JP2007239779A - 軸受状態検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転輪や転動体に対して非接触の状態で、転がり軸受における潤滑膜の状態を推定できる軸受状態検査装置を提供する。
【解決手段】 ２個の転がり軸受１Ａ，１Ｂが同一の軸５に取り付けられ、両転がり軸受１Ａ，１Ｂの内輪３が前記軸５を介して電気的に導通し、両転がり軸受１Ａ，１Ｂの外輪２が互いに電気的に非導通状態となった軸受使用装置１０において、前記２個の転がり軸受１Ａ，１Ｂの潤滑状態を軸受状態検査装置１１を用いて推定する。軸受状態検査装置１１は、静電容量測定手段１２と判定手段１３とを有する。静電容量測定手段１２は、前記２個の転がり軸受１Ａ，１Ｂの外輪２，２間に接続され、各転がり軸受１Ａ，１Ｂの内輪３と転動体４との間、および外輪２と転動体４との間の静電容量の合計値を測定する。判定手段１３は、前記静電容量測定手段１２の測定値から前記転がり軸受１Ａ，１Ｂの状態を判定する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、鉄道車両、自動車、産業機械などの装置に組み込まれた転がり軸受の内部の潤滑剤の劣化状態を検出する軸受状態検査装置に関する。

転がり軸受において、内部の潤滑状態を確認することは、軸受寿命にとって極めて重要である。潤滑不良が発生し、軸受の転動体の転動面と内外輪の軌道面の間に形成された潤滑剤による潤滑膜の厚さが通常より薄くなった場合、転動面と軌道面が金属接触を起こし、軸受寿命が短くなることが知られている。
そこで、潤滑膜の状態を観察して軸受寿命を予測することが望まれるが、潤滑膜の状態は直接観察することが不可能なため、潤滑膜の状態を測定する各種の方法が従来より提案されている。その一つの方法は潤滑膜の状態を直流抵抗として測定するもの（特許文献１）であり、他の一つの方法は潤滑膜の厚さを電気容量として測定するもの（特許文献２）である。
特開２００１−３１１４２７号公報 特開２００３−２１４８１０号公報

しかし、潤滑膜の状態を直流抵抗として測定する方法の場合、軸受内外輪のいずれかが回転しているため、被測定箇所以外の場所にスリップリングなどの電気接点が必要となり、その接点の電気抵抗が測定誤差の要因となったり測定結果を不安定なものにするという問題がある。
また、潤滑膜の厚さを電気容量として測定する方法の場合、軸受外輪に孔を開けて電極を取り付ける必要があり、一般の軸受には適用できない。

この発明の目的は、回転輪や転動体に対して非接触の状態で、転がり軸受における潤滑膜の状態を推定できる軸受状態検査装置を提供することである。

この発明の軸受状態検査装置は、２個の転がり軸受が同一の軸に取り付けられ、両転がり軸受の内輪が前記軸を介して電気的に導通し、両転がり軸受の外輪が互いに電気的に非導通状態となった軸受使用装置において、前記２個の転がり軸受の外輪間に接続され、各転がり軸受の内輪と転動体との間、および外輪と転動体との間の静電容量の合計値を測定する静電容量測定手段を設け、この静電容量測定手段の測定値から前記転がり軸受の状態を判定する判定手段を設けたことを特徴とする。
この構成によると、軸受使用装置における片方の転がり軸受の外輪→転動体→内輪→軸→もう片方の転がり軸受の内輪→転動体→外輪の経路で形成される電気回路の静電容量の合計値、つまり２個の転がり軸受の各潤滑膜の静電容量の合計値が、回転輪や転動体と非接触の状態で静電容量測定手段により測定される。その測定値から判定手段により転がり軸受の潤滑膜の状態の良否が判定される。すなわち、回転輪や転動体に対して非接触の状態で、転がり軸受における潤滑膜の状態を推定することができる。

この発明において、前記静電容量測定手段は、交流電流を用いてインピーダンスを測定することにより前記静電容量を推定するものとしても良い。

この発明において、前記静電容量測定手段は、静電容量の変化を周波数の変化に変換する発振器と、この発振器の発振する周波数から静電容量を推定する周波数対応容量推定手段を設けても良い。

