JP4405316B2 - 転がり軸受の劣化評価方法 - Google Patents

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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Ｌhは、下記式(1)で表される。
Ｌh＝（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）。
Ｌdh＝（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。
Figure 0004405316
 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、下記のような知見に基づいて本発明をするに至った。
従来から、転がり軸受の劣化評価方法として、潤滑油診断法の中心技術をなすフェログラフィ法を用いた劣化評価方法が知られている。
フェログラフィ法は、潤滑油中に含まれている摩耗粒子を磁気勾配を有する強力な磁場で大きさの順に配列分離する。
そして、定量フェログラフィ法では、分離した摩耗粒子に対して光を照射し、光の透過量により例えば５μm以上の大摩耗粒子濃度PL及び例えば１〜２μm程度の小摩耗粒子濃度PSを測定し、摩耗の異常度PL−PSと全摩耗量WPC（＝PL＋PS）とから異常摩耗指数Isを下記式(3)により求め、このIs値から転がり軸受の劣化状態を診断している。
Is＝（PL−PS）×（PL＋PS）＝PL2−PS2 (3)
本発明者らは、このIs値に着目し、Is値と転がり軸受の余寿命との関係を検討したところ、多数の過去の診断データ及び新たな劣化加速試験による試験データから、Is値と余寿命との間に密接な関係があり、Is値が所定値まで増大すると転がり軸受の劣化が開始しつまり転がり軸受に異常が発生し、その後、Is値がさらなる所定値まで増大すると転がり軸受が焼付きまたは破損を起こすことが判明した。さらに、転がり軸受の劣化開始時点（異常発生時点）から焼付きまたは破損が生じる時点（寿命時点）までのIs値の変化曲線は指数関数などで代表できることが判明した。
本発明に係る転がり軸受の劣化評価方法は、試験用転がり軸受に定量フェログラフィ法を適用することによって求めたIs値から転がり軸受劣化評価曲線を作成する工程と、実機転がり軸受の異常発生後の任意の時点で定量フェログラフィ法を適用し、Is値を求める工程と、該求めたIs値を前記転がり軸受劣化評価曲線上に展開して時点t a を求めるとともに、寿命時点に対応するIｓ値を前記転がり軸受劣化評価曲線上に展開して管理寿命時点t END を求め、前記管理寿命時点t END から前記時点t a を減算することによって当該実機転がり軸受の余寿命Ｔ Ｊ を求める工程とからなることを特徴とする。
本発明によると、定量フェログラフィ法によるIs値から作成した転がり軸受劣化評価曲線は、転がり軸受の異常発生時点から寿命時点t END までのIs値の変化をほぼ正確に表しているため、実機転がり軸受に定量フェログラフィ法を適用して求めたIs値を転がり軸受劣化評価曲線上に展開することにより、実機転がり軸受の余寿命Ｔ Ｊ を十分に予測することができるようになる。
定量フェログラフィ法を実施するための一例として、図１にＤＲフェログラフィ（Direct Reading Ferrography）装置の原理図を示す。
ＤＲフェログラフィ装置１００は、転がり軸受を具備した現場の装置からサンプリングした１ml程度の潤滑油をその粘度に応じて希釈剤にて所定倍率で希釈し、希釈後の潤滑油を油送チューブ１を通して細いガラス管からなる沈着管２にサイホンの原理で導く。この沈着管２は強力な磁気勾配３中に置いてあり、このため、潤滑油中の摩耗粒子は沈着管２内を流れる間に大きさの順に吸着され、入口側２ａに大摩耗粒子が、出口側２ｂに小摩耗粒子が捕捉されるようになる。沈着管２の入口側２ａ及び出口側２ｂはそれぞれ光ファイバ４によってランプ５からの光が照射される。入口側２ａ及び出口側２ｂの各透光量は光電素子６，７によって測定され、測定値はデジタル読取装置８に表示される。上記のように沈着管２の入口側２ａには大摩耗粒子が、出口側２ｂには小摩耗粒子が捕捉されているため、入口側２ａの透光量によって大摩耗粒子濃度PLを測定することができ、また、出口側２ｂの透光量によって小摩耗粒子濃度PSを測定することができる。なお、沈着管２内に捕捉されなかった不要オイルは廃棄管９へ排出される。
