JP5848164B2

JP5848164B2 - 軸受試験装置及び軸受試験装置の制御方法

Info

Publication number: JP5848164B2
Application number: JP2012048133A
Authority: JP
Inventors: 健悟今岡; 哲平小林; 浅野　伸; 伸浅野; 侑樹角
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2012-03-05
Filing date: 2012-03-05
Publication date: 2016-01-27
Anticipated expiration: 2032-03-05
Also published as: JP2013181960A

Description

本発明は、軸心周りに回転可能な回転軸に設置された供試軸受に対して荷重を負荷する軸受試験装置及び軸受試験装置の制御方法に関するものである。

軸受試験装置は、試験用の回転軸に試験対象である軸受を設置し、試験用軸を軸心周りに回転させながら、軸受の静特性や動特性を測定し解析する。これにより、製造前の段階で、蒸気タービンやガスタービン等の実際の機械に使用される軸受の静特性や動特性を取得することができる。

特許文献１には、軸受試験装置及び軸受試験方法の発明であって、試験対象の軸受が使用されることになる回転機械における回転体を高い精度で模擬して実験を行うことを可能にするための技術が開示されている。

特開２００１−５０８６３号公報

ところで、蒸気タービンやガスタービン等の回転軸は、例えば直径30インチを越える大径のものが含まれ、その他の機械に用いられる回転軸に比べて規模が大きい。したがって、この回転軸を用いた軸受試験装置では、回転軸を確実に保持しなければ、回転軸や軸受を損傷させるおそれがある。

例えば、軸受試験装置は、回転軸の両端に設けられた支持環によって、回転軸の傾斜量が調整される場合がある。この支持環は、例えば空気ばね等の駆動部を介して支持されるが、空気ばねが損傷すると支持環が傾き、その結果、回転軸のバランスも崩してしまい、回転軸や軸受を損傷させてしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、駆動部にかかる負荷に対応して駆動部や回転軸の損傷を防止することが可能な軸受試験装置及び軸受試験装置の制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の軸受試験装置及び軸受試験装置の制御方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る軸受試験装置は、軸心周りに回転可能な回転軸に設置された供試軸受に対して荷重を負荷する軸受試験装置であって、前記回転軸の両端に設置される支持環と、前記支持環の内周側に設けられ、前記回転軸と接触する負荷軸受と、前記支持環を下方から支持しつつ、前記支持環を駆動し、前記負荷軸受を介して前記回転軸の傾斜を調整する駆動部と、前記駆動部にかかる負荷を測定する負荷測定部と、前記支持環の荷重を支持する支持部材と、測定された前記負荷に基づいて前記支持部材を駆動して前記支持部材によって前記支持環を支持させる支持用駆動部とを備える。

この発明によれば、軸受試験装置の回転軸には、試験対象である供試軸受が設置され、回転軸の両端に支持環が設置される。支持環には、内周側に設置される負荷軸受と、支持環を下方から支持する駆動部が設けられる。そして、負荷軸受は、回転軸と接触しており、駆動部が支持環を駆動することによって、回転軸の傾斜を調整する。また、負荷測定部が駆動部にかかる負荷を測定しており、測定された負荷に基づいて支持用駆動部が支持部材を駆動する。支持用駆動部によって駆動された支持部材は、支持環の荷重を支持する。これにより、異常な荷重、例えば、回転軸の損傷等のおそれがある荷重が駆動部にかかったと判断されるとき、支持部材を駆動させて、支持部材が支持環の荷重を支持することで、回転軸の損傷を防止することができる。

上記発明において、前記支持環と前記負荷軸受との間に設けられ、弾性的特性と減衰力特性との切換えが可能な負荷軸受接続部を更に備え、測定された前記負荷に基づいて、前記負荷軸受接続部に減衰力特性を発揮させる負荷軸受制御部を更に備えてもよい。

この発明によれば、測定された負荷に基づいて負荷軸受制御部が負荷軸受接続部に減衰力特性を発揮させる。これにより、異常な荷重、例えば、回転軸の損傷等のおそれがある荷重が駆動部にかかったと判断されるとき、負荷軸受接続部の減衰力特性によって、供試軸受や回転軸へ伝わる負荷の増大を防止できる。

上記発明において、前記負荷測定部で測定された負荷に基づいて前記負荷軸受接続部に減衰力特性を発揮させた後、更に許容範囲を超える負荷が測定されたとき、前記支持部材を駆動させてもよい。

