JP2008139139A - 軸受の潤滑剤劣化検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 コンパクトに配置できてメンテナンスなどにおける取り扱いも容易で、軸受内の潤滑剤の劣化状態を正確に検出できる軸受の潤滑剤劣化検出装置を提供する。
【解決手段】 潤滑剤劣化検出装置１は、発光素子２および受光素子３と、中間に潤滑剤を介在させる検出ギャップ部７を有し前記発光素子２から受光素子３へ光を導く導光部材４Ａ，４Ｂと、判定手段６と、センサケース１０とを備える。判定手段６は、受光素子２の出力から前記検出ギャップ部７内の潤滑剤に混入している異物の量を推定する手段である。センサケース１０には、発光素子２、受光素子３、および導光部材４Ａ，４Ｂが取付けられる。軸受２１が取付けられたハウジング２５の前記軸受２１の端面を覆う軸受端面覆い部２６にセンサケース１０を取付け、前記導光部材４Ａ，４Ｂの前記検出ギャップ部７を、ハウジング２５の前記軸受端面覆い部２６と軸受２１の端面との間の空間内に配置する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、軸受内に封入された潤滑剤の混入物などによる劣化状態を検出する軸受の潤滑剤劣化検出装置に関する。

潤滑剤を封入した軸受では、軸受内部の潤滑剤（グリース、油など）が劣化すると転動体の潤滑不良が発生し、軸受寿命が短くなる。転動体の潤滑不良を、軸受の振動状態などから判断するのでは、寿命に達して動作異常が発生してから対処することになるため、潤滑状態の異常をより早く検出できない。そこで、軸受内の潤滑剤の状態を定期的あるいはリアルタイムに観測し、異常やメンテナンス期間の予測を可能にすることが望まれる。

潤滑剤の劣化の主要な要因として、軸受の使用に伴って発生する摩耗粉が潤滑剤に混入することが挙げられる。
軸受の摩耗状態を検出するものとしては、軸受のシール部材の内側に電極を配置し、摩耗粉の混入による潤滑剤の電気的特性を、抵抗値や静電容量や磁気抵抗やインピーダンスの変化で検出するようにしたセンサ付き軸受が提案されている（例えば特許文献１）。
特開２００４−２９３７７６号公報

しかし、特許文献１のセンサ付き軸受は、潤滑剤の電気的特性を検出するものであるため、大量の摩耗粉が入って導通が起こるなどの状況にならなければ、特性変化として検出されず、混入物の検出が困難な場合がある。

このような課題を解決するものとして、例えば図８のように、発光側および受光側の光ファイバ４６，４７の各一端を検出対象となる潤滑剤４５が存在する検出部４８に対向させ、発光側の光ファイバ４６の他端に発光素子４３を、受光側の光ファイバ４７の他端に受光素子４４をそれぞれ配置した光学式の構成を考えた。
図８の構成では、発光素子４３から出射された光が発光側の光ファイバ４６を経由して検出部４８に存在する潤滑剤４５を透過し、さらに受光側の光ファイバ４７を経由して受光素子４４で検出され、受光素子４４で検出される透過光量から潤滑剤４５に混入する異物の量が推定される。

しかし、図８のような構成の潤滑剤劣化検出装置を用いて軸受内部に封入された潤滑剤の劣化検出を行う場合、例えば光ファイバ４６，４７や発光受光素子４３，４４を軸受内に配置するものとすると、そのためのスペースを軸受内部に確保するのが容易でなく、コンパクトに配置できない。また、メンテナンスにおいては、軸受内から潤滑剤劣化検出装置を取り出す必要があり、取り扱いも容易でない。

この発明の目的は、コンパクトに配置できてメンテナンスなどにおける取り扱いも容易で、軸受内の潤滑剤の劣化状態を正確に検出できる軸受の潤滑剤劣化検出装置を提供することである。

この発明の軸受の潤滑剤劣化検出装置は、発光素子および受光素子と、中間に潤滑剤を介在させる検出ギャップ部を有し前記発光素子から受光素子へ光を導く導光部材と、前記受光素子の出力から前記検出ギャップ部内の潤滑剤に混入している異物の量を推定する判定手段と、前記発光素子、受光素子、および前記導光部材を取付けたセンサケースとを備えた潤滑剤劣化検出装置であって、軸受が取付けられたハウジングの前記軸受の端面を覆う軸受端面覆い部に前記センサケースを取付け、前記導光部材の前記検出ギャップ部を、前記ハウジングの前記軸受端面覆い部と前記軸受の端面との間の空間内に配置したことを特徴とする。
この構成によると、潤滑剤劣化検出装置における導光部材の検出ギャップ部を、ハウジングの軸受端面覆い部と軸受の端面との間の空間内に配置するので、軸受の潤滑面の近傍を流動する潤滑剤を測定することとなり、正確な劣化検出が可能となる。
また、潤滑剤劣化検出装置の全体ではなく、そのうちの導光部材の検出ギャップ部を、ハウジングの軸受端面覆い部と軸受の端面との間の空間内に配置することから、コンパクトに配置できてメンテナンスなどにおける取り扱いも容易となる。

