JP2015094686A

JP2015094686A - 回転軸のたわみ量測定方法および測定装置

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Publication number: JP2015094686A
Application number: JP2013234682A
Authority: JP
Inventors: 宗佑鈴木; Sosuke Suzuki; 藤井　幸生; Yukio Fujii; 幸生藤井; 中村　正治; Masaharu Nakamura; 正治中村
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2013-11-13
Filing date: 2013-11-13
Publication date: 2015-05-18
Anticipated expiration: 2033-11-13
Also published as: JP6036654B2

Abstract

【課題】回転軸の軸心（中心軸）に垂直な方向にセンサを設置できない場合でも、回転中の回転軸のたわみ量を効率的に測定することができる、回転軸のたわみ量測定方法および測定装置を提供する。
【解決手段】回転軸の回転中に、回転軸の軸心に垂直な軸端面の変位量を測定し、その測定値から回転中の回転軸のたわみ量を演算・算出することを特徴とする回転軸のたわみ量測定方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転軸のたわみ量測定方法および測定装置に関するものである。

機械装置の運転中に、その機械装置の中で回転している回転軸のたわみ量を測定することは、回転軸のたわみ起因の振動による機械装置の破損防止や、その機械装置を用いて製造した製品の品質保証等に有用である。

従来、回転中の回転軸のたわみ量や傾きの測定技術に関しては、特許文献１や特許文献２などに開示された技術がある。

特許文献１では、タービンロータの回転軸について、軸方向に複数枚ある各ロータディスクの径方向の変位量を計測し、その計測値から芯ずれ量を算出して、その芯ずれ量により回転軸の曲がり量分布を算出している。

特許文献２では、回転軸に対して周方向２箇所以上と軸方向２箇所以上の計４箇所以上に設置した非接触式変位センサによって得られた測定値に演算処理を行い、回転軸の傾き方向と傾き量を算出している。

特開２００８−２８０９９８号公報特開２００１−１５３７５７号公報

特に、機械装置の運転時にのみ回転軸のたわみが発生する場合は、回転軸を機械装置から取り外してそのたわみ量を測定することに意味はなく、機械装置の運転中（回転軸の回転中）に回転軸のたわみ量を測定することが必要である。

また、一般的に、機械装置に用いられる回転軸に垂直な方向にはセンサを設置できない場合が多いという制約がある。

これに対して、特許文献１の方法では、回転軸の回転中に、その曲がり量分布を算出することは不可能である。

一方、特許文献２の方法では、変位センサを設置する場所を確保する為に回転軸の軸端を延長すれば、回転中での測定は可能であるが、変位センサを少なくとも４箇所設置しなければならず、測定装置が大きくなってしまう。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、回転軸の軸心（中心軸）に垂直な方向にセンサを設置できない場合でも、回転中の回転軸のたわみ量を効率的に測定することができる、回転軸のたわみ量測定方法および測定装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。

［１］回転中の回転軸のたわみ量を測定するためのたわみ測定方法であって、回転軸の回転中に、回転軸の軸心に垂直な軸端面の変位量を測定し、その測定値から回転中の回転軸のたわみ量を演算・算出することを特徴とする回転軸のたわみ量測定方法。

［２］回転軸の一方の軸端に円板をその表面が回転軸の軸心に垂直になるように設置して、その円板の表面を回転軸の軸端面とすることを特徴とする前記［１］に記載の回転軸のたわみ量測定方法。

［３］回転軸の一方の軸端に軸端延長部材を接続し、その軸端延長部材の先端に円板をその表面が回転軸の軸心に垂直になるように設置して、その円板の表面を回転軸の軸端面とすることを特徴とする前記［１］に記載の回転軸のたわみ量測定方法。

［４］回転中の回転軸のたわみ量を測定するためのたわみ測定装置であって、回転軸の回転中に、回転軸の軸心に垂直な軸端面の回転中の変位量を測定する変位センサと、該変位センサの測定値から回転中の回転軸のたわみ量を演算・算出する演算処理装置を備えていることを特徴とする回転軸のたわみ量測定装置。