この発明によれば、まず、負荷軸受接続部の減衰力特性によって、供試軸受や回転軸へ伝わる負荷の増大を防止し、その後、支持部材を駆動させて、支持部材が支持環の荷重を支持することで、駆動部や回転軸の損傷を防止する。このように、２段階監視とすることで、異常の規模に応じて適切な対処が可能となる。

本発明に係る軸受試験装置は、軸心周りに回転可能な回転軸に設置された供試軸受に対して荷重を負荷する軸受試験装置であって、前記回転軸の両端に設置される支持環と、前記支持環の内周側に設けられ、前記回転軸と接触する負荷軸受と、前記支持環と前記負荷軸受との間に設けられ、弾性的特性と減衰力特性との切換えが可能な負荷軸受接続部と、前記支持環を下方から支持しつつ、前記支持環を駆動し、前記負荷軸受を介して前記回転軸の傾斜を調整する駆動部と、前記駆動部にかかる負荷を測定する負荷測定部と、測定された前記負荷に基づいて、前記負荷軸受接続部に減衰力特性を発揮させる負荷軸受制御部とを備える。

この発明によれば、軸受試験装置の回転軸には、試験対象である供試軸受が設置され、回転軸の両端に支持環が設置される。支持環には、内周側に設置される負荷軸受と、支持環を下方から支持する駆動部が設けられる。そして、負荷軸受は、回転軸受と接触しており、駆動部が支持環を駆動することによって、回転軸の傾斜を調整する。また、負荷測定部が駆動部にかかる負荷を測定しており、測定された負荷に基づいて負荷軸受制御部が支持環と負荷軸受との間に設けられた負荷軸受接続部に減衰力特性を発揮させる。これにより、異常な荷重、例えば、駆動部や回転軸の損傷等のおそれがある荷重が駆動部にかかったと判断されるとき、負荷軸受接続部の減衰力特性によって、供試軸受や回転軸へ伝わる負荷の増大を防止できる。

本発明に係る軸受試験装置の制御方法は、軸心周りに回転可能な回転軸の両端に設置される支持環と、前記支持環の内周側に設けられ、前記回転軸と接触する負荷軸受と、前記支持環を下方から支持しつつ、前記支持環を駆動し、前記負荷軸受を介して前記回転軸の傾斜を調整する駆動部とを備え、前記回転軸に設置された供試軸受に対して荷重を負荷する軸受試験装置の制御方法であって、前記駆動部にかかる負荷を測定するステップと、測定された前記負荷に基づいて、前記支持環の荷重を支持する支持部材を駆動するステップとを備える。

本発明に係る軸受試験装置の制御方法は、軸心周りに回転可能な回転軸の両端に設置される支持環と、前記支持環の内周側に設けられ、前記回転軸と接触する負荷軸受と、前記支持環と前記負荷軸受との間に設けられ、弾性的特性と減衰力特性との切換えが可能な負荷軸受接続部と、前記支持環を下方から支持しつつ、前記支持環を駆動し、前記負荷軸受を介して前記回転軸の傾斜を調整する駆動部とを備え、前記回転軸に設置された供試軸受に対して荷重を負荷する軸受試験装置の制御方法であって、前記駆動部にかかる負荷を測定するステップと、測定された前記負荷に基づいて、前記負荷軸受接続部に減衰力特性を発揮させるステップとを備える。

本発明によれば、駆動部にかかる負荷に対応して、支持部材が支持環の荷重を支持することで、駆動部や回転軸の損傷を防止することができる。また、別の本発明によれば、駆動部にかかる負荷に対応して、負荷軸受接続部の減衰特性を用いることで、供試軸受や回転軸へ伝わる負荷の増大を防止できる。

本発明の第１実施形態に係る軸受試験装置を示す縦断面図である。同実施形態に係る軸受試験装置を示す概略説明図である。同実施形態に係る軸受試験装置のピン及び支持用アクチュエータを示す縦断面図である。同実施形態に係る軸受試験装置のピン及び支持用アクチュエータを示す縦断面図である。同実施形態に係るロードセルにかかる負荷と時間の関係を示すグラフである。同実施形態に係る軸受試験装置の動作を示すフローチャートである。本発明の第２実施形態に係る軸受試験装置の動作を示すフローチャートである。本発明の第３実施形態に係る軸受試験装置の動作を示すフローチャートである。

以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図６を用いて説明する。
軸受試験装置１は、試験対象である軸受１６（以下「供試軸受１６」という。）を試験用の回転軸１５に挿入して回転軸１５の中間部分に設置し、回転軸１５を軸心周りに回転させながら、供試軸受１６の静特性，動特性を測定し解析する。特に、本実施形態の軸受試験装置１は、蒸気タービンやガスタービン等に用いられる、例えば直径30インチを越える回転軸を試験用の回転軸１５として用いる場合に適している。

