JP4833046B2 - 軸受の潤滑剤劣化検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、軸受内に封入された潤滑剤の混入物などによる劣化状態を検出する軸受の潤滑剤劣化検出装置に関する。

潤滑剤を封入した軸受では、軸受内部の潤滑剤（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。特に、メンテナンスが大変で長期間の安定運転が要求される風車用軸受や、各種プラントのモータや発電機に搭載された軸受においては、軸受内の潤滑剤の劣化検出を定期的あるいはリアルタイムにできることが強く望まれる。

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、軸受のシール部材の内側に電極を配置し、摩耗粉の混入による潤滑剤の電気的特性を、抵抗値や静電容量や磁気抵抗やインピーダンスの変化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、発光側および受光側の光ファイバの各一端を検出対象となる潤滑剤が存在する検出部に対向させ、発光側の光ファイバの他端に発光素子を、受光側の光ファイバの他端に受光素子をそれぞれ配置した光学式の構成を考えた。
この構成の潤滑剤劣化検出装置では、発光素子から出射された光が発光側の光ファイバを経由して検出部に存在する潤滑剤を透過し、さらに受光側の光ファイバを経由して受光素子で検出され、受光素子で検出される透過光量から潤滑剤に混入する異物の量が推定される。

しかし、このような構成の潤滑剤劣化検出装置を用いて軸受内に封入された潤滑剤の劣化検出を行う場合、例えば光ファイバ、発光素子および受光素子を軸受内に配置するものとすると、そのためのスペースを軸受内部に確保するのが容易でなく、コンパクトに配置できない。また、メンテナンスなどにおいては、軸受内から潤滑剤劣化検出装置を取り出す必要があり、取り扱いも容易でない。

この発明の目的は、コンパクトに配置できてメンテナンスなどにおける取り扱いも容易で、軸受内の潤滑剤の劣化状態を正確に検出できる軸受の潤滑剤劣化検出装置を提供することである。

この発明の軸受の潤滑剤劣化検出装置は、軸受内に潤滑剤を供給する供給経路および軸受内の潤滑剤を排出する排出経路を、前記軸受が取付けられた軸受ハウジングまたは前記軸受に設けた軸受装置において、前記排出経路に、潤滑剤の性状を検出する潤滑剤検出センサを設け、この潤滑剤検出センサとして、潤滑剤内の異物の量を光学式に検出する光学式異物量センサを設け、
この光学式異物量センサは、互いに対向配置されそれぞれ覆い材に覆われてケース内に保持された発光素子および受光素子と、前記受光素子の出力により潤滑剤内の異物の量を推定する判定回路とを備え、前記覆い材における発光素子の発光面側の部分、および受光素子の受光面側の部分は、測定用ギャップを介して互いに先端が対向するテーパ状突起部としたことを特徴とする。
この構成によると、例えば軸受装置における軸受ハウジングに設けられ軸受内の潤滑剤を排出する排出経路に、潤滑剤の性状を検出する潤滑剤検出センサを設けるので、軸受ハウジングに別に設けられる供給経路から定期的に軸受内に潤滑剤が供給される度に、軸受内部の古い潤滑剤が排出経路から外部に排出され、そのとき潤滑剤検出センサが潤滑に寄与した潤滑剤の状態を確実に検出できる。そのため、軸受内の潤滑剤の劣化状態を正確に検出することができる。
また、潤滑剤検出センサを軸受内に設けるのではなく、例えば軸受ハウジングにおける排出経路に設けるので、コンパクトに配置できて軸受を組み付けるときに潤滑剤劣化検出装置が邪魔になることがない。また、潤滑剤劣化検出装置の交換も容易なため、メンテナンスなどにおける取り扱いも容易となる。
また、前記覆い材における発光素子の発光面側の部分、および受光素子の受光面側の部分は、測定用ギャップを介して互いに先端が対向するテーパ状突起部としたため、測定用ギャップに潤滑剤が入り込み易くなる。

