JP6380720B1 - 転動装置の診断方法 - Google Patents

Abstract

外方部材と、内方部材と、転動体とを備える転動装置の診断方法であって、外方部材と、転動体と、内方部材とから構成される電気回路に交流電圧を印加し、交流電圧の印加時の電気回路のインピーダンスおよび位相角を測定し、測定したインピーダンスおよび位相角に基づき、外方部材と転動体の間または内方部材と転動体の間の少なくとも一つにおける潤滑膜厚さおよび金属接触割合を算出する。

Description

本発明は、転動装置の診断方法に関する。

軸受の如き転動装置は、自動車、各種産業機械など幅広い産業分野にて利用されている。転動装置の内部の潤滑状態を把握することは、機械の円滑な動作、転動装置の寿命の確保などの観点から極めて重要な事項であり、適切に把握することにより、各種潤滑剤（油、グリースなど）の供給や転動装置の交換等のメンテナンスを、過不足無く最適な時期に行うことができる。しかしながら、潤滑状態を直接目視により観察することは困難であるため、転動装置の診断方法として、振動、音、油膜状態をモニタリングする方法が提案されている。

特許文献１は、交流電圧を転動装置の回転輪に対して非接触な状態で印加し、測定した静電容量を用いて軸受の油膜状態の推定ができる。すなわち、油膜をコンデンサーとみなして電気的な等価回路をモデル化し、転動装置の回転輪に対して非接触な状態で交流電圧を印加し、油膜の静電容量を測定する。静電容量と油膜厚さ（潤滑膜厚さ）は相関関係があるため、この相関関係から油膜の状態を推定するものである。

日本国特許第４９４２４９６号公報

特許文献１に開示の技術によれば、油膜厚さを測定することは可能である。しかしながら、この方法では油膜厚さのみの算出が可能であり、その他の潤滑状態に影響を与える要素について把握することは困難である。

本発明は、潤滑膜厚さだけでなく金属接触割合をも考慮して転動装置の潤滑状態を把握することを可能とする転動装置の診断方法を提供する。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
本発明の診断方法は、外方部材と、内方部材と、転動体とを備える転動装置の診断方法であって、前記外方部材と、前記転動体と、前記内方部材とから構成される電気回路に交流電圧を印加し、前記交流電圧の印加時の前記電気回路のインピーダンスおよび位相角を測定し、測定した前記インピーダンスおよび前記位相角に基づき、前記外方部材と前記転動体の間または前記内方部材と前記転動体の間の少なくとも一つにおける潤滑膜厚さおよび金属接触割合を算出する。

本発明によれば、転動装置における潤滑膜厚さだけでなく金属接触割合をも把握することが可能であり、より詳細にかつより正確に転動装置の潤滑状態を診断することが可能となる。

図１は、外輪または内輪と転動体の接触領域を示す概念図であり、（ａ）は接触領域の構造をモデル化したモデル図を示し、（ｂ）は（ａ）のモデルに対応した電気回路（等価回路）を示す。 図２は、外輪または内輪と転動体の接触領域における表面における凹凸を示す概念図である。 図３は、軸受装置の診断における電気回路（等価回路）の図を示す。 図４は、試験装置の概略図である。 図５は、軸受装置の診断の工程を示すフローチャート図である。 図６は、実施例における潤滑膜厚さおよび金属接触割合の経時変化を示すグラフである。

以下、本発明に係る転動装置の診断方法の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、診断対象となる転動装置としての軸受装置の概念図である。軸受装置１０は、固定された外輪（外方部材）１と、図示せぬ回転軸に嵌合する回転側輪である内輪（内方部材）３と、外輪１の内周面に形成された軌道面と内輪３の外周面に形成された軌道面との間に介在する複数個の転動体５を備える。さらに外輪１と転動体５の間、および内輪３と転動体５の間には、潤滑のために供給された油、グリース等の潤滑剤からなる油膜（潤滑膜）９が存在する。軸受装置１０は、自動車、二輪車、鉄道車両などの如き移動体や、産業機械、工作機械などに適用されるが、適用される装置は特に限定されない。また、本図では、内輪側に回転軸が存在するいわゆる内輪回転型の軸受装置１０を示しているが、本願発明はこれには限定されず、外輪側に回転軸が存在するいわゆる外輪回転型の軸受装置にも適用可能である。

