JP5076719B2 - 転がり軸受の残存寿命予測方法 - Google Patents

Description

本発明は、転がり軸受の残存寿命予測方法に関し、特に、良好な潤滑環境下で使用される転がり軸受の残存寿命予測方法に関する。

転がり軸受では、一定期間の使用後に、軌道面がうろこ状に剥がれ落ちる剥離現象が発生する。この剥離現象は、転がり軸受にとって、避けることができない寿命である。
そして、転がり軸受の軌道面に剥離現象が発生すると、転がり軸受の使用時に振動が発生する等の弊害が生じることとなる。
そこで、従来から、転がり軸受の残存寿命予測方法が提案されている。

ここで、転がり軸受は、特殊な環境で使用される場合を除いて、内部に異物等が混入しないような良好な潤滑環境下で使用されることが望ましい。そして、良好な潤滑環境下で使用される転がり軸受では、上記剥離現象は、鋼中に存在する非金属介在物を起点として発生する。
そこで、従来、転がり軸受の残存寿命予測方法として、鋼中の介在物量を素材の段階で測定し、その測定結果から寿命を予測する方法が知られている（特許文献１参照）。

一方、転がり軸受において剥離現象が発生するまでの時間は、転がり軸受の品質、使用環境等によって大きく異なることとなる。また、転がり軸受の転がり寿命は、一般に、軸受形式や軸受に付与される荷重によって推定されるが、実際の使用環境では荷重の大きさ及び方向が刻々と変化するため、正確な推定は容易ではない。
そのため、転がり軸受の残存寿命予測方法としては、転がり軸受が使用される中で変化するパラメータを抽出し、そのパラメータに基づいて疲労の進行度合いを検出する方法がより有効と考えられている。従来、このような方法として、例えば、転がり軸受に充填されている潤滑油中の磨耗粉量を測定し、その測定結果に基づいて転がり軸受の劣化度合いを検出する方法が知られている（特許文献２参照）。

しかしながら、転がり軸受の疲労は、材料そのものの材質変化であり、疲労の度合いを予測する手法としては、材料の特性を直接評価することが望ましい。
従来、材料の特性を直接評価して転がり軸受の残存寿命を予測する方法として、例えば、Ｘ線解析による半価幅の減少量をパラメータとして転がり軸受の残存寿命を予測する方法が開示されている（特許文献１参照）。

また、材料の特性を直接評価して転がり軸受の残存寿命を予測する他の方法として、例えば、転がり軸受の内部組織として最も一般的なマルテンサイトと残留オーステナイトの疲労による変化量に着目し、転がり軸受の疲労度を予測する方法が開示されている（特許文献３参照）。
特開２００１−６５５６０号公報 特開２００５−３４５１３２号公報 特開昭５５−１２６８４６号公報

ここで、転がり軸受の軸受材料として使用される軸受鋼は、特殊な場合を除いて、残留オーステナイトを１０％程度含む。そして、残留オーステナイトは、転がり軸受の寿命を延ばすことに有効であると考えられている。
したがって、特許文献１に係るＸ線解析による半価幅の減少量をパラメータとして転がり軸受の残存寿命を予測する方法では、残留オーステナイトを考慮していないため、転がり軸受の残存寿命を予測するには不十分である。
また、一般に、転がり軸受の内部疲労について評価する際には、疲労部を目視することができないため、最も疲労した疲労部の特定には経験的な技術が必要となる。

したがって、特許文献３に係る方法では、転がり軸受の材料自体の残存寿命を予測することは可能であるが、転がり軸受に付与される荷重方向が複雑に変化するような場合には、最も疲労した疲労部を特定することがでず、残存寿命の予測の精度が低下してしまうという問題がある。
本発明は、上記従来技術の問題を解決するためのものであり、その目的は、転がり軸受の残存寿命の予測精度を向上することが可能な転がり軸受の寿命予測方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る転がり軸受の残存寿命予測方法は、耐久試験を行った転がり軸受の断面について組織観察を行い、最も疲労している疲労部を特定する工程と、
特定された前記疲労部についてＸ線回折を行い、マルテンサイトの半価幅の変化量及び残留オーステナイト量の変化量を測定する工程と、
測定された前記マルテンサイトの半価幅の変化量及び前記残留オーステナイト量の変化量から、前記残留オーステナイト量に依存した材料係数を用いた関係式により疲労度を求める工程と、
前記最も疲労している疲労部の疲労度の測定結果である、求められた前記疲労度から転がり軸受の残存寿命を予測する工程とを含むことを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係る転がり軸受の残存寿命予測方法は、請求項１に係る転がり軸受の残存寿命予測方法において、転がり軸受の軸受材料の鋼中酸素量を測定し、測定された鋼中酸素量から、予め求められた鋼中酸素量と剥離疲労度との関係式により剥離疲労度を決定する工程と、
求められた前記疲労度及び決定された前記剥離疲労度を用いて前記転がり軸受の残存寿命を予測する工程とを含むことを特徴とする。

