JP2014157047A - 転がり軸受の寿命評価方法および寿命評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】転がり軸受の損傷、特に軌道輪に侵入する拡散性水素起因の損傷を、短時間かつ高頻度で発生させることができ、効率よく損傷寿命を評価できる転がり軸受の寿命評価方法および寿命評価装置を提供する。
【解決手段】鋼材からなる軌道輪である内輪および外輪と、この内輪と外輪との間に介在する転動体とを有する転がり軸受において、軌道輪中に侵入する拡散性水素起因の損傷寿命を評価する評価方法であり、内輪および外輪の少なくとも一方の軌道輪に対して、（１）径方向および軸方向の変形、（２）強制加振、の少なくとも一方を与えながら、転がり軸受を回転させ、接触要素間でのすべりを誘発させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、転がり軸受の寿命を評価する方法および装置に関する。特に、鋼材からなる軌道輪において、侵入する拡散性水素に起因する損傷寿命を評価する方法および装置に関する。

転がり軸受の寿命評価を行なう場合、実際の使用条件に近い状態で運転して評価を行なうことは、寿命評価精度を向上させる上で重要である。従来の転がり軸受の寿命評価において、実機に即して急加減速試験を行なう方法などが知られている（特許文献１参照）。

転がり軸受は、水分が軸受内や潤滑剤に混入する条件下、すべりを伴う条件下で使用されると、水や潤滑剤が分解して水素が発生する。この水素が軌道輪を構成する鋼材中に侵入することで、水素脆性を起因とする早期損傷を起こすことがある。この理由は、接触要素間の接触面（軌道面など）で金属接触が起き、金属新生面が露出すると、水や潤滑剤の分解による水素の発生、および、該水素の鋼材中への侵入が促進されるからである。特に、鋼材中に侵入した水素の中でも、拡散性水素が水素脆性の原因と考えられている。「拡散性水素」とは、結晶粒界などにトラップされていない比較的自由に動き得る水素のことをいい、室温で時間と共に鋼材中から外に放出されるものである。

上記現象は、水や潤滑油を滴下しながらエメリー紙で軸受鋼をアブレシブ摩耗させた後に昇温脱離水素分析を行なった結果、鋼材中から拡散性水素が明瞭に検出された実験事実によって証明されている（非特許文献１参照）。この非特許文献１によれば、潤滑油よりも水を滴下した方が、鋼材中から多くの拡散性水素が検出されている。したがって、すべりが生じるような条件で用いられる転がり軸受の潤滑由などに水分が混入すると、さらに水素が発生し、より鋼材中に侵入しやすくなると考えられる。水素は、鋼の疲労強度を著しく低下させるため（非特許文献２参照）、さほど大きくない最大接触面圧でも水素が侵入することで早期損傷を発生させる原因となりうる。また、転がり軸受は、今後ますます水素が発生し易い条件で使用される傾向にある。

特許第４６２５６５１号

谷本啓, 田中宏昌, 杉村丈一, トライボロジー会議予稿集, (2010-5 東京), 203-204. ワイ．マツバラ、エッチ．ハマダ（ Y. Matsubara and H. Hamada)著, Bearing Steel Technology, ASTM STP1465, J. M. Beswick Ed., (2007), 153-166.

しかしながら、特許文献１に示すような、転がり軸受に対する従来の寿命評価方法では、短時間かつ高頻度で損傷を起こさせることは困難である。近年では、鋼材や潤滑剤の改良による耐水素性の向上が図られており、これら鋼材や潤滑剤などの耐水素性を効率よく評価するために、より短時間で高頻度で損傷が起こるような試験方法の開発が望まれている。

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、転がり軸受の損傷、特に軌道輪に侵入する拡散性水素起因の損傷を、短時間かつ高頻度で発生させることができ、効率よく損傷寿命を評価できる転がり軸受の寿命評価方法および寿命評価装置を提供することを目的とする。

本発明の転がり軸受の寿命評価方法は、鋼材からなる軌道輪である内輪および外輪と、この内輪と外輪との間に介在する転動体とを有する転がり軸受において、上記軌道輪中に侵入する拡散性水素起因の損傷寿命を評価する評価方法であって、上記内輪および上記外輪の少なくとも一方の軌道輪に対して、（１）径方向および軸方向の変形、（２）強制加振、の少なくとも一方を与えながら、上記転がり軸受を回転させ、接触要素間でのすべりを誘発させることを特徴とする。ここで、接触要素間とは、軌道輪と転動体との間、軌道輪と保持器との間、保持器と転動体との間などである。また、すべりを誘発するとは、（１）変形、（２）強制加振を与えない以外は同条件での場合と比較して、すべりを大きくさせることをいう。

