JP4476006B2

JP4476006B2 - クロスヘッド軸受の焼付防止のための検知装置及び検知方法

Info

Publication number: JP4476006B2
Application number: JP2004124137A
Authority: JP
Inventors: 辰巳北原; 大輔中原
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2004-04-20
Filing date: 2004-04-20
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2024-04-20
Also published as: JP2005308050A

Description

本発明は、大型２サイクルディーゼル機関のクロスヘッド軸受の焼付防止のための検知装置及び方法に関するものである。

大型２サイクルディーゼル機関に用いられるクロスヘッド軸受は常に下向きの高い荷重を受けながら低速で揺動運動を行うため、軸受面に形成される油膜が極めて薄く焼損や破損を起こし易い滑り軸受であり、損傷発生の防止策を検討することが重要な課題となっている。一般に摺動面で形成された油膜が破断し固体接触が発生した場合でも初期段階で潤滑状態の異常を検知できれば、適切な対応を取ることにより損傷発生を防止できるものと考えられる。しかし異常の検知が遅れると潤滑状態は一段と苛酷になり損傷発生に至る場合が多い。潤滑状態の異常を検知する手段として、摺動面近傍の振動状態をモニタリングすることが有効であると考えられ、転がり軸受や歯車などで適用された例は、非特許文献１（社団法人日本トライボロジー学会編「トライボロジーハンドブックｐｐ８０１〜８０３」２００１年３月３０日発行、発行者「株式会社養賢堂」）に記載されている。
トライボロジーハンドブックｐｐ８０１〜８０３

また、上記非特許文献１には、滑り軸受に関して高速条件下で作動する軸受を対象にオイルホワールやオイルホイップなどを防止する目的から振動状態を解析した研究が示されているが、大型２サイクルディーゼル機関のクロスヘッド軸受のような低速の滑り軸受で振動状態をモニタリングし異常診断を実施した研究は報告されておらず、不明な点が多い。本発明は、上記した事情に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、大型２サイクルディーゼル機関のクロスヘッド軸受のような低速の滑り軸受で振動状態をモニタリングすることにより、苛酷な固体接触が発生した初期段階で異常振動を検知し焼付発生の防止を図ることができる検知装置及び検知方法を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１に係る発明においては、大型２サイクルディーゼル機関のコネクテリングロッドの上端に設けられてピストンロッドの下端に固定される軸を揺動自在に軸支するクロスヘッド軸受の焼付防止のための検知装置であって、前記クロスヘッド軸受の軸受ハウジングに取り付けて前記軸の揺動方向の振動加速度を測定するための加速度センサーと、該加速度センサーからの信号に基づいて安定した潤滑状態におけるクランク角度θｃが+９０°近傍で発生する比較的大きな振動である振動スパイク時の振動加速度の基準値Ｖ₀を演算する安定振動加速度演算手段と、該安定振動加速度演算手段で演算した振動加速度Ｖ₀に予め定めた倍数を乗算して得られるしきい値Ｖｃｒを演算するしきい値演算手段と、前記大型２サイクルディーゼル機関の所定回数のサイクルにおける前記加速度センサーからの信号に基づいて演算される前記振動スパイク時の振動加速度の実測値Ｖｍであって前記しきい値演算手段で演算されたしきい値Ｖｃｒを越えた異常な振動スパイクの発生率を演算する異常振動発生率演算手段と、該異常振動発生率演算手段によって演算された異常な振動スパイクの発生率が予め定めた発生率に達したことを判定する判定手段と、を備えたことを特徴とするクロスヘッド軸受の焼付防止のための検知装置とした。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に係る検知装置を用いたクロスヘッド軸受の焼付防止のための検知方法を提供している。

請求項１及び請求項２に係る発明においては、θｃ＝＋９０°近傍における振動スパイクの増大とその発生頻度に着目した異常振動発生率を用い異常診断を実施すると、苛酷な固体接触が発生した初期段階で潤滑状態の異常を検知できる。そして、異常振動の検知後に適正な対応を実施することにより、焼付発生の防止に有効である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、大型２サイクルディーゼル機関の１つのピストンに対応するクロスヘッド軸受を示す概略図であり、図２は、大型２サイクルディーゼル機関のクロスヘッド軸受と相似な変動荷重、揺動運動の条件で焼付試験が実施できる軸受試験機の概略図である。

