JP2013513091A - ファイバー・ブラッグ・グレーティングを用いたベアリングモニタリング - Google Patents

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Abstract

軸受は、軸受けの１つまたは複数のパラメータを測定するブラッグ・グレーティング光ファイバーを備える。光ファイバーは、ブラッグ回折格子を備える光ファイバーの少なくとも一部が湾曲するように、軸受けに連結される。湾曲した回折格子は、周波数応答が明確に定義され、広がらないように湾曲に適合される。これは、ファイバーが湾曲しても、湾曲に影響を受けずに回折格子が実質的に平行に現れるように回折格子を配置することにより達成される。

Description

本発明は、特に荷重検出と組み合わせた、軸受けの状態監視に関する。
軸受けは、回転機械において非常に重要な構成要素である。軸受けが故障すると、通常機械の完全な機能性もまた失われる。いくつかの運用において、故障した軸受けの定期整備以外での交換は、非常に難しい、またはきわめて高価である。このような運用は、深い海中での運用、クルーズ船または他の連続的な製造ラインの可能性がある。故障する前にいつ軸受けの交換が必要となるかを予測するために、および従来の定期的な方法に適するために、状態監視が行われる。機械および軸受けは、物理的にアクセスが容易な場所にある場合、軸受けの状態は、例えば振動測定によって評価することができる。深い海での運用などアクセスが可能でない装置は、いつ整備が必要なのかを評価できるように軸受けの状態を評価するための他の手段が必要である。遠隔で軸受けの状態を評価する多くの方法があるが、なおも改善の余地がある。
本発明の目的は、軸受けの状態および荷重を監視するための方法および手段を規定することである。軸受けが受ける荷重は、軸受けの寿命に影響を及ぼす。
本発明の別の目的は、軸受けにおいて電力を使わずに、状態を監視し、かつ軸受けの荷重を測定するための装置を規定することである。
本発明のさらなる目的は、光ファイバーの歪みを測定することにより状態の監視および軸受け荷重の測定に適したブラッグ・グレーティング光ファイバーを規定することである。
前述の目的は、軸受けの状態および軸受け荷重を検出するブラッグ・グレーティング光ファイバーを使用する本発明により達成され、軸受けは、軸受けの荷重変化および振動の両方のファイバーの感度を増すために溝を備える。
前述の目的は、軸受けが複数のグレーティング部分を有するブラッグ・グレーティング光ファイバーを備える本発明によってさらに達成され、物理的に隣接する回折格子部分（grated areas）は、周波数平面内において離間している。適当に隣接する周波数帯は、軸受けの反対側の回折格子部分に対応する。
前述の目的は、また軸受けの円形の外周に取り付けるためのブラッグ・グレーティング光ファイバーによる本発明により達成され、回折格子は、光ファイバーが軸受けに取り付けられた場合に平行となるように作られる。
前述の目的はまた、軸受けの１つまたは複数のパラメータを測定するためのブラッグ・グレーティング光ファイバーを備える本発明による軸受けにより達成される。ブラッグ・グレーティング光ファイバーは、光ファイバーの少なくとも１つの回折格子が湾曲するように軸受けに取り付けられる。本発明によるブラッグ・グレーティング光ファイバーの回折格子は、湾曲による周波数応答への影響が最小になるように湾曲に適合される。
好ましくは、光ファイバーグレーティングが湾曲する場合に、グレーティングの回折格子が、実質的に平行になる。回折格子は、光ファイバーが軸受けに取り付けられる前に形成されることができる。そして回折格子は、光ファイバーの予期される湾曲が行われる場合に回折格子が実質的に平行となるように形成される。回折格子はまた、光ファイバーが軸受けに取り付けられる際に形成されることができる。そして回折格子は、光ファイバーが取り付けられた場合に実質的に平行になるように形成される。いくつかの実施形態において、光ファイバーは、非円形断面の平らな面を少なくとも１つ有する。これにより光ファイバーの向きを規定することができ、それにより所定の向きで軸受けにファイバーを取り付けることができる。
