JP2019190943A - Rolling bearing fatigue state prediction system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転体を支承する転がり軸受の疲労状態予測システムに関する。 The present invention relates to a fatigue state prediction system for a rolling bearing that supports a rotating body.
転がり軸受の寿命を予測することは、軸受の型式の選定や、軸受の交換時期を最適化するうえで重要である。しかし、転がり接触特性の複雑さや、疲労に関係する部品点数が多いため、同じ型式の軸受を用い、同じ条件で使用したとしても、その寿命は軸受毎に大きくばらついてしまう。 Predicting the life of a rolling bearing is important in selecting the bearing type and optimizing the replacement time of the bearing. However, since the rolling contact characteristics are complicated and the number of parts related to fatigue is large, even if the same type of bearing is used and used under the same conditions, its life varies greatly from bearing to bearing.
そこで、軸受寿命の分布状態に対して、ワイブル分布をあてはめて、その分布を代表する値を使用する方法が提案されており、この方法は現在でも使用されている。また、軸受の寿命の大きさに対して、最もよく使用されるのが、全個数の内10%の軸受が損傷する寿命(基本定格寿命L10)である((式1)参照)。 Therefore, a method has been proposed in which a Weibull distribution is applied to the bearing life distribution state and a value representative of the distribution is used, and this method is still used. Also, the life (basic rating life L 10 ) in which 10% of all the bearings are damaged is the most frequently used with respect to the life of the bearing (see (Equation 1)).
(式1)中のCは基本動定格荷重と呼ばれ、軸受の動的負荷容量を示すパラメータである。Pは軸受に負荷される等価荷重である。指数pは、玉軸受では3、ころ軸受では10/3としている。 C in (Formula 1) is called a basic dynamic load rating, and is a parameter indicating the dynamic load capacity of the bearing. P is an equivalent load applied to the bearing. The index p is 3 for ball bearings and 10/3 for roller bearings.
(式1)で求められる基本定格寿命L10は長い間使用されてきたが、近年、軸受の寿命には、軸受の疲労限荷重、潤滑状態、運転環境、運転時の汚染粒子、取付け時の清浄度が影響することが明らかになってきた。そして、数多くの試験結果をもとに、それらを考慮した修正係数aISOが新たに提案されており、この修正係数aISO及び任意の損傷確率n%を計算するための係数a1を基本定格寿命L10に乗じた修正定格寿命Lnmが提案された((式2)参照)。 It has been used for a long time the basic rating life L 10 obtained by (Equation 1), in recent years, the life of the bearing, the fatigue limit load of the bearings, lubrication, driving environment, pollution particles during operation, when mounting It has become clear that cleanliness affects. Based on a number of test results, a correction factor a ISO that takes them into account has been newly proposed. The correction factor a ISO and a factor a 1 for calculating an arbitrary damage probability n% are set as basic ratings. A modified rated life L nm multiplied by the life L 10 was proposed (see (Equation 2)).
近年、転がり軸受の交換時期を最適化して、製品の稼働率を最大化させる需要が高まっている。その手法として、実稼働時の転がり軸受に関わる物理量を計測し、その計測データを用いて、時々刻々変化する転がり軸受の疲労状態を評価する手法が提案されており、また、その上で必要となる、実稼働時の荷重を計測する手法が特許文献1に提案されている。
In recent years, there is an increasing demand for optimizing the replacement time of rolling bearings and maximizing the availability of products. As a method, a method has been proposed in which physical quantities related to rolling bearings in actual operation are measured, and the fatigue data of rolling bearings that change from moment to moment is evaluated using the measured data. A technique for measuring the load during actual operation is proposed in
例えば、特許文献1の請求項1には、「軸受が支持される軸受ハウジングに取り付けられる超音波探触子から入射波を前記軸受の軸受外輪に向けて発生させ、前記軸受ハウジングと前記軸受外輪との境界位置からの反射波を測定することにより、軸受荷重を測定する軸受荷重計測のための軸受支持構造であって、前記軸受ハウジングに前記軸受外輪が嵌合する嵌合孔が形成されており、前記嵌合孔と前記軸受外輪の間に充填材を介在させていることを特徴とする軸受荷重計測のための軸受支持構造。」と記載されており、この超音波探触子を用いて、転動体と転がり軸受の内輪または外輪との密着度を求めて、その結果から軸受荷重を推定する手法が記載されている(特許文献1の段落0023〜段落0027等)。
For example, in
ところで、実際の回転軸は、その自重や歯車荷重により軸が変形し、転がり軸受部において偏角が生じる場合がある。偏角がある場合は、転がり軸受内の荷重分布が不均一となり、局所的に接触荷重が大きくなる領域が生じる。軸受の寿命は、転動体と軸受内輪、外輪との最大接触荷重に影響をうけるため、軸受の寿命を精度よく予測するためには、軸受部の偏角を評価し、最大接触荷重を推定する必要がある。 By the way, an actual rotating shaft may be deformed by its own weight or gear load, and a declination may occur in the rolling bearing portion. When there is a declination, the load distribution in the rolling bearing becomes non-uniform, resulting in a region where the contact load is locally increased. Since the bearing life is affected by the maximum contact load between the rolling element and the bearing inner and outer rings, the bearing contact angle is evaluated and the maximum contact load is estimated in order to accurately predict the bearing life. There is a need.
しかしながら、特許文献1に記載された手法は、回転軸の荷重変形により生じる、転がり軸受部の偏角が考慮されていないため、原理的に軸受寿命の予測精度が低いものであった。
However, since the technique described in
本発明の目的は、転がり軸受部に偏角が生じた場合においても、転がり軸受の寿命を含む疲労状態を精度良く予測するための転がり軸受疲労状態予測システムを提供することである。 An object of the present invention is to provide a rolling bearing fatigue state prediction system for accurately predicting a fatigue state including the life of a rolling bearing even when a declination occurs in the rolling bearing portion.