図１において、大型２サイクルディーゼル機関のクロスヘッド軸受１は、シリンダ２内を摺動するピストン３のピストンロッド４の下端に固定される軸５を揺動自在に軸支するものであり、軸５と摺動する軸受面にホワイトメタル等の軸受合金層が形成される軸受メタル７とこれを介挿する軸受ハウジング７ａを有している。そして、クロスヘッド軸受１は、その下端がクランク軸１０に回転自在に軸支されるコネクティングロッド８の上端に形成されている。

上記のように構成される大型２サイクルディーゼル機関においては、ピストン３の上下運動をコネクティングロッド８を介してクランク軸１０の回転運動に変換するようになっている。そして、クロスヘッド軸受１においては、軸受メタル７に対し常に下向きに荷重が作用すると共にコネクティングロッド８の揺動運動も作用する。このため、軸受メタル７の軸受面に形成される油膜が極めて薄く焼損や破損を起こし易く固体接触が発生して異常な潤滑状態となる可能性が高い。そこで、上記のような潤滑状態の異常を検知する手段として、摺動面近傍の振動状態をモニタリングすることが有効であると考えられ、苛酷な固体接触が発生した初期段階で異常振動を検知し焼付発生を防止する方法について、実際機関のクロスヘッド軸受と相似な変動荷重、揺動運動の条件で焼付試験が実施できる軸受試験機２０を用いて検証した。

そこで、図２を参照して軸受試験機２０の構成について説明する。図２において、直径１００ｍｍの試験軸２１は、その両側をコロ軸受２３で支持されてクランク機構２４により揺動運動を行う。試験軸受２２には油圧ラム２５により垂直下向きの変動荷重が与えられる。図３に１サイクルにおける軸受面圧Ｐｗ並びに軸の揺動角速度ωの変化の一例を示す。本試験機では試験軸受２２と荷重方向が固定され、軸２１のみが揺動運動する構造であるが、実際機関のクロスヘッド軸受と相似な変動荷重、揺動運動の条件で焼付試験が実施できるようになっている。供試潤滑油はＳＡＥ１０Ｗの無添加エンジン油であり、一定温度６０℃で試験軸受２２に供給した。図４に試験軸受２２として使用される軸受メタルの構造を示す。この試験軸受２２は、摺動面の軸方向にそって複数の油溝２２aが等間隔（図示の場合４５°）で形成され、該油溝の一箇所に油穴２２bが形成されている。このため、供給された潤滑油が油穴２２b及び油溝２２aを通って軸との摺動面に供給されるようになっている。なお、試験軸受２２の軸受合金はホワイトメタルを用いた。

また、本試験機による試験では給油停止による焼付試験と荷重増加による焼付試験を実施して、試験開始から焼付発生に至るまでの軸受表面温度、振動状態、並びに油膜形成状態の変化を調べた。軸受表面温度は軸受中央部の表面から０．５ｍｍの深さに埋め込んだ熱電対３５で測定した。軸受振動状態は軸受ハウジング７aの図５に示す位置（軸の揺動方向）に加速度センサー４０を装着し、軸２１の揺動方向の振動加速度を測定することにより解析した。さらに油膜形成状態は図６に示すような電気回路を用い、油膜の電気抵抗を測定することにより検討した。すなわち軸２１と試験軸受２２に２７３ｍＶの電圧を加えた場合、軸２１と試験軸受２２間の出力電圧Ｅと油膜の電気抵抗Ｒには図７に示すような関係が成立する。例えば軸受面に厚い油膜が形成され軸２１と試験軸受２２が完全に分離した状態では電気抵抗が極めて高くなるため出力電圧は２７３ｍＶになるが、油膜厚さの減少により固体接触の度合いが増すと電気抵抗が低くなり出力電圧は０ｍＶまで低下する。なお、図２には、試験軸受２２に潤滑油を供給し回収するための循環ポンプ２７、オイルクーラー２８、オイルタンク２９、供給ポンプ３０、供給パイプ３１、回収パイプ３２が示され、供給パイプ３１の途中には、給油を停止するためのバルブ（図示しない）が設けられている。

図８は軸２１の揺動サイクルＮ＝３００ｃｐｍ、揺動角２ψ＝５５°、並びに最高軸受面圧Ｐｗｍａｘ＝１８ＭＰａの一定条件で十分ななじみ運転を実施した後、潤滑油の供給を停止して焼付が発生するまでの軸受振動加速度Ｖ及び軸２１と軸受２２間の出力電圧Ｅのサイクル変化を調べた結果である。

