JP4850106B2 - 潤滑剤劣化検出装置および検出装置付き軸受 - Google Patents

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。

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、例えば図８のように、両端にそれぞれ発光素子４２および受光素子４３を対向させる一つ割りのリング状の光ファイバ４４を設け、このリング状の光ファイバ４４の円周方向の一部に、潤滑剤４５を介在させる測定用ギャップ部４７を設けた光学式の構成を考えた。
図８の構成では、発光素子４２から出射された光が光ファイバ４４を経由して測定用ギャップ部４７に存在する潤滑剤４５を透過し、さらに光ファイバ４４を経由して受光素子４３で検出され、受光素子４３で検出される透過光量から潤滑剤４５に混入する鉄粉等の異物の量が推定される。

しかし、このような光学式のセンサを軸受内に組み込んで、軸受内部に封入された潤滑剤の劣化検出に用いる場合、光ファイバ４４に対する保護がされていないので、光ファイバ４４が潤滑剤の流動によって荷重を受ける。そのため、光ファイバ４４が動くことによって出力が変動したり、光ファイバ４４が破損する可能性があり、安定した精度の良い検出ができない。また、光ファイバ４４の固定作業も困難である。

潤滑剤の流動によって光ファイバ４４が動くのを防止する対策として、光ファイバ４４の測定用ギャップ部４７の近傍部を除く部分を覆うカバーを設けることが考えられる。
しかし、この場合には、軸受内の潤滑剤が転動体の回転に伴って保持器と共に移動する動きを前記カバーが制限してしまうので、測定用ギャップ部４７に潤滑剤が入り込み難いことがあり、やはり安定した精度の良い検出ができない。

この発明の目的は、軸受に簡単かつコンパクトに搭載できて、軸受内部の潤滑剤劣化状態を安定的にかつ精度良く検出でき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、円弧状の光ファイバの両端にそれぞれ発光素子および受光素子を対向して設け、この円弧状の光ファイバの一部に潤滑剤を介在させる測定用ギャップ部を設けた潤滑剤劣化検出装置であって、前記測定用ギャップ部の近傍に移動自在に抵抗体を設けたことを特徴とする。
この構成によると、例えば転がり軸受に搭載して軸受内部の潤滑剤の劣化検出を行う場合に、測定用ギャップ部の近傍に設けられる抵抗体の移動により、測定ギャップ部に存在していた潤滑剤が入れ替わるので、常に潤滑に作用している潤滑剤を検出対象とすることになる。そのため、安定的にかつ精度良く潤滑剤の劣化検出を行うことができる。また、円弧状の光ファイバと、発光素子、受光素子、および前記抵抗体により構成されるため、軸受に簡単かつコンパクトに搭載できる。

この発明において、前記抵抗体が、索材に取付けられていても良い。この潤滑剤劣化検出装置が例えば軸受に搭載される場合、抵抗体を取付けた索材を軸受外部に引き出し、軸受外部から索材を操作することにより抵抗体を容易に移動させることができる。このように、軸受外部から索材を操作すると、索材の操作機構が不要となるので、潤滑剤劣化検出装置をコンパクトな構成で軸受等へ搭載でき、搭載により軸受内の潤滑剤封入空間が狭められることもない。

この発明において、前記索材に、この索材を長さ方向に進退移動させる駆動源を連結しても良い。このように駆動源を設けて索材を進退させることで、任意時に抵抗体の移動が行える。

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、転がり軸受における内外輪間の軸受空間に前記抵抗体を位置させて前記転がり軸受に取付けたものである。
この構成によると、光ファイバの測定用ギャップ部に潤滑剤を入りやすくでき、潤滑剤劣化検出装置による軸受内部の潤滑剤の劣化検出を安定的に精度良く行うことができる。 その結果、軸受内に封入された潤滑剤の劣化状態を、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、軸受に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。

