JP4757086B2

JP4757086B2 - 潤滑剤劣化検出装置および検出装置付き軸受

Info

Publication number: JP4757086B2
Application number: JP2006119961A
Authority: JP
Inventors: 和成前田; 亨高橋
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2006-04-25
Filing date: 2006-04-25
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2026-04-25
Also published as: JP2007292568A

Description

この発明は、潤滑剤の混入物などによる劣化状態を検出する潤滑剤劣化検出装置、およびその潤滑剤劣化検出装置を備えた検出装置付き軸受、例えば鉄道車両用、自動車用、風車設備用、工場設備用等の潤滑剤劣化検出装置付き軸受に関する。

潤滑剤を封入した軸受では、軸受内の潤滑剤（グリース、油など）が劣化すると転動体の潤滑不良が発生し、軸受寿命が短くなる。転動体の潤滑不良を、軸受の振動状態などから判断するのでは、寿命に達して動作異常が発生してから対処することになるため、潤滑状態の異常をより早く検出できない。そこで、軸受内の潤滑剤の状態を定期的あるいはリアルタイムに観測し、異常やメンテナンス期間の予測を可能にすることが望まれる。

潤滑剤の劣化の主要な要因として、軸受の使用に伴って発生する摩耗粉が潤滑剤に混入することが挙げられる。
軸受の摩耗状態を検出するものとしては、軸受のシールの内側に電極やコイル等のセンサを配置し、摩耗粉の混入する潤滑剤の電気的特性を前記センサで検出するようにしたセンサ付き軸受が提案されている（例えば特許文献１）。
特開２００４−２９３７７６号公報

しかし、特許文献１のセンサ付き軸受は、潤滑剤の電気的特性を検出するものであるため、大量の摩耗粉が入って導通が起こるなどの状況にならなければ、特性変化として検出されず、混入物の検出が困難な場合がある。

このような課題を解決するものとして、例えば図８のように、発光側および受光側の光ファイバ４６，４７の各一端を検出対象となる潤滑剤４５が存在する検出部４８に対向させ、発光側の光ファイバ４６の他端に発光素子４３を、受光側の光ファイバ４７の他端に受光素子４４をそれぞれ配置した光学式の構成を考えた。
図８の構成では、発光素子４３から出射された光が発光側の光ファイバ４６を経由して検出部４８に存在する潤滑剤４５を透過し、さらに受光側の光ファイバ４７を経由して受光素子４４で検出される。潤滑剤４５に含まれる鉄粉などの異物の量が増えると、潤滑剤４５を透過する透過光量が減少するので、受光素子４４の次段に設けられる判定回路４９は、受光素子４４で検出される透過光量に基づき、潤滑剤４５に混入する異物の量を推定できる。

しかし、図８の構成では、光ファイバ４６，４７の強度不足により、あるいは検出対象の潤滑剤４５が粘度の高いグリスである場合に、その潤滑剤４５の移動に伴い光ファイバ４６，４７が変形する等により、検出部４８のギャップが安定せず、潤滑剤４５の厚さが変動するという課題がある。すなわち、潤滑剤４５の厚さ変動は透過光量に影響を及ぼすので、検出部４８のギャップが安定しないと、安定した検出を行えない。

この発明の目的は、検出部ギャップを一定に保つことができて、安定した正確な検出が可能な潤滑剤劣化検出装置、およびその潤滑剤劣化検出装置を備えた検出装置付き軸受を提供することである。

この発明の潤滑剤劣化検出装置は、それぞれ発光素子および受光素子に基端が対向する一対の光ファイバの先端を、潤滑剤の配置空間となるギャップを介して対向配置し、金属または硬質樹脂材料からなる保持部材により、前記各光ファイバの周囲を固定し、前記受光素子の出力から潤滑剤に混入している異物の量を検出する判定手段を設けたものである。
この構成によると、光ファイバの周囲を固定する保持部材を設けたため、一対の光ファイバの姿勢を強固に保持することができる。また、例えば軸受内などへ潤滑剤劣化検出装置を設置する場合に、設置位置の周辺部材に前記保持部材を介して光ファイバを固定することができるので、潤滑剤の配置空間となるギャップを一定に保つことができて、安定した正確な劣化検出が可能となる。
また、両光ファイバの各先端を潤滑剤の配置空間となるギャップを介して対向配置していることからギャップを小さくでき、ギャップへ潤滑剤が入り込み易くなり、より安定した正確な劣化検出が可能となる。