本発明の請求項１に係る転がり軸受の残存寿命予測方法では、耐久試験を行った転がり軸受の断面について組織観察を行い、最も疲労している疲労部を特定し、特定された疲労部についてＸ線回析を行い、疲労度を求める構成を採用する。したがって、本発明の請求項１に係る転がり軸受の残存寿命予測方法によれば、転がり軸受の残存寿命の予測精度を向上することが可能となる。

また、本発明の請求項２に係る転がり軸受の残存寿命予測方法では、測定された鋼中酸素量から、予め求められた鋼中酸素量と剥離疲労度との関係式により剥離疲労度を決定し、決定された前記剥離疲労度を用いて転がり軸受の残存寿命を予測する構成を採用する。したがって、本発明の請求項２に係る転がり軸受の残存寿命予測方法によれば、転がり軸受の残存寿命の予測精度をより向上することが可能となる。

次に、本発明の実施の形態を説明する。
転がり軸受の疲労現象は、軸受材料の内部組織であるマルテンサイトと残留オーステナイトの特性及び量の変化に基づいて追跡することができる。ここで、大半の転がり軸受の軸受材料の内部組織の構成割合は、マルテンサイトが８０％以上を占めている。したがって、転がり軸受の疲労現象は、マルテンサイトの組織変化によりおおよそ捉えることができる。

転がり軸受の疲労に伴いマルテンサイトの一部が組織変化した場合、組織変化した部分は、酸による腐食特性が変化するため、周囲と比較して黒色又は白色に腐食されることとなる。
この場合、腐食した部分の腐食の進行度合いを色によって定量的に評価することは困難である。しかしながら、腐食した部分は、疲労により組織が明らかに変化した部分であるため、金属顕微鏡による組織観察により正確に特定することが可能である。すなわち、転がり軸受の疲労部は、マルテンサイトが組織変化したことによる腐食部を観察することにより、正確に特定することが可能である。

したがって、耐久試験を行った転がり軸受の最も疲労した疲労部を上述した手法により特定し、特定された疲労部について疲労度を測定することにより、実際に転がり軸受に付与される荷重のパターンに関わらず、軸受材料の性質変化のみを正確に測定することができ、転がり軸受の残存寿命の予測精度を向上することが可能となる。
一方、転がり軸受の内部疲労による剥離現象は、軸受材料中の非金属介在物を起点として発生する。これは、非金属介在物が応力集中源となり、上述した疲労に伴う組織変化が非金属介在物の周囲で加速されることに起因する。

ここで、転がり軸受の場合、最も有害な非金属介在物は、アルミナである。そして、一般に、転がり軸受の軸受材料中におけるアルミナの量は、鋼中酸素量により評価することができる。
したがって、転がり軸受に剥離現象が発生する際の軸受材料の疲労度（以下、剥離疲労度という）は、軸受材料の鋼中酸素量を測定することにより予測することが可能となっている。

以上の手段を踏まえて、本願発明者らは、転がり軸受の残存寿命予測方法として、以下の方法を見出した。
すなわち、転がり軸受の軸受材料の鋼中酸素量を測定し、測定された鋼中酸素量から、予め求められた鋼中酸素量と剥離疲労度との関係に基づいて、転がり軸受の剥離疲労度を決定する。

