JP2015516552A - ベアリングアセンブリのアコースティックエミッションの測定 - Google Patents

Abstract

本発明は、転動体ベアリング（１１０）およびアコースティックエミッションユニット（１２０）を備えたベアリングアセンブリに関する。転動体ベアリング（１１０）は、少なくともベアリングシール（１４０，１４０’）を備えており、アコースティックエミッションユニット（１２０）がベアリングシール（１４０，１４０’）上に配置されたことを特徴とする。本発明は、ベアリングアセンブリにおけるアコースティックエミッションを測定するための改良された方法を提供する。

Description

本発明は、アコースティックエミッションユニットを有するベアリングアセンブリに関する。さらに本発明は、ベアリングアセンブリのアコースティックエミッションを測定するための方法に関する。

転動体ベアリングなどのベアリングアセンブリにおいては、コンポーネントのコンディションを特定し、そして、ことによると将来の故障を予測するために、しばしば、コンポーネントのコンディションを監視する必要がある。コンディションの監視はベアリングアセンブリにとって特に重要である。というのは、それらは極端な動作条件の下で使用され、これによって、今度は、素材およびコンポーネントに大きな負荷が掛かるからである。さまざまな測定を、ベアリングアセンブリ内のコンポーネントのコンディションを監視するために使用することができる。

ベアリングアセンブリの一つの特に重要なコンポーネントは潤滑剤、例えばオイルあるいはグリースである。潤滑剤の主な目的は、転動体、レースウェイおよびケージ間の金属接触を防止することであり、したがってベアリングアセンブリの摩耗を阻止することである。潤滑剤はまた、冷却のために、そして腐食に対してベアリング表面を保護するために使用される。したがって、潤滑剤のコンディションが、ベアリングアセンブリの確実な動作を保証するために監視されることが重要である。すなわち、潤滑剤のコンディションを測定しかつ監視することによって、潤滑不足がある場合に、それを早期に検出することが可能となる。

特定の状況では、ベアリングレースウェイ表面とベアリング転動体との金属接触、すなわち凹凸接触がアコースティックエミッション（ＡＥ）を生じることが観測されている。さらに、アコースティックエミッションは、潤滑剤中の不純物、他の金属ノイズ源、ローラーススキューイングあるいはスキッドによって発生することがある。アコースティックエミッションはまた、金属における亀裂の発生および成長、滑りおよび転位動作、双晶化、または相変態から生じることがある。したがって、さまざまなソースから生み出されたアコースティックエミッションは、ベアリングアセンブリのコンディションの一つの有意かつ測定可能な指標と見なされる。これに鑑みて、ベアリングアセンブリにおけるアコースティックエミッションを監視するための要求が増大している。

一例として、アコースティックエミッションの測定は、ベアリングアセンブリのベアリングアウターリングの表面に、直接、アコースティックエミッションピックアップセンサを取り付けることにより行うことができる。従来、これは、アウターリングの径方向面内で所定の溝またはスペースにアコースティックエミッションピックアップセンサを取り付けることによって実施されている。ＡＥピックアップセンサの取り付けは、例えば、センサーが堅固にベアリングリング面上で保持されるように、接着によってあるいは圧力を使用することによって行うことができる。

だが、ベアリングアセンブリの構造に起因して、ベアリングハウジング内には付加的コンポーネントのために僅かなスペースしか残らない。それゆえ、高いレベルの測定精度および質を維持しながら、ベアリングアセンブリにさまざまな監視装備およびセンサーをマウントとするのは、たいてい困難である。したがって、改良された正確なアコースティックエミッション測定を可能にする、ベアリングアセンブリのコンディションを監視するための代替的解決策が求められている。特に、測定が量産ベアリングアセンブリにおいて実施できるように、監視コンポーネントのサイズおよび機能間のバランスが維持されることが望ましい。

従来技術の上記およびその他の欠点に鑑み、本発明の一般的な目的は、アコースティックエミッションの測定を、信頼性が高く、簡単で、そして正確な様式で実施できるように、アコースティックエミッション（ＡＥ）ユニットを備える改良されたベアリングアセンブリを提供することである。これらおよびその他の目的は、独立請求項において提供される対象事項によって達成される。好ましい任意の特徴は、関連する従属請求項に記載されている。

本発明の第１の態様によれば、転動体ベアリングとアコースティックエミッションユニットとを備えたベアリングアセンブリが提供される。転動体ベアリングは少なくともベアリングシールを備える。さらに、アコースティックエミッションユニットはベアリングシール上に配置される。

本発明は、アコースティックエミッションの改良された測定は、アコースティックエミッションユニットがベアリングシール上に配置される原理によって可能であるという本発明者の認識に基づくものである。こうすることで、高いレベルの測定精度が維持される一方で、ベアリングハウジングなどのさまざまなコンポーネントからの物理的接触に対してほとんどさらされない転動体ベアリング内の位置にアコースティックエミッションユニットが配置される。

したがって、本発明によって、アコースティックエミッションを、ときにはまた、表されたアコースティックエミッション信号を測定することが可能となる。ベアリングアセンブリ内で発生したアコースティックエミッション、例えば特定のアコースティック周波数範囲内の音圧信号を解析することにより、ベアリングアセンブリのコンディションを、特に潤滑状態のコンディションを監視し、評価し、そして定量化することができることが分かっている。したがって、このコンテクストでは、「アコースティックエミッション」との用語は、材料の音および応力の発生を意味する。特に、アコースティックエミッションは、材料中の応力の急激な再分配によって生じる過渡的な弾性波を意味する。構造体またはコンポーネントが外部刺激、例えば圧力、負荷および温度の変化にさらされるとき、局所的ソースは応力波の形態のエネルギーの開放を誘発する。応力波は、通常、構造体またはコンポーネントの表面に伝播し、そして異なる機器および段取りを伴うさまざまな方法で測定することができる。