前記保持部材はパイプである。
保持部材としてパイプを用いる場合、パイプに光ファイバを挿入して接着剤などによりパイプを光ファイバに固定することにより、光ファイバの周囲に保持部材を固定することができる。また、このような固定状態でパイプと共に光ファイバを曲げ加工しても、光ファイバへ保持部材を固定した状態を保持できるので、所望の形状に光ファイバを容易に加工できて、潤滑剤劣化検出装置における光学系の構成をコンパクトにできると共に、配置の自由度も高くできる。
この場合に、パイプの先端を、径方向の中央側が突出するテーパ状面とする。このため、両光ファイバが対向配置される潤滑剤の配置空間となるギャップの断面積をさらに小さくでき、ギャップへ潤滑剤が入り込み易くなる。

この発明において、前記光ファイバの先端を、前記保持部材の先端よりも突出させても良い。各光ファイバの先端を保持部材の先端よりも突出させると、両光ファイバが対向配置される潤滑剤の配置区間となるギャップの断面積をさらに小さくでき、ギャップへ潤滑剤が入り込み易くなる。

この発明の検出装置付き軸受は、この発明の上記いずれかの構成の潤滑剤劣化検出装置を軸受に取付け、軸受シールに前記発光素子および受光素子を配置し、軸受内の劣化検出対象となる潤滑剤の観測位置に光ファイバの先端が位置するように、前記保持部材によって光ファイバを保持したものである。
潤滑剤劣化検出装置は、潤滑剤の配置空間であるギャップを一定に保つことができて、安定した正確な劣化検出が可能なため、軸受内の観測位置に光ファイバの先端を固定状態で保持でき、軸受内の潤滑剤の劣化検出を安定して正確に行うことができる。
その結果、軸受内に封入された潤滑剤の劣化を、リアルタイムで正確に検出することができる。これにより、軸受に動作異常が発生する前に潤滑剤の交換の必要性を判断でき、軸受の潤滑不良による破損を防ぐことができる。また、潤滑剤交換の必要性を潤滑剤劣化検出装置の潤滑剤によって判断できるため、使用期限前に廃棄される潤滑剤の量が減少する。

この発明において、前記観測部を軸受の転走面の脇に配置しても良い。
上記潤滑剤劣化検出装置は、その光ファイバ等からなる光学系をコンパクトに構成でき、配置の自由度が高いので、観測部を軸受の転走面の脇に容易に配置することができる。これにより、軸受の潤滑に寄与する転走面の脇の潤滑剤の劣化検出が可能となる。

この発明の潤滑剤劣化検出装置は、それぞれ発光素子および受光素子に基端が対向する一対の光ファイバの先端を、潤滑剤の配置空間となるギャップを介して対向配置し、金属または硬質樹脂材料からなる保持部材により、前記各光ファイバの周囲を固定し、前記受光素子の出力から潤滑剤に混入している異物の量を検出する判定手段を設け、前記保持部材がパイプであり、このパイプの先端を、径方向の中央側が突出するテーパ状面としたため、検出部のギャップを一定に保つことができて、安定した正確な劣化検出が可能となる。
この発明の検出装置付き軸受は、この発明の潤滑剤劣化検出装置を軸受に取付け、軸受シールに前記発光素子および受光素子を配置し、軸受内の劣化検出対象となる潤滑剤の観測位置に光ファイバの先端を、前記保持部材によって保持したため、潤滑剤劣化検出装置における潤滑剤の配置空間であるギャップを一定に保つことができて、安定した正確な劣化検出が可能であり、軸受内の観測位置に光ファイバの先端を固定状態で保持でき、軸受内の潤滑剤の劣化検出を安定して正確に行うことができる。
その結果、軸受内に封入された潤滑剤の劣化を、リアルタイムで正確に検出することができる。これにより、軸受に動作異常が発生する前に潤滑剤の交換の必要性を判断でき、軸受の潤滑不良による破損を防ぐことができる。また、潤滑剤交換の必要性を潤滑剤劣化検出装置の潤滑剤によって判断できるため、使用期限前に廃棄される潤滑剤の量が減少する。

