JP2014130491A - アンギュラ玉軸受回転状態計測監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型軽量化を図り、高速回転するアンギュラ玉軸受の回転状態を高精度に計測監視することが可能なアンギュラ玉軸受回転状態計測監視装置を提供することを目的とする。
【解決手段】相対回転可能に配置された一対の軌道輪と、当該軌道輪間に転動自在に組み込まれた複数の転動体とを備えた２点接触アンギュラ玉軸受の軸受回転状態計測監視装置であって、計測結果を電気信号として出力するセンサ部と、当該電気信号を光信号に変換して出力する第１の信号変換部と、前記光信号を受光素子により受光し、当該受光素子によって受光された光信号を電気信号に変換して出力する第２の信号変換部と、当該第２の信号変換部から出力された電気信号を受信し演算処理を行う制御監視部とを備えており、前記センサ部は、内輪または外輪に設けた孔内に配置され、前記孔は前記２点接触部を結ぶ直線の延長上に設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、各種の回転機械装置（例えば、航空機のジェットエンジンや産業用のガスタービンエンジンなど）の主軸を支持するアンギュラ玉軸受において、当該アンギュラ玉軸受の回転状態（例えば、軸受の温度、歪みや振動、あるいは転動体の回転数など）を計測監視するための軸受回転状態計測監視装置（以下、計測監視装置という）の改良に関する。

従来から、かかるジェットエンジンやガスタービンエンジンなどには、その主軸を支持する玉軸受の回転状態を計測監視するための計測監視装置が設けられており、玉軸受の温度変化、歪みや振動有無、あるいは転動体の回転数変動などの計測が行われている。これにより、玉軸受の回転状態（回転異常の有無）を監視し、当該軸受に対する損傷（例えば、軌道面の微小剥離など）の発生を防止しているとともに、初期段階で確実に検知し、これらのジェットエンジンやガスタービンエンジンなどの安全性確保を図っている。

このような計測監視装置においては、各種のセンサによって玉軸受の回転状態（軸受温度、歪みや振動、転動体位置や角度など）を計測し、その結果が電気信号（以下、計測信号という）として出力されている。そして、計測信号は所定の信号処理部に送信（伝達）され、当該信号処理部によって、単位時間当たりの軸受の温度、歪みや振動などの変化・変動量、あるいは転動体の位置や角度などの変動量を演算処理することで、かかる軸受の温度推移や転動体の回転速度や回転角度などの軸受の回転状態が計測されている。

ところで、例えば、ジェットエンジンやガスタービンエンジンなどの高速回転する主軸を支持する玉軸受は、内外輪が同時に回転する構成、すなわち内外輪がいずれも回転輪として構成される場合がある。この場合、かかる玉軸受の回転状態を計測監視する際、その計測精度の向上を図るべく、各種のセンサを回転体（内外輪や主軸など）の転動面近傍に取り付け、当該回転するセンサから出力された計測信号を信号処理部に対して伝達することが必要とされる場合がある。

その際、回転するセンサから出力された計測信号の信号処理部に対する伝達手段としては、従来から、ブラシと導電板とを接触させることで回転導通を図るスリップリングや、その接点として水銀などの導電性流体を用いたスリップリング、あるいは、電波を用いたテレメトリーシステムなどが実用されている。

例えば、特許文献１には、各種センサを転動面近傍上に貼り付け構成が開示されており、センサの信号伝達手段としては、スリップリングを用いた計測監視装置等を用いることが考えられる。

このようなスリップリングやテレメトリーシステムを用いることで、回転体（主軸、回転輪、転動体及び保持器など）に取り付けられたセンサから出力された計測信号の伝達を確実に行うことが可能となる。さらに、テレメトリーシステムを用いた場合には、計測監視対象となる玉軸受が組み込まれた回転機械装置（ジェットエンジンやガスタービンエンジンなど）から離れた場所（遠隔地）に対し、計測信号を時間遅れが生じることなく（リアルタイムで）伝達することも可能となる。

