JP2017096444A - 転がり軸受装置及び異常診断システム - Google Patents

Abstract

【課題】高精度な転がり軸受装置及び異常診断システムを提供する。【解決手段】外輪の外周面又は内輪の内周面に、軸方向に対して傾斜する溝部が軸方向一端から他端まで凹設される。溝部には、歪み又は応力を検出するセンサユニット２０が配置される。【選択図】図２

Description

本発明は転がり軸受装置及び異常診断システムに関する。

従来より、転がり軸受に負荷される応力を測定する際、負荷応力を増してセンサの検出能力を上げるため、外輪や内輪の応力検出部に切欠きを設けることが行われている（例えば特許文献１及び２を参照。）。

このような例として図３に示された従来の転がり軸受装置１１０は、内周面に外輪軌道面１１１ａを有する外輪１１１と、外周面に内輪軌道面１１３ａを有する内輪１１３と、外輪軌道面１１１ａ及び内輪軌道面１１３ａとの間に転動自在に配置される複数の玉１１５と、複数の玉１１５を転動自在に保持する保持器１１７と、外輪１１１の内周面の軸方向両側に固定された一対のシール部材１１９と、を有する。

ここで、外輪１１１の外周面１１１ｂには、軸方向（図３（ａ）における紙面奥行方向。図３（ｂ）及び図３（ｃ）における左右方向。）に平行に延びる溝部１１１ｃが、外周面１１１ｂの軸方向一端から他端まで凹設されている。そして、溝部１１１ｃの軸方向中央部の底面に、歪みセンサ１２０が配置される。

この場合、外輪１１１の外周面１１１ｂは、溝部１１１ｃが形成された小径部１１２Ａと、溝部１１１ｃが形成されない大径部１１２Ｂと、からなる。ここで、溝部１１１ｃが軸方向に平行に形成されるので、円周方向で小径部１１２Ａ及び大径部１１２Ｂが重ならず、小径部１１２Ａのみからなる部分ができてしまう。

ここで、外周面１１１ｂに溝部１１１ｃを設け、熱処理をした後、外輪軌道面１１１ａの仕上げ加工が外周面１１１ｂを基準面として行われる。外輪軌道面１１１ａの仕上げ加工を行う場合、外周面１１１ｂを保持機構により保持する必要がある。しかしながら、図３の例では、外周面１１１ｂには円周方向において小径部１１２Ａのみからなる部分が存在するので、外周面１１１ｂに円周上で完全に保持できない部分が生じてしまう。したがって、外周面１１１ｂを基準として外輪軌道面１１１ａの仕上げ加工を行うことが困難となり、軸受精度が悪化してしまう。なお、仮に、熱処理をし、外輪軌道面１１１ａの仕上げ加工をした後、溝部１１１ｃを設けた場合であっても、熱処理で発生した応力状態が溝加工によって大きく変化してしまい、外輪軌道面１１１ａが大きく変形し、軸受精度が悪化してしまうと共に、後加工によってコストアップしてしまう。

また、外輪１１１をハウジング等の固定部材に組み込んだ場合、溝部１１１ｃ周辺において、外輪１１１と上記固定部材との面圧が上昇し、摩耗やかじり等による損傷が発生する可能性がある。

特開２０１２−４２３２０号公報 特開２０１２−４２３１９号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、高精度な転がり軸受装置及び異常診断システムを提供することを目的とする。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）外輪と、内輪と、前記外輪と前記内輪との間に転動自在に配置される複数の転動体と、を備え、前記外輪の外周面又は前記内輪の内周面に、軸方向に対して傾斜する溝部が軸方向一端から他端まで凹設され、前記溝部に、歪み又は応力を検出するセンサユニットが配置される転がり軸受装置。
（２）前記センサユニットは、周囲の信号を検出するセンサモジュールと、前記センサモジュールで検出された信号を、無線電波として発信する無線モジュールと、前記センサモジュール及び前記無線モジュールに電力を供給する発電又は給電モジュールと、を有する（１）に記載の転がり軸受装置。
（３）（２）に記載の転がり軸受装置と、前記無線モジュールから発信される無線電波に基づき、前記転がり軸受装置の異常を診断する異常診断装置を備える異常診断システム。
（４）前記無線モジュールからの無線電波は、前記センサモジュールで異常データを検出したときのみに発信される（３）に記載の異常診断システム。
（５）前記無線モジュールから発信される無線電波を受信する中継装置を備え、前記異常診断装置は、前記中継装置から転送される信号に基づき、異常を診断する（３）又は（４）に記載の異常診断システム。

