JP2010175501A - 回転軸のトルク測定装置 - Google Patents

回転軸のトルク測定装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 歪ゲージを使用した測定が困難な回転軸のトルク測定を十字軸継手を利用して簡単に行うことができる回転軸のトルク測定装置を提供する。
【解決手段】 回転軸のトルク測定装置は、十字軸7の軸部7aとベアリングカップ9との間の相対的な変位量を検出する変位センサ13と、変位センサ13の出力と回転軸のトルクとの比例関係を利用して変位センサ13の出力を回転軸のトルクに変換する処理手段24とを備えている。
【選択図】 図４

Description

この発明は、十字軸継手を備えた回転軸（圧延設備の駆動軸等）に作用するトルクを測定するための回転軸のトルク測定装置に関する。
従来、回転軸に作用するトルクは、回転軸に歪ゲージを貼り付けて、歪ゲージの出力を回転軸に取り付けた回転アンテナを経て固定アンテナに送り、この出力をトルクに変換することで求められていた（特許文献１）。
特開平６−６６６５３号公報
例えば、鉄鋼の圧延設備においては、圧延時に駆動軸に大きな負荷（トルク）が掛かり、各製品ごとに圧延条件を変更した際のトルクが分かれば、圧延条件の設定や圧延設備のメンテナンスに利用できることから、駆動軸のトルクを測定することが望まれている。
特許文献１のトルク測定装置を使用して、このような駆動軸に作用するトルクを測定するには、寸法の分かる実軸やパイプの上に歪ゲージを貼り付け、この出力を発信機で発信して、これを直近の位置に設けた受信機で受信することになるが、駆動スピンドルの角度やスプライン摺動によって発信機の位置が大きく変動することから、特許文献１のトルク測定装置では、測定ができないという問題があった。
この発明の目的は、歪ゲージを使用した測定が困難な回転軸のトルク測定を十字軸継手を利用して簡単に行うことができる回転軸のトルク測定装置を提供することにある。
この発明による回転軸のトルク測定装置は、十字軸の４つの各軸部にベアリングカップが揺動可能に装着され、前記４つの各軸部と前記ベアリングカップとの間に複数の転動体が転動可能に配置された十字軸継手を備えた回転軸のトルクを測定する装置であって、前記十字軸の軸部と前記ベアリングカップとの間の相対的な変位量を検出する変位センサと、変位センサの出力と回転軸のトルクとの相関関係を利用して変位センサの出力を回転軸のトルクに変換する処理手段とを備えていることを特徴とするものである。
十字軸継手は、例えば軸受鋼により形成され、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十字軸と、十字軸の４つの各軸部に揺動可能に装着されたベアリングカップと、各軸部とベアリングカップとの間に転動可能に配置された複数の転動体（ころ）とを有しており、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。十字軸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。
従来、回転軸のトルクを測定するには回転軸に歪ゲージを貼り付けてこの出力を処理することが必要であり、十字軸の軸部とベアリングカップとの間の相対的な変位は、回転軸に作用するトルクとは、相関がないものと考えられていた。本発明者は、十字軸の軸部とベアリングカップとの相対変位がころの変位（弾性変位）を反映していることと、ころ弾性変位と回転トルクとが相関関係（比例）にあるので、十字軸の軸部とベアリングカップとの相対変位も回転トルクと相関関係（比例）にあることとに着目し、この発明に至ったものである。
変位センサおよびこの出力を取り出すための構成は、ワイヤレスセンサユニットとしてベアリングカップに内蔵することができ、ワイヤレスセンサユニットは、変位センサのほか、ベアリングカップに設けられたケース挿入孔に着脱自在に挿入されるケースと、プリアンプおよび電源回路などが内蔵されたセンサ基板と、回転軸側の送受信手段としてのワイヤレス通信機と、電池とを有しているものとされる。
ころは、例えば、軸受鋼により形成され、ベアリングカップの内周面を外輪軌道、十字軸の軸部の外周面を内輪軌道として転動し、径方向の変位（弾性変位）が十字軸の軸部とベアリングカップとの間の相対的な変位に反映される。したがって、十字軸の軸部とベアリングカップとの相対変位を変位センサによって検出し、この相対変位量と回転トルクとの相関関係（比例）を利用することで、回転軸に作用するトルクが求められる。
変位センサとしては、例えば渦電流式のものが適しているが、十字軸の軸部とベアリングカップとの間の相対的な変位を測定できるものであれば、静電容量式、光学式、超音波式、接触式などでもよく、その形式は限定されない。