上記課題を解決するために、本発明の転がり軸受疲労状態予測システムは、回転体を支持する転がり軸受の疲労状態を予測するものであって、前記転がり軸受の軸受分担荷重の大きさと偏角を計算する荷重・偏角計算部と、前記軸受分担荷重と前記偏角に基づいて前記転がり軸受の荷重分布を計算する荷重分布計算部と、前記荷重分布に基づいて前記転がり軸受の疲労状態を予測する疲労状態予測部と、を有するものとした。 In order to solve the above problems, a rolling bearing fatigue state prediction system of the present invention predicts the fatigue state of a rolling bearing that supports a rotating body, and determines the magnitude and declination of the bearing shared load of the rolling bearing. A load / deflection calculation unit to be calculated, a load distribution calculation unit to calculate the load distribution of the rolling bearing based on the bearing shared load and the deflection angle, and a fatigue state of the rolling bearing to be predicted based on the load distribution And a fatigue state prediction unit.
本発明によれば、転がり軸受に偏角が生じた場合においても、偏角時の最大接触荷重を求めることができるため、転がり軸受の疲労状態を精度良く予測できる。またオペレータは疲労状態を確認することができるため、転がり軸受の交換時期を最適化でき、その結果、稼働率を向上させることができる。 According to the present invention, even when a declination occurs in the rolling bearing, the maximum contact load at the declination can be obtained, so that the fatigue state of the rolling bearing can be accurately predicted. Further, since the operator can check the fatigue state, the replacement timing of the rolling bearing can be optimized, and as a result, the operating rate can be improved.
以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する
なお、各実施例において、「転がり軸受」とは、回転軸に代表される回転体の外周面を覆うよう配される円筒状の内輪、円筒状の内輪の外周面を覆い且つ内輪の外周面より径方向外側に所定の間隔にて離間し同心円状に配される円筒状の外輪、及び、外輪の外周面を覆うよう配される軸受ハウジングを備え、かつ、内輪の外周面と外輪の内周面との間に、転動体として球状の玉が周方向に複数配される転がり「玉軸受」、或いは、内輪の外周面と外輪の内周面との間に、転動体として円柱状のころが周方向に複数配される「転がりころ軸受」を含む。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each embodiment, a “rolling bearing” is a cylindrical inner ring arranged to cover the outer peripheral surface of a rotating body represented by a rotating shaft, A cylindrical outer ring that covers the outer peripheral surface of the cylindrical inner ring and that is spaced apart from the outer peripheral surface of the inner ring in the radial direction at a predetermined interval and arranged concentrically, and a bearing that is arranged to cover the outer peripheral surface of the outer ring A rolling “ball bearing” in which a plurality of spherical balls are arranged in the circumferential direction as rolling elements between the outer peripheral surface of the inner ring and the inner peripheral surface of the outer ring, or between the outer peripheral surface of the inner ring and the outer ring. A “rolling roller bearing” in which a plurality of cylindrical rollers are arranged in the circumferential direction as rolling elements between the inner peripheral surface and the inner peripheral surface is included.
また、「転がり軸受」は、円筒状の内輪の外周面に、周方向に所定の間隔にて円弧状の深溝が複数形成され、円筒状の外輪の内周面に、内輪の外周面に形成された深溝と対向する位置に円弧状の深溝が形成される深溝軸受等を含む。 The “rolling bearing” has a plurality of arc-shaped deep grooves formed at predetermined intervals in the circumferential direction on the outer peripheral surface of the cylindrical inner ring, and is formed on the inner peripheral surface of the cylindrical outer ring and on the outer peripheral surface of the inner ring. A deep groove bearing in which an arc-shaped deep groove is formed at a position facing the formed deep groove.
さらに、各実施例において、回転軸を回転可能に支持する転がり軸受を有し、転がり軸受にかかる荷重の方向が変化する回転機械として、例えば、風力発電装置、又は、掘削現場或は建設現場で使用される建設機械を含む。 Furthermore, in each embodiment, as a rotating machine having a rolling bearing that rotatably supports the rotating shaft and changing the direction of the load applied to the rolling bearing, for example, at a wind power generator, an excavation site, or a construction site. Includes construction machinery used.
以下、本発明の実施例1の転がり軸受疲労状態予測システム1について、図1から図7を参照して説明する。
Hereinafter, a rolling bearing fatigue
図1は、実施例1の転がり軸受疲労状態予測システム1の全体概略構成図である。ここに示すように、転がり軸受疲労状態予測システム1は、少なくとも、演算装置4、入力装置5、表示装置6を備えたシステムである。これらのうち、演算装置4は、転がり軸受2の疲労状態を計測データ(計測信号)に基づき予測するものであり、入力装置5は、オペレータが操作するキーボードやマウス等であり、表示装置6は、演算装置4からの信号を表示するLCDや有機EL等のディスプレイである。
FIG. 1 is an overall schematic configuration diagram of a rolling bearing fatigue
演算装置4の監視対象である転がり軸受2は、図1に示すように、回転軸3の外周面を覆うよう配されており、回転軸3に嵌合する円筒状の内輪2aと、内輪2aの外周面を覆い且つ内輪2aの外周面より径方向外側に所定の間隔にて離間し同心円状に配される円筒状の外輪2bと、内輪2aの外周面と外輪2bの内周面の間に周方向に相互に所定の間隔にて離間し配される複数の転動体2c(球状の玉、円柱状のころ)を備える。なお、図1では、外輪2bの外周面を覆う軸受ハウジングを省略している。