この発明において、前記各テーパ状突起部の先端に、発光素子から出射される光を受光素子に導く導光部材として、透明な窓部材を設けても良い。

また、前記潤滑剤検出センサとして、前記光学式異物量センサの他に、潤滑剤内の鉄粉量を検出する鉄粉検出センサ、および潤滑剤の含水率を検出する水分検出センサのうちのいずれか一つまたは複数を設け、これら複数のセンサの出力から潤滑剤の状態を検出する判定手段を設けても良い。
この構成の場合、これら複数のセンサの出力を併用することにより、潤滑剤の性状をより正確に検出できる。すなわち、光学式異物量センサの出力からだけでも潤滑剤に混入する異物の量を検出できるが、同時に鉄粉検出センサの出力で潤滑剤に混入する異物中の磁性鉄の量を検出することにより、酸化鉄が多く混入しているなど、摩耗粉の状態に関する情報を得ることもでき、潤滑状態のモニタに有効である。また、水分検出センサの出力を利用することで、水分の混入による環境変化も検出することができ、より詳細な潤滑剤の状態を推定することができる。軸受ハウジングの潤滑剤の排出経路にセンサ類を設ける場合、これら複数のセンサを設ける場合にも、十分な配置空間が得られる。

この発明の軸受の潤滑剤劣化検出装置は、軸受内に潤滑剤を供給する供給経路および軸受内の潤滑剤を排出する排出経路を、前記軸受が取付けられた軸受ハウジングまたは前記軸受に設けた軸受装置において、前記排出経路に、潤滑剤の性状を検出する潤滑剤検出センサを設け、この潤滑剤検出センサとして、潤滑剤内の異物の量を光学式に検出する光学式異物量センサを設け、この光学式異物量センサは、互いに対向配置されそれぞれ覆い材に覆われてケース内に保持された発光素子および受光素子と、前記受光素子の出力により潤滑剤内の異物の量を推定する判定回路とを備え、前記覆い材における発光素子の発光面側の部分、および受光素子の受光面側の部分は、測定用ギャップを介して互いに先端が対向するテーパ状突起部としたため、コンパクトに配置できてメンテナンスなどにおける取り扱いも容易で、軸受内の潤滑剤の劣化状態を正確に検出できる。

この発明の一実施形態を図１ないし図３と共に説明する。図１は、この実施形態の潤滑剤劣化検出装置を組み込んだ軸受装置の一例を示す。この軸受装置２０は鉄道車両などのモータにおける回転軸用の軸受装置であって、モータ軸からなる回転軸３０が回転自在に支持される転がり軸受２１を、軸受ハウジングとなるモータハウジング２５の一部で保持したものである。転がり軸受２１は例えば深溝玉軸受からなり、内輪２２と外輪２３の間に複数のボール２４を介在させたのもである。ボール２４は図示しない保持器で保持される。

内輪２２は回転側輪となるものであって、その内周面に回転軸３０が嵌合して支持される。内輪２２は、その一端面が回転軸３０の大径軸部と小径軸部の境界の段面３０ａに係合し、他端面が回転軸３０の小径軸部に螺合する締付ナット３１で軸方向に押し付けられることにより、軸方向に位置決めされる。
外輪２３は固定側輪となるものであって、モータハウジング２５の端板部に設けられた軸受取付孔の内周面に嵌合して固定される。外輪２３は、その一端面がモータハウジング２５の軸受嵌合孔の内周面に続く段面２５ａに係合し、他端面がモータハウジング２５に固定されたリング状の外輪押さえ部材３２で軸方向に押し付けられることにより、軸方向に位置決めされる。

転がり軸受２１の前記締付ナット３１が押し付けられる一端面側は、モータハウジング２５の端板部における軸貫通孔の周辺部分からなる軸受端面覆い部２６で覆われる。前記外輪押さえ部材３２の軸受２１側に向く内面、およびモータハウジング２５の前記軸受端面覆い部２６の軸受２１側に向く内面には、転がり軸受２１の内外輪２２，２３間の軸受空間に臨む環状溝からなるポケット３３，３４がそれぞれ設けられている。潤滑剤は、モータハウジング２５に設けられた供給経路３５の給脂口３５ａから定期的に注入され、前記ポケット３３，２４および転がり軸受２１の内部に供給される。また、前記給脂に伴い、転がり軸受２１の内部やポケット３４に滞留する古い潤滑剤が、モータハウジング２５に別に設けられた排出経路３６を経て外部に押し出される。上記給脂口３５ａはモータハウジング２５の上部に設けられ、上記給脂路３５は外輪押さえ部材３２のポケット３３に開通している。上記排脂経路３６は、モータハウジング２５の下部で、軸受端面覆い部２６側のポケット３４から外部に開通している。

