JP4959286B2 - ターボ機械部品の円筒形部分とテーパ部分との間の結合ゾーンのプロファイルを検査する方法 - Google Patents

Description

本発明は、接触圧力を受けるターボ機械部品、詳細には、ターボ機械のローラベアリングに使用される円筒形ローラのプロファイルを検査する際の、品質管理の一般分野に関する。

ローラベアリングは航空機の分野で一般に使用されている。ターボ機械では、ローラベアリングは、詳細には、固定子の回転において、または第１シャフトと同軸である第２シャフトの回転において、第１シャフトを支持する役割を果たす。このようなベアリングは基本的に、外部および内部リングにより形成される軌道に保持される、ボールまたは円筒形ローラにより構成される。一般に、ボールベアリングは軸方向荷重を支持するために使用され、ローラベアリングはターボ機械において半径方向荷重を支持するために使用される。

ターボ機械に使用されるベアリングのローラ要素は、より過酷になりつつある運転条件にさらされる。発生する故障数は着実に減少しているが、このような故障にかかわるコストは高く、故障ゼロの目標は、ベアリング設計における目的でなければならない。この結果、ローラのプロファイルが適合していることを確認することにより、ローラベアリングの信頼性をさらに向上することが必要になる。円筒形ローラを有するベアリングの転がり接触の信頼性は、詳細には、２つの接触面に力が分散される経路に依存し、ベアリングの故障がないことを保証するために導入される手順は、その結果、ローラのプロファイルを分析するステップを経なければならない。この分析は、例えば、ダイヤモンドまたはレーザ誘導センサが装着された粗さ測定装置などの、形状および表面を測定する標準的な測定器を用いて実行される。

実際には、ベアリングの円筒形ローラは、端部における過度な応力を回避するために、端部でテーパ形状とされている。それにもかかわらず、このようなローラの２つのテーバ部分と円筒形部分との間の結合ゾーンは、ローラと軌道との間の接触の信頼性の点で許容できない接触応力を発生する可能性がある。このような過度の応力の大きさは、製造時に実際に作製される結合ゾーンの形状に依存して変化し、ローラのフレーキングの危険性に直接的な影響を与える。不利な点は、標準的測定装置はこのような結合ゾーンを検査することができない。大部分の測定器は、単純で一意のプロファイル（平面、円形、球形または円筒形であるプロファイルなど）を特徴付けることに限定されており、組み合わされたプロファイル（すなわち、単純なプロファイルの組み合わせ）を高信頼性で扱うのに適さず、また、現在の製造手段で得ることができ、およびローラのテーパ部分と円筒形部分との間の結合ゾーンに関連する、任意のプロファイルを扱うものも適していない。この結果現在でも、円筒形ベアリングローラの様々なプロファイル間の結合部に適用される品質管理は、いずれの定量化可能な必要条件も含まない。

本発明の主目的は、したがって、ローラベアリングにおけるローラの円筒形部分とテーパ部分の間の結合ゾーンのプロファイルを検査するだけではなく、任意の複雑な形状の適合性を決定して、圧力を分散する機能を実行することを可能にする方法を提案することにより、このような欠点を緩和することである。

この目的を達成するために、本発明は、ターボ機械部品の円筒形部分とテーパ部分の間の結合ゾーンのプロファイルを検査する方法を提供するものであって、上記部品の表面プロファイルは、部品のテーパ部分に対応する少なくとも１つの第１ゾーンと、部品の円筒形部分とテーパ部分との間の結合部に対応する少なくとも１つの第２ゾーンと、部品の円筒形部分に対応する第３ゾーンとにより、幾何学的に画定されている。上記方法は、部品の表面プロファイルを測定すること、測定された表面プロファイルから、そのゾーンのそれぞれに対する部品の表面に加わる接触圧力をモデル化すること、および所定のしきい値と部品の表面プロファイルの第２ゾーンに対してモデル化された接触圧力とを比較することからなることを特徴とする。