処理手段は、ワイヤレスセンサユニットのセンサ基板に設けられてもよく、回転軸を監視するパネルコンピュータに設けられてもよく、パネルコンピュータに接続されたパソコンに設けられてもよい。
この発明の回転軸のトルク測定装置によると、十字軸の軸部とベアリングカップとの間の相対的な変位量を検出する変位センサと、変位センサの出力と回転軸のトルクとの比例関係を利用して変位センサの出力を回転軸のトルクに変換する処理手段とを備えているので、回転軸への歪ゲージの貼り付けや通信機の設置が困難である場合においても、回転軸のトルクを簡単に測定することができる。
図１は、この発明による回転軸のトルク測定装置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、この発明による回転軸のトルク測定装置の構成要素であるセンサ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、この発明による回転軸のトルク測定装置のハードウエア構成を示すブロック図である。 図４は、この発明による回転軸のトルク測定装置を示すブロック図である。
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、この発明による回転軸のトルク測定装置が適用される１例としての圧延設備の駆動軸(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)を有している十字軸(7)と、十字軸(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、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)（図２参照）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。十字軸(7)とベアリングカップ(9)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。
駆動軸(1)のメンテナンスや圧延条件の設定のため、圧延時に駆動軸(1)に作用するトルクを測定することが望まれており、このトルクを測定するため、少なくとも１つのベアリングカップ(9)に、図２に詳細構造を示すワイヤレスセンサユニット(11)が内蔵されるとともに、図３に示すように、ワイヤレスセンサユニット(11)とパネルコンピュータ(19)とが無線で接続されている。
図２に示すように、ベアリングカップ(9)には、十字軸(7)の軸部(7a)を収納する十字軸軸部収納空間(9b)が設けられている。複数のころ(10)は、十字軸(7)の軸部(7a)の外周に接触して転がるように同空間(9b)内に配置されており、ベアリングカップ(9)の内周面を外輪軌道、十字軸(7)の軸部(7a)の外周面を内輪軌道として転動する。ベアリングカップ(9)には、さらに、十字軸軸部収納空間(9b)に通じるケース挿入孔(9c)が駆動軸(1)の径方向外方に開口するように設けられている。このケース挿入孔(9c)は、十字軸(7)およびベアリングカップ(9)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が転用されたものである。
ワイヤレスセンサユニット(11)は、ベアリングカップ(9)に設けられたケース挿入孔(9c)に着脱可能に挿入された有底円筒状ケース(12)と、ケース(12)に支持されて十字軸(7)の軸部(7a)とベアリングカップ(9)との間の相対的な変位を検出する変位センサ(13)と、変位センサ(13)に接続されてケース(12)内周の径方向内側部分に配置されたセンサ基板(14)と、センサ基板(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、ワイヤレス通信機(15)を支持する有底円筒状の通信機支持部材(16)と、センサ基板(14)およびワイヤレス通信機(15)に電力を供給する電池(17)と、通信機支持部材(16)の開口を閉鎖する樹脂製シール部材(18)とを有している。
十字軸(7)の各軸部(7a)には、ケース挿入孔(9c)と同心の軸孔(7b)が形成されており、十字軸継手(4)の内部で互いに連結されている。ケース(12)は、その径方向内側部分が軸孔(7b)内に挿入されており、変位センサ(13)は、軸孔(7b)の内壁面を臨むようにケース(12)に取り付けられている。これにより、変位センサ(13)は、軸孔(7b)の内壁面との距離を測定することで、十字軸(7)の軸部(7a)とベアリングカップ(9)との間の相対的な変位を検出している。
センサ基板(14)は、変位センサ(13)からの検出信号をＡ／Ｄ変換してセンサ検出信号を生成するプリアンプと、電池(17)からの直流を各部に適宜分配供給する電源回路とを備えている。