また、耐久試験を行った転がり軸受について組織観察を行い、最も疲労している疲労部を特定する。そして、特定された疲労部について疲労度の測定を行い、測定された疲労度及び決定された剥離疲労度から転がり軸受の残存寿命を予測する。
以下、本発明の実施の形態をより詳細に説明する。
本実施の形態に係る転がり軸受の残存寿命予測方法では、まず、任意の時間の耐久試験を行った転がり軸受について、軌道面における転動体の走行跡（以下、軌道輪という）を目視により確認し、軌道輪が延びる方向に対して垂直方向に切断する。

次に、軌道輪が延びる方向に対して垂直方向に切断さえた切断面（以下、軌道輪断面という）について金属顕微鏡による組織観察を行い、軌道輪断面において最も疲労している疲労部を特定する。この場合、軌道輪断面における最も疲労している疲労部は、マルテンサイトが組織変化したことによる腐食部を観察することにより特定することができる。
そして、特定された疲労部についてＸ線回析を行い、マルテンサイトの半価幅の変化量及び残留オーステナイトの変化量を測定し、その測定結果から疲労度を求める。
ここで、予め、転がり軸受の軸受材料の鋼中酸素量と剥離疲労度との関係式及び耐久試験の試験時間と転がり軸受の疲労度との関係式を求めておく。

そして、転がり軸受の軸受材料の鋼中酸素量を測定し、予め求められた鋼中酸素量と剥離疲労度との関係式に基づいて、転がり軸受の剥離疲労度を決定する。
そして、測定された疲労度、決定された剥離疲労度及び耐久試験の試験時間と転がり軸受の疲労度との関係式から、転がり軸受の残存寿命を予測する。
以上、本発明に係る転がり軸受の残存寿命予測方法によれば、組織観察により軌道輪断面における最も疲労している疲労部を特定し、特定された疲労部について疲労度を測定する構成により、転がり軸受の残存寿命の予測精度を向上することが可能となる。

次に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１は、耐久試験の試験時間と転がり軸受の疲労度との関係を示す図である。図２は、転がり軸受の軸受材料の鋼中酸素量と剥離疲労度との関係を示す図である。
本実施例では、鋼中酸素量が異なる軸受材料から形成された３種類の転がり軸受について、本発明に係る転がり軸受の残存寿命予測方法による残存寿命の予測を行った。各転がり軸受の軸受材料としては、汎用の軸受鋼であるＳＵＪ２鋼を用いた。
本実施例に使用した各転がり軸受の軸受材料の鋼中酸素量を表１に示す。

まず、各転がり軸受について、下記の条件による耐久試験を任意の試験時間Ｓで行った。
軸受形式：６２０６
荷重：Ｐ／Ｃ＝０．７１
潤滑：タービンオイル（♯６８）
試験温度：７０℃
回転速度：３９００ｍｉｎ^−１

次に、任意の試験時間Ｓの耐久試験を行った各転がり軸受について、軌道輪断面における最も疲労している疲労部を特定し、特定された疲労部における疲労度ＦＩを測定した。
軌道輪断面の疲労部における疲労度ＦＩの測定では、まず、Ｘ線回析により、疲労部の中央部におけるマルテンサイトの半価幅の減少量δａ及び残留オーステナイトの減少量δｂを測定した。そして、測定されたマルテンサイトの半価幅の減少量δａ及び残留オーステナイトの減少量δｂを用いて、疲労度ＦＩを下記式（１）により算出した。
ＦＩ＝δａ＋Ｃ×δｂ ・・・（１）
ここで、Ｃは、残留オーステナイト量に依存した材料係数である。そして、Ｃの値は、例えば、０．０５〜０．１０であるが、今回は、軸受材料として残留オーステナイト量が１０体積％のＳＵＪ２鋼を用いたため、Ｃの値は０．１とした。
耐久試験の試験時間Ｓと各転がり軸受の疲労度ＦＩとの関係を表２に示す。

そして、図１に示すように、軸受材料の鋼中酸素量に関わらず、疲労度ＦＩと試験時間Ｓの対数値（ｌｏｇＳ）とは、良好な線形関係が成り立つことがわかる。したがって、図１より試験時間Ｓと疲労度ＦＩとの関係式を求めることができる。なお、図１においては、試験時間Ｓを対数値で表示している。
一方、各転がり軸受について、実際に剥離現象が発生するまで耐久試験を行い、ワイブル分布によりＬ５０寿命を求め、その時の疲労度ＦＩを剥離疲労度ＦＩ´として決定する。
各転がり軸受のＬ５０寿命と鋼中酸素量と剥離疲労度ＦＩ´との関係を表３に示す。

