JP2022146438A - 転がり軸受の異常診断装置および異常診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバがねじ切れるのを防止するための回転機構が不要な、転がり軸受の異常診断装置および異常診断方法を提供する。【解決手段】外輪１１と、回転輪である内輪１３と、外輪１１と内輪１３との間に配置される複数の転動体１４と、内輪１３に固定され、ＦＢＧを有する光ファイバ４０と、光ファイバ４０に向けて光を出射し、光ファイバ４０からの反射光を測定するひずみ測定器２０と、を備える転がり軸受１０の異常診断装置１。【選択図】図１

Description

本発明は、転がり軸受の異常診断装置および異常診断方法に関する。

大型の機械で使用される転がり軸受は、交換が容易ではない。したがって、このような転がり軸受は、軸受はく離（軸受寿命）直前まで使用されるのが望ましいにもかかわらず、設計上の軸受寿命に対して早期に軸受の交換がなされてしまうことがある。

その理由として、実際の機械では、設計時の使用条件（荷重、回転数、潤滑など）とは異なる厳しい使用条件で軸受が使用されることが挙げられる。そのため、軸受を設計上の寿命まで有効に利用するために、機械稼働時の軸受の状態を把握することが課題となっている。

特許文献１には、軸受の荷重を外輪のひずみ分布から推定する装置が開示されている。この装置においては、非回転輪である外輪の外周面にＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）を内蔵した光ファイバが固定され、転動体の荷重によって発生するひずみが測定されることで、軸受の状態が把握される。

特許文献２には、軸受の回転輪である内輪の荷重状態を内輪のひずみ分布から推定する装置が開示されている。この装置においては、内輪の内周面にＦＢＧを内蔵した光ファイバが固定され、転動体の荷重によって発生するひずみが測定されることで、軸受の状態が把握される。

特許第５６５０７５４号公報 特許第５６３８３１２号公報

特許文献１に関し、軸受はく離は、経験的に内輪に発生することが多い。その理由は、内輪に作用する面圧が、外輪に作用する面圧より高くなる傾向があるためと考えられる。このため、外輪の荷重状態よりも内輪の荷重状態を把握する方が望ましい。

特許文献２に関し、回転輪である内輪に光ファイバが固定されているため、光ファイバがねじ切れるのを防止するために機械的な回転機構（ロータリージョイント）が必要であり、この回転機構の故障が問題となる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、光ファイバがねじ切れるのを防止するための回転機構が不要な、転がり軸受の異常診断装置および異常診断方法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、
回転輪である内輪と、
前記外輪と前記内輪との間に配置される複数の転動体と、
前記内輪に固定され、ＦＢＧを有する光ファイバと、
前記光ファイバに向けて光を出射し、前記光ファイバからの反射光を測定するひずみ測定器と、
を備える、
転がり軸受の異常診断装置。
（２） 前記光ファイバと前記ひずみ測定器との間の光路を制御することで、前記光ファイバと前記ひずみ測定器とを光学的に接続する光学機構を更に備える、
（１）に記載の異常診断装置。
（３） 前記光学機構は、レンズである
（２）に記載の異常診断装置。
（４） 前記光学機構は、一対の円錐レンズである、
（２）に記載の異常診断装置。
（５） 前記一対の円錐レンズは、前記転がり軸受の軸方向において、前記転がり軸受と前記ひずみ測定器との間に配置され、
前記一対の円錐レンズは、前記ひずみ測定器からの出射光を拡げて前記光ファイバに到達するように制御し、前記光ファイバからの反射光を縮めて前記ひずみ測定器に到達するように制御する
（４）に記載の異常診断装置。
（６） 前記内輪の内周面には、周方向に延びる溝が形成され、
前記溝に、前記光ファイバが配置される、
（１）～（５）の何れか１項に記載の異常診断装置。
（７） 前記光ファイバは、複数の前記ＦＢＧを備える、
（１）～（６）の何れか１項に記載の異常診断装置。
（８） 外輪と、
回転輪である内輪と、
前記外輪と前記内輪との間に配置される複数の転動体と、
を備える転がり軸受の異常診断方法であって、
ＦＢＧを有する光ファイバを、前記内輪に固定し、
ひずみ測定器によって、前記光ファイバに向けて光を出射し、且つ、前記光ファイバからの反射光を測定する、
転がり軸受の異常診断方法。

