JP6605865B2 - 転がり軸受の状態監視装置及び転がり軸受の状態監視方法 - Google Patents

Description

この発明は、転がり軸受の状態監視装置及び転がり軸受の状態監視方法に関し、特に、風力発電装置の主軸や増速機等に用いられ得る転がり軸受の状態監視技術に関する。

特開２０１０−１５９７１０号公報（特許文献１）は、風力発電装置の主軸軸受（転がり軸受）の状態を監視する監視装置を開示する。この監視装置は、荷重検出手段と、判定手段とを備える。荷重検出手段は、主軸軸受に作用する負荷荷重を検出する。判定手段は、荷重検出手段の検出信号を判定情報の一つとして用いて、上記主軸軸受に関する所定の判定、たとえばメンテナンス必要時期の判定を行なう。

この監視装置によれば、風力発電装置における主軸軸受のメンテナンス必要時期の予測等の判定を精度良く行なうことができる（特許文献１参照）。

特開２０１０−１５９７１０号公報

風力発電装置の主軸軸受のように、交換が容易ではなく、かつ、比較的低速条件で使用される軸受（転がり軸受）は、損傷が発生しても継続使用されることが多い。そのために、このような軸受については、損傷の進展に応じた軸受交換時期の明確化が課題となっている。

低速条件で使用される転がり軸受については、損傷が進展しても、装置の構成部品（たとえば、風力発電装置において主軸に連結される増速機など）が損壊する程までには振動は増大しない。しかしながら、損傷が進展することにより内外輪間の相対変位（固定輪に対する回転輪のぶれを示す。）が増大すると、軸受が支持している部品の変位による弊害が生じ、軸受が支持している部品とそれに隣接する部品との異常接触や、歯車の噛み合い不良等を生じ得る。たとえば、風力発電装置の場合には、主軸軸受の損傷による内外輪間の相対変位の増大は、主軸に連結される増速機の歯車の噛み合い不良等を生じ得る。したがって、風力発電装置の主軸軸受のような低速条件で使用される転がり軸受については、内外輪間の相対変位に基づいて軸受の交換時期を決定するのが望ましい。

なお、このような低速条件で使用される転がり軸受としては、風力発電装置用の軸受のほか、たとえば、潮力発電装置用の軸受や、大型の圧延ローラやガイドローラ用の軸受等が想定される。

軸受の交換時期の根拠とする内外輪間の相対変位の許容量については、軸受が支持する部品に基づいて決定し得るが、この場合は、軸受が支持する部品の寸法精度に加えて、部品の組立精度や温度分布等も考慮する必要があり、軸受が支持する部品から内外輪間の相対変位の許容量を決定するのは容易ではない。

上記特許文献１に記載の監視装置は、風力発電装置における主軸軸受のメンテナンス必要時期の判定を精度良く行なうことができる一手法を提供するものとして有用であるけれども、損傷が生じつつも継続使用される軸受の交換時期の明確化については、精度改善の余地がある。

本願発明者らは、軸受交換時期の明確化を実現するにあたり、転がり軸受の損傷の進展について種々の検討及び実験を行なった結果、静止輪に対する転動体の総通過回数（転がり軸受の総回転回数に比例する。）の増加に応じて内外輪間の相対変位が段階的に増大し、所定の段階から相対変位が軸受支持部品に影響を与え得るほど急激に増大することの知見を得た。そして、本願発明者らは、さらに検討を深めた結果、転がり軸受の損傷について、段階的に増大する相対変位の各段階における損傷状況と損傷の進展メカニズムについて知見を得るに至った。

それゆえに、この発明の主たる目的は、転がり軸受の損傷状況を把握して軸受交換時期を明確化可能な転がり軸受の状態監視装置及び状態監視方法を提供することである。

この発明によれば、転がり軸受の状態監視装置は、ラジアル荷重を受けて使用される転がり軸受の状態監視装置であって、変位検出部と、診断部とを備える。変位検出部は、転がり軸受の内外輪間のラジアル方向の相対変位を検出する。診断部は、ラジアル荷重が一定範囲内であるとの条件を含む所定条件下における、転がり軸受の総回転回数に関連する物理量の増加に応じた上記相対変位の段階的な増大パターンに従って、転がり軸受の状態を診断する。

このような構成とすることにより、内外輪間の相対変位の段階的な増大パターンに応じて軸受の損傷状況を把握し、相対変位が軸受支持部品に影響を与え得るほど急激に増大する時点を軸受交換時期として定めることができる。

したがって、この転がり軸受の状態監視装置によれば、転がり軸受の損傷状況を把握して軸受交換時期を明確化することができる。

なお、転がり軸受の総回転回数に関連する物理量は、転がり軸受の総回転回数のほか、静止輪に対する複数の転動体の総通過回数或いは総負荷回数や、転がり軸受の総運転時間等を含む。

好ましくは、診断部は、転がり軸受の静止輪の軌道面に生じた損傷の進展に応じて順次生じる第１から第３の段階（ステージ１〜３）を、内外輪間の相対変位の増大パターンに従って判別する。ここで、第１の段階（ステージ１）は、転がり軸受が正常であるとき（ステージ０）の相対変位から、上記物理量の増加に応じて相対変位が増大する段階である。第２の段階（ステージ２）は、第１の段階（ステージ１）に続いて、上記物理量の増加に応じて相対変位が増大傾向を示さない段階である。第３の段階（ステージ３）は、第２の段階（ステージ２）に続いて、上記物理量の増加に応じて相対変位が増大する段階である。