As shown in FIG. 1, the rolling
図2は、転がり軸受疲労状態予測システム1の機能ブロック図である。なお、演算装置4は、具体的には、パソコンなどのコンピュータであり、図示しないCPU等の演算装置、半導体メモリ等の主記憶装置、ハードディスク等の補助記憶装置、および、通信装置などのハードウェアを備え、補助記憶装置に記録されたデータベースを参照しながら、主記憶装置に記憶されたプログラムを演算装置が実行することで、後述する各機能を実現するものであるが、以下では、このような周知技術を適宜省略しながら説明する。
FIG. 2 is a functional block diagram of the rolling bearing fatigue
図2に示すように、本実施例の演算装置4は、運転データと、入力装置5からのデータが入力され、それらの処理結果等を表示装置6に出力するものであり、所望の処理を実現するために、入力インターフェース(以下では「入力部4a」)、計測値取得部4b、荷重・偏角計算部4c、荷重分布計算部4d、疲労状態予測部4e、記憶部4f、表示制御部4g、出力インターフェース(以下では「出力部4h」)、および、それらを相互接続する内部バス4iを備えている。以下、各々について順次説明する。
As shown in FIG. 2, the
入力部4aには、転がり軸受2の疲労状態を予測するために計測した計測値(回転機械の運転データ)と、オペレータが入力装置5を介して設定した設定情報(潤滑条件、フィルタ条件等)が入力される。
In the input unit 4a, measured values (running machine operation data) measured for predicting the fatigue state of the rolling
記憶部4fは、入力装置5から入力された設定情報や設計情報を、内部バス4iを介して取得し所定の記憶領域に格納すると共に、後述する計測値取得部4b等の出力を所定の記憶領域に格納するものであり、具体的には、半導体メモリ、ハードディスクなどで構成される。
The
計測値取得部4bは、入力部4aに入力されるデータから計測値に相当するものを抽出して取得する。なお、計測値は、監視対象の回転機械がモータである場合には常時計測されるモータ電力や回転数・回転速度であり、監視対象の回転機械が発電機である場合には常時計測される発電量や回転数・回転速度であるが、他種のデータを計測値としても良い。ここで取得した計測値を、内部バス4iを介して、荷重・偏角計算部4cへ転送すると共に、記憶部4fの所定の記憶領域に格納する。
The measurement value acquisition unit 4b extracts and acquires data corresponding to the measurement value from the data input to the input unit 4a. The measured values are motor power, rotation speed, and rotational speed that are always measured when the monitored rotating machine is a motor, and are always measured when the monitored rotating machine is a generator. Although the amount of power generation, the number of rotations, and the rotation speed, other types of data may be used as measurement values. The measured values acquired here are transferred to the load / deflection angle calculation unit 4c via the
荷重・偏角計算部4cは、内部バス4iを介して計測値取得部4bから取得した計測値に基づき、各々の転がり軸受2にかかる軸受分担荷重Fと、軸受分担荷重Fによる回転軸3の変形を計算し、また、その変形計算結果に基づき、各々の転がり軸受2の偏角θを計算する。ここで計算した軸受分担荷重Fと偏角θを、内部バス4iを介して、荷重分布計算部4dへ転送すると共に、記憶部4fの所定の記憶領域に格納する。
The load / deflection calculation unit 4c is based on the measurement value acquired from the measurement value acquisition unit 4b via the
荷重分布計算部4dは、内部バス4iを介して荷重・偏角計算部4cから取得した、軸受分担荷重Fと偏角θに基づき、転がり軸受2内の軸受荷重分布fを計算する。さらに、得られた軸受荷重分布fの最大値である最大局所荷重fmax’を、内部バス4iを介して、疲労状態予測部4eへ転送すると共に、記憶部4fの所定の記憶領域に格納する。
The load distribution calculation unit 4d calculates the bearing load distribution f in the rolling
疲労状態予測部4eは、内部バス4iを介して荷重分布計算部4dから取得した最大局所荷重fmax’、及び、内部バス4iを介して計測値取得部4bまたは記憶部4fから取得した回転速度データに基づき、転がり軸受2の疲労状態を予測する。疲労状態予測部4eにより求められた転がり軸受2の疲労状態の予測結果は、表示制御部4g、出力部4hを介して表示装置6の表示画面7に表示される。
The fatigue
ここで、「疲労状態」とは、例えば、転がり軸受2の余寿命、累積損傷度、損傷確率、または、損傷確率に損傷時の影響度を乗算した指標であるリスク、の何れか、または、これらの任意の組み合わせである。なお、リスクを算出する際に用いる「影響度」とは、例えば、部品交換に要する費用、部品交換のために転がり軸受を有する回転機械を停止することによるコストロス(被害額)を意味する。
Here, the “fatigue state” is, for example, any one of the remaining life of the rolling
次に、図3、図4を用いて、本実施例の転がり軸受疲労状態予測システム1の処理フローについて説明する。
Next, the processing flow of the rolling bearing fatigue
図3は、転がり軸受疲労状態予測システム1の全体処理フロー図である。
FIG. 3 is an overall process flow diagram of the rolling bearing fatigue
まず、ステップS1では、荷重・偏角計算部4cは、各転がり軸受2にかかる軸受分担荷重Fを計算する。ここで、荷重・偏角計算部4cによる、軸受分担荷重Fの計算方法に関して図4を参照しながら説明する。
First, in step S <b> 1, the load / deflection calculation unit 4 c calculates a bearing shared load F applied to each rolling
図4は、モータ9の回転軸3Aを転がり軸受2A、2Bにより支持し、モータ9の回転動力を、歯車10A、10Bを介して、転がり軸受2C、2Dにより支持された回転軸3Bへ伝達する回転動力伝達機構を示した概略図である。この例では、回転軸3A、3Bを共に一対の転がり軸受2で支持しているが、必ずしもそうである必要はなく、回転軸3が2つである必要もない。また、図4では、モータ9を動力源としているが、他の動力源から回転動力を供給する構成としてもよい。
In FIG. 4, the rotating shaft 3A of the
このような回転動力伝達機構を監視対象とする場合、荷重・偏角計算部4cは、まず、ある時間tにおけるモータ電力H(t)[W]とモータ回転速度N(t)[rev/min]を、計測値取得部4bより取得する。そして、取得したモータ電力Hとモータ回転速度Nを用いて、回転軸3AにかかるトルクT(t)[Nm]を以下の(式3)より求める。 When such a rotational power transmission mechanism is to be monitored, the load / deflection calculation unit 4c first has motor power H (t) [W] and motor rotational speed N (t) [rev / min at a certain time t. ] Is acquired from the measured value acquisition unit 4b. Then, using the acquired motor power H and motor rotation speed N, torque T (t) [Nm] applied to the rotation shaft 3A is obtained from the following (Equation 3).