この発明において、前記ハウジングの前記軸受端面覆い部に、内外に貫通したセンサ取付孔を設け、このセンサ取付孔に、前記軸受端面覆い部の外部から着脱可能に前記センサケースを取付けても良い。この構成の場合、軸受端面覆い部に対する潤滑剤劣化検出装置１の取付け・取り外しが容易となり、メンテナンスなどにおける取り扱いがより容易となる。

この発明において、前記センサ取付孔の内面と前記センサケースとの接触面にシール部材を介在させても良い。この構成の場合、潤滑剤劣化検出装置の取付部での防水処理が図られて、ごみや水分の浸入を防止できる。

この発明の軸受の潤滑剤劣化検出装置は、発光素子および受光素子と、中間に潤滑剤を介在させる検出ギャップ部を有し前記発光素子から受光素子へ光を導く導光部材と、前記受光素子の出力から前記検出ギャップ部内の潤滑剤に混入している異物の量を推定する判定手段と、前記発光素子、受光素子、および前記導光部材を取付けたセンサケースとを備えた潤滑剤劣化検出装置であって、軸受が取付けられたハウジングの前記軸受の端面を覆う軸受端面覆い部に前記センサケースを取付け、前記導光部材の前記検出ギャップ部を、前記ハウジングの前記軸受端面覆い部と前記軸受の端面との間の空間内に配置したため、コンパクトに配置できてメンテナンスなどにおける取り扱いも容易で、軸受内の潤滑剤の劣化状態を正確に検出することができる。

この発明の一実施形態を図１ないし図３と共に説明する。図１および図２は、この実施形態の潤滑剤劣化検出装置を組み込んだ軸受装置の断面図および正面図を示す。この軸受装置２０は鉄道車両などの電動機における回転軸用の軸受装置であって、回転軸３０が回転自在に支持される転がり軸受２１を、モータハウジングであるハウジング２５の一部で保持したものである。転がり軸受２１は例えば深溝玉軸受からなり、内輪２２と外輪２３の間に複数のボール２４を介在させたものである。

内輪２２は回転側輪となるものであって、その内周面にモータ軸となる回転軸３０が嵌合して支持される。内輪２２は、その一端面が回転軸３０の大径軸部と小径軸部の境界の段面に係合し、他端面が回転軸３０の小径軸部に螺合する締付ナット３１で軸方向に押し付けられることにより、軸方向に位置決めされる。
外輪２３は固定側輪となるものであって、モータハウジング２５の端板部に設けられた軸受取付孔の内周面に嵌合して固定される。外輪２３は、その一端面が、モータハウジング２５の軸受嵌合孔の内周面に続く段面２５ａに係合し、他端面がモータハウジング２５に固定されたリング状の外輪押さえ部材３２で軸方向に押し付けられることにより、軸方向に位置決めされる。

転がり軸受２１の前記締付ナット３１が押し付けられる一端面側は、モータハウジング２５の端板部における軸受貫通孔の周辺部分からなる軸受端面覆い部２６で覆われる。前記外輪押さえ部材３２の軸受２１側に向く内面、およびモータハウジング２５の前記軸受端面覆い部２６の軸受２１側に向く内面には、転がり軸受２１の内外輪２２，２３間の軸受空間に臨む環状溝からなるポケット３３，３４がそれぞれ設けられている。潤滑剤は、モータハウジング２５に設けられた給脂経路３５の給脂口３５ａから定期的に注入され、前記ポケット３３，３４および転がり軸受２１の内部に供給される。また、前記給脂に伴い、転がり軸受２１の内部やポケット３４に滞留する古い潤滑剤が、モータハウジング２５に別に設けられた排脂経路３６を経て外部に押し出される。上記給脂口３５ａはモータハウジング２５の上部に設けられ、上記給脂経路３５は外輪押さえ部材３２のポケット３３に開通している。上記排脂経路３６は、モータハウジング２５の下部で、軸受端面覆い部２６側のポケット３４から外部に開通している。