本発明によれば、外輪外周面又は内輪内周面において、円周方向で小径部（溝部が形成される部分）及び大径部（溝部が形成されない部分）が重なる。したがって、外輪外周面又は内輪内周面に溝部を加工し、熱処理を行った後、外輪外周面又は内輪内周面を基準として外輪軌道面又は内輪軌道面を仕上げ加工できるので、高精度な転がり軸受装置が実現できる。
また、外輪外周面又は内輪内周面と、これらが固定される部材と、の間で面圧が大きく変化する部分がないので、摩耗やかじり等の損傷リスクを低減できる。
また、溝部を凹設することにより、外輪又は内輪に発生する応力が増加するので、センサユニットによる検出能力を向上することが可能である。

実施形態に係る異常診断システムの概略図である。 本実施形態の転がり軸受装置を示す図であり、（ａ）は軸方向から見た図であり、（ｂ）は径方向外側から見た図であり、（ｃ）は円周方向から見た図である。 従来の転がり軸受装置を示す図であり、（ａ）は軸方向から見た図であり、（ｂ）は径方向外側から見た図であり、（ｃ）は円周方向から見た図である。

以下、本発明の実施形態に係る転がり軸受装置及び異常診断システムについて、図面を用いて説明する。なお、この実施形態により本発明は何ら限定されるものではない。また、以下の説明における構成要素には、当業者が想定できる範囲で実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。

図１に示すように、本実施形態の異常診断システム１は、機械設備５内に組み込まれた転がり軸受装置１０と、転がり軸受装置１０に設置されるセンサユニット２０と、センサユニット２０から出力される信号に基づいて、転がり軸受装置１０の異常を診断する異常診断装置３０と、を備える。

図２に示すように、転がり軸受装置１０は、内周面に外輪軌道面１１ａを有する外輪１１（固定輪である軌道輪）と、外周面に内輪軌道面１３ａを有する内輪１３（回転輪である軌道輪）と、外輪軌道面１１ａと内輪軌道面１３ａとの間に転動自在に配置される複数の玉（転動体）１５と、複数の玉１５を転動自在に保持する保持器１７と、外輪１１の内周面の軸方向両側に固定された一対のシール部材１９と、を有する。

内輪１３は、シャフト３に外嵌固定され、当該シャフト３と共に回転する回転輪である。転がり軸受装置１０の軸方向一端側（図中左側）において、シャフト３にはモータ４１が固定されており、シャフト３はモータ４１の不図示のロータによって回転駆動される。また、転がり軸受装置１０の軸方向他端側（図中右側）において、シャフト３にはポンプ４２が固定されており、モータ４１の駆動力がシャフト３を介してポンプ４２に伝達される。

外輪１１は、不図示のハウジング等に内嵌固定されており、回転しない固定輪である。外輪の１１の内周面には、外輪軌道面１１ａの軸方向両側に、一対のシール部材１９を固定するための一対のシール溝が形成されている。一対のシール部材１９は、径方向に延びて、内輪１３の外周面と隙間を介して対向する非接触型である。これにより、一対のシール部材１９は、外輪１１と内輪１３との間の空間を密封し、外部からの異物が軸受内部に浸入することを防止する。