この発明の参考提案例を図１と共に説明する。図１は、この参考提案例の潤滑剤劣化検出装置の概略構成図を示す。この潤滑剤劣化検出装置１は、発光素子２および受光素子３と、潤滑剤６の配置空間となる検出部ギャップ１０を介してそれぞれの先端を対向配置した一対の光ファイバ４，５と、前記受光素子３の出力から潤滑剤６に混入している異物の量を検出する判定手段７とを備える。前記一対の光ファイバ４，５のうち、一方の光ファイバ４は、その基端が前記発光素子２の発光面に対向する投光側光ファイバとされる。また、他方の光ファイバ５は、その基端が前記受光素子３の受光面に対向する受光側光ファイバとされる。これら各光ファイバ４，５の周囲は、それぞれ金属または硬質樹脂材料からなる保持部材８，９で被覆して固定されている。ここでは、前記保持部材８，９が金属製のパイプとされ、これらパイプ８，９に前記各光ファイバ４，５が挿入されて、接着剤などにより固定される。各パイプ８，９の先端の端面は、対応する各光ファイバ４，５の先端の端面に揃えられる。
このように投光側光ファイバ４および受光側光ファイバ５を配置することにより、発光素子２から出射された光が投光側光ファイバ４を介して潤滑剤６を透過し、その透過光が受光側光ファイバ５を介して受光素子３に入射される。

前記発光素子２としては、ＬＤ、ＬＥＤ、ＥＬ、有機ＥＬなどを用いることができ、発光回路１１によって駆動される。前記受光素子３としては、フォトダイオード、フォトトランジスタなどを用いることができ、その出力を受ける受光回路１２によって受光素子３の受光量が検出される。

潤滑剤６が新品のときには透明に近い状態にあり、投光側光ファイバ４から投光されて潤滑剤６を透過する透過光の強度は高い。ところが、潤滑剤６に混入する異物の量が多くなると、透過光の強度が徐々に低下する。そこで、判定手段７は、透過光の強度に対応する受光素子３の出力から、潤滑剤６に混入している異物の量を検出する。潤滑剤６に混入する異物の量の増加は潤滑剤６の劣化の進行を意味するので、検出された異物の量から潤滑剤６の劣化具合を推定することができる。

このように、この潤滑剤劣化検出装置１では、投光側光ファイバ４および受光側光ファイバ５の先端を、潤滑剤６の配置空間となる検出部ギャップ１０を介して対向配置し、これら各光ファイバ４，５の周囲を、金属製パイプからなる保持部材８，９により固定しているので、各光ファイバ４，５の姿勢を強固に保持することができる。また、例えば軸受内などへ潤滑剤劣化検出装置１を設置する場合に、設置位置の周辺部材に保持部材８，９を介して各光ファイバ４，５を固定することができるので、検出部ギャップ１０を一定に保つことができて、安定した正確な劣化検出が可能となる。
また、両光ファイバ４，５の各先端を検出部ギャップ１０を介して対向配置していることから、検出部ギャップ１０を小さくでき、検出部ギャップ１０へ潤滑剤６が入り込み易くなり、より安定した正確な劣化検出が可能となる。