次に、このトルクT(t)と、記憶部4fから取得した設計情報である歯車10Aのピッチ半径RA[m]を用いることで、歯車10Aに負荷される接線力F0[N]を、以下の(式4)より求める。
Next, by using this torque T (t) and the pitch radius R A [m] of the
この接線力F0[N]は、転がり軸受2Aと転がり2Bに分担される。この接線力F0[N]と、記憶部4fから取得した設計情報である、歯車10Aから転がり軸受2Aまでの距離lA、または、転がり軸受2BまでのlBを用いることで、転がり軸受2A、2Bの軸受分担荷重FA(t)、FB(t)のそれぞれは、以下の(式5)、(式6)より求まる。
This tangential force F 0 [N] is shared between the rolling
歯車10Bに生じる接線力は、作用・反作用の関係から、歯車10Aの接線力F0(t)と等しいため、歯車10Bから転がり軸受2Cまでの距離lC、歯車10Bから転がり軸受2Dまでの距離lDを用いると、転がり軸受2C、2Dの軸受分担荷重FC(t)、FD(t)のそれぞれは、以下の(式7)、(式8)より求まる。
Since the tangential force generated in the gear 10B is equal to the tangential force F 0 (t) of the
ステップS2では、荷重・偏角計算部4cは、転がり軸受2の偏角θを算出する。偏角θの計算方法に関して図5を用いて説明する。
In step S <b> 2, the load / deflection calculation unit 4 c calculates the deflection angle θ of the rolling
図5は、図4の回転軸3Aが荷重変形したときの模式図である。歯車10Aに接線力F0が作用した場合、転がり軸受2A、2Bに生じる偏角θA(t)、θB(t)はそれぞれ、記憶部4fの設計情報から取得した回転軸3aのヤング率EA[Pa]と断面二次モーメントIAを用いて、以下の(式9)、(式10)により求まる。
FIG. 5 is a schematic diagram when the rotating shaft 3A of FIG. 4 is subjected to load deformation. When a tangential force F 0 is applied to the
同様に、転がり軸受2C、2Dに生じる偏角θC(t)、θD(t)も、回転軸3Bのヤング率EB[Pa]と断面二次モーメントIBを用いて、以下の(式11)、(式12)により求まる。 Similarly, the rolling bearing 2C, declination occurs 2D θ C (t), θ D (t) also, the Young's modulus E B of the rotary shaft 3B [Pa] and with a moment of inertia of I B, the following ( It can be obtained from Equation 11) and Equation 12).
ステップS3では、荷重分布計算部4dは接触計算を実施し、その中の最大局所荷重fmax’を算出する。最大局所荷重fmax’の求め方ついて、図6を用いて説明する。 In step S3, the load distribution calculation unit 4d performs contact calculation and calculates the maximum local load f max ′ therein. A method of obtaining the maximum local load f max ′ will be described with reference to FIG.
図6は、転がり軸受2に偏角θが生じたときの軸受荷重分布fを示した図である。荷重分布計算部4dでは、荷重・偏角計算部4cで求めた、軸受分担荷重FA(t)〜FD(t)と、偏角θA(t)〜θD(t)と、記憶部4fに格納された転がり軸受2の幾何寸法を用いて、接触理論計算により、各々の転がり軸受2について、転動体2cと内輪2aまたは外輪2bの軸受荷重分布f(t)を算出するとともに、この軸受荷重分布f(t)に基づき偏角θがあるときの最大局所荷重fmax’ (t)を算出する。また、偏角θが無いときの最大局所荷重fmax(t)も同時に計算する。さらにそれらの比である最大局所荷重比β(t)を以下の(式13)により求める。
FIG. 6 is a diagram showing the bearing load distribution f when the deflection angle θ is generated in the rolling
ステップS4では、疲労状態予測部4eは、荷重頻度解析を行う。ここで実行される荷重頻度解析について、図7を用いて説明する。荷重・偏角計算部4cから軸受分担荷重FA〜FDを取得し、計測値取得部4bから回転速度データ(N(t))を取得すると、これらに基づいて荷重頻度分布を算出することができる。具体的には、軸受分担荷重データFp(t)、回転速度データN(t)に基づき、以下の(式14)により荷重頻度分布を求める。
In step S4, the fatigue
ここで、viは、所定範囲の荷重Piが付加されたときの総回転数(累積回転数)であり、Δtは、サンプリング間隔(サンプリング周期)である。 Here, v i is the total number of rotations (cumulative number of rotations) when a predetermined range of load P i is applied, and Δt is a sampling interval (sampling period).
図7を参照しながら、これを具体的に説明する。図7(a)は、ある転がり軸受2の軸受分担荷重データFpの時間変化を示すグラフである。また、図7(b)は、回転機械の回転速度データNの時間変化を示すグラフである。さらに、図7(c)は、横軸に総回転数(累積回転数)Nを取り、縦軸に荷重Pを取った、荷重頻度分布を示しており、転がり軸受2に付加される荷重ΔP毎の総回転数(累積回転数)が記録されたものである。例えば、荷重Pi−1が付加された総回転数はvi−1[回転]、荷重Piが付加された総回転数はvi[回転]、荷重Pi+1が付加された総回転数はvi+1[回転]であることが示されている。
This will be specifically described with reference to FIG. FIG. 7A is a graph showing the change over time of the bearing shared load data Fp of a
なお、図7(d)は、ある転がり軸受2の最大局所荷重比βの時間変化を示すグラフであり、この図7(d)と図7(c)に基づいて、損傷度Dを算出できるが、その算出方法の詳細は後述することとする。
FIG. 7 (d) is a graph showing the time change of the maximum local load ratio β of a
ステップS5では、疲労状態予測部4eは、内部バス4iを介して記憶部4fから潤滑条件とフィルタ条件を取得する。
In step S5, the fatigue
ステップS6では、疲労状態予測部4eは、取得した潤滑条件及びフィルタ条件に基づき、修正係数aISOを算出する。なお、上述したように、修正係数aISOは(式2)により修正定格寿命Lnmを求めるときに用いるものである。
In step S6, the fatigue
ステップS7では、疲労状態予測部4eは、ステップS3で求めた最大局所荷重比βと、ステップS4で求めた荷重頻度分布と、ステップS6で算出した修正係数aISOを用いて、損傷度Dを(式15)により算出する。
In step S7, the fatigue
式15において、添え字iは荷重ステップ、添え字Iは荷重ステップ数、指数pは玉軸受では3、ころ軸受では10/3である。 In Equation 15, the suffix i is a load step, the suffix I is the number of load steps, and the index p is 3 for ball bearings and 10/3 for roller bearings.