アコースティックエミッションを分析し、定量化することは、さまざまな安全臨界および生産臨界システムのコンディションを監視するために広く使用される技術である。だが、一般的に知られている潤滑コンディションパラメータの一例は特定の膜厚である。別の実施形態では、潤滑コンディションを示すために使用される潤滑コンディションパラメータは、粘度比κである。粘度比は、潤滑油が十分な油膜を形成するためにその通常の作動温度で有しなければならない最小の定格粘度に対する潤滑剤の実際の粘度の比である。これら潤滑剤パラメータの両方はベアリングの転がり接触面間の表面分離の程度の指標であり、同様に凹凸接触の程度の指標である。したがって、潤滑剤のアコースティックエミッションを測定することにより、当業者によって指定された各種の潤滑剤コンディションパラメータを特定することができる。

ＡＥユニットがシール上に配置される構成によって、ベアリングシールからだけでなく、以下で述べるような、さまざまな隣接ベアリング構造、例えば、潤滑剤、レースウェイ面とベアリング転動体との間の凹凸接触、シールの金属サポート構造体、シールのその他の金属部品からも、アコースティックエミッション測定値を集めることができる。

これは、転動体ベアリングのアウターリングに取り付けられたＡＥセンサーを利用し、単にベアリングアウターリング表面から直接ＡＥ測定値を収集する従前の解決策とは異なる。従来のベアリングアセンブリの構造の分析から明らかであるように、アウターリングの表面はときには偶発的にベアリングハウジングと接触する可能性があるので、アウターリング上に取り付けられたＡＥセンサーは問題を抱える。さらに、アウターリングのベアリング面は平坦ではないので、通常、ＡＥセンサーがアウターリングのリセス内に配置されることが必要である。これに関して、たとえＡＥセンサーがアウターリングのリセス内にあるいはその表面上に搭載されても、既存のベアリングハウジングまたはベアリングアセンブリの改変は、ベアリングアセンブリの使用中にＡＥセンサーが損傷を受けないことを保証するために必要とされるであろう。したがって、本発明によれば、転動体ベアリングの改変はほとんど不要である。特に、ベアリングサポート構造体、すなわちベアリングハウジングの改変および／または置き換えの必要がない。したがって、ＡＥユニットがベアリングシール上に配置される構成によって、改善された正確なＡＥ測定を、転動体ベアリングのアウターリングに直接取り付けられたＡＥセンサーを有することを必要とせずに実施することができる。このようにして、ＡＥ測定値の精度と、ベアリングアセンブリ内で利用可能な空間との間の妥協を必要でなくなり、さまざまな産業での本発明の好都合な適用が可能となる。

好ましくは、アコースティックエミッションユニットは転動体ベアリングのアコースティックエミッションを測定するように構成される。ＡＥ信号は、ベアリングアセンブリ内に生成され、そしてベアリングシールへと転動体ベアリングの潤滑剤を介して伝達されかつ／またはアウターリングとベアリングシールとの間の機械的インターフェースを介して伝達されてもよい。これによって、アコースティックエミッションユニットは、好ましくは、潤滑剤のアコースティックエミッションを測定するように構成される。したがって、本発明のコンテクストにおいて、アコースティックエミッションユニットは、特に、ベアリングアセンブリにおける潤滑剤の問題を検出するように運用されてもよい。このように、ＡＥユニットは、ベアリングアセンブリが損傷する前に、潜在的な問題の兆候を検出するよう構成される。この目的のために、さまざまな例示的実施形態では、ベアリングシールは潤滑剤を保持することができる。ベアリングシールがベアリングキャビティ内で潤滑油を保持することとは別に、それらはまた汚染物質の侵入を防ぐように設計される。潤滑剤はオイルであってもよく、これは一つ以上の転動体を潤滑するために使用される。別の実施例では、潤滑剤はグリースであってもよい。

さらに、本発明によって、故障までの警告時間を延長し、かつ、ベアリングアセンブリの損傷前に潤滑剤の問題を正すことが可能となる。潤滑剤の問題の早期検出は、故障前の警告時間を増加させ、早期介入および問題の修正を可能にする。アコースティックエミッション信号自体は、通常、バンドパス濾過され、整流され、そして覆い隠されることに留意されたい。上述したように、分析は、その後、標準的なコンディション監視ツールを用いて実施される。

アコースティックエミッション信号は、各種センサーを用いて取得することができる。したがって、アコースティックエミッションユニットは、有利なことには、周波数を測定するためのセンサーの形態で提供される。一実施例では、ＡＥユニットは、Ferropermから入手可能である圧電結晶センサーの形態で提供することができる。だが、ＡＥセンサーは、一般に当技術分野で知られており、かつ、適切なＡＥセンサーの選択は、最終的には、実施される所望の測定ならびにベアリングアセンブリのサイズおよび用途に依存する。したがって、さまざまなタイプ、形状およびサイズのＡＥユニットが考えられ、そしてＡＥユニットの特性および設計は当業者にとって自明である。アコースティックエミッション信号は、好ましくは、インターフェイスカードを使用して処理されかつ包囲される。インターフェイスカードは当業者にとって商業的に入手可能である。インターフェイスカードは信号処理ユニットに包含されてもよい。

アコースティックエミッションは広い帯域幅を、一般的にゼロヘルツから数メガヘルツまでからの周波数をカバーする。これは、通常、０Ｈｚから約２０Ｈｚまでをカバーする超低周波音、約２０Ｈｚから２０ｋＨｚまでをカバーする音波、そして約２０ｋＨｚ超で数メガＨｚまでの超音波へと細分化される。したがって、好ましくは、アコースティックエミッションユニットは、１００ｋＨｚないし１ＭＨｚの周波数を測定するよう構成される。さらに好ましくは、アコースティックエミッションユニットは、１５０ｋＨｚ〜４５０ｋＨｚの周波数を測定するように構成される。というのは、この範囲の周波数はベアリングアセンブリ欠陥および潤滑剤問題に関してエネルギーのかなりの放出に達することが判明しているからである。さらに後者の範囲は、特に、転動体ベアリングにおける凹凸接触と関連付けられ、これは望ましくないアコースティックエミッションが除去されることを意味する。

