JP2008241556A - 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】 軸受に簡単かつコンパクトに搭載できて、軸受内部の潤滑剤劣化状態を安定的にかつ精度良く検出でき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を提供する。
【解決手段】 この潤滑剤劣化検出装置は、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の一部に潤滑剤を介在させる測定用ギャップ部７を設ける。光ファイバ４の前記測定用ギャップ部７を構成する両側のギャップ形成端部４ａ，４ａは、互いに同軸上からずらした位置とする。
【選択図】 図４

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７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部４７を設けた光学式の構成を考えた。
図７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部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、光ファイバ４４の光路に対して垂直に前記測定用ギャップ部４７が設けられているので、軸受内を転動体の回転に伴って保持器と共に移動する潤滑剤が測定用ギャップ部４７に潤入り込み難く、安定した精度の良い検出ができない。

この発明の目的は、軸受に簡単かつコンパクトに搭載できて、軸受内部の潤滑剤劣化状態を安定的にかつ精度良く検出でき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測定用ギャップ部を設けた潤滑剤劣化検出装置であって、前記光ファイバの前記測定用ギャップ部を構成する両側のギャップ形成端部を、互いに同軸上からずらした位置としたことを特徴とする。
この構成によると、例えば転がり軸受に搭載して軸受内部の潤滑剤の劣化検出を行う場合に、前記円弧状の光ファイバが軸受と同心となるように設置すると、軸受内部で軸受回転方向に移動する潤滑剤が光ファイバのギャップ形成端部に当たることで、測定用ギャップ部に潤滑剤が入り込み易くなる。そのため、測定用ギャップ部に入り込んだ潤滑剤の入れ替わりも円滑に行われる。このように、測定用ギャップ部において潤滑剤が順次入れ代わることから、常に潤滑に作用している潤滑剤を検出対象とすることになり、安定的にかつ精度良く潤滑剤の劣化検出を行うことができる。また、円弧状の光ファイバの両端に発光素子および受光素子を配置して主に構成されるため、軸受に簡単かつコンパクトに搭載することができる。

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、転がり軸受における固定輪と回転輪との間に前記測定用ギャップ部を位置させて前記転がり軸受に取付けたものである。
この場合、潤滑剤劣化検出装置における光ファイバの測定用ギャップ部を構成する両側のギャップ形成端部が、互いに同軸上からずらした位置とされているので、この潤滑剤劣化検出装置を転がり軸受と同心に取付けると、軸受内部で軸受回転方向に移動する潤滑剤が前記ギャップ形成端部に当たって測定用ギャップ部に潤滑剤が入り易くなる。そのため潤滑剤劣化検出装置による軸受内部の潤滑剤の劣化検出を安定的に精度良く行うことができる。
その結果、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測定用ギャップ部を設けた潤滑剤劣化検出装置であって、前記光ファイバの前記測定用ギャップ部を構成する両側のギャップ形成端部を、互いに同軸上からずらした位置としたため、軸受に簡単かつコンパクトに搭載できて、軸受内部の潤滑剤劣化状態を安定的にかつ精度良く検出できる。
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、転がり軸受における固定輪と回転輪との間に前記測定用ギャップ部を位置させて前記転がり軸受に取付けたため、光ファイバの測定用ギャップ部に安定的に潤滑剤が入ることになり、潤滑剤劣化検出装置による軸受内部の潤滑剤の劣化検出を安定的に精度良く行うことができる。その結果、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に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４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、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、前記受光素子３の出力により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の一端は前記発光素子２の発光面に、他端は前記受光素子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を介在させる測定用ギャップ部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を介在させる測定用ギャプ部７を設けることにより、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を介して受光素子３に入射される。

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。

光ファイバ４は、２つの固定具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の前記測定用ギャップ部７の近傍部を除く部分を覆って検出対象の潤滑剤５の流動による荷重から光ファイバ４を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、例えば合成樹脂材または金属材からなる。具体的には、円弧状カバー１２は、円弧状の光ファイバ４に対するその円弧中心軸方向の片側（図２（Ｂ）では右側）を少なくとも覆うものとされる。この潤滑剤劣化検出装置１を軸受内に設置する場合、円弧状カバー１２の表面側（図２（Ｂ）では右側面）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。

光ファイバ４を固定する１つの固定具１０は、カバー１２の裏面（図２（Ｂ）では左側面）下半部に接合される円弧状の部材であり、この固定具１０に光ファイバ４の両端が固定され、さらに発光素子２および受光素子３もこの固定具１０に固定される。光ファイバ４を固定するもう１つの固定具１１は、図１のＡ−Ａ矢視断面図を示す図２（Ａ）のように、他の固定具１０の前面側に固定され、この固定具１１に光ファイバ４の測定用ギャップ部７の近傍部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の両端を固定する固定具１０とは別の固定具１１で測定用ギャップ部７の近傍部を固定することにより、測定用ギャップ部７の位置決めを容易にすることができ、潤滑剤劣化検出装置１の組立も容易となる。なお、固定具１１は、他の固定具１０に固定するのではなく、円弧状カバー１２に直接固定しても良い。また、これら２つの固定具１０，１１を一体の部材としても良い。

光ファイバ４の測定用ギャップ部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、図１に正面図で示すように円周方向に延びるスリット状の開口１３が設けられ、これにより測定用ギャップ部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、固定具１１は、光ファイバ４の測定用ギャップ部７の近傍部を支持する部分が、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の測定用ギャップ部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、発光素子２および受光素子３を固定する固定具１０の表面側がカバー１２で覆われる。また、図２（Ｂ）のように、表面側のカバー１２と裏面側の固定具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の測定用ギャップ部７以外の部分が配置される。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および受光素子３が保護される。