特開２０１０−１３３５５０号公報

しかしながら、上記特許文献におけるセンサ配置を採用すると、センサがカウンタボア部などの軸受内輪外周面上または軸受外輪内周面上に貼り付け配置されているため、軸受組立工程にて他部品と接触破損する可能性が懸念されていた。

本発明は、このような課題を解決するためになされており、その目的は、小型軽量化を図り、センサ破損を回避しながら、高速回転する玉軸受の回転状態（例えば、軸受の温度、歪みや振動、転動体の回転数など）を高精度に計測監視することが可能な玉軸受回転状態計測監視装置を提供することにある。

前記課題を解決するための発明は、少なくとも一方が他方に対して相対回転可能に対向して配置された一対の軌道輪と、当該軌道輪間に転動自在に組み込まれた複数の転動体とを備え、回転軸を回転可能に支持する２点接触アンギュラ玉軸受の回転状態を計測監視するための軸受回転状態計測監視装置であって、２点接触アンギュラ玉軸受の回転状態を計測し、その計測結果を電気信号として出力するセンサ部と、当該センサ部から出力された電気信号に基づいて発光素子を発光させることで、当該電気信号を光信号に変換して出力する第１の信号変換部と、前記発光素子によって発せられた光信号を受光素子により受光し、当該受光素子によって受光された光信号を電気信号に変換して出力する第２の信号変換部と、当該第２の信号変換部から出力された電気信号を受信し、前記軸受の回転状態を把握するために当該電気信号に基づいて演算処理を行うとともに、当該回転状態を監視する制御監視部とを備えており、前記センサ部は、内輪または外輪の肉厚内に設けた孔内に配置され、前記孔は前記２点接触部を結ぶ直線の延長上に設けられているとともに、前記第１の信号変換部の発光素子は、前記回転軸の軸心に沿って回転しているのに対し、前記第２の信号変換部の受光素子は静置され、前記発光素子と受光素子とは、当該回転する発光素子によって発せられた光信号が、その発信時における前記回転方向への位相を移動させることなく、静置された受光素子によって常に受光可能となるような位置関係を成して相対配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、アンギュラ玉軸受の転動体と内輪及び外輪との接触部近傍にセンサを配置したため、軸受外部環境等に影響を受ける事無く、軸受回転状態を高精度で監視できるという効果が得られる。

本発明に係るアンギュラ玉軸受回転状態監視装置の構成を処理の流れとともに模式的に示す図である。 本発明に係るアンギュラ玉軸受回転状態監視装置を示す図である。

以下、本発明に係る軸受回転状態計測監視装置（以下、計測監視装置という）について、添付図１及び図２を参照して説明する。本発明において、計測監視装置は、少なくとも一方が他方に対して相対回転可能に対向して配置された一対の軌道輪と、当該軌道輪間に転動自在に組み込まれた複数の転動体とを備え、回転軸を回転可能に支持するアンギュラ玉軸受（以下、単に軸受という）の回転状態（例えば、軸受の温度、歪みや振動、転動体の回転数など）を計測監視しており、図１には、その装置構成が処理の流れとともに模式的に示されている。

図２には、本発明の実施形態に係る計測監視装置の構成が示されており、当該計測監視装置には、センサ部２、第１の信号変換部４、第２の信号変換部１０、並びに制御監視部１２が備えられ、これらにより軸受の回転状態の計測監視が行われている。センサ部２は、軸受１に取り付けられ、当該軸受１の回転状態を計測し、その計測結果を電気信号として出力可能なセンサ（以下、センサ２という）として構成されている。なお、センサ２は、軸受１の回転状態を計測可能なものであれば、その種類は特に限定されず、計測監視装置の使用目的や使用条件、あるいは軸受構成などに応じて各種のタイプを任意に選択して使用すればよい。