寿命評価の対象となる軌道輪における最大接触面圧が、２．０ＧＰａ以上であることを特徴とする。

上記（１）を与えることを必須とし、上記少なくとも一方の軌道輪について、該軌道輪の端面の１箇所以上を治具で抑えることで、径方向および軸方向に変形させることを特徴とする。

上記（２）を与えることを必須とし、上記強制加振が軸方向振動および／または径方向の中心線周りの偏振を与えることであることを特徴とする。

上記評価中に、回転速度を加速させる時間を設けることを特徴とする。

上記評価を行なう試験空間内の容積絶対湿度を一定に保持しながら、該試験空間内において上記転がり軸受を回転させることを特徴とする。なお、本発明における「容積絶対湿度」（飽和水蒸気量）は、大気の単位容積に含まれる水蒸気の重量（単位：ｇ／ｍ^３）を示すものである。

本発明の転がり軸受の寿命評価装置は、本発明の転がり軸受の寿命評価方法に用いる寿命評価装置であって、上記転がり軸受を回転させる手段と、上記内輪および上記外輪の少なくとも一方の軌道輪に対して、（１）径方向および軸方向の変形を与える手段、（２）強制加振を与える手段、の少なくとも一方を備えてなることを特徴とする。

本発明の転がり軸受の寿命評価方法は、内輪および外輪の少なくとも一方の軌道輪に対して、径方向および軸方向の変形、強制加振、の少なくともいずれか一方を与えながら、転がり軸受を回転させるので、大きなすべりを意図的に発生させ、短時間かつ高頻度で拡散性水素起因の損傷を起こすことができる。この結果、鋼材、潤滑剤、潤滑添加剤、表面処理などの耐水素性を効率よく評価することができる。

本発明の寿命評価方法に用いる変形手段の一例を示す図である。 本発明の寿命評価方法に用いる強制加振手段の一例を示す図である。 外輪溝底接点の径方向および軸方向変位のＦＥＭ解析結果を示す図である。 図２の外輪溝底接点の変位を５００倍で３次元表示したものである。 動力学解析モデルと各軸などを示す図である。 振動もしくは偏振の加速度と、外輪軌道面の最大負荷位置における最大すべり率の計算結果の関係を示す図である。 プーリ試験機を示す図である。

本発明の転がり軸受の寿命評価方法は、鋼材からなる軌道輪である内輪および外輪と、この内輪と外輪との間に介在する転動体とを有する転がり軸受の損傷寿命を評価する評価方法である。特に、軌道輪に侵入する拡散性水素起因の損傷寿命を評価する方法である。この寿命評価方法は、内輪および外輪の少なくとも一方の軌道輪に対して、（１）径方向および軸方向の変形、（２）強制加振、の少なくともいずれか一方を与えながら、転がり軸受を回転させることを特徴としている。（１）（２）は、いずれか一方でも、同時に与えてもよい。なお、転がり軸受を回転させるとは、内輪と外輪とを内外輪間で転動する転動体を介して相対的に回転させることであり、評価試験においては、内輪、外輪のいずれかを回転させる。

本発明の転がり軸受の寿命評価方法は、実物の試験用転がり軸受について、実際に変形、加振、回転させて評価を行なう方法のみならず、これらを想定したコンピュータシミュレーションにより仮想的に評価を行なう方法を含む。

軌道輪を形成する鋼材としては、転がり軸受に一般的に使用される鋼であり、例えば、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ１、ＳＵＪ２、ＳＵＪ３、ＳＵＪ４、ＳＵＪ５等；ＪＩＳ Ｇ ４８０５）、浸炭鋼（ＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０等；ＪＩＳ Ｇ ４０５３）、ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ等；ＪＩＳ Ｇ ４３０３）、高速度鋼（Ｍ５０等）などが挙げられる。これらの鋼材に、高周波熱処理、窒化処理などを施したものも使用できる。また、転動体についても、これらの鋼材で形成できる。なお、必要に応じてセラミックスなども使用できる。

