JP2018004290A - スラスト荷重計測装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】軸受に生じるスラスト荷重を正確に計測することができる、スラスト荷重計測装置を提供する。【解決手段】回転軸１を固定部材２に対して回転自在に保持する軸受３に生じるスラスト荷重を計測するスラスト荷重計測装置４であって、軸受３に固定されるインナリング５１と、固定部材２に固定されるアウタリング５２と、インナリング５１とアウタリング５２とを連結する複数の連結部材５３と、を含む計測用リング５と、複数の連結部材５３の全部に配置され連結部材５３の歪みを計測するセンサ６と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、スラスト荷重計測装置に関し、特に、回転軸の軸受に生じるスラスト荷重の計測に適したスラスト荷重計測装置に関する。
ガスタービンエンジンや過給機等の回転機械では、回転軸をハウジング等の固定部材に回転自在に保持するための軸受（例えば、転がり軸受、すべり軸受等）が配置されることが多い。かかる軸受には、一般に、回転軸の回転に伴って回転軸の軸線方向にスラスト荷重が生じる。このスラスト荷重は、軸受の保持剛性を検討する上で極めて重要な物理量である。したがって、回転軸を有する回転機械を開発する際、軸受に生じるスラスト荷重を正確に計測して検討・評価する必要がある。
例えば、特許文献１には、すべり軸受と固定部材（ケーシング）との間に円板状のスラストメタルを配置してスラストメタルを固定部材に固定ボルトで固定し、スラストメタルと固定ボルトとの間に起歪部を配置し、起歪部に生じるスラスト荷重による剪断歪みを歪ゲージにより検出する方法が開示されている。
また、特許文献２には、転がり軸受と固定部材（ハウジング）との間に軸受支持ブラケットを配置し、軸受支持ブラケットに形成された開口部にセンサアセンブリを配置し、スラスト荷重による軸受の変形量を計測する方法が開示されている。
特開２００４−１４４５９６号公報 特開２００７−２１８９１１号公報
ところで、上述したスラスト荷重計測装置は、一般に、試験機に搭載されて軸受に生じるスラスト荷重を計測する装置である。そして、特許文献１に記載された発明では、スラストメタルと固定ボルトとの間に起歪部を配置していることから、スラストメタルを軸方向に移動させる必要があり、軸受の保持剛性は固定ボルトの剛性に依存することとなる。また、特許文献２に記載された発明では、軸受の保持剛性は軸受支持ブラケットに依存するところ、軸受支持ブラケットにはセンサアセンブリを配置するための開口部が複数形成されており、軸受支持ブラケットの剛性が低い。
したがって、これらのスラスト荷重計測装置を搭載した試験機では、これらのスラスト荷重計測装置を搭載していない実機よりも軸受の保持剛性が低くなってしまい、実機の軸受に生じるスラスト荷重を正確に再現することができないという問題が生じる。
本発明はかかる問題点に鑑み創案されたものであり、軸受に生じるスラスト荷重を正確に計測することができる、スラスト荷重計測装置を提供することを目的とする。
本発明によれば、回転軸を固定部材に対して回転自在に保持する軸受に生じるスラスト荷重を計測するスラスト荷重計測装置であって、前記軸受に固定されるインナリングと、前記固定部材に固定されるアウタリングと、前記インナリングと前記アウタリングとを連結する複数の連結部材と、を含む計測用リングと、前記複数の連結部材の全部又は一部に配置され該連結部材の歪みを計測するセンサと、を備えることを特徴とするスラスト荷重計測装置が提供される。
前記センサは、前記連結部材に生じる剪断歪みを計測するセンサを含んでいてもよい。また、前記センサは、例えば、前記連結部材の前記回転軸の軸線に平行な側面に貼付された歪ゲージである。
前記センサは、前記連結部材に生じる曲げ歪みを計測するセンサを含んでいてもよい。また、前記センサは、例えば、前記連結部材の前記回転軸の軸線に直交する側面に貼付された歪ゲージである。
また、前記連結部材の肉厚は、前記インナリング及び前記アウタリングの肉厚よりも薄く形成されていてもよい。また、前記アウタリングは、前記固定部材に締まり嵌めされていてもよい。