ワイヤレス通信機(15)は、送受信回路および送受信回路などで使用されるプログラム等のデータを保持するメモリを備えたワイヤレス基板(15a)と、ワイヤレス基板(15a)に立設されたアンテナ(15b)とを有し、電池(17)等が電波障害物とならないように、ケース(12)の開口に近い位置に配置されている。
図３に示すように、ワイヤレスセンサユニット(11)は、変位センサ(13)からの出力をワイヤレス通信機(15)を介して圧延設備現場に設けられているパネルコンピュータ(19)のワイヤレス通信機(21)に送信する。パネルコンピュータ(19)には、圧延設備から離れた監視室内などに設置されたパソコン(20)が接続されている。
駆動軸(1)が回転すると、十字軸(7)とベアリングカップ(9)とは、ころ(10)を介して力を及ぼし合い、ころ(10)が径方向に変位して、このころ(10)の変位が十字軸(7)の軸部(7a)とベアリングカップ(9)との間の相対的な変位に反映される。変位センサ(13)は、軸孔(7b)の内壁面との距離を測定することで、この軸部(7a)とベアリングカップ(9)との間の相対的な変位を検出して、検出結果がパネルコンピュータ(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、変位センサ(13)の出力を容易に取り出すことができる。
図４に、この発明の回転軸のトルク測定装置のブロック図を示している。
同図において、回転軸のトルク測定装置は、上記ワイヤレスセンサユニット(11)と、ワイヤレスセンサユニット(11)とワイヤレス通信機(21)を介して接続されている制御装置(22)とからなる。
制御装置(22)は、パネルコンピュータ(19)に設けられた通信制御手段(23)と、パソコン(20)に設けられた処理手段(24)および記憶手段(25)とを備えている。
駆動軸(1)（十字軸継手(4)を備えた回転軸(2)(3)）のトルク波形と変位センサ(13)で検出される波形（変位センサ(13)と軸孔(7b)の内壁面との距離＝十字軸(7)の軸部(7a)とベアリングカップ(9)との相対変位の変位波形）とは、同図のＡに示すように比例関係にあることが確認されている。
制御装置(22)の通信制御手段(23)からワイヤレス通信機(21)を介してワイヤレスセンサユニット(11)に変位測定の指令を送ると、ワイヤレスセンサユニット(11)は変位測定モードとなり、変位センサ(13)で検出された十字軸(7)の軸部(7a)とベアリングカップ(9)との間の相対的な変位がセンサ基板(14)に入力され、これがワイヤレス通信機(15)(21)を介して制御装置(22)に送信される。制御装置(22)の記憶手段(25)には、駆動軸(1)のトルク波形と十字軸(7)の軸部(7a)とベアリングカップ(9)との相対変位の変位波形との相関関係が蓄えられており、処理手段(24)では、この関係に基づいて、変位センサ(13)の出力が駆動軸(1)のトルクに変換される。
こうして、この回転軸のトルク測定装置によると、歪ゲージを使用してのトルク測定が困難な駆動軸(1)のトルクを測定することができる。上記ワイヤレスセンサユニット(11)は、既存の駆動軸(1)に着脱自在に取り付けることができ、これにより、既存の駆動軸(1)のトルク測定を容易に行うことができる。このトルク測定装置は、鉄道車両に組み付けられる駆動軸のトルク測定にも利用することができる。
なお、上記のトルク測定装置は、公知の駆動軸損傷診断装置と類似構成とされており、このトルク測定装置を用いて駆動軸損傷診断を行うことができる。すなわち、変位センサ(13)の出力から処理手段(24)においてトルクを得るとともに、変位センサ(13)の現在の出力波形が正常時の波形からどれだけ変化しているかを追加で検出することで、十字軸(7)の軌道面の剥離状態を検知することができ、例えば、ＦＦＴ、逆ＦＦＴなどの周波数解析手段を上記のトルク測定装置の制御装置(22)に付加することにより、十字軸継手(4)の損傷（剥離）を検知することができる。
(2)(3) 回転軸
(4) 十字軸継手
(7) 十字軸
(7a) 軸部
(9) ベアリングカップ
(10) ころ（転動体）
(13) 変位センサ
(24) 処理手段

Claims (1)

  1. 十字軸の４つの各軸部にベアリングカップが揺動可能に装着され、前記４つの各軸部と前記ベアリングカップとの間に複数の転動体が転動可能に配置された十字軸継手を備えた回転軸のトルクを測定する装置であって、前記十字軸の軸部と前記ベアリングカップとの間の相対的な変位量を検出する変位センサと、変位センサの出力と回転軸のトルクとの相関関係を利用して変位センサの出力を回転軸のトルクに変換する処理手段とを備えていることを特徴とする回転軸のトルク測定装置。
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