軌道輪における転動面は、転動体との接触面となり、金属接触が起こる。この金属接触により、金属新生面が露出すると、該新生面で水や潤滑剤の分解による水素の発生、鋼材からなる軌道輪中への拡散性水素の侵入が促進される。このような現象は、実際の転がり軸受では偶発的に起きると考えられる。一方、鋼材、潤滑剤、潤滑添加剤、表面処理などの耐水素性を効率よく評価するためには、新生面を適度に生成し続けることが重要となる。本発明では（１）（２）の手順を寿命評価方法に取り入れることで、接触要素間でのすべりを誘発でき、新生面を生成しやすくなると考えられる。このように、大きなすべりを意図的に発生させることで、短時間かつ高頻度で拡散性水素起因の損傷を起こすことができる。

（１）内輪および外輪の少なくとも一方の軌道輪に対して、径方向および軸方向に変形を与える方法について説明する。軌道輪を径方向に変形させるとは、軌道輪の円環の少なくとも一部を径方向に変形させることである。軌道輪を径方向に変形させると、軌道輪の真円度を崩すことになり、該軌道輪の真円度が変形前よりも大きくなる。径方向の変形量は、この真円度の変化量として設定することが好ましい。また、軌道輪と転動体とのすべりは、軌道輪の軌道面と転動体表面との接触面で発生するため、変形は該軌道面に変形が及ぶように行なう。よって、上記変形は、少なくとも軌道面の最大負荷位置が形成する円の真円度が変化するように行なう。軌道面の最大負荷位置は、転がり軸受が深溝玉軸受などである場合は、外輪または内輪の溝底位置である。径方向の具体的な変形量としては、軌道面の最大負荷位置が形成する円の真円度で５μｍ以上とすることが好ましい。なお、「真円度」は、円形形体の幾何学的に正しい円からの狂いの大きさをいい、半径法等により測定される（ＪＩＳ Ｂ０６２１）。

軌道輪を軸方向に変形させるとは、軌道輪の円環の少なくとも一部を軸方向に変形させることである。円環の円周方向の複数個所に軸方向の変形を与える場合、その箇所は、円周方向で等間隔、不等間隔のいずれでもよい。また、治具により変形を与える場合、軌道輪端面における治具の抑え位置は、径方向変形と同様に軌道面に変形が及ぶ位置であれば、特に限定されない。なお、軌道輪において、径方向の変形を与える部位と、軸方向の変形を与える部位とは、一致していなくてもよい。

この方法では、径方向と軸方向の両方向に変形させることが重要である。後述の実施例で示すように、軌道輪が径方向にのみ変形していても、接触要素間のすべりはさほど大きくならないが、軸方向の変形が重畳すると、すべりは著しく大きくなる。すべりを大きくすることで、より効率的に新生面を形成することができ、水素の発生、その鋼材中への侵入の促進につながる。

上記変形は、内輪および外輪の少なくとも一方の軌道輪に対して与える。すなわち、内輪のみを径方向および軸方向に変形させる、外輪のみを径方向および軸方向に変形させる、または、内輪・外輪の双方を径方向および軸方向に形成させることができる。さらに、試験時の内輪回転、外輪回転に関係なく、変形を行なうことができる。

（２）内輪および外輪の少なくとも一方の軌道輪に対して、強制加振を与える方法について説明する。軌道輪に強制加振を与えるとは、軌道輪全体に対して振れを強制的に加えることであり、例えば、任意の方向に沿った振動を加えること、または、任意の軸線周りに偏振を加えることが挙げられる。すべりを増加させやすいことから、軌道輪に対して軸方向振動および／または径方向の中心線周りの偏振を与えることが好ましい。なお、上記径方向は、荷重方向に対し垂直な径方向と、荷重方向に対し平行な径方向の２方向がある。

強制加振は、複数方向の振動と偏振を、それぞれ単独で与えても、組み合わせて与えてもよい。また、後述の表２や図６に示すように、すべりを増加させやすいことから、強制加振の加速度は７０ｍ／ｓ^２以上であることが好ましい。また、強制加振を与える際、加速度は一定、あるいは、定めたパターンで変動できる。ここで、定めたパターンとは、実機の振動の模擬パターンなどである。

強制加振は、内輪および外輪の少なくとも一方の軌道輪に対して与える。すなわち、内輪のみに強制加振を与える、外輪のみに強制加振を与える、または、内輪・外輪の双方に強制加振を与えることができる。また、内輪に対しては軸方向振動を、外輪に対しては径方向の中心線周りの偏振を与えるなど、内外輪のそれぞれに対して異なる振れを与えてもよい。