ステップS8では、疲労状態予測部4eは、(式15)で演算した累積損傷度Dが1となるときの転がり軸受2の損傷確率n%を基準として、現在の損傷確率を求める。
In step S8, the fatigue
ステップS9では、疲労状態予測部4eは、内部バス4iを介して記憶部4fに格納された故障発生時の被害額γを取得する。ここで、故障発生時の被害額γとは、例えば、転がり軸受2自体の部品交換に要する費用、部品交換のために転がり軸受を有する回転機械を停止することによるコストロスであり、上述の「影響度」に相当する。
In step S9, the fatigue
ステップS10では、疲労状態予測部4eは、ステップS8で求めた現在の損傷確率に、ステップS9で取得した「故障発生時の被害額γ」を乗算し、現時点のリスクを算出する。
In step S10, the fatigue
以上の処理の実行により、転がり軸受疲労状態予測システム1による疲労状態予測の処理が終了する。
By executing the above processing, the fatigue state prediction processing by the rolling bearing fatigue
以上の処理を実行する間、記憶部4fは、各ステップにより得た、軸受分担荷重、偏角、回転速度(N(t))、荷重頻度分布、累積損傷度D、損傷確率、リスクの各データを、時刻t毎に紐付けて所定の記憶領域に格納する。
During execution of the above processing, the
なお、図3では、ステップS1、S2を荷重・偏角計算部4cが実行し、ステップS3を荷重分布計算部4dが実行し、他のステップを疲労状態予測部4eが実行する構成としたが、全ステップの処理を疲労状態予測部4eが実行する構成としても良い。
In FIG. 3, the load / deflection calculation unit 4c executes steps S1 and S2, the load distribution calculation unit 4d executes step S3, and the fatigue
次に、図8、図9を用いて、図3の処理により得た転がり軸受2の疲労状態予測結果を表示装置6の表示画面7に表示する形態の一例について説明する。
Next, an example of a form in which the fatigue state prediction result of the rolling
図8に示すように、表示装置6の表示画面7は、転がり軸受2の疲労状態予測結果を表示する第一表示領域7aと、保守に関するメッセージを表示する第二表示領域7bと、各種コマンドを入力するためのコマンド入力領域7cから構成される。この例では、コマンド入力領域7cには、「実行」ボタン7dと「保守」ボタン7eが表示されているが、他のボタンを表示しても良い。なお、表示画面7の最上部領域には、第一表示領域7a等を含むウィンドウ全体を、クローズ、縮小/拡大表示、等するためのボタンも表示されている。
As shown in FIG. 8, the
オペレータが入力装置5を介して「実行」ボタン7dを操作すると、図8のように「実行」ボタン7dがアクティブとなるとともに、演算装置4は図3の処理を開始し、それらの処理により得られた、転がり軸受2毎の、「軸受分担荷重」、「偏角」、「累積回転数」、「累積損傷度」、「損傷確率」、「リスク」が、第一表示領域7aに表形式で表示される。図8の例では、時刻tにおける疲労状態予測結果として、軸受分担荷重の大きさが「F(t)」、偏角が「θ(t)」、累積回転数が「N(t)」、累積損傷度が「D(t)」、損傷確率が「〇%」、リスクが「¥〇」として表示されており、転がり軸受2毎の損傷確率や損傷した場合のコストなどを具体的に把握することができる。このように、時刻毎に、各転がり軸受2の疲労状態(累積損傷度、損傷確率、リスク)が予測され、表示される。
When the operator operates the “execute”
また、オペレータが入力装置5を介して「保守」ボタン7eを操作すると、図9のように「保守」ボタン7eがアクティブとなるとともに、第二表示領域7b内に、例えば、「軸受Cが損傷している可能性があります。交換部品の手配、メンテナンスの実施を検討ください。」、「運転履歴より、〇カ月後(年後、日後でも良い)のリスクは¥〇〇になります。」、「運転プランを変更するか、交換する必要があります。」などの、第一表示領域7aの表示内容を踏まえた、オペレータに対する助言が表示される。なお、これらメッセージは、記憶部4fに予め格納されており、予測した疲労状態に応じたものが抽出され、表示制御部4g、出力部4hを介して、表示装置6の第二表示領域7bに表示される。
When the operator operates the “maintenance”
また、適切なメッセージを選択して表示できるように、図3の処理を通して得られる「累積損傷度」や「損傷確率」等には複数の閾値が予め設定されており、かつ、各々の閾値に対し、異なるメッセージが容易されている。従って、表示制御部4gは、「累積損傷度」や「損傷確率」等と予め設定された複数の閾値を比較することで、「累積損傷度」や「損傷確率」等の程度に応じた適切なメッセージを記憶部4fから選択したうえで、第二表示領域7bに表示することができる。なお、表示制御部4gに代えて、疲労状態予測部4eが、上述したメッセージ選択を実行する構成としても良い。
In addition, a plurality of threshold values are set in advance in the “cumulative damage degree” and “damage probability” obtained through the processing of FIG. 3 so that an appropriate message can be selected and displayed. On the other hand, different messages are easy. Accordingly, the display control unit 4g compares the “cumulative damage degree”, “damage probability”, and the like with a plurality of preset thresholds, and thus appropriately displays the “accumulated damage degree”, “damage probability”, and the like. After selecting a message from the
このように、本実施例によれば、第一表示領域7aには、各時刻における、転がり軸受2毎の疲労状態(累積損傷度、損傷確率、リスク)が表示されることから、オペレータは画面上で転がり軸受2の疲労状態を容易に確認することができ、転がり軸受2の交換時期を最適化することができる。また、第二表示領域7bには、転がり軸受2の疲労状態予測結果に対応する保守に関するメッセージが表示されることから、熟練度の低いオペレータであっても適切な対応を認識することができ、必要な場合は即座に保守作業に取り掛かることも可能となる。
Thus, according to the present embodiment, since the fatigue state (cumulative damage degree, damage probability, risk) for each rolling
なお、本実施例の図8、図9では、表示装置6の表示画面7に、第一表示領域7a、第二表示領域7bを設ける構成としたが、これに限られるものではない。例えば、表示画面7に一つの表示領域を設け、図8の第一表示領域7aに表示した疲労状態予測結果と、図9の第二表示領域7bに表示した保守に関するメッセージを切替え表示する構成としても良い。