ここで、外輪１１の外周面１１ｂには、軸方向（図２（ａ）における紙面奥行方向。図２（ｂ）及び（ｃ）における左右方向。）に対して傾斜する、すなわち軸方向一方側に向かうにしたがって円周方向一方側に延びる溝部１１ｃが凹設されている。溝部１１ｃは、外周面１１ｂの軸方向一端から他端まで凹設されている。なお、本実施形態の溝部１１ｃは、径方向から見た形状が略直線形状であるが（図２（ｂ）参照）、曲線形状など任意の形状を適用して構わない。

溝部１１ｃの軸方向中央部の底面には、歪み又は応力を検出するセンサユニット２０が配置される。溝部１１ｃに対するセンサユニット２０の固定は、接着剤による方法や、パターニングによる方法等によって行われる。

この場合、外輪１１の外周面１１ｂは、溝部１１ｃが形成された部分である小径部１２Ａと、溝部１１ｃが形成されない部分である大径部１２Ｂと、からなる。ここで、溝部１１ｃが軸方向に対して傾斜しているので、外周面１１ｂにおいて、円周方向で小径部１２Ａ及び大径部１２Ｂが重なる。したがって、外周面１１ｂには円周方向において小径部１２Ａのみからなる部分が存在しないので、外輪軌道面１１ａを仕上げ加工する際に、外周面１１ｂを円周上の全ての位置で保持することができる。したがって、外周面１１ｂに溝部１１ｃを加工し、熱処理を行った後、外周面１１ｂを基準として外輪軌道面１１ａを仕上げ加工できるので、高精度な転がり軸受装置１０が実現できる。

また、外周面１１ｂと、これらが固定される部材（例えばハウジング）と、の間で面圧が大きく変化する部分がないので、摩耗やかじり等の損傷リスクを低減できる。

また、溝部１１ｃを凹設することにより、外輪１１に発生する応力が増加するので、センサユニット２０による検出能力を向上することが可能である。

センサユニット２０は、センサモジュールと無線モジュールと発電モジュールを１つに収める筐体を有している。このように、各モジュールを１パッケージ内に収めることで、各モジュール間での断線の発生等の問題が減少し、信頼性が向上する。

センサユニット２０を構成するセンサモジュールは、周囲の信号を検出するものであり、歪センサ又は応力センサを搭載したモジュールから構成される。

無線（通信）モジュールは、センサモジュールで検出された信号を、無線電波として外部に発信するモジュールである。無線の種類は特に問わないが、パッケージの小型化が見込めるため、アナログ通信よりもデジタル通信が好ましい。通信規格も特に問わないが、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）やＷｉ−Ｆｉ等の既存の通信規格を用いることで、コスト面で有利になる。

発電モジュールは、センサモジュールや無線モジュールに電力を供給する。発電モジュールの発電方法は、振動を用いた発電や、光を用いた発電、外部からの無線給電による発電等、任意の方法が採用できる。若しくは、バッテリのような給電モジュールを採用してもよい。

センサモジュールによって検出されたデータは、無線モジュールによって異常診断装置３０に伝達される。異常診断装置３０は、無線モジュールによって発信される無線電波を受信する受信装置３４を備えている。また、異常診断装置３０は、例えばマイクロコンピュータを備えており、このマイクロコンピュータ内に記録保持されたプログラムが実行されることにより、データ収集部３１等の各部は以下のような各処理を実行することになる。

異常診断装置３０のデータ収集部３１は、センサモジュールからの出力データを収集する。異常診断装置３０のデータ処理部３２は、収集された出力データを処理し、各出力データを記憶する。異常診断装置３０の状態判定部３３は、センサモジュールの出力値が所定の閾値を超えた場合に、転がり軸受装置１０が異常状態であると判定する。

異常診断装置３０が、診断対象の異常を判定した場合、上位のシステムに知らせて自動で機械設備を停止させることもできるし、作業者及び管理者にアラームや画面表示等で警告することもできる。