好ましくは、診断部は、転がり軸受が第３の段階（ステージ３）であると判定すると、転がり軸受の交換時期であると診断する。

好ましくは、所定条件は、転がり軸受の回転速度が一定範囲内であるとの条件をさらに含む。

好ましくは、所定条件は、転がり軸受の温度が一定範囲内であるとの条件をさらに含む。

好ましくは、変位検出部は、相対変位を検出する変位センサを含む。
好ましくは、変位検出部は、転がり軸受の加速度、速度、転がり軸受から生じる音、及び転がり軸受に生じる応力のうちの少なくとも１つの測定値と内外輪間の相対変位との予め準備された関係を用いて、上記測定値に基づいて相対変位を間接的に検出する。

また、この発明によれば、転がり軸受の状態監視方法は、ラジアル荷重を受けて使用される転がり軸受の状態監視方法であって、転がり軸受の内外輪間のラジアル方向の相対変位を検出するステップと、ラジアル荷重が一定範囲内であるとの条件を含む所定条件下における、転がり軸受の総回転回数に関連する物理量の増加に応じた上記相対変位の段階的な増大パターンに従って、転がり軸受の状態を診断するステップとを含む。

好ましくは、診断するステップは、転がり軸受の静止輪の軌道面に生じた損傷の進展に応じて順次生じる第１から第３の段階（ステージ１〜３）を、内外輪間の相対変位の増大パターンに従って判別するステップを含む。第１の段階（ステージ１）は、転がり軸受が正常であるとき（ステージ０）の相対変位から、上記物理量の増加に応じて相対変位が増大する段階である。第２の段階（ステージ２）は、第１の段階（ステージ１）に続いて、上記物理量の増加に応じて相対変位が増大傾向を示さない段階である。第３の状態（ステージ３）は、第２の段階（ステージ２）に続いて、上記物理量の増加に応じて相対変位が増大する段階である。

この発明によれば、転がり軸受の損傷状況を把握して軸受交換時期を明確化可能な転がり軸受の状態監視装置及び状態監視方法を提供することができる。

この発明の実施の形態による状態監視装置によって監視される転がり軸受の断面図と、状態監視装置のブロック図とを併せて示した図である。 負荷域中央に初期損傷が発生した直後の状態を示した図である（ステージ１）。 負荷域中央に発生した初期損傷が軌道面の幅方向全域に拡大した状態を示した図である（ステージ２）。 負荷域中央に発生した損傷が軌道面の周方向にさらに拡大した状態を示した図である（ステージ３）。 初期損傷部から離れた位置に新たなフレーキングが発生した様子を示した図である。 無負荷の転動体数と内外輪間の相対変位との関係を示した図である。 一定のラジアル荷重の下で、複数の転動体から内輪が受ける総負荷回数と、内外輪間の相対変位との関係を調べた実験結果の一例を示す図である。 一定のラジアル荷重の下で、総負荷回数と、内外輪間の相対変位との関係を調べた実験結果の他の例を示す図である。 一定のラジアル荷重の下で、総負荷回数と、内外輪間の相対変位との関係を調べた実験結果のさらに他の例を示す図である。 図１に示す診断部により実行されるステージ判定処理の手順を説明するための第１のフローチャートである。 図１に示す診断部により実行されるステージ判定処理の手順を説明するための第２のフローチャートである。 内外輪間の相対変位の移動平均値とその２回微分値との時間推移を示した図である。 この実施の形態に従う転がり軸受の状態監視装置が適用される風力発電装置の構成を概略的に示した図である。 玉軸受について、一定のラジアル荷重の下で、複数の転動体から内輪が受ける総負荷回数と、内外輪間の相対変位との関係を調べた実験結果を示す図である。 一定のラジアル荷重の下で、複数の転動体から内輪が受ける総負荷回数と、振動加速度（実効値）との関係を示した図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、同一又は対応する要素には同一の符号を付して、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

（転がり軸受及び状態監視装置の構成）
図１は、この発明の実施の形態による状態監視装置によって監視される転がり軸受の断面図と、状態監視装置のブロック図とを併せて示した図である。なお、この実施の形態では、外輪が回転輪のころ軸受によって転がり軸受が構成される場合について代表的に説明されるが、この発明の適用範囲は、このような軸受の状態監視装置に限定されるものではなく、監視対象の転がり軸受は、内輪が回転輪のものであってもよいし、玉軸受等であってもよい。

図１を参照して、転がり軸受１０は、内輪１２と、外輪１６と、複数の転動体１８とを含む。内輪１２は、非回転の軸体１４に外嵌される。外輪１６は、内輪１２の外周側に設けられ、図示しない回転体と一体的に回転する。複数の転動体１８の各々は、円柱形の「ころ」であり、図示されない保持器によって隣接の転動体と等間隔に保持されつつ内輪１２と外輪１６との間に介在する。

内輪１２は、複数の転動体１８のうち負荷域を通過中のものからラジアル荷重を受ける。なお、この実施の形態では、静止輪である内輪１２において、その中心軸よりも鉛直方向上側に負荷域が形成される。そして、内輪１２は、軌道面（内輪１２の外周面）に損傷が発生していない正常状態においては、複数の転動体１８のうち、内輪中心軸の鉛直上方向に位置する負荷域中央を通過している転動体から最大の荷重を受ける。

転がり軸受１０の状態を監視する状態監視装置１００は、変位センサ１０２と、回転センサ１０４と、診断部１０６とを含む。変位センサ１０２は、内輪１２と外輪１６とのラジアル方向の相対変位δを検出するためのセンサである。変位センサ１０２は、軸体１４又は軸体１４に対して変位しない堅牢な構造物に固設され、内輪１２（静止輪）に対する外輪１６（回転輪）の鉛直方向Ｘの変位を検出して診断部１０６へ出力する。回転センサ１０４は、転がり軸受１０の回転速度ｄＮを検出し、その検出値を診断部１０６へ出力する。なお、回転センサ１０４が転がり軸受１０の回転位置を検出し、その検出値に基づいて診断部１０６が回転速度ｄＮを算出してもよい。