前述の目的はまた、軸受けの１つまたは複数のパラメータを測定するブラッグ・グレーティング光ファイバーを備える本発明による軸受けによって達成される。光ファイバーは、ブラッグ回折格子を備える光ファイバーの少なくとも一部が湾曲するように、軸受けに連結される。湾曲した回折格子は、周波数応答が明確に定義され、広がらないように湾曲に適合される。これは、ファイバーが湾曲しても、湾曲に影響を受けずに回折格子が実質的に平行に現れるように回折格子を配置することにより達成される。
光学的手段により歪みを検出する方法および装置を提供することから、光学的手段によって歪みデータを送信することにより軸受けから数キロ離れたところから状態監視および荷重測定を行うことが可能となる。したがって、任意の電力を軸受けに提供する必要がない。海面から数キロの深海ポンプの軸受け監視などの運用は、軸受けの局所で電力が不要な信頼性の高い方法で実現される。
本発明の他の利点は、下記の詳細な説明から明らかになるだろう。
本発明は、説明的な、かつ非限定的な以下の図を参照してより詳細に説明される。
本発明の典型的な実施方法の、ハウジング内の軸受けの側面図を示す。 本発明による１つの実施形態による軸受けの一部の断面図を示す。 本発明による他の実施形態による軸受けの一部の断面図を示す。 測定溝への光ファイバーのアクセスを示した本発明による軸受けの上面図を示す。 本発明による軸受け周囲のセンサ分布の例を示した本発明による軸受けの側断面図を示す。 図５Ａのセンサ配置によるセンサの周波数分布を示す。 ブラッグ・グレーティングを有する従来の光ファイバーを示す。 図６Ａの光ファイバーの周波数応答を示す。 円形軸受けの周囲などに湾曲したブラッグ・グレーティングを有する従来の光ファイバーを示す。 図７Ａの湾曲した光ファイバーの周波数応答を示す。 本発明によるブラッグ・グレーティングを有する湾曲した光ファイバーを示す。 図８Ａの本発明による光ファイバーの周波数応答を示す。
本発明を明確にするために、いくつかの使用例を図１〜図８Ｂに関連して説明する。
図１は、ハウジング１２０に取り付けられた軸受け１１０の側面図を示す。軸受け１１０は、非回転外輪１１２と、回転内輪１１４と、その間の転動体１１６と、を備える。これは、本発明の典型的な実施例である。本発明による光学的歪み計、通常ブラッグ・グレーティング光ファイバー歪み検出装置は、非回転外輪１１２の溝に配置される。溝は、光ファイバーを収容するために十分な大きさでなければならず、そうでなければ、軸受けがハウジング１２０に適合しない。溝はまた十分な大きさでなければならず、かつ歪みセンサの感度が増すように配置されなければならない。これは、軸受けに対する同じ力に対して、より大きい歪みが歪みセンサに加わるように軸受けが変形するよう外輪１１２を弱体化させることによる。溝が大きすぎる場合、軸受けは規定の能力を維持することが不可能になるため、溝は同時に軸受けの完全性が保てるように十分小さくなければならない。したがってこれら２つの条件を満たす妥協点があり、これにはまた溝の巧妙な配置が役立つ。
図２は、本発明の１つの実施形態による軸受けの一部の断面図を示す。軸受けは、２つの外輪２１２，２１３を備える２列ＳＲＢであり、各外輪は、対応する１組の転動体２１６，２１７を有する。この実施形態において、各列は、対応する溝２３０，２３１を備える。各溝は、幅２３５および高さ／深さ２３４を有する。適切な各溝は、光ファイバー配置のためのスリット２３８，２３９を有する。溝２３０，２３１および特に対応するスリット２３８，２３９の配置は、好ましくは対応する各列の荷重ライン２３７に沿っている。光ファイバーは、適当に配置された回折格子部分による歪み検出部を配置しながら完全に軸受けの周囲を回ることができる。これは、１つの光ファイバーが所望の全ての回折格子部分を備えるということである。あるいは、異なる場所に配置された対応する回折格子部分を伴ういくつかの光ファイバーを配置することができる。