この発明において、前記静電容量測定手段は、前記２つの転がり軸受の外輪間に充電および放電を繰り返し生じさせる充放電手段と、その充電および放電の繰り返しにおける過渡現象によって生じる充放電時間より静電容量を推定する充放電時間対応静電容量推定手段を設けても良い。
静電容量測定手段が、これらのインピーダンスを測定することにより静電容量を推定するものや、発振周波数から静電容量を推定するもの、または充放電時間より静電容量を推定するものであると、いずれも簡単な構成で精度良く静電容量を推定することができる。

この発明において、前記判定手段は、前記静電容量測定手段により測定された静電容量の変動の値が所定の閾値を超えたことで軸受不良と判定するものとしても良い。

この発明において、前記判定手段は、前記静電容量測定手段により測定された静電容量の値が所定の閾値を超えたことで軸受不良と判定するものとしても良い。

この発明の軸受使用装置は、この発明の軸受状態検査装置として、前記判定手段が、前記静電容量測定手段により測定された静電容量の変動の値が所定の閾値を超えたことで軸受不良と判定するものとした軸受状態検査装置を組み込んだ装置、または、前記判定手段が、前記静電容量測定手段により測定された静電容量の値が所定の閾値を超えたことで軸受不良と判定するものとした軸受状態検査装置を組み込んだ装置、またはこれら両方の軸受状態検査装置を組み込んだ装置である。
この構成によると、軸受の潤滑膜の状態、負荷の状態をモニターすることができるため、故障の前兆あるいは故障の診断を行い、軸受使用装置の停止や軸受交換が必要なことを知らせることができる。このため、この軸受使用装置が鉄道車両や産業機械である場合、安全性が向上する。また、この軸受使用装置では、軸受の寿命や経年変化を予測できるため、軸受の無駄な交換や遅れた交換がなくなり、経済性が向上する。

この発明の軸受状態検査装置は、２個の転がり軸受が同一の軸に取り付けられ、両転がり軸受の内輪が前記軸を介して電気的に導通し、両転がり軸受の外輪が互いに電気的に非導通状態となった軸受使用装置において、前記２個の転がり軸受の外輪間に接続され、各転がり軸受の内輪と転動体との間、および外輪と転動体との間の静電容量の合計値を測定する静電容量測定手段を設け、この静電容量測定手段の測定値から前記転がり軸受の状態を判定する判定手段を設けたため、回転輪や転動体に対して非接触で転がり軸受の静電容量を測定することができて、潤滑膜の状態を推定することができる。
この発明の軸受使用装置は、この発明の軸受状態検査装置として、判定手段が、前記静電容量測定手段により測定された静電容量の変動の値が所定の閾値を超えたことで軸受不良と判定するものとした軸受状態検査装置を組み込んだ装置、または、判定手段が、前記静電容量測定手段により測定された静電容量の値が所定の閾値を超えたことで軸受不良と判定するものとした軸受状態検査装置を組み込んだ装置、またはこれら両方の軸受状態検査装置を組み込んだ装置であるため、軸受の潤滑膜の状態、負荷の状態をモニターすることができる。その結果、故障の前兆あるいは故障の診断を行い、軸受使用装置の停止や軸受交換が必要なことを知らせることができる。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図３と共に説明する。この軸受状態検査装置１１は、図１に示すように２個の転がり軸受１Ａ，１Ｂが同一の回転軸５に取り付けられた軸受使用装置１０において、両転がり軸受１Ａ，１Ｂの潤滑膜の状態を推定するものである。両転がり軸受１Ａ，１Ｂは、固定輪である外輪２と、回転軸５に嵌合する回転輪である内輪２と、外輪２の内周面に形成された軌道面２ａと内輪３の外周面に形成された軌道面３ａの間に介在する複数個の転動体４とでなる。この場合の転がり軸受１Ａ，１Ｂは、前記転動体４がボールからなる玉軸受である。両転がり軸受１Ａ，１Ｂの各内輪３は、回転軸５を介して電気的に導通している。これに対して、両転がり軸受１Ａ，１Ｂの各外輪２は、互いに電気的に非導通状態とされている。

軸受状態検査装置１１は、静電容量測定手段１２と判定手段１３とでなる。静電容量測定手段１２は、前記両転がり軸受１Ａ，１Ｂの外輪２，２間に接続され、両転がり軸受１Ａ，１Ｂの内輪３と転動体４との間、および外輪２と転動体４との間の静電容量の合計値を測定する手段である。判定手段１３は、前記静電容量測定手段１２の測定値から転がり軸受１Ａ，１Ｂの状態を判定する手段である。

