JP2020024172A - 軸受または直動装置の非分解診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】軸受または直動装置の疲労状態を非分解で診断する方法を提供する。【解決手段】この非分解診断方法は、軸受２０の軌道輪２２の端面または周面から軌道輪自体の磁場の状態を磁場測定器１０で測定する。磁場測定器１０は、手で持ち運び可能で計測値を表示可能な箱型の本体部５と、この本体部５に信号線６を介して接続されたプローブ２と、を有する。プローブ２端部には感磁部１が設けられている。感磁部１の内部には、磁場に比例した電圧を出力するホール素子が設けられるとともに、ホール素子の出力電圧から磁場（磁束密度）を計測する。この磁場測定器１０で取得された軌道輪自体の磁場情報の変化に基づいて、当該軸受２０の疲労状態を診断する。【選択図】図２

Description

本発明は、軸受または直動装置を非分解で診断する技術に係り、特に、軸受として、ずぶ焼入れ、浸炭焼入れないし浸炭窒化等の処理を施して用いられる深溝玉軸受または円筒、円錐ないし球面（自動調心）ころ軸受の鋼製軌道面の状態を非分解で診断する上で好適な診断技術に関する。

軸受の疲労が進展して疲労限界を迎えると、軌道面のはく離に至る。軌道面にはく離が生じた軸受は、音や振動が大きくなり、最終的には割れてしまうこともある。このような軸受の軌道面はく離に伴う振動を把握することで、軸受の破損を捕える技術は多く報告されている。一方、市場のニーズとしては、軌道面はく離よりも前の段階で軸受の状態を把握できる技術が求められる。例えば特許文献１には、Ｘ線測定により軸受の組織状態を把握する技術が開示されている。

特開２００９−０４１９９３号公報

しかしながら、Ｘ線での測定は、人体への影響を考慮して遮蔽空間でなくては測定ができず、また、軸受を切断する必要がある。そのため、調査後の軸受を継続して使用することはできない。さらに、Ｘ線測定機は、基本的には大型で据え置く形態がほとんどであり、現場での測定技術としては不向きである。
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、軸受または直動装置の疲労状態を非分解で診断し得る軸受の非分解診断方法を提供することを課題とする。

ここで、本発明者は、転がり軸受において、軌道輪に負荷がかかる負荷圏では、転動体が軌道面を繰り返し通過することで、時間の経過とともに、負荷を受けた軌道面表面下の材料組織が変化することに着目した（以下、この組織変化を本明細書では「疲労」とも呼称する。）。
本発明者が軌道面の磁場の状態を仔細に観察したところ、この材料組織の変化は磁性の変化を同時に伴い、軌道面またはその内部に、軸受の使用前と使用後とで異なる磁場が発生するという知見を得た。そして、その磁場の変化量は軸受の疲労の進行度合と相関があるという知見を得た。本発明は、このような知見に基づいて鋭意検討の結果完成されたものである。

すなわち、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る軸受または直動装置の非分解診断方法は、軸受または直動装置自体の磁場情報の変化に基づいて、当該軸受または直動装置の疲労状態を診断することを特徴とする。
ここで、本発明の一態様に係る軸受または直動装置の非分解診断方法において、前記軸受の軌道輪の端面または周面から前記軌道輪自体の磁場の状態を磁場測定器で測定し、該磁場測定器で取得された前記軌道輪自体の磁場情報の変化に基づいて、当該軸受の前記軌道輪の疲労状態を診断することは好ましい。

上述したように、本発明の一態様に係る軸受または直動装置の非分解診断方法は、軸受または直動装置の疲労に伴う組織変化が磁場の変化を伴う点に着目した技術である。つまり、磁場の変化が現われる部位ではその周囲に磁力線が生じる。よって、本発明の一態様に係る軸受または直動装置の非分解診断方法によれば、軸受または直動装置を分解していない非分解状態であっても、軸受または直動装置に対してその磁力線を把握できる磁場測定器を設置すれば磁場の変化を測定できる。これにより、軸受または直動装置の疲労状態を非分解で診断できる。