したがって、上記構成により、診断に到達しかつこの範囲の外にある周波数を抑制するために、正確な信号処理のために重要である周波数を強めることが可能となる。

好ましくは、アコースティックエミッションユニットは、ベアリングシールの外面に、すなわちベアリングシールの空気側に配置される。ベアリングシールの空気側は、通常、ベアリングシールの潤滑剤に面する表面の反対側である。

さまざまな例示的実施形態では、ベアリングシールは金属から製造することができる。金属製のベアリングシールは、さらに確実にかつ正確に、アコースティックエミッションが材料を通って変換されることを保証する。ベアリングアセンブリは、好ましくは、シャフトを支持するよう構成される。

例示的実施形態によれば、転動体ベアリングは、インナーリング、アウターリングおよびその間に配置された一組の転動体を有する。

好ましくは、ベアリングシールは、インナーリングとアウターリングとの間の空間Ｓを覆うように配置される。このようにして、転動体からの潤滑剤の漏れが防止される。ベアリングシールが転動体ベアリングから潤滑剤の漏れを防止できる限り、ベアリングシールのさまざまな代替的構成が本発明の範囲内で想定されることに留意されたい。好ましくは、ベアリングシールは少なくともアウターリングに取り付けられる。加えてまたは代替的に、ベアリングシールはインナーリングに取り付けられてもよい。同様に、ベアリングシールが両方のリングに取り付けられてもよい。このようにして、ベアリングシールは、インナーリングからアウターリングへと延在する。代替的に、あるいは追加的に、ベアリングシールは、アウターリングからインナーリングの隣接コンポーネントへと延在してもよい。隣接コンポーネントの一例は磁気インパルスリングであってもよい。磁気インパルスリングは可変磁場源を提供するが、そこから、アクスルトロニクス（axletronics）センサー内で使用されるセンサーが磁束変化を検出する。通常、磁気インパルスリングは、多数の異なる負および正極を備えたソフトフェライトリング材料から形成される。アクスルトロニックセンサアセンブリ内に配置された磁気ピックアップセンサが磁気インパルスリングを通過するとき、磁気ピックアップセンサは、変化する磁場を検出し、ＲＰＭウエーブワーム／信号を生成する。隣接コンポーネントの別の例は裏当てリングであってもよい。裏当てリングは、シャフトに対してベアリングアセンブリの軸方向位置を固定するために配置される。ベアリングシールがアウターリングからベアリングハウジングまで延在することさえ可能である。

インナーリング、アウターリングおよび一組の転動体は、通常、ケージ内に保持される。アウターリングは、ベアリングが稼働している間、通常、静止、すなわち非回転状態である。

一組の転動体は、例示的実施形態によれば、ベアリングアセンブリのインナーリングの周りを周方向に広がりかつ転がる一列の整列した転動体を形成してもよい。このようにして、インナーリングおよび一組の転動体は、動作中、環状形態でシャフトの周りに広がる。

さまざまな例示的実施形態によれば、インナーリングはインナーレースウェイを備える。同様に、アウターリングはアウターレースウェイを備える。インナーリングは、好ましくは、ケージおよび／または追加の支持構造を介してアウターリングに連結される。ケージは、インナーリングに関連してアウターリングを支持するように配置される。ケージは、有利なことには、ベアリングアセンブリがミスアライメントを許容するが、インナーリングに関するシャフトの軸方向変位を制限するように、第１のアウターリングに関連した一組の転動体と協働するアウターリングのポジションを制御するように構成されてもよい。さらに、ケージは、動作中に互いに関連して、かつ／またはベアリングアウターハウジングに関連して、インナーリングおよびアウターリングを連係動作可能に結合するための適切なサポートを提供する。これによって、ベアリングアセンブリは、好ましくは、ベアリングアウターハウジングを備えてもよい。

さまざまな例示的実施形態によれば、転動体ベアリングは、ラジアル転動体ベアリング、球面ローラースラストベアリング、円錐ローラーベアリング、円筒ローラースラストベアリング、スラストボールベアリング、アンギュラコンタクトボールベアリング、あるいはこれらのベアリングタイプの二つ以上の組み合わせから形成されてもよい。例えば、ベアリングアセンブリは、第１および第２の転動体ベアリング装置を含んでいてもよく、第１および第２の転動体ベアリングは、上記の例示的ベアリングタイプのいずれか一つの特徴に基づくような、さまざまな転動体要素およびレースウェイ設計を備えた、さまざまなベアリングタイプから形成されてもよい。

本発明は鉄道用ベアリングに特に適している。したがって、その第２の態様によれば、本発明は鉄道用ベアリングに関する。鉄道用ベアリングでは、ベアリングシールは、通常、金属シールカバーの形態で提供される。好ましくは、金属シールカバーは、機械的に、アウターベアリングリングとベアリングインナーリングの両方に取り付けられる。代替的に、金属シールカバーは、アウターリングまたはインナーリングと、間接的な物理的接触状態であってもよい。金属シールは、通常、ベアリング（アウターリング）に圧入され、ラビリンス構造体内でインナーリングと係合する。一端（たいていはインナーリング）は、ベアリングアセンブリが回転できることを保証するように、自由に回転できる必要がある。したがって、このベアリングアセンブリは鉄道用ベアリングに包含されることができる。だが、このベアリングアセンブリの用途は鉄道用ベアリングに限定されるものではない。代わりに、このベアリングアセンブリは、ベアリングアセンブリを必要とする適切な産業環境に包含されることができる。

したがって、本発明は、それが、ＡＥユニットが、既存の市販のアクスルトロニクスハウジング、例えば鉄道ベアリングオドメーター内にマウントされることを可能にするという点でさらに有利である。アクスルトロニクスハウジングはベアリングの回転数（rpm）を測定するために、鉄道用ベアリングの磁気インパルスリングを使用する。収集された情報、すなわち測定されたアコースティックエミッションは、続いて、列車システムまたは遠隔監視システムへと無線送信することができる。さまざまな実施形態において、鉄道用ベアリングは、したがって、磁気インパルスリングを含んでいてもよい。好ましくは、ベアリングシールはアウターリングから磁気インパルスリングへと延在する。上述したように、このコンテクストでは、磁気インパルスリングは、インナーリングの隣接コンポーネントと呼ぶことができる。

