JP2019020329A - 転がり軸受中グリースの状態評価方法及び状態評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】転がり軸受を分解したりグリースを採集したりすることなく、封入されているグリースの状態を、常時評価する。【解決手段】転がり軸受中グリースの状態評価方法は、径方向に貫通するロッド挿入孔２１を有する外輪１１を備えた転がり軸受を準備する転がり軸受準備工程と、柱状のロッド４１が、ロッド挿入孔２１に変位自在に挿入され、ロッド４１の一方の端部４７が転がり軸受の内部に封入されたグリースに接触する状態とするロッド設置工程と、グリースに向けてロッド４１が変位するときの、ロッド４１に作用する荷重とロッド４１の変位量を計測する計測工程と、計測工程で計測した荷重と変位量に基づいて、グリースの状態を評価する評価工程とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、転がり軸受に封入されているグリースの状態を評価する評価方法及び評価装置に関する。

転がり軸受では、ころや玉などの転動体が転動する軌道面を潤滑するために、グリースが封入されている。グリースは、基油に増ちょう剤を分散させて半固体または固体化したものであり、長期にわたって使用すると、基油が消費され、また、増ちょう剤が機械的に切断されることによって、潤滑性能が低下する。こうして、潤滑性能が低下したグリースを使用すると、軌道面の摩耗が増大したり、焼き付きなどの異常を生じる場合がある。
鉄鋼設備や風力発電装置等においては、転がり軸受が故障すると、その修理のために長期間設備全体を停止しなければならず、多大な損失が発生する。このため、封入されているグリースの状態を正確に把握して、適正にメンテナンスすることが極めて重要である。

鉄鋼設備や風力発電装置等においては、設備が大型であり、特に、風力発電装置ではナセルが高所に設置されているので、転がり軸受を分解してグリースの状態を点検するのには多大な工数を要する。そこで、メンテナンスの方法として、グリースが劣化する時期を予測して、損傷が生じる前に新しいグリースを補充することが一般的に行われている。しかし、グリースの劣化が進行する速さは使用条件によってばらつきが大きく、補充の時期を正確に予測することは困難であり、転がり軸受の損傷を確実に回避するためには、損傷が生じる前に早めにグリースを補充せざるを得ない。このため、グリースの潤滑性能が残存している状態であるにもかかわらず、追加給脂される場合があり、特に、大型の転がり軸受では、封入されるグリース量が多いので、メンテナンス費用が増大するという問題がある。

これに対して、特許文献１では、転がり軸受の使用開始後に、転がり軸受内のグリースを採集し、このグリースを当該転がり軸受とは別の試験用転がり軸受内に入れ、この試験用転がり軸受に対して加速試験を行うことにより、グリース寿命を予測している。これによって、グリースを補充したり、転がり軸受を交換する時期を予測している。

特開２００４−８５４５１号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、グリースを採集して加速試験を行うため、グリースの良否を判断するために一定の時間を要するので、採集した時点でのグリース状態を即座に判断することができない。
また、風力発電装置などでは、グリースの回収に多大な工数を要するとともに、採集することによって減少したグリースを補充する必要がある。また、加速試験を行った後においてもグリースの劣化が進行する速さは、転がり軸受の実際の使用条件によって変化する。
そこで、封入されているグリースのメンテナンスをタイムリーに実施できるよう、簡便で、かつ、常時グリースの状態を監視できる手法が求められている。

上記の事情に鑑み、本発明は、転がり軸受を分解したりグリースを採集したりすることなく、封入されているグリースの状態を、常時評価することができる評価方法及び評価装置を提供することを目的としている。

本発明の一形態は、径方向に貫通するロッド挿入孔を有する外輪を備えた転がり軸受を準備する転がり軸受準備工程と、柱状のロッドが、長手方向に変位自在の状態で前記ロッド挿入孔に挿入され、前記ロッドの一方の端部が前記転がり軸受の内部に封入されたグリースに接触する状態とするロッド設置工程と、前記グリースに向けて前記ロッドが所定の速度で変位するときの、前記ロッドに作用する荷重と前記ロッドの変位量を計測する計測工程と、前記計測工程で計測した前記荷重と前記変位量に基づいて、前記グリースの状態を評価する評価工程と、を備える転がり軸受中グリースの状態評価方法である。