よって、本発明の一態様に係る軸受または直動装置の非分解診断方法によれば、軸受または直動装置の破損前に、軸受または直動装置の疲労状態を非分解で把握できるため、軸受または直動装置を定期的に交換するなど、効率的かつ安全に軸受または直動装置およびこれを備える装置を稼動できる。また、本発明の一態様に係る軸受または直動装置の非分解診断方法によれば、測定面に対して磁場測定器を接触あるいは近接するだけで測定可能なので、メンテナンスの時間が大幅に解消されるという効果もある。

上述のように、本発明によれば、軸受または直動装置の疲労状態を非分解で診断できる。

本発明の一態様に係る軸受または直動装置の非分解診断方法に用いる診断システムの一実施形態を説明する図であり、同図(ａ)はその模式的斜視図、(ｂ)はシステムのブロック図である。 本発明に係る診断システムによる軸受または直動装置の非分解診断方法の一実施形態を説明する模式図である。 本発明に係る診断システムによる軸受または直動装置の非分解診断方法の他の実施形態を説明する模式図である。 使用後の軸受における軌道輪（外輪）の磁場分布と磁力線を説明する模式図であり、同図(ａ)はその正面図、(ｂ)は平面図である。 軌道輪の端面から磁場を測定した試験結果の一例を示すグラフである。

以下、本発明に係る軸受または直動装置の非分解診断方法とこれに用いる疲労診断システムの一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。なお、図面は模式的なものである。そのため、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記の実施形態に特定するものではない。

＜診断システム＞
図１に、本発明に係る診断システムの一実施形態を示す。同図に示すように、この診断システムは、磁場測定器１０と、情報処理装置７とを備える。
磁場測定器１０は、磁場（磁束密度）を計測する計測器であり、同図に示すように、手で持ち運び可能で計測値を表示可能な箱型の本体部５と、この本体部５に信号線６を介して接続されたプローブ２と、を有する。プローブ２端部には感磁部１が設けられている。感磁部１の内部には、磁場に比例した電圧を出力するホール素子が設けられるとともに、ホール素子の出力電圧から磁場（磁束密度）を計測する処理部３がプローブ２内にパッケージ化されている。

プローブ２は、磁場に比例した電圧を出力するホール素子の出力電圧から磁場（磁束密度）を計測可能になっている。プローブ２には、同図（ｂ）に示すように、外部出力部４が設けられ、外部出力部４は、処理部３での磁場（磁束密度）の計測結果を、信号線６を介して本体部５に出力可能に構成されている。さらに、本体部５は、処理部３での磁場（磁束密度）の計測結果を、外部の情報処理装置７に出力可能になっている。なお、この診断システムは、後述するように、基準となる磁石（磁場発生手段）が不要であり、このような基準となる磁石（磁場発生手段）を備えていない。

＜非分解診断方法＞
本実施形態に係る軸受または直動装置の非分解診断方法では、図２に一例を模式図にて示すように、軸受としての転がり軸受２０の負荷圏側に上記感磁部１を配置する。これは、転がり軸受２０は、負荷圏側において、軌道輪２２の軌道面またはその内部の疲労により磁場を生じ、磁界分布に変動を生じさせるという知見に基づき配置している。その磁場強度は、自然に存在する外部磁場よりも十分に大きい。
同図の例は、構成部品として、外輪２２、内輪２１およびこれらの間に転動自在に介装される複数の転動体２３が組み立てられてなる転がり軸受２０の例である（以下同様）。なお、本実施形態に係る軸受または直動装置の非分解診断方法で診断可能な軸受は、強磁性体、常磁性体、反磁性体の何れであってもよい。