有利なことには、ベアリングアセンブリは信号処理ユニットを備えることができる。信号処理ユニットはＡＥ信号を処理することができる。上述したように、アコースティックエミッション信号は、好ましくは、インターフェイスカードを使用して処理されかつ包まれる。このように、信号処理ユニットはインターフェイスカードを含んでもよい。好ましくは、信号処理ユニットは、周波数の変化の検出率からの潤滑剤の漏れ速度を決定するように構成される。周波数が許容漏れの最大レベルに対応する所定の閾値に達したとき、信号処理ユニットはアラーム信号を発するように、さらに構成されてもよい。これに代えて、あるいは、さらに、信号処理ユニットは、漏れの特定速度が所定の閾値を超えたときにアラーム信号を発するように構成されてもよい。

アコースティックエミッションユニットは、さらなる処理に適したフォーマットおよび範囲へと、信号または検出された指標を変換するために、単一の信号処理ユニットに連係動作可能に接続されてもよい。

好ましくは、アコースティックエミッションユニットは、コンディション監視ユニットに接続することができる。コンディション監視ユニットの機能は、関連するベアリングのコンディションの診断を行うことである。加えてまたは代替的に、コンディション監視ユニットは、故障を予測して検出するよう構成することができる。一例として、コンディション監視ユニットは、例えば、擦過によるシューという音、パチパチという音、そして低く重い音を検出するように仕向けることができる。

信号処理コンディションのそれぞれは、対応するアラーム信号を有することができる。したがって、アコースティックエミッションユニット、信号処理ユニットおよびコンディション監視ユニットは、アラーム発生ユニットに連係動作可能に接続されてもよい。好ましくは、アラーム発生ユニットは、ディスプレイによって各診断の値を表示するように構成される。好ましくは、アラーム発生ユニットは、検出された周波数の変化率が一つ以上の所定の限界を超えた場合に警告または警報を発するように構成することができる。

さまざまな例示的実施形態では、信号処理ユニットはベアリングアセンブリの一体部分であってもよい。だが、信号処理ユニットは、ＡＥユニットから離れて配置されてもよい。さらに、コンディション監視ユニット、アラーム発生ユニットおよびディスプレイは、信号処理部の一体部分であってもよい。だが、コンディション監視ユニット、アラーム発生ユニットおよびディスプレイはまた、ベアリングアセンブリ内の別個の部品であってもよい。

ある例示的実施形態では、アコースティックエミッションユニットは、無線式、受動センサーの形態で提供することができる。無線センサーは多くの利点を有し、例えば、センサーをキャリア材（例えばラバーシールリップ）内に埋め込むことができる。このようにすることで、センサーの要素は付加的なシーリングを備える必要がない。入力トランスデューサを共振させるためのエネルギーは呼掛け信号から得られるので、バッテリーまたは電源は必要とされない。

本発明の第３の態様によれば、ベアリングアセンブリにおいてアコースティックエミッションを測定するための方法が提供される。このコンテクストにおいて、ベアリングアセンブリは、ベアリングシールを有する転動体ベアリング、およびアコースティックエミッションユニットを備える。上述したように、アコースティックエミッションユニットは、ベアリングシール上に配置される。本方法は、アコースティックエミッションユニットによって、転動体ベアリングからのアコースティックエミッションを測定するステップを備える。

好ましくは、本方法はさらに、信号処理ユニットによって、測定されたアコースティックエミッションを抽出して分析するステップを含む。

好ましくは、本方法はさらに、信号処理ユニットによって、測定されたアコースティックエミッションに基づいて、転動体ベアリング要素および／または潤滑剤のコンディションを特定するステップを含む。

好ましくは、本方法はさらに、コンディション監視ユニットによって、転動体ベアリング要素および／または潤滑剤のコンディションの診断を行うステップを含む。

提案される方法による一つの利点は、まさに、それが、ベアリングアセンブリのアコースティックエミッションの改善された正確な測定を可能にすることである。

特許請求の範囲および以下の説明を検討することで、本発明のさらなる特徴およびそれによる利点は明らかになるであろう。本発明の異なる特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、以下に記載されるもの以外の実施形態を創出するために組み合わせることができることは、当業者にとって明白である。

その特定の特徴および利点を含む、本発明のさまざまな態様は、以下の詳細な説明および図面から明らかとなるであろう。

本発明に係るベアリングアセンブリの一部の一例の概略正面図であり、このベアリングアセンブリはアコースティックエミッションユニットを備える。 本発明に係るベアリングアセンブリの一例の概略断面図であり、このベアリングアセンブリはアコースティックエミッションユニットを備える。 本発明に係るベアリングアセンブリの第２実施例の概略断面図であり、このベアリングアセンブリはアコースティックエミッションユニットを備える。 本発明に係る方法の一例のフローチャートを示す概略図である。 従来技術に係るベアリングアセンブリのアコースティックエミッションを測定するための方法の一例を示す概略図である。

以下、本発明について、その目下の好ましい実施形態が示された図面を参照しながら詳細に説明する。しかしながら、本発明は多くの異なる形態で具体化することができ、ここで説明する実施形態に限定されると解釈すべきではない。むしろ、これらの実施形態は、徹底性および完全性のために提供され、当業者に本発明の範囲を十分に伝えるものである。参照数字は全体を通して同じ要素を指し示す。

以下の説明における方向は図中のコンポーネント間の位置関係の理解を容易にするために使用されることに留意されたい。したがって、ベアリングアセンブリの設置方向、使用モード等などはこれによって特定されない。同じことは以下で説明する他の実施形態にも当てはまる。