図２は、この発明の他の参考提案例の潤滑剤劣化検出装置における光学系の概略構成を示す断面図である。光学系以外の部分の構成は図１の参考提案例の場合と同様であり、ここでは省略する。この実施形態では、図１の参考提案例の潤滑剤劣化検出装置１において、保持部材である金属製パイプ８，９に挿入して周囲を固定した投光側光ファイバ４および受光側光ファイバ５のそれぞれを、パイプ８，９と共に概形Ｌ字状に曲げ加工することで、光学系全体の光路をコ字状としている。このように金属製パイプ８，９に挿入して周囲を固定した光ファイバ４，５を曲げた状態で、潤滑剤観測部に光ファイバ４，５を配置しても、光ファイバ４，５の形状は強固に保持される。
この参考提案例のように、光学系全体の光路をコ字状にすると光学系をコンパクトに構成できるので、例えば検出対象の潤滑剤６が封入された軸受内などへの設置において、潤滑剤劣化検出装置１の配置の自由度を高くすることができる。

図３は、この発明のさらに他の参考提案例の潤滑剤劣化検出装置における光学系の概略構成を示す断面図である。光学系以外の部分の構成は図１の参考提案例の場合と同様であり、ここではその説明を省略する。この参考提案例では、図２の参考提案例において、投光側光ファイバ４および受光側光ファイバ５の先端を、これら光ファイバ４，５の周囲を固定する保持部材である金属製パイプ８，９の先端よりも少しだけ突出させている。
このように、各光ファイバ４，５の先端を保持部材である各金属製パイプ８，９の先端よりも少しだけ突出させると、両光ファイバ４，５の先端が対向配置される検出部ギャップ１０の断面積をさらに小さくできるので、検出部ギャップ１０へ潤滑剤６がさらに入り込み易くなる。

図４は、この発明の実施形態の潤滑剤劣化検出装置における光学系の概略構成を示す断面図である。光学系以外の部分の構成は図１の参考提案例の場合と同様であり、ここでは説明を省略する。この実施形態では、図２の参考提案例において、投光側光ファイバ４および受光側光ファイバ５の周囲を固定する保持部材である各金属製パイプ８，９の先端を、径方向の中央側が突出するテーパ状面８ａ，９ａとしている。
このように、各光ファイバ４，５の先端をテーパ状面８ａ，９ａとした場合も、両光ファイバ４，５の先端が対向配置される検出部ギャップ１０の断面積をさらに小さくできるので、検出部ギャップ１０へ潤滑剤６がさらに入り込み易くなる。

図５は、この発明のさらに他の参考提案例の潤滑剤劣化検出装置における光学系の概略構成を示す断面図である。光学系以外の部分の構成は図１の参考提案例の場合と同様であり、ここでは説明を省略する。この参考提案例では、図１の参考提案例の潤滑剤劣化検出装置１において、保持部材である金属製パイプ８，９に挿入して周囲を固定した投光側光ファイバ４および受光側光ファイバ５のうち、受光側光ファイバ５のみをパイプ９と共に概形Ｌ字状に曲げ加工することで、光学系全体の光路をＬ字状としている。受光側光ファイバ５に代えて投光側光ファイバ４のみを金属製パイプ８と共に概形Ｌ字状に曲げ加工しても良い。
このように金属製パイプ８，９に挿入して周囲を固定した光ファイバ４，５の一方をＬ字状に曲げ加工すると光学系全体の光路をＬ字状とでき、図２〜図３の参考提案例および図４の実施形態のように両光ファイバ４，５をＬ字状に曲げ加工すると光学系全体の光路をコ字状とできるので、例えば検出対象の潤滑剤６が封入された軸受内などへの設置において、設置場所の状況に合わせて容易に加工・配置することができる。

なお、上記実施形態および各参考提案例では、光ファイバ４，５の周囲を固定する保持部材８，９として、金属製パイプを用いた場合を説明したが、これに限らず、例えば一対の光ファイバ４，５を、それらの先端が検出部ギャップ１０を介して対向するように配置して所望の姿勢に整形した後に、両光ファイバ４，５の周囲を硬質樹脂材料で封止固定することで、光ファイバ４，５の形状を保持するようにしても良い。