図８（ａ）は給油停止前の安定した潤滑状態で得られた結果であるが、振動波形の特徴として１サイクルに２回すなわち軸２１の揺動方向が反転するクランク角度θｃ＝−９０°および＋９０°近傍で、揺動方向の急激な変化によるものと推察できる高い振動スパイクが発生することが認められる。一方、油膜形成状態の特徴として荷重の低いθｃ＝１８０°近傍では比較的厚い油膜が形成されるため出力電圧２７３ｍＶとなるが、高い荷重が作用するθｃ＝０°近傍から１２０°まででは油膜が破断し出力電圧は０ｍＶまで低下することが認められる。このように出力電圧は１サイクル中に大きく変化するため、図９に示す式から１サイクルを通しての油膜形成率Ｆの値を求め油膜形成状態を評価した。

図８（ｂ）は給油を停止して５７０秒後に得られた結果であるが、潤滑状態が苛酷になると出力電圧は１サイクルを通して常に０ｍＶとなり、油膜形成状態が悪化することがわかる。また給油停止前の振動波形と比較してθｃ＝＋９０°近傍に高い振幅の振動スパイク（異常振動スパイク）の発生が認められる。さらに図８（ｃ）は給油を停止して７９０秒後の焼付発生直前に得られた結果であるが潤滑状態が一段と苛酷になるとθｃ＝＋９０°近傍の異常振動スパイクが高い振幅を示す特徴が認められる。

図１０は理論計算により１サイクルにおけるクロスヘッド軸受１の最小油膜厚さｈｍｉｎの変化を求めた結果である。クロスヘッド軸受１の油膜厚さは荷重が最大となるθｃ＝０°近傍で最小にならず、揺動方向が反転するθｃ＝＋９０°を過ぎて最小になることがわかる。このため給油停止により潤滑状態が苛酷になると、１サイクル中で油膜厚さが最小となるθｃ＝＋９０°近傍において振動スパイクが顕著に現れたものと推察できる。

図１１は給油を停止して焼付が発生するまでの振動加速度Ｖの変化を１０サイクル通して記録した結果である。給油停止前の安定した潤滑状態では、１０サイクル全ての振動波形がほぼ同様な変化を繰返している。しかし給油を停止して５７０秒後の場合、各サイクルで振動波形が異なっておりθｃ＝＋９０°近傍の異常振動スパイクが発生しているサイクルと、ほとんど変化していないサイクルが混在することがわかる。これは潤滑状態が苛酷になった初期段階で油膜の破断と修復が繰返された結果によるものと推察できる。そして潤滑状態が一段と苛酷になり焼付が発生する直前の７９０秒後の場合、θｃ＝＋９０°近傍の異常振動スパイクが１０サイクル全てにおいて高い振幅を示す特徴が認められる。

前述のような振動波形の特徴から、θｃ＝＋９０°近傍における異常振動スパイクの発生頻度に着目した異常診断法について検討する。すなわち図１２に示すように給油停止前の安定した潤滑状態で得られた振動波形におけるθｃ＝＋９０°近傍の振動スパイクを基準値Ｖ₀とする。潤滑状態が苛酷になるとθｃ＝＋９０°近傍の振動スパイク実測値Ｖｍが増大するが、ここで振動スパイクのしきい値Ｖｃｒ（＝１．２Ｖ₀）を定め、１０サイクル中でしきい値を超えた異常振動スパイクの発生数（異常振動発生率Ｘ）を計測する方法で異常診断を実施した。なお、基準値Ｖ₀、実測値Ｖｍ、及びしきい値Ｖｃｒは、それ
ぞれ検知装置の制御回路に含まれる安定振動加速度演算手段、実測値演算手段、しきい値演算手段によってそれぞれ演算され、これらの演算結果から異常振動発生率演算手段によって異常な振動スパイクの発生率を演算することができるようになっている。

図１３は給油を停止して焼付が発生するまでの油膜形成率Ｆ、軸受表面温度Ｔ、振動加速度の実効値Ｖｒｍｓ（二乗平均値）並びに異常振動発生率Ｘの経時変化を調べた結果である。軸受表面温度Ｔおよび振動加速度（実効値）Ｖｒｍｓに関しては給油を停止して７７０秒後に急増し、その直後に焼付が発生した。すなわち表面温度および振動加速度（実効値）の急増が検出された段階では、既に潤滑状態が極めて苛酷な状態にあるため焼付発生を防止することは困難であることがわかる。一方、油膜形成率Ｆは軸受面に軽度な固体接触が発生した場合でも大幅に減少しており、給油停止後かなり早い段階で０％まで低下している。従って油膜形成率Ｆの変化から苛酷な固体接触の度合いを評価して焼付発生に至るかどうかの予知診断を行うことは困難であると考えられる。これに対して異常診断発生率Ｘが５０％を越え、しきい値を越えた異常振動スパイクが頻繁に発生することを異常診断の基準に考えると、給油を停止して４７０秒後に潤滑状態の異常を検知でき、焼付発生の予防診断として有効であることがわかる。