本発明の他の形態は、転がり軸受の外輪を径方向に貫通するロッド挿入孔に挿入され、長手方向に変位自在であり、一方の端部が前記転がり軸受の内部に封入されたグリースに接触する柱状のロッドと、前記ロッドを、前記グリースに向けて所定の速度で変位させる変位手段と、前記ロッドに作用する荷重を計測する荷重計測手段と、前記ロッドの変位量を計測する変位計測手段と、前記荷重計測手段で計測した荷重と前記変位計測手段で計測した変位量とに基づいて、前記グリースの状態を評価する判断部と、を備えたことを特徴とする転がり軸受中グリースの状態評価装置である。

本発明によると、転がり軸受を分解したりグリースを採集したりすることなく、封入されているグリースの状態を、常時評価することができる。このため、風力発電装置のナセルのように高所に設置され、観測地点から離れた場所で使用されている設備であっても、転がり軸受にグリースを補充する等のメンテナンスの時期を正確に判断することができる。

自動調心ころ軸受及びグリース状態評価装置の軸方向断面の要部拡大図である。 グリース状態評価装置の構成を説明する説明図である。 図３（ａ）は、環状空間Ｋにロッドを押し込むときの変位量と荷重Ｗの変化を示す概念図であり、図３（ｂ）は、荷重Ｗの経時変化を示す概念図である。

本発明の一実施形態（以下、本実施形態）を図を用いて説明する。
図１は、風力発電装置に組み込まれた自動調心ころ軸受１０及び自動調心ころ軸受１０に組付けられたグリース状態評価装置４０の軸方向断面における要部拡大図である。自動調心ころ軸受１０は、風力発電装置のナセルを形成するハウジング６０の内周に設置されて、主軸６１を回転支持している。グリース状態評価装置４０は、ハウジング６０の外周に設置されて、ロッド４１がハウジング６０及び外輪１１を貫通して、自動調心ころ軸受１０の内部に向けて設置されている。

（自動調心ころ軸受の構造）
図１によって、自動調心ころ軸受１０の構造について説明する。 以下の説明では、自動調心ころ軸受１０の回転軸ｍの方向を軸方向といい、回転軸ｍと直交する方向を径方向、回転軸ｍの周りを周回する方向を周方向という。

自動調心ころ軸受１０は、同心状に配置された外輪１１及び内輪１２と、外輪１１と内輪１２との間で二列に配設された複数の球面ころ１３，１３と、一対の保持器１４，１４と、案内輪１５と、一対の密封装置１６，１６とを備えている。

外輪１１は、軸方向で対称に形成されており、その内周には、軸方向の中央に外側軌道面１９が形成されている。外側軌道面１９の軸方向両外側には、密封装置固定面２０が形成されている。外側軌道面１９は単一の凹曲面からなり、回転軸ｍ上の点を中心とする球面の一部で形成されている。密封装置固定面２０は、円筒面で、回転軸ｍと同軸に形成されている。
外輪１１には、軸方向のほぼ中央で周方向の１カ所に、径方向に貫通するロッド挿入孔２１が形成されている。ロッド挿入孔２１には、後述するように、グリース状態評価装置４０のロッド４１が挿入されている。

内輪１２は、軸方向で対称に形成されており、その外周には二列の内側軌道面２２が形成されている。各内側軌道面２２はそれぞれ凹曲面からなり、軸方向断面は円弧形状である。この円弧の半径は、外側軌道面１９を形成する球面の半径と同一である。二列の内側軌道面２２は、互いに回転軸ｍと同軸の円筒外周面２８でつながっている。２列の内側軌道面２２の軸方向両外側に、密封装置１６のリップ３１が摺接する摺接面２３が形成されている。摺接面２３は円筒面で、回転軸ｍと同軸に形成されている。

球面ころ１３は樽形であり、凸曲面からなる転動面２４を有している。球面ころ１３は、外側軌道面１９と二列の内側軌道面２２との間で周方向に二列配置されており、各列にそれぞれ複数組み込まれている。

