JP4368674B2 - 転がり軸受の劣化評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、実機における転がり軸受の余寿命を求めるための転がり軸受の劣化評価方法に関する。

従来、転がり軸受のうち玉軸受の定格疲れ寿命Ｌ_hは、下記式(1)で表される。

Ｌ_h＝（１０⁶／６０ｎ）・（Ｃ／Ｐ）³ (1)
（ｎ：回転数（ｒｐｍ）、Ｃ：基本動定格荷重、Ｐ：軸受荷重）
そして、実験結果をもとに軸受の異常認知から寿命（焼付きまたは破損）までの余寿命計算式を下記式(2)で表したものが知られている（非特許文献１参照）。

Ｌ_dh＝（０．０３２×１０⁶／６０ｎ）・（Ｃ／Ｐ）^3.37 (2)
井上紀明著「現場の質問に答える 実践 振動法による設備診断」日本プラントメンテナンス協会出版

しかし、上記式(1)は、軸受メーカーが安全サイドの見地から９０％の軸受が寿命に至らない場合を想定して定められているため、上記式(1)を用いた転がり軸受の劣化評価方法は実用性に欠けるという問題がある。

また、本発明者らは、試験条件に上記式(2)を当てはめ、異常認知後の軸受の余寿命を試験結果と比較したところ、下記表１に示すような対比結果が得られ、上記式(2)を用いた転がり軸受の劣化評価方法では、異常認知後の軸受の余寿命を十分に予測できるとはいえないことが判明した。

本発明は、上記のような従来技術の問題点にかんがみなされたものであり、転がり軸受の余寿命を十分に予測することができる転がり軸受の劣化評価方法を提供することを目的とする。

上記目的の下、本発明者らは、以下のような推定、試験、考察に基づいて本発明をするに至った。

転がり軸受の劣化に伴う振動加速度Ｇの上昇は、軸受劣化に関与するなんらかの時間の関数ｆ(t）をベースの振動加速度Ｇ₀に関連付けた式例えば下記式(3)で表されると考えられる。

Ｇ＝Ｇ₀・ｆ(t） (3)
また、上述した転がり軸受の余寿命計算式(1),(2)や、これまでの経験あるいは上記試験結果からも、軸受寿命および軸受異常認知後の軸受の余寿命は、負荷荷重（軸受荷重）によって異なり、負荷荷重が大きい程短くなることが分かる。

したがって、上記式(3)のｆ(t)は、負荷荷重に関連付けた関数であることが推測され、下記式(4)で表されると仮定する。下記式(4)においては、負荷荷重が大きい程軸受寿命が短いということは、換言すれば、短時間に振動加速度Ｇが上昇することを意味しているため、ＰとＣの関係を上記式(1),(2)に対し逆転させている。

ｆ(t)＝ａ[(P/C)^b]^t (4)
（ａ，ｂ：未知数）
上記式(4)の仮定を裏付けるために、試験１，２を行ない、上記式(4)を用いてフィッティングを行ったところ、図４および図５にグラフで示すような結果が得られ、これらの結果から、振動加速度の表記法がピークtoピーク（図４（Ａ）および図５（Ａ）が対応する。）、実効値（図４（Ｂ）および図５（Ｂ）が対応する。）のいずれであっても、決定係数Ｒ²＞0.9となり、非常に良くフィッティングしていることが分かった。

上記のような結果に基づき、振動加速度による軸受異常認知後の軸受寿命マスターカーブ（劣化評価曲線）の検討および策定を行った。

負荷荷重を変化させた上記試験１，２における軸受異常認知後の振動加速度変化の上限は、いずれの負荷荷重であってもほぼ等しく５Ｇ程度であったのに対し、軸受異常認知後の余寿命には約５倍の差があった。このことは、余寿命を決定している因子は振動加速度の値そのものではなく、負荷荷重の違いにあることを示している。すなわち、軸受劣化の進行は、負荷荷重に応じて、振動加速度の増加形態（図４（Ａ），（Ｂ）および図５（Ａ），（Ｂ）に示すフィッティング曲線の形状）を、同じ振動加速度を保ちながら時間軸方向に伸縮させた形態として表されると考えられる。つまり、負荷荷重が大きい場合には、時間軸方向に縮んだフィッティング曲線になり、一方、負荷荷重が小さい場合には、時間軸方向に伸びたフィッティング曲線になると理解できる。