円弧状カバー１２への固定具１０，１１の固定、あるいは固定具１０への他の固定具１１の固定は、ねじ、圧入、接着、溶接のいずれか１つ以上の結合処理により行われる。これにより、この潤滑剤劣化装置１の軸受への組込みを容易に行うことができる。

光ファイバ４の前記測定用ギャップ部７を構成する両側のギャップ形成端部４ａ，４ａは、図４に拡大正面図で示すように、互いに同軸上からずらした位置とされている。すなわち、ギャップ形成端部４ａ，４ａの軸心が互いにずれている。ここでは上下にずらした位置とされるが、例えば前後にずらした位置としても良い。ただし、そのそのずれ量は、一方のギャップ形成端部４ａから出射した光が他方のギャップ形成端部４ａに入射できる範囲に制限される。

上記構成の作用を説明する。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。とことが、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２および受光素子３を対向して設け、この光ファイバ４の一部に潤滑剤５を介在させる測定用ギャップ部７を設け、この光ファイバ４の測定用ギャップ部７を構成する量側のギャップ形成端部４ａ，４ａを、互いに同軸上からずらした位置としている。そのため、例えば転がり軸受に搭載して軸受内部の潤滑剤５の劣化検出を行う場合に、前記円弧状の光ファイバ４が軸受と同心となるように設置すると、軸受内部で軸受回転方向に移動する潤滑剤５が光ファイバ４の前記ギャップ形成端部４ａに当たることで、測定用ギャップ部７に潤滑剤５が入り込み易くなり、測定用ギャップ部７に入り込んだ潤滑剤５の入れ替わりも円滑に行われる。このように、測定用ギャップ部７において潤滑剤５が順次入れ代わることから、常に潤滑に作用している潤滑剤５を検出対象とすることになり、軸受に簡単かつコンパクトに搭載できて、安定的にかつ精度良く潤滑剤の劣化検出を行うことができる。

図５および図６は、上記実施形態の潤滑剤劣化検出装置１を、鉄道車両用軸受に組み込んでなる潤滑剤劣化検出装置付き軸受の一例を示す。この潤滑剤劣化検出装置付き軸受２０は、図５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に対して設けた回転輪である分割型の内輪２１，２１と、固定輪である一体型の外輪２２と、前記ころ２３，２３と、保持器２４とを備えたものである。
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。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。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の内部に潤滑剤である例えばグリースが封止され、かつ防塵・耐水性が確保される。

この場合、潤滑剤劣化検出装置１における回路部（判定手段６、発光回路８、受光回路９）を除くセンサ部（発光素子２、受光素子３、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６は、図５におけるシールユニット２７の設置部（Ａ部）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に遊嵌させることで、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が形成され、これによりシールケース２８の他端での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。このように潤滑剤劣化検出装置１を位置決め固定すると、光ファイバ４の測定用ギャップ部７が、内外輪２１，２２間の軸受空間の保持器２４よりも内径側でころ２３の大端面の付近に配置される。このように配置することにより、潤滑剤劣化検出装置１の円弧状カバー１２で軸受内の潤滑剤の流動性が損なわれるのを回避できる。

軸受内部の両列の転走面間に封入された潤滑剤５は、軸受内輪２１、ころ２３および保持器２４が回転することによって、軸受回転方向に移動しながら軸受シール３１，３１Ａ側へと押し出される。押し出された潤滑剤５は、軸受内輪２１の外周面、ころ２３の大端面および保持器２４の内外周面に沿って回転方向に移動する。潤滑剤劣化検出装置１の設置側である軸受シール３１側では、軸受シール３１側へ移動しなら軸受回転方向に移動する潤滑剤５が潤滑剤劣化検出装置１における光ファイバ４の測定用ギャップ部７に入り込むことで、潤滑剤劣化検出装置１により潤滑剤５の劣化状態が検出される。光ファイバ４の前記測定用ギャップ部７を構成する両側のギャップ形成端部４ａ，４ａは、互いに同軸上からずらした位置とされているので、軸受回転方向に移動する潤滑剤５が前記ギャップ形成端部４ａに当たって測定用ギャップ部７に潤滑剤５が入り易くなり、測定用ギャップ部７に入り込んだ潤滑剤５の入れ替わりも円滑に行われる。これにより、潤滑剤劣化検出装置１による軸受内部の潤滑剤５の劣化検出を安定的に精度良く行うことができる。

また、円弧状カバー１２をこのようにシールケース２８と同心状に配置して潤滑剤劣化検出装置１を取付けると、軸受２０内に潤滑剤劣化検出装置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における発光素子２と発光回路８、および受光素子３と受光回路９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の外部に引き出され、配線３５は発光回路８および受光回路９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や受光回路９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および受光回路９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。 光ファイバの測定用ギャップ部の近傍部の拡大平面図である。 この発明の潤滑剤劣化検出装置を搭載した潤滑剤劣化検出装置付き軸受の一構成例を示す断面図である。 同潤滑剤劣化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従来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…光ファイバ
４ａ…ギャップ形成端部
５…潤滑剤
７…測定用ギャップ部
２０…潤滑剤劣化検出装置付き軸受
２１…内輪（回転輪）
２２…外輪（固定輪）

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測定用ギャップ部を設けた潤滑剤劣化検出装置であって、
   前記光ファイバの前記測定用ギャップ部を構成する両側のギャップ形成端部を、互いに同軸上からずらした位置とし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、転がり軸受における固定輪と回転輪との間に前記測定用ギャップ部を位置させて前記転がり軸受に取付けた潤滑剤劣化検出装置付き軸受。
   

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