診断部１０６は、変位センサ１０２及び回転センサ１０４の各検出値に基づいて、転がり軸受１０の状態を監視し診断する。具体的には、診断部１０６は、変位センサ１０２の検出値に基づいて、内輪１２と外輪１６との間のラジアル方向の最大変位δｘ（図１におけるＸ方向の変位）を検出する。なお、変位センサ１０２によって検出される内外輪間の相対変位δは、複数の転動体１８の公転に伴なって微小変動を繰り返すところ、ここでの最大変位δｘとは、短期的（たとえば、外輪１６の１回転又は複数の転動体１８の１公転等）な相対変位δの最大値である。以下では、この最大変位δｘを、単に「内外輪間の相対変位δｘ」と称する。

また、診断部１０６は、回転センサ１０４の検出値に基づいて、内輪１２（静止輪）が複数の転動体１８から受ける総負荷回数を算出する。総負荷回数とは、内輪１２の軌道面における周方向の任意の箇所（たとえば負荷域中央）において、複数の転動体１８の各々が通過する毎に軌道面が受ける負荷回数の、転がり軸受１０の使用が開始されてからの総数である。総負荷回数は、言い換えれば、内輪１２に対する複数の転動体１８の総通過回数であり、総負荷回数ＴＬは、転がり軸受１０の総回転回数ＴＲ（転がり軸受１０の使用が開始されてからの外輪１６（回転輪）の回転回数の総数を示す。）に基づいて、次式にて算出することができる。

ＴＬ＝ＴＲ×Ｎｃ／ｄＮ×転動体数 …（１）
ここで、Ｎｃは、転動体中心の公転回転速度を示し、転動体１８の直径及びピッチ円径が分かればｄＮから算出可能である。

そして、診断部１０６は、ラジアル荷重が一定範囲内の条件下において、総負荷回数の増加に応じた内外輪間の相対変位δｘの段階的な増大パターンに従って、転がり軸受１０の状態を診断する。すなわち、本願発明者らは、転がり軸受の損傷の進展について種々の検討及び実験を行なった結果、複数の転動体１８から内輪１２（静止輪）が受ける総負荷回数（複数の転動体１８の総通過回数に相当し、軸受の総回転回数に比例する。）の増加に応じて内外輪間の相対変位δｘが段階的に増大し、ある段階から相対変位δｘが軸受支持部品に影響を与え得るほど急激に増大することの知見を得た。そこで以下では、総負荷回数の増加に応じて相対変位δｘが段階的に増大する理由、及び、ある段階から相対変位δｘが急激に増大する理由について説明する。

（相対変位δｘが段階的に増大することの説明）
図２から図４は、転がり軸受１０において、負荷域中央に発生した損傷が進展する様子を示した図である。なお、これらの図では、転がり軸受１０の負荷域中央付近が拡大して示されている。

図２は、負荷域中央に初期損傷が発生した直後の状態を示した図である。初期損傷とは、内輪１２（静止輪）の軌道面に最初に生じる損傷のことである。この初期損傷は、転動体１８と内輪１２（静止輪）の軌道面との接触面圧が最大となる負荷域中央において発生する確率が高く、図２から図４でも、負荷域中央において初期損傷が発生した場合について示されている。

図２を参照して、転動体１８と内輪１２の軌道面との接触面圧が最大となる負荷域中央において、内輪１２の軌道面に初期損傷（Ｄ１−１）が発生している。以下では、負荷域中央に初期損傷が発生する以前の状態を「ステージ０」と称し、負荷域中央に初期損傷が発生した状態（図２）を「ステージ１」と称する。

図３は、負荷域中央に発生した初期損傷が軌道面の幅方向全域に拡大した状態を示した図である。図３を参照して、初期損傷が発生した負荷域中央において、損傷（Ｄ１−２）が軌道面の周方向に拡大しつつ幅方向全域に拡大すると、負荷域中央を通過中の転動体１８は、荷重をほとんど受けない状態（或いは、隣接する転動体に比べて接触面圧が十分に小さい状態であり、以下では、概略的に「無負荷」状態とも称する。）となる。以下では、負荷域中央において初期損傷部が軌道面幅方向全域に拡大することにより（図３）、負荷域中央を通過中の転動体１８が「無負荷」となる状態を「ステージ２」と称する。

図４は、負荷域中央に発生した損傷が軌道面の周方向にさらに拡大した状態を示した図である。図４を参照して、負荷域中央において軌道面の幅方向全域に拡大した損傷は、さらに軌道面の周方向（主に転動体１８の移動下流方向）へと拡大する（Ｄ１−３）。そして、軌道面の周方向への損傷が進展すると、隣接する２つの転動体１８が損傷部に同時に入り込む状況が発生する。以下では、軌道面の周方向へ損傷が進展し、複数の転動体１８が損傷部に同時に入り込むことにより複数の転動体１８が「無負荷」となる状態を「ステージ３」と称する。

以上のような損傷の進展により、内外輪間の相対変位δｘは段階的に増大する。すなわち、負荷域中央において初期損傷が発生してから、その初期損傷が拡大して負荷域中央を通過中の転動体１８が「無負荷」状態になるまで、初期損傷の拡大に伴なって相対変位δｘは増大する（ステージ１）。

負荷域中央を通過中の転動体１８が「無負荷」となる状態（ステージ２）では、内外輪間の相対変位δｘは、初期損傷が生じていることによりステージ０に比べて大きい。しかしながら、隣接する２つの転動体１８が損傷部に同時に入り込むまでに損傷が軌道面周方向に拡大するまでは、相対変位δｘは、ステージ０と同様に総負荷回数の増加に応じて増大傾向を示さない。

そして、隣接する２つの転動体１８が損傷部に同時に入り込むまでに損傷が軌道面周方向に拡大し、複数の転動体１８が同時に「無負荷」となる状態が発生すると（ステージ３）、荷重を受ける転動体数が減少することにより内外輪間の相対変位δｘはさらに増大する。