図２（Ａ）は前記各転がり軸受１Ａ，１Ｂの半部断面図を示し、図２（Ｂ）は図２（Ａ）の軸受構造を電気回路として表現した時の模式図を示す。図２（Ａ）において、外輪２と転動体４の接触面には１μｍ以下の厚さの潤滑膜（油膜）６が形成され、外輪２と転動体４は直接接触することなく潤滑膜６を介して荷重を伝えることが知られている。内輪３と転動体４の接触面にも同様の潤滑膜７が形成される。外輪２と転動体４の関係において、潤滑膜６を誘電体と考え、外輪２と転動体４を電極と考えると、ここに１つのコンデンサ８が形成される。同様に内輪３と転動体４の関係においても、もう１つ別のコンデンサ９が形成される。
これを模式的に表現すると、図２（Ｂ）のように２つのコンデンサ８，９が直列に接続された回路構成となる。ここで、両コンデンサ８，９の静電容量Ｃａ，Ｃｂが等しいとすると、２つのコンデンサ８，９の合計の静電容量はＣａ／２となる。また、軸受１個あたりの転動体４の個数をｎとして、それぞれの転動体４でのコンデンサの静電容量が等しいとすると、それらの等しい静電容量のコンデンサが並列に接続された回路構成とみなすことができるので、軸受１個での全体の静電容量はｎＣａ／２となる。したがって、１つの転がり軸受１Ａ（１Ｂ）において、外輪２から内輪３までの経路の静電容量を測定すれば、１箇所の潤滑膜６（７）での静電容量Ｃａを推定することができる。ただし、軸受１個に対して上記した経路の静電容量を測定するのでは、内外輪２，３のいずれかが回転している（図１の場合は内輪３が回転している）ため、潤滑状態を直流抵抗として測定する先述した特許文献１に開示の方法の場合と同様に、被測定箇所以外の部分でスリップリングなどの電気接点が必要となり、測定誤差が生じたり測定結果が不安定になる要因となる。

そこで、この実施形態の軸受状態検査装置１１では、軸受使用装置１０における２つの転がり軸受１Ａ，１Ｂの固定輪である各外輪２，２に、静電容量測定手段１２の入力端子である電極１２ａ，１２ｂが接続される。この場合、先述したように両外輪２，２の間は図示しない絶縁手段で適切に絶縁されており、互いに電気的に非導通状態とされる。この場合の軸受使用装置１０の電気的な等価回路は図３のようになる。すなわち、この場合の電気回路は、静電容量測定手段１２の電極１２ａから軸受１Ａの外輪２→転動体４→内輪３→回転軸５→軸受１Ｂの内輪３→転動体４→外輪２→静電容量測定手段１２の電極１２ｂの経路で形成される。なお、図３では、各転がり軸受１Ａ，１Ｂの転動体４の個数ｎを６としている。この場合、各転動体４と内外輪３，２の間に形成されるコンデンサの静電容量が同じ値Ｃａとすると、２つの転がり軸受１Ａ，１Ｂの全体の静電容量Ｃは、
Ｃ＝ｎＣａ／４
となる。
したがって、全体の静電容量Ｃを測定すれば、
Ｃａ＝４Ｃ／ｎ
として、転動体４と内外輪３，２間に介在する潤滑膜６，７の１箇所当たりの平均静電容量Ｃａを求めることができる。前記静電容量測定手段１２において、全体の静電容量Ｃの測定には、電気容量計などの計測器を用いることができる。

判定手段１３による転がり軸受１Ａ，１Ｂの状態の判断基準としては、例えば以下のような潤滑状態が挙げられる。
１．両転がり軸受１Ａ，１Ｂのうち、いずれか片側の転がり軸受の油膜が形成されない 場合、その軸受は導通するため、全体の静電容量は正常時の２倍となる。
２．両転がり軸受１Ａ，１Ｂとも油膜が形成されない場合、導通状態となる。
３．両転がり軸受１Ａ，１Ｂにおける各油膜形成箇所のいずれか１箇所が油膜切れの場 合、その部分が導通するため、全体の静電容量がやや増える。
４．軸受使用装置１０に過大な負荷がかかった場合、油膜の厚みが減るため、全体の静 電容量が増加する。
５．両転がり軸受１Ａ，１Ｂにおける油膜の状態が不安定になると、静電容量も不安定 になるので、静電容量の変動をチェックする。
これらの判断基準を採用した場合、判定手段１３は、全体の静電容量が通常値として設定された値より増えた場合、あるいは静電容量の変動が設定値よりも大きい場合に潤滑状態不良と判断する。
なお、転がり軸受１Ａ，１Ｂが停止または低速回転している場合、あるいは上記２．の状態にある場合、導通状態またはそれに近い状態となるため、静電容量測定手段１２は、抵抗値も測定し、総合的に判断することが望ましい。