図６は、上記した潤滑剤劣化検出装置１を搭載した検出装置付き軸受を、鉄道車両用軸受ユニットに用いた一例の断面図である。この場合の鉄道車両用軸受ユニットは、検出装置付き軸受２１とその内輪２４の両側に各々接して設けられた付属部品である油切り２２および後ろ蓋２３とで構成される。軸受２１は、ころ軸受、詳しくは複列の円すいころ軸受からなり、各列のころ２６，２６に対して設けた分割型の内輪２４，２４と、一体型の外輪２５と、前記ころ２６，２６と、保持器２７とを備える。
後ろ蓋２３は、車軸２０に軸受２１よりも中央側で取付けられて外周にオイルシール２８を摺接させたものである。油切り２２は、車軸２０に取付けられて外周にオイルシール２９を摺接させたものである。これら軸受２１の両端部に配置される両オイルシール２８，２９により軸受２１の内部に潤滑剤が封止され、かつ防塵・耐水性が確保される。

軸受２１の外輪２５の両端部には、それぞれシールケース３０，３１が取付けられ、これらシールケース３０，３１に前記オイルシール２８，２９が設けられる。図７は、一方のオイルシール２９の取付け構造を示す拡大断面図である。同図において、シールケース３１は、軸方向に複数の段部が階段状に並ぶ断面形状とした環状の部材であって、その一端部を軸受外輪２５の内径面に圧入嵌合させることで、外輪２５に取付けられる。このシールケース３１の中間段部の内径面には、断面Ｌ字状のリング部材３２がその円筒部３２ａを圧入嵌合させて取付けられており、そのリング部材３２の内径側に延びる立板部３２ｂが前記油切り２２の外径面に対して所定のラビリンス隙間を形成するように配置されている。前記シールケース３１に設けられるオイルシール２９は、断面Ｌ字状の環状芯金３３と、この環状芯金３３の立板部に固定される弾性部材３４とでなり、環状芯金３３の円筒部を前記リング部材３２の円筒部３２ａの内周面に圧入嵌合させることにより、リング部材３２を介してシールケース３１に固定されている。前記弾性部材３４には、油切り２２の外径面に摺接するラジアルリップが形成されている。シールケース３１の他端部は、油切り２２のフランジ部２２ａの内向き幅面に形成されたリング状の溝３５に遊嵌させることで、この溝３５とシールケース３１の他端部との間にラビリンス隙間を形成している。このような構成により、軸受２１の内外輪２４，２５間の環状空間の一端部では、前記リング部材立片部３２ｂと油切り２２の外径面との間に形成されるラビリンス隙間と、油切り２２の外径面に摺接するオイルシール２９と、油切り２２の溝３５とシールケース３１の他端部との間に形成されるラビリンス隙間とで、密封が図られている。軸受２１の内外輪２４，２５間の環状空間の他端部については説明を省略するが、上記した一端部と同様のシール構造とされる。

この検出装置付き軸受２１では、一方のシールケース３１の内側に潤滑剤劣化検出装置１の発光素子２と受光素子３を含む電気回路部１３および一対の光ファイバ４，５が共に設けられ、光ファイバ４，５の先端の検出部ギャップ１０は、潤滑剤の観測ポイントである外輪２５の内径面における転走面の脇に配置されている。光ファイバ４，５の先端位置は、光ファイバ４，５の周囲を固定する保持部材（例えば図１の金属製パイプ）８，９によって強固に保持されることから、転走面の脇への検出部ギャップ１０の配置は位置変動のない安定したものとなる。
また、この場合、上記潤滑剤劣化検出装置１が例えば図２〜図５の実施形態のものであると、一対の光ファイバ４，５等からなる光学系をコンパクトに構成でき、配置の自由度が高いので、このような位置への配置を容易に行うことができる。
また、上記潤滑剤劣化検出装置１は、その検出部ギャップ１０を一定に保つことができて、安定した正確な劣化検出が可能であるので、軸受２１の潤滑に寄与する転走面の脇の潤滑剤の劣化検出を安定して正確に行うことができる。具体的には、オイルシール２９におけるリング部材立板部３２ｂの軸方向内側に向く面に潤滑剤劣化検出装置１の電気回路部１３が固定され、その配線ケーブル１４がシールケース３１を貫通して軸受外に引き出されている。その配線ケーブル１４を通じて、軸受外から潤滑剤劣化検出装置１への電源供給と軸受外への検出信号の取り出しが行われる。シールケース３１における配線ケーブル１４の貫通部には防水・防油処理が施される。これにより、潤滑剤劣化検出装置１の取付部から軸受内部へ水分やゴミ等が侵入するのを防止している。