図３は、本発明による他の実施形態によるＣＡＲＢ軸受けの一部の断面図を示す。この実施形態は、１列の転動体３１６を有する１つの外輪３１２のみを備えるが、多数の溝３３０，３３１，３３２を備える。
図４は、本発明による軸受けの上面図を示し、外輪４１２の測定溝４３０，４３１への光ファイバーアクセス手段４４０を示している。
図５Ａは、非回転外輪５１２と、回転内輪５１４と、その間の転動体５１６とを有する軸受け５００の側断面図を示し、本発明による軸受けの周囲の本発明によるセンサ分布５５１，５５２，５５３，５５４，５５５，５５６，５５７，５５８の一例を示している。ブラッグ・グレーティング光ファイバー５５０は、１つまたは複数の歪みセンサ５５１，５５２，５５３，５５４，５５５，５５６，５５７，５５８を備え、各センサは、回折格子部分によって形成される。各回折格子部分は、図５Ｂ関して下記に詳しく説明されるように、対応する回折格子部分の歪みに応じて変化する周波数５７１，５７２，５７３，５７４，５７５，５７６，５７７，５７８によって周波数平面に表される。
センサが荷重ゾーン５６２にある場合、大きい変動５８０が生じ、任意の荷重および荷重変動の場合に、非荷重ゾーンのセンサは、小さい変動５８４による小さい周波数変動を示す。もちろん中くらいの変動５８２を有するセンサがそれらの間にある。最適な方法でファイバーを使用する本発明によると、周波数変動が互いにぶつからないように可能な限り多くのセンサを使用するために、周波数スペクトルにおいて隣接するセンサ周波数が大きい範囲５８０まで変化しないように、センサは物理的に離されている。軸受けは、常に荷重ゾーンおよび反対側に非荷重ゾーンを有するため、周波数が隣接するセンサは、軸受けの反対側に物理的に配置される。
図６Ａは、平らに配置されたブラッグ・グレーティングを有する従来の光ファイバー６９０を示す。これは、第１歪みセンサ格子間距離ＤＡ６９２を有する第１歪みセンサ６５１と、第２歪みセンサ格子間距離ＤＢ６９６を有する第２歪みセンサ６５２とを備える。回折格子は、光ファイバーの断面を通り均等に離れているため、図６Ｂに明らかなように、各センサからの良好なピーク周波数応答６７１，６７２が作られる。
図７Ａは、円形軸受けの周囲などに湾曲したブラッグ・グレーティングを有する従来の光ファイバー７９０を示す。これは、また第１歪みンサ７５１および第２歪みセンサ７５２を備える。しかし明らかなように、ファイバーが湾曲している場合、内側は圧縮され、第１歪みセンサの内側格子間距離ＤＡ−δ７９１および第２歪みセンサの格子間距離ＤＢ−δ７９５は、両方以前より小さくなる。より大きい距離ＤＡ＋δ７９３，ＤＢ＋δ７９７を生じる引き伸ばされた外側との組み合わせにより、ファイバーを横切る距離の変化が生じる。これは図７Ｂに明らかなように、中心周波数７７１，７７２におけるピークの代わりに幅広い周波数応答７７９が作られる。
図８Ａは、本発明による第１８５１および第２８５２歪みセンサが配置されたブラッグ・グレーティングを有する湾曲した光ファイバー８９０を示す。本発明によるブラッグ・グレーティングを有する光ファイバーは、円形軸受けの周囲などにファイバーが湾曲している場合でも、ファイバーを通して等しい格子間距離ＤＡ８９２，ＤＢ８９６を有する。図８Ｂに明らかなように、ファイバーが湾曲している場合に所望のピーク周波数応答８７１，８７２が達成される。回折格子は、軸受けにファイバーを取り付けた後に追加することができる。
本発明は、上述の実施形態に限定されないが、以下の特許請求の範囲内で変形させることが可能である。
１１０ 軸受け，１１２ 軸受けの非回転外輪，１１４ 軸受けの回転内輪
１１６ 外輪および内輪の間に配置された軸受けの転動体，１２０ ハウジング
２１２ 第１列に属する第１外輪，２１３ 第２列に属する第２外輪
２１６ 第１列の転動体，２１７ 第２列の転動体
２３０ 第１列の第１溝，２３１ 第２列の第２溝
２３４ 溝の高さ／深さ，２３５ 溝の幅，２３７ 第１列の荷重ライン
２３８ 第１溝に位置する第１光ファイバースリット
２３９ 第２溝に位置する第２光ファイバースリット
３１２ 外輪，３１６ 転動体
３３０ 第１溝，３３１ 第２溝，３３２ 第３溝