この発明の潤滑剤劣化検出装置は、円弧状の光ファイバの両端にそれぞれ発光素子および受光素子を対向して設け、この円弧状の光ファイバの一部に潤滑剤を介在させる測定用ギャップ部を設けた潤滑剤劣化検出装置であって、前記測定用ギャップ部の近傍に移動自在に抵抗体を設けたため、軸受に簡単かつコンパクトに搭載できて、軸受内部の潤滑剤劣化状態を安定的にかつ精度良く検出できる。
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、転がり軸受における内外輪間の軸受空間に前記抵抗体を位置させて前記転がり軸受に取付けたため、光ファイバの測定用ギャップ部に安定的に潤滑剤が入ることになり、潤滑剤劣化検出装置による軸受内部の潤滑剤の劣化検出を安定的に精度良く行うことができる。その結果、軸受内に封入された潤滑剤の劣化状態を、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、軸受に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に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。

この発明の一実施形態を図１ないし図４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の概略構成図を示す。この潤滑剤劣化検出装置１は軸受に搭載されて軸受内部に封入された潤滑剤の劣化検出を行うものであり、発光素子２および受光素子３と、円弧状の光ファイバ４と、前記受光素子３の出力により潤滑剤の劣化を判定する判定手段６とを備える。前記光ファイバ４の一端は前記発光素子２の発光面に、他端は前記受光素子３の受光面にそれぞれ対向して配置される。また、光ファイバ４の円周方向の一部には、潤滑剤５を介在させる測定用ギャップ部７が設けられている。
このように円弧状の光ファイバ４の円周方向の一部に、検出対象の潤滑剤５を介在させる測定用ギャプ部７を設けることにより、発光素子２から出射された光が光ファイバ４を介して潤滑剤５を透過し、その透過光がさらに光ファイバ４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、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。

光ファイバ４は、２つの固定具１０，１１を介して光ファイバ４と略同径の円弧状カバー１２に取付けられている。円弧状カバー１２は、光ファイバ４の前記測定用ギャップ部５の近傍部を除く部分を覆って検出対象の潤滑剤５の流動による荷重から光ファイバ４を保護するための部材であり、図１のＢ−Ｂ矢視断面図を示す図２（Ｂ）のように、断面概形がＳ字状の剛性材料、例えばプラスチックまたは金属材からなる。具体的には、円弧状カバー１２は、円弧状の光ファイバ４に対するその円弧中心軸方向の片側（図２（Ｂ）では右側）を少なくとも覆うものとされる。この潤滑剤劣化検出装置１を軸受内に設置する場合、円弧状カバー１２の表面側（図２（Ｂ）では右側面）が軸受内に封入される潤滑剤に晒されるように配置される。

光ファイバ４を固定する１つの固定具１０は、カバー１２の裏面（図２（Ｂ）では左側面）下半部に接合される円弧状の部材であり、この固定具１０に光ファイバ４の両端が固定され、さらに発光素子２および受光素子３もこの固定具１０に固定される。光ファイバ４を固定するもう１つの固定具１１は、図１のＡ−Ａ矢視断面図を示す図２（Ａ）のように、他の固定具１０の前面側に固定され、この固定具１１に光ファイバ４の測定用ギャップ部７の近傍部が固定されて位置決めされている。このように、光ファイバ４の両端を固定する固定具１０とは別の固定具１１で測定用ギャップ部７の近傍部を固定することにより、測定用ギャップ部７の位置決めを容易にすることができ、潤滑剤劣化検出装置１の組立も容易となる。なお、固定具１１は、他の固定具１０に固定するのではなく、円弧状カバー１２に直接固定しても良い。また、これら２つの固定具１０，１１を一体の部材としても良い。

光ファイバ４の測定用ギャップ部７に対応する位置である円弧状カバー１２の円周方向中間部には、図１に正面図で示すように円周方向に延びるスリット状の開口１３が設けられ、これにより測定用ギャップ部７が軸受内部の潤滑剤５に晒される。図３に平面図で示すように、固定具１１は、光ファイバ４の測定用ギャップ部７の近傍部を支持する部分が、円弧状カバー１２の開口１３からカバー１２の表面側に向けて二股状に突出した突出部１１ａとされている。これにより、光ファイバ４の測定用ギャップ部７の近傍部が、円弧状カバー１２からカバー外に突出させられる。

