころ(10)は、クロス(7)の軸部(7a)の外周に接触して転がるように同空間(9b)内に配置されている。ベアリングカップ(9)には、さらに、クロス軸部収納空間(9b)に通じるグリス供給孔(12)がその外周側から設けられている。このグリス供給孔(12)は、クロス(7)およびベアリングカップ(8)ところ(10)との転がり接触部を潤滑するためのグリースを供給する孔であるとともに、後述するように、駆動軸損傷診断ユニット(11)のケース(13)を挿入するためのケース挿入孔として使用されている。

駆動軸損傷診断ユニット(11)は、ベアリングカップ(9)に設けられたケース挿入孔(12)に挿入された有底円筒状ケース(13)と、ケース(13)に支持されて十字軸継手(4)のクロス(7)の状態を検出するセンサユニット(14)と、センサユニット(14)からの出力を外部に取り出すためのワイヤレス通信機(15)と、センサユニット(14)およびワイヤレス通信機(15)に電力を供給する電池(16)と、ケース開口に着脱可能に取り付けられた蓋(17)とを有している。

ケース(13)およびベアリングカップ(9)のケース挿入孔(12)は、いずれも径方向外方が小径の段付き状に形成されている。ケース(13)の開口端部は、ケース挿入孔(12)から突出するようになされており、その突出部外周におねじ部(13a)が設けられている。そして、ケース(13)がケース挿入孔(12)に径方向内方から嵌め入れられるとともに、ケース(13)のおねじ部(13a)にナット(19)がねじ合わされることにより、駆動軸損傷診断ユニット(11)がベアリングカップ(9)に着脱自在に内蔵されている。

センサユニット(14)は、プリアンプおよび電源回路を有しケース(13)内周の径方向内側部分に配置されたセンサ基板(14a)と、クロス(7)の軸部(7a)の外周を臨むようにケース(13)の大径部(13b)の外周に設けられた変位センサ(14b)と、センサ基板(14a)と変位センサ(14b)とをつなぐ接続線(14c)とからなる。

ワイヤレス通信機(15)は、ケース(13)内周のセンサ基板(14a)上方に配置されたワイヤレス基板(15a)と、ワイヤレス基板(15a)に接続され先端が蓋(17)の孔に臨まされているアンテナ(15b)とからなる。

蓋(17)は、鋼製の円盤状であり、アンテナによる送受信を邪魔しないように、その中央部に孔があけられており、この孔内に樹脂製シール部材(18)が嵌め合わせられることにより、ワイヤレス通信機(15)のアンテナ(15b)を外部に露出させることなく通信可能とされ、しかも、圧延に伴って生じる鉄粉（スケール）がアンテナ(15b)に積もることによる特性変化が防止されている。

図３は、この発明による駆動軸損傷診断ユニット(11)を使用した駆動軸監視システムのハードウェア構成を示している。同図に示すように、各駆動軸損傷診断ユニット(11)は、この駆動軸監視システムの子機として使用されており、各子機(11)は、センサユニット(14)からの出力をワイヤレス通信機(15)を介して親機(19)に送信する。親機(19)には、親機側の制御手段としての監視用パソコン(20)が接続されている。パソコン(20)は、圧延設備から離れた監視室内などに設置され、各駆動軸損傷診断ユニット(11)から送られてくるデータを処理して、クロス(7)の損傷の程度について判別し、その結果をパソコン(20)のディスプレイに表示する。

駆動軸(1)が回転すると、クロス(7)とベアリングカップ(8)とは、ころ(10)を介して力を及ぼし合い、この力によって生じるクロス(7)とベアリングカップ(8)との相対変位がセンサユニット(14)によって検知され、ワイヤレス通信機(15)によって親機(19)に送信される。ワイヤレス通信機(15)は、ベアリングカップ(9)に内蔵されているので、圧延設備用駆動軸のように２つの駆動軸(1)が密着していて、十字軸継手(4)の外部に隙間が無い場合でも、センサユニット(14)からの出力を容易に取り出すことができる。クロス(7)表面に損傷が生じていると、センサユニット(14)からの出力が正常時と相違することになり、この相違量が許容範囲かどうかを判定することにより、駆動軸(1)の損傷診断を行うことができる。クロス(7)の各軸部(7a)は、損傷の進行の程度が通常異なっているので、損傷診断は、各軸部(7a)毎に行われる。こうして、駆動軸(1)を稼働させた状態で損傷の診断を行うことが可能となり、稼働を停止しての分解検査をなくすことができる。

センサユニット(14)およびワイヤレス通信機(15)には、それぞれ制御や演算を行うＣＰＵや各種メモリによって構成された子機側制御手段としてのマイコンが内蔵されており、図４に示すように、マイコン(21)の不揮発メモリ(22)に、書き換え不可能なユニット固有番号レジスタ(22a)および外部からの信号によって書き換え可能でワイヤレス通信の指標となる送信ＩＤ番号レジスタ(22b)が備えられている。各子機（駆動軸損傷診断ユニット）(11)には、それぞれ識別子としての連続した整数の送信ＩＤ番号（例えば０から３まで）が割り当てられている。