これらのことから、軸受異常認知から軸受寿命までの時間を一律「１」に無次元量化すれば、全てのフィッティング曲線は、下記式(5)で示す１つの曲線式（軸受寿命マスターカーブ）によって代表されるはずである。

Ｇ＝Ｇ_０・ｆ(t)＝ａＧ_０{(P/C)^b}^t≡Ｇ _０ ・α^ｍ (5)
（ｍ＝（軸受異常認知からの経過時間）／（軸受異常認知から寿命までの時間）、０≦ｍ≦１）
上記式(5)において、ｍ＝０、すなわち軸受異常が認知される時点では、Ｇ＝Ｇ _０ となる。つまり、Ｇ _０ は軸受が異常であると認知する時点での振動加速度の値であると理解できる。

第１発明に係る転がり軸受の劣化評価方法は、上述したような考察に基づいた発明であり、その構成は、実機の転がり軸受と同一の種類の試験用転がり軸受に対して負荷荷重を劣化因子とした劣化加速試験を行い、前記試験用転がり軸受の異常発生後における任意の時点での振動加速度を測定する工程と、該測定結果に適合する異常発生後の劣化評価曲線であって、下記式（Ｉ）で表され、無次元量化した経過時間の連続関数である振動加速度の劣化評価曲線を求める工程とからなることを特徴とする。
Ｇ＝ａＧ _０ [(Ｐ／Ｃ) ^ｂ ] ^ｔ ＝Ｇ_０・α^ｍ （Ｉ）
（Ｇ；振動加速度、Ｇ _０ ；軸受が異常であると認知する時点での振動加速度の値、ａ，ｂ；未知数、Ｐ；軸受荷重、Ｃ；基本動定格荷重、ｔ；時間、ｍ＝（軸受異常認知からの経過時間）／（軸受異常認知から寿命までの時間）、０≦ｍ≦１、α；定数）

第１発明に係る転がり軸受の劣化評価方法によると、劣化加速試験により試験時間の短縮を図ることができることは勿論のこと、無次元量化した経過時間の連続関数として振動加速度の劣化評価曲線を求めるようにしたため、全てのフィッティング曲線をこの劣化評価曲線によって代表させることができ、この劣化評価曲線を用いることにより、異なる軸受荷重の下で使用される種々の実機の各転がり軸受の異常発生後の余寿命を十分に予測することが可能になる。

第２発明に係る転がり軸受の劣化評価方法は、第１発明により前記劣化評価曲線を求めた後に、次の２つの工程、つまり、実機において、転がり軸受の異常発生後、少なくとも２回の異なる測定時点において、前記異常発生時点からの経過時間に対する振動加速度を測定する工程と、各測定時点において測定した振動加速度値を前記劣化評価曲線上に展開し、各振動加速度値を示す無次元量化した経過時間を求め、該求めた無次元量化した経過時間と前記各測定時点と前記劣化評価曲線における前記寿命時点に対応する無次元量化した経過時間とから前記実機の転がり軸受の余寿命を求める工程とを順に行うことを特徴とする。

第２発明に係る転がり軸受の劣化評価方法において、例えば、２回の異なる測定時点をｔ₁，ｔ₂とし、各測定時点ｔ₁，ｔ₂での振動加速度値をＧ₁，Ｇ₂とし、振動加速度値Ｇ₁，Ｇ₂を示す無次元量化した経過時間をｍ₁，ｍ₂とし、実機の転がり軸受の寿命時点をｔ_ENDとし、寿命時点ｔ_ENDに対応する無次元量化した経過時間をｍ_ENDとした場合、実機の転がり軸受の寿命時点ｔ_ENDは、下記式(6)で表すようにする。