試験時の内輪回転、外輪回転に関係なく、軌道輪に強制加振を与えることが可能である。ただし、回転輪に強制加振を与えると、該回転輪と嵌め合う軸やハウジングとの間で摩耗が生じるなどのおそれがあるため、非回転側の軌道輪に対してのみ強制加振を与えることが好ましい。

転がり軸受は、一定速度回転させることができる。回転数は３０００ｍｉｎ^−１以上が望ましく、５０００ｍｉｎ^−１以上がより好ましい。３０００ｍｉｎ^−１以上であれば、すべりが生じやすくなり、５０００ｍｉｎ^−１以上であれば、さらに生じやすくなる。また、回転速度を加速させる時間を設けることがより好ましい。加速させる場合、加速と減速を含む回転数パターンを繰り返せばよい。軌道輪の変形や強制加振により、回転輪の回転数が一定であっても、接触要素間のすべりは大きくなるが、回転数を加速させることで、すべりがさらに大きくなる。これにより、上述と同様に、効率的に新生面を形成することができ、水素の発生、その鋼材中への侵入の促進につながる。また、一定回転または加減速の繰り返しの間に、運転を停止する停止時間を設けることで、温度上昇した軸受が冷え、内圧が下がり、試験空間内の高湿な空気を吸い込むため、水素発生が促進される。

寿命評価の対象となる軌道輪における最大接触面圧は、２．０ＧＰａ以上が好ましい。実際の転がり軸受はそれ以下の最大接触面圧で用いられることもあるが、耐水素性を短時間で評価するためには、ある程度高くする必要がある。なお、軌道輪を変形させる場合における最大接触面圧は、変形を考慮しない公称値である。

また、転がり軸受には転動体を一定間隔で保持するための保持器が備えられる。樹脂製の保持器を用いる場合、変形しやすいため、転動体の軸方向の動きを許容し、すべりが小さくなると考えられる。そのため、保持器としては、鉄板など、剛性の高い金属製のものが好ましい。

転がり軸受は、その運動形態から、軌道輪と転動体、軌道輪と保持器、保持器と転動体間などで金属接触が起こり、これらの接触要素間においてすべりを伴う条件で使用されるため、鋼材からなる軌道輪表面などにおける金属新生面の露出により拡散性水素が鋼材中に侵入しやすい等、水素の影響を受けやすいものであるといえる。また、シール部材を有し、軸受内部空間を密閉状態で使用する転がり軸受であっても、温度変化により外気のやりとりが生じる。取り込む外気の容積絶対湿度は、季節や天候により変化するため、転がり軸受を構成する鋼材部材に侵入する拡散性水素量も変化する。よって、転がり軸受の拡散性水素を起因とする損傷寿命を評価するための試験としては、試験空間における絶対湿度を管理することも重要と考えられる。

このため、本発明の転がり軸受の寿命評価方法では、評価を行なう試験空間内の容積絶対湿度を一定に保持しながら、該試験空間内において転がり軸受を回転させることが好ましい。試験空間を閉じた空間とし、ある程度の水分を試験空間内の雰囲気中に有し、この試験空間内の容積絶対湿度を、評価中において設定する任意の値に一定に保つ。具体的には、試験部を密閉容器などで囲い、必要に応じて調湿機を設けて、試験空間内の容積絶対湿度を一定に保持する。水分の試験空間内への導入は、調湿機により雰囲気中に混入させる、容器内に液滴として滴下するなどの方法が採用できる。また、試験空間内の容積絶対湿度は、５ｇ／ｃｍ^３以上であることが好ましい。容積絶対湿度が５ｇ／ｃｍ^３未満であると、試験空間内の雰囲気中の水分量が少なく、水素の発生量および侵入量も少なくなり、評価時間が長くなりすぎるおそれがある。

また、試験空間内の容積絶対湿度に加えて、該試験空間内の温度も一定に保持することが好ましい。拡散性水素の拡散速度は温度に依存するため、温度を一定とすることで、拡散性水素の侵入量のばらつきを抑制できる。温度を一定管理する場合、相対湿度を一定に管理すれば、容積絶対湿度も一定に管理される。

本発明の転がり軸受の寿命評価方法では、軸受内部空間に潤滑剤を封入した状態で評価を行なうことが好ましい。使用雰囲気中の水分が、潤滑剤中に混入し、この潤滑剤が軌道面に介在し、軌道面の金属新生面において、混入している水や潤滑剤自体の分解により水素が発生し、鋼材中への侵入が促進される。また、この条件下での、転がり軸受に封入する潤滑剤や潤滑添加剤の耐水素性に関する評価が可能である。