軸受試験装置１は、図１及び図２に示すように、支持環２と、空気ばね４と、ロードセル５と、負荷軸受６と、支持用アクチュエータ１０と、ピン１１と、回転軸１５と、制御部２０などからなる。

回転軸１５は、回転駆動部（図示せず。）と接続されており、回転駆動部の駆動によって、軸心周りに回転する。回転軸１５には、図２に示すように、供試軸受１６が挿入され、回転軸１５の中間部分に供試軸受１６が設置される。供試軸受１６は、軸受用台座（図示せず。）に設置されており、内周面で回転軸１５を支持する。その結果、供試軸受１６には、図２に示すように、下向き矢印の荷重がかかる。

支持環２は、リング状であって、回転軸１５の両端に設けられ、内周側に回転軸１５が挿入される。支持環２の内周側上方には、負荷軸受接続部７が設けられ、負荷軸受接続部７を介して負荷軸受６が設置される。

負荷軸受６は、内周面が回転軸１５に対応した曲面を有し、試験時に回転軸１５と接触する。負荷軸受接続部７は、支持環２と負荷軸受６とを接続する。負荷軸受接続部７は、減衰力可変ダンパであり、弾性的特性と減衰力特性との切換えが可能である。負荷軸受接続部７にＭＲ流体（Magnetorheological fluid）を用いることによって、装置の規模を大きくすることなく、かつ、高い応答性によって減衰力を発揮することができる。負荷軸受接続部７への磁場の発生は、電磁誘導によって行う。なお、永久磁石と機械的機構によって、負荷軸受接続部７に磁場を発生させてもよい。磁場が大きいとＭＲ流体の粘度が高くなって、減衰が大きくなり、減衰力特性を発揮する。一方、磁場が小さいと、粘度が小さくなり、減衰が小さくなって弾性的特性を発揮する。

また、支持環２は、空気ばね４及び台座３によって下方から支持されている。
台座３は、設置面に設置され、空気ばね４を支持する。空気ばね４は、一つの支持環２に２台設置され、軸受試験装置１では、合計４台設置される。空気ばね４は、支持環２を下方から支持する。空気ばね４がそれぞれ駆動することによって、負荷軸受６が回転軸１５を押圧する力が変化する。その結果、支持環２の高さを調整することができ、回転軸１５の傾斜量を制御できる。空気ばね４が何らかの理由によって駆動できないと、支持環２が大きく傾き、回転軸１５のバランスが崩れて、回転軸１５や供試軸受１６が損傷するおそれがある。
台座３と空気ばね４の間にはロードセル５が設けられる。ロードセル５は、空気ばね４が支持環２から受ける荷重を測定する。

支持環２の外周面側方には、プレート材８がつば状に設置される。プレート材８は、平板状の部材であり、支持環２の荷重に耐えることができる。プレート材８の下部には、台座３によって支持される支持台９が設置され、プレート材８を受けることができる。組立時には、支持台９の上に直接プレート材８が設置される場合があるが、通常運転時には、プレート材８と支持台９は離隔している。通常運転時にプレート材８が支持台９まで落下すると、回転軸１５のバランスが崩れて、回転軸１５や供試軸受１６が損傷するおそれがある。

支持台９には、上部においてピン１１が設けられる。ピン１１は、通常運転時に、図３に示すように、支持台９の内部に収容されており、駆動すると、図４に示すように、上方へ突出し、支持環２を支持する。

ピン１１は、支持用アクチュエータ１０によって駆動される。通常運転時に空気ばね４が損傷等によって駆動しなくなり、ロードセル５が、予め定められた許容範囲を超えるような異常な荷重を検知したとき（例えば図５参照）、制御部２０は、回転軸の損傷等のおそれがある荷重が駆動部にかかったと判断する。そして、制御部２０は、支持用アクチュエータ１０へ制御信号を送信し、支持用アクチュエータ１０によってピン１１を駆動させる。その結果、ピン１１が支持環１０を支持台９よりも高い位置で支持することができ、回転軸１５を大きく傾かせることなく、回転軸１５のバランスを保持できる。

なお、本発明の支持部材は、ピン１１の例に限定されず、例えば板状部材が突出して支持環２をしてもよい。また、支持部材の設置場所は、上述の例に限定されず、支持環２と台座３の間であって、回転軸１５を大きく傾かせることなく支持環２を保持できれば、どこでもよい。

