JP2008139187A - 潤滑剤劣化検出装置および検出装置付き軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 温度や素子の劣化に影響されずに精度の良い劣化検出が可能な潤滑剤劣化検出装置、およびその潤滑剤劣化検出装置を備えた検出装置付き軸受を提供する。
【解決手段】 この潤滑剤劣化検出装置１では、円弧状の光ファイバ４の両端にそれぞれ発光素子および受光素子を対向して設け、この円弧状の光ファイバ４の一部に潤滑剤５を介在させるギャップ部７を設ける。前記発光素子および受光素子である劣化検出用の発光素子２および受光素子３とは別に、基準用の発光素子２Ａおよび受光素子３Ａを、この基準用の発光素子２Ａから投光された光が基準用の受光素子３Ａに入射するように設ける。さらに、前記基準用の受光素子３Ａの出力を基準として、前記劣化検出用の受光素子３の出力を評価して潤滑剤５の劣化を検出する判定手段６を設ける。
【選択図】 図１

Description

この発明は、潤滑剤の混入物などによる劣化状態を検出する潤滑剤劣化検出装置、およびその潤滑剤劣化検出装置を備えた検出装置付き軸受、例えば鉄道車両用、自動車用、風車設備用、工場設備用等の潤滑剤劣化検出装置付き軸受に関する。

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６のように、両端にそれぞれ発光素子４２および受光素子４３を対向させる一つ割りのリング状の光ファイバ４４を設け、このリング状の光ファイバ４４の円周方向の一部に、潤滑剤４５を介在させる測定用ギャップ４７を設けた光学式の構成を考えた。
図６の構成では、発光素子４２から出射された光が光ファイバ４４を経由して測定用ギャップ４７に存在する潤滑剤４５を透過し、さらに光ファイバ４４を経由して受光素子４３で検出され、受光素子４３で検出される透過光量から潤滑剤４５に混入する鉄粉等の異物の量が推定される。

しかし、このような光学式のセンサを軸受内に組み込んで、軸受内部に封入された潤滑剤の劣化検出に用いる場合、発光素子４２および受光素子４３の温度特性による測定誤差や、発光素子４２の劣化による光量の減少などにより、精度の良い検出ができない。

この発明の目的は、温度や素子の劣化に影響されずに精度の良い劣化検出が可能な潤滑剤劣化検出装置、およびその潤滑剤劣化検出装置を備えた検出装置付き軸受を提供することである。

この発明の潤滑剤劣化検出装置は、円弧状の光ファイバの両端にそれぞれ発光素子および受光素子を対向して設け、この円弧状の光ファイバの一部に潤滑剤を介在させるギャップ部を設けた潤滑剤劣化検出装置において、前記発光素子および受光素子である劣化検出用の発光素子および受光素子とは別に、基準用の発光素子および受光素子を、この基準用の発光素子から投光された光が基準用の受光素子に入射するように設け、前記基準用の受光素子の出力を基準として、前記劣化検出用の受光素子の出力を評価して潤滑剤の劣化を検出する判定手段を設けたことを特徴とする。
判定手段は、基本動作として潤滑剤からの透過光の強度に対応する劣化検出用の受光素子３の出力から、潤滑剤に混入している異物の量を検出する。ところが、この場合の測定値には、劣化検出用の発光素子および受光素子の温度特性による誤差が生じる。また、劣化検出用の発光素子が劣化すると、潤滑剤の劣化状態が同じであっても劣化検出用の受光素子の受光量は減少することになる。このような測定誤差を補償するため、判定手段は、基準用の受光素子が検出する光量を基準として、潤滑剤の透過光を検出する劣化検出用の受光素子の受光量を評価する。これにより、判定手段は、温度や素子の劣化による測定誤差をキャンセルすることができ、精度の良い劣化検出が可能となる。

この発明の潤滑剤劣化検出装置付き軸受は、この発明の上記構成の潤滑剤劣化検出装置を軸受に搭載したものである。
この構成によると、軸受内に封入された潤滑剤の劣化状態を、リアルタイムで正解に検出することができる。これにより、軸受に動作異常が発生する前に潤滑剤の交換の必要性を判断でき、軸受に潤滑不良による破損を防ぐことができる。また、潤滑剤交換の必要性を潤滑剤劣化検出装置の出力によって判断できるため、使用期限前に廃棄される潤滑剤の量が減少する。