本発明によれば、光ファイバがねじ切れるのを防止するための回転機構が不要な、転がり軸受の異常診断装置および異常診断方法を提供できる。

転がり軸受の異常診断装置の模式図である。 内輪を軸方向から見た図である。 内輪の一部を径方向内側から見た図である。 内輪の一部を周方向から見た断面図である。

以下、本発明の実施形態の転がり軸受の異常診断装置および異常診断方法について、図面を参照して説明する。図１は、転がり軸受の異常診断装置１の模式図である。図２は、内輪１３を軸方向から見た図である。図３は、内輪１３の一部を径方向内側から見た図である。図４は、内輪１３の一部を周方向から見た断面図である。

図１に示されるように、本実施形態の転がり軸受の異常診断装置１は、転がり軸受１０と、ひずみ測定器２０と、光学機構３０と、を備える。なお、図中において、転がり軸受１０の軸方向はＡで示され、径方向はＢで示され、周方向はＣで示される。また、軸方向一方側（図１中、左側）はＡ１で示され、軸方向他方側（図１中、右側）はＡ２で示される。

転がり軸受１０は、不図示のハウジングに取付けられる固定輪である外輪１１と、回転軸１２の外周面に固定されて回転軸１２とともに回転する回転輪である内輪１３と、外輪１１と内輪１３との間に転動自在に配置される複数の転動体１４と、を備える。図示の例では、回転軸１２の軸方向一方側（図中、左側）にフランジ部１２ａが形成されており、このフランジ部１２ａによって内輪１３の軸方向位置が規制される。

図２～４に示されるように、内輪１３の内周面１５の軸方向中央部には、周方向全周に延びるように、径方向外側に向かって凹む溝１６が設けられている。この溝１６の底面には、接着剤等の任意の手段によって光ファイバ４０が固定される。

光ファイバ４０は、ＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）４１、ＦＢＧ４２、ＦＢＧ４３、ＦＢＧ４４を有する。ＦＢＧ４１、ＦＢＧ４２、ＦＢＧ４３、ＦＢＧ４４は、光ファイバ４０にレーザー光が照射されることで、光ファイバ４０中のコアに回折格子を形成したものである。図中、光ファイバ４０において、ＦＢＧ４１、ＦＢＧ４２、ＦＢＧ４３、ＦＢＧ４４が形成される箇所は強調されて、実際よりも大きく示されている。

本実施形態では、光ファイバ４０は溝１６の略全周にわたって配設されており、４個のＦＢＧ４１、ＦＢＧ４２、ＦＢＧ４３、ＦＢＧ４４が周方向に等間隔に配置されている。なお、光ファイバ４０および複数のＦＢＧ４１、ＦＢＧ４２、ＦＢＧ４３、ＦＢＧ４４は、その全体が溝１６の内部に配置されて、内輪１３の外部には露出しないので、内輪１３が回転する際にも損傷が防止される。

本実施形態の光ファイバ４０は、複数のＦＢＧ４１、ＦＢＧ４２、ＦＢＧ４３、ＦＢＧ４４を備えるが、ＦＢＧの数や配置は、特に限定されず、適宜変更して構わない。ＦＢＧ４１、ＦＢＧ４２、ＦＢＧ４３、ＦＢＧ４４は、内輪１３のひずみを検出する素子として機能する。本実施形態のように、複数のＦＢＧ４１、ＦＢＧ４２、ＦＢＧ４３、ＦＢＧ４４が周方向Ｃに所定間隔に配置される構成は、複数箇所で内輪１３のひずみを測定可能であるので好ましい。