４１２ 外輪，４３０ 第１溝，４３１ 第２溝
４４０ 入る／出るための光ファイバー通路
５００ 光ファイバー歪みセンサ装置を有する本発明による軸受け
５１２ 軸受けの非回転外輪，５１４ 軸受けの回転内輪
５１６ 外輪および内輪の間に配置された軸受けの転動体
５５０ 光ファイバー歪みセンサ装置
５５１ ＳＡ−歪みセンサ，５５２ ＳＢ−歪みセンサ
５５３ ＳＣ−歪みセンサ，５５４ ＳＤ−歪みセンサ
５５５ ＳＥ−歪みセンサ，５５６ ＳＦ−歪みセンサ
５５７ ＳＧ−歪みセンサ，５５８ ＳＨ−歪みセンサ
５６０ 軸受けの非荷重ゾーン，５６２ 軸受けの荷重ゾーン
５７１ ＳＡ−歪みセンサのｆＡ中心周波数
５７２ ＳＢ−歪みセンサのｆＢ中心周波数
５７３ ＳＣ−歪みセンサのｆＣ中心周波数
５７４ ＳＤ−歪みセンサのｆＤ中心周波数
５７５ ＳＥ−歪みセンサのｆＥ中心周波数
５７６ ＳＦ−歪みセンサのｆＦ中心周波数
５７７ ＳＧ−歪みセンサのｆＧ中心周波数
５７８ ＳＨ−歪みセンサのｆＨ中心周波数
５８０ 大きい荷重変動による大きい周波数変動
５８２ 中位の荷重変動による中位の周波数変動
５８４ 小さい荷重変動による小さい周波数変動
６５１ 第１歪みセンサ，６５２ 第２歪みセンサ
６９０ ブラッグ・グレーティングを有する光ファイバーセンサ装置
６９２ 第１歪みセンサグレーティング分離ＤＡ
６９６ 第２歪みセンサグレーティング分離ＤＢ
６７１ 第１歪みセンサの周波数応答，６７２ 第２歪みセンサの周波数応答
７５１ 第１歪みセンサ，７５２ 第２歪みセンサ
７９０ ブラッグ・グレーティングを有する光ファイバーセンサ装置
７９１ 第１歪みセンサ内側グレーティング分離ＤＡ−δ
７９３ 第１歪みセンサ外側グレーティング分離ＤＡ＋δ
７９５ 第２歪みセンサグレーティング分離ＤＢ−δ
７９７ 第２歪みセンサグレーティング分離ＤＢ＋δ
７７１ 第１歪みセンサの中心周波数応答，７７２ 第２歪みセンサの中心周波数応答
７７９ 周波数幅
８５１ 第１歪みセンサ，８５２ 第２歪みセンサ
８９０ ブラッグ・グレーティングを有する光ファイバーセンサ装置
８９２ 第１歪みセンサ外側および内側グレーティング分離ＤＡ
８９６ 第２歪みセンサ外側および内側グレーティング分離ＤＢ
８７１ 第１歪みセンサの中心周波数応答，８７２ 第２歪みセンサの中心周波数応答

Claims (5)

  1. 軸受けの１つまたは複数のパラメータを測定するためのブラッグ・グレーティング光ファイバーを備える軸受けであって、前記光ファイバーの回折格子が湾曲するように、前記ブラッグ・グレーティング光ファイバーが前記軸受けに取り付けられ、前記ブラッグ・グレーティング光ファイバーの前記回折格子は、前記湾曲による周波数応答への影響が最小になるように前記湾曲に適合されることを特徴とする、軸受け。
  2. 前記光ファイバーグレーティングが湾曲する場合に、グレーティングの前記回折格子が実質的に平行であることを特徴とする、請求項１に記載の軸受け。
  3. 前記光ファイバーが前記軸受けに取り付けられる前に前記回折格子が形成され、かつ前記光ファイバーの予期された湾曲が行われる場合に前記回折格子が実質的に平行になるように前記回折格子が形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の軸受け。
  4. 前記光ファイバーが前記軸受けに取り付けられた場合に前記回折格子が形成され、前記光ファイバーが取り付けられた場合に、前記回折格子が実質的に平行になるように、前記回折格子が形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の軸受け。
  5. 前記光ファイバーの向きを規定し、かつそれにより所定の向きで前記軸受けに前記ファイバーを取り付けるために、前記光ファイバーが非円形断面の少なくとも１つの平らな面を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の軸受け。
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