さらに、複数の転動体１８が同時に「無負荷」状態になると（ステージ３）、内外輪間の相対変位δｘは急激に増大する。この理由は、以下のとおりと考えられる。すなわち、同時に「無負荷」状態となる転動体１８が発生すると、荷重を受ける転動体数がさらに減少することによって各転動体１８が受ける荷重が増大し、その結果、損傷の進展速度が上昇する。これにより、内外輪間の相対変位δｘが急激に増大する。

なお、複数の転動体１８が同時に「無負荷」となる状態は、隣接する２つの転動体１８が損傷部に同時に入り込むまでに損傷が軌道面周方向に拡大する場合に限られず、以下のような場合にも生じ得る。

図５は、初期損傷部から離れた位置に新たなフレーキングが発生した様子を示した図である。図５を参照して、初期損傷の発生後、初期損傷部（Ｄ１）から離れた位置に、損傷の剥離片の噛み込みにより軌道面に生じた圧痕が起点となって新たなフレーキングが発生し得る（Ｄ２）。そして、この新たなフレーキングによる損傷が軌道面幅方向に拡大すると、新たなフレーキングに起因する損傷部と初期損傷部とに複数の転動体１８が同時に進入する状況が発生し得る。この場合にも、荷重を受ける転動体数が複数減少することによって各転動体１８が受ける荷重が増大し、その結果、損傷の進展速度が上昇する。

なお、各転動体１８が受ける荷重の増大は、転動体１８が損傷部に進入する際に、静止輪（内輪１２）に対して回転輪（外輪１６）が変動することによる慣性力も増大させるので、この点からも損傷の進展速度の上昇に寄与する。以上のような理由により、複数の転動体１８が同時に「無負荷」となる状態になると（ステージ３）、内外輪間の相対変位δｘは急激に増大する。

なお、ステージ３においても、理論的には、２つの転動体１８が「無負荷」状態となってから、さらに損傷が拡大することにより、又は新たなフレーキングが発生することにより、３つめの転動体１８が「無負荷」状態となるまで、総負荷回数の増加に応じて相対変位δｘが増大傾向を示さない状態が発生し得る。しかしながら、このような状態になると、多数の無負荷の転動体１８が発生することによってその他の転動体１８が受ける荷重が相当増大し、かつ、複数の転動体１８が損傷部を同時に通過するときに生じる慣性力も相当なものとなり、損傷が連鎖的かつ加速的に進展する。その結果、転動体１８が損傷部を通過する際に同時に無負荷となる転動体数が加速的に増加し、内外輪間の相対変位δｘも加速的に増大することとなる。

図６は、無負荷の転動体数と内外輪間の相対変位δｘとの関係を示した図である。なお、相対変位δｘは、ラジアル荷重の影響を受けるので、この図６では、３段階のラジアル荷重毎に分けて図示されている。

図６を参照して、横軸は、損傷が進展することによって転動体１８が損傷部を通過時に同時に「無負荷」状態となる転動体の数を示す。縦軸は、内外輪間の相対変位δｘを示す。丸印は、ラジアル荷重が９０ｋＮの場合を示し、三角印は、ラジアル荷重が７０ｋＮの場合を示す。四角印は、ラジアル荷重が５０ｋＮの場合を示す。

図示されるように、無負荷の転動体数が増加するに従って、内外輪間の相対変位δｘは加速的に増大する。そして、上述のように、同時に「無負荷」状態となる転動体数が複数になると、損傷の進展速度が上昇することによって「無負荷」状態となる転動体数が加速的に増加し、その結果、相対変位δｘは加速的に増大する。すなわち、ステージ３における相対変位δｘの増大速度は非常に速い。そこで、この実施の形態に従う状態監視装置では、ステージ３が検知されたタイミングを転がり軸受１０の交換時期とし、相対変位δｘが軸受支持部品に影響を与えるほど増大する前に転がり軸受１０を交換可能とする。

（診断部によるステージ判定）
図７は、一定のラジアル荷重の下で、複数の転動体１８から内輪１２が受ける総負荷回数と、内外輪間の相対変位δｘとの関係を調べた実験結果の一例を示す図である。この図７は、負荷域中央に発生した初期損傷が徐々に拡大して、複数の転動体１８が同時に損傷部を通過できる状態、すなわち、複数の転動体１８が同時に「無負荷」状態となる場合の実験結果を示したものである。なお、実験条件としては、転がり軸受１０は、内径１２０ｍｍ、外径２１５ｍｍ、幅４０ｍ、動定格荷重２６０ｋＮの単列円筒ころ軸受とし、この転がり軸受１０に対して、ラジアル荷重９０ｋＮ、回転速度５００回／分を付与した。

図７を参照して、この図では、軸受の負荷域中央に初期損傷が発生してからの総負荷回数と相対変位δｘとの関係が示されており、初期損傷が発生する以前のデータは省略されている。すなわち、総負荷回数がＮ１０に達するまでは、転がり軸受１０に損傷は生じておらず、内外輪間の相対変位δｘも十分に小さい。また、相対変位δｘは、総負荷回数の増加に応じて増大傾向を示さない（図示せず）。診断部１０６（図１）は、総負荷回数がＮ１０までのこのような相対変位δｘの推移に基づいて、転がり軸受１０の状態を「ステージ０（ＳＴＧ０）」であると診断する。

負荷回数がＮ１０に達した時点で、内輪１２（静止輪）の軌道面において、それまで転動体１８との最大接触面圧が最大（Ｐｍａｘ０）であった負荷域中央にてフレーキングによる初期損傷が発生し、総負荷回数の増大に応じて相対変位δｘが増大し始める。診断部１０６は、ステージ０からの相対変位δｘの増大を検知すると、転がり軸受１０の状態が「ステージ１（ＳＴＧ１）」に移行したものと診断する。