本実施形態において、ＦＢＧ４１、ＦＢＧ４２、ＦＢＧ４３、ＦＢＧ４４は、それぞれ反射する波長が異なっている。ＦＢＧは、内輪１３のひずみに起因して伸縮することにより、その反射光の波長が変化する。反射光の波長の変化に基づき、いずれのＦＢＧからの反射光の波長が変化したかを判別することが可能となる。すなわち、ＦＢＧの形成箇所に応じて、内輪１３のひずみの発生箇所を判別することができる。また、反射光の波長の変化量から、ひずみの値を測定することも可能である。

図３に示されるように、内輪１３の内周面１５には、径方向外側に向かって凹む光ファイバ取出し溝１７が設けられている。光ファイバ取出し溝１７は、溝１６から内輪１３の軸方向他方側面１３ａまで貫通するように延びている。なお、図示の例では、光ファイバ４０を取出しやすいように、光ファイバ取出し溝１７が軸方向Ａに対して斜めに傾いているが、光ファイバ取出し溝１７は、軸方向Ａに対して平行に延びてもよい。

光ファイバ４０は、光ファイバ取出し溝１７の底面に接着剤等の任意の手段によって固定される。そして、光ファイバ４０の一端が、内輪１３の外部に露出し、軸方向他方側Ａ２を向く（図１参照）。

ひずみ測定器２０は、インテロゲータ２１と、インテロゲータ２１とＬＡＮケーブル等で接続されたパーソナルコンピュータ（ＰＣ）２３と、インテロゲータ２１に接続された第二光ファイバ２５と、を有する。

インテロゲータ２１は、第二光ファイバ２５を介して光を、内輪１３に固定された光ファイバ４０に向けて出射する。後述するように、第二光ファイバ２５から出射した光は、その進路（光路）が光学機構３０によって制御され、内輪１３に固定された光ファイバ４０に到達する。光は全反射しながら光ファイバ４０のコアを進み、複数のＦＢＧ４１、ＦＢＧ４２、ＦＢＧ４３、ＦＢＧ４４へ到達する。光はＦＢＧ４１、ＦＢＧ４２、ＦＢＧ４３、ＦＢＧ４４によって反射光と透過光に分けられる。反射光は光ファイバ４０のコアを逆行し、光学機構３０及び第二光ファイバ２５を介してインテロゲータ２１へ戻る。そして、インテロゲータ２１およびＰＣ２３によって、反射光の波長強度が数値化され、軸受回転時の転動体荷重によって発生する内輪１３の内周面１５のひずみが測定される。

上述したように、本実施形態において、ＦＢＧ４１、ＦＢＧ４２、ＦＢＧ４３、ＦＢＧ４４は、それぞれ反射する波長が異なっている。内輪１３におけるＦＢＧの形成箇所にひずみが発生し、ＦＢＧそのものが伸縮することにより、反射光の波長が変化する。よって、波長の変化した反射光から、いずれのＦＢＧが伸縮したかを判別することにより、内輪１３のひずみの発生箇所を判別することができる。また、反射光の波長の変化量から、ひずみを測定することが可能となる。このひずみに基づき、内輪１３に作用している荷重状態を把握できる。

軸受回転時には、内輪１３に固定された光ファイバ４０は内輪１３と共に回転するが、ひずみ測定器２０の第二光ファイバ２５は回転しないため、これら光ファイバ４０および第二光ファイバ２５は切断しないように接続される必要がある。機械的な回転機構（例えばロータリージョイント）によって光ファイバ４０および第二光ファイバ２５が接続された場合、回転機構の故障が問題となる可能性がある。したがって、本実施形態では、光ファイバ４０とひずみ測定器２０の第二光ファイバ２５との間の光路を制御することで、光ファイバ４０とひずみ測定器２０の第二光ファイバ２５とを光学的に接続する光学機構３０が用いられる。