本発明の発明者は、特に、外輪１と転動体５の間または内輪３と転動体５の接触領域において、図１（ａ）のような接触領域の構造をモデル化したモデル図を検討するに至った。すなわち、このような接触領域においては、外輪１、内輪３、転動体５などの各部材が油膜（潤滑剤）に覆われている部分のみならず、金属、すなわち外輪１、内輪３、転動体５などの各部材を構成する金属が接触し合う金属接触部が存在する。そこで、特定範囲の接触領域の全体面積をＳと仮定し、この金属部分の接触領域中の油膜で覆われている面積と金属の接触が生じている面積の割合を１−α：αと仮定した。このとき、金属が接触し合う金属接触部７の面積はαＳとなる。ｈは油膜９の厚さである潤滑膜厚さ（油膜厚さ）を示す。

ここで、図１（ａ）における外輪１と転動体５の接触領域の拡大図に示すように、油膜９を誘電体と捉え、外輪１と転動体５を電極と考えると、油膜９はコンデンサＣ_１を形成する。油膜９は同時に抵抗Ｒ_１をも有している。油膜（潤滑膜）９も電流が流れる際には、油膜（潤滑膜）９は抵抗成分を有しており、コンデンサとして作用するのみならず、抵抗としても作用するのが妥当である。

一方、金属が接触し合う金属接触部７は抵抗Ｒ_２を有している。この結果、図１（ｂ）に示すような、図１（ａ）のモデルに対応した電気回路（等価回路）Ｅ１（外輪１または内輪３と転動体５により形成される回路）が導かれる。油膜９は、コンデンサＣ_１（静電容量Ｃ_１）と抵抗Ｒ_１（抵抗値Ｒ_１）の並列回路を形成し、当該並列回路と、金属接触部７が形成する抵抗Ｒ_２（抵抗値Ｒ_２）が並列に接続される。後述するように、本発明は、この電気回路を用いて、潤滑膜厚さのみならず、接触領域の全体面積に対して金属接触部７が占める面積の割合である金属接触割合αを算出し、転動装置の潤滑状態を診断することが可能である。

図２は、外輪１または内輪３と転動体５がなす接触領域の拡大図を示す。外輪１、内輪３、転動体５の表面は滑らかに研磨されているが、ミクロ的に見ると、本図のように細かい凹凸が生じている。このような凹凸により生ずる空間に油膜９が形成されており、また、破線で示すように、外輪１または内輪３と転動体５が直接接触する部分により金属接触部７が形成される。また、潤滑膜厚さｈは、所定の範囲の接触領域における油膜９の平均的な厚さより得られる。

図３は、軸受装置１０の診断における一実施形態の電気回路（等価回路）の図を示す。上述した様に、各転動体５について、外輪１または内輪３との間に図１（ｂ）に示す様な電気回路（等価回路）Ｅ１が形成されている。各転動体５は、外輪１および内輪３の双方に接触しているため、図３に示すように、各転動体５について、二つの電気回路Ｅ１（外輪１−転動体５間および内輪３−転動体５間）が直列接続された電気回路（等価回路）Ｅ２が形成される。

さらに、軸受装置１０にｎ個の転動体５が設けられている場合、電気回路Ｅ２がｎ個並列に接続されることになる。よって、図３に示すように、ｎ個全ての転動体５を含む軸受装置１０は電気回路（等価回路）Ｅ３を形成することになる。本実施形態の軸受装置１０の診断に際しては、軸受装置１０に、コイルのインダクタンスＬ、抵抗Ｒを直列接続した状態で軸受装置１０の外輪１と内輪３の間に、電源から交流電圧を印加するため、図３に示す全体の電気回路（等価回路）Ｅ４が形成される。ただし、コイルのインダクタンスＬ、抵抗Ｒの接続はあくまで一実施形態であり、電気回路（等価回路）Ｅ４の採用は必須ではない。

交流電圧の周波数は、１Ｈｚ以上であり、かつ、１ＧＨｚ未満であることが望ましい。周波数が１Ｈｚ未満または１ＧＨｚ以上であると、測定されるインピーダンスおよび位相角（後述）に接触域外の情報（ノイズ）が多く含まれるため、接触域内の情報が正確に得られなくなるおそれがある。また、交流電圧の電圧については、１μＶ以上であり、かつ、１００Ｖ未満であることが望ましい。電圧が１μＶ未満であると、軸受装置１０に電流が流れないためモニタリングできず、また、１００Ｖ以上であると、軸受装置１０が電食を起こす危険性がある。

以下、具体的な方法について説明する。本実施形態における軸受装置１０の診断方法は、図３にも示したように、軸受装置１０に交流電圧を印加し、潤滑膜厚さｈと金属接触割合αを求めることにより、軸受装置１０の状態診断を行う。図３の電気回路Ｅ４を用いた場合、潤滑膜厚さｈと金属接触割合αは、次式（１）、（２）により導かれる。