第１の信号変換部４は、発光素子６が接続され、センサ２から出力された電気信号に基づいて当該発光素子６を発光させることで、当該電気信号を光信号に変換して出力する信号変換器（以下、第１信号変換器４という）として構成されている。これに対し、第２の信号変換部１０は、受光素子８が接続され、発光素子６によって発せられた光信号を当該受光素子８により受光し、受光素子８によって受光された光信号を電気信号に変換して出力する信号変換器（以下、第２信号変換器１０という）として構成されている。

そして、制御監視部１２は、第２信号変換器１０から出力された電気信号を受信して軸受の回転状態を把握するために、当該電気信号に基づいて演算処理（上述したような軸受温度の変化量、歪みや振動の変動量、あるいは位置や角度の変動量などの演算処理）を行い、その演算結果（すなわち、軸受の回転状態）を記録する解析器として構成されているとともに、当該軸受の回転状態を表示し、その監視を行う表示器として構成されている。

なお、本実施形態において、計測監視装置には第３の信号変換部が備えられており、当該第３の信号変換部は、与えられたアナログの電気信号をデジタル電気信号に変換して出力している。この場合、かかる電気信号のアナログからデジタルへの変換を行うための信号変換器を別途設けた構成としてもよいし、当該信号変換をセンサ２、あるいは第１信号変換器４によって行う構成としてもよい。いずれの場合も、センサ２は、軸受の回転状態の計測結果をアナログの電気信号として出力して第３の信号変換部へ与えており、当該第３の信号変換部は、センサ２から与えられたアナログ電気信号をデジタル電気信号に変換して第１信号変換器４へ出力している。そして、第１信号変換器４は、第３の信号変換部から出力されたデジタル電気信号に基づいて発光素子６を発光させることで、当該デジタル電気信号を光パルス信号に変換して出力している。

また、制御監視部１２としては、第２信号変換器１０から出力された電気信号に基づいて演算処理を行う演算回路、当該演算結果（軸受の回転状態）を記録する記録部（メモリや磁気ディスク装置など）、及び当該軸受の回転状態を示すメッセージなどを表示し、その監視を可能とする監視部（モニタ装置など）を一例として想定している。これらは、一体的に構成されていてもよいし、個別の装置（例えば、演算記録装置と監視装置）として設けられていてもよく、その構成は限定されない。一例として、図２には、これらが一体化されたモニタ装置を制御監視部１２とした構成が示されている。

なお、かかるモニタ装置に代えて、あるいはこれに加えて、軸受の回転状態に異常が発生した場合、例えば、軸受の温度が過度に上昇した場合、軸受の歪みや振動が過度に増大した場合などに、警告音を鳴動させるアラーム鳴動装置やランプを点滅させるランプ点滅装置などを制御監視部１２とした構成であってもよい。これにより、確実に、且つリアルタイムに軸受の回転状態、特に軸受に対する異常の発生を把握することができる。

このような構成を成す計測監視装置において、第１信号変換器４の発光素子６は、回転軸４２の軸心Ｃに沿って回転しているのに対し、第２信号変換器１０の受光素子８は、回転することなく静置されている。一例として、図２に示す構成においては、センサ２が相対回転する一方の軌道輪（内輪）２０に設けられ、第１信号変換器４は、発光素子６の発光方向（同図の左から右へ向かう方向）が回転軸４２の軸心Ｃと重なるように（すなわち、軸心Ｃの延出方向となるように）、当該軸心Ｃ近傍に設けられている。これに対し、第２信号変換器１０及び制御監視部１２は、装置外部の常に静止状態に保たれた部位に設けられ、受光素子８は、その受光方向（図２の左から右へ向かう方向）が発光素子６の発光方向と同一方向となるように位置付けられている。

すなわち、発光素子６と受光素子８とは、当該回転する発光素子６によって発せられた光信号がその発信時における前記回転方向への位相を移動させることなく（つまり、光信号が常に定位置から発信され）、静置された受光素子８によって常時確実に受光可能となるような位置関係を成して相対配置されている。なお、この場合、第１信号変換器４（発光素子６）、及び第２信号変換器１０（受光素子８）は、いずれも１つだけ計測監視装置に設ければよい。