ひずみ測定器２０および光学機構３０は、転がり軸受１０と同心に配置される。すなわち、ひずみ測定器２０の第二光ファイバ２５の中心軸および光学機構３０の中心軸は、転がり軸受１０の中心軸Ｏ上に位置する。

光学機構３０は、転がり軸受１０の軸方向Ａにおいて、転がり軸受１０とひずみ測定器２０の第二光ファイバ２５との間に配置される。光学機構３０は、一対の円錐レンズ３１，３３を有する。一対の円錐レンズ３１，３３のうち、軸方向他方側Ａ２に位置するものを第一円錐レンズ３１と呼び、軸方向一方側Ａ１に位置するものを第二円錐レンズ３３と呼ぶ。第一円錐レンズ３１、第二円錐レンズ３３は、例えば、合成石英、ＢＫ７（ボロシリケートクラウンガラス）などによって構成される。

第一円錐レンズ３１は、軸方向他方側Ａ２に位置する第一面３１ａと、軸方向一方側Ａ１に位置する第二面３１ｂと、を有する。第一面３１ａは、軸方向に対して直交する平面である。第二面３１ｂは、円錐形状である。

第二円錐レンズ３３は、軸方向他方側Ａ２に位置する第一面３３ａと、軸方向一方側Ａ１に位置する第二面３３ｂと、を有する。第一面３３ａは、円錐形状である。第二面３３ｂは、軸方向に対して直交する平面である。

ひずみ測定器２０の第二光ファイバ２５から出射された光は、第一円錐レンズ３１の第一面３１ａに対して軸方向Ａに平行に入射し、第二面３１ｂによって屈折されて径方向外側に傾いて出射する。

第一円錐レンズ３１から径方向に拡がるように出射された光は、第二円錐レンズ３３の第一面３３ａに入射する際に軸方向Ａに平行となるように屈折され、第二面３３ｂから軸方向Ａに平行に出射する。

第二円錐レンズ３３から出射された光は、内輪１３の軸方向他方側面１３ａから突出した光ファイバ４０（図３参照）に入射する。なお、第二円錐レンズ３３から出射された光は、内輪１３の軸方向他方側面１３ａの全周に照射される。したがって、内輪１３が回転して光ファイバ４０の周方向位置が経時的に変わる場合であっても、光ファイバ４０は任意の位置でひずみ測定器２０からの光を受信可能である。

そして、光ファイバ４０のＦＢＧ４１、ＦＢＧ４２、ＦＢＧ４３、ＦＢＧ４４によって反射された光が、来た経路を介して、ひずみ測定器２０まで戻る。

すなわち、ＦＢＧ４１、ＦＢＧ４２、ＦＢＧ４３、ＦＢＧ４４によって反射された光は、内輪１３の軸方向他方側面１３ａから突出した光ファイバ４０から、軸方向Ａに平行に出射する。

光ファイバ４０から出射された光は、第二円錐レンズ３３の第二面３３ｂに対して軸方向Ａに平行に入射し、第一面３３ａによって屈折されて径方向内側に傾いて出射する。

第二円錐レンズ３３から径方向に縮められるように出射された光は、第一円錐レンズ３１の第二面３１ｂに入射する際に軸方向Ａに平行となるように屈折され、第一面３１ａから軸方向Ａに平行に出射する。

第一円錐レンズ３１から出射された光は、第二光ファイバ２５を介して、インテロゲータ２１に入射する。

このように、一対の円錐レンズ３１，３３は、ひずみ測定器２０からの出射光を拡げて、内輪１３に固定された光ファイバ４０に到達するように制御し、この光ファイバ４０からの反射光を縮めて前記ひずみ測定器に到達するように制御する。

したがって、本実施形態の異常診断装置１によれば、光学的な接続装置である光学機構３０（一対の円錐レンズ３１，３３）が設けられるので、光ファイバ４０がねじ切れるのを防止するための機械的な回転機構が不要となる。