各記号は以下の意味である。
ω：交流電圧の周波数
ε_１：潤滑剤の誘電率
Ｓ：各接触領域を接触楕円に近似した場合の各接触楕円の面積の平均値
ｎ：軸受装置１０の転動体５の数（玉数）
Ｚ：電気回路Ｅ４全体のインピーダンス
θ：位相角
Ｒ_２０：完全に油膜９がない状態における金属接触部７の抵抗
θ_１：完全に油膜９がある状態（金属部分の接触領域がない状態）における位相角
Ｌ：軸受装置１０に直列接続されているインダクタンスＬ
Ｒ：軸受装置１０に直列接続されている抵抗Ｒ

上述した様に、潤滑膜厚さｈは、軸受装置１０の外輪１または内輪３と転動体５との全接触領域における油膜９の平均的な厚さである。金属接触割合αは、この全接触領域に対する金属接触部７の面積の割合である。

図４は、試験装置の一例の概略図である。軸受装置１０を貫通する駆動軸の一端が回転コネクタ１２を介して、一般的なＬＣＲメーター２０（交流電圧も兼ねる）に接続されるとともに、駆動軸の他端が駆動用のモーター１４に接続されている。回転コネクタ１２は、駆動軸の一端の回転輪に対してカーボンブラシを取り付けて構成したり、駆動軸にスリップリングを取り付けたりして構成することができるが、特に限定はされない。

軸受装置１０の状態診断は、式（１）、（２）から求められる潤滑膜厚さｈと金属接触割合αを用いて行う。図５は、図４の試験装置を用いた、軸受装置１０の状態診断方法の工程を示すフローチャート図である。まず、モーター１４を駆動して駆動軸を回転させた状態で、オペレータは、ＬＣＲメーター２０に交流電圧の周波数ω、交流電圧の電圧Ｖを入力する（ステップＳ１）。入力を受けて、ＬＣＲメーター２０がインピーダンスＺ、位相角θを出力する（ステップＳ２）。この出力を受けて、図示せぬコンピュータ等が、（１）、（２）式より、潤滑膜厚さｈ、金属接触割合αを算出する（ステップＳ３）。ステップＳ２の出力、ステップＳ３の算出は、時系列的に、例えば所定の時間毎に（１秒間隔など）複数回行われる。更にコンピュータ、またはオペレータが、潤滑膜厚さｈ、金属接触割合αより、軸受装置１０を診断する（ステップＳ４）。

外輪１、内輪３、転動体５の表面粗さに対して潤滑膜厚さｈが十分な大きさを有し、金属接触部７が発生しない場合はｈ＞０、α＝０であり、軸受装置１０として理想的な状態である。しかし、実際には潤滑剤、運転条件、運転時間など様々な要因によって、潤滑膜厚さｈ、金属接触割合αは刻々と変化する。潤滑膜厚さｈと金属接触割合αの時間的な変化については、以下のようなケースが考えられる。

（１）潤滑膜厚さｈが増加し、金属接触割合αが減少する。
（２）潤滑膜厚さｈが減少し、金属接触割合αが増加する。
（３）潤滑膜厚さｈが増加し、金属接触割合αも増加する。
（４）潤滑膜厚さｈが減少し、金属接触割合αも減少する。

（１）の状態は、金属接触が生じることによって、内外輪の表面粗さが小さくなる（いわゆるマイルドななじみ）過程を示していると考えられる。

（２）の状態は、転動体５と外輪１および／または内輪３が接触していく過程を示していると考えられる。

（３）の状態は、摩耗によって生じた導通する摩耗粉が二面間（外輪１−転動体５間または内輪３−転動体５間）に侵入することで、二面の隙間が大きくなり、その結果、潤滑膜厚さ（正確には二面間の隙間）ｈが増加し、金属接触割合αも増加する現象を示すと考えられる。つまり、（３）の状態は、摩耗によって導通する摩耗粉が接触領域に侵入する過程を示していると考えられる。

（４）の状態は、摩耗によって生じた導通する摩耗粉が二面間から排除されることで潤滑膜厚さ（正確には二面間の隙間）ｈが減少し、金属接触割合も減少したと考えられる。つまり、（４）の状態は、摩耗によって導通する摩耗粉が接触領域から排除される過程を示していると考えられる。

このように、本実施形態では、外方部材である外輪１と、転動体５と、内方部材である内輪３とから電気回路が構成され、この電気回路に交流電圧を印加することを前提としている。そして、ＬＣＲメーター２０が、交流電圧の印加時の電気回路のインピーダンスＺおよび位相角θを測定して出力する。この測定したインピーダンスＺおよび位相角θに基づき、例えばコンピュータ等の演算装置を用いて、外輪１と転動体５の間または内輪３と転動体５の間の少なくとも一つにおける潤滑膜厚さｈおよび金属接触割合αを算出する。このような値の算出により、簡易にかつ正確に転動装置である軸受装置１０の状態、特に潤滑状態を診断することが可能となる。