図１４は軸の揺動サイクルＮ＝３００ｃｐｍ、揺動角２ψ＝５５°、並びに最高軸受面圧Ｐｗｍａｘ＝２０ＭＰａの一定条件で十分なじみ運転を実施した後、Ｐｗｍａｘ値のみを段階的（０．２ＭＰａ／３０秒の増加率）に増大させて焼付が発生するまでの振動波形の変化を調べた結果である。Ｐｗｍａｘ＝２０ＭＰａの安定した潤滑状態で得られた振動波形と比較して、Ｐｗｍａｘ＝２３．２ＭＰａの荷重条件では潤滑状態が苛酷になりθｃ＝＋９０°近傍の異常振動スパイクの発生が認められる。そして焼付が発生する直前のＰｗｍａｘ＝２４．２ＭＰａの荷重条件では、潤滑状態が極めて苛酷になりθｃ＝＋９０°近傍の異常振動スパイクが高い振幅を示す特徴が認められる。そこで、前述した異常振動の診断法と同様に、Ｐｗｍａｘ＝２０ＭＰａの安定した潤滑状態で得られた振動スパイクの基準値Ｖ₀から、しきい値Ｖｃｒ（＝１．２Ｖ₀）を定めて１０サイクル中でしきい値を超えた異常振動発生率Ｘを計測する方法で異常診断を実施した。

図１５はＰｗｍａｘ値を２０ＭＰａから段階的に増加させて焼付が発生するまでの油膜形成率Ｆ、軸受表面温度Ｔ、振動加速度Ｖｒｍｓ、並びに異常振動発生率Ｘの変化を調べた結果である。表面温度Ｔ及び振動加速度（実効値）Ｖｒｍｓの値はＰｗｍａｘ＝２４．０ＭＰａの荷重条件で急増し、その直後に焼付が発生した。一方、油膜形成率Ｆの値は焼付発生限界の軸受面圧（Ｐｗｍａｘ＝２４．２ＭＰａ）と比較してかなり低い荷重条件で０％まで低下している。従って表面温度、振動加速度（実効値）、並びに油膜形成率の変化に基づいて焼付発生の予知診断を実施することは困難であることがわかる。これに対して異常振動発生率Ｘが５０％を越え、高い振幅の異常振動スパイクが頻繁に発生することを異常診断の基準に考えると、Ｐｗｍａｘ＝２３．２ＭＰａの荷重条件で潤滑状態の異常を検知でき、焼付発生防止のための診断法として有効であることがわかる。

以上の結果からθｃ＝+９０°近傍における異常振動スパイクの増大とその発生頻度に着目した異常振動発生率を用い異常診断を実施すると、苛酷な固体接触が発生した初期段階で潤滑状態の異常を検知できることがわかった。

以上説明してきたように、実際機関のクロスヘッド軸受と相似な変動荷重、揺動運動の条件で焼付試験が実施できる軸受試験機の振動状態をモニタリングし潤滑状態の異常診断について検討した結果、以下のことが明らかになった。
（１）クロスヘッド軸受の振動波形は１サイクルに２回すなわち揺動方向が反転するクランク角度θｃ＝−９０°及び＋９０°近傍で振動スパイクが発生する特徴がある。潤滑状態が苛酷になるとθｃ＝＋９０°近傍における異常振動スパイクが発生する。
（２）軸受表面温度、振動加速度（実効値）、並びに油膜形成率の変化に基づいて異常診断を実施し焼付発生を防止することは困難である。
（３）θｃ＝＋９０°近傍における異常振動スパイクの発生頻度に着目した異常振動発生率を用い異常診断を実施すると、苛酷な固体接触が発生した初期段階で潤滑状態の異常を検知できる。

上述した方法にて異常を検知した場合（異常判定が行われたとき）は、
１．ディーゼル機関を停止する。

２．ディーゼル機関の回転数を低下させる。

３．ディーゼル機関の冷却を行なう。
以上のような対応を自動的に又は手動的に講じることにより、クロスヘッド軸受の焼付を防止することができる。

なお、以上説明してきた実施の形態では、しきい値を安定振動スパイク時の振動加速度の基準値の１．２倍としたが、この倍数は、必ずしもこの数値に限定するものではなく、１．１〜１．３倍の範囲で適宜決めればよい。同様に異常振動スパイクの発生率の判定を５０％としたが、この値も３０〜６０％の範囲で適宜決めればよい。