モータハウジング２５における前記軸受端面覆い部２６には、転がり軸受２１内の潤滑剤の劣化状態を検出する光学式の潤滑剤劣化検出装置１が取付けられる。この潤滑剤劣化検出装置１は、図３に概略構成を示すように、潤滑剤５を介在させるための検出ギャップ部７を介して先端が並ぶ導光部材である２本の光ファイバ４Ａ，４Ｂと、一方の光ファイバ４Ａの基端に配置した発光素子２と、他方の光ファイバ４Ｂの基端に配置した受光素子３と、この受光素子３の出力から潤滑剤５に混入している異物の量を検出する判定手段６とを備える。

２本の光ファイバ４Ａ，４Ｂは平行に揃えて配置され、それらの先端は、それぞれ斜めにカットした斜めカット面とされている。これらの斜めカット面は、蒸着膜、またはメッキ、または樹脂封止により反射コーティングした反射面４Ａａ，４Ｂａとされている。これら斜めの反射面４Ａａ，４Ｂａは、一方の光ファイバ４Ａを通る光が先端の反射面４Ａａで他方の光ファイバ４Ｂの反射面４Ｂａに向けて反射し、この反射面４Ｂａから他方の光ファイバ４Ｂ内に反射する方向に向けられている。また、２本の光ファイバ４Ａ，４Ｂの先端の互いに対向する面には、光透過を可能とする平坦面化などの処理が施されている。

具体的には、一方の光ファイバ４Ａは、発光素子２の発光面と対向する基端の端面に発光素子２から出射された光を入射させ、先端の反射面４Ａａで反射させることで光路を９０°曲げて、検出ギャプ部７に投光する投光側光ファイバとなるものである。また、他方の光ファイバ４Ｂａは、検出ギャップ部７に対向する先端の面から検出ギャップ部７における潤滑剤５を透過した光を入射させ、先端の反射面４Ｂａで光ファイバ４Ｂ内に反射させることで光路をさらに９０°曲げて、受光素子３の受光面と対向する基端の端面から受光素子３に入射させる受光側光ファイバとなるものである。
このように投光側光ファイバ４Ａおよび受光側光ファイバ４Ｂを配置することにより、発光素子２から出射された光が投光側光ファイバ４Ａを介して潤滑剤５を透過し、その透過光が受光側光ファイバ４Ｂａを介して受光素子３に入射される。すなわち、２本の光ファイバ４Ａ，４Ｂは、発光素子２から受光素子３へ光を導く導光部材となるものである。

前記発光素子２としては、ＬＥＤ，ＥＬ、有機ＥＬなどを用いることができ、発光回路８によって駆動される。前記受光素子３としては、フォトダイオード、フォトトランジスタなどを用いることができ、その出力を受ける受光回路９によって受光素子３の受光量が検出される。

図３に鎖線で示すように、潤滑剤劣化検出装置１における発光素子２、受光素子３、および２本の光ファイバ４Ａ，４Ｂは、樹脂モールドなどによりセンサケース１０に埋め込み状態に取付けられて、センサケース１０と共にセンサ部材１１が構成される。前記モータハウジング２５の軸受端面覆い部２６には、図１のように内外に貫通するセンサ取付孔２７が設けられ、このセンサ取付孔２７に軸受端面覆い部２６の外部から前記センサケース１０を着脱可能に取付けることで、潤滑剤劣化検出装置１が軸受端面覆い部２６に取付けられる。

この取付け状態で、センサ部材１１のうちの発光素子２と受光素子３は、軸受端面覆い部２６の肉厚内または外部に突出して設けられ、検出ギャップ部７は軸受端面覆い部２６と転がり軸受２１の端面との間の空間内（例えばポケット３４の内部）に配置される。これにより、転がり軸受２１の内部に封入された潤滑剤５を検出ギャップ部７に容易に介在させることができる。この場合、検出ギャップ部７は、できるだけ軸受２１の端面付近に配置するのが望ましく、特にボール２４や図示しない保持器の近傍、あるいは外輪２３の内径面付近に配置するのが望ましい。このように配置すると、内輪２２の回転に伴って流動する潤滑剤が検出ギャップ部７に介在し易くなり、潤滑に寄与している潤滑剤の状態を安定してモニタすることが可能になる。