その後、総負荷回数がＮ１１を経過すると、相対変位δｘが総負荷回数の増加に応じて増大傾向を示さなくなる。診断部１０６は、ステージ１に続いて、総負荷回数の増加に応じて相対変位δｘが増大傾向を示さない状態が所定期間継続すると、負荷回数がＮ１１に達した後、転がり軸受１０の状態が「ステージ２（ＳＴＧ２）」に移行したものと診断する。

ステージ２の状態がしばらく続いた後、総負荷回数がＮ１２に達する頃に、負荷域中央から軌道面周方向に拡大した損傷の一部が、負荷域中央から転動体１８のピッチだけ離れた位置に到達する。その後、負荷域中央から転動体１８のピッチだけ離れた位置において損傷が軌道面幅方向全域に拡大すると、隣接する２つの転動体１８が同時に「無負荷」状態となり、総負荷回数の増大に応じて相対変位δｘが急激に増大し始める。診断部１０６は、ステージ２に続いてこのような相対変位δｘの急激な増大を検知すると、転がり軸受１０の状態が「ステージ３（ＳＴＧ３）」に移行したものと診断する。

図８は、一定のラジアル荷重の下で、複数の転動体１８から内輪１２が受ける総負荷回数と、内外輪間の相対変位δｘとの関係を調べた実験結果の他の例を示す図である。この図８は、初期損傷部から離れた位置に、損傷の剥離片の噛み込みにより軌道面に生じた圧痕が起点となって新たなフレーキングが発生し、その新たなフレーキングに起因する損傷部と初期損傷部とに複数の転動体１８が同時に進入する状態となる場合の実験結果を示したものである。なお、実験条件は、図７に示した実験時の条件と同じである。

図８を参照して、ステージ２（ＳＴＧ２）へ至るまでの状況は、図７に示した結果と同じである。ステージ２の状態がしばらく続いた後、総負荷回数がＮ２２に達する頃に、初期損傷部から離れた位置に、損傷の剥離片の噛み込みにより軌道面に生じた圧痕が起点となって新たなフレーキングが発生し、相対変位δｘが増加し始める。その後、この新たなフレーキングによる損傷が軌道面周方向に拡大しつつ幅方向全域に拡大すると、隣接する２つの転動体が同時に「無負荷」状態となり、総負荷回数の増大に応じて相対変位δｘが急激に増大し始める。診断部１０６は、ステージ２に続いてこのような相対変位δｘの急激な増大を検知すると、転がり軸受１０の状態がステージ３（ＳＴＧ３）に移行したものと診断する。

図９は、一定のラジアル荷重の下で、複数の転動体１８から内輪１２が受ける総負荷回数と、内外輪間の相対変位δｘとの関係を調べた実験結果のさらに他の例を示す図である。この図９では、初期損傷部から離れた位置に、損傷の剥離片の噛み込みにより軌道面に生じた圧痕が起点となって新たなフレーキングが発生したものの、そのフレーキングに起因する損傷はそれ程拡大せず、負荷域中央に発生した初期損傷が軌道面周方向に拡大することによって複数の転動体１８が同時に「無負荷」状態となった場合の結果が示される。なお、実験条件は、図７に示した実験時の条件と同じである。

図９を参照して、ステージ２（ＳＴＧ２）へ至るまでの状況は、図７に示した結果と同じである。ステージ２の状態がしばらく続いた後、総負荷回数がＮ３２に達する頃に、初期損傷部から離れた位置に、損傷の剥離片の噛み込みにより軌道面に生じた圧痕が起点となって新たなフレーキングが発生し、相対変位δｘが増加し始める。しかしながら、このフレーキングに起因する損傷はそれ程拡大せず、相対変位δｘの上昇は一旦落ち着き始めている。

その後、総負荷回数がＮ３３に達する頃に、負荷域中央から軌道面周方向に拡大した損傷が負荷域中央から転動体１８のピッチだけ離れた位置に到達し、隣接する２つの転動体１８が同時に「無負荷」状態となることによって、総負荷回数の増大に応じて相対変位δｘが急激に増大し始める。診断部１０６は、ステージ２に続いてこのような相対変位δｘの急激な増大を検知すると、転がり軸受１０の状態がステージ３（ＳＴＧ３）に移行したものと診断する。

このように、総負荷回数の増大に応じて相対変位δｘが増大するパターンは、図７から図９に示したようにいくつか存在するが、いずれのケースも、相対変位δｘについて安定的なステージ２が存在し、ステージ２の状態がしばらく続いた後、総負荷回数の増大に応じて相対変位δｘが急激に増大するステージ３へと移行する。そして、この実施の形態に従う状態監視装置１００では、総負荷回数の増加に応じた相対変位δｘの段階的な増大パターンに従って、転がり軸受１０の状態を診断することとしたものである。

総負荷回数の増大に応じた相対変位δｘの段階的な変化に基づくステージ判定は、たとえば、総負荷回数に応じて測定される相対変位δｘを統計的手法を用いて処理することによって行なうことができる。以下に、一例として、統計的手法を用いたステージ判定処理の手順について説明する。

図１０及び図１１は、図１に示した診断部１０６により実行されるステージ判定処理の手順を説明するためのフローチャートである。図１０を参照して、診断部１０６は、所定の学習期間において、転がり軸受１０の内外輪間の相対変位δｘを測定する（ステップＳ１０）。なお、学習期間とは、転がり軸受１０の状態（ステージ）を判断するためのしきい値を生成する期間であり、この実施の形態では、ステージ０からステージ１への移行を判断するためのしきい値が生成される。

なお、相対変位δｘは、ラジアル荷重の影響を受けるので（図６）、相対変位δｘは、ラジアル荷重が一定範囲内（複数のレベルに層別してもよい。）にあるときに測定される。そして、以下に示される処理は、一定範囲内（或いは、ラジアル荷重が複数のレベルに層別されている場合には層毎）のラジアル荷重に対して実行される。

