JP5678086B2 - ファイバーブラッググレーティングを利用した軸受の管理 - Google Patents

ファイバーブラッググレーティングを利用した軸受の管理 Download PDF

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Description

本発明は、軸受の状態管理、具体的には荷重検知と組み合わせた軸受の状態管理に関する。
軸受は、回転機械にとって非常に重要な構成部品である。軸受が故障した場合には、通常、回転機械の機能も完全に失われる。幾つかの応用分野では、故障した軸受を定期点検以外において交換することは非常に困難であるか、又は極めて高コストとされる場合がある。このような応用分野としては、深海での利用、クルーズ船、及び他の連続的な製造ラインが挙げられる。軸受が故障する前に軸受の交換が必要とされる時期、及び軸受が整然とした指定の態様に適合しているか否かを予想するために、状態管理が行われている。回転機械及び軸受が容易にアクセス可能な位置に物理的に配置されている場合には、軸受の状態は、例えば振動計測によって判断される。例えば深海での利用のようなアクセス不可能な設備は、軸受の状態を評価することによって点検を要する時期を判断可能とするための他の手段を必要とする。軸受の状態を遠隔評価するための方法は数多く存在しているが、依然として改善の余地がある。
本発明の目的は、軸受の状態及び負荷を管理するための方法及び手段を提供することである。軸受に作用する負荷は、軸受の寿命に影響を及ぼす。
本発明の他の目的は、軸受に給電することなく、軸受の状態を管理すると共に軸受の負荷を計測するためのユニットを提供することである。
本発明のさらなる目的は、光ファイバに作用する歪みを計測することによって軸受の状態を管理すると共に軸受の負荷を計測するのに適合したブラッググレーテッド光ファイバを提供することである。
本発明では、上述の目的は、軸受の負荷変動及び振動の両方に対するブラッググレーテッドファイバの感度を高めるために溝を備えている、軸受の状態及び不可を検知するためにブラッググレーテッドファイバを利用することによって達成される。
本発明では、上述の目的は、複数のグレーテッド領域を有しているブラッググレーテッド光ファイバを備えていると共に、物理的に隣り合っているグレーテッド領域が周波数平面内で分離されている、軸受によって達成される。適切に隣り合っている周波数帯は、軸受の両側におけるグレーテッド領域に対応している。
また、本発明では、上述の目的は、光ファイバが軸受に取り付けられている場合にグレーティングが平行になっている、ブラッググレーテッド光ファイバによって達成される。
さらに、上述の目的は、外輪と内輪と外輪及び内輪の間に配置されている転がり要素とを備えている、軸受によって達成される。外輪が、外輪軌道を備えている第１の外輪表面を備えている。外輪が、第１の外輪表面に対して外輪の反対側に配置されている第２の外輪表面を備えている。内輪が、内輪軌道を備えている第１の内輪表面を備えている。内輪が、第１の内輪表面に対して内輪の反対側に配置されている第２の内輪表面を備えている。転がり要素が、内輪軌道及び外輪軌道を介して、内輪及び外輪と共に結合している。これにより、外輪と内輪との間において相対運動が可能とされる。本発明では、第２の内輪表面及び第２の外輪表面のうち少なくとも１つの表面が、外輪と内輪との間における相対運動が可能な方向に対して略平行な溝を備えており、これにより、対応する外輪又は内輪を弱化させることができる。溝は、角部が丸められた矩形状の断面を有しており、１つ以上の光ファイバを収容可能な大きさとされるが、軸受の性能に影響を与えない程度には小さい。溝の目的は、負荷及び振動によって発生する軸受の変形を、特に溝内部において大きくすることである。変形が大きくなるに従って、検出がより容易になり、同一の負荷／振動に基づく、取り付けられた歪センサ（例えばブラッググレーテッド光ファイバの歪センサ）の出力信号を、溝が設けられていない軸受よりも大きくすることができる。
好ましくは、溝は、相対運動が可能な方向に沿って連続している。溝は、さらに好ましくは、相対運動が可能な方向に沿って連続的な段差部を備えている。段差部は、ブラッググレーテッド光ファイバを収容可能とされると共に、配置及び固定を容易にすることができる。適切な大きさとされる段差部は、溝内部に、好ましくは溝の底部に軸受の負荷ラインに沿って配置されている。また、溝は、好ましくは入口点／出口点を有している。すなわち、少なくとも１つの位置が、垂直方向からの位置口を有している。