8 and 9 of the present embodiment, the
更には、図8に示した第一表示領域7aに表示される疲労状態予測結果のみを、表示画面7上に表示する構成としても良い。この場合においても、各時刻における、各転がり軸受2の疲労状態(累積損傷度、損傷確率、リスク)が表示されることから、オペレータは表示画面上で転がり軸受の疲労状態を容易に確認することができるため、転がり軸受の交換時期を最適化することができる。
Furthermore, it is good also as a structure which displays on the
以上で説明した本実施例によれば、転がり軸受2にかかる荷重や偏角が変化する場合であっても、転がり軸受の疲労状態を精度良く予測することができる。また、本実施例によれば、オペレータは表示画面上で転がり軸受2の疲労状態を容易に確認できるため、転がり軸受2の交換時期を最適化でき、その結果、稼働率の向上、保守コストの低減を実現することができる。
According to the present embodiment described above, the fatigue state of the rolling bearing can be accurately predicted even when the load or the deflection angle applied to the rolling
次に、図10の転がり軸受2の含軸断面図を用いて、本発明の実施例2の転がり軸受疲労状態予測システムにおける、荷重・偏角計算部4cの偏角計測方法を説明する。なお、実施例1との共通点は重複説明を省略する。
Next, a method for measuring the deflection angle of the load / deflection angle calculation unit 4c in the rolling bearing fatigue state prediction system according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to a shaft-containing sectional view of the rolling
実施例1では、モータ電力、発電量、回転数、回転速度等の回転電機の運転データを利用して偏角θを算出し、この偏角θに基づいて転がり軸受2の疲労状態を予測したが、本実施例では転がり軸受2の軸受ハウジング20に非接触式の変位センサ21を複数設け、この変位センサ21が出力する変位データを利用して偏角θを算出し、この偏角θに基づいて転がり軸受2の疲労状態を予測することとした。
In the first embodiment, the deflection angle θ is calculated using operation data of the rotating electrical machine such as the motor power, the power generation amount, the rotation speed, and the rotation speed, and the fatigue state of the rolling
図10は、本実施例における変位センサ21の配置を例示するものであり、図10の右図に示すように、転がり軸受2の表側の軸受ハウジング20aには、回転軸3を囲む四つの非接触式の変位センサ21a1〜21a4が設置されており、また、転がり軸受2の裏側の軸受ハウジング20bには、回転軸3を囲む四つの非接触式の変位センサ21b1〜21b4が設置されている。これらの変位センサ21のうち、(21a1、21a3)と(21b1、21b3)の二対は、回転軸3をx軸上で挟むように対称に配置されており、(21a2、21a4)と(21b2、21b4)の二対は、回転軸3をy軸上で挟むように対称に配置されている。この結果、図10の左図の断面図から分かるように、(21a1、21b1)、(21a2、21b2)、(21a3、21b3)、(21a4、21b4)の四対は、転がり軸受2をz軸方向に挟むように配置されることになる。なお、非接触式の変位センサ21としては、例えば、渦電流式変位センサ、あるいは、レーザー変位計を用いることができるが、他の種類の非接触式センサを用いても良い。
FIG. 10 exemplifies the arrangement of the displacement sensor 21 in the present embodiment. As shown in the right diagram of FIG. 10, the bearing
次に、これらの変位センサ21を利用した偏角θの計算方法を説明する。軸受ハウジング20aに設置された変位センサ20a1〜20a4の計測値をMa1〜Ma4とすると、軸受ハウジング20aの同一平面上における回転軸3の中心位置座標の変化Caは以下の(式16)により計算される。
Next, a method for calculating the deflection angle θ using these displacement sensors 21 will be described. When the measured values of the
同様に、軸受ハウジング20bに設置された変位センサ20b1〜20b4の計測値をMb1〜Mb4とすると、軸受ハウジング20bの同一平面上における回転軸3の中心位置座標の変化Cbは以下の(式17)により計算される。
Similarly, if the measured values of the
(式16)、(式17)より算出した、回転軸3の中心位置座標の変化Ca、Cbにより、転がり軸受2近傍の、回転軸3の軸方向への傾き角(偏角θ)を得ることができる。そして、ここで得た偏角θを用いて、図3のステップS3以降の処理を実行することで、実施例1と同様に、累積損傷度、損傷確率、被害額、リスクなどを推測することができる。
An inclination angle (declination angle θ) in the axial direction of the
以上で説明した本実施例によれば、直接計測した偏角θを用いて転がり軸受の疲労状態を推測するため、実施例1の構成に比べ、その精度を更に改善することができる。 According to the present embodiment described above, since the fatigue state of the rolling bearing is estimated using the directly measured declination θ, the accuracy can be further improved as compared with the configuration of the first embodiment.
次に、図11のグラフを用いて、本発明の実施例3の転がり軸受疲労状態予測システムにおける、荷重分布計算部4dでの計算方法の他の例を説明する。なお、上述の実施例との共通点は重複説明を省略する。 Next, another example of the calculation method in the load distribution calculation unit 4d in the rolling bearing fatigue state prediction system according to the third embodiment of the present invention will be described using the graph of FIG. In addition, duplication description is abbreviate | omitted in common with the above-mentioned Example.