感磁部１は、当該軌道輪２２の軌道面またはその内部の磁場変動を検知して、転がり軸受２０の軌道面または内部の疲労を検出できる。転がり軸受２０の疲労部を診断するためには、測定対象となる転がり軸受２０の使用前の状態を標準とする必要がある。
また、転がり軸受２０の測定部に対する感磁部１の配置位置は、周辺スペースに合わせて調整可能である。また、感磁部１から転がり軸受２０までの対向距離は、転がり軸受２０の残留磁場の影響を受けない程度の距離だけ離隔配置することが望ましい。本実施形態での離隔距離は、たとえば２ｍｍとすることができる。

ここで、鋼材のき裂発生検出などの場合、標準となる検体を別途に用意する必要があるが、本発明に係る軸受または直動装置の非分解診断方法では、転がり軸受２０の疲労部を診断する場合、転がり軸受２０の使用中も品質に変化がない箇所があれば、その位置を標準位置とすることができる。
つまり、本実施形態に係る軸受または直動装置の非分解診断方法において、軌道輪に負荷がかかる負荷圏と、軌道輪に負荷がかからない非負荷圏とでの磁場情報の測定結果を比較して、軌道輪の疲労状態を診断することは好ましい。例えば、転がり軸受２０の外輪２２が固定され、ラジアル方向に荷重がかかるような使用態様の場合、負荷圏の反対側が非負荷圏となるので、この非負荷圏の位置を標準位置とすることができる。

また、本実施形態の非分解診断方法において、軸受または直動装置の診断に際しては、磁場情報に対応する磁場の値に閾値を設け、その閾値と、取得された軌道輪の磁場情報から得られた磁場の値とを比較して、軸受の疲労状態を診断することは好ましい。
具体的には、図３に一例を示すように、上述した磁場測定器１０と同様の構成を有する、一対の磁場測定器１０Ａ，１０Ｂを用意し、各感磁部１が、内輪２１および外輪２２のいずれか一方の鋼製軌道輪のいずれか一の側端面または外周面若しくは内周面に対して、同じ端面または周面の周方向上で対向する位置に配置するように構成することができる。

同図に示す例では、一対の磁場測定器１０Ａ，１０Ｂのうち、第１の磁場測定器１０Ａの感磁部１は、外輪２２の負荷圏の磁場を測定するために、外輪２２の外周面に対し周方向での負荷圏の位置に対向配置され、第２の磁場測定器１０Ｂの感磁部１は、非負荷圏の磁場を測定するために、外輪２２の外周面に対し周方向での非負荷圏の位置に対向配置されている。このように、非負荷圏側にも感磁部１を配置することで、非負荷圏側を標準位置とすることができる。

一方で、転がり軸受２０の軸受軌道輪全体に負荷がかかる設計の場合、軌道輪全周が疲労するため、使用中の軸受からは標準位置を設定することができない。
よって、このような使用態様の場合は、軸受以外の周辺にて磁場の変化が起きない場所を標準位置として設定する、もしくは周辺に磁場の変化を起こす磁性体などがなければ、空中を標準としてもよい（図２に示した例において同様）。つまり、転がり軸受の軌道輪全周が負荷圏となっている場合は、軸受以外の磁場変化を受けない場所を基準とする。その場合は、転がり軸受の使用前における磁場の状態を０リセットしておく必要がある。

また、本発明に係る非分解診断方法は、測定対象となる軸受または直動装置自体の磁場の状態を把握するため、本実施形態での測定前には軌道輪に脱磁や着磁などを行なわない方が望ましい。本実施形態の非分解診断方法においては、転がり軸受であれば、測定対象となる軌道輪が負荷を受けることで変化する軌道輪自体の磁場を捉えるため、磁場状態が変化すると正確な判定ができなくなるおそれがあるためである。なお、磁場測定器を固定せずに、測定作業者が磁場測定器を手に持ち、転がり軸受の軌道輪を一周に亘って測定してもよい。しかし、より精度良い測定を行う場合であれば、磁場測定器を固定して測定を行う方が望ましい。