ここで、特に図１および図２を参照すると、例示的実施形態に係るベアリングアセンブリの一部の一例が示されている。ベアリングアセンブリは、転動体ベアリング１１０およびアコースティックエミッションユニット１２０を備える。さらに、転動体ベアリング１１０は、ここでは、インナーリング１１２、アウターリング１１４およびその間に配置された一組の転動体１１６を備える。インナーリング１１２、アウターリング１１４および一組の転動体１１６は、通常、ケージあるいはリテーナー１１８内で保持される。さまざまな例示的実施形態によれば、ケージ１１８は、インナーリング１１２あるいはアウターリング１１４のいずれかによって転動体ベアリング１１０内の意図された位置で案内されかつ保持されることができる。ケージ１１８はまた、シャフト１２２の周囲に配置された、別個のガイドリング（図示せず）上で案内されてもよい。さらに、あるいは、これに代えて、以下でさらに説明するように、ベアリングアウターハウジング１５０内に配置されてもよい。さらに、ケージ１１８はまた、一組の転動体１１６によって案内されてもよい、例えば、ケージ１１８は金属および／またはポリマー材料から形成されてもよい。ケージ１１８はさらに、一組の転動体１１６およびインナーあるいはアウターリング１１２，１１４の少なくとも一方が、ケージ１１８によって単一のユニットとして一つに保持された自己充足ユニットを形成するように配置されてもよい。

図１および図２に示す実施形態において、一組の転動体１１６は円柱形ローラー要素から形成される。一組の転動体１１６は、シャフト１２２の軸線の周りに環状円周方向列をなして配置され、かつ、インナーリング１１２とアウターリング１１４との間に介在させられる。一般に、インナーリング１１２はインナーレースウェイ１２４を備える。インナーレースウェイ１２４は、一般に、転動体１１６との接触に起因する負荷に耐えるために、そしてベアリングアセンブリ１００の長寿命を確保するために、硬化表面層を有する。同様に、アウターリング１１４はアウターレースウェイ１２６を備える。やはり、アウターレースウェイ１２６も、一般に、転動体１１６との接触に起因する負荷に耐えるために、そしてベアリングアセンブリ１００の長寿命を確保するために、硬化表面層を有する。インナーレースウェイ１２４およびアウターレースウェイ１２６は転動体１１６と接触状態であり、これによって転動体１１６と協働するように配置される。このために、転動体１１６は、インナーリング１１２とアウターリング１１４との間の軸方向および角度変位を可能とするために、レースウェイと関連してかつそれに当接して回転する。これによって、ある用途において動作中の荷重は、ベアリング軸線に対してある角度をなして、一つのレースウェイから別のものへと伝達され、これは、軸方向荷重だけでなく、半径方向荷重のための順応およびサポートを可能とする。

図１および図２に示すように、ベアリングアセンブリ１００は、ここでは、ベアリングアウターハウジング１５０を含み、これは、ベアリングアセンブリ１００のその他のコンポーネントを取り囲みかつ保護するように配置される。さらに、ベアリングアウターハウジング１５０は、ここでは、ベアリングアセンブリ１００のアウターリング１１４を収容しかつそのポジションを制御し、そして一組の転動体１１６およびインナーリング１１２を統合されたベアリングアセンブリへと一体化するために配置される。

転動体ベアリング１１０はさらに、少なくともベアリングシール１４０を備える。図１および図２の例示的実施例では、転動体ベアリング１１０は、第１のベアリングシール１４０および第２ベアリングシール１４０’を備える。さまざまな例示的実施形態では、ベアリングシール１４０，１４０’は潤滑剤１２８を保持し得る。すなわち、転動体ベアリングは潤滑剤１２８を含む。これによって、アコースティックエミッションユニット１２０は、潤滑剤１２８のアコースティックエミッションを測定するよう構成される。これとは別に、ベアリングシール１４０および１４０’はベアリングキャビティ内で潤滑剤１２８を保持する。ベアリングシール１４０および１４０’は、汚染物質の侵入を防ぐように設計されている。潤滑剤１２８はオイルであってもよく、これは一つ以上の転動体１１６を潤滑するために使用される。別な例では潤滑剤１２８はグリースであってもよい。

ベアリングアセンブリ１００は、任意選択で、グリースリザーバーと、ベアリングアセンブリのキャビティ内へと延びるグリース供給ラインとを有する電気浸透ポンプ（図示せず）を備えてもよい。これに関して、ポンプは、転がり接触ゾーンに、直接、少量のグリースを供給するように作動させられる。ベアリング動作中、供給されたグリースは全体に行きわたり、そしてベースオイルが放出されるが、これは、転動体ベアリング１１０の転動体１１６とレースウェイ１２４，１２６との間に潤滑膜を形成する。

図１および図２に示されるように、ベアリングシール１４０，１４０’は、インナーリング１１２とアウターリング１１４との間のスペースＳを覆うように配置される。このようにして、潤滑剤１２８は、転動体１１６から漏れるのが防止される。ベアリングシール１４０のさまざまな代替構成が、ベアリングシール１４０が潤滑剤の漏れが防止されるようにスペースＳをカバーする限り本発明の範囲内で想定されることに留意されたい。例えば、ベアリングシール１４０および１４０’は、さまざまな例示的実施態様においては、少なくともインナーリング１１２に対して取り付けることができる。付加的にあるいは代替的に、ベアリングシール１４０および１４０’は、少なくともアウターリング１１４に対して取り付けることができる。同様に、ベアリングシールは両方のリング１１２および１１４に対して取り付けることができる。このようにして、ベアリングシール１４０はアウターリング１１４からインナーリング１２へと延在する。本発明の範囲内で、ベアリングシール１４０および１４０’は、ベアリングアウターハウジング１５０などのベアリングアセンブリ１００のその他の部品に対して取り付けることもできる。だが、図２に示すように、ベアリングシール１４０は、好ましくは、アウターリング１１４からインナーリング１１２の隣接コンポーネント１３０へと延在する。この例では、隣接コンポーネントは、図２に参照数字１３０で示すように、磁気インパルスリングの形態で提供される。磁気インパルスリングは、通常、インナーリング１１２に対して設けられる。本発明のコンテクストにおいて、隣接コンポーネント１３０は、ベアリングアウターハウジング１５０の一部であってもよい。隣接コンポーネントのさらに別の例は、図２に参照数字１３６で示すように、裏当てリングであってもよい。裏当てリング１３６は、ここでは、インナーリング１１２に対して隣接するコンポーネントであり、かつ、シャフト１２２に対してベアリングアセンブリの軸方向位置を固定するために配置される。通常、隣接コンポーネント１３０は、インナーリングを回転可能としながら、インナーリング１１２と物理的接触状態である。