本発明における軸受は、溝内部に配置されているブラッググレーテッド光ファイバであって、ブラッググレーテッド光ファイバが軸受の状態及び負荷を検知可能なように取り付けられているブラッググレーテッド光ファイバを備えており、溝が、負荷変動及び振動の両方に対する光ファイバの感度を高めることができることを特徴とする。
また、上述の目的は、本発明では、好ましくは軸受の全周に亘って溝の中央から下方に底部において形成されている段差部を有している、転がり要素によって達成される。溝は、ブラッググレーテッド光ファイバを収容可能とされると共に、軸受を弱化することによって光ファイバの受感度を高めることができ、これにより、負荷／振動に対する変形を、溝が設けられていない軸受の場合よりも大きくすることができる。
本発明は、光学手段によって歪を感知するための方法及びユニットを提供するものであり、これにより、光学手段によって歪に関するデータを伝送することによって、軸受から数キロメートル離隔した場所であっても、状態管理及び負荷計測が計算可能となる。従って、軸受に給電する必要が全くない。例えば海面から数キロメートル下方に位置する深海ポンプの軸受の管理のような活用が、軸受に局所的に給電することなく、高信頼性を以って実現される。
本発明の他の利点は、以下の発明の詳細な説明から明らかとなる。
添付図面を参照しつつ、説明のための非限定的な実施例を用いて、本発明について詳述する。
本発明の典型的な実施形態において、ハウジング内に収容されている軸受の側面図である。 本発明の一の実施例における軸受の一部分の断面図である。 本発明の他の実施例における軸受の一部分の断面図である。 本発明における軸受の上面図である。 本発明の軸受周囲におけるセンサの配置の一例を表わす、本発明における軸受の断面側面図である。 図５Ａに表わすセンサの配置における、センサの周波数分布を表わす。 ブラッググレーティングを備えた従来の光ファイバを表わす。 図６Ａに表わす光ファイバの周波数応答を表わす。 ブラッググレーティングを備えた従来の光ファイバが真円軸受の周囲において湾曲している状態を表わす。 図７Ａに表わす湾曲した光ファイバの周波数応答を表わす。 本発明における光ファイバの周波数応答を表わす。 図８Ａに表わす本発明における光ファイバの周波数応答を表わす。
本発明を明確にするために、本発明の利用に関する幾つかの例について、図１〜図８Ｂに関連して説明する。
図１は、ハウジング１２０内に取り付けられている軸受１１０の側面図である。軸受１１０は、非回転式の外輪１１２と、回転式の内輪１１４と、外輪１１２と内輪１１４との間に配設されている転がり要素１１６とを備えている。これは、本発明の典型的な実施形態である。本発明では、光歪ゲージ、典型的にはブラッググレーテッド光ファイバを利用した歪感知ユニットが、非回転式の外輪１１２の溝に配設されている。溝は、光ファイバを収容するのに十分な大きさを有している必要がある。さもなければ、軸受はハウジング１２０内に装着することができないだろう。また、溝は、歪センサの感度が大きくなるように十分な大きさで配置されている必要がある。このことは、外輪１１２の脆弱化に起因するので、同一の大きさの力が軸受に作用した場合に、軸受がより大きく変形し、これにより、より大きな歪が歪センサに作用する。同時に、溝は、軸受の一体性が損なわれないように十分に小さく形成されている必要がある。すなわち、溝が過度に大きく形成されている場合には、軸受が自身の所定の容積を維持することができないだろう。従って、これら２つの条件の間には、溝を巧妙に配設することによって実現される妥協点が存在する。
図２は、本発明の一の実施例における軸受の一部分の断面図である。その軸受は、２列のＳＲＢ（球面ころ軸受）であり、それぞれが対応する一連の転がり要素２１６，２１７を有している２つの外輪２１２，２１３を有している。当該実施例では、列それぞれが、対応する溝２３０，２３１を備えている。溝それぞれが、幅２３５と高さ／深さ２３４とを有している。適切な溝それぞれが、光ファイバを配設するためのスリット２３８，２３９を有している。溝２３０，２３１と特に対応するスリット２３８，２３９とが、好ましくは、対応する列それぞれの負荷ライン２３７に沿って配設されている。光ファイバは、グレーテッド区間によって歪検知位置が適切に配設されている状態において、軸受の周囲全体に配設されている。そのような光ファイバは、すべての必要なグレーテッド区間を備えている。代替的には、幾つかの光ファイバが、対応するグレーテッド区間が異なる位置に配設されている状態で配置されている場合がある。