次いで、診断部１０６は、ステップＳ１０において測定された相対変位δｘのデータから、相対変位δｘの移動平均値の２回微分の標準偏差σ０を算出する（ステップＳ２０）。この標準偏差σ０をしきい値として用いて、学習期間に続く診断期間に測定される相対変位δｘに基づいて、ステージ０からステージ１への移行が判断される。

相対変位δｘの移動平均値の２回微分を用いることによって、ステージの移行を精度よく検出することができる。図１２は、内外輪間の相対変位δｘの移動平均値δｘｍとその２回微分値との時間推移を示した図である。図１２を参照して、学習期間で算出される上記の標準偏差σ０（及びその負値（−σ０））と、学習期間に続く診断期間で測定される相対変位δｘの移動平均値δｘｍの２回微分とを比較することによって、移動平均値δｘｍ（相対変位δｘ）の変化を精度よく検知することができる。これにより、ステージ移行を正確に判断することができる。

再び図１０を参照して、ステップＳ２０において標準偏差σ０が算出されると、診断部１０６は、転がり軸受１０の状態監視を実際に運用する診断期間へ移行する。そして、診断部１０６は、診断期間において、内外輪間の相対変位δｘを測定する（ステップＳ３０）。なお、診断期間における相対変位δｘの測定は、以降も継続して実施される。

次いで、診断部１０６は、ステップＳ３０において測定された相対変位δｘのデータから、診断期間における相対変位δｘの移動平均値の２回微分の履歴ａ（ｔ）を算出する（ステップＳ４０）。そして、診断部１０６は、算出された履歴ａ（ｔ）が、ステップＳ２０において算出された標準偏差σ０を初めて一定区間超えたか否かを判定する（ステップＳ５０）。

履歴ａ（ｔ）が標準偏差σ０を一定区間初めて超えたと判定されると（ステップＳ５０においてＹＥＳ）、診断部１０６は、転がり軸受１０の状態がステージ０からステージ１へ移行したものと判定する（ステップＳ６０）。診断部１０６は、この時点を時刻ｔ１として記憶する。なお、ステップＳ５０において履歴ａ（ｔ）が標準偏差σ０を超えていないと判定されると（ステップＳ５０においてＮＯ）、ステップＳ３０へ処理が戻される。

ステップＳ６０においてステージ１へ移行したものと判定されると、診断部１０６は、測定された相対変位δｘのデータから、相対変位δｘの移動平均値の２回微分の履歴ａ（ｔ）を算出する（ステップＳ７０）。そして、診断部１０６は、時刻ｔ１後に、履歴ａ（ｔ）が標準偏差（−σ０）を初めて一定区間下回ったか否かを判定する（ステップＳ８０）。

履歴ａ（ｔ）が標準偏差（−σ０）を初めて一定区間下回ったと判定されると（ステップＳ８０においてＹＥＳ）、診断部１０６は、転がり軸受１０の状態がステージ１からステージ２へ移行したものと判定する（ステップＳ９０）。診断部１０６は、この時点を時刻ｔ２として記憶する。なお、ステップＳ８０において履歴ａ（ｔ）が標準偏差（−σ０）を下回っていないと判定されると（ステップＳ８０においてＮＯ）、ステップＳ７０へ処理が戻される。

図１１を参照して、次いで、診断部１０６は、ステージ２に移行した時刻ｔ２以降における、相対変位δｘの移動平均値の２回微分の標準偏差σ２を算出する（ステップＳ１００）。なお、標準偏差σ２を算出するための、相対変位δｘの移動平均値のデータ収集期間は、たとえば（ｔ２−ｔ１）に設定される。

ステップＳ１００において標準偏差σ２が算出されると、診断部１０６は、測定された相対変位δｘのデータから、相対変位δｘの移動平均値の２回微分の履歴ａ（ｔ）を算出する（ステップＳ１１０）。そして、診断部１０６は、ステージ２に移行した時刻ｔ２から、標準偏差σ２を算出するためのデータ収集期間（ｔ２−ｔ１）が経過した後の時刻｛ｔ２＋（ｔ２−ｔ１）｝後において、履歴ａ（ｔ）が標準偏差σ２を初めて一定区間超えたか否かを判定する（ステップＳ１２０）。

履歴ａ（ｔ）が標準偏差σ２を初めて一定区間超えたと判定されると（ステップＳ１２０においてＹＥＳ）、診断部１０６は、転がり軸受１０の状態がステージ２からステージ３へ移行したものと判定する（ステップＳ１３０）。なお、診断部１０６は、この時点を時刻ｔ３として記憶する。そして、診断部１０６は、転がり軸受１０の状態がステージ３へ移行したことから、この時刻ｔ３を転がり軸受１０の交換時期として診断する（ステップＳ１４０）。

なお、ステップＳ１２０において履歴ａ（ｔ）が標準偏差σ２を超えていないと判定されたときは（ステップＳ１２０においてＮＯ）、ステップＳ１１０へ処理が戻される。

なお、上記においては、ラジアル荷重が一定範囲内にあるとの条件下において、相対変位δｘの段階的な増大パターンに従ってステージ判定を行なうものとしたが、より高精度なステージ判定を行なうために、転がり軸受１０の回転速度が一定範囲内であるとの条件や、転がり軸受１０の温度が一定範囲内であるとの条件等をさらに加えてもよい。

上述した転がり軸受の状態監視装置１００は、様々な機械装置に適用可能であるが、特に、風力発電装置の主軸軸受の状態監視に好適である。すなわち、風力発電装置の主軸軸受は、交換が容易ではなく、かつ、比較的低速条件で使用され、さらに、軸受に損傷が発生しても継続使用されることが多い。このような風力発電装置の主軸軸受については、損傷による軸受交換時期の明確化が課題である。また、風力発電装置においては、主軸軸受の損傷による内外輪間の相対変位の増大は、主軸に連結される増速機の歯車の噛み合い不良を生じ得る。