［実施例１］
次に、上記磁場測定器１０を用いた転がり軸受２０の非分解診断方法について実施例に基づき説明する。
本実施例では、転がり軸受２０として、機能評価を完了した深溝玉軸受にて測定を実施した。該深溝玉軸受は、内輪、外輪、転動体及び保持器を分解せずに、軸受全体で測定に用いる。測定に際し、不図示の試験用シャフトを機能評価完了後の転がり軸受２０の内輪２１に挿入し、次いで、不図示の試験用ハウジングに外輪２２を固定するとともに、不図示の軸受押さえ蓋を端面側から設置して試験運転停止状態と同じ環境を整えた。

この状態の転がり軸受２０に対して、上記磁場測定器１０のプローブ２を軸受の外輪２２端面に接触（あるいは近接）させて外輪２２の端面の磁場を測定した。なお、試験完了後の磁場特性を測定するため、測定前に脱磁や着磁を行っていない。
ここで、評価試験中、外輪２２の負荷圏の軌道面は、転動体２３の荷重を繰り返し受ける。そのため、時間経過とともに疲労が進行（つまり材料組織が変化）する。具体的には、残留オーステナイト（非磁性層）の分解、マルテンサイト組織のひずみの緩和（磁壁移動が容易になる）が生じる。試験後の軸受軌道輪全周の磁場変化のイメージを図４に示す。

外輪２２の負荷圏には、その他の部位と比較して強いＳ極、Ｎ極が生じるため、同図にイメージを示すような磁力線が生じる。また、外輪２２の軌道面だけに関わらず、外周面側にも磁力線が現われるため、外輪２２の外周面からも磁場変化を測定可能である（図２および図３に示した例参照）。さらに、図４（ａ）を同図Ａ側から見たイメージが同図（ｂ）であるが、軌道輪の端面にも磁力線が発生しているため、軌道輪２２の端面からも磁場変化を測定可能である。
磁場測定器１０のプローブ２は、感磁部１が外輪２２の端面に対向するように押さえ蓋上に設置し、負荷圏、非負荷圏が存在する外輪２２の磁場を磁場測定器１０により測定した。また、本実施例では、押さえ蓋の周方向に９０度を隔てた４箇所の位置（０°，９０°，１８０°，２７０°の位置）にて磁場（磁極の方向とその強さ）を測定した。

本実施例での測定位置は、負荷圏の中央部を１８０°の位置とし、その対面側を基準となる０°とした。また、本実施例では、それらの中間地点（９０°の位置および２７０°の位置）も併せて測定することにより、外輪２２の周方向において４等配した位置それぞれの磁場の変化を測定した。図５に示す本実施例での測定結果は、測定面に対して深さ方向の磁場を示している。得られた磁場の情報から軌道面が疲労しているか否かを診断した。

実際の測定結果を図５に示す。同図に示す結果は、４等配した、０°、９０°、１８０°および２７０°の位置でそれぞれの位置の磁場を測定し、それらの測定結果を、０°の位置の磁場を基準として、それぞれの差の値としてまとめたものであり、１８０°の位置を負荷圏に対応した位置とし、その対面（０°位置）から測定を開始した結果となっている。
同図に示すように、１８０°の位置の負荷圏での磁場が、０°の位置での磁場と比較して、最も大きく変化をしていることがわかる。また、同様にして、外輪２２の軌道面に摩耗や変色が認められる軸受２０を外輪２２の端面から測定したところ、純粋な疲労の結果と比較して、大きな磁場の変化として現われることが判った。