そして、上記のようなＤＲフェログラフィ装置１００によって測定された大摩耗粒子濃度PL及び小摩耗粒子濃度PSを上記式(3)に代入することより異常摩耗指数Isを求めることができる。
次に、Is値と軸受劣化との関係について説明する。
時間ｔ(min）における摩耗粒子発生速度（個／min）をｐt、時間ｔ(min)における潤滑油中の摩耗粒子濃度（個／100ml）をＣt、初期油中の摩耗粒子数（個）をＰ0、全油量（l）をＶとすると、下記式(4)が成立する。
Figure 0004405316
Figure 0004405316
Figure 0004405316
また、時間ｔ(min）におけるIs値は、下記式(5)で示される。
(Is)t＝(PL)t 2−(PS)t 2 (5)
上記式(4)と式(5)より、下記式(6)が成立する。
Figure 0004405316
また、Ｃtは時間の関数であり、なじみ摩耗時期、正常摩耗時期に続く異常摩耗時期では一般的に増加関数となる。
過去に本発明者らが行った転がり軸受の劣化（主に疲労摩耗）に関する実験結果によると、異常摩耗時期において、図２及び図３に示すように、Ｃtは時間ｔの指数関数などで表されることが明らかになっている。一例として、図２は、経過時間と小サイズの摩耗粒子濃度との関係を表すグラフ、図３は、経過時間と大サイズの摩耗粒子濃度との関係を表すグラフである。
つまり、Ｃtは、下記式(7)で表される。
Figure 0004405316
Figure 0004405316
従って、上記式（6）、（8）に基づき、Is値を下記式（9）などで近似できる場合、該式（9）から、Is値は時間ｔに対し指数関数的に増加することになる。
Figure 0004405316
実際、図４に示す、過去に本発明者らが行った転がり軸受の劣化（疲労摩耗）に関する実験結果から、異常摩耗時期において、Is値が時間の指数関数として良い相関を示すことが分かる。
そして、本発明者らは、これまでの多数の実機及び実験に係る転がり軸受を診断してきた経験から、Is値は、異常摩耗時期において、経過時間に伴い増加し、通常、Is値が１０6を超えると必ず焼付きまたは破損を起こすことが分かっている。
本実施形態に係る転がり軸受の劣化評価方法は、上述したような知見に基づきなされたものであり、その構成は、試験用転がり軸受に定量フェログラフィ法を適用することによって求めたIs値から図４に示すような転がり軸受劣化評価曲線Ｃを作成する工程と、実機転がり軸受の異常発生後の任意の時点で定量フェログラフィ法を適用し、Is値を求める工程と、該求めたIs値を転がり軸受劣化評価曲線Ｃ上に展開し、当該実機転がり軸受の余寿命を求める工程とからなる。例えば、任意の時点でのIs値が１０2であった場合、このIs値を図４に示す転がり軸受劣化評価曲線Ｃ上に展開して時点ｔaを求め、管理寿命時点（図４では、例えばIs値＝１０4となる時点に設定した。）であるｔENDから時点ｔaを減算することによって余寿命ＴJを求める。
本実施形態に係る転がり軸受の劣化評価方法によると、定量フェログラフィ法によるIs値から作成した転がり軸受劣化評価曲線Ｃは、転がり軸受の異常発生時点から寿命時点までのIs値の変化をほぼ正確に表しているため、実機転がり軸受に定量フェログラフィ法を適用して求めたIs値を転がり軸受劣化評価曲線Ｃ上に展開することにより、実機転がり軸受の余寿命を十分に予測することができるようになる。
定量フェログラフィ法を実施するためのＤＲフェログラフィ（Direct Reading Ferrography）装置の原理図である。 経過時間と小サイズの摩耗粒子濃度との関係を表すグラフである。 経過時間と大サイズの摩耗粒子濃度との関係を表すグラフである。 Is値の時間変化を表す転がり軸受劣化評価曲線のグラフである。
符号の説明
１００ ＤＲフェログラフィ装置

Claims (1)

  1. 試験用転がり軸受に定量フェログラフィ法を適用することによって求めたIs値から転がり軸受劣化評価曲線を作成する工程と、
    実機転がり軸受の異常発生後の任意の時点で定量フェログラフィ法を適用し、Is値を求める工程と、
    該求めたIs値を前記転がり軸受劣化評価曲線上に展開して時点t a を求めるとともに、寿命時点に対応するIｓ値を前記転がり軸受劣化評価曲線上に展開して管理寿命時点t END を求め、前記管理寿命時点t END から前記時点t a を減算することによって当該実機転がり軸受の余寿命Ｔ Ｊ 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。
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