この発明の潤滑剤劣化検出装置は、円弧状の光ファイバの両端にそれぞれ発光素子および受光素子を対向して設け、この円弧状の光ファイバの一部に潤滑剤を介在させるギャップ部を設けた潤滑剤劣化検出装置において、前記発光素子および受光素子である劣化検出用の発光素子および受光素子とは別に、基準用の発光素子および受光素子を、この基準用の発光素子から投光された光が基準用の受光素子に入射するように設け、前記基準用の受光素子の出力を基準として、前記劣化検出用の受光素子の出力を評価して潤滑剤の劣化を検出する判定手段を設けたため、温度や素子の劣化に影響されずに精度の良い劣化検出が可能となる。
この発明の潤滑剤劣化検出装置付き軸受は、この発明の潤滑剤劣化検出装置を軸受に搭載したため、軸受内に封入された潤滑剤の劣化検出を、リアルタイムで正確に行うことができる。これにより、軸受に動作異常が発生する前に潤滑剤の交換の必要性を判断でき、軸受の潤滑不良による破損を防ぐことができる。また、潤滑剤交換の必要性を潤滑剤劣化検出装置の出力によって判断できるため、使用期限前に廃棄される潤滑剤の量が減少する。

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は、この実施形態の潤滑剤劣化検出装置の概略構成図を示す。この潤滑剤劣化検出装置１は軸受に搭載されて軸受内部に封入された潤滑剤の劣化検出を行うものであり、劣化検出用の発光素子２および受光素子３と、円弧状の光ファイバ４と、前記劣化検出用の発光素子２および受光素子３とは別の基準用の発光素子２Ａおよび受光素子３Ａと、前記劣化検出用および基準用の各受光素子３，３Ａの出力に基づき潤滑剤の劣化を判定する判定手段６とを備える。前記光ファイバ４の一端は前記劣化検出用の発光素子２の発光面に、他端は前記劣化検出用の受光素子３の受光面にそれぞれ対向して配置される。また、光ファイバ４の円周方向の一部には、潤滑剤５を介在させるギャップ部７が設けられている。
このように円弧状の光ファイバ４の円周方向の一部に、検出対象の潤滑剤５を介在させるギャップ部７を設けることにより、劣化検出用の発光素子２から出射された光が光ファイバ４を介して潤滑剤５を透過し、その透過光がさらに光ファイバ４を介して劣化検出用の受光素子３に入射される。
一方、基準用の発光素子２Ａおよび受光素子３Ａは、それらの発光面と受光面が互いに近接して対向し、発光素子２Ａから出射された光が受光素子３Ａに入射されるように、劣化検出用の発光素子２および受光素子３の設置位置に近い別の位置に配置される。

前記発光素子２，２Ａとしては、ＬＥＤ、ＥＬ、有機ＥＬなどを用いることができ、それぞれ発光回路８，８Ａによって駆動される。前記受光素子３，３Ａ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、それらの出力を受ける受光回路９，９Ａによって各受光素子３，３Ａの受光量が個別に検出される。

前記判定手段６は、劣化検出用の受光素子３の出力を受光回路９を介して入力すると共に、基準用の受光素子３Ａの出力を別の受光回路９Ａを介して入力し、基準用の受光素子３Ａの出力を基準として、劣化検出用の受光素子３Ａの出力を評価して潤滑剤５の劣化を検出する。

光ファイバ４は、２つの光ファイバ固定部材１０，１１を介して光ファイバ４と略同径の円弧状カバー１２に取付けられている。円弧状カバー１２は光ファイバ４を検出対象の潤滑剤５の流動による荷重から保護するための部材であり、図１のＢ−Ｂ矢視断面図を示す図２（Ｂ）のように、断面概形がＳ字状の剛性材料、例えば合成樹脂または金属材料からなる。この潤滑剤劣化検出装置１を軸受内に設置する場合、前記円弧状カバー１２の表面側が軸受内に封入される潤滑剤に晒されるように配置される。

１つの光ファイバ固定部材１０は、カバー１２の裏面下半部に接合される円弧状の部材であり、この光ファイバ固定部材１０に光ファイバ４の両端が固定され、さらに劣化検出用の発光素子２および受光素子３もこの光ファイバ固定部材１０に固定される。もう１つの光ファイバ固定部材１１は、図１のＡ−Ａ矢視断面図を示す図２（Ａ）のように、他の光ファイバ固定部材１０の前面側に固定され、この光ファイバ固定部材１１に光ファイバ４のギャップ部７の近傍部位が固定されて位置決めされている。このように、光ファイバ４の両端を固定する光ファイバ固定部材１０とは別の光ファイバ固定部材１１でギャップ部７の近傍部位を固定することにより、ギャップ部７の位置決めを容易にすることができる。