一対の保持器１４は、互いに同一の形状であり、球面ころ１３の各列に対応してひとつづつ設けられている。保持器１４は、全体として環状であり、二列の球面ころ１３の列間、すなわち球面ころ１３の軸方向内側に位置する内側円環部２５と、球面ころ１３の軸方向外側に位置する外側円環部２６と、内側円環部２５と外側円環部２６とを略軸方向に連結する複数の柱部２７とを有している。柱部２７は、周方向に一定の間隔で設置されており、隣り合う柱部２７の間に形成される空間（ポケットという）に、球面ころ１３がひとつづつ組み込まれる。こうして、球面ころ１３は、保持器１４によって、各列ごとに周方向に等しい間隔で転動自在に保持されている。保持器１４は、例えば薄肉の炭素鋼板をプレス加工することによって作製することができる。

案内輪１５は環状の部材であり、二列の球面ころ１３の列間において、内輪１２の円筒外周面２８の径方向外方であって保持器１４の内側円環部２５の径方向内方に設けられている。案内輪１５は、円筒外周面２８及び保持器１４と径方向にすきまをもって嵌め合わされており、二列の球面ころ１３が、互いに離間して周方向に転動するように案内されている。

こうして、内輪１２が、外輪１１に対して回転自在に支持されており、自動調心ころ軸受１０が回転するときには、球面ころ１３は、外側軌道面１９及び内側軌道面２２を転動する。外輪１１の内周と内輪１２の外周との間に形成されている環状の空間（以下、「環状空間Ｋ」という）には、グリースが封入されており、各軌道面１９，２２が潤滑されている。
封入されるグリースとしては、ちょう度が２５０〜３５０（混和ちょう度）程度のリチウム石けんグリースが好適に使用されるが、ちょう度やグリースの種類はこれに限定されるものではなく、非石けん系のウレアグリースなど、その他のグリースが、使用条件に応じて適宜選定される。

環状空間Ｋの軸方向両側の開口部には、密封装置１６が装着されている。密封装置１６は、略コの字状の金属製の芯金２９と弾性部材３０とが一体に形成されている。密封装置１６は、芯金２９を密封装置固定面２０に圧入することによって、外輪１１に固定されている。弾性部材３０は、ニトリルゴムなどのゴム材を加硫成型することによって形成されており、内周側に、径方向に弾性変形するリップ３１が形成されている。リップ３１は、内輪１２の外周に形成された摺接面２３と弾性接触して、環状空間Ｋのグリースの流出を防止するとともに異物の浸入を防止している。

（グリース状態評価装置）
次に、グリース状態評価装置４０について説明する。
図２は、グリース状態評価装置４０の構成を説明する説明図であって、図１におけるグリース状態評価装置４０が装着されている部分を、拡大して模式的に示している。
図２に示すように、グリース状態評価装置４０は、円柱形状のロッド４１と、ロッド４１をその長手方向（図２に矢印Ａで示す方向である）に変位させる移動装置４２（変位手段）と、グリースの状態を評価するための計測部４３とを備えている。計測部４３は、ロッド４１の荷重を計測する荷重計測部４４と、ロッド４１の変位量を計測する変位計測部４５と、これらの計測値に基づいてグリースの状態の良否を判断する判断部４６とを備えている。

ロッド４１は、金属製の柱状で、外輪１１に設けたロッド挿入孔２１に同軸に挿入されている。ロッド４１の一方の端部である、環状空間Ｋの側の端面４７は、ロッド４１の軸に対して直交する平面となっている。また、ロッド４１の直径寸法ｄは、ロッド挿入孔２１の内径寸法Ｄよりわずかに小径である。ロッド挿入孔２１の内径寸法Ｄと、ロッド４１の直径寸法ｄとの差は、おおむね２０μｍ程度である。当該径方向のすきまを小さくすることによって、環状空間Ｋに封入されたグリースがロッド挿入孔２１とロッド４１のすきまから漏出するのを防止できる。