図３は、本発明の他の実施例における軸受、すなわちＣＡＲＢ（トロイダルころ軸受）の一部分の断面図である。当該実施例のみが、一列の転がり要素３１６を有している一の外輪３１２を備えているが、外輪３１２には、複数の溝３３０，３３１，３３２が形成されている。
図４は、外輪４１２に形成されている計測溝４３０，４３１に対する光ファイバアクセス手段４４０を表わす、本発明における軸受の上面図である。
図５Ａは、非回転式の外輪５１２と回転式の内輪５１４とその間に配設されている転がり要素５１６とを備えている、本発明における軸受５００の断面側面図であり、当該軸受の周囲に分布している本発明のセンサ５５１，５５２，５５３，５５４，５５５，５５６，５５７，５５８の一例を表わす。ブラッググレーテッド光ファイバ５５０は、それぞれがグレーテッド区間によって形成されている１つ以上の歪センサ５５１，５５２，５５３，５５４，５５５，５５６，５５７，５５８を備えている。グレーテッド区間それぞれが、図５Ｂに関連して詳述するように、対応するグレーテッド区間の歪に依存して変動する周波数５７１，５７２，５７３，５７４，５７５，５７６，５７７，５７８によって周波数平面内に表わされている。
センサがロード領域５６２内に位置する場合には、大きな変動５８０が生じ、任意の負荷及び負荷の変動が存在する場合には、アンロード領域内のセンサは、小さな変動５８４のみが存在することに起因して小さな周波数変動を示す。中程度の変動５８２に伴って、その間にセンサが存在することは言うまでもない。本発明では、最適な方法で光ファイバを利用するために、及び、周波数変動が互いに干渉しない状態で可能な限り多くのセンサとして組み込むために、センサは、周波数スペクトラムにおいて隣り合っているセンサの周波数が大きな５８０°に変動しないように物理的に離隔している。軸受は、常に反対側にロード領域とアンロード領域とを有しているので、周波数において隣り合っているセンサは、軸受の両側に物理的に配設されている。
図６Ａは、平坦に配置されているブラッググレーティングを備えている、従来の光ファイバ６９０を表わす。当該光ファイバは、第１の歪センサの格子間距離ＤＡ６９２を有する第１の歪センサ６５１と、第２の歪センサの格子間距離ＤＢ６９６を有する第２の歪センサ６５２とを備えている。グレーティングは、光ファイバの断面を貫通して等間隔で離隔されており、図６Ｂに表わすように、各センサからの良好なピークを有する周波数応答６７１，６７２を形成する。
図７Ａは、例えば真円軸受の周囲に湾曲されているブラッググレーディングを備えている従来の光ファイバ７９０を表わす。また、当該光ファイバは、第１の歪センサ７５１と第２の歪センサ７５２とを備えている。しかしながら、図示の如く、光ファイバが湾曲した場合には、内側が圧縮され、第１のセンサ内側の格子間距離ＤＡ−δ７９１と第２のセンサ内側の格子間距離ＤＢ−δ７９５との両方が以前ほど大きくない。このことは、外側が伸長して形成された大きな格子間距離ＤＡ＋δ７９３、ＤＢ＋δ７９７であることと併せて、光ファイバに沿った可変の格子間距離を生成する。このことは、図７Ｂに表わすように、中央周波数７７１，７７２におけるピークの代わりに、広範な周波数応答７７９を形成する。
図８Ａは、第１の歪センサ８５１及び第２の歪センサ８５２内に配置されているブラッググレーティングを備えている、湾曲した光ファイバ８９０を表わす。本発明におけるブラッググレーティングを備えている光ファイバは、光ファイバが例えば真円軸受を囲むように湾曲した場合に、光ファイバを通じて、同一の格子間距離ＤＡ８９２，ＤＢ８９６を有している。図８Ｂに表わすように光ファイバが湾曲した場合に、所望のピーク周波数応答８７１，８７２を得ることができる。グレーティングは、軸受に光ファイバを取り付けた後に追加することができる。
本発明は、上述の実施例に限定される訳ではないが、以下の特許請求の範囲によって規定される技術的範囲内において変更可能とされる。
１１０ 軸受
１１２ 軸受の非回転式外輪
１１４ 軸受の回転式内輪
１１６ 外輪と内輪との間に配置されている、軸受の転がり要素
１２０ ハウジング
２１２ 第１列に属する第１の外輪
２１３ 第２列に属する第２の外輪
２１６ 第１列の転がり要素
２１７ 第２列の転がり要素
２３０ 第１列のための第１の溝
２３１ 第２列のための第２の溝
２３４ 溝の高さ／深さ
２３５ 溝の幅