基準用の発光素子２Ａおよび受光素子３Ａは、さらに別の固定部材１０Ａを介して前記カバー１２に取付けられている。この固定部材１０Ａも、光ファイバ固定部材１０と同様にカバー１２の裏面下半部に接合される。

光ファイバ４のギャップ部７に対応する位置である円弧状カバー１２の円周方向中間部には開口１３が設けられ、これによりギャップ部７が軸受内部の潤滑剤５に晒される。図３に平面図で示すように、光ファイバ固定部材１１は、光ファイバ４のギャップ部７の近傍部位を支持する部分が、円弧状カバー１２の開口１３からカバー１２の表面側に向けて二股状に突出した突出部１１ａとされている。これにより、光ファイバ４のギャップ部７の近傍部が、円弧状カバー１２からカバー外に突出させられる。

上記構成により、光ファイバ４の両端、劣化検出用の発光素子２および受光素子３が固定される光ファイバ固定部材１０と、基準用の発光素子２Ａおよび受光素子３Ａが固定される固定部材１０Ａとがカバー１２で覆われる。また、図２（Ｂ）のように、表面側のカバー１２と裏面側の光ファイバ固定部材１０とで挟まれて形成される円弧状空間１４内に光ファイバ４のギャップ部７以外の部位が配置される。これにより、潤滑剤５の流動による荷重から光ファイバ４、発光素子２，２Ａおよび受光素子３，３Ａが保護される。

潤滑剤５が新品のときには透明に近い状態にあり、劣化検出用の発光素子２から光ファイバ４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、基本動作として潤滑剤５からの透過光の強度に対応する劣化検出用の受光素子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。ところが、この場合の測定値には、劣化検出用の発光素子２および受光素子剤５の温度特性による誤差が生じる。また、劣化検出用の発光素子２が劣化すると、潤滑剤５の劣化状態が同じであっても劣化検出用の受光素子３の受光量は減少することになる。このような測定誤差を補償するため、判定手段６は、劣化検出用の発光素子２および受光素子３と同等の環境下に配置された基準用の発光素子２Ａおよび受光素子３Ａから得られるモニタ光量を基準として、つまり受光素子３Ａが検出する光量を基準として、潤滑剤５の透過光を検出する劣化検出用の受光素子３の受光量を評価する。これにより、判定手段６は、温度や素子の劣化による測定誤差をキャンセルすることができ、精度の良い劣化検出が可能となる。

図４および図５は、上記実施形態の潤滑剤劣化検出装置１を、鉄道車両用軸受に込み込んでなる検出装置付き軸受の一例を示す。この検出装置付き軸受２０は、図４に示すように、内輪２１の両側に各々接して設けられた付属品である油切り２５および後ろ蓋２６とで鉄道車両用軸受ユニットを構成する。軸受２０は、ころ軸受、詳しくは複列の円すいころ軸受からなり、各列のころ２３，２３に対して設けた分割型の内輪２１，２１と、一体型の外輪２２と、前記ころ２３，２３と、保持器２４とを備える。
油切り２５は、車軸３０に取付けられて外周に軸受シール３１を摺接させたものである。後ろ蓋２６は、車軸３０に軸受２０よりも中央側で取付けられて、外周に軸受シール３１Ａを摺接させたものである。これら軸受２０の両端部に配置される両軸受シール３１，３１Ａにより軸受２０の内部に潤滑剤が封止され、かつ防塵・耐水性が確保される。

この場合、潤滑剤劣化装置１における回路部（判定手段６、発光回路８，８Ａ、受光回路９，９Ａ）を除くセンサ部（発光素子２，２Ａ、受光素子３，３Ａ、光ファイバ４、円弧状カバー１２など）は、前記軸受シール３１を有するシールユニット２７内に組み込んで一体化されている。図５はシールユニット２７の拡大断面図を示す。
この場合のシールユニット２７は、軸受外輪２２の端部に取付けられる環状のシールケース２８と、このシールケース２８の内径面に圧入嵌合されるリング部材２９と、このリング部材２９の内周面に圧入嵌合される軸受シール３１とでなる。シールケース２８は、軸受シール３１を覆う環状の部材であって、軸方向に複数の段部が階段状に並ぶ断面形状とされ、その一端部を固定輪となる軸受外輪２２の内径面に圧入嵌合させることで軸受外輪２２に取付けられる。さらに、シールケース２８の他端の小径段部は、油切り２５のフランジ部２５ａの内向き幅面に形成されたリング状の溝３８に遊嵌させ、この溝３８とシールケース２８の小径段部との間にラビリンス隙間を形成することで、密封が図られている。
このシールケース２８の中間段部の内径面に、断面Ｌ字状の前記リング部材２９がその円筒部２９ａを圧入嵌合させて取付けられている。リング部材２９の内径側に延びる立板部２９ｂは、前記油切り２５の外径面に対して所定のラビリンス隙間を形成するように配置されている。軸受シール３１は、断面Ｌ字状の環状芯金３２と、この環状芯金３２の立板部に固定される弾性部材３３とでなり、環状芯金３２の円筒部を前記リング部材２９の円筒部２９ａの内周面に圧入嵌合させることにより、リング部材２９を介してシールケース２８に固定される。前記弾性部材３３には、油切り２５の外径面に摺接するラジアルリップが形成されている。