例えば軸受２１の外輪２５等は、その製造の工程が煩雑であり、強度的にも厳しい要求があるため、上記潤滑剤劣化検出装置１を搭載する場合、工程の増加等のうえで好ましくない場合があるが、簡易な部品であるシールケース３１に潤滑剤劣化検出装置１を配置する場合、その取付工程が容易である。また、シールケース３１に潤滑剤劣化検出装置１を配置する場合、その他の軸受構成部品については、潤滑剤劣化検出装置１を搭載しない一般の軸受と軸受部品の共通化が図れ、製造工程を同じにできて生産性に優れる。

上記潤滑剤劣化検出装置１を搭載したこの検出装置付き軸受２１では、軸受内に封入された潤滑剤の劣化を、リアルタイムで正確に検出することができる。その結果、軸受２１に動作異常が発生する前に潤滑剤の交換の必要性を判断でき、軸受２１の潤滑不良による破損を防ぐことができる。また、潤滑剤交換の必要性を潤滑剤劣化検出装置１の出力によって判断できるため、使用期限前に廃棄される潤滑剤の量が減少する。

この発明の参考提案例に係る潤滑剤劣化検出装置の概略構成図を示す。この発明の他の参考提案例に係る潤滑剤劣化検出装置における光学系の概略構成を示す断面図である。この発明のさらに他の参考提案例に係る潤滑剤劣化検出装置における光学系の概略構成を示す断面図である。この発明の実施形態に係る潤滑剤劣化検出装置における光学系の概略構成を示す断面図である。この発明のさらに他の参考提案例に係る潤滑剤劣化検出装置における光学系の概略構成を示す断面図である。上記潤滑剤劣化検出装置を搭載した検出装置付き軸受の一例を示す断面図である。同検出装置付き軸受の一部の拡大断面図である。潤滑剤劣化検出装置の提案例の概略構成図である。

符号の説明

１…潤滑剤劣化検出装置
２…発光素子
３…受光素子
４…投光側光ファイバ
５…受光側光ファイバ
６…潤滑剤
７…判定手段
８，９…保持部材
８ａ，９ａ…テーパ状面
１０…検出部ギャップ
２１…検出装置付き軸受

Claims

それぞれ発光素子および受光素子に基端が対向する一対の光ファイバの先端を、潤滑剤の配置空間となるギャップを介して対向配置し、金属または硬質樹脂材料からなる保持部材により、前記各光ファイバの周囲を固定し、前記受光素子の出力から潤滑剤に混入している異物の量を検出する判定手段を設け、前記保持部材がパイプであり、このパイプの先端を、径方向の中央側が突出するテーパ状面とした潤滑剤劣化検出装置。
請求項１において、前記光ファイバの先端を、前記保持部材の先端よりも突出させた潤滑剤劣化検出装置。
請求項１または請求項２に記載の潤滑剤劣化検出装置を軸受に取付け、軸受シールに前記発光素子および受光素子を配置し、軸受内の劣化検出対象となる潤滑剤の観測位置に光ファイバの先端が位置するように、前記保持部材によって光ファイバを保持した検出装置付き軸受。
請求項３において、前記観測部を軸受の転走面の脇に配置した検出装置付き軸受。