上記構成により、光ファイバ４の両端、発光素子２および受光素子３を固定する固定具１０の表面側がカバー１２で覆われる。また、図２（Ｂ）のように、表面側のカバー１２と裏面側の固定具１０とで挟まれて形成される円弧状空間１４内に光ファイバ４の測定用ギャップ部７以外の部分が配置される。これにより、潤滑剤５の流動による荷重から、光ファイバ４、発光素子２および受光素子３が保護される。

円弧状カバー１２への固定具１０，１１の固定、あるいは固定具１０への他の固定具１１の固定は、ねじ、圧入、接着、溶接のいずれか１つ以上の結合処理により行われる。これにより、この潤滑剤劣化装置１の軸受への組込みを容易に行うことができる。

光ファイバ４における前記測定用ギャップ部７の近傍には、測定用ギャップ部７の潤滑剤５を流動させる抵抗体１５が移動自在に設けられている。具体的には、図４に拡大平面図で示すように、固定具１１の二股状の突出部１１ａ，１１ａを貫通して、長さ方向に移動自在に、ワイヤ等の索材１６が設けられ、この索材１６における固定具１１の両突出部１１ａ，１１ａで挟まれる部位に前記抵抗体１５が取付けられている。これにより、索材１６を長さ方向に移動させると、抵抗体１５が固定具１１の両突出部１１ａ，１１ａ間を進退移動する。固定具１１の両突出部１１ａ，１１ａを貫通した索材１６は、チューブやパイプ等からなる被覆部材１７内に通される。この索材１６は、図３のように円弧状カバー１２と固定具１０とで挟まれて形成される円弧状空間１４内を経て、この潤滑剤劣化検出装置１が搭載される軸受の内部から外部に被覆部材１７と共に引き出される。
なお、抵抗体１５の移動形態としては、進退移動のほか、索材１６の捩じりによる回転により、索材１６を軸心として回転するものであっても良い。

上記構成の作用を説明する。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から光ファイバ４を経由して投光され潤滑剤５を透過する透過光の強度は高い。とことが、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、判定手段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。判定手段６は、受光素子３の出力と劣化状態との関係を演算式やテーブル、あるいは閾値として設定した関係設定手段（図示せず）を有していて、受光素子３の出力を上記関係設定手段と照合して劣化の状態を量的に、または段階的に判断する。

このように、この潤滑剤劣化検出装置１では、円弧状の光ファイバ４の両端にそれぞれ発光素子２および受光素子３を対向して設け、この光ファイバ４の一部に潤滑剤５を介在させる測定用ギャップ部７を設け、この測定用ギャップ部７の近傍に、前記潤滑剤５の測定用ギャップ部７に対する相対的な移動に対して抵抗を与える抵抗体１５を移動自在に設けているので、例えば転がり軸受に搭載して軸受内部の潤滑剤５の劣化検出を行う場合に、前記抵抗体１５を移動させることで測定用ギャップ部７を満たしている潤滑剤５を流動させることができる。これにより、測定用ギャップ部７において潤滑剤５が順次入れ代わることから、常に潤滑に作用している潤滑剤５を検出対象とすることになり、軸受に簡単かつコンパクトに搭載できて、安定的にかつ精度良く潤滑剤の劣化検出を行うことができる。

この場合の抵抗体１５の移動は、この実施形態で示すように、抵抗体１５を取付けた索材１６を軸受外部に引き出し、軸受外部から索材１６を進退あるは回転操作することにより容易に行うことができる。このように、軸受外部から索材１６を操作すると、索材１６の操作機構が不要となるので、潤滑剤劣化検出装置１をコンパクトな構成で軸受等へ搭載でき、搭載により軸受内の潤滑剤封入空間が狭められることもない。
また、索材１６はチューブやパイプ等からなる被覆部材１７に通され、被覆部材１７と共に軸受外部に引き出されるので、索材１６の引き出し部を軸受内に水が入り込まないような密封構造とすることができる。