移動装置４２は、固定台５０と、固定台５０に対して一方向に移動できる移動ステージ５１と、を備えている。
固定台５０は、ハウジング６０に固定されており、ロッド４１は、荷重センサ５２を介して、移動ステージ５１に固定されている。ロッド４１は、その長手方向が移動ステージ５１の移動する方向と一致する向きで固定されている。移動ステージ５１は、ボールねじ５３をモータ５４で回転させることによって、一方向に移動することができる。
荷重センサ５２は、例えばロードセルであって、ロッド４１に対してその長手方向に作用する荷重の大きさを、測定することができる。そして、測定した荷重の大きさに応じた電気信号が、荷重計測部４４に向けて出力されている。荷重センサ５２と荷重計測部４４は、荷重計測手段を構成する。
また、モータ５４には、その回転軸の回転角を検出するエンコーダ（図示を省略）が組み込まれている。そして、その回転角とボールねじ５３のリードの大きさによって、移動ステージ５１の変位量を計測することができる。エンコーダは、モータ５４の回転角に応じた電気信号を、変位計測部４５に向けて出力している。エンコーダと変位計測部４５は、変位計測手段を構成する。

グリース状態評価装置４０は、風力発電装置の鉛直方向下方において、ハウジング６０の外周に設置されている。ハウジング６０には、その鉛直方向下方で、径方向に貫通する検出口６２が設けられている。検出口６２の内周面は円筒形状であって、自動調心ころ軸受１０の外輪１１は、ロッド挿入孔２１と検出口６２とが略同軸となるように組付けられている。グリース状態評価装置４０のロッド４１は、ロッド挿入孔２１と同軸に挿入されている。なお、検出口６２の内径寸法は、ロッド挿入孔２１の内径寸法Ｄと同一である必要はなく、ロッド４１と接触しない程度の大きさであればよい。

計測部４３は、例えばコンピュータのメモリで構成されている。
荷重計測部４４は、荷重センサ５２からの電気信号を受信して、ロッド４１に作用する荷重の大きさを計測している。変位計測部４５は、モータ５４に内蔵されたエンコーダからの電気信号を受信して、モータ５４の回転角とボールねじ５３のリードの大きさに基づいて、ロッド４１の長手方向の変位量を計測している。判断部４６では、荷重計測部４４で演算した荷重の大きさと、変位計測部４５で演算した変位量に基づいて、自動調心ころ軸受１０に封入されたグリースの状態を評価している。判断部４６におけるグリースの状態を評価する方法については、以下で詳述する。

（グリース状態の評価方法）
次に、本実施形態のグリース状態評価装置４０を使用して、自動調心ころ軸受１０に封入されたグリースの状態を評価する評価方法について説明する。
グリースの状態とは、自動調心ころ軸受１０が長期にわたって使用されたことによるグリースの劣化状態をいい、封入初期に比べて、グリースの硬さ（ちょう度）や基油の粘度の変化した量によって評価される。

（転がり軸受準備工程）
転がり軸受準備工程では、封入されたグリースの状態を評価する自動調心ころ軸受１０の外輪１１に、径方向に貫通するロッド挿入孔２１を形成し、自動調心ころ軸受１０は、ロッド挿入孔２１と検出口６２とが略同軸となるようにハウジング６０の内周に組付けられている。自動調心ころ軸受１０の環状空間Ｋには、グリースが封入されている。

（ロッド設置工程）
ロッド設置工程では、ロッド４１がロッド挿入孔２１に挿入された状態で、移動装置４２がハウジング６０に固定される。ロッド４１は、ロッド挿入孔２１と同軸に組付けられており、ロッド挿入孔２１とロッド４１とは互いに接触しない。このため、ロッド４１は、外輪１１に対して径方向に変位自在であり、長手方向に容易に変位することができる。こうして、ロッド４１は、自動調心ころ軸受１０の鉛直方向下方から、環状空間Ｋに向けて組み込まれている。このとき、ロッド４１の端面４７は、外側軌道面１９と径方向のほぼ同じ位置となるように組み込まれており、ロッド４１は環状空間Ｋに封入されたグリースと接触している。

（計測工程）
計測工程では、モータ５４によってボールねじ５３を回転させて、ロッド４１を、環状空間Ｋに向けて一定の速度で移動させている。
ロッド４１の進行方向には、環状空間Ｋに封入されたグリースの層が形成されている。このため、ロッド４１の進行方向にあるグリースは、ロッド４１の端面４７に押されてその位置が変位する。一方、ロッド４１の進行方向に対して外側に外れた位置にあるグリースは、直接ロッド４１で押されていないので、ロッド４１の進行方向にあるグリースとは変位量が異なる。こうして、ロッド４１を環状空間Ｋに向けて変位させたときには、グリースが変形している。