潤滑剤劣化検出装置１における前記センサ部材１１を除く回路構成部品（判定手段６，発光回路８，受光回路９）は、軸受端面覆い部２６の外側に配置される。軸受端面覆い部２６におけるセンサ取付孔３４の内面とセンサケース１０との接触面には図示しないＯリングなどのシール部材が介在させられている。これにより潤滑剤劣化検出装置１の取付部での防水処理が図られ、ごみや水分の浸入が防止される。

転がり軸受２１の内部に封入された潤滑剤５が新品のときには透明に近い状態にあり、発光素子２から光ファイバ４Ａを経由して投光され潤滑剤５を透過する透過光の強度は高い。ところが、潤滑剤５に混入する鉄粉（摩耗粉）などの異物の量が多くなると、透過光の強度が徐々に低下する。そこで、判定手段６は、透過光の強度に対応する受光素子３の出力から、潤滑剤５に混入している異物の量を検出する。潤滑剤５に混入する異物の量の増加は潤滑剤５の劣化の進行を意味するので、検出された異物の量から潤滑剤５の劣化具合を推定することができる。

このように、この軸受の潤滑剤劣化検出装置１は、発光素子２および受光素子３と、中間に潤滑剤５を介在させる検出ギャップ部７を有し前記発光素子２から受光素子３へ光を導く導光部材（光ファイバ４Ａ，４Ｂ）と、前記受光素子３の出力から前記検出ギャップ部７内の潤滑剤５に混入している異物の量を推定する判定手段６と、前記発光素子２、および前記導光部材（光ファイバ４Ａ，４Ｂ）を取付けたセンサケース１０とを備えており、転がり軸受２１が取付けられたモータハウジング２５の前記転がり軸受２１の端面を覆う軸受端面覆い部２６に前記センサケース１０を取付け、前記導光部材（光ファイバ４Ａ，４Ｂ）の検出ギャップ部７を、モータハウジング２５の軸受端面覆い部２６と軸受２１の端面との間の空間内に配置しているので、軸受２１の潤滑面の近傍を流動する潤滑剤５を測定することとなり、正確な劣化検出が可能となる。
これにより、振動の発生、温度上昇、軸受２１の破損などの深刻な状況に至る前に、その兆候を検出することが可能になる。例えば、検出信号に急激な変化があった場合には、軸受２１の内部に損傷が発生している可能性があり、その検出信号から早急な対策を講じることができる。また、長期間の運転によって徐々に検出信号が変化して行くのをモニタし続けることにより、その検出値が基準値に到達したとき、潤滑剤の給脂が必要と判断してタイミング良くメンテナンスを行うこともできる。

また、潤滑剤劣化検出装置１におけるセンサ部材１１の全体ではなく、そのうちの導光部材（光ファイバ４Ａ，４Ｂ）の検出ギャップ部７を、モータハウジング２５の軸受端面覆い部２６と軸受２１の端面との間の空間内に配置しているので、潤滑剤劣化検出装置１の設置に必要なスペースを最小限にできる。このため、コンパクトに配置できて、軸受２１の組み付け時に潤滑剤劣化検出装置１が邪魔になることがない。また、潤滑剤劣化検出装置１の交換も容易なため、メンテナンスなどにおける取り扱いも容易となる。

また、この実施形態では、モータハウジング２５の軸受端面覆い部２６に、内外に貫通したセンサ取付孔２７を設け、このセンサ取付孔２７に、軸受端面覆い部２６の外部から着脱可能に前記センサケース１０を取付けているので、軸受端面覆い部２６に対する潤滑剤劣化検出装置１の取付け・取り外しが容易となり、メンテナンスなどにおける取り扱いがさらに容易となる。

この発明の他の実施形態を図４ないし図６に示す。図４および図５（Ａ）は、この実施形態の潤滑剤劣化検出装置を組み込んだ軸受装置の断面図および部分破断正面図を示す。この実施形態における軸受装置２０の構成は、先の実施形態の場合と同様であり、ここではその説明を省略する。
この実施形態では、潤滑剤劣化検出装置１は、図６に示すように、１本の光ファイバ４の中間に、潤滑剤５を介在させる検出ギャップ部７を設け、この検出ギャップ部７の両側の光ファイバ部分の端面を互いに対面させている。この光ファイバ４の両端に発光素子２および受光素子３を各々対向して設け、受光素子３の出力から前記検出ギャップ部７内の潤滑剤５に混入する異物の量を推定する図示しない判定手段（先の実施形態における判定手段６）を設けている。