本発明の方法は、測定されたプロファイルの各点を単に処理することにより、部品の表面に加えられる接触圧力をモデル化することを可能にする。これにより、ベアリングローラのプロファイルの品質、詳細には、ローラのテーパ部分と円筒形部分との間の結合ゾーンの品質に関する、高信頼性の品質管理を実行できる。

本発明の有利な態様によれば、部品の測定された表面プロファイルは粗さ測定装置により得られる複数のデジタル信号の形を取り、上記信号を処理して部品の幾何学的な表面プロファイルを示す幾何学座標を有する複数の点を得る。

本発明の別の有利な態様によれば、ベアリングローラに適用するために、接触圧力のモデル化のステップに先立って、ローラとその軌道の間の接触の可能性のあるゾーンが、ローラの縦軸を中心として測定された表面プロファイルを回転することにより生成される。

本発明の別の有利な態様によれば、接触圧力のモデル化のステップは、２つの弾性体の間の接触部の表面圧力を計算することに基づいている。

所定のしきい値は、好ましくは、部品の表面プロファイルの第３ゾーンに対してモデル化される接触圧力の関数である。さらに、所定のしきい値は有利には部品の軸方向の長さの関数である。

本発明の他の特徴および利点は、添付図面を参照してなされる以下の説明から明らかとなる。図面は実施形態を示すが、これに限定されるものではない。

以下に、ターボ機械のローラベアリングにおける円筒形ローラの表面プロファイルを検査することに関して説明する。ただし、このような部品が接触圧力を受け、テーパ部分に結合される円筒形部分を含む場合であれば、本発明はローラ以外のターボ機械部品の表面のプロファイルを検査することにも適用できる（これは例えば、正確なプロファイルが必須であるブレード根元部に適用できる）。

図１に示されているとおり、ターボ機械のローラベアリングにおける円筒形ローラ１０の表面プロファイルは、以下のように幾何学的に定義できると最初に仮定する。すなわち、２つの第１ゾーンＺ１およびＺ５がローラの２つのテーパ部分に対応し、２つの第２ゾーンＺ２およびＺ４のそれぞれがローラの円筒形部分とテーパ部分のそれぞれ１つとの間の結合部に対応し、第３ゾーンＺ３がローラの円筒形部分に対応するものとする。

円筒形ローラ１０は、第１にはその縦軸Ｘ−Ｘ（図１にはローラの半分のみが示されている）のまわりに、第２にはその縦軸に対して垂直な中央面Ｙ−Ｙのまわりに対称形である。ローラの第１ゾーンＺ１およびＺ５および第２ゾーンＺ２およびＺ４は、ローラの中央面Ｙ−Ｙのまわりに対称的に配置されている。さらに、ローラの第１ゾーンＺ１およびＺ５および第２ゾーンＺ２およびＺ４が、それぞれ半径ＲｄおよびＲｒを有するほぼ円形のプロファイルを示すのに対して、第３ゾーンのプロファイルはほぼ直線的である。

図２は、プロファイルを検査する本発明の方法の特定の実施におけるステップを示している。

一般に、本発明によるプロファイルの検査方法は、コンピュータシステム、詳細には、デジタルデータを処理するソフトウェアを実行し、幾何学的な部品の表面プロファイルを測定する測定器に接続されるコンピュータワークステーションなどのシステムにより実現できる。

本発明の方法の第１ステップ（２０）では、オペレータは検査される円筒形ローラの表面プロファイルを測定する。この測定は、例えば、ダイヤモンドまたはレーザ誘導センサを有する測定装置などの標準的な粗さ測定装置を用いて実行される。このような測定装置では、センサは、検査においてローラの表面プロファイルを追跡するように移動させることができる可動支持アームに固定されている。

次に、測定された表面プロファイルが、センサがローラの表面に沿って移動するときのセンサ位置を示す信号の形で与えられる。これらの信号は、センサに接続されたコンピュータワークステーションに伝達され、デジタル処理され、検査されるローラの表面の幾何学的なプロファイルを表す幾何学座標を有する複数の点が得られる。