実施例1では、荷重分布計算部4dは、図3のステップ3で接触計算を実施することで、図6に示した軸受荷重分布fを算出し、これに基づいて、偏角θ発生時の最大局所荷重fmax’や最大局所荷重比βを求めていた。しかしながら、接触計算をリアルタイムで実行するには、転がり軸受疲労状態予測システム1のCPUに比較的高速で高価なものを利用する必要があった。そこで、本実施例では、記憶部4fに予め記録された表(テーブル)を参照することで、最大局所荷重比βを容易に求めることができるようにした。
In the first embodiment, the load distribution calculation unit 4d calculates the bearing load distribution f shown in FIG. 6 by performing contact calculation in
図11は、偏角θと最大局所荷重比βの関係を示した図である。この曲線は、あらかじめ接触計算を実施して求められており、表形式のデータとして記憶部4fに格納されている。
FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the deflection angle θ and the maximum local load ratio β. This curve is obtained in advance by performing contact calculation, and is stored in the
本実施例の転がり軸受疲労状態予測システム1でも、実施例1の図3のフローに沿った処理が行われるが、ステップS3の処理内容が異なる。すなわち、本実施例では、軸受分担荷重Fと偏角θが荷重分布計算部4dに入力されると、荷重分布計算部4dは記憶部4fから図11に示した偏角θと最大局所荷重比βの関係を示す表(テーブル)を呼び出し、入力されたθに対応する最大荷局所荷重比βを特定し、これを出力する。ステップS4以降の処理は実施例1と同様であるので、重複する説明は省略する。
Also in the rolling bearing fatigue
以上で説明した本実施例によれば、転がり軸受疲労状態予測システム1において、荷重F0や偏角θが変化する毎に、接触荷重分布計算する必要がないため、計算負荷を低減することができ、かつ疲労状態算出速度を速くすることができる。
According to the present embodiment described above, in the rolling bearing fatigue
次に、図12の風力発電装置の概略構成図を用いて、実施例1乃至実施例3のいずれかの転がり軸受疲労状態予測システム1を回転機械の監視に利用した具体例を説明する。なお、上述の実施例との共通点は重複説明を省略する。
Next, a specific example in which the rolling bearing fatigue
図12に示す風力発電装置30は、風を受けて回転する複数のブレード31、複数のブレード31を支持するハブ32、ナセル33、ナセル33を回動可能に支持するタワー34を備える。ナセル33内には、ハブ32に連結されハブ32と共に回転する主軸35、主軸35の回転速度を増速する増速機36、及び、増速機36により高速化された発電機軸37に連結される発電機38を備えている。複数のブレード31に風荷重が付加されることで、複数のブレード31が回転し、その回転エネルギーが発電エネルギーに変換される。
The
増速機36の内部には、図4に示すような複数の回転軸3と歯車10、転がり軸受2が存在する。従って、実施例1で説明したように、荷重・偏角計算部4cは、計測値取得部4bから発電量と回転速度データと記憶部4fに格納してある増速機36の設計情報(歯車10、転がり軸受2、回転軸3の寸法等)に基づき、増速機36で使用される転がり軸受2の軸受分担荷重F、偏角θを算出できる。そして、図3の処理を完了することにより、増速機36内の転がり軸受2の疲労状態を予測することできる。
A plurality of
なお、転がり軸受疲労状態予測システム1を構成する演算装置4等は、風力発電装置30の近傍に設置する必要はなく、例えば、風力発電装置30から遠隔に位置する中央給電指令所等に設置することが望ましい。これにより、増速機36の転がり軸受2にかかる軸受分担荷重Fや偏角θが変化した場合であっても、オペレータは、中央給電指令所等にいながら、その転がり軸受2の疲労状態予測結果を容易に確認できるため、増速機36の交換時期を適切に決定でき、結果として風力発電装置30の稼働率を向上させ、保守費用の抑制も図ることができる。なお、監視対象である回転機械が風力発電装置30である本実施例では、疲労状態予測部4eが利用する「影響度」には、増速機交換のために風力発電装置30を停止することによる、停止期間中の電力料金(コスト)も含まれる。
Note that the
本実施例では、転がり軸受にかかる軸受分担荷重及び偏角が変化するような回転機械として、風力発電装置30を例示したが、監視対象となる回転機械はこれに限られるものではなく、建設機械等の回転機械にも同様に適用できる。建設機械の場合は、建設機械の停止による工期延長によるペナルティー等が、上述の「影響度」に含まれる。
In the present embodiment, the
以上の通り、本実施例によれば、転がり軸受にかかる軸受分担荷重F及び偏角θが変化するような回転機械において、転がり軸受の疲労状態を高精度に予測でき、オペレータは表示画面上で転がり軸受の疲労状態を容易に確認することができるため、転がり軸受の交換時期を最適化でき、その結果、回転機械の稼働率を向上することが可能となる。 As described above, according to the present embodiment, in a rotating machine in which the bearing shared load F and the deflection angle θ applied to the rolling bearing change, the fatigue state of the rolling bearing can be predicted with high accuracy, and the operator can Since the fatigue state of the rolling bearing can be easily confirmed, the replacement time of the rolling bearing can be optimized, and as a result, the operating rate of the rotating machine can be improved.