図５は、この発明の他の実施形態を示す。この潤滑剤劣化検出装置１は、図１〜図４に示す前記実施形態において、円弧状カバー１２と固定具１０とで挟まれて形成される円弧状空間１４（図２）内に配置される索材１６（図４）の一端を、前記固定具１０に設けられ索材１６を長さ方向に進退移動させる駆動源１８に連結したものである。駆動源１８には、例えば電磁ソレノイド等が用いられる。この潤滑剤劣化検出装置１が例えば軸受に搭載される場合、前記駆動源１８は軸受の外部の駆動制御装置にコードあるいは無線通信により接続されて、軸受外部からの駆動制御ができるようにされる。その他の構成は、前記実施形態と同様である。

図６および図７は、上記実施形態の潤滑剤劣化検出装置１を、鉄道車両用軸受に組み込んでなる検出装置付き軸受の一例を示す。この検出装置付き軸受２０は、図６に示すように、内輪２１の両側に各々接して設けられた付属品である油切り２５および後ろ蓋２６とで鉄道車両用軸受ユニットを構成する。軸受２０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２３，２３に対して設けた分割型の内輪２１，２１と、一体型の外輪２２と、前記ころ２３，２３と、保持器２４とを備える。
後ろ蓋２６は、車軸３０に軸受２０よりも中央側で取付けられて、外周に軸受シール３１Ａを摺接させたものである。油切り２５は、車軸３０に取付けられて外周に軸受シール３１を摺接させたものである。これら軸受２０の両端部に配置される両軸受シール３１，３１Ａにより軸受２０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。

この場合、潤滑剤劣化検出装置１における回路部（判定手段６、発光回路８、受光回路９）を除くセンサ部（発光素子２、受光素子３、光ファイバ４、円弧状カバー１２など）は、前記軸受シール３１を有するシールユニット２７内に組み込んで一体化されている。図７は、図６におけるシールユニット２７の設置部（Ａ部）の拡大断面図を示す。
この場合のシールユニット２７は、軸受外輪２２の端部に取付けられる環状のシールケース２８と、このシールケース２８の内径面に圧入嵌合されるリング部材２９と、このリング部材２９の内周面に圧入嵌合される軸受シール３１とでなる。シールケース２８は、軸受シール３１を覆う環状の部材であって、軸方向に複数の段部が階段状に並ぶ断面形状とされ、その一端部を固定輪となる軸受外輪２２の内径面に圧入嵌合させることで軸受外輪２２に取付けられる。さらに、シールケース２８の他端の小径段部は、油切り２５のフランジ部２５ａの内向き幅面に形成されたリング状の溝３８に遊嵌させることで、この溝３８とシールケース２８の小径段部との間に形成されるラビリンス隙間で、密封が図られている。
このシールケース２８の中間段部の内径面に、断面Ｌ字状の前記リング部材２９がその円筒部２９ａを圧入嵌合させて取付けられている。リング部材２９の内径側に延びる立板部２９ｂは、前記油切り２５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。軸受シール３１は、断面Ｌ字状の環状芯金３２と、この環状芯金３２の立板部に固定される弾性部材３３とでなり、環状芯金３２の円筒部を前記リング部材２９の円筒部２９ａの内周面に圧入嵌合させることにより、リング部材２９を介してシールケース２８に固定される。前記弾性部材３３には、油切り２５の外径面に摺接するラジアルリップが形成されている。

前記シールユニット２７に対して、潤滑剤劣化検出装置１が同心に取付けられる。具体的には、シールケース２８における大径段部の内径面に潤滑剤劣化検出装置１の円弧状カバー１２が嵌め込まれ、続いて圧入される圧入リング３４により、シールケース２８の大径段部端面とリング部材２９の立板部２９ｂにわたって潤滑剤劣化検出装置１が押し当てられることで軸方向に位置決め固定される。このように潤滑剤劣化検出装置１を位置決め固定すると、光ファイバ４の測定用ギャップ部７と抵抗体１５とが、内外輪２１，２２間の軸受空間の保持器２４よりも内径側でころ２３の大端面の付近に配置される。