次に、図６を参照して、本実施形態に係る軸受試験装置１の制御方法について説明する。
試験が開始されると、ロードセル５によって支持環２の荷重が測定される（ステップＳ１１）。荷重が第１許容範囲内であれば（ステップＳ１２）、試験が継続される（ステップＳ１３）。そして、試験が終了するまで、荷重測定をしながら、荷重が第１許容範囲内であるか否かが判断されつつ、試験が継続される（ステップＳ１４）。

一方、荷重が第１許容範囲を超えたと判断されると（ステップＳ１２）、軸受試験装置１のオペレータへモニター等を通じて警告表示を行う（ステップＳ１５）。これにより、オペレータは、異常を検知し、試験の継続が可能であるか否かを判断できる（ステップＳ１６）。図５では、支持環２のバランスが崩れて、ロードセル５で測定された荷重が許容範囲を超えて軽くなっている場合を示す。なお、支持環２のバランスの崩れる方向によっては、図５の例とは反対に、ロードセル５で測定される荷重が許容範囲よりも重くなる場合もある。

上限が第１許容範囲の上限よりも大きく設定され、下限が第１許容範囲の下限よりも小さく設定された第２許容範囲内であれば（ステップＳ１７）、負荷軸受接続部７がＭＲ流体によって減衰力特性を発揮して（ステップＳ１８）、回転軸１５の振動を減衰させる（ステップＳ１９）。さらに、荷重が第２許容範囲を超えたと判断されると（ステップＳ１７）、ピン１１を駆動して（ステップＳ２０）、ピン１１が支持環２を支持する（ステップＳ２１）。なお、第１許容範囲と第２許容範囲は、軸受試験装置１の製造時や測定開始前などに、準備試験やシミュレーション等によって予め定められた範囲である。このように、２段階監視とすることで、異常の規模に応じて適切な対処が可能となる。

次に、図７を参照して、本発明の第２実施形態に係る軸受試験装置１の動作について説明する。上記の第１実施形態では、負荷軸受接続部７にＭＲ流体を用いる場合について説明したが、本発明は、この例に限定されない。例えば、負荷軸受接続部７に皿ばねを使用してもよい。このときは、負荷軸受接続部７は弾性的特性のみを発揮し、軸受試験装置１は、図７に示す動作を行う。

すなわち、試験が開始されると、ロードセル５によって支持環２の荷重が測定される（ステップＳ１１）。荷重が第２許容範囲内であれば（ステップＳ１７）、試験が継続される（ステップＳ１３）。そして、試験が終了するまで、荷重測定をしながら、荷重が第２許容範囲内であるか否かが判断されつつ、試験が継続される（ステップＳ１４）。なお、ここでの第２許容範囲は、図６で説明した第２許容範囲と異なる値でもよい。

一方、荷重が第２許容範囲を超えたと判断されると（ステップＳ１７）、軸受試験装置１のオペレータへモニター等を通じて警告表示を行う（ステップＳ１５）。これにより、オペレータは、異常を検知し、試験の継続が可能であるか否かを判断できる（ステップＳ１６）。また、ピン１１を駆動して（ステップＳ２０）、ピン１１が支持環２を支持する（ステップＳ２１）。

次に、図８を参照して、本発明の第３実施形態に係る軸受試験装置１の動作について説明する。上記の第１実施形態では、負荷に応じてピン１１を駆動する場合について説明したが、本発明は、この例に限定されない。例えば、負荷軸受接続部７にＭＲ流体を用いるが、ピン１１を駆動しない動作を行ってもよい。このとき、軸受試験装置１は、図８に示す動作になる。

すなわち、試験が開始されると、ロードセル５によって支持環２の荷重が測定される（ステップＳ１１）。荷重が第１許容範囲内であれば（ステップＳ１２）、試験が継続される（ステップＳ１３）。そして、試験が終了するまで、荷重測定をしながら、荷重が第１許容範囲内であるか否かが判断されつつ、試験が継続される（ステップＳ１４）。なお、ここでの第１許容範囲は、図６で説明した第１許容範囲と異なる値でもよい。

一方、荷重が第１許容範囲を超えたと判断されると（ステップＳ１２）、軸受試験装置１のオペレータへモニター等を通じて警告表示を行う（ステップＳ１５）。これにより、オペレータは、異常を検知し、試験の継続が可能であるか否かを判断できる（ステップＳ１６）。また、負荷軸受接続部７がＭＲ流体によって減衰力特性を発揮して（ステップＳ１８）、回転軸１５の振動を減衰させる（ステップＳ１９）。