モータハウジング２５における前記排出経路３６には、転がり軸受２１内の潤滑剤の性状を検出する潤滑剤検出センサ１が取付けられる。この潤滑剤検出センサ１は、図２にブロック図で示すように、光学式の物量センサ１１と、鉄粉検出センサ１２と、水分検出センサ１３とでなる。光学式異物量センサ１１は、潤滑剤内の異物の量を光学式に検出するセンサである。鉄粉検出センサ１２は、潤滑剤内の鉄粉量を検出するセンサである。水分検出センサ１３は、潤滑剤の含水率を検出するセンサである。ここでは、潤滑剤検出センサ１が上記３つのセンサ１１〜１３を有するが、これらのセンサのうちのいずれか一つまたは二つでなるものとしても良い。これらの各センサ１１〜１３の出力は判定手段１４に入力される。判定手段１４は、各センサ１１〜１３の出力に基づき潤滑剤の状態を検出する。判定手段１４の検出結果は、上位システムに送信されてモータの管理情報として利用される。

図３は、前記光学式異物量センサ１１の一例の概略構成を示す。この光学式異物量センサ１１は、互いに対向配置して覆い材であるモールド樹脂１５によりケース１６内に保持させた発光素子２および受光素子３と、前記受光素子３の出力により潤滑剤内の異物の量を推定する判定回路６とを備える。モールド樹脂１５における発光素子２の発光面側の部分、および受光素子３の受光面側の部分は、測定用ギャップ７を介して互いに先端が対向するテーパ状突起部１５ａ，１５ｂとすることで、測定用ギャップ７に潤滑剤５が入り込み易くなるようにされている。また、前記各テーパ状突起部１５ａ，１５ｂには、発光素子２から出射される光を受光素子３に導く導光部材として、透明な窓部材１６が設けられている。
なお、発光素子２および受光素子３として、図３のように先端にガラスレンズを設けた素子を使用する場合には、前記窓部材１６を省略して、前記テーパ状突起部１５ａ，１５ｂに測定用ギャップ７に通じる孔を互いに対向するように設けただけの構造としても良い。

前記発光素子２としては、ＬＥＤ、ＥＬ、有機ＥＬなどを用いることができ、発光回路８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９によって受光素子３の受光量が検出される。

前記光学式異物量センサ１１において、測定用ギャップ７に介在する潤滑剤５が新品のときには透明に近い状態にあり、発光素子２から投光され潤滑剤５を透過する透過光の強度は高い。ところが、潤滑剤５に混入する鉄粉（摩耗粉）などの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、判定回路６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５に混入している異物の量を検出する。潤滑剤５に混入する異物の量の増加は潤滑剤５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５の劣化具合を推定することができる。

前記光学式異物センサ１１により、図１の転がり軸受２１内部での潤滑剤内の異物の量を検出する場合、前記測定用ギャップ７に潤滑剤が確実に介在することが必要である。特に、転がり軸受２１の潤滑に寄与している潤滑剤の異物量検出を行おうとすれば、転がり軸受２１内を循環する潤滑剤が前記測定用ギャップ７内に到達する必要がある。そのためには、前記転がり軸受２１におけるボール２４や図示しない保持器の近傍に前記測定用ギャップ７を配置するのが望ましいが、それでは潤滑剤検出センサ１をコンパクトに配置できない。

この潤滑剤劣化検出装置では、上記したように軸受装置２０におけるモータハウジング２５に設けられ転がり軸受２１内の潤滑剤を排出する排出経路３６に、潤滑剤の性状を検出する潤滑剤検出センサ１を設けているので、モータハウジング２５に別に設けられる供給経路３５から定期的に転がり軸受２１内に潤滑剤が供給される度に、転がり軸受２１の内部やポケット３３，３４に滞留していた古い潤滑剤が排出経路３６から外部に排出され、そのとき潤滑剤検出センサ１は古い潤滑剤つまり潤滑に寄与した潤滑剤の状態を確実に検出できる。すなわち、例えば光学式異物量センサ１１の測定用ギャップ７には潤滑に寄与した潤滑剤が確実に到達する。その結果、転がり軸受２１内の潤滑剤の劣化状態を正確に検出することができる。