潤滑剤としては、任意の潤滑油やグリースが使用できる。潤滑油およびグリース基油としては、特に限定されず、転がり軸受の分野で使用される一般的なものを使用できる。例えば、高度精製油、エステル系合成油、合成炭化水素油、リン酸エステル油、シリコーン油、フッ素油などの合成油、スピンドル油、冷凍機油、タービン油、マシン油、ダイナモ油などの鉱油などが使用できる。また、これらの混合油も使用できる。グリースとする際の増ちょう剤としては、特に限定されず、転がり軸受の分野で使用される一般的なものを使用できる。例えば、金属石けん、複合金属石けんなどの石けん系増ちょう剤、ベントン、シリカゲル、ウレア化合物、ウレア・ウレタン化合物などの非石けん系増ちょう剤を使用できる。

本発明の転がり軸受の寿命評価装置は、本発明の転がり軸受の寿命評価方法に用いる寿命評価装置である。また、仮想的に評価する場合、本発明の寿命評価装置は、そのシミュレーション・計算に用いる電子計算機などを含む。

本発明の転がり軸受の寿命評価装置は、転がり軸受を回転させる手段と、内輪および外輪の少なくとも一方の軌道輪に対して、（１）径方向および軸方向の変形を与える手段、（２）強制加振を与える手段、の少なくとも一方を備えてなる。（１）（２）については、寿命評価方法において必要とする側の手段を有していればよい。なお、転がり軸受を回転させる手段としては、任意の公知の手段を採用できる。

図１により、径方向および軸方向の変形を与える変形手段の一例を説明する。図１に示すように、変形手段１は、試験用転がり軸受の外輪２が嵌めこまれる凹部３ａを有する剛体ハウジング３と、外輪２の端面において外径のチャンファ部を押し込む変形治具４とからなる。凹部３ａは、外輪２の変形を許容できるよう、外輪外径よりも僅かに大きい径の凹部としている。変形治具４の配置は、円周方向で等間隔、不等間隔のいずれでもよい。変形治具４は、外輪内側に向かう方向に外輪との距離が離れるテーパ状であり、これら変形治具４により外輪２の外径のチャンファ部を押し込むことで、外輪２の円環は、図中の軸方向上側が狭まり、下側が広がるように変形する。この結果、外輪２は軸方向および径方向の両方向に変形する。

図２により、強制加振を与える強制加振手段の一例を説明する。図２に示すように、強制加振手段５は、加振装置７に連結された治具６を介して試験軸受８に対して軸方向振動を与えている。この治具６は、試験軸受８の外輪の軸方向にのみ振動を伝達する治具である。

変形手段および強制加振手段は、各図に示したものに限定されず、上述の本発明の転がり軸受の寿命評価における、変形、強制加振をそれぞれ実行可能なものであれば任意の手段を採用できる。また、仮想的に評価する際には、これら手段による結果として、変形量、振動周波数、振動加速度などをシミュレーション上での設定条件として与えられるものであればよい。

また、寿命評価方法において、試験空間の容積絶対湿度を一定保持する場合には、本発明の寿命評価装置は、さらに、湿度調整手段を備えてなる。この湿度調整手段は、例えば、上述した密閉容器や調湿機が相当する。

本発明の転がり軸受の寿命評価方法は、転がり軸受の損傷、特に軌道輪に侵入する拡散性水素起因の損傷を、短時間かつ高頻度で発生させることができ、効率よく損傷寿命を評価できる。このため、従来よりも寒冷または灼熱下での建設作業に用いられる建設機械や、従来では積極的に設置検討がなされていなかった洋上や山岳地帯などへ設置する風力発電装置に用いる転がり軸受において、長期にわたる耐水素性を十分に想定した評価を行なった上での設置が可能となる。この結果、メンテナンス頻度を減少させること等が可能となる。

本発明を実施例により具体的に説明するが、これらの例によって何ら限定されるものではない。なお、実施例における動力学解析は、転がり軸受の公知の動力学解析モデル（特開２０１２−２６５００号公報に示すもの）をもとに、軸受を玉軸受として、汎用機構解析ソフト（ＤＭ Ａｄａｍｓ Ｒ３）を用いて行なった。