大型２サイクルディーゼル機関の１つのピストンに対応するクロスヘッド軸受を示す概略図である。大型２サイクルディーゼル機関のクロスヘッド軸受と相似な変動荷重、揺動運動の条件で焼付試験が実施できる軸受試験機の概略図である。１サイクルにおける軸受面圧Ｐｗ並びに軸の揺動角速度ωの変化の一例を示すグラフである。試験軸受として使用される軸受メタルの構造を示す正面図・平面図である。軸受ハウジングへの加速度センサーの取り付け状態を示す概略図である。油膜形成状態を測定するための回路図である。軸と軸受メタル間の出力電圧と油膜の電気抵抗との関係を示すグラフである。潤滑油の供給を停止して焼付が発生するまでの軸受振動加速度および軸と軸受間の出力電圧のサイクル変化を調べた結果を示すグラフである。１サイクルを通しての油膜形成率の値を求める式及びその一例である。理論計算により１サイクルにおけるクロスヘッド軸受の最少油膜厚の変化を求めたグラフである。給油を停止して焼付が発生するまでの振動加速度の変化を１０サイクル通して示したグラフである。安定した潤滑状態で得られた振動波形と過酷な潤滑状態で得られた異常振動波形を示すグラフである。給油を停止して焼付が発生するまでの油膜形成率、軸受表面温度、振動加速度の実効値、異常振動発生率の経時変化を示すグラフである。軸受面圧を段階的に増加させて焼付が発生するまでの振動波形の変化を示すグラフである。軸受面圧を段階的に増加させて焼付が発生するまでの油膜形成率、軸受表面温度、振動加速度の実効値、異常振動発生率の変化を示すグラフである。

符号の説明

１クロスヘッド軸受
５軸
７軸受メタル（軸受）
７ａ軸受ハウジング
１０クランク軸
２０軸受試験機
２１軸
２２試験軸受
２４クランク機構
２５油圧ラム

Claims

大型２サイクルディーゼル機関のコネクティングロッドの上端に設けられてピストンロッドの下端に固定される軸を揺動自在に軸支するクロスヘッド軸受の焼付防止のための検知装置であって、
前記クロスヘッド軸受の軸受ハウジングに取り付けて前記軸の揺動方向の振動加速度を測定するための加速度センサーと、
該加速度センサーからの信号に基づいて安定した潤滑状態におけるクランク角度θｃが+９０°近傍で発生する比較的大きな振動である振動スパイク時の振動加速度の基準値Ｖ₀を演算する安定振動加速度演算手段と、
該安定振動加速度演算手段で演算した振動加速度Ｖ₀に予め定めた倍数を乗算して得られるしきい値Ｖｃｒを演算するしきい値演算手段と、
前記大型２サイクルディーゼル機関の所定回数のサイクルにおける前記加速度センサーからの信号に基づいて演算される前記振動スパイク時の振動加速度の実測値Ｖｍであって前記しきい値演算手段で演算されたしきい値Ｖｃｒを越えた異常な振動スパイクの発生率を演算する異常振動発生率演算手段と、
該異常振動発生率演算手段によって演算された異常な振動スパイクの発生率が予め定めた発生率に達したことを判定する判定手段と、
を備えたことを特徴とするクロスヘッド軸受の焼付防止のための検知装置。
大型２サイクルディーゼル機関のコネクティングロッドの上端に設けられてピストンロッドの下端に固定される軸を揺動自在に軸支するクロスヘッド軸受の焼付防止のための検知方法であって、
前記クロスヘッド軸受の軸受ハウジングに取り付けて前記軸の揺動方向の振動加速度を加速度センサーで測定し、
該加速度センサーからの信号に基づいて安定した潤滑状態におけるクランク角度θｃが+９０°近傍で発生する比較的大きな振動である振動スパイク時の振動加速度の基準値Ｖ₀を演算し、
その演算した振動加速度Ｖ₀に予め定めた倍数を乗算して得られるしきい値Ｖｃｒを演算し、
前記大型２サイクルディーゼル機関の所定回数のサイクルにおける前記加速度センサーからの信号に基づいて演算される前記振動スパイク時の振動加速度の実測値Ｖｍであって前記しきい値Ｖｃｒを越えた異常な振動スパイクの発生率を演算し、
その演算された異常な振動スパイクの発生率が予め定めた発生率に達したことを判定する、
ことを特徴とするクロスヘッド軸受の焼付防止のための検知方法。