また、潤滑剤検出センサ１を軸受２１内に設けるのではなく、モータハウジング２５における潤滑剤用の排出経路３６に設けるので、コンパクトに配置できて軸受２１を組み付けるときに潤滑剤劣化検出装置が邪魔になることがない。また、潤滑剤劣化検出装置の交換も容易なため、メンテナンスなどにおける取り扱いも容易となる。

また、この実施形態では、前記潤滑剤検出センサ１が、潤滑剤内の異物の量を光学式に検出する光学式異物量センサ１１、潤滑剤内の鉄粉量を検出する鉄粉検出センサ１２、および潤滑剤の含水率を検出する水分検出センサ１３のうちのいずれか一つまたは複数からなるので、これらの出力を併用することにより、潤滑剤の性状をより正確に検出できる。 すなわち、光学式異物量センサ１１の出力からだけでも潤滑剤に混入する異物の量を検出できるが、同時に鉄粉検出センサ１２の出力で潤滑剤に混入する異物中の磁性鉄の量を検出することにより、酸化鉄が多く混入しているなど、摩耗粉の状態に関する情報を得ることもでき、潤滑状態のモニタに有効である。また、水分検出センサ１３の出力を利用することで、水分の混入による環境変化も検出することができ、より詳細な潤滑剤の状態を推定することができる。

図４は光学式異物量センサの提案例を示す。図４の構成の光学式異物量センサ１１は、発光側および受光側の光ファイバ４Ａ，４Ｂの各一端を測定用ギャップ７を介して対向させ、発光側の光ファイバ４Ａの他端に発光素子２を、受光側の光ファイバ４Ｂの他端に受光素子３をそれぞれ配置したものである。発光素子２が発光回路８によって駆動され、受光素子３の出力を受ける受光回路９によって受光素子３の受光量が検出されること、および前記受光素子３の出力により判定回路６が潤滑剤内の異物の量を推定することは、図３の構成例の場合と同様である。

また、図４の構成の光学式異物量センサ１において、図５のように、光ファイバ４Ａ，４を金属製パイプ１７に挿入することで、光ファイバ４Ａ，４Ｂの変形を防止するようにしても良い。このように金属製パイプ１７に光ファイバ４Ａ，４Ｂを挿入すると、潤滑剤５の荷重などで光ファイバ４Ａ，４Ｂが変形するのを防止できるので、より正確な検出が可能となる。

この発明の他の実施形態を図６および図７に示す。図６はこの実施形態の潤滑剤劣化検出装置を組み込んだ軸受装置の一例の断面図を示し、図７はその側面図を示す。この軸受装置２０Ａは風力発電用風車の主軸軸受装置であって、主軸４０が回転自在に支持される転がり軸受４１を軸受ハウジング４５で保持したものである。転がり軸受４１は、自動調心ころ軸受からなり、複列のころ４４，４４に対して設けた一体型の内輪４２および外輪４３を備える。内輪４２は回転側輪となるものであって、その内周面に主軸４０が嵌合して支持される。外輪４３は固定側輪となるものであって、軸受ハウジング４５の内周面に嵌合して固定される。軸受ハウジング４５は、外輪４３の嵌合するハウジング本体４６と、転がり軸受４１の両端部を覆う２つの蓋部材４７，４７とでなり、各蓋部材４７は転がり軸受４１の内外輪４２，４３間の軸受空間に臨むポケット４８をそれぞれ有する。

前記各蓋部材４７には、軸受４１内に潤滑剤を供給する供給経路５５と、軸受４１内の潤滑剤を排出する排出経路５６とがそれぞれ設けられている。各排出経路５６には、潤滑剤の性状を検出する潤滑剤検出センサ１がそれぞれ設けられている。潤滑剤検出センサ１の構成については、先の実施形態の場合と同様であり、ここではその説明を省略する。