上述した本発明に係るスラスト荷重計測装置によれば、軸受に固定されるインナリング及び固定部材に固定されるアウタリングを連結部材により連結することにより、略ホイール形状の計測用リングを用い、前記連結部材にセンサを配置したことにより、計測用リングの剛性を保持しつつ連結部材に生じる歪みを計測することができ、計測された歪みから軸受に生じたスラスト荷重を算出することができる。
したがって、本発明によれば、試験機における軸受の保持剛性の低下を抑制することができ、軸受に生じるスラスト荷重を正確に計測することができる。
本発明の第一実施形態に係るスラスト荷重計測装置を示す断面図である。 図１に示した計測用リングの正面図である。 図２に示した計測用リングの部分拡大図であり、（ａ）は第一実施形態、（ｂ）は第二実施形態、を示している。 図１に示したスラスト荷重計測装置に使用される回路図の一例を示している。 本発明の第三実施形態に係るスラスト荷重計測装置の計測用リングを示す正面図である。
以下、本発明の実施形態について図１〜図５を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の第一実施形態に係るスラスト荷重計測装置を示す断面図である。図２は、図１に示した計測用リングの正面図である。図３は、図２に示した計測用リングの部分拡大図であり、（ａ）は第一実施形態、（ｂ）は第二実施形態、を示している。図４は、図１に示したスラスト荷重計測装置に使用される回路図の一例を示している。
本発明の第一実施形態に係るスラスト荷重計測装置は、図１〜図３（ａ）に示したように、回転軸１を固定部材２に対して回転自在に保持する軸受３に生じるスラスト荷重を計測するスラスト荷重計測装置４であって、軸受３に固定されるインナリング５１と、固定部材２に固定されるアウタリング５２と、インナリング５１とアウタリング５２とを連結する複数の連結部材５３と、を含む計測用リング５と、複数の連結部材５３の全部に配置され連結部材５３の歪みを計測するセンサ６と、を備えている。
上述したスラスト荷重計測装置４は、例えば、ガスタービンエンジンや過給機等の回転機械に使用される軸受３に生じるスラスト荷重の計測に適用することができる。例えば、実機のガスタービンエンジンでは、軸受３がハウジングやケーシング等の固定部材２に直接固定される。なお、スラスト荷重計測装置４は、ガスタービンエンジンや過給機に限定されるものではなく、回転軸をハウジング等の固定部材に回転自在に保持するための軸受を有する全ての回転機械に適用することができる。
軸受３は、例えば、転がり軸受である。図１に示したように、軸受３は、回転軸１の外周に配置される内輪３２と、内輪３２の外周に同心軸状に配置される外輪３１と、内輪３２と外輪３１との間に配置される転動体３３と、を備えている。なお、軸受３は、転がり軸受に限定されるものではなく、すべり軸受等の他の軸受であってもよい。
計測用リング５は、図２に示したように、リング状のインナリング５１と、インナリング５１の外周に同心軸状に配置されるリング状のアウタリング５２と、インナリング５１とアウタリング５２とを連結する８本の連結部材５３と、を有している。連結部材５３は、例えば、インナリング５１及びアウタリング５２に対して放射状に配置される。なお、連結部材５３の本数は単なる例示であり、８本に限定されるものではない。
計測用リング５は、インナリング５１、アウタリング５２及び連結部材５３を一体に形成した略ホイール形状を有しており、高い剛性を保持することができる形状を有している。計測用リング５は、インナリング５１及びアウタリング５２に連結部材５３を溶接により接続してもよいし、金属材を削り出して形成してもよいし、鋳造等によって一体成形してもよい。
また、連結部材５３には連結部材５３の歪みを計測するセンサ６が配置されることから、歪みを計測しやすくするために、図１に示したように、連結部材５３の肉厚をインナリング５１及びアウタリング５２の肉厚よりも薄く形成するようにしてもよい。ここで、連結部材５３の肉厚とは、計測用リング５の表裏方向における連結部材５３の幅、すなわち、図１における左右方向の幅を意味している。
軸受３の外輪３１には、外周に沿って突出した連結部３４が形成されており、この連結部３４に計測用リング５のインナリング５１がボルト・ナット等の固定具７により固定される。また、計測用リング５のアウタリング５２は、固定部材２にボルト等の固定具８により固定される。なお、計測用リング５の軸受３及び固定部材２への固定方法は図示した構成に限定されるものではない。