＜すべりに及ぼす軸方向変形の影響＞
外輪外径φ７５ｍｍ、内輪内径φ４０ｍｍ、幅１６ｍｍ、直径７／１６インチの玉が１０個、鉄板保持器、ラジアルすきま１３μｍ、粘度グレードＶＧ３２の潤滑油が１００℃の玉軸受モデルを用いた。内輪回転数が５０００ｍｉｎ^−１で一定、ラジアル荷重のみで外輪と玉の最大接触面圧が３ＧＰａとなる条件において、（１）外輪に変形がない場合、（２）外輪が径方向に変形して真円度が崩れている場合、（３）外輪が軸方向に変形することで、真円度が崩れ（径方向に変形）、かつ軌道面が軸方向にうねっている場合、について動力学解析を行なった。

外輪に与える変形は、汎用ＦＥＭ解析ソフト（Ｍａｒｃ Ｍｅｎｔａｔ ２００８ ｒ１）を用い、図１の外輪および治具を想定して求めた。具体的には、上記の外輪単体モデルを、内径φ７５．０３３ｍｍ、高さ１４ｍｍの剛体ハウジングモデルに入れ、外輪外径のチャンファ部の４箇所（等間隔、幅１８ｍｍ）に軸方向変位を与えて求めた（図１参照）。

図３はＦＥＭ解析の結果であり、外輪溝底の節点の径方向と軸方向の変位である。径方向の変動幅（実線）である２９．２μｍは真円度に相当する。この場合、軸方向の変動幅（破線）は２５．０μｍであった。図４は、図３の溝底節点の変位を５００倍で３次元表示したもので、（ａ）は変形なし、（ｂ）は径方向変位のみを描いたもの、（ｃ）は図３を３次元化したものである。（ｂ）は面内の花びら型変形であるのに対し、（ｃ）は花びら型変形が軸方向（縦方向）にうねっていることを表している。

動力学解析の外輪モデルの軌道面は、ＦＥＭ解析結果の軌道面の節点の径方向、軸方向の変位の周方向分布をフーリエ級数近似し、それらを理想の軌道面形状に重畳させて変形を模擬した。

動力学解析の結果、外輪軌道面の最大負荷位置における最大すべり率は、変形なしの場合（図４（ａ））、径方向変位のみ（図４（ｂ））ではそれぞれ４％、５％で、ほとんどすべり率は同じであったのに対し、径方向変位に軸方向変形が加わると（図４（ｃ））、すべり率は１６７％と、極端に大きくなった。したがって、軌道輪の真円度を崩し、かつ軸方向に変形させることで、接触要素間に大きなすべりを誘発するといえる。なお、すべり率は、玉と外輪の速度差を、玉と外輪の平均速度で割ったものであり、玉の速度をＶ１、外輪の速度をＶ２とした場合には、すべり率（％）＝（Ｖ１−Ｖ２）／（（Ｖ１＋Ｖ２）／２）×１００で表される。また、最大すべり率は、１６７％である。

＜すべりに及ぼす加速の影響＞
外輪外径φ４０ｍｍ、内輪内径φ１７ｍｍ、幅１２ｍｍ、直径９／３２インチの玉が７個、鉄板保持器、ラジアルすきま５μｍ、粘度グレード３２の潤滑油が７０℃の玉軸受モデルを用いた。ラジアル荷重のみで外輪と玉の最大接触面圧が２．８ＧＰａとなる条件において、外輪回転数の初速が８．７ｍｉｎ^−１、加速度が８７００ｍｉｎ^−１／ｓで加速させる動力学解析を行なった。参照として、外輪回転数が８７００ｍｉｎ^−１一定である以外は同条件での動力学解析も行なった。

その結果、外輪軌道面の最大負荷位置における最大すべり率は、回転数が一定の場合は５％であったのに対し、加速することですべり率の最大値はかなり大きくなり、０．１２ｓ後（回転数１０５３ｍｉｎ^−１時）に極大値２８０％を示した。したがって、加速は接触要素間に大きなすべりを誘発するといえる。

＜すべりに及ぼす振動方向の影響＞
外輪外径φ７５ｍｍ、内輪内径φ４０ｍｍ、幅１６ｍｍ、直径７／１６インチの玉が１０個、鉄板保持器、ラジアルすきま１３μｍ、粘度グレードＶＧ３２の潤滑油が１００℃の玉軸受モデルを用いた。内輪回転数が５０００ｍｉｎ^−１一定、ラジアル荷重のみで外輪と玉の最大接触面圧が２．７ＧＰａとなる条件において、外輪に対してｚ軸方向（軸方向）、ｘ軸方向（荷重方向に対し垂直な径方向）、ｙ軸方向（荷重方向に対し平行な径方向）に強制加振を与える動力学解析を行なった（図５参照）。参照として、強制加振を与えない場合の動力学解析も行なった。