この潤滑剤劣化検出装置でも、軸受ハウジング４５の蓋部材４７に設けられ転がり軸受４１内の潤滑剤を排出する排出経路５６に、潤滑剤の性状を検出する潤滑剤検出センサ１を設けているので、軸受ハウジング４５に別に設けられる供給経路５５から定期的に転がり軸受４１内に潤滑剤が供給される度に、転がり軸受４１の内部やポケット４８に滞留していた古い潤滑剤が排出経路５６から外部に排出され、そのとき潤滑剤検出センサ１は潤滑に寄与した潤滑剤の状態を確実に検出できる。

また、潤滑剤検出センサ１を軸受２１内に設けるのではなく、軸受ハウジング４５における排出経路５６に設けるので、コンパクトに配置できて軸受４１を組み付けるときに潤滑剤劣化検出装置が邪魔になることがない。また、潤滑剤劣化検出装置の交換も容易なため、メンテナンスなどにおける取り扱いも容易となる。

この実施形態の潤滑剤劣化検出装置の場合、特にメンテナンスが大変な発電設備の軸受４１の潤滑剤の劣化状態を検出するので、その検出確度を高める必要がある。上記した潤滑剤検出センサ１は、図２に示したように潤滑剤内の異物の量を光学式に検出する光学式異物量センサ１１、潤滑剤内の鉄粉量を検出する鉄粉検出センサ１２、および潤滑剤の含水率を検出する水分検出センサ１３のうちのいずれか一つまたは複数からなるので、これらの各センサ１１〜１３を前記排出経路３６に設けることにより、検出確度を十分高めることができる。

なお、この実施形態では、軸受ハウジング４５の蓋部材４７に設けられた排出経路５６に前記潤滑剤検出センサ１を設けた場合を示しているが、図６のように外輪４３に潤滑剤の供給経路５５Ａと排出経路５６Ａが設けられている軸受４１の場合には、その外輪４３に設けられた排出経路５６Ａに前記潤滑剤検出センサ１を設けても良い。

この発明の一実施形態に係る潤滑剤劣化検出装置を搭載した軸受装置の断面図である。 同軸受装置における潤滑剤劣化検出装置の概略構成を示すブロック図である。 同潤滑剤劣化検出装置における潤滑剤検出センサの一例の構成図である。 同潤滑剤検出センサの提案例の概略構成図である。 図４の潤滑剤検出センサにおける光ファイバの他の構成例の断面図である。 この発明の他の実施形態に係る潤滑剤劣化検出装置を搭載した軸受装置の断面図である。 同軸受装置の側面図である。

符号の説明

１…潤滑剤検出センサ
１１…光学式異物量センサ
１２…鉄粉検出センサ
１３…水分検出センサ
１４…判定手段
２０，２０Ａ…軸受装置
２１，４１…転がり軸受
２５…モータハウジング
３５…供給経路
３６…排出経路
４５…軸受ハウジング

Claims (3)

1. 軸受内に潤滑剤を供給する供給経路および軸受内の潤滑剤を排出する排出経路を、前記軸受が取付けられた軸受ハウジングまたは前記軸受に設けた軸受装置において、前記排出経路に、潤滑剤の性状を検出する潤滑剤検出センサを設け、この潤滑剤検出センサとして、潤滑剤内の異物の量を光学式に検出する光学式異物量センサを設け、
   この光学式異物量センサは、互いに対向配置されそれぞれ覆い材に覆われてケース内に保持された発光素子および受光素子と、前記受光素子の出力により潤滑剤内の異物の量を推定する判定回路とを備え、前記覆い材における発光素子の発光面側の部分、および受光素子の受光面側の部分は、測定用ギャップを介して互いに先端が対向するテーパ状突起部とした軸受の潤滑剤劣化検出装置。
2. 請求項１において、前記各テーパ状突起部の先端に、発光素子から出射される光を受光素子に導く導光部材として、透明な窓部材を設けた軸受の潤滑剤劣化検出装置。
3. 請求項１において、前記潤滑剤検出センサとして、前記光学式異物量センサの他に、潤滑剤内の鉄粉量を検出する鉄粉検出センサ、および潤滑剤の含水率を検出する水分検出センサのうちのいずれか一つまたは複数を設け、これら複数のセンサの出力から潤滑剤の状態を検出する判定手段を設けた軸受の潤滑剤劣化検出装置。

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