次いで、図５のフローチャートを参照して、駆動軸監視システムにおけるＩＤ設定作業の詳細について説明する。

まず、子機側では、自ユニット固有番号のチェックを行って、その子機のユニット固有番号を確認する（Ｓ１）。次いで、親機側から、全子機へユニット固有番号の送信を要求する（Ｓ２）。これにより、子機は、自ユニット固有番号を親機に送信する（Ｓ３）。親機側では、この子機のユニット固有番号をパソコンに送信する（Ｓ４）。これにより、パソコンは、各ユニット固有番号毎の送信ＩＤ番号を親機に送信し、親機は、受信した送信ＩＤ番号をユニット固有番号とともに各子機に送信する（Ｓ５）。子機側では、送信されてきたユニット固有番号と自ユニット固有番号とを比較し（Ｓ６）、これらが一致していれば、この送信ＩＤ番号を当該子機のＩＤレジスタに登録し（Ｓ７）、一致していない場合には、当該子機への送信ではないので、通信を終了する（Ｓ９）。登録が完了した場合には、子機は、登録完了信号を親機に送信し（Ｓ８）、通信を終了する（Ｓ９）。親機は、子機からの登録完了信号を受信し（Ｓ１０）、登録完了信号を正常に受け取った場合には、登録完了信号をパソコンに送信し（Ｓ１１）、登録完了信号の受け取りに失敗した場合には、登録失敗信号をパソコンに送信する（Ｓ１２）。これにより、ＩＤ設定作業が完了し、親機も通信を終了する（Ｓ１３）。なお、このＩＤ設定作業は、親機(19)より送信されてくるＩＤ設定要求コード（ＩＤ設定要求信号）を子機(11)で受信した場合のみ可能とされている。

こうして、各子機（駆動軸損傷診断ユニット）(11)には、互いに異なる送信ＩＤ番号が付与され、この送信ＩＤ番号とともにセンサユニット(14)からの出力をワイヤレス通信機(15)を介して親機(19)に送信することにより、親機(19)に接続されたパソコン(20)において、十字軸継手(4)のクロス(7)の各軸部(7a)毎の損傷が診断される。

センサ基板(14a)およびワイヤレス基板(15a)は、圧延時の衝撃に耐えるために、樹脂モールドされている。この場合、モールド後は、ディップスイッチによるＩＤ設定変更が不可能となるが、上記の構成とすることにより、樹脂モールドした後でも送信ＩＤ番号の変更が可能となる。

なお、上記駆動軸損傷診断ユニット(11)は、損傷診断ユニットを有していない駆動軸に対して、ケース(13)の形状をベアリングカップ(9)のグリス供給孔＝ケース挿入孔(12)に合わせて形成することにより、着脱自在に取り付けることができる。これにより、既存の駆動軸の損傷診断を容易に行うことができる。駆動軸損傷診断ユニット(11)は、これをベアリングカップ(9)に内蔵しておいて、ベアリングカップ(9)ごと取り替えることも可能であり、このようにしても、既存の駆動軸の損傷診断を容易に行うことができる。

図１は、この発明による駆動軸損傷診断ユニットが好適に使用される圧延設備の駆動軸を示す斜視図である。 図２は、この発明による駆動軸損傷診断ユニットおよびこれを内蔵したベアリングカップを示す断面図である。 図３は、この発明による駆動軸損傷診断ユニットを使用した駆動軸監視システムを示すブロック図である。 図４は、この発明による駆動軸損傷診断ユニットの制御手段の一部を示すブロック図である。 図５は、この発明による駆動軸損傷診断ユニットを備えた駆動軸監視システムにおけるＩＤ設定作業を示すフローチャートである。

符号の説明

(1) 駆動軸
(4) 十字軸継手
(7) クロス
(9) ベアリングカップ
(11) 駆動軸損傷診断ユニット
(12) ケース挿入孔
(13) ケース
(13a) おねじ部
(14b) センサ（変位センサ）
(15) ワイヤレス通信機
(16) 電池
(19) 親機
(20) パソコン（親機側制御手段）
(21) マイコン（子機側制御手段）
(22) 不揮発メモリ
(22a) ユニット固有番号レジスタ
(22b) 送信ＩＤ番号レジスタ

Claims (2)

1. 十字軸継手のクロスに結合されるベアリングカップに設けられる駆動軸損傷診断ユニットであって、ベアリングカップに設けられたケース挿入孔に挿入される有底円筒状ケースと、ケースに設けられて十字軸継手のクロスの状態を検出するセンサと、ケース内に配されたワイヤレス通信機および制御手段とを備え、多局通信可能なようにＩＤ設定機能が付加されており、制御手段の不揮発メモリに、書き換え不可能なユニット固有番号レジスタおよび外部からの信号によって書き換え可能でワイヤレス通信の指標となる送信ＩＤ番号レジスタが備えられていることを特徴とする駆動軸損傷診断ユニット。
2. 請求項１の駆動軸損傷診断ユニットを備えた駆動軸監視システムであって、十字軸継手のクロスの各軸部にそれぞれ取り付けられたベアリングカップに設けられた駆動軸損傷診断ユニットと、各駆動軸損傷診断ユニットと送受信してセンサ出力を取得するとともに必要な指示を子機に与える親機と、親機に接続されかつセンサ出力を処理して損傷の程度について判別する制御手段とを備えており、送信ＩＤ番号レジスタの設定は、親機より送信されてくるＩＤ設定要求信号を駆動軸損傷診断ユニット側で受信した場合のみ行われることを特徴とする駆動軸監視システム。

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