［５］回転軸の一方の軸端に円板をその表面が回転軸の軸心に垂直になるように設置して、その円板の表面を回転軸の軸端面とすることを特徴とする前記［４］に記載の回転軸のたわみ量測定装置。

［６］回転軸の一方の軸端に軸端延長部材を接続し、その軸端延長部材の先端に円板をその表面が回転軸の軸心に垂直になるように設置して、その円板の表面を回転軸の軸端面とすることを特徴とする前記［４］に記載の回転軸のたわみ量測定装置。

本発明においては、回転軸の軸心（中心軸）に垂直な方向にセンサを設置できない場合でも、回転中の回転軸のたわみ量を効率的に測定することができる。

すなわち、本発明においては、回転中の回転軸の軸心に垂直な軸端面の変位量を変位センサで測定し、その測定値から回転中の回転軸のたわみ量を演算・算出するようにしているので、回転軸に垂直な方向に変位センサを設置する必要がないとともに、変位センサを１箇所に設置するだけでいいので、特許文献２の方法に比べて測定装置を小型化することが可能である。

本発明の一実施形態を示す図である。本発明の一実施形態において、回転軸の回転角度と変位センサで測定される変位量の関係を示す図である。本発明の実施例における測定結果を示す図である。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の一実施形態を示す図である。

図１に示すように、本発明の一実施形態におけるたわみ量測定装置１は、非接触式の変位センサ６と演算処理装置８を備えており、両端を軸受３、３で支持された回転軸２の回転中のたわみ量δを以下のようにして測定する。なお、ここでは、回転軸２のたわみ形状は円弧であると仮定している。

（Ｓ１）回転軸２の一方の軸端に軸端延長部材５をその軸心が回転軸２の軸心と一致するように接続して、軸端を長さＸ延長し、その先端に半径Ｒの円板４をその表面が回転軸の軸心に垂直になるように設置する。これによって、円板４の表面４ａが回転軸２の新たな軸端面となる。

（Ｓ２）次に、変位センサ６を回転軸２の設計回転中心軸７から距離Ｙの位置に設計回転中心軸７に平行となるように設置する。

（Ｓ３）そして、変位センサ６によって、回転軸２が回転中の円板４表面（新たな軸端面）の変位量を測定する。

この際の変位センサ６の測定値（変位量）は、回転軸２の回転角に対して、図２に示すように変動する。

その最大距離（最大変位量）をｄ_１と最小距離（最小変位量）をｄ_２とすると、幾何学的に以下の関係が成立する。

φ＝θ／２・・・（１）
θ＝２ｔａｎ^−１（（ｄ_１−ｄ_２）／２Ｙ）・・・（２）
δ＝（１−ｃｏｓθ）×（Ｌ／θ）・・・（３）
ここで、Ｌ：回転軸２の軸長
φ：軸端面の傾き角度
Ｙ：変位センサ６の設計回転中心軸７からの距離
θ：円弧（たわみ）の中心角
δ：回転軸２のたわみ量

（Ｓ４）そこで、演算処理装置８は、変位センサ６の測定結果に基づいて、上式を用いて、回転軸２のたわみ量δを演算・算出する。

すなわち、最大距離（最大変位量）ｄ_１と最小距離（最小変位量）ｄ_２を式（２）に代入して、円弧（たわみ）の中心角θを算出する。そして、算出した円弧（たわみ）の中心角θを式（３）に代入して、回転軸２のたわみ量δを算出する。