軸受内部の潤滑剤５は、保持器２４の内径面、外径面およびころ２３の大端面に多く付着しているので、上記したように光ファイバ４の測定用ギャップ部７を配置することで、潤滑剤劣化検出装置１の円弧状カバー１２により潤滑剤５の流動性が損なわれることなく、測定用ギャップ部７に潤滑剤５を入りやすくできる。しかも、測定用ギャップ部７の近傍に移動自在に設けられる抵抗体１６で測定用ギャップ部７の潤滑剤５を流動させるので、測定用ギャップ部７の潤滑剤５が順次入れ代わり、常に潤滑に作用している潤滑剤５が安定良く測定用ギャップ部５に入り込むことになる。これにより、潤滑剤劣化検出装置１による軸受内部の潤滑剤５の劣化検出を安定的に精度良く行うことができる。

また、円弧状カバー１２をこのようにシールケース２８と同心状に配置して潤滑剤劣化検出装置１を取付けると、軸受２０内に潤滑剤劣化検出装置１を容易に位置決めでき、組立も容易となる。なお、この場合の潤滑剤劣化検出装置１の取付けは、前記圧入に限らず、ねじや接着などのいずれかの結合処理を１つ以上採用して行っても良い。

潤滑剤劣化検出装置１の発光素子２と発光回路８、および受光素子３と受光回路９をそれぞれ繋ぐ配線３５は、潤滑剤劣化検出装置１の内部からシールケース２８に設けられた孔３６を貫通して、軸受２０の外部に設置される発光回路８および受光回路９に接続される。シールケース２８の前記孔３６は内側から潤滑剤劣化検出装置１の円弧状カバー１２で覆われ、さらに弾性体３７でシールすることによって、防水処理が施される。
もう一方の軸受シール３１Ａもシールユニット２７Ａにより軸受外輪２２に取付けられる。このシールユニット２７Ａは、潤滑剤劣化検出装置１を取付けていないほかは、前記シールユニット２７と同じ構造とされている。

なお、発光回路８や受光回路９は軸受２０の内部に設置しても良い。軸受２０の外部に回路を設置するスペースがない場合には、潤滑剤劣化検出装置１の円弧状カバー１２を円周方向に延ばして、そのカバー１２上に発光回路８および受光回路９を配置することで、軸受２０内にこれらの回路を容易に設置できる。

この検出装置付き軸受２０によると、軸受内に封入された潤滑剤の劣化状態を、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２０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２０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。

この発明の一実施形態に係る潤滑剤劣化検出装置の概略構成図である。 （Ａ）は図１におけるＡ−Ａ矢視断面図、（Ｂ）は図１におけるＢ−Ｂ矢視断面図、（Ｃ）は図１における矢印Ｃ方向から見た側面図である。 潤滑剤劣化検出装置の部分平面図である。 光ファイバの測定用ギャップ部の近傍部の拡大平面図である。 この発明の他の実施形態に係る潤滑剤劣化検出装置の概略構成図である。 この発明の潤滑剤劣化検出装置を搭載した検出装置付き軸受の一構成例を示す断面図である。 同検出装置付き軸受のシールユニットの部分の拡大断面図である。 潤滑剤劣化検出装置の従来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…光ファイバ
５…潤滑剤
７…測定用ギャップ部
１５…抵抗体
１６…索材
１８…駆動源
２０…検出装置付き軸受
２１…内輪
２２…外輪

Claims (4)

1. 円弧状の光ファイバの両端にそれぞれ発光素子および受光素子を対向して設け、この円弧状の光ファイバの一部に潤滑剤を介在させる測定用ギャップ部を設けた潤滑剤劣化検出装置であって、
   前記測定用ギャップ部の近傍に移動自在に抵抗体を設けたことを特徴とする潤滑剤劣化検出装置。
2. 請求項１において、前記抵抗体が、索材に取付けられている潤滑剤劣化検出装置。
3. 請求項２において、前記索材に、この索材を長さ方向に進退移動させる駆動源を連結した潤滑剤劣化検出装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の潤滑剤劣化検出装置を、転がり軸受における内外輪間の軸受空間に前記抵抗体を位置させて前記転がり軸受に取付けた検出装置付き軸受。

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