なお、光学機構３０は、光ファイバ４０とひずみ測定器２０との間の光路を制御することで光ファイバ４０とひずみ測定器２０とを光学的に接続するものであれば、一対の円錐レンズ３１，３３に限られない。更には、光ファイバ４０とひずみ測定器２０は、光学機構３０なしで、他の方法により光学的に接続されてもよい。例えば、図１において、第二光ファイバ２５を下方にずらし、光ファイバ４０と直接対向する位置までずらしてもよい。この場合、一対の円錐レンズ３１，３３は不要である。この場合、光ファイバ４０への出射、光ファイバ４０からの反射は、円周上の１カ所に限定されるが、測定位置が一定のため、内輪のどの位置にどのような荷重が作用しているかを直ちに求めることができ、データの解析が容易となる。

光学機構３０は、任意の光学素子の組み合わせによって構成されて構わない。光学素子としては、ミラー、レンズ、プリズム、フィルタ等が例示される。

本実施形態の異常診断装置１は、特に、交換が容易ではない大型の転がり軸受（風車のドライブトレインや鉱山設備等の転がり軸受）に好適である。

１ 異常診断装置
１０ 転がり軸受
１１ 外輪
１２ 回転軸
１２ａ フランジ部
１３ 内輪
１３ａ 軸方向他方側面
１４ 転動体
１５ 内周面
１６ 溝
１７ 光ファイバ取出し溝
２０ ひずみ測定器
２１ インテロゲータ
２３ パーソナルコンピュータ
２５ 第二光ファイバ
３０ 光学機構
３１ 第一円錐レンズ
３１ａ 第一面
３１ｂ 第二面
３３ 円錐レンズ
３３ａ 第一面
３３ｂ 第二面
４０ 光ファイバ
４１ ＦＢＧ
４２ ＦＢＧ
４３ ＦＢＧ
４４ ＦＢＧ

Claims (8)

1. 外輪と、
   回転輪である内輪と、
   前記外輪と前記内輪との間に配置される複数の転動体と、
   前記内輪に固定され、ＦＢＧを有する光ファイバと、
   前記光ファイバに向けて光を出射し、前記光ファイバからの反射光を測定するひずみ測定器と、
   を備える、
   転がり軸受の異常診断装置。
2. 前記光ファイバと前記ひずみ測定器との間の光路を制御することで、前記光ファイバと前記ひずみ測定器とを光学的に接続する光学機構を更に備える、
   請求項１に記載の異常診断装置。
3. 前記光学機構は、レンズである
   請求項２に記載の異常診断装置。
4. 前記光学機構は、一対の円錐レンズである、
   請求項２に記載の異常診断装置。
5. 前記一対の円錐レンズは、前記転がり軸受の軸方向において、前記転がり軸受と前記ひずみ測定器との間に配置され、
   前記一対の円錐レンズは、前記ひずみ測定器からの出射光を拡げて前記光ファイバに到達するように制御し、前記光ファイバからの反射光を縮めて前記ひずみ測定器に到達するように制御する
   請求項４に記載の異常診断装置。
6. 前記内輪の内周面には、周方向に延びる溝が形成され、
   前記溝に、前記光ファイバが配置される、
   請求項１～５の何れか１項に記載の異常診断装置。
7. 前記光ファイバは、複数の前記ＦＢＧを備える、
   請求項１～６の何れか１項に記載の異常診断装置。
8. 外輪と、
   回転輪である内輪と、
   前記外輪と前記内輪との間に配置される複数の転動体と、
   を備える転がり軸受の異常診断方法であって、
   ＦＢＧを有する光ファイバを、前記内輪に固定し、
   ひずみ測定器によって、前記光ファイバに向けて光を出射し、且つ、前記光ファイバからの反射光を測定する、
   転がり軸受の異常診断方法。

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