２３７ 第１列の負荷ライン
２３８ 第１の溝内に配置されている第１の光ファイバのためのスリット
２３９ 第２の溝内に配置されている第２の光ファイバのためのスリット
３１２ 外輪
３１６ 転がり要素
３３０ 第１の溝
３３１ 第２の溝
３３２ 第３の溝
４１２ 外輪
４３０ 第１の溝
４３１ 第２の溝
４４０ 出入りするための光ファイバの通路
５００ 光ファイバの歪センサユニットを備えている、本発明における軸受
５１２ 軸受の非回転式外輪
５１４ 軸受の回転式内輪
５１６ 外輪と内輪との間に配置されている、軸受の転がり要素
５５０ 光ファイバの歪センサユニット
５５１ ＳＡ−歪センサ
５５２ ＳＢ−歪センサ
５５３ ＳＣ−歪センサ
５５４ ＳＤ−歪センサ
５５５ ＳＥ−歪センサ
５５６ ＳＦ−歪センサ
５５７ ＳＧ−歪センサ
５５８ ＳＨ−歪センサ
５６０ 軸受のアンロード領域
５６２ 軸受のロード領域
５７１ ｆＡ−歪センサＳＡの中心周波数
５７２ ｆＢ−歪センサＳＢの中心周波数
５７３ ｆＣ−歪センサＳＣの中心周波数
５７４ ｆＤ−歪センサＳＤの中心周波数
５７５ ｆＥ−歪センサＳＥの中心周波数
５７６ ｆＦ−歪センサＳＦの中心周波数
５７７ ｆＧ−歪センサＳＧの中心周波数
５７８ ｆＨ−歪センサＳＨの中心周波数
５８０ 大きな負荷変動に起因する大きな周波数変動
５８２ 中程度の負荷変動に起因する中程度の周波数変動
５８４ 小さな負荷変動に起因する小さな周波数変動
６５１ 第１の歪センサ
６５２ 第２の歪センサ
６９０ ブラッググレーティングを備えている光ファイバセンサ
６９２ 第１の歪センサの格子間距離ＤＡ
６９４ 第２の歪センサの格子間距離ＤＢ
６７１ 第１の歪センサの周波数応答
６７２ 第２の歪センサの周波数応答
７５１ 第１の歪センサ
７５２ 第２の歪センサ
７９０ ブラッググレーティングを備えている光ファイバ
７９１ 第１の歪センサ内側の格子間距離ＤＡ−δ
７９３ 第１の歪センサ外側の格子間距離ＤＡ＋δ
７９５ 第２の歪センサ内側の格子間距離ＤＢ−δ
７９７ 第２の歪センサ外側の格子間距離ＤＢ＋δ
７７１ 第１の歪センサの中心周波数応答
７７２ 第２の歪センサの中心周波数応答
７７９ 周波数幅
８５１ 第１の歪センサ
８５２ 第２の歪センサ
８９０ ブラッググレーティングを備えている光ファイバセンサ
８９２ 第１の歪センサ外側及び内側の格子間距離ＤＡ
８９６ 第２の歪センサ外側及び内側の格子間距離ＤＢ
８７１ 第１の歪センサの周波数応答
８７２ 第２の歪センサの周波数応答

Claims (3)

  1. 外輪と、内輪と、前記外輪と前記内輪との間に位置する転がり要素とを備えている軸受であって、
    前記外輪が、外輪軌道を備えている第１の外輪表面と、前記第１の外輪表面に対して前記外輪の反対側に配置されている第２の外輪表面とを備えており、前記内輪が、内輪軌道を備えている第１の内輪表面と、前記第１の内輪表面に対して前記内輪の反対側に配置されている第２の内輪表面とを備えており、前記転がり要素が、前記内輪軌道及び前記外輪軌道を介して、前記内輪及び前記外輪と共に結合しており、これにより、前記外輪と前記内輪との間において相対運動が可能とされる、前記軸受において、
    前記第２の内輪表面及び前記第２の外輪表面のうち少なくとも１つの表面が、前記外輪と前記内輪との間において可能な相対運動の方向に対して略平行な溝を備えており、これにより、対応する前記外輪又は前記内輪を弱化することを特徴とし、
    前記溝が、前記可能な相対運動の方向に沿って連続的な段差部を備えており、
    前記段差部が、ブラッググレーテッド光ファイバを収容することができ
    前記軸受が、前記段差部に配置されているブラッググレーテッド光ファイバであって、前記ブラッググレーテッド光ファイバが前記軸受の状態及び負荷を感知可能なように取り付けられている、前記ブラッググレーテッド光ファイバを備えており、
    前記溝が、前記軸受の負荷変動及び振動の両方に対する前記ブラッググレーテッド光ファイバの感度を高めることを特徴とする軸受。
  2. 前記溝が、前記可能な相対運動の方向に沿って連続していることを特徴とする請求項１に記載の軸受。
  3. 前記段差部が、前記軸受の荷重ラインに沿って、前記溝内部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の軸受。
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