JP2016217485A - 振動検出装置および状態検出装置を備えた転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】軸受の故障を未然に精度良く検出できる、振動検出装置と状態検出装置を備えた転がり軸受を提供する。【解決手段】転がり軸受は、内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に設けられた複数の転動体と、前記外輪に形成され該外輪の径方向に伸びた貫通穴と、該貫通穴に一端が取付けられた管状部材と、該管状部材または前記外輪に取付けられた振動検出装置と、前記管状部材の他端側において前記外輪を収容するハウジングに取付けられ、該管状部材内に発生したガスを検知する状態検出装置とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、振動検出装置および状態検出装置を備えた転がり軸受（以下単に「軸受」ともいう。）に関する。

鉄鋼設備や製紙機械や化学プラントや発電所のポンプ等においては、使用されている軸受が故障した場合、設備全体が停止し、この設備停止が長引くほど多大な損金が発生する。このため、長期間の設備停止を防ぐ目的で、定期的に軸受を潤滑しているグリースを給脂したり、一定期間経過した場合には、損傷の有無に関係なく軸受全体の交換が行われたりしている。

また，このような定期的なメンテナンスと並行して、多くの設備では軸受の故障を未然に防止するために、軸受の振動を監視している。この場合、もし正常な状態とは異なる振動が検出されたときは、次の定期メンテナンスまで様子を見るか、或いは直ちに給脂や軸受交換を行うのかの判断を行う必要が出てくる。この判断を行うに際し、軸受の余寿命に関する情報があれば、より正しい判断を下すことが可能である。この軸受の余寿命を評価するためには、例えば潤滑剤の劣化度合いの情報を得ることで軸受の状態を確認する必要がある。

すなわち、潤滑油やグリース等の潤滑剤により潤滑されている軸受では、潤滑剤が劣化すると、トルクの上昇、摩耗の増加、温度上昇等が生じて、異常発生の原因となる。潤滑剤劣化の主要な原因としては、熱による分解や酸化反応による劣化（酸化劣化）が挙げられる。酸化劣化は、潤滑剤への水分の混入や、転がり軸受の運転停止時に雰囲気温度が低下して潤滑剤に接触する空気中の水蒸気が凝結して水になり、潤滑剤の水分含有率が高くなることや、酸化防止剤の消耗、等によって促進される。また、潤滑剤が劣化すると、酸の生成、潤滑剤成分の分解に伴う揮発性（低分子量）炭化水素の生成、ケトン基等を有する化合物の生成、および潤滑膜の厚さ低下に伴う摩耗量の増加等が生じる。

そのため、酸化劣化の原因である水分量や、劣化の結果として生じる摩耗の量、酸の生成量、炭化水素の生成量、およびケトン基等を有する化合物の生成量を測定することにより、潤滑剤の劣化状態を判定することができる。特許文献１には、かかる潤滑剤の劣化検出装置を備えた軸受の一例が開示されている。

また、特許文献２には、上述した軸受の振動を検出する振動検出手段を備えた、風力発電装置用主軸軸受の監視装置が開示されている。この装置では、荷重検出手段に加えて、振動検出手段をも用いて、メンテナンス必要時期の予測等の判定を行わせようとするものである。

特開２００３−１６６６９６号公報 特開２０１０−１５９７１０号公報

しかしながら、種々の情報を収集することで軸受の余寿命を精度良く評価しようとして、公知の各種検出装置をただ単に並置しても必ずしも精度の良い診断が行えるとは限らない。例えば、軸受の振動を検出する振動検出装置は、当然のことながら装置自身が振動を受ける環境下に置かれることが前提となっている。しかしながら、他の検出装置は必ずしもそのような振動する環境下で使用されることを前提にしていない。従って、異常振動がこれら他の検出装置に加わった場合、検出精度が低下してしまったり、場合によっては、装置自体が壊れてしまうおそれもある。

本発明は、かかる状況に鑑み、軸受の故障を未然に精度良く検出できる、振動検出装置と状態検出装置を備えた転がり軸受を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る振動検出装置と状態検出装置を備えた転がり軸受は、以下のように構成される。
内輪と、
外輪と、
前記内輪と前記外輪との間に設けられた複数の転動体と、
前記外輪に形成され該外輪の径方向に伸びた貫通穴と、
該貫通穴に一端が取付けられた管状部材と、
該管状部材または前記外輪に取付けられた振動検出装置と、
前記管状部材の他端側において前記外輪を収容するハウジングに取付けられ、該管状部材内に発生したガスを検知する状態検出装置と、
を有する振動検出装置および状態検出装置を備えた転がり軸受。

この振動検出装置および状態検出装置を備えた軸受によれば、軸受の振動を検出する振動検出装置を外輪または管状部材に取り付け、軸受の状態を検出する状態検出装置をハウジングに取付けたことで、軸受の振動を直接精度良く検出できるとともに、状態検出装置は軸受の振動の影響を受けることなく状態検出が可能となる。これにより、軸受の故障を未然に精度良く検出することが可能になる。