第１のベアリングシール１４０は、任意選択で、小さな直径（例えば０．５ｍｍ）を有するグリース供給ラインをベアリングキャビティを通過しそこに出現することを可能とするために、小さな開口を備えてもよい。さまざまな実施例では、グリース供給ラインの吐出口は、転がり接触ゾーンにグリースを供給するために、ちょうどケージ１１８のバーの上方に配置される。このようにして、ベアリングアセンブリ１００は、必要に応じて、能動的潤滑を転動体ベアリング１１０に提供するよう構成される。十分な潤滑は、転動体ベアリングの動作にとって必須であり、あまりにも多くのオイルまたはグリースが失われた場合、ベアリングは故障する。この故障は、今度は、ベアリングを組み込んだマシンに重大なダメージを引き起こすことがある。このような場合、ダメージが生じる前にベアリングシールを交換できるように漏れを検出できることが有利である。

従来技術では、潤滑剤のコンディションは、ベアリングアセンブリのアコースティックエミッションを測定することによって監視される。図５は、対応する従来の実施形態を示している。この図では、以下と同様、参照数字１２０は、アコースティックエミッションユニットを指し示す。図５に示すように、従来方法は、ベアリングアセンブリのベアリングアウターリング面１１４に、直接、アコースティックエミッションセンサーを取り付けることにより行われる。アコースティックエミッションセンサーの取り付けは、例えば、センサーがベアリングリング面上に堅固に維持されるように、接着によってあるいは圧力を用いてなされてもよい。だが、図５から明らかであるように、ベアリングハウジング１５０とアウターリング１１４との間にはスペースが不足している。したがって、測定に関して高いレベルの質を維持しながら、アウターリング１１４上にアコースティックエミッションユニット１２０を正確に位置決めすることは非常に困難である。たとえアコースティックエミッションユニット１２０がアウターリング１１４の表面に正確に配置されても、動作中にセンサーがダメージを受けるよう、それが誤ってベアリングアウターハウジング１５０の内面に接触する可能性が依然として高い。

本発明は、ＡＥ測定における高いレベルの質および精度を依然として維持しながら、ベアリングハウジング１５０などのさまざまなコンポーネントからの物理的接触に対してほとんどさらされない転動体ベアリング１１０内の位置にアコースティックエミッションユニットを配置する可能性を提供する。

この程度まで、そして図１および図２に示されるように、本発明に係るベアリングアセンブリは、ベアリングシール１４０上に配置されるアコースティックエミッションユニット１２０を備える。本発明のコンテクストにおいて、アコースティックエミッションユニット１２０は、ここでは、転動体ベアリング１１０のアコースティックエミッションを測定するように構成される。アコースティックエミッションユニット１２０は、好ましくは、図１および図２に示されるように、ベアリングシール１４０の外側または外面上に配置される。「ベアリングシールの外側」との用語は、通常、ベアリングシール１４０の潤滑剤に面する側とは対照的に、空気側であるベアリングシール１４０の側を意味する。図１および図２に示すように、アコースティックエミッションユニット１２０は、ここでは、ベアリングシール１４０の一部に対して、直接、取り付けられる。本発明のコンテクストにおいて、アコースティックエミッションユニット１２０は、音波圧力を捕捉し、その後、それを電気信号に変換するように構成される。したがって、電気コネクターまたは電気ケーブル（図示せず）をアコースティックエミッションユニットに接続することができる。だが、アコースティックエミッションユニット１２０および各種電気ユニットを電線あるいはケーブを用いずに実施できるように、無線接続を使用することがより一般的かつ適切である。さらに、発電、蓄電および無線データ伝送などの各種ユニットは、ベアリングアセンブリ内で完全に自己充足的であってもよい。

アコースティックエミッションユニット１２０は、通常、周波数を測定するためのセンサーの形態で提供されてもよい。好ましい実施形態では、アコースティックエミッションユニット１２０は、通常、圧電水晶センサーの形態のセンサーを備え、これはFerropermから入手可能である。アコースティックエミッションセンサーは、好ましくは１００ｋＨｚないし１ＭＨｚの周波数範囲を有することができる。さらに好ましくは、アコースティックエミッションセンサーの周波数範囲は、１５０ｋＨｚないし４５０ｋＨｚであってもよい。

周波数を測定することにより、アコースティックエミッションユニット１２０は、ベアリングアセンブリ１００のさまざまなコンディションを測定することができる。例えば、周波数の初期変化は、ベアリングアセンブリの特定の欠陥を示すことがある。周波数は、ベアリングアセンブリ１００の現在のコンディションの指標を提供するために、一定の間隔で、例えば１５分毎に一度、測定することができる。

図３に大まかに示すように、アコースティックエミッションユニット１２０はさらに、さらなる処理に適した形式および範囲へと、信号あるいは検出された指標を変換するために、信号処理ユニット１６０に連係動作可能に接続されてもよい。信号処理ユニット１６０はさらに増幅ユニットを備えることができる。加えてまたは代替的に、信号処理ユニット１６０はアナログ・デジタル変換ユニットを含んでいてもよい。加えてまたは代替的に、信号処理ユニット１６０はフィルタリングユニットを含んでもよい。すべての信号処理はアナログ領域であってもよいことに留意されたい。だが、デジタル領域で可能な限り多くの処理を行うことがより一般的であり、したがって、アナログ・デジタル変換をアナログ出力に近似して位置付けることが望まれる。信号処理はまた、アナログおよびデジタル領域のミクスチャーにおいて実施されてもよい。信号処理ユニット１６０は、通常、電気的接続を形成するために、電線によってＡＥユニット１２０に接続される。だが、信号処理ユニット１６０はまたＡＥユニット１２０に無線接続されてもよい。

