JP2014157022A - スピンドルの疲労度評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スピンドルの劣化管理に重要な摺動部位（スピンドルの結合要素）で発生する振動（数百Ｈｚ〜数ｋＨｚ）も考慮され、実用的な機器の余寿命評価に適用可能なスピンドルの疲労度評価方法を提供する。
【解決手段】スピンドル上に設置したトルク実測手段を用いてトルクデータを実測するトルク実測工程と、トルク実績から各機械要素に発生するトルク推定工程と、各機械要素におけるトルクと最弱部位応力との比率を予め計算し、トルク推定工程で推定されたトルクデータと前記の計算された比率から、スピンドル各部品の最弱部位における発生応力を求めた上で、レインフロー法により、該発生応力から応力頻度を算出して累積疲労損傷度を算出する累積疲労損傷度算出工程を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、スピンドルの疲労度評価方法に関するものである。

圧延機の圧延ロールは、離れた位置に設置された駆動モータのモータ軸とスピンドルにより連結され駆動されている（例えば、特許文献１）。

スピンドルに繰り返し応力が加わって疲労度が高くなると設備故障等の要因となるため、スピンドルの疲労度評価を正確に行うことが求められる。

従来のスピンドルの疲労度評価方法として、図５に示すように、圧延機の圧延ロール１とロール側クロスピン２とスピンドル３と電動機側クロスピン４とモータ軸５を単純な弾性体としてモデル化し、駆動モータの電流値をトルク換算してスピンドルの疲労損傷診断を行う技術が知られている。

従来この問題に対しては電動機のトルクを直接測定してスピンドルに発生するトルクとみなすことがおこなわれていたが、この方法では、駆動モータの電流値をトルク換算するために機械的に結合されていないことから振動を直接測定することができないという問題がある。

また、図５に示すように圧延ロール１とロール側クロスピン２とスピンドル３と電動機側クロスピン４とモータ軸５を単純な弾性体としてモデル化し、トルク測定の結果から各スピンドルのトルクを計算しスピンドルの疲労損傷診断を行う技術が知られている。

しかし、前記の従来技術ではスピンドルの締結部位に発生する数百〜数ｋＨｚの高周波振動をモデルに考慮していないため正確な寿命評価をおこなうことができない問題があった。

特に疲労損傷度は疲労損傷度の計算を説明する式［数１］，周波数帯域で疲労損傷度の寄与率を分割した場合を説明する式［数２］, 図６に示すように応力振幅の大きさと発生頻度に依存するため、高周波域で発生する振動を考慮できない場合、その推定寿命は実際の余寿命より低めに推定する結果を与えてしまう。そのため高周波域での振動をオンラインで予測しながら疲労損傷度を計算するための方法が重要となる。

更に、近年では数値計算技術の発達により駆動系を有限要素法で定式化することで全体を正確にモデル化し、与えられたトルクから各要素の最弱部位を計算する技術が知られている。

しかし、前記の従来技術では計算モデルが大規模となり実測データを元に逐一オンラインで計算することは不可能であるという問題があった。

特開２００２−１９２２０８号公報

本発明の目的は前記の問題を解決し、スピンドルの劣化管理に重要な締結部位（スピンドルの結合要素）で発生する振動（数百Ｈｚ〜数ｋＨｚ）も考慮され、オンラインで実用的な機器の余寿命評価に適用可能なスピンドルの疲労度評価方法を提供することである。

上記課題を解決するためになされた本発明のスピンドルの疲労度評価方法は、スピンドル上に設置したトルク実測手段を用いてトルクデータを実測するトルク実測工程と、トルク実績から各機械要素に発生するトルク推定工程と、各機械要素におけるトルクと最弱部位応力との比率を予め計算し、トルク推定工程で推定されたトルクデータと前記の計算された比率から、スピンドル各部品の最弱部位における発生応力を求めた上で、レインフロー法により、該発生応力から応力頻度を算出して累積疲労損傷度を算出する累積疲労損傷度算出工程を有することを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のトルク推定工程において、中間のクロスピン間の振動も考慮したスピンドルのねじり振動を一般化させた運動方程式［数３］で表される連成振動の方程式を離散化し、トルクモニタの測定を反映させた離散時間状態空間表現式［数５］にカルマンフィルタを用いてトルク推定をおこなうことを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、請求項１記載のトルクと最弱部位の計算において予め有限要素法で比率を求めることを特徴とするものである。

請求項４記載の発明は、請求項１記載のスピンドルの疲労度評価方法において、トルク実測手段が、非接触給電式の恒久的トルクモニタであることを特徴とするものである。

本発明に係るスピンドルの疲労度評価方法では、測定箇所におけるトルク実績から各機械要素に発生するトルクを推定し、更に各機械要素、部品における最弱部位の該発生応力を推定することでその時系列データから応力頻度を算出して累積疲労損傷度を算出することにより、オンラインで従来捕えることができなかったスピンドル各部位の疲労度評価まで行うことができる。すなわち、本発明によれば、図３に示すように、スピンドルの劣化管理に重要な部位（スピンドルの結合要素）も考慮したモデルを用いて、実用的な機器の余寿命評価にも適用可能な精度での疲労度評価が可能となる。

圧延機の説明図である。 要部説明図である。 本発明を説明する弾性体モデルである。 本発明の計算フローを示す図である。 従来技術を説明する弾性体モデルである。 繰り返し数と応力振幅を説明する図である。