図４は、図１に示す第１の実施形態において、軸受状態検査装置１１の静電容量測定手段１２が、直列接続した発振器１４と電流測定手段１５とでなり、軸受使用装置１０に交流電流を流すことによって軸受使用装置１０における両転がり軸受１Ａ，１Ｂの全体の静電容量Ｃをインピーダンスに換算して測定するようにした例を示す。この場合、測定したインピーダンスから平均静電容量Ｃａを求めることもできる。
この場合、油膜で形成される静電容量が一般に数十ｐＦと小さいことから、発振器１４による発振周波数を１００ｋＨｚから１０ＭＨｚ程度とすると、高い検出精度が得られる。また、油膜の厚みは極めて小さいことから、軸受使用装置１０の両外輪２，２間に印加する印加電圧は概ね１Ｖ以下にする必要がある。

図５は、軸受状態検査装置１１の静電容量測定手段１２が、ＯＰアンプ１８で構成した発振器１６と、この発振器１６の発振周波数から静電容量を推定する周波数対応容量推定手段１７とでなり、測定した発振器１６の周波数から軸受使用装置１０における両転がり軸受１Ａ，１Ｂの全体の静電容量Ｃを推定するようにした例を示す。この場合の発振器１６は、relaxation oscillator と呼ばれ、ＯＰアンプ１８に抵抗１９Ra，１９Rb，１９Rt、およびコンデンサ１９Ctを接続して構成される。抵抗１９Ra，１９Rb，１９Rtの抵抗値をＲa ，Ｒb ，Ｒt 、コンデンサ１９Ctの静電容量をＣt とすると、発振周波数ｆは、およそ、
ｆ＝１／（２ＲｔＣｔ）
となることが知られている。
ここでは、前記発振器１６のコンデンサ１９Ctが軸受使用装置１０における両転がり軸受１Ａ，１Ｂの全体の静電容量Ｃに置き換えられることで、その静電容量Ｃが推定される。

図６は、軸受状態検査装置１１の静電容量測定手段１２が、充放電手段２０と、その充電および放電の繰り返しにおける過度現象によって生じる充放電時間より静電容量を推定する充放電時間対応静電容量推定手段２１とでなる例を示す。充放電手段２０は、充電抵抗２２と充電スイッチ２３の直列回路部を被測定静電容量Ｃt に直列接続すると共に、放電スイッチ２４と放電抵抗２５の直列回路部を被測定静電容量Ｃt に並列接続した回路である。充放電時間対応静電容量推定手段２１は、充放電手段２０での充放電電圧を監視する電圧測定手段２６と、この電圧測定手段２６が監視する電圧が規定電圧になるまでの時間を測定することにより、被測定静電容量Ｃt を推定する判断手段２７とでなる。
この場合、例えば、充電スイッチ２３をオンにして充電を開始し、被測定静電容量Ｃt の充電電圧を電圧測定手段２６で監視して、その充電電圧が規定電圧になるまでの充電時間を判断手段２７で測定することにより、被測定静電容量Ｃt を推定できる。または、予め所定電圧まで充電させた被測定静電容量Ｃt に対して、放電スイッチ２４をオンにして放電を開始し、被測定静電容量Ｃt の放電電圧を電圧測定手段２６で監視して、その放電電圧が規定電圧になるまでの放電時間を判断手段２７で測定することにより、被測定静電容量Ｃt を推定できる。
ここでは、前記被測定静電容量Ｃt が軸受使用装置１０における両転がり軸受１Ａ，１Ｂの全体の静電容量Ｃに置き換えられることで、その静電容量Ｃが推定される。

このように、この実施形態の軸受状態検査装置１０では、２個の転がり軸受１Ａ，１Ｂが同一の回転軸５に取り付けられ、両転がり軸受１Ａ，１Ｂの内輪３が前記回転軸５を介して電気的に導通し、両転がり軸受１Ａ，１Ｂの外輪が互いに電気的に非導通状態となった軸受使用装置１０において、前記２個の転がり軸受１Ａ，１Ｂの外輪２間に接続され、各転がり軸受１Ａ，１Ｂの内輪３と転動体４との間、および外輪２と転動体４との間の静電容量の合計値を測定する静電容量測定手段１２を設け、この静電容量測定手段１２の測定値から前記転がり軸受１Ａ，１Ｂの状態を判定する判定手段１３を設けたため、回転輪（ここでは内輪３）や転動体４に対して非接触の状態で、転がり軸受１Ａ，１Ｂにおける潤滑膜の状態を推定できる。