そして、図２に示すように、転がり軸受の軸受材料の鋼中酸素量と剥離疲労度ＦＩ´とは、線形関係が成り立つことがわかる。したがって、図２より鋼中酸素量と剥離疲労度ＦＩ´との関係式を求めることができる。
以上より、各転がり軸受について、軸受材料の鋼中酸素量を測定すれば、図２から導出される関係式より、剥離疲労度ＦＩ´を求めることができる。また、各転がり軸受について、任意の試験時間Ｓにおける疲労度ＦＩを測定すれば、測定された疲労度ＦＩ、求められた剥離疲労度ＦＩ´及び図１から導出される関係式より、剥離疲労度ＦＩ´に至るまでの残存寿命を求めることができる。
したがって、他の転がり軸受についても同様に、軸受材料の鋼中酸素量及び任意の試験時間Ｓにおける疲労度ＦＩを測定することにより、残存寿命を予測することが可能となる。

次に、本発明例に係る転がり軸受の残存寿命予測方法により転がり軸受の残存寿命を予測した場合と、比較例に係る転がり軸受の残存寿命予測方法により転がり軸受の残存寿命を予測した場合とを比較して、本発明の効果を検証する。
比較例に係る転がり軸受の残存寿命予測方法としては、転がり軸受の疲労部を軌道輪から推定し、電解研磨による追い込みによって深さ方向の疲労度を検出し、最も疲労していた部分について疲労度を測定する方法を採用した。
なお、転がり軸受としては、鋼中酸素量が異なるＳＵＪ２鋼から形成された表１に示す３種類の転がり軸受を用いた。

そして、各転がり軸受について、任意の試験時間Ｓにおける残存寿命の予測を行った。
各転がり軸受の任意の試験時間Ｓにおける残存寿命について、本発明例に係る転がり軸受の残存寿命予測方法により予測した結果及び実測した結果を表４に示す。また、各転がり軸受の任意の試験時間Ｓにおける残存寿命について、比較例に係る転がり軸受の残存寿命予測方法により予測した結果及び実測した結果を表５に示す。

表４に示すように、本発明例に係る転がり軸受の残存寿命予測方法によれば、軌道輪断面における組織観察により最も疲労している疲労部を明確に特定することができるため、実測残存寿命と予測残存寿命との比が１に近く、予測の精度が高いことがわかる。
一方、表５に示すように、比較例に係る転がり軸受の残存寿命予測方法では、最も疲労している疲労部を必ずしも特定することができないため、測定された疲労度ＦＩの値が小さくなり、その結果として予測残存寿命の値が大きくなる。したがって、比較例に係る転がり軸受の残存寿命予測方法では、実測残存寿命と予測残存寿命との乖離が大きくなることがわかる。

耐久試験の試験時間と転がり軸受の疲労度との関係を示す図である。 転がり軸受の軸受材料の鋼中酸素量と剥離疲労度との関係を示す図である。

符号の説明

Claims (2)

1. 耐久試験を行った転がり軸受の断面について組織観察を行い、最も疲労している疲労部を特定する工程と、
   特定された前記疲労部についてＸ線回折を行い、マルテンサイトの半価幅の変化量及び残留オーステナイト量の変化量を測定する工程と、
   測定された前記マルテンサイトの半価幅の変化量及び前記残留オーステナイト量の変化量から、前記残留オーステナイト量に依存した材料係数を用いた関係式により疲労度を求める工程と、
   前記最も疲労している疲労部の疲労度の測定結果である、求められた前記疲労度から転がり軸受の残存寿命を予測する工程とを含むことを特徴とする転がり軸受の残存寿命予測方法。
2. 転がり軸受の軸受材料の鋼中酸素量を測定し、測定された鋼中酸素量から、予め求められた鋼中酸素量と剥離疲労度との関係式により剥離疲労度を決定する工程と、
   求められた前記疲労度及び決定された前記剥離疲労度を用いて前記転がり軸受の残存寿命を予測する工程とを含むことを特徴とする請求項１記載の転がり軸受の残存寿命予測方法。

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