強制加振の加速度は、いずれの方向も４９４ｍ／ｓ^２、周波数は５００Ｈｚとした場合、下記の表１のように、外輪軌道面の最大負荷位置における最大すべり率は、軸方向（ｚ軸方向）の場合は３０％と大きかったのに対し、荷重方向に対し平行な径方向（ｙ軸方向）の場合は４％、荷重方向に対し垂直な径方向（ｘ軸方向）の場合は３％と小さく、強制加振なしの場合の３％とほぼ同じであった。したがって、軸方向（ｚ軸方向）の強制加振は接触要素間に大きなすべりを誘発するといえる。

＜すべりに及ぼす偏振の影響＞
上記＜すべりに及ぼす振動方向の影響＞と同じ玉軸受モデルを用い、内輪回転数が５０００ｍｉｎ^−１一定、ラジアル荷重のみで外輪と玉の最大接触面圧が２．７ＧＰａとなる条件において、図５のように外輪に対して、ｚ軸方向（軸方向）、ｘ軸方向（荷重方向に対し垂直な径方向）、ｙ軸方向（荷重方向に対し平行な径方向）に強制振動、およびｘ、ｙ軸周りに０．１°の強制偏振を与える動力学解析を行なった。

図６および下記表２に、振動もしくは偏振の加速度（および周波数）と、外輪軌道面の最大負荷位置における最大すべり率の計算結果の関係を示す。軸方向（ｚ軸方向）に強制振動を与えた場合、振動の加速度が７０ｍ／ｓ^２よりも大きくなると最大すべり率が大きくなった。それに対し、２つの径方向に強制振動を与えた場合、振動の加速度を大きくしても最大すべり率は大きくならなかった。一方、２つの径方向のｘ、ｙ軸周りに強制偏振を与えた場合、軸方向に強制加振を与えた場合と同様に、偏振の加速度が７０ｍ／ｓ^２よりも大きくなると最大すべり率が大きくなった。したがって、軸方向への強制加振だけでなく、径方向周りに強制偏振を与えても、加速度が７０ｍ／ｓ^２よりも大きくなれば、接触要素間に大きなすべりを誘発するといえる。

＜寿命評価試験＞
図２に示す試験装置を用いて、軸受寿命を実際に評価した。試験軸受は、外輪外径φ７５ｍｍ、内輪内径φ４０ｍｍ、幅１６ｍｍ、直径７／１６インチの玉が１０個の球軸受であり、軌道輪の最大接触面圧を３．０ＧＰａ、繰り返し回転数パターンを、０ｍｉｎ^−１から５０００ｍｉｎ^−１までの１秒加速、５０００ｍｉｎ^−１での１秒保持、５０００ｍｉｎ^−１から０ｍｉｎ^−１までの１秒減速の急加減速とし、軸方向への強制加振あり、なしの２水準で試験を行なった。強制加振ありの場合の振動加速度は７０ｍ／ｓ^２、周波数は２７５Ｈｚとした。試験軸受の寿命時間は、軌道面に剥離が発生するまでの時間で判断した。

試験の結果、強制加振なしの寿命時間が５６１ｈであったのに対し、強制加振ありの寿命時間は１７３ｈであり、軸方向加振の有無により、約３倍の寿命差が得られた。これは、軸方向に振動を付与することが、すべりを誘発し、効果的に新生面が形成され、水素の発生・侵入の促進につながった結果であるといえる。

＜温度湿度管理を含めた寿命評価試験＞
図７に示すプーリ試験機を用いて湿度管理を含めた寿命評価試験を行なった。ハウジング３に試験軸受９を組み込んで変形治具４により変形を与えた後、この試験軸受９を組み込んだハウジング３をプーリ１０に組み込み固定した。試験軸受９の内輪に軸を差し込み固定し、プーリ１０にベルトをかけて回転駆動させた（外輪回転）。試験軸受９は、外輪外径φ４０ｍｍ、内輪内径φ１７ｍｍ、幅１２ｍｍ、直径９／３２インチの玉が７個の玉軸受である。試験条件は、表３に示す温度湿度、荷重（面圧）、運転サイクル、停止時間の有無、変形位置、真円度である。なお、運転サイクルについては、０ｍｉｎ^−１から９０００ｍｉｎ^−１までの１秒加速、９０００ｍｉｎ^−１での１秒保持、９０００ｍｉｎ^−１から０ｍｉｎ^−１までの１秒減速の急加減速とした。寿命の判定は、軌道面での剥離の発生とした。温度湿度は、プーリ試験機を配置した試験室内の温度湿度を調節することで管理した。結果を表３に示す。