また、上記軸受状態検査装置１１を組み込んだ軸受使用装置１０では、転がり軸受１Ａ，１Ｂの潤滑膜の状態、負荷の状態をモニターすることができるため、故障の前兆あるいは故障の診断を行い、軸受使用装置１０の停止や軸受交換が必要なことを知らせることができる。この軸受使用装置１０が鉄道車両や産業機械である場合、安全性が向上する。また、この軸受使用装置１０では、転がり軸受１Ａ，１Ｂの寿命や経年変化を予測できるため、転がり軸受１Ａ，１Ｂの無駄な交換や遅れた交換がなくなり、経済性が向上する。

図７は、この発明の軸受状態検査装置の他の実施形態を示す。この軸受状態検査装置１１は、図１に示す第１の実施形態において、判定手段１３の次段に記録手段２８を追加して、軸受使用装置１０の転がり軸受１Ａ，１Ｂの油膜の状態をリアルタイムでモニタできるようにしたものである。静電容量測定手段１２は、図４〜図６に示したいずれのものを用いても良い。なお、判定手段１３は、静電容量測定手段１２により測定された静電容量の変動の値が所定の閾値を超えたことで、軸受不良と判定するものであっても良い。

この発明の第１の実施形態にかかる軸受状態検査装置を用いた軸受使用装置における転がり軸受の検査を示す説明図である。 （Ａ）は転がり軸受の半部断面図、（Ｂ）は（Ａ）の軸受構造を電気回路として表現した場合の模式図を示す。 軸受使用装置の電気的な等価回路図を示す。 軸受状態検査装置における静電容量測定手段の一例を示すブロック図である。 軸受状態検査装置における静電容量測定手段の他の例を示す回路図である。 軸受状態検査装置における静電容量測定手段のさらに他の例を示す回路図である。 この発明の他の実施形態にかかる軸受状態検査装置を用いた軸受使用装置における転がり軸受の検査を示す説明図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ…転がり軸受
２…外輪
３…内輪
４…転動体
５…回転軸
１０…軸受使用装置
１１…軸受状態検査装置
１２…静電容量測定手段
１３…判定手段
１４…発振器
１５…電流測定手段
１６…発振器
１７…周波数対応容量推定手段
２０…充放電手段
２１…充放電時間対応静電容量推定手段

Claims (7)

1. ２個の転がり軸受が同一の軸に取り付けられ、両転がり軸受の内輪が前記軸を介して電気的に導通し、両転がり軸受の外輪が互いに電気的に非導通状態となった軸受使用装置において、
   前記２個の転がり軸受の外輪間に接続され、各転がり軸受の内輪と転動体との間、および外輪と転動体との間の静電容量の合計値を測定する静電容量測定手段を設け、この静電容量測定手段の測定値から前記転がり軸受の状態を判定する判定手段を設けたことを特徴とする軸受状態検査装置。
2. 請求項１において、前記静電容量測定手段は、交流電流を用いてインピーダンスを測定することにより前記静電容量を推定するものとした軸受状態検出装置。
3. 請求項１において、前記静電容量測定手段は、静電容量の変化を周波数の変化に変換する発振器と、この発振器の発信する周波数から容量を推定する周波数対応容量推定手段を設けた軸受状態検査装置。
4. 請求項１において、前記静電容量測定手段は、前記２つの転がり軸受の外輪間に充電および放電を繰り返し生じさせる充放電手段と、その充電および放電の繰り返しにおける過渡現象によって生じる充放電時間より静電容量を推定する充放電時間対応静電容量推定手段を設けた軸受状態検査装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記判定手段は、前記静電容量測定手段により測定された静電容量の変動の値が所定の閾値を超えたことで軸受不良と判定するものとした軸受状態検査装置。
6. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記判定手段は、前記静電容量測定手段により測定された静電容量の値が所定の閾値を超えたことで軸受不良と判定するものとした軸受状態件装置。
7. 請求項５記載の軸受状態検査装置、および請求項６記載の軸受状態検査装置のいずれか一方または両方を組み込んだ軸受使用装置。
   
   
   
   

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