図３に大まかに示すように、アコースティックエミッションユニット１２０はさらに、コンディション監視ユニット１８０に接続されてもよい。コンディション監視ユニット１８０の機能は、関連するベアリングのコンディションの診断を提供することである。加えて、または代替的に、コンディション監視ユニット１８０は、故障を予測し、検出するように構成することができる。一例として、コンディション監視ユニット１８０は、例えば擦過によるシューという音、パチパチという音、そして低く重い音を検出するように仕向けられてもよい。さらに、または代替的に、コンディション監視ユニット１８０は、損傷の程度と関連付けられる音の大きさを検出するように仕向けられてもよい。加えて、または代替的に、コンディション監視ユニット１８０は、金属対金属接触による金切り音を検出するように仕向けられてもよい。加えて、または代替的に、コンディション監視ユニット１８０は、障害がベアリングアセンブリに関連付けられるかどうかを検出するように、かつ／または、ベアリング損傷によるカチカチ音を検出するように仕向けられてもよい。信号処理コンディションのそれぞれは、対応するアラーム信号を有することができる。したがって、アコースティックエミッションユニット１２０、信号処理ユニット１６０、コンディション監視ユニット１８０は、アラーム発生ユニット２００に連係動作可能に接続されてもよい。アラーム発生ユニット２００は、ディスプレイ２１０によって各診断の値を表示するように構成することができる。アラーム発生ユニット２００は、検出された周波数の変化率が一つ以上の所定の限界を超えた場合に警告または警報を発するように構成することができる。アラーム発生ユニット２００の値あるいは限界は、例えば、キーボード入力によって設定することができる。加えて、または代替的に、アラーム発生ユニット２００は、予め設定された値を有することができる。加えて、または代替的に、アラームレベルは、バイナリタイプまたはマルチレベルタイプであってもよい。バイナリタイプアラームは二つのレベルのみを、例えばオンあるいはオフ、良好あるいは不良を有する。マルチレベルタイプアラームは、三つ以上のレベル、アラームなし、警戒アラームおよび危険アラームを提供できる。例えば、第１の所定の限界値を超えた場合、アラーム発生ユニット２００は、ベアリングシール１４０は１週間以内に交換しなければならないことを指し示してもよい。第２の所定の限界値は、漏れの壊滅的な速度の指標であるように設定されてもよい。第２の制限値に到達するかまたは超過した場合、信号処理ユニット１６０は、好適には、機械の停止を引き起こすように構成される。緊急性のさまざまな程度はアラーム発生ユニット２００から発せられたアラーム信号によって伝達できることに留意されたい。

図３から明らかであるように、信号処理ユニット１６０は、ここでは、ベアリングアセンブリの一体部分である。だが、信号処理ユニット１６０は、代替的に、ＡＥユニット１２０から離れて配置されてもよい。さらに、コンディション監視ユニット１８０、アラーム発生ユニット２００およびディスプレイ２１０は、信号処理ユニット１６０の統合部分であってもよい。だが、コンディション監視ユニット１８０、アラーム発生ユニット２００およびディスプレイ２１０は、同様に、ベアリングアセンブリ内の別個の部品であってもよい。

図３はベアリングアセンブリ１００の簡略図であり、ベアリングアセンブリに対する、そしてその中での電気的接続部といったさまざまな構造体およびベアリングアセンブリを搭載するための構造体は明示的に示されていないことに留意されたい。だが、そのような構造体は、当業者には自明な多くの異なる方法で提供できる。

本発明の実施形態の全てにおいて、ベアリングアセンブリは、転動体ベアリング１１０の改良された、そして正確なＡＥ測定を可能とする。さらに、ベアリングアセンブリは、好ましくは、潤滑剤１２８の改良された、そして正確なＡＥ測定を可能にする。これは、特に、ＡＥユニットがベアリングシール１４０上に配置されることで実現される。このために、ベアリングシール１４０からだけでなく、さまざまな隣接ベアリング構造体、例えば潤滑剤１２８、レースウェイ面とベアリング転動体１１６との間の凹凸接触、ベアリングシールの金属サポート構造体、またはシールのその他の金属部品からアコースティックエミッション測定値を収集することができる。したがって、ＡＥユニット１２０がベアリングシール１４０上に配置される構成によって、改善された正確なＡＥ測定を、ＡＥユニット１２０が直接転動体ベアリング１１０のアウターリング１１４上に取り付けられることを要さずに実施することができる。したがって、ＡＥ測定の精度および質と、ベアリングアセンブリ内の利用可能な空間との間の妥協は必要なく、さまざまな産業において本発明の簡便な応用が可能となる。

本発明に係るベアリングアセンブリは、上記実施形態の特定の構造に限定されるものではない。例えば、アコースティックエミッションユニット１２０は、無線、受動センサーの形態で提供することができる。このコンテクストにおいて、アコースティックエミッションユニット１２０はさらに、入力トランスデューサに接続された受信アンテナを備えることができ、これによって呼掛け信号は、電磁（無線）波を介して送信される。好ましくは、アコースティックエミッションユニット１２０はさらに、出力トランスデューサに接続された送信アンテナを備えてもよい。同様に、出力信号はまた、電磁（無線）波により送信されてもよい。当業者には明らかであるように、アンテナは、受信と送信の両方のための単一の閉ループとして構成することができる。無線センサーは多くの利点を有し、例えばセンサーはキャリア材（例えばラバーシールリップ）内に埋め込むことができる。このようにすることで、センサーの要素は付加的なシーリングを備える必要はない。さらに、バッテリーあるいは電源は不要である。というのは、入力トランスデューサを共振させるためのエネルギーは呼掛け信号から得られるからである。

任意の実施形態によれば、シャフト１２２は、テーパー状または円筒形の孔を有していてもよい。さらに、リング１１２〜１１４のそれぞれは、テーパー状または円筒形の孔を有していてもよい。