また、計測用リング５のアウタリング５２は、固定部材２に形成された凹部に締まり嵌めさせるようにしてもよい。かかる結合方法を採用することにより、高い剛性を保持することができ、軸受３が固定部材２に直接固定される実機と略同等の保持剛性を得ることができる。
連結部材５３は、図１及び図２に示したように、周方向に対峙する一対の側面（回転軸１の軸線１１に平行な二つの側面）と、回転軸１の軸方向に対峙する一対の表面及び裏面（回転軸１の軸線１１に直交する二つの側面）と、を有している。本実施形態では、連結部材５３の回転軸１の軸線１１に平行な二つの側面に連結部材５３の剪断歪みを計測するセンサ６を配置している。
センサ６は、例えば、歪ゲージである。図１において、回転軸１が軸線１１の方向（矢印Ｘ方向）に変位することで生じるスラスト荷重は、連結部材５３を軸線１１の方向に撓ませる。したがって、連結部材５３の側面にセンサ６を配置することにより、連結部材５３に生じる剪断歪みを検出することができる。なお、センサ６は、歪ゲージに限定されるものではなく、光ファイバを用いたもの等、剪断歪みを計測することができるセンサであればよい。
歪ゲージは、例えば、一つの連結部材５３に対して４枚（各側面に２枚ずつ）配置される。これらの歪ゲージは、例えば、図４に示したように、ホイートストンブリッジ回路９の四つの抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４を構成している。ホイートストンブリッジ回路９は、入力端子Ｓ１，Ｓ２間に入力電圧Ｅｉｎを印加し、出力端子Ｓ３，Ｓ４間の出力電圧Ｅｏｕｔを検出することで、連結部材５３に生じる剪断歪みを高感度に検出することができる。
なお、一つの連結部材５３に貼付される歪ゲージの枚数は、４枚に限定されるものではない。例えば、一つの連結部材５３に貼付される歪ゲージの枚数は、１枚であってもよいし（片面のみ）、２枚（各側面に１枚ずつ又は片面に２枚）であってもよいし、それ以上の枚数であってもよい。
また、センサ６の出力は、計測時の温度の影響を受けることがあるため、センサ６の近くに温度センサを配置するようにしてもよい。かかる温度センサを配置した場合には、例えば、センサ６の計測値と温度との関係性を予め算出しておき、計測時の温度に基づいてセンサ６の計測値を補正するようにすればよい。
回転軸１の回転に伴い、回転軸１が矢印Ｘ方向に変位すると、計測用リング５の連結部材５３の側面に剪断歪みが生じる。各連結部材５３に生じた剪断歪みは、センサ６（歪ゲージ）の抵抗値変化としてホイートストンブリッジ回路９により検出される。そして、検出された剪断歪みから各連結部材５３に生じる剪断応力が算出され、各連結部材５３の剪断応力を加え合わせることにより、軸受３に生じるスラスト荷重を求めることができる。
なお、スラスト荷重計測装置４により計測される剪断歪みとスラスト荷重との関係性を予め算出しておくことにより、計測された剪断歪みに基づいて、試験機のスラスト荷重を速やかに求めることができる。
本実施形態における計測用リング５では、計測用リング５を構成する素材を適宜選択したり、計測用リング５を構成する部位の形状（肉厚や径方向長さ等）を適宜調整したりすることにより、所定の剛性を有する計測用リング５を容易に製造することができる。また、計測用リング５は、略ホイール形状を有していることから、構造物的に剛性が高い。また、連結部材５３の肉厚や径方向長さを適宜調整することにより、計測用リング５の軸方向の変位を調整することができ、剪断歪みを容易に計測することができる。
すなわち、上述した本実施形態に係るスラスト荷重計測装置４によれば、計測用リング５の剛性を保持しつつ連結部材５３に生じる歪みを計測することができ、計測された歪みから軸受３に生じたスラスト荷重を算出することができる。したがって、本実施形態によれば、試験機における軸受３の保持剛性の低下を抑制することができ、軸受３に生じるスラスト荷重を正確に計測することができる。
特に、本実施形態に係るスラスト荷重計測装置４では、計測用リング５のアウタリング５２を締まり嵌め等によって強固に固定部材２に固定することができ、計測用リング５と固定部材２との一体性を向上させることができ、軸受３の保持剛性の低下を効果的に抑制することができる。