このように本実施形態の異常診断システム１によれば、転がり軸受装置１０の異常診断を効率良く行うことが可能である。

なお、センサユニット２０は機械設備５の内部の転がり軸受装置１０に組み込まれるため、センサユニット２０が無線電波を伝送する場合に、当該無線電波が異常診断装置３０の受信装置３４まで届かない場合がある。そのため、センサユニット２０の無線モジュールと異常診断装置３０の受信装置３４との間に中継装置３５を配置し、当該中継装置３５によって、無線モジュールから発信される無線電波を受信し且つ受信装置３４に転送しても構わない。

中継装置３５は、無線信号が通過する非金属でもよいし、機械設備５の内部と外部にアンテナ３６を持ち、内部で受信したデータを外部に送信するものでもよい。中継装置３５の電源は、振動などによる自己発電によってもよく、非接触給電によってもよく、ボタン電池などの一次電池によってもよく、特に限定されない。

無線モジュールからの無線電波は、センサモジュールで異常データを検出したときのみ、発信するようにしてもよい。この場合、常時無線でデータを発信する必要がないので、センサユニット２０全体の消費電力を抑えることができる。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更、改良等が可能である。

内輪１３の内周面に、軸方向に対して傾斜する溝部が軸方向一端から他端まで凹設され、当該溝部にセンサユニット２０が配置される構成であってもよい。この場合、内輪内周面には円周方向において小径部（溝部）のみからなる部分が存在しないので、内輪軌道面１３ａを仕上げ加工する際に、内輪内周面を円周上の全ての位置で保持することができる。したがって、内輪内周面に溝部を加工し、熱処理を行った後、内輪内周面を基準として内輪軌道面１３ａを仕上げ加工できるので、高精度な転がり軸受装置１０が実現できる。また、内輪内周面と、これらが固定される部材（例えばシャフト３）と、の間で面圧が大きく変化する部分がないので、摩耗やかじり等の損傷リスクを低減できる。また、溝部を凹設することにより、内輪に発生する応力が増加するので、センサユニット２０による検出能力を向上することが可能である。

１ 異常診断システム
３ シャフト
５ 機械設備
１０ 転がり軸受装置
１１ 外輪
１１ａ 外輪軌道面
１１ｂ 外周面
１１ｃ 溝部
１３ 内輪
１３ａ 内輪軌道面
１５ 玉（転動体）
１７ 保持器
１９ シール部材
２０ センサユニット
３０ 異常診断装置
３１ データ収集部
３２ データ処理部
３３ 状態判定部
３４ 受信装置
３５ 中継装置
３６ アンテナ
４１ モータ
４２ ポンプ

Claims (5)

1. 外輪と、内輪と、前記外輪と前記内輪との間に転動自在に配置される複数の転動体と、を備え、
   前記外輪の外周面又は前記内輪の内周面に、軸方向に対して傾斜する溝部が軸方向一端から他端まで凹設され、
   前記溝部に、歪み又は応力を検出するセンサユニットが配置される転がり軸受装置。
2. 前記センサユニットは、周囲の信号を検出するセンサモジュールと、前記センサモジュールで検出された信号を、無線電波として発信する無線モジュールと、前記センサモジュール及び前記無線モジュールに電力を供給する発電又は給電モジュールと、を有する請求項１に記載の転がり軸受装置。
3. 請求項２に記載の転がり軸受装置と、
   前記無線モジュールから発信される無線電波に基づき、前記転がり軸受装置の異常を診断する異常診断装置を備える異常診断システム。
4. 前記無線モジュールからの無線電波は、前記センサモジュールで異常データを検出したときのみに発信される請求項３に記載の異常診断システム。
5. 前記無線モジュールから発信される無線電波を受信する中継装置を備え、
   前記異常診断装置は、前記中継装置から転送される信号に基づき、異常を診断する請求項３又は４に記載の異常診断システム。

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