前記シールユニット２７に対して、潤滑剤劣化検出装置１が同心に取付けられる。具体的には、シールケース２８における大径段部の内径面に潤滑剤劣化検出装置１の円弧状カバー１２が嵌め込まれ、続いて圧入される圧入リング３４により、シールケース２８の大径段部端面とリング部材２９の立板部２９ｂにわたって潤滑剤劣化検出装置１が押し当てられることで軸方向に位置決め固定される。このように、円弧状カバー１２をシールケース２８と同心状に配置して潤滑剤劣化装置１を取付けることにより、軸受２０内に潤滑剤劣化装置１を容易に位置決めでき、組立も容易となる。なお、この場合の潤滑剤劣化検出装置１の取付けは、前記圧入に限らず、ねじや接着などのいずれかの結合処理を１つ以上採用して行っても良い。

潤滑剤劣化検出装置１の発光素子２，２Ａと発光回路８，８Ａ、および受光素子３，３Ａと受光回路９，９Ａをそれぞれ繋ぐ配線３５は、潤滑剤劣化検出装置１の内部からシールケース２８に設けられた孔３６を貫通して、軸受２０の外部に設置される発光回路８，８Ａおよび受光回路９，９Ａに接続される。シールケース２８の前記孔３６は内側から潤滑剤劣化検出装置１の円弧状カバー１２で覆われ、さらに弾性体３７でシールすることによって、防水処理が施される。
もう一方の軸受シール３１Ａもシールユニット２７Ａにより軸受外輪２２に取付けられる。このシールユニット２７Ａは、潤滑剤劣化検出装置１を取付けていないほかは、前記シールユニット２７と同じ構造とされている。

なお、発光回路８，８Ａや受光回路９，９Ａは軸受２０の内部に設置しても良い。軸受２０の外部に回路を設置するスペースがない場合には、潤滑剤劣化検出装置１の円弧状カバー１２を円周方向に延ばして、そのカバー１２上に発光回路８，８Ａおよび受光回路９，９Ａを配置することで、軸受２０内にこれらの回路を容易に設置できる。

この検出装置付き軸受２０によると、軸受内に封入された潤滑剤の劣化状態を、リアルタイムで正確に検出することができる。これにより、軸受２０に動作異常が発生する前に潤滑剤の交換の必要性を判断でき、軸受２０に潤滑不良による破損を防ぐことができる。また、潤滑剤交換の必要性を潤滑剤劣化検出装置１の出力によって判断できるため、使用期限前に廃棄される潤滑剤の量が減少する。

この発明の一実施形態に係る潤滑剤劣化検出装置の概略構成図である。 （Ａ）は図１におけるＡ−Ａ矢視断面図、（Ｂ）は図１におけるＢ−Ｂ矢視断面図、（Ｃ）は図１における矢印Ｃ方向から見た側面図である。 潤滑剤劣化検出装置の部分平面図である。 図１の潤滑剤劣化検出装置を搭載した検出装置付き軸受の一構成例を示す断面図である。 同検出装置付き軸受のシールユニットの部分の拡大断面図である。 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
２，２Ａ…発光素子
３，３Ａ…受光素子
４…光ファイバ
５…潤滑剤
７…ギャップ部
２０…検出装置付き軸受

Claims (2)

1. 円弧状の光ファイバの両端にそれぞれ発光素子および受光素子を対向して設け、この円弧状の光ファイバの一部に潤滑剤を介在させるギャップ部を設けた潤滑剤劣化検出装置において、
   前記発光素子および受光素子である劣化検出用の発光素子および受光素子とは別に、基準用の発光素子および受光素子を、この基準用の発光素子から投光された光が基準用の受光素子に入射するように設け、前記基準用の受光素子の出力を基準として、前記劣化検出用の受光素子の出力を評価して潤滑剤の劣化を検出する判定手段を設けたことを特徴とする潤滑剤劣化検出装置。
2. 請求項１に記載の潤滑剤劣化検出装置を軸受に搭載した潤滑剤劣化検出装置付き軸受。
   

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