試験例１では、温度湿度は３０℃、６０ＲＨ％に制御した。温度と相対湿度が一定であるので、絶対湿度も一定である。面圧は２．８ＧＰａ、運転サイクルは１秒加速、１秒保持、１秒減速を繰り返すか減速運転である。運転中は停止時間はなしとした。変形位置は径方向に２点で、真円度２０μｍとした。寿命時間は１２２ｈで剥離が発生した。

試験例２では、試験例１の条件に対して、面圧は２．７ＧＰａ、変形位置は径方向３点と異なる。寿命時間（ｎ＝２）は１５５ｈ、６５ｈで剥離が発生した。

試験例３では、試験例２の条件に対して、停止時間を１２ｈのうち２ｈ停止時間を設けた（１０ｈは運転、２ｈは停止の繰り返し）。変形位置は軸方向３点で、真円度は３０μｍと異なる。寿命時間（ｎ＝２）は８３ｈ、８８ｈで剥離が発生した。なお、この場合の寿命時間は、停止時間を除いた時間である。

試験例４では、温度湿度の制御はせず、面圧は２．７ＧＰａ、運転サイクルは１秒加速、１秒保持、１秒減速を繰り返すか減速運転である。運転中は停止時間はなしとし、変形もなしとした。寿命時間は１０００ｈまでは剥離することはなかった。

これらの結果より、従来のような急加減速のみでなく、温度湿度を一定（絶対湿度を一定）に保ちつつ変形（特に軸方向）を与えることで、短時間に高頻度で損傷を起こすことが可能となり、鋼材や潤滑材などの耐水素性を効率よく評価できることが分かる。

本発明の転がり軸受の寿命評価方法は、拡散性水素起因の損傷寿命を効率よく評価できるので、ガスタービン、油圧ポンプ、印刷機、撚線機、製紙機械、産業機械用減速機、ロボット減速機、航空機エンジン、建設機械各部、鉄鋼圧延機ロールネック、圧延機用減速機、工作機、鉄道車輌車軸、鉄道車輌駆動装置、ミル用減速機、風力発電装置増速機、自動車変速機などに用いられる転がり軸受の評価に好適に利用できる。

１ 変形手段
２ 外輪
３ ハウジング
４ 変形治具
５ 強制加振手段
６ 治具
７ 加振装置
８ 試験軸受
９ 試験軸受
１０ プーリ

Claims (7)

1. 鋼材からなる軌道輪である内輪および外輪と、この内輪と外輪との間に介在する転動体とを有する転がり軸受において、前記軌道輪中に侵入する拡散性水素起因の損傷寿命を評価する評価方法であって、
   前記内輪および前記外輪の少なくとも一方の軌道輪に対して、（１）径方向および軸方向の変形、（２）強制加振、の少なくとも一方を与えながら、前記転がり軸受を回転させ、接触要素間でのすべりを誘発させることを特徴とする転がり軸受の寿命評価方法。
2. 前記（１）を与えることを必須とし、前記少なくとも一方の軌道輪について、該軌道輪の端面の１箇所以上を治具で抑えることで、径方向および軸方向に変形させることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受の寿命評価方法。
3. 前記（２）を与えることを必須とし、前記強制加振が軸方向振動および／または径方向の中心線周りの偏振を与えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の転がり軸受の寿命評価方法。
4. 寿命評価の対象となる軌道輪における最大接触面圧が、２．０ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の転がり軸受の寿命評価方法。
5. 前記評価中に、回転速度を加速させる時間を設けることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項記載の転がり軸受の寿命評価方法。
6. 前記評価を行なう試験空間内の容積絶対湿度を一定に保持しながら、該試験空間内において前記転がり軸受を回転させることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項記載の転がり軸受の寿命評価方法。
7. 請求項１から請求項５のいずれか１項記載の転がり軸受の寿命評価方法に用いる転がり軸受の寿命評価装置であって、
   前記転がり軸受を回転させる手段と、前記内輪および前記外輪の少なくとも一方の軌道輪に対して、（１）径方向および軸方向の変形を与える手段、（２）強制加振を与える手段、の少なくとも一方を備えてなることを特徴とする転がり軸受の寿命評価装置。