ｔ_END＝ｔ₂＋(ｔ₂-ｔ₁)(ｍ_END-ｍ₂)/(ｍ₂-ｍ₁) (6)
上記式(6)から、実機の転がり軸受の余寿命（＝ｔ_END-ｔ₂）は、下記式(7)で表すことができる。

ｔ_END-ｔ₂＝(ｔ₂-ｔ₁)(ｍ_END-ｍ₂)/(ｍ₂-ｍ₁) (7)

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る転がり軸受の劣化評価方法において、実機の転がり軸受と同一の種類の試験用転がり軸受に対して行う劣化加速試験を説明するための説明図を示す。

この劣化加速試験は、試験用転がり軸受１によってモータ２の回転軸２１を軸支させるとともに、試験用転がり軸受１に所定の荷重を加えた状態でモータ２を所定回転数で回転させることによって行われる。試験用転がり軸受１の振動は、振動ピックアップセンサ３によって検出され、振動測定器４に送信される。振動測定器４は、経過時間に対する振動加速度を測定し、少なくとも、試験用転がり軸受１に異常が発生した異常発生時点から、試験用転がり軸受１が焼付きまたは破損する寿命時点までの期間において、異常発生後の任意の時点での振動加速度を測定する。

振動測定器４によって測定された振動加速度データは、コンピュータ５に入力され、コンピュータ５は、振動加速度データに基づいて劣化評価曲線（マスターカーブ）を求める。

劣化評価曲線を求めるにあたっては、まず、異常発生時点からの経過時間を無次元量化した経過時間に変換し、測定時点を無次元量化した経過時間に変換する。例えば、転がり軸受（呼び番号６００６）を用い、モータ２の回転数を１５００ｒｐｍとした試験であって、軸受荷重を動定格荷重×1.3倍に設定した試験１の各測定時点における振動加速度、および動定格荷重×0.98倍に設定した試験２の各測定時点における振動加速度は、ピークｔｏピークによる表記法では図２（Ａ）、実効値による表記法では図２（Ｂ）に示すような複数の測定データの集合で表される。次に、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示す複数の測定データに基づいて、上記式(5)つまり、
Ｇ＝Ｇ₀・ｆ(t)＝ａＧ₀[(P/C)^b]^t≡Ｇ⁰・α^m (5)
を用いてフィッティングを行い、ピークｔｏピークの場合、劣化評価曲線をＧ＝0.50×8.6^mに設定し、一方、実効値の場合、劣化評価曲線をＧ＝0.62×6.7^mに設定した。これらピークｔｏピーク、実効値の各劣化評価曲線による決定係数Ｒ²は、それぞれ、0.92269、0.87111となり、いずれも精度の高いものである。

次に、実機において転がり軸受（図示せず）の余寿命を求める。

実機の転がり軸受の余寿命を求めるにあたっては、まず、劣化加速試験と同様、振動ピックアップセンサ３および振動測定器４により、転がり軸受の異常発生後、少なくとも２回の異なる測定時点において、異常発生時点からの経過時間に対する振動加速度を測定する。次に、コンピュータ５を用いて、各測定時点において測定した振動加速度値を上記劣化評価曲線上に展開し、各振動加速度値を示す無次元量化した経過時間を求め、該求めた無次元量化した経過時間と各測定時点と劣化評価曲線における寿命時点に対応する無次元量化した経過時間とから実機の転がり軸受の余寿命を求める。

例えば、図３（Ａ）に示すように、２回の異なる測定時点がｔ₁，ｔ₂であり、各測定時点ｔ₁，ｔ₂での振動加速度値がＧ₁，Ｇ₂である場合、図３（Ｂ）に示すように、振動加速度値Ｇ₁，Ｇ₂から無次元量化した経過時間ｍ₁，ｍ₂を求める。そして、実機の転がり軸受の寿命時点をｔ_ENDとし、寿命時点ｔ_ENDに対応する無次元量化した経過時間をｍ_ENDとした場合、実機の転がり軸受の寿命時点ｔ_ENDは、上記式(6)つまり、
ｔ_END＝ｔ₂＋(ｔ₂-ｔ₁)(ｍ_END-ｍ₂)/(ｍ₂-ｍ₁) (6)
で表わすことができるため、式(6)から、実機の転がり軸受の余寿命（＝ｔ_END-ｔ₂）は、上記式(7)つまり、
ｔ_END-ｔ₂＝(ｔ₂-ｔ₁)(ｍ_END-ｍ₂)/(ｍ₂-ｍ₁) (7)
で表わすことができる。