本発明は、鉄道用ベアリングに特に適している。したがって、好ましい実施形態では、上述した例示的実施形態のいずれかに記載のベアリングアセンブリ１００を備える鉄道用ベアリングが提供される。鉄道用ベアリングは、通常、少なくとも２５０ミリメートルの直径を有する大型ローラーベアリングである。大型ローラーベアリングは二つのレースウェイ要素を備えるが、これは、アウターリング１１４およびインナーリング１１２として具現化される。ボール１１６として具現化された転動体は、レースウェイ要素１２４，１２６間に配置される。二つのレースウェイ要素１２４，１２６の動作中、レースウェイ要素上にボール１１６の転がり運動が生じる。大型ローラーベアリングは、通常、設置状況において利用されるが、ここではインナーリング１１２に対するアウターリング１１４の連続的循環回転（あるいはその逆）が生じる。これは、例えば鉄道における場合であってもよい。

図４は、本発明による方法のフローチャートを示す。第１のステップ４１０において、転動体ベアリングからのアコースティックエミッションがアコースティックエミッションユニットにより測定される。上述したように、アコースティックエミッションは、転動体ベアリング内での転がり接触面間の金属対金属接触から生じ、そして測定された信号を提供するためにアコースティックエミッションユニットを用いて測定される。任意の第２のステップ４２０として、測定されたアコースティックエミッションが抽出され、そして信号処理ユニットによって分析される。さらに、任意の第３のステップ４３０として、転動体ベアリングおよび／または潤滑剤のコンディションが、信号処理ユニットによって、測定されたアコースティックエミッションに基づいて特定される。さらに、任意の第４のステップ４４０として、転動体ベアリングおよび／または潤滑剤のコンディションの診断が、コンディション監視ユニットによってなされる。さらに、この方法は、潤滑コンディションを示す潤滑パラメータを決定するステップを含んでいてもよい。

図面は方法ステップの特定の順序を示すが、ステップの順序は、示されているものと異なっていてもよい。また、二つ以上のステップが同時にまたは部分的に同時に行われてもよい。このような変更は実施方法の選択に依存し得る。全てのそのような変更は本発明の範囲に包含される。

１１０ 転動体ベアリング
１１２ インナーリング
１１４ アウターリング
１１６ 転動体
１１８ ケージ
１２０ アコースティックエミッションユニット
１２２ シャフト
１２４ インナーレースウェイ
１２６ アウターレースウェイ
１２８ 潤滑剤
１３０ インナーリングの隣接コンポーネント
１４０ ベアリングシール
１５０ ベアリングアウターハウジング
１６０ 信号処理ユニット
１８０ コンディション監視ユニット
２００ アラーム発生ユニット
２１０ ディスプレイ

Claims (15)

1. 転動体ベアリング（１１０）およびアコースティックエミッションユニット（１２０）を備えたベアリングアセンブリであって、前記転動体ベアリング（１１０）は少なくともベアリングシール（１４０，１４０’）を備えており、前記アコースティックエミッションユニット（１２０）は前記ベアリングシール（１４０，１４０’）上に配置されることを特徴とするベアリングアセンブリ。
2. 前記アコースティックエミッションユニット（１２０）は、前記転動体ベアリング（１１０）のアコースティックエミッションを測定するよう構成されることを特徴とする請求項１に記載のベアリングアセンブリ。
3. 前記ベアリングシール（１４０）が潤滑剤（１２８）を保持しており、前記アコースティックエミッションユニット（１２０）は、前記潤滑剤（１２８）のアコースティックエミッションを測定するよう構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のベアリングアセンブリ。
4. 前記転動体ベアリング（１１０）は、インナーリング（１１２）と、アウターリング（１１４）と、その間に配置された一組の転動体（１１６）と、を備え、前記ベアリングシール（１４０）は、前記インナーリング（１１２）と前記アウターリング（１１４）との間のスペース（Ｓ）を覆うように配置されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のベアリングアセンブリ。
5. 前記ベアリングシール（１４０）は、前記アウターリング（１１４）から前記インナーリング（１１２）へと延在することを特徴とする請求項４に記載のベアリングアセンブリ。
6. 前記ベアリングシール（１４０）は、前記アウターリング（１１４）から前記インナーリング（１１２）の隣接コンポーネント（１３０）へと延在することを特徴とする請求項４に記載のベアリングアセンブリ。
7. 前記アコースティックエミッションユニット（１２０）は、周波数を測定するためのセンサーの形態で提供されることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のベアリングアセンブリ。
8. 前記アコースティックエミッションセンサー（１２０）は、好ましくは１００ｋＨｚないし１ＭＨｚの、さらに好ましくは１５０ｋＨｚないし４５０ｋＨｚの周波数を測定するよう構成されることを特徴とする請求項７に記載のベアリングアセンブリ。
9. 前記ベアリングアセンブリは信号処理ユニット（１６０）をさらに具備し、前記信号処理ユニット（１６０）は、周波数の変化の検出された速度から潤滑剤（１２８）の漏れの速度を特定するよう構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のベアリングアセンブリ。
10. 前記信号処理ユニット（１６０）はさらに、周波数が許容漏れの最大レベルに対応する所定の閾値に達したときにアラーム信号を発するよう構成されることを特徴とする請求項９に記載のベアリングアセンブリ。
11. 前記信号処理ユニット（１６０）はさらに、漏れの特定された速度が所定の閾値を超えたときにアラーム信号を発するよう構成されることを特徴とする請求項９に記載のベアリングアセンブリ。
12. ベアリングアセンブリにおけるアコースティックエミッションを測定するための方法であって、前記ベアリングアセンブリは、ベアリングシール（１４０）を有する転動体ベアリング（１１０）と、アコースティックエミッションユニット（１２０）と、を備え、前記アコースティックエミッションユニット（１２０）は前記ベアリングシール（１４０）上に配置されており、前記方法は、
    前記アコースティックエミッションユニット（４１０）によって前記転動体ベアリングからのアコースティックエミッションを測定するステップを備えることを特徴とする方法。
13. 信号処理ユニット（４２０）によって、測定されたアコースティックエミッションを抽出して分析するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記信号処理ユニット（４３０）によって、測定されたアコースティックエミッションに基づいて、前記転動体ベアリングおよび／または潤滑剤のコンディションを特定するステップをさらに具備することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. コンディション監視ユニット（４４０）によって、前記転動体ベアリングおよび／または潤滑剤のコンディションの診断を行うステップをさらに備えることを特徴とする請求項１４に記載の方法。

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