1 転がり軸受疲労状態予測システム、
2、2A、2B、2C、2D 転がり軸受、
2a 内輪、
2b 外輪、
2c 転動体、
3、3A、3B 回転軸、
4 演算装置、
4a 入力部、
4b 計測値取得部、
4c 荷重・偏角計算部、
4d 荷重分布計算部、
4e 疲労状態予測部、
4f 記憶部、
4g 表示制御部、
4h 出力部、
4i 内部バス、
5 入力装置、
6 表示装置、
7 表示画面、
7a 第一表示領域、
7b 第二表示領域、
7c コマンド入力領域、
7d 「実行」ボタン、
7e 「保守」ボタン、
9 モータ、
10、10A、10B 歯車、
20、20a、20b 軸受ハウジング、
21、21a、21b 変位センサ、
30 風力発電装置、
31 ブレード、
32 ハブ、
33 ナセル、
34 タワー、
35 主軸、
36 増速機、
37 発電機軸、
38 発電機、
F0 接線力、
F 軸受分担荷重、
f 軸受荷重分布、
fmax 偏角がないときの最大局所荷重、
fmax’ 偏角があるときの最大局所荷重、
θ 偏角、
β 最大局所荷重比
1 Rolling bearing fatigue condition prediction system,
2, 2A, 2B, 2C, 2D rolling bearings,
2a inner ring,
2b outer ring,
2c rolling elements,
3, 3A, 3B rotation axis,
4 arithmetic unit,
4a input section,
4b Measurement value acquisition unit,
4c Load / deflection calculation section,
4d load distribution calculation unit,
4e fatigue state prediction unit,
4f storage unit,
4g display control unit,
4h output section,
4i internal bus,
5 input devices,
6 Display device,
7 Display screen,
7a first display area,
7b Second display area,
7c Command input area,
7d “Execute” button,
7e “Maintenance” button,
9 Motor,
10, 10A, 10B gear,
20, 20a, 20b bearing housing,
21, 21a, 21b displacement sensor,
30 Wind power generator,
31 blades,
32 hubs,
33 Nasser,
34 Tower,
35 spindle,
36 gearbox,
37 generator shaft,
38 generator,
F 0 tangential force,
F Bearing load sharing,
f Bearing load distribution,
f max maximum local load without declination,
f max 'maximum local load with declination,
θ declination,
β Maximum local load ratio
Claims (10)
前記転がり軸受の軸受分担荷重の大きさと偏角を計算する荷重・偏角計算部と、
前記軸受分担荷重と前記偏角に基づいて前記転がり軸受の荷重分布を計算する荷重分布計算部と、
前記荷重分布に基づいて前記転がり軸受の疲労状態を予測する疲労状態予測部と、
を有することを特徴とした、転がり軸受疲労状態予測システム。 A rolling bearing fatigue state prediction system for predicting a fatigue state of a rolling bearing that supports a rotating body,
A load / deflection calculation unit for calculating the magnitude and declination of the bearing shared load of the rolling bearing;
A load distribution calculation unit for calculating a load distribution of the rolling bearing based on the bearing shared load and the deflection angle;
A fatigue state prediction unit that predicts a fatigue state of the rolling bearing based on the load distribution;
A rolling bearing fatigue state prediction system characterized by comprising:
前記荷重・偏角計算部は、前記回転体を備えた回転機械の発電量またはモータ電力に基づいて、前記軸受分担荷重の大きさを算出することを特徴とした、転がり軸受疲労状態予測システム。 In the rolling bearing fatigue state prediction system according to claim 1,
The rolling bearing fatigue state prediction system, wherein the load / deflection calculation unit calculates the magnitude of the bearing shared load based on a power generation amount or motor power of a rotary machine including the rotating body.
前記荷重・偏角計算部は、前記軸受分担荷重による前記回転体の変形を計算することにより前記偏角を算出することを特徴した、転がり軸受疲労状態予測システム。 In the rolling bearing fatigue state prediction system according to claim 1,
The rolling bearing fatigue state prediction system, wherein the load / deflection angle calculation unit calculates the deflection angle by calculating deformation of the rotating body due to the bearing shared load.
前記荷重・偏角計算部は、前記転がり軸受の近傍に設置した変位センサの出力に基づいて前記偏角を算出することを特徴とした、転がり軸受疲労状態予測システム。 In the rolling bearing fatigue state prediction system according to claim 1,
The rolling bearing fatigue state prediction system, wherein the load / deflection calculation unit calculates the deflection angle based on an output of a displacement sensor installed in the vicinity of the rolling bearing.
前記荷重分布計算部は、前記転がり軸受の幾何形状と接触理論より前記荷重分布を算出することを特徴とした、転がり軸受疲労状態予測システム。 In the rolling bearing fatigue state prediction system according to claim 1,
The rolling bearing fatigue state prediction system, wherein the load distribution calculating unit calculates the load distribution based on a geometric shape of the rolling bearing and a contact theory.
前記荷重分布計算部は、前記偏角の大きさと前記荷重分布の最大局所荷重の関係を示した表に基づいて前記荷重分布を算出することを特徴とした、転がり軸受疲労状態予測システム。 In the rolling bearing fatigue state prediction system according to claim 1,
The rolling bearing fatigue state prediction system, wherein the load distribution calculation unit calculates the load distribution based on a table showing a relationship between a magnitude of the declination and a maximum local load of the load distribution.
前記疲労状態予測部は、前記荷重分布の最大局所荷重の大きさ毎に、前記回転体の累積回転数を分析し、この分析結果と軸受定格寿命と線形累積損傷則に基づいて前記疲労状態を算出することを特徴とした、転がり軸受疲労状態予測システム。 In the rolling bearing fatigue state prediction system according to claim 1,
The fatigue state prediction unit analyzes the cumulative rotational speed of the rotating body for each maximum local load of the load distribution, and determines the fatigue state based on the analysis result, the bearing rated life, and the linear cumulative damage law. A rolling bearing fatigue state prediction system characterized by calculating.
前記疲労状態予測部が予測した前記疲労状態を表示装置に表示することを特徴とした、転がり軸受疲労状態予測システム。 In the rolling bearing fatigue state prediction system according to claim 1,
A rolling bearing fatigue state prediction system, wherein the fatigue state predicted by the fatigue state prediction unit is displayed on a display device.
前記表示装置に表示される前記疲労状態は、前記転がり軸受の余寿命、累積損傷度、損傷確率、または、前記損傷確率に損傷時に生じる損金を乗算した指標であるリスク、の何れか、または、これらの任意の組合せであることを特徴とした、転がり軸受疲労状態予測システム。 In the rolling bearing fatigue state prediction system according to claim 8,
The fatigue state displayed on the display device is any one of a remaining life of the rolling bearing, a cumulative damage degree, a damage probability, or a risk that is an index obtained by multiplying the damage probability by a loss generated at the time of damage, or A rolling bearing fatigue state prediction system characterized by any combination of these.
前記表示装置に、前記疲労状態予測部が予測した前記疲労状態に対応する保守内容を表示することを特徴とした、転がり軸受疲労状態予測システム。 In the rolling bearing fatigue state prediction system according to claim 8 or 9,
A rolling bearing fatigue state prediction system, characterized in that the maintenance content corresponding to the fatigue state predicted by the fatigue state prediction unit is displayed on the display device.
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