本発明の実施形態の、振動検出装置および状態検出装置を備えた自動調心ころ軸受を示す断面図である。 本発明の実施形態の状態検出装置を拡大して示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。転がり軸受としての自動調心ころ軸受１（以下、単に「軸受」とも言う）は、内輪２と、外輪３と、内輪２と外輪３との間で２列に配列され保持器４によって回動自在に保持される複数の球面ころ５と、球面ころ５の間に配置された案内輪６と、外輪３に一端が取付けられた管状部材７と、外輪３又は管状部材７の一端側に設けられた振動検出装置８と、管状部材７の他端側に設けられた状態検出装置９と、を有する。

内輪２は、軸方向（図１中左右方向）中央側が凸となるように複列の軌道面２ａ、２ａが形成され、両軌道面２ａ、２ａの間の軸方向中央部には、ほぼ平坦な頂面２ｂが形成されている。軸方向両端部には、一対の鍔部２ｃ、２ｃが設けられ、球面ころ５が軸受外に脱落するのを防止している。

外輪３は、内周面に凹球面状の軌道面３ａが形成されている。また外周面の軸方向中央部には、外輪３の径方向に伸びた貫通穴としての潤滑剤注入穴３ｂが周方向複数個所に形成されており、該注入穴３ｂから軸受１内に潤滑剤が供給されるようになっている。

転動体としての球面ころ５（以下、単に「ころ」とも言う）は、外輪３の軌道面３ａと内輪２の各軌道面２ａとの間にそれぞれ配置され、保持器４によって回動自在に保持される。

保持器４は、軌道輪案内方式の黄銅もみ抜き保持器とされており、軸方向の略中央部に配置された環状部４ａと、該環状部４ａの軸方向両端部からそれぞれ軸方向外方に延びる柱部４ｂとを備えている。周方向に互いに隣り合う各柱部４ｂと環状部４ａとによってコ字状のポケット４ｃが形成され、該ポケット４ｃに球面ころ５が回動自在に保持されている。各ポケット４ｃに各列のころ５をそれぞれ独立して収容することで環状部４ａの両側にそれぞれ各ころ列を形成すると共に、各ころ列の各ころ５をその周方向に沿って一定の間隔を隔てて回動自在に保持するようになっている。

なお、図１の断面図において、左方の球面ころ５は柱部４ｂの手前側に見えているのに対し、右方の球面ころ５は柱部４ｂの奥側に見えている。これから明らかなように、この保持器４の各ポケット４ｃは、各ころ列間でその周方向に半ピッチずつずれるように形成されており、各列の球面ころ５は環状部４ａを挟んで交互に（千鳥状に）配置するようになっている。

案内輪６は炭素鋼（例えばＳ２５Ｃ）製で、軸方向で２列の球面ころ５、５の間、径方向で内輪２の頂面２ｂと保持器４の環状部４ａとの間に位置して設けられている。該案内輪６は、２列の球面ころ５と対向する一対の側面６ａ、６ａ、保持器４と対向する外周面６ｂ、及び内輪２と対向する内周面６ｃを有し、内輪２の頂面２ｂに案内されて回転可能とされている。また、外周面６ｂ上を保持器４が案内されるようになっている。

管状部材７は好ましくは樹脂製とされ、外輪３に形成された複数の潤滑剤注入穴３ｂの内の一つに一端７ａが嵌合して取付けられている。管状部材７の他端７ｂ側には、管状部材７内を流れるガスを検知するための、後述する状態検出装置９が設けられている。なお、管状部材は金属製であっても差し支えない。

振動検出装置８は、軸受１に発生する振動を検出するためのもので、外輪３に例えばマグネットや接着剤により取付けられる。振動検出装置８としては具体的には、圧電素子を使用した圧電型振動センサが挙げられるが、これに限定されるものではない。また、取付けられる場所としては、軸受１に発生する振動を直接検出するためには、外輪３が好ましいが、外輪３に一体に取付けられている管状部材７（特に金属製の場合）に取付けられてもよい。

状態検出装置９は、軸受１を潤滑する潤滑剤の劣化状態を検出することで、軸受１の異常の有無やその程度を検出するためのものである。具体的には潤滑剤の劣化に伴って生じるガス状の炭化水素、硫化水素、またはアンモニアをガスセンサ９ｃ（図２参照）によって検出することによって、軸受１内の潤滑剤の劣化状態を検出する。ガス状の炭化水素は、潤滑剤の酸化劣化に伴い潤滑剤成分が分解されて、低分子量の炭化水素となることにより発生する。また、潤滑剤をなす化合物が硫黄や窒素を含む場合には、潤滑剤の劣化の際に、転走面でのトライボケミカル反応によって硫化水素やアンモニアガスが発生する場合がある。

そのため、ガスセンサ９ｃで炭化水素、硫化水素、およびアンモニアの少なくともいずれかの気体を検出することによって、潤滑剤の劣化状態を検出することができる。この状態検出装置９で使用できるガスセンサ９ｃとしては、例えば、酸化錫、酸化ジルコニア等の酸化物を用いた、金属酸化物半導体ガスセンサ等を用いることができる。