この方法で得られる幾何学的な点から、ローラとその軌道の間の接触可能性のあるゾーンが、ローラの縦軸Ｘ−Ｘを中心として表面プロファイルを回転することにより生成される。

次のステップ（３０）は、その幾何学的ゾーンＺ１からＺ５のそれぞれにおけるローラの表面に加えられる接触圧力、すなわち、ローラと軌道の表面の間に作用する圧力のモデル化である。このステップは、コンピュータワークステーション上で実行するコンピュータソフトウェアを使用して実行される。

ローラ表面に加えられる接触圧力のモデル化は、本質的に、２つの弾性体の間の接触部における表面圧力の計算である。圧力領域を計算するために用いられる原理は、２つの物体の表面の離散化および、幾何学的な確率（表面が互いに貫通しない）に対する等式および上記表面に作用する圧力の間の均衡（作用および反作用の原理）に対する等式の記述、に依存する。このような等式の記述は、変形前および変形後の表面の形状、したがって場合によっては接触状態になる表面の様々な点の荷重による変位の情報を必要とする。

変位を圧力領域の関数として計算可能にする係数は、ブシネスクの関係により与えられる。これらの係数を計算するための、主な仮定は以下のとおりである。表面は同一種類の材料から形成され、体積は半無限の固体とみなされ、変形、距離および荷重の方向は接触面に垂直である。表面間の幾何学的な関係は次のとおりである。

ここで、
Ｙ_ｉ：変形した表面間の距離
Ｅ_ｉ：変形していない表面間の距離

：表面Ａの変形

：表面Ｂの変形
Ｓ_ｐ：表面の全体的な距離（定数）

表面の変形は以下のとおりである。

および

ここで、Ｋ^ＡおよびＫ^Ｂは、（荷重に対する表面の位相に比例する）幾何学的な影響係数である。

作用および反作用の原理より、

の関係が表面の各点に対して成立する。

２つの表面間の接触ゾーンにおいては、接触圧力は以下の等式を解くことにより決定される。
Ｙ_ｉ＝０、Ｐ_ｉ＞０、および

ここで、Ｗは接触部に垂直な荷重であり、ＤＳは接触ゾーンの大きさである。接触ゾーンの外側には以下の等式を適用する。
Ｙ_ｉ＝０、およびＰ_ｉ＞０

２つの表面間の接触ゾーンは演繹的（ａ ｐｒｉｏｒｉ）に未知であるため、すべての条件が満たされるまで反復処理を実行する必要がある。また、十分大きい領域を「離散化」して、接触ゾーン全体がその領域の中に含まれていることを保証する必要がある。

最終的に、本方法の最終ステップ（４０）では、ローラ表面プロファイルの第２ゾーンＺ２およびＺ４に対して（すなわち、ローラの円筒形の周辺とテーパ部分の間の結合ゾーンに対して）この方法でモデル化された接触圧力は、所定のしきい値と比較される。この比較の間に得られる結果の関数として、オペレータは、ローラをターボ機械ローラベアリングにそのまま使用するかどうかを決定できる。

しきい値は実験により定義される。しきい値は、ターボ機械内のベアリング位置、ベアリングの幾何学的特性、ベアリングの材料およびベアリングが受ける外部の機械応力、詳細には最も大きい荷重を受けるローラと軌道との間の接触圧力レベルの関数として選択される。

しきい値は好ましくは、ローラ表面プロファイルの第３ゾーンＺ３に対して（すなわち、ローラの円筒形部分に対応するゾーンに対して）モデル化される接触圧力の関数として、より正確には、上記第３ゾーンの中心において得られる接触圧力の関数として定義される。