このようにして、この実施形態においては、回転軸２の回転中のたわみ量δを算出することができる。

なお、円板４の半径Ｒと、変位センサ６の設計回転中心軸７からの距離Ｙについては、軸端面の傾き角度φの予測値に基づいて、下記の関係が成立するようにしておく。

Ｙ≧Ｘｓｉｎφ ・・・（４）
Ｒ≧（Ｘｓｉｎφ＋Ｙ＋α）／ｃｏｓφ ・・・（５）
ここで、α：変位センサ６の被測定物の必要最小半径

ちなみに、必ずしも軸端の延長は必要ではなく、Ｘ＝０としてもよい。また、軸端面の形状が（５）式を満足するならば、円板４を設置する必要はない。

しかし、軸端の延長と円板４の設置により、変位量を拡大することができるので、測定精度が向上する。

また、変位センサ６については、過流センサ、レーザー変位計等といったものを用いればよく、１μｍ単位以下の分解能があるものであれば、種類は問わない。

本発明の実施例として、上記の本発明の一実施形態に基づいて、回転中の回転軸のたわみ量δを測定した。

その際に、回転軸長さＬ＝２０００ｍｍ、軸端延長長さＸ＝７０ｍｍ、円板半径Ｒ＝４０ｍｍ、変位センサと設計回転中心軸との距離Ｙ＝３０ｍｍとし、変位センサにはレーザー変位計を用いた。

そして、実際のたわみ量δａが２．０、５．０、１０．０ｍｍの３本の回転軸に対して、たわみ量δの測定を行った。なお、上記の実際のたわみ量δａについては、ここでは、回転軸の軸心に垂直な方向にセンサを設置できるようにしていたので、別途、そのセンサで測定した値である。

その結果は以下の如くであった。

（ａ）実際のたわみ量δａ＝２．０ｍｍのとき、ｄ_１＝５．０３１ｍｍ、ｄ_２＝４．９６８ｍｍ、θ＝０．００２１ｒａｄ、算出されたたわみ量（測定値）δ＝２．１ｍｍであった。

（ｂ）実際のたわみ量δａ＝５．０ｍｍのとき、ｄ_１＝５．０７２ｍｍ、ｄ_２＝４．９２８ｍｍ、θ＝０．００４８ｒａｄ、算出されたたわみ量（測定値）δ＝４．８ｍｍであった。

（ｃ）実際のたわみ量δａ＝１０．０ｍｍのとき、ｄ_１＝５．１５７ｍｍ、ｄ_２＝４．８４２ｍｍ、θ＝０．０１０５ｒａｄ、算出されたたわみ量（測定値）δ＝１０．５ｍｍであった。

上記の変位量ｄ_１、ｄ_２はレーザー変位計の分解能の範囲内に入っており、精度よく検出することができた。

そして、上記の回転軸の実際のたわみ量δａと算出されたたわみ量（測定値）δを比較したグラフが図３であり、±１０％の精度でたわみ量を測定することができている。

１たわみ量測定装置
２回転軸
３軸受
４円板（新たな軸端）
４ａ円板の表面（新たな軸端面）
５軸端延長部材
６変位センサ
７設計回転中心軸
８演算処理装置

Claims

回転中の回転軸のたわみ量を測定するためのたわみ測定方法であって、回転軸の回転中に、回転軸の軸心に垂直な軸端面の変位量を測定し、その測定値から回転中の回転軸のたわみ量を演算・算出することを特徴とする回転軸のたわみ量測定方法。
回転軸の一方の軸端に円板をその表面が回転軸の軸心に垂直になるように設置して、その円板の表面を回転軸の軸端面とすることを特徴とする請求項１に記載の回転軸のたわみ量測定方法。
回転軸の一方の軸端に軸端延長部材を接続し、その軸端延長部材の先端に円板をその表面が回転軸の軸心に垂直になるように設置して、その円板の表面を回転軸の軸端面とすることを特徴とする請求項１に記載の回転軸のたわみ量測定方法。
回転中の回転軸のたわみ量を測定するためのたわみ測定装置であって、回転軸の回転中に、回転軸の軸心に垂直な軸端面の回転中の変位量を測定する変位センサと、該変位センサの測定値から回転中の回転軸のたわみ量を演算・算出する演算処理装置を備えていることを特徴とする回転軸のたわみ量測定装置。
回転軸の一方の軸端に円板をその表面が回転軸の軸心に垂直になるように設置して、その円板の表面を回転軸の軸端面とすることを特徴とする請求項４に記載の回転軸のたわみ量測定装置。
回転軸の一方の軸端に軸端延長部材を接続し、その軸端延長部材の先端に円板をその表面が回転軸の軸心に垂直になるように設置して、その円板の表面を回転軸の軸端面とすることを特徴とする請求項４に記載の回転軸のたわみ量測定装置。