図２は、ハウジング１０に取付けられた状態検出センサ９の拡大図である。この図に示すように、ハウジング１０に取付用凹部１０ａを設け、この凹部１０ａに状態検出センサ９が取り付けられている。状態検出センサ９は、金属製の筒体９ａと、セラミックスフィルタ９ｂと、ガスセンサ９ｃとで構成されている。

セラミックスフィルタ９ｂとガスセンサ９ｃは筒体９ａ内に配置されている。筒体９ａの軸受１側には、管状部材７の端面全体を塞ぐようにセラミックスフィルタ９ｂが配置され、その外側にガスセンサ９ｃが配置されている。このセラミックスフィルタ９ｂは、転がり軸受１内の潤滑剤が飛散してガスセンサ９ｃが汚染することを防止する目的で設置されている。筒体９ａのセラミックスフィルタ９ｂ側の端部が、凹部１０ａ内に配置され、ハウジング１０に接着剤により固定されている。

ガスセンサ９ｃは酸化錫からなり、炭化水素の量を抵抗値で検出するセンサである。この抵抗値は炭化水素の生成量に反比例した値となる。このガスセンサ９ｃからの抵抗値を示す電気信号が、無線によって演算装置（不図示）に送信される。演算装置は、入力された電気信号から転がり軸受１の内部に生じた炭化水素の量を算出し、この炭化水素量に基づいて転がり軸受１内の潤滑剤の劣化状態を表示するように構成されている。

次に作動について説明する。

本実施形態の自動調心ころ軸受１は、内輪２が、例えば製紙用ロールを支持する軸（不図示）に取付けられ、外輪３がハウジング１０に取付けられて使用される。軸とともに内輪２が回転すると、球面ころ５は内輪軌道面２ａと外輪軌道面３ａとの間を転動する。このとき、外輪３の潤滑剤注入穴３ｂから軸受１内に供給された潤滑剤は、球面ころ５と内輪軌道面２ａの間および球面ころ５と外輪軌道面３ａの間、案内輪６と内輪頂面２ｂの間および案内輪６と保持器４の環状部４ａの間に供給され、これらの接触面を潤滑性が良好な状態にもたらす。

製紙機械稼働中においては、軸受１に発生する振動を振動検出装置８で検知し、検出された信号を演算装置（不図示）に無線で送信して、軸受１に異常が発生していないかどうかを監視する。これと並行して、状態検出装置９によって、潤滑剤の劣化状態を検知し、検知された結果を演算装置に無線で送信し、演算装置の演算結果による軸受１の余寿命を、表示装置（不図示）に表示する。

通常、軸受軌道面等に異常が生じると、振動検出装置８が異常振動を検出する。このとき、状態検出装置９によって潤滑剤の劣化状態を検出することにより、軸受１の余寿命を評価することが出来る。状態検出装置９の検出結果を元に、評価された軸受１の余寿命が次回の定期点検の時期より前までとなった場合は、現時点で軸受１を交換する。また、評価された軸受１の余寿命が次回の定期点検の時期よりも後までとなった場合は、潤滑剤を新たに封入してこのまま様子を見る等の措置をとる。

本実施形態によれば、一方では、振動検出装置８は外輪３に直接取付けられるため、軸受１に発生する振動を精度良く検出できる。他方、状態検出装置９の方は、軸受１を収容するハウジング１０に軸受１から独立して取付けられているので、軸受振動の影響を受けることなく、精度の良い検出が可能である。このため、これらの検出装置８、９からの検出結果を総合することで、軸受１の故障を未然に精度良く検出することが可能になる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。例えば、対象となる軸受は、自動調心ころ軸受に限らず、玉軸受や円すいころ軸受や円筒ころ軸受であってもよい。何れの場合であっても、外輪に形成される、管状部材の一端が取付けられる貫通穴は、転動体の転動面を避けた位置に設けられるのが好ましい。また、振動検出装置、状態検出装置は検知信号を無線で演算装置に送信しているが、有線で送信しても、もちろん差し支えない。

１ 自動調心ころ軸受
２ 内輪
３ 外輪
４ 保持器
５ 球面ころ
６ 案内輪
７ 管状部材
８ 振動検出装置
９ 状態検出装置

Claims (1)

1. 内輪と、
   外輪と、
   前記内輪と前記外輪との間に設けられた複数の転動体と、
   前記外輪に形成され該外輪の径方向に伸びた貫通穴と、
   該貫通穴に一端が取付けられた管状部材と、
   該管状部材または前記外輪に取付けられた振動検出装置と、
   前記管状部材の他端側において前記外輪を収容するハウジングに取付けられ、該管状部材内に発生したガスを検知する状態検出装置と、
   を有することを特徴とする振動検出装置および状態検出装置を備えた転がり軸受。
   
   
   
   

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