図５（Ｂ）に示すように、潤滑剤劣化検出装置１における前記発光素子２、受光素子３、および前記導光部材（光ファイバ４）が樹脂モールドなどによりセンサケース１０内に埋め込み状態に取付けられ、センサケース１０と共にセンサ部材１１が構成される。このセンサ部材１１を除く回路構成部品（先の実施形態における判定手段６，発光回路８，受光回路９）が、軸受端面覆い部２６の外側に配置されること、およびモータハウジング２５の軸受端面覆い部２６に内外に貫通したセンサ取付孔２７が設けられ、このセンサ取付孔２７に前記センサケース１０を軸受端面覆い部２６の外部から着脱可能に取付けることで、潤滑剤劣化検出装置１が軸受端面覆い部２６に取付けられることも先の実施形態の場合と同様である。これにより、前記センサ部材１１の全体でなく、発光素子２および受光素子３が軸受端面覆い部２６の肉厚内または外部に突出して設けられる。前記センサ取付孔２７の内面と前記センサケース１０との接触面に図示しないシール部材を介在させて、軸受端面覆い部２６における潤滑剤劣化検出装置１の取付部での防水処理を図ることも先の実施形態の場合と同様である。

光ファイバ４の検出ギャップ部７の近傍部は、図６のように固定具１２を介して前記センサケース１０の前面に固定される。これにより、光ファイバ４の検出ギャップ部７が、モータハウジング２５の軸受端面覆い部２６と転がり軸受２１の端面との間の空間内に配置される。その他の構成は先の実施形態の場合と同様である。

なお、前記潤滑剤劣化検出装置１の構成において、図７のように、光ファイバ４を金属製パイプ１３に挿入することで、光ファイバ４の変形を防止するようにしても良い。このように金属製パイプ１３に光ファイバ４を挿入すると、潤滑剤５の流動による荷重などで光ファイバ４が変形するのを防止できるので、潤滑剤５のより正確な劣化検出が可能となる。

また、これらの実施形態では、潤滑剤劣化検出装置１として光学式のものを用いているので、潤滑剤の電気的特性を検出する従来の方式のものに比べて正確な劣化検出が可能となる。
なお、導光部材としては、光ファイバに限らず、透明の樹脂材やガラスブロック等を用いても良い。

この発明の一実施形態に係る潤滑剤劣化検出装置を搭載した軸受装置の断面図である。 同軸受装置における潤滑剤劣化検出装置が取付けられるモータハウジングの軸受端面覆い部の正面図である。 同潤滑剤劣化検出装置の概略構成図である。 この発明の他の実施形態に係る潤滑剤劣化検出装置を搭載した軸受装置の断面図である。 （Ａ）は同軸受装置における潤滑剤劣化検出装置が取付けられるモータハウジングの軸受端面覆い部の部分破断正面図、（Ｂ）は同軸受端面覆い部での潤滑剤劣化検出装置の取付状態を示す断面図である。 図５（Ｂ）の部分拡大断面図である。 潤滑剤劣化検出装置の他の構成例の概略図である。 潤滑剤劣化検出装置の提案例の概略構成図である。

符号の説明

１…潤滑剤劣化検出装置
２…発光素子
３…受光素子
４，４Ａ，４Ｂ…光ファイバ（導光部材）
５…潤滑剤
６…判定手段
７…検出ギャップ部
１０…センサケース
１１…センサ部材
２０…軸受装置
２１…転がり軸受
２５…モータハウジング
２６…軸受端面覆い部
２７…センサ取付孔

Claims (3)

1. 発光素子および受光素子と、中間に潤滑剤を介在させる検出ギャップ部を有し前記発光素子から受光素子へ光を導く導光部材と、前記受光素子の出力から前記検出ギャップ部内の潤滑剤に混入している異物の量を推定する判定手段と、前記発光素子、受光素子、および前記導光部材を取付けたセンサケースとを備えた潤滑剤劣化検出装置であって、
   軸受が取付けられたハウジングの前記軸受の端面を覆う軸受端面覆い部に前記センサケースを取付け、前記導光部材の前記検出ギャップ部を、前記ハウジングの前記軸受端面覆い部と前記軸受の端面との間の空間内に配置したことを特徴とする軸受の潤滑剤劣化検出装置。
2. 請求項１において、前記ハウジングの前記軸受端面覆い部に、内外に貫通したセンサ取付孔を設け、このセンサ取付孔に、前記軸受端面覆い部の外部から着脱可能に前記センサケースを取付けた軸受の潤滑剤劣化検出装置。
3. 請求項２において、前記センサ取付孔の内面と前記センサケースとの接触面にシール部材を介在させた軸受の潤滑剤劣化検出装置。
   

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