以上説明したように、本実施形態に係る転がり軸受の劣化評価方法によると、劣化加速試験により試験時間の短縮を図ることができることは勿論のこと、無次元量化した経過時間の連続関数として振動加速度の劣化評価曲線を求めるようにしたため、全てのフィッティング曲線をこの劣化評価曲線によって代表させることができ、この劣化評価曲線を用いることにより、異なる軸受荷重の下で使用される種々の実機の各転がり軸受の異常発生後の余寿命を十分に予測することが可能になる。なお、上記実施形態では、２回の測定を行っているが、測定回数は少なくとも２回であればよく、３回以上の場合は、平均値をとるなどして余寿命を算出するようにする。

本発明の一実施形態に係る転がり軸受の劣化評価方法における劣化加速試験の説明図である。 劣化評価曲線の説明図である。 劣化評価曲線を用いた実機の転がり軸受の余寿命算出方法の説明図である。 フィッティング曲線図である。 フィッティング曲線図である。

符号の説明

１ 試験用転がり軸受
２ モータ
３ 振動ピックアップセンサ
４ 振動測定器
５ コンピュータ

Claims (2)

1. 実機の転がり軸受と同一の種類の試験用転がり軸受に対して負荷荷重を劣化因子とした劣化加速試験を行い、前記試験用転がり軸受の異常発生後における任意の時点での振動加速度を測定する工程と、
   該測定結果に適合する異常発生後の劣化評価曲線であって、下記式（Ｉ）で表され、無次元量化した経過時間の連続関数である振動加速度の劣化評価曲線を求める工程と
   からなることを特徴とする転がり軸受の劣化評価方法。
   Ｇ＝ａＧ _０ [(Ｐ／Ｃ) ^ｂ ] ^ｔ ＝Ｇ_０・α^ｍ （Ｉ）
   （Ｇ；振動加速度、Ｇ _０ ；軸受が異常であると認知する時点での振動加速度の値、ａ，ｂ；未知数、Ｐ；軸受荷重、Ｃ；基本動定格荷重、ｔ；時間、ｍ＝（軸受異常認知からの経過時間）／（軸受異常認知から寿命までの時間）、０≦ｍ≦１、α；定数）
2. 実機の転がり軸受と同一の種類の試験用転がり軸受に対して負荷荷重を劣化因子とした劣化加速試験を行い、前記試験用転がり軸受の異常発生後における任意の時点での振動加速度を測定する工程と、
   該測定結果に適合する異常発生後の劣化評価曲線であって、下記式（Ｉ）で表され、無次元量化した経過時間の連続関数である振動加速度の劣化評価曲線を求める工程と、
   前記実機の転がり軸受の異常発生後、少なくとも２回の異なる測定時点において、前記異常発生時点からの経過時間に対する振動加速度を測定する工程と、
   各測定時点において測定した振動加速度値を前記劣化評価曲線上に展開し、各振動加速度値を示す無次元量化した経過時間を求め、該求めた無次元量化した経過時間と前記各測定時点と前記劣化評価曲線における前記寿命時点に対応する無次元量化した経過時間とから前記実機の転がり軸受の余寿命を求める工程と
   からなることを特徴とする転がり軸受の劣化評価方法。
   Ｇ＝ａＧ _０ [(Ｐ／Ｃ) ^ｂ ] ^ｔ ＝Ｇ_０・α^ｍ （Ｉ）
   （Ｇ；振動加速度、Ｇ _０ ；軸受が異常であると認知する時点での振動加速度の値、ａ，ｂ；未知数、Ｐ；軸受荷重、Ｃ；基本動定格荷重、ｔ；時間、ｍ＝（軸受異常認知からの経過時間）／（軸受異常認知から寿命までの時間）、０≦ｍ≦１、α；定数）

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