以上、本実施形態によれば、空気ばね４にかかる負荷に対応して、ピン１１が支持環２の荷重を支持することで、空気ばね４や回転軸１５の損傷を防止することができる。また、空気ばね４にかかる負荷に対応して、負荷軸受接続部７の減衰特性を用いることで、供試軸受１６や回転軸１５へかかる負荷の増大を防止できる。

１軸受試験装置
２支持環
３台座
４空気ばね（駆動部）
５ロードセル（負荷測定部）
６負荷軸受
７負荷軸受接続部
８プレート材
９支持台
１０支持用アクチュエータ（支持用駆動部）
１１ピン（支持部材）
１５回転軸
１６供試軸受
２０制御部（負荷軸受制御部）

Claims

軸心周りに回転可能な回転軸に設置された供試軸受に対して荷重を負荷する軸受試験装置であって、
前記回転軸の両端に設置される支持環と、
前記支持環の内周側に設けられ、前記回転軸と接触する負荷軸受と、
前記支持環を下方から支持しつつ、前記支持環を駆動し、前記負荷軸受を介して前記回転軸の傾斜を調整する駆動部と、
前記駆動部にかかる負荷を測定する負荷測定部と、
前記支持環の荷重を支持する支持部材と、
測定された前記負荷が予め定められた第２許容範囲を超えるとき、前記支持部材を駆動して前記支持部材によって前記支持環を支持させる支持用駆動部と、
を備える軸受試験装置。
前記支持環と前記負荷軸受との間に設けられ、弾性的特性と減衰力特性のいずれか一方を発揮させることが可能な負荷軸受接続部を更に備え、
測定された前記負荷が、前記第２許容範囲よりも小さい予め定められた第１許容範囲を超え、かつ、前記第２許容範囲以内であるとき、前記負荷軸受接続部に減衰力特性を発揮させる負荷軸受制御部を更に備える請求項１に記載の軸受試験装置。
前記負荷測定部で測定された負荷が、前記第１許容範囲を超え、かつ、前記第２許容範囲以内で前記負荷軸受接続部に減衰力特性を発揮させた後、前記第２許容範囲を超える負荷が測定されたとき、前記支持部材を駆動させる請求項２に記載の軸受試験装置。
軸心周りに回転可能な回転軸に設置された供試軸受に対して荷重を負荷する軸受試験装置であって、
前記回転軸の両端に設置される支持環と、
前記支持環の内周側に設けられ、前記回転軸と接触する負荷軸受と、
前記支持環と前記負荷軸受との間に設けられ、弾性的特性と減衰力特性のいずれか一方を発揮させることが可能な負荷軸受接続部と、
前記支持環を下方から支持しつつ、前記支持環を駆動し、前記負荷軸受を介して前記回転軸の傾斜を調整する駆動部と、
前記駆動部にかかる負荷を測定する負荷測定部と、
測定された前記負荷が、予め定められた第１許容範囲を超えるとき、前記負荷軸受接続部に減衰力特性を発揮させる負荷軸受制御部と、
を備える軸受試験装置。
軸心周りに回転可能な回転軸の両端に設置される支持環と、前記支持環の内周側に設けられ、前記回転軸と接触する負荷軸受と、前記支持環を下方から支持しつつ、前記支持環を駆動し、前記負荷軸受を介して前記回転軸の傾斜を調整する駆動部とを備え、前記回転軸に設置された供試軸受に対して荷重を負荷する軸受試験装置の制御方法であって、
前記駆動部にかかる負荷を測定するステップと、
測定された前記負荷が予め定められた第２許容範囲を超えるとき、前記支持環の荷重を支持する支持部材を駆動するステップと、
を備える軸受試験装置の制御方法。
軸心周りに回転可能な回転軸の両端に設置される支持環と、前記支持環の内周側に設けられ、前記回転軸と接触する負荷軸受と、前記支持環と前記負荷軸受との間に設けられ、弾性的特性と減衰力特性のいずれか一方を発揮させることが可能な負荷軸受接続部と、前記支持環を下方から支持しつつ、前記支持環を駆動し、前記負荷軸受を介して前記回転軸の傾斜を調整する駆動部とを備え、前記回転軸に設置された供試軸受に対して荷重を負荷する軸受試験装置の制御方法であって、
前記駆動部にかかる負荷を測定するステップと、
測定された前記負荷が、予め定められた第１許容範囲を超えるとき、前記負荷軸受接続部に減衰力特性を発揮させるステップと、
を備える軸受試験装置の制御方法。