以下に本発明の好ましい実施形態を示す。図１に示すように、圧延機の圧延ロール１は、スピンドル３によって、駆動モータ６のモータ軸と連結されている。

本実施形態では、図２に示すように、スピンドル上に非接触給電式のトルクモニタ７を設置して、スピンドルのトルクデータを連続的に実測している。実測されたトルクデータは、トルク推定工程を経て解析用パソコンに送られる。図２において、８はカップリング、９はジャーナル軸受を示している。

トルク推定工程とは測定部位におけるトルクの実績から各機械要素に発生するトルクを推定する工程のことであり、図３で示す中間のクロスピン間の振動も考慮したスピンドルのねじり振動を一般化させた運動方程式［数３］と、
観測を考慮した連続時間状態空間表現式［数４］と、
それを離散化させた状態空間表現式［数５］
を用いて構成することができる。この運動方程式［数３］は従来のスピンドルモデルである運動方程式［数６］
と異なり、中間のクロスピンの剛性を表現することができる。このためより精度の高いねじり振動を表すことが可能である。また連続時間状態空間表現式［数４］はスピンドルの中間振動を測定することにより観測行列Cの行列のランクを上げることが可能である。この特性を用いることで離散化された状態空間表現式［数５］は状態推定手法であるカルマンフィルタを適用すれば中間位置の角度・角速度を精度よく推定することが可能となる。

カルマンフィルタにより推定された中間位置の角度・角速度を計算することができれば式［数７］で示す、各要素間でのねじり剛性と角度差を用いることでトルクを推定することが可能である。

解析用パソコンには、スピンドル各部品の最弱部位とトルク点の応力比データが計算されて入力されている。スピンドル各部品の最弱部位の求め方については特に限定しないが、有限要素法による応力集中箇所の特定による方法や、ひずみゲージなどによる実測などを用いることができる。代表的な最弱部位の事例として図２のＡ〜Ｅ点（Ａ：スリッパメタル、Ｂ：鰐口、ＣおよびＥ：ジャーナル軸受、Ｄ：応力集中部）が挙げられる。

解析用パソコンでは、前記の応力比データと、トルクモニタで実測されたトルクデータから、スピンドル各部位の発生応力を求めた上で、レインフロー法により、該発生応力から応力頻度を算出して累積疲労損傷度を算出する。

このように、スピンドル各部位とトルク実測点の応力比を予め計算しておき、トルク実測工程で実測されたトルクデータと前記の計算された応力比から、スピンドル各部品の発生応力を求めた上で、レインフロー法により、該発生応力から応力頻度を算出して累積疲労損傷度を算出することにより、従来捕えることができなかったスピンドル各部品の疲労度評価まで行うことができる。すなわち、本発明によれば、図３に示すように、スピンドルの劣化管理に重要な部位（スピンドルの結合要素）も考慮したモデルを用いて、実用的な機器の余寿命評価にも適用可能な精度での疲労度評価が可能となる。この一連の計算・推定の手順を示したものが図４である。まずトルクモニタによりトルクを測定する。次に予め計算した離散時間状態空間表現を用いてカルマンフィルタにより角度・角速度を推定する。推定された角度・角速度を元に内部に発生するトルクを計算する。次に内部に発生するトルクから応力比をかけることで最弱箇所の応力を計算する。このようにして時々刻々得られる応力計算値からレインフロー法により疲労損傷度を計算する。

なお、算出された累積疲労損傷度は、スピンドル管理テーブルに入力され、Ａ〜Ｅ点の劣化傾向管理が一括して行えるようになっている。また、スピンドル管理テーブルには、圧延時刻・パス回数・圧延ナンバー・回転数・圧延荷重・トルク電流・圧延前板厚・圧延後板厚等のデータもプロコン経由で入力されており、スピンドルの劣化傾向と使用操業条件の関係付けが簡易にできるようになっている。

１ 圧延機の圧延ロール
２ ロール側クロスピン
３ スピンドル
４ 電動機側クロスピン
５ モータ軸
６ 駆動モータ
７ トルクモニタ
８ カップリング
９ ジャーナル軸受

Claims (4)

1. スピンドル上に設置したトルク実測手段を用いてトルクデータを実測するトルク実測工程と、
   トルク実績から各機械要素に発生するトルク推定工程と、各機械要素におけるトルクと最弱部位応力との比率を予め計算し、トルク推定工程で推定されたトルクデータと前記の計算された比率から、スピンドル各部品の最弱部位における発生応力を求めた上で、
   レインフロー法により、該発生応力から応力頻度を算出して累積疲労損傷度を算出する累積疲労損傷度算出工程を有することを特徴とするスピンドルの疲労度評価方法。
2. トルク推定工程において、中間のクロスピン間の振動も考慮したスピンドルのねじり振動を一般化させた運動方程式［数１］で表される連成振動の方程式を離散化し、トルクモニタの測定を反映させた離散時間状態空間表現式［数２］にカルマンフィルタを用いてトルク推定をおこなうことを特徴とする請求項１記載のスピンドルの疲労度評価方法。
   
3. 請求項１記載のトルクと最弱部位の計算において予め有限要素法で比率を求めることを特徴とする請求項１記載のスピンドルの疲労度評価方法。
4. トルク実測手段が、非接触給電式の恒久的トルクモニタであることを特徴とする請求項１記載のスピンドルの疲労度評価方法。