これにより、発光素子６は、それ自体を回転軸４２とともに回転させる一方で、光信号が発信される際の当該回転方向への位相は軸心Ｃと重なり、発せられた光信号は当該軸心Ｃの延長方向へ向かって直進するため、その位相が発光素子６の回転方向へ移動することがない。したがって、その受光方向を発光素子６の発光方向と同一方向となるように受光素子８を位置付け、計測監視装置の外部に静置することで、受光素子８が１つのみであっても、当該受光素子８によって発光素子６から発せられた光信号を常に受光することができる。

すなわち、センサ２によって計測された軸受の回転状態（軸受の温度、歪みや振動、転動体の回転数など）を示す計測信号（電気信号）を、第１信号変換器４及び第２信号変換器１０を介して制御監視部１２へ確実に伝達することができる。この結果、計測信号の伝達手段としてスリップリングやテレメトリーシステムなどを設ける必要はなく、計測監視装置の小型軽量化を図ることが容易となる。また、本実施形態に係る計測監視装置によれば、軸受が支持する回転軸の回転速度（回転数）による制約を受けることがなく、回転軸が高速回転し、かかる軸受が当該高速回転軸を支持する場合であっても、当該軸受の回転状態を正確、且つ高精度に計測監視することができる。

さらに、かかる計測監視装置によれば、センサ２によって計測された軸受の回転状態（軸受の温度、歪みや振動、転動体の回転数など）を示す計測結果（電気信号）が、発光素子６から受光素子８へ光パルス信号として受信されているため、例えば、ジェットエンジン内部などのように、油ミストなどが飛散されている過酷な環境下に軸受が配設されるような場合であっても、光パルス信号の優れた直進性により、計測結果を制御監視部１２へ確実に伝達させることができる。これにより、かかる過酷な環境下に配設された軸受の回転状態を正確、且つ高精度に計測監視することができる。

ここで、このような計測監視装置においては、当該計測監視装置が搭載される回転機械装置の使用目的や使用条件などに基づく装置構成に応じて、任意の構造を成す軸受を計測監視対象とすることができる。図２には、その軸受構造の一例が本発明の第１実施形態として示されている。

図２に示す構成において、計測監視対象となる軸受は、相対回転可能に対向して配置された一対の軌道輪のうち、外輪２２がハウジング４０に固定されて常時静止する静止輪として構成されているとともに、内輪２０が回転軸４２に固定されて当該回転軸４２とともに、外輪２２に対して回転する回転輪として構成されている。内輪２０には、その外周部に軌道面（内輪軌道面）２０ａが形成されているとともに、外輪２２には、その内周部に内輪軌道面２０ａと対向して軌道面（外輪軌道面）２２ａが形成されており、これらの軌道面２０ａ、２２ａ間に複数の転動体２４が転動可能に組み込まれている。

この場合、転動体（玉）２４は、環状を成す保持器２６に形成されたポケットに１つずつ回転自在に保持された状態で内外輪２０、２２間に組み込まれ、内外輪軌道面２０ａ、２２ａ間を転動している。これにより、各転動体２４は、その転動面が相互に接触することなく内外輪軌道面２０ａ、２２ａ間を転動することができ、結果として、当該各転動体２４が相互に接触して摩擦が生じることによる回転抵抗の増大や、焼付きなどを防止することができる。

なお、内輪２０には、内輪軌道面２０ａの片側に、その全周に亘ってカウンタボア部２０ｂが設けられており、加熱された外輪２２に対して、保持器２６によって転動体２４を保持した内輪２０を、前記カウンタボア部２０ｂを案内面として挿入して軸受を組み立てている。ここで、図２には、内輪２０にカウンタボア部２０ｂを設けた構成を例示しているが、同様のカウンタボア部を内輪に代えて、外輪に対して設けた構成としてもよい。

また、転動体列は、図２に示すような単列構成であってもよいし、２列以上の複列構成であってもよい。さらに、転動体２４を回転自在に保持する保持器２６は、波型や冠型などのタイプを適用することができる。