このとき、グリースは、ロッド４１から荷重Ｗを受けて変形しており、この荷重Ｗは、グリースの硬さ（ちょう度）や基油の粘度に応じて変化する。すなわち、グリースが柔らかい（ちょう度が高い）ときには荷重Ｗが小さく、硬い（ちょう度が低い）ときには荷重Ｗが大きくなる。したがって、グリースが劣化して、ちょう度や基油の粘度が変化したときには、ロッド４１を環状空間Ｋに向けて押し込むときの荷重Ｗの大きさが、封入初期に比べて変化する。このため、荷重Ｗの大きさを測定することによって、封入されているグリースの劣化状態を計測することができる。

グリースに作用する荷重Ｗは、その反力がロッド４１に作用するので、荷重センサ５２で検出することができて、荷重センサ５２から送信された電気信号に基づいて、荷重計測部４４で荷重Ｗの大きさが計測されている。同時に、環状空間Ｋに向けて移動したロッド４１の変位量が、変位計測部４５で計測されている。

（評価工程）
評価工程では、判断部４６において、荷重計測部４４で計測された荷重Ｗの大きさと、変位計測部４５で計測されたロッド４１の変位量に基づいて、グリースの劣化状態を評価している。
図３（ａ）は、環状空間Ｋに封入されているグリースに、ロッド４１を押し込んだときに、ロッド４１の変位量とロッド４１に作用する荷重Ｗが変化する様子を示す概念図である。

本実施形態では、鉛直方向下方からロッド４１が挿入されており、ロッド４１の端面４７が、外側軌道面１９と径方向のほぼ同じ位置となるように組み込まれている。環状空間Ｋに封入されたグリースは、球面ころ１３が転動することによって軸方向両側に押し分けられており（チャンネリングという）、二列の球面ころ１３の間では、鉛直方向下方の外輪１１の内周側に、径方向に所定の厚さをもって残留している。これにより、ロッド４１の端面４７は、常に環状空間Ｋに封入されているグリースと接触している。このため、ロッド４１が変位すると同時にグリースの変形が開始するので、図３（ａ）に示すように、荷重センサ５２が検出するロッド４１の荷重は、ロッド４１が変位すると同時に増大する。その後、荷重の上昇が緩やかになっている。
そこで、荷重計測部４４では、ロッド４１が所定距離Ｌだけ変位したときの荷重を、「ロッド４１を環状空間Ｋに向けて押し込むときの荷重Ｗ」として、測定している。
なお、本実施形態では、鉛直方向下方からロッド４１が挿入されているが、外輪１１の内周に全周にわたってグリースが残留する場合には、ロッド４１が挿入される方向は限定されず、外輪１１の全周のいずれの方向でもよい。

図３（ｂ）は、荷重Ｗが、自動調心ころ軸受１０の使用時間に応じて変化する様子を示す概念図である。

本実施形態のグリース状態評価装置４０では、荷重Ｗを、継続的に観測することによって、荷重Ｗの経時的な変化を測定することができる。一般的に、自動調心ころ軸受１０が長期にわたって使用されたときには、グリース中の基油が消費されて、グリースのちょう度が低くなるので、図３（ｂ）に示したように、時間経過とともに、荷重Ｗが大きくなる。
したがって、あらかじめ荷重Ｗの判断基準Ｗｏを設定しておくことによって、当該判断基準Ｗｏを超えたとき（図３（ｂ）では時間Ｔで示している）にグリースの劣化が進行したと判断して、新しいグリースを補充したり、自動調心ころ軸受１０を交換する等のメンテナンスをすることができる。

なお、こうして、長期使用することによりグリースのちょう度が低くなる場合には、荷重Ｗの判断基準Ｗｏは、封入初期の荷重Ｗより大きい値に設定される。この値は、封入されるグリースの種類や、自動調心ころ軸受１０が使用される使用条件等によって、経験的に設定される。しかし、グリースによっては、長期の使用によってちょう度が高くなる場合がある。この場合には、使用とともに荷重Ｗが低下するので、荷重Ｗの判断基準Ｗｏを、封入初期の荷重Ｗより低い値に設定する。そして、グリースが劣化して、荷重Ｗが判断基準Ｗｏを下回ったときに、グリース補充等のメンテナンスを実施すればよい。