次に、図３（ｂ）を参照しつつ第二実施形態に係るスラスト荷重計測装置４について説明する。第二実施形態に係るスラスト荷重計測装置４は、上述した第一実施形態に係るスラスト荷重計測装置４に加えて、連結部材５３に生じる曲げ歪みを計測するセンサ６ａを配置したものである。
具体的には、連結部材５３の回転軸１の軸方向に対峙する一対の表面及び裏面（回転軸１の軸線１１に直交する二つの側面）に歪みゲージを貼付している。回転軸１の回転に伴い、回転軸１が図１に示した矢印Ｘ方向に変位すると、連結部材５３の表面及び裏面には曲げ歪みが生じる。各連結部材５３に生じた曲げ歪みは、センサ６ａ（歪ゲージ）の抵抗値変化としてホイートストンブリッジ回路により検出される。
このように、計測用リング５を用いることにより、連結部材５３の曲げ歪みを計測して軸受３に生じるスラスト荷重を計測することもできる。なお、本実施形態では、連結部材５３の剪断歪みと曲げ歪みの両方を計測する場合について説明したが、曲げ歪みのみを計測するようにしてもよい。
次に、図５を参照しつつ第三実施形態に係るスラスト荷重計測装置４について説明する。ここで、図５は、本発明の第三実施形態に係るスラスト荷重計測装置の計測用リングを示す正面図である。なお、上述した第一実施形態に係るスラスト荷重計測装置と同じ構成部品については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図５に示したスラスト荷重計測装置４は、複数の連結部材５３の一部に連結部材５３の歪みを計測するセンサ６を配置したものである。具体的には、本実施形態における計測用リング５ａは、１６本の連結部材５３を有しており、一つ置きに配置された８本の連結部材５３にセンサ６を配置している。
このように、連結部材５３の本数は任意に調整することができる。連結部材５３の本数は、例えば、計測用リング５ａに許容される軸方向の変位量と歪みゲージの感度とのバランスによって設定される。また、センサ６を配置する連結部材５３の本数も任意に設定することができ、例えば、図５に示した計測用リング５ａにおいて、三つ置きに配置された４本の連結部材５３にセンサ６を配置するようにしてもよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。
１ 回転軸
２ 固定部材
３ 軸受
４ スラスト荷重計測装置
５，５ａ 計測用リング
６，６ａ センサ
７，８ 固定具
９ ホイートストンブリッジ回路
１１ 軸線
３１ 外輪
３２ 内輪
３３ 転動体
３４ 連結部
５１ インナリング
５２ アウタリング
５３ 連結部材

Claims (7)

  1. 回転軸を固定部材に対して回転自在に保持する軸受に生じるスラスト荷重を計測するスラスト荷重計測装置であって、
    前記軸受に固定されるインナリングと、前記固定部材に固定されるアウタリングと、前記インナリングと前記アウタリングとを連結する複数の連結部材と、を含む計測用リングと、
    前記複数の連結部材の全部又は一部に配置され該連結部材の歪みを計測するセンサと、
    を備えることを特徴とするスラスト荷重計測装置。
  2. 前記センサは、前記連結部材に生じる剪断歪みを計測するセンサを含む、ことを特徴とする請求項１に記載のスラスト荷重計測装置。
  3. 前記センサは、前記連結部材の前記回転軸の軸線に平行な側面に貼付された歪ゲージである、ことを特徴とする請求項２に記載のスラスト荷重計測装置。
  4. 前記センサは、前記連結部材に生じる曲げ歪みを計測するセンサを含む、ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のスラスト荷重計測装置。
  5. 前記センサは、前記連結部材の前記回転軸の軸線に直交する側面に貼付された歪ゲージである、ことを特徴とする請求項４に記載のスラスト荷重計測装置。
  6. 前記連結部材の肉厚は、前記インナリング及び前記アウタリングの肉厚よりも薄く形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のスラスト荷重計測装置。
  7. 前記アウタリングは、前記固定部材に締まり嵌めされている、ことを特徴とする請求項１に記載のスラスト荷重計測装置。

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