本実施の形態に従う状態監視装置１００は、内外輪間の相対変位δｘに基づいて軸受の状態を監視し、軸受の状態がステージ３に達すると、軸受支持部品（たとえば風力発電装置の主軸が連結される増速機の歯車等）に影響を与えるほどの相対変位δｘが生じ得るものとして、軸受交換時期を的確に判断することができる。

（風力発電装置の構成）
図１３は、この実施の形態に従う転がり軸受の状態監視装置１００が適用される風力発電装置の構成を概略的に示した図である。図１３を参照して、風力発電装置２１０は、主軸２２０と、ブレード２３０と、増速機２４０と、発電機２５０と、主軸軸受（以下、単に「軸受」と称する。）２６０と、変位センサ２７０と、データ処理装置２８０とを備える。増速機２４０、発電機２５０、軸受２６０、変位センサ２７０及びデータ処理装置２８０は、ナセル２９０に格納され、ナセル２９０は、タワー３００によって支持される。

主軸２２０は、ナセル２９０内に進入して増速機２４０の入力軸に接続され、軸受２６０によって回転自在に支持される。そして、主軸２２０は、風力を受けたブレード２３０により発生する回転トルクを増速機２４０の入力軸へ伝達する。ブレード２３０は、主軸２２０の先端に設けられ、風力を回転トルクに変換して主軸２２０に伝達する。

増速機２４０は、主軸２２０と発電機２５０との間に設けられ、主軸２２０の回転速度を増速して発電機２５０へ出力する。一例として、増速機２４０は、遊星ギヤや中間軸、高速軸等を含む歯車増速機構によって構成される。なお、特に図示しないが、この増速機２４０内にも、複数の軸を回転自在に支持する複数の軸受が設けられている。発電機２５０は、増速機２４０の出力軸に接続され、増速機２４０から受ける回転トルクによって発電する。発電機２５０は、たとえば誘導発電機によって構成されるが、発電機２５０の種類はこれに限定されるものではない。なお、この発電機２５０内にも、ロータを回転自在に支持する軸受が設けられている。

軸受２６０は、ナセル２９０内において固設され、主軸２２０を回転自在に支持する。軸受２６０は、転がり軸受であり、この実施の形態に従う状態監視装置１００の監視対象となる軸受である。なお、この軸受２６０は、内輪が回転輪であり、外輪が静止輪である点で、図１以下に説明した転がり軸受１０と異なるが、上記の実施の形態に従う状態監視装置１００は、このような軸受２６０にも適用可能である。なお、外輪が静止輪の場合、負荷域は、外輪においてその中心軸よりも鉛直方向下側に形成され、初期損傷及びころピッチ損傷は、外輪内周面の軌道面に生じる。

変位センサ２７０は、軸受２６０の内外輪間の相対変位δｘを検出するためのセンサである。変位センサ２７０は、たとえば軸受２６０のハウジングに固設され、外輪（静止輪）に対する内輪（回転輪）の鉛直方向の変位δを検出してデータ処理装置２８０へ出力する。

データ処理装置２８０は、ナセル２９０内に設けられ、変位センサ２７０から検出値を受ける。そして、データ処理装置２８０は、予め設定されたプログラムに従って、軸受２６０の状態を監視する。具体的には、データ処理装置２８０は、変位センサ２７０から検出値に基づいて、軸受２６０の内外輪間の相対変位δｘを検出する。そして、データ処理装置２８０は、軸受２６０について、外輪（静止輪）に対する転動体の総負荷回数の増加に応じた相対変位δｘの段階的な増大パターンに従って、軸受２６０の状態（ステージ０〜ステージ３）を監視する。また、データ処理装置２８０は、軸受２６０の状態がステージ３に移行したものと判定すると、その時点を軸受２６０の交換時期であると診断する。

なお、このデータ処理装置２８０は、上述した診断部１０６（図１）の機能を実現するものである。また、データ処理装置２８０、変位センサ２７０、及び主軸２６０の回転速度を検出する回転センサ（図示せず）は、上述の状態監視装置１００（図１）を構成するものである。

以上のように、この実施の形態においては、内外輪間の相対変位δｘの段階的な増大パターンに従って、転がり軸受の状態（ステージ０〜ステージ３）が診断される。これにより、相対変位δｘの段階的な増大パターンに応じて軸受の損傷状況を把握し、相対変位δｘが軸受支持部品に影響を与え得るほど急激に増大する時点（ステージ２からステージ３へ切替わる時点）を軸受交換時期として定めることができる。したがって、この実施の形態によれば、軸受交換時期を明確化することができる。

なお、上記の実施の形態においては、複数の転動体から静止輪が受ける総負荷回数に応じた相対変位δｘの増大パターンに基づいて転がり軸受の状態（ステージ０〜ステージ３）を診断するものとしたが、総負荷回数に代えて、転がり軸受の総回転回数や、静止輪に対する複数の転動体の総通過回数（総負荷回数と同じ）、或いは、転がり軸受の総運転時間等を用いてもよい。

また、上記の実施の形態では、相対変位δｘの段階的な増大パターンに基づくステージ判定の処理について、一例として、統計的手法を用いた判定処理の手順について説明したが、ステージ判定の手法は、このような統計的手法に限定されるものではない。たとえば、より簡易な手法として、相対変位δｘの移動平均値の推移（大きさと変化）に基づいてステージを判定してもよい。