本実施形態において、かかる軸受には、回転輪である内輪２０に対し、当該内輪２０とともに回転するセンサ２が設けられている。この場合、内輪２０には、センサ２を取り付けるために軸受軸方向の一端側（図２の右端側）から孔２０ｃが設けられており、前記孔２０ｃの先端部分は、転動体が内輪２０及び外輪２２とそれぞれ接触する接触点２４ａとを結ぶ直線の延長上まで設けられている。そして、前記孔２０ｃの先端部分までセンサ２が挿入され接着等にて固定されている。

また、回転軸４２には、その軸端側（図２の右端側）へ、第１信号変換器４が当該回転軸４２の軸心Ｃ上に設けられており、当該第１信号変換器４の発光素子６が前記回転軸４２の軸端から露出され、その発光方向（同図の左から右へ向かう方向）が前記軸心Ｃの延長線と重なるように位置付けられている。これに対し、第２信号変換器１０は、その受光方向（図２の左から右へ向かう方向）が発光素子６の発光方向と同一となるように受光素子８を位置付けた状態で、装置外部の常に静止状態に保たれた部位に設ければよい。また、制御監視部１２は、第２信号変換器１０から出力された電気信号を受信することが可能であれば、その配設箇所は特に限定されず、装置外部の常に静止状態に保たれた任意の部位に設ければよい。

その際、センサ２と第１信号変換器、第１信号変換器４と発光素子６、及び第２信号変換器１０と受光素子８のそれぞれの接続手段は特に限定されず、軸受及び回転軸の大きさや形状などに応じて任意の手段で接続させればよい。一例として、図２に示す構成においては、センサ２と第１信号変換器とを信号ケーブルによって接続させているのに対し、発光素子６を第１信号変換器４の制御基板上に直接接続させているとともに、受光素子８を第２信号変換器１０の制御基板上に直接接続させている。

なお、かかる構成に代えて、例えば、第１信号変換器４と発光素子６とを信号ケーブルによって接続させ、当該第１信号変換器４のみを回転軸４２の軸心Ｃ上からずらした部位（一例として、回転軸４２の外周部など）に配設させた構成としてもよい。

１…軸受
２…センサ
４…第１信号変換器
６…発光素子
８…受光素子
１０…第２信号変換器
２０…内輪
２２…外輪
２０ｃ…孔
２４ａ…接触点

Claims (1)

1. 少なくとも一方が他方に対して相対回転可能に対向して配置された一対の軌道輪と、当該軌道輪間に転動自在に組み込まれた複数の転動体とを備え、回転軸を回転可能に支持する２点接触アンギュラ玉軸受の回転状態を計測監視するための軸受回転状態計測監視装置であって、２点接触アンギュラ玉軸受の回転状態を計測し、その計測結果を電気信号として出力するセンサ部と、当該センサ部から出力された電気信号に基づいて発光素子を発光させることで、当該電気信号を光信号に変換して出力する第１の信号変換部と、前記発光素子によって発せられた光信号を受光素子により受光し、当該受光素子によって受光された光信号を電気信号に変換して出力する第２の信号変換部と、当該第２の信号変換部から出力された電気信号を受信し、前記軸受の回転状態を把握するために当該電気信号に基づいて演算処理を行うとともに、当該回転状態を監視する制御監視部とを備えており、前記センサ部は、内輪または外輪の肉厚内に設けた孔内に配置され、前記孔は前記２点接触部を結ぶ直線の延長上に設けられているとともに、前記第１の信号変換部の発光素子は、前記回転軸の軸心に沿って回転しているのに対し、前記第２の信号変換部の受光素子は静置され、前記発光素子と受光素子とは、当該回転する発光素子によって発せられた光信号が、その発信時における前記回転方向への位相を移動させることなく、静置された受光素子によって常に受光可能となるような位置関係を成して相対配置されていることを特徴とするアンギュラ玉軸受回転状態監視装置。

Images