これは、金属同士の接触は、疲労による材料変化よりも大きな磁場変化を生じさせ、測定値として大きく現われたと考えられる。よって、このような知見に基づく、本実施形態の非分解診断方法であれば、軌道輪の端面ないし周面からの非分解による磁場測定により、軸受の疲労部を非分解で捉えるだけでなく、その損傷の程度や損傷が生じている原因（例えばスキューか否か）も把握できることがわかる。
なお、プローブ２を手で持ち、軸受軌道輪の端面を一周して測定することも可能であるものの、安定した測定を実施するためには、プローブ２を各測定箇所に固定することが望ましい。なおまた、磁場測定器１０は、３軸方向の磁場の状態を捉えることができる磁場測定器を備えるプローブ用いれば、３軸方向の結果を組み合わせた磁場情報として取得することができる。

このように、本実施形態の非分解診断方法であれば、転がり軸受２０の軌道輪２２の端面または周面から軌道輪２２自体の磁場の状態を磁場測定器１０で測定し、磁場測定器１０で取得された軌道輪２２自体の磁場情報の変化に基づいて、転がり軸受２０の軌道輪２２の疲労状態を診断するので、転がり軸受２０を非破壊にて測定できることは勿論、非分解で測定して転がり軸受２０の疲労状態を診断できる。また、磁場状態を捕えることで転がり軸受２０の疲労部を検出できる。また、疲労部だけでなく摩耗などの損傷部も検出できる。

また、本実施形態の非分解診断方法によれば、転がり軸受２０の破損前に軸受の軌道輪２２の疲労状態を把握できるため、例えば、磁場情報に対応する磁場の値に閾値を設け、この閾値と、取得された軌道輪２２の磁場情報から得られた磁場の値とを比較して、軸受の疲労状態を診断することができる。これにより、例えば、軸受２０を定期的に交換する時期をより適切に判断できるなどに寄与し、より効率的かつ安全に軸受２０およびこれを備える装置を稼動することができる。

なお、本発明に係る軸受または直動装置の非分解診断方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態の非分解診断方法では、負荷圏とその他の部位との相対比較となるため、必ずしも軌道輪を一周させる必要はなく、例えば、負荷圏とその対面の非負荷圏とを比較するだけでもよい。また、負荷圏の変化を捕らえられる手法であれば、対比する対象が非負荷圏でなくともよい。

また、例えば、上記実施形態では、軸受または直動装置の例として、軸受に対する非分解診断方法を説明したが、本発明に係る軸受または直動装置の非分解診断方法は、これに限定されず、その診断の作用機序からも明らかなように、「軸受または直動装置等の機械要素自体の磁場情報の変化に基づいて、当該機械要素の疲労状態を診断する」ことが可能であるから、強磁性体または常磁性体製の種々の機械要素に適用可能であることは勿論である。例えば軸受の他、直動装置（リニアガイド、ボールねじ）への適用も可能である。

１ 感磁部
２ プローブ
３ 処理部
４ 出力部
５ 本体部
６ 信号線
７ 情報処理装置
１０ 磁場測定器
２０ 転がり軸受
２１ 内輪（軌道輪）
２２ 外輪（軌道輪）
２３ 転動体

Claims (4)

1. 軸受または直動装置自体の磁場情報の変化に基づいて、当該軸受または直動装置の疲労状態を診断することを特徴とする軸受または直動装置の非分解診断方法。
2. 前記軸受の軌道輪の端面または周面から前記軌道輪自体の磁場の状態を磁場測定器で測定し、該磁場測定器で取得された前記軌道輪自体の磁場情報の変化に基づいて、当該軸受の前記軌道輪の疲労状態を診断する請求項１に記載の軸受または直動装置の非分解診断方法。
3. 前記軌道輪に負荷がかかる負荷圏と、前記軌道輪に負荷がかからない非負荷圏と、での前記磁場情報の測定結果を比較して、前記軌道輪の疲労状態を診断する請求項２に記載の軸受または直動装置の非分解診断方法。
4. 前記磁場情報に対応する磁場の値に閾値を設け、該閾値と、取得された前記軌道輪自体の磁場情報から得られた磁場の値とを比較して、前記軸受の疲労状態を診断する請求項２または３に記載の軸受または直動装置の非分解診断方法。

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