こうして、本実施形態では、転がり軸受を分解することなく、封入されているグリースの状態を、常時、評価することができるので、風力発電装置のナセルのように、高所に設置され、観測地点から離れた場所で使用されている転がり軸受であっても、グリースを補充する等のメンテナンスの要否を正確に判断することができる。
また、ロッド４１を環状空間Ｋに向けて変位させるだけでグリースの状態を評価できるので、メンテナンスの要否を即座に判断することができる。この結果、グリースのメンテナンスをタイムリーに実施できる。

グリース状態の計測が終了したときには、環状空間Ｋに向かって進入したロッド４１は、再び、計測をする前の位置、すなわち、端面４７の位置が外側軌道面１９とほぼ同じ位置となるまで、後退する。このとき、環状空間Ｋのグリースは、ロッド４１とともに鉛直方向下方に変位して、再び、計測する前の状態に戻る。
こうして、次に、あらためてグリース状態を計測するときには、上記で説明した手順と同様にして、グリース状態を計測することができる。

また、ロッド４１を環状空間Ｋに向けて押し込む操作は、グリース状態評価装置４０から離れた場所からでも行うことができる。また、所定のプログラムを設定することによって、その操作を、自動的に繰り返し行うことができる。このため、風力発電装置のように高所に設置されている場合であっても、オンラインでグリースの状態を監視する等によって、転がり軸受を分解したりグリースを採集したりすることなく、転がり軸受にグリースを補充する等のメンテナンスの時期を正確に判断することができる。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるわけではなく、その他種々の変更が可能である。たとえば、本実施形態では、風力発電装置に組み込まれた自動調心ころ軸受を例に説明したが、これに限定されない。本発明は、鉄鋼圧延設備などその他の用途であっても適用できるし、円筒ころ軸受や円すいころ軸受などのその他の形式の転がり軸受にも適用することができる。

１０：自動調心ころ軸受、１１：外輪、１２：内輪、１３：球面ころ、１４：保持器、１５：案内輪、１６：密封装置、１９：外側軌道面、２０：密封装置固定面、２１：ロッド挿入孔、２２：内側軌道面、２３：摺接面、４０：グリース状態評価装置、４１：ロッド、４２：移動装置、４３：計測部、４４：荷重計測部、４５：変位計測部、４６：判断部、４７：端面、５０：固定台、５１：移動ステージ、５２：荷重センサ、５３：ボールねじ、５４：モータ、６０：ハウジング、６１：主軸、６２：検出口

Claims (2)

1. 径方向に貫通するロッド挿入孔を有する外輪を備えた転がり軸受を準備する転がり軸受準備工程と、
   柱状のロッドが、長手方向に変位自在の状態で前記ロッド挿入孔に挿入され、前記ロッドの一方の端部が前記転がり軸受の内部に封入されたグリースに接触する状態とするロッド設置工程と、
   前記グリースに向けて前記ロッドが所定の速度で変位するときの、前記ロッドに作用する荷重と前記ロッドの変位量を計測する計測工程と、
   前記計測工程で計測した前記荷重と前記変位量に基づいて、前記グリースの状態を評価する評価工程と、を備える転がり軸受中グリースの状態評価方法。
2. 転がり軸受の外輪を径方向に貫通するロッド挿入孔に挿入され、長手方向に変位自在であり、一方の端部が前記転がり軸受の内部に封入されたグリースに接触する柱状のロッドと、
   前記ロッドを、前記グリースに向けて所定の速度で変位させる変位手段と、
   前記ロッドに作用する荷重を計測する荷重計測手段と、
   前記ロッドの変位量を計測する変位計測手段と、
   前記荷重計測手段で計測した荷重と前記変位計測手段で計測した変位量とに基づいて、前記グリースの状態を評価する判断部と、を備えたことを特徴とする転がり軸受中グリースの状態評価装置。

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