また、上記の実施の形態では、転がり軸受１０はころ軸受としたが、この発明は、玉軸受についても同様に適用可能である。

図１４は、玉軸受について、一定のラジアル荷重の下で、複数の転動体から内輪が受ける総負荷回数と、内外輪間の相対変位δｘとの関係を調べた実験結果を示す図である。実験条件として、転がり軸受は、内径１２０ｍｍ、外径２１５ｍｍ、幅４０ｍ、動定格荷重１５５ｋＮの深溝玉軸受とし、この転がり軸受に対して、ラジアル荷重９０ｋＮ、回転速度５００回／分を付与した。

図１４を参照して、この図でも、軸受の負荷域中央に初期損傷が発生してからの総負荷回数と相対変位δｘとの関係が示されており、初期損傷が発生する以前のデータは省略されている。

図示されるように、玉軸受の場合も、ころ軸受と同様に、総負荷回数の増大に応じて相対変位δｘが段階的に増大する。そして、このような相対変位δｘの増大パターンに従って、初期損傷段階のステージ１（ＳＴＧ１）、ステージ１に続いて、総負荷回数の増大に応じて相対変位δｘが増大傾向を示さないステージ２（ＳＴＧ２）、ステージ２に続いて、負荷回数の増大に応じて相対変位δｘが急激に増大するステージ３（ＳＴＧ３）を判断することができる。

また、上記の実施の形態においては、内外輪間の相対変位δｘは、変位センサ１０２（７０）によって測定するものとしたが、転がり軸受１０（軸受２６０）の加速度、速度、軸受から生じる音、及び軸受に生じる応力のうちの少なくとも１つの測定値と、相対変位δｘとの予め準備された関係を用いて、上記の測定値に基づいて相対変位δｘを間接的に検出してもよい。

また、上記の実施の形態においては、内外輪間の相対変位δｘの段階的な増大パターンに従って転がり軸受の状態（ステージ０〜ステージ３）を診断するものとしたが、図１５に示すように、転がり軸受に生じる振動加速度（実効値）の段階的な増大パターンに従って、転がり軸受の状態（ステージ０〜ステージ３）を診断することも可能である。なお、転がり軸受に生じる振動加速度は、たとえば、転がり軸受に設置される振動センサによって検出可能である。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 転がり軸受、１２ 内輪、１４ 軸体、１６ 外輪、１８ 転動体、１００ 状態監視装置、１０２，２７０ 変位センサ、１０４ 回転センサ、１０６ 診断部、２１０ 風力発電装置、２２０ 主軸、２３０ ブレード、２４０ 増速機、２５０ 発電機、２６０ 主軸軸受、２８０ データ処理装置、２９０ ナセル、３００ タワー。

Claims (7)

1. ラジアル荷重を受けて使用される転がり軸受の状態監視装置であって、
   前記転がり軸受の内外輪間のラジアル方向の相対変位を検出するための変位検出部と、
   前記ラジアル荷重が一定範囲内であるとの条件を含む所定条件下における、前記転がり軸受の総回転回数に関連する物理量の増加に応じた前記相対変位の段階的な増大パターンに従って、前記転がり軸受の状態を診断する診断部とを備え、
   前記診断部は、前記転がり軸受の静止輪の軌道面に生じた損傷の進展に応じて、第１の段階への移行、前記第１の段階から第２の段階への移行、及び前記第２の段階から第３の段階への移行を、前記相対変位の増大パターンに従って判別し、
   前記第１の段階は、前記転がり軸受が正常であるときの前記相対変位から、前記物理量の増加に応じて前記相対変位が増大する段階であり、
   前記第２の段階は、前記第１の段階に続いて、前記物理量の増加に応じて前記相対変位が増大傾向を示さない段階であり、
   前記第３の段階は、前記第２の段階に続いて、前記物理量の増加に応じて前記相対変位が増大する段階である、転がり軸受の状態監視装置。
2. 前記診断部は、前記転がり軸受が前記第３の段階であると判定すると、前記転がり軸受の交換時期であると診断する、請求項１に記載の転がり軸受の状態監視装置。
3. 前記所定条件は、前記転がり軸受の回転速度が一定範囲内であるとの条件をさらに含む、請求項１又は請求項２に記載の転がり軸受の状態監視装置。
4. 前記所定条件は、前記転がり軸受の温度が一定範囲内であるとの条件をさらに含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の転がり軸受の状態監視装置。
5. 前記変位検出部は、前記相対変位を検出する変位センサを含む、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の転がり軸受の状態監視装置。
6. 前記変位検出部は、前記転がり軸受の加速度、速度、前記転がり軸受から生じる音、及び前記転がり軸受に生じる応力のうちの少なくとも１つの測定値と前記相対変位との予め準備された関係を用いて、前記測定値に基づいて前記相対変位を間接的に検出する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の転がり軸受の状態監視装置。
7. ラジアル荷重を受けて使用される転がり軸受の状態監視方法であって、
   前記転がり軸受の内外輪間のラジアル方向の相対変位を検出するステップと、
   前記ラジアル荷重が一定範囲内であるとの条件を含む所定条件下における、前記転がり軸受の総回転回数に関連する物理量の増加に応じた前記相対変位の段階的な増大パターンに従って、前記転がり軸受の状態を診断するステップとを含み、
   前記診断するステップは、前記転がり軸受の静止輪の軌道面に生じた損傷の進展に応じて、第１の段階への移行、前記第１の段階から第２の段階への移行、及び前記第２の段階から第３の段階への移行を、前記相対変位の増大パターンに従って判別するステップを含み、
   前記第１の段階は、前記転がり軸受が正常であるときの前記相対変位から、前記物理量の増加に応じて前記相対変位が増大する段階であり、
   前記第２の段階は、前記第１の段階に続いて、前記物理量の増加に応じて前記相対変位が増大傾向を示さない段階であり、
   前記第３の段階は、前記第２の段階に続いて、前記物理量の増加に応じて前記相対変位が増大する段階である、転がり軸受の状態監視方法。

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