特に本実施形態では、インピーダンスＺおよび位相角θを時系列的に複数回測定するとともに、潤滑膜厚さｈおよび金属接触割合を時系列的に複数回算出する。この結果、上記（１）〜（４）に挙げたように、潤滑膜厚さｈおよび金属接触割合αの時間的な変化を把握することができ、この時間的な変化から転動装置の潤滑状態に関する診断を行うことが可能となる。

以下、具体的な実施例について説明する。
潤滑剤としてのポリアルファオレフィン、ＰＡＯ（１７ｍｍ^２／ｓ、４０℃）を封入した内径８ｍｍ、外径２２ｍｍ、高さ７ｍｍの単列深溝玉軸受（銘番：６０８）を用いて、潤滑膜厚さｈおよび金属接触割合αの測定を行った。試験条件は、アキシアル荷重を１９．６Ｎ、回転数を５００ｒｐｍ、温度は常温、潤滑剤の封入量は０．０４ｇであり、図４に示す試験装置を用いて測定した。

図６は、停止状態から回転を開始して１時間後までの、潤滑膜厚さｈおよび金属接触割合αの経時変化を示すグラフである。本試験条件では、潤滑膜厚さｈよりも表面粗さの方が大きいため、回転試験開始直後から金属接触が生じていることがわかる。図６より、試験開始前（停止時）は潤滑膜厚さが０ｎｍ、金属接触割合が１００％であったのに対して、回転試験を開始すると潤滑膜厚さｈが増加し、金属接触割合αが減少していくことがわかる。これは、金属接触が生じることによって内外輪の表面粗さが小さくなる（マイルドななじみ）過程を示していると考えられる。尚、本実施例での各値は以下である。Ｚ_{ｂｅｆｏｒｅ}は、軸受の静止時の電気回路Ｅ４全体のインピーダンスであり、ｃｏｓθ_{ｂｅｆｏｒｅ}は、軸受の静止時の位相角のｃｏｓ成分である。

Ｖ：１．０Ｖ
ω：１ＭＨｚ
ε_１：１．９８
ｎ：７個
Ｒ_２０＝（ｎ／２）（Ｚ_{ｂｅｆｏｒｅ}×ｃｏｓθ_{ｂｅｆｏｒｅ}−Ｒ）
Ｚ_{ｂｅｆｏｒｅ}：４３．４Ω
ｃｏｓθ_{ｂｅｆｏｒｅ}≒０．９９
θ_１：−８９度
Ｌ：０
Ｒ：０
Ｓ：２．９２５７７×１０^−８ｍ^２

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

本出願は、２０１７年１月６日に日本国特許庁に出願した特願２０１７−００１０１９号に基づく優先権を主張するものであり、特願２０１７−００１０１９号の全内容を本出願に援用する。

１ 外輪（外方部材）
３ 内輪（内方部材）
５ 転動体
７ 金属接触部
９ 油膜（潤滑膜）
１０ 軸受装置（転動装置）
１２ 回転コネクタ
１４ モーター
２０ ＬＣＲメーター

Claims (4)

1. 外方部材と、内方部材と、転動体とを備える転動装置の診断方法であって、
   前記外方部材と、前記転動体と、前記内方部材とから構成される電気回路に交流電圧を印加し、
   前記交流電圧の印加時の前記電気回路のインピーダンスおよび位相角を測定し、
   測定した前記インピーダンスおよび前記位相角に基づき、前記外方部材と前記転動体の間または前記内方部材と前記転動体の間の少なくとも一つにおける潤滑膜厚さを算出し、
   測定した前記インピーダンスおよび前記位相角に基づき、前記外方部材と前記転動体の間または前記内方部材と前記転動体の間の少なくとも一つにおける金属接触割合を算出する、転動装置の診断方法。
2. 請求項１に記載の転動装置の診断方法であって、
   前記電気回路のインピーダンスおよび位相角を時系列的に測定するとともに、前記潤滑膜厚さおよび前記金属接触割合を時系列的に算出し、
   前記潤滑膜厚さおよび前記金属接触割合の時間的な変化に基づき、転動装置の潤滑状態に関する診断を行う、転動装置の診断方法。
3. 請求項１に記載の転動装置の診断方法であって、
   前記交流電圧の周波数は１Ｈｚ以上であり、かつ１ＧＨｚ未満である、転動装置の診断方法。
4. 請求項１に記載の転動装置の診断方法であって、
   前記交流電圧は１μＶ以上であり、かつ１００Ｖ未満である、転動装置の診断方法。

Images