例えば、ローラの円筒形部分とテーパ部分との間の結合ゾーンについて計算された超過圧力は、ローラの円筒形の接触ゾーンの中心において得られる圧力の百分率として表わすことができる。この超過圧力は、実験により定義されるしきい値未満でなければならない。図３は例を示している。この図では、ローラのテーパ部分と円筒形部分との間の（すなわち、図１のゾーンＺ２とＺ４の）結合部半径Ｒｒの関数として、ローラの表面における接触部の超過圧力を表す曲線１００が確認できる。この超過圧力はローラの円筒形の接触ゾーンの中心において得られる圧力の百分率として表わされる。実験により確定される超過圧力の限界１０２（この場合では約１１２％）はしきい値を表し、この値を超えてローラがターボ機械のローラベアリングで使用されてはならない。この限界１０２は約５０ミリメートル（ｍｍ）の大きさの結合部半径に対応する。

さらに、ローラの円筒形部分（すなわちゾーンＺ３）はローラに加えられる荷重の主要部分を支持する。この円筒形部分の長さが変化すると、結果的に、超過圧力のピークの大きさは図４に示されているとおりわずかに変化する。この図は、ローラの表面における接触部の超過圧力をローラの円筒形長さの関数としてグラフ化した、曲線１０４を示している。このように、好ましくは、所定のしきい値はローラの軸方向長さの関数である。この影響はパラメータ化するのが簡単であるため、計算処理にしきい値の補正を加えることは簡単である。

ターボ機械ローラベアリングにおけるローラ表面の一部の概略的なプロファイルの図である。 本発明の方法の実施における様々なステップを示すフローチャートである。 ローラ表面の接触部の超過圧力が、ローラのテーパ部分と円筒形部分との間の結合部半径の関数としてどのように変化するかを示すグラフである。 ローラ表面の接触部の超過圧力が、ローラの円筒形部分の長さの関数としてどのように変化するかを示すグラフである。

符号の説明

１０ 円筒形ローラ
１００ ローラの表面における接触部の超過圧力
１０２ 超過圧力の限界
１０４ ローラの表面における接触部の超過圧力
Ｚ１、Ｚ５ 第１ゾーン
Ｚ２、Ｚ４ 第２ゾーン
Ｚ３ 第３ゾーン
Ｒｄ、Ｒｒ 半径

Claims (5)

1. ターボ機械部品（１０）の円筒形部分とテーパ部分との間の結合ゾーンのプロファイルを検査する方法であって、部品の表面プロファイルは、部品のテーパ部分に対応する少なくとも１つの第１ゾーン（Ｚ１、Ｚ５）と、部品の円筒形部分とテーパ部分との結合部に対応する少なくとも１つの第２ゾーン（Ｚ２、Ｚ４）と、部品の円筒形部分に対応する第３ゾーン（Ｚ３）とにより、幾何学的に画定され、
   この方法は、
   −部品の表面プロファイルを測定するステップ（２０）と、
   −測定された表面プロファイルから、そのゾーンのそれぞれに対する部品の表面に加えられる接触圧力をモデル化するステップ（３０）と、
   −部品の表面プロファイルの第２ゾーン（Ｚ２、Ｚ４）に対してモデル化された接触圧力を、所定のしきい値と比較するステップ（４０）とを含み、
   部品がターボ機械ローラベアリングのローラ（１０）であり、接触圧力をモデル化するステップ（３０）に先立って、ローラとその軌道との間の接触の可能性のあるゾーンが、ローラの縦軸（Ｘ−Ｘ）のまわりで測定された表面プロファイルを回転することにより生成されることを特徴とする、方法。
2. 部品の測定された表面プロファイルが、粗さ測定装置により得られる複数のデジタル信号の形を取り、前記信号を処理して部品の幾何学的な表面プロファイルを示す幾何学座標を有する複数の点を得る、請求項１に記載の方法。
3. 接触圧力をモデル化するステップ（３０）が、２つの弾性体の間の接触部における表面圧力の計算に基づいている、請求項１または２に記載の方法。
4. 所定のしきい値が、部品の表面プロファイルの第３ゾーン（Ｚ３）に対してモデル化された接触圧力の関数である